تحلیل یک نمونه اجرایی سازه فضایی

مقدمه

غرفه نمایشگاهی ایالات متحده در نمایشگاه بین المللی ۱۹۷۰ در اوزاکای ژاپن یکی از ابتدایی ترین انواع سقف های کابلی متکی برهوا را به خوبی نشان می دهد که به صورت یک بیضی بزرگ که دهانه های ۲۶۲ در ۴۶۰ فوت را می پوشاند . در سقف از کابل های ۲۰ فوتی در مرکز استفاده شده است . که به صورت الگوی الماسی شکل به نظم درآمده وتکرار شده اند . هیچگونه رینگ کششی در مرکز وجود ندارد . کابل ها با یک رینگ بتنی فشاری مهاروایستا شده اند .

شیب کم سکوها وگنبد مسطح بام ( ۲۳ فوت ارتفاع ) بارحاصل از نیروی باد را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد . فشارهوای داخلی برابر است با ۰٫۰۳ Psig
ظرفیت دمیدن مورد نیازمعمولا کم است چون این مقدار مستقل ازحجم هوا و وابسته به مقدار نشت ونفوذ آن می باشد.
هزینه کم ، کیفیت زیبایی فضای شفاف و دهانه یک پارچه وتصدیق وتثبیت نظریه طرح توسط نتایج آزمایشات تجربی منجربه گسترش استفاده از این سیستم سازه ای درسایر کاربردها ونیزدهانه های بالاتر تا ۲۴۰۰ متر (۸۰۰۰ فوت) گردید.
درتوسعه این سیستم پیش ازطرح غرفه نمایشگاهی ایالات متحده ضروری بود که پوششی ایجاد شود که پایدار وغیرقابل اشتعال (نسوختنی ) باشد تا ساختمان بتواند براساس آئین نامه های موجود امریکا مجوزبگیرد .محصول نهایی ازالیاف پشم وشیشه تحت ضمانت لابراتوار های معتبر که به رزین تفلون فلوروکربن آغشته شده بود تشکیل شده بود . پوشش یک تفلون فرموله ” TFE” و ” FEP” می باشد که پس از ضد عفونی توسط حرارت وپس از پوشش ابتدایی وازجنس سیلیکون قابل استفاده است. پوشش سیلیکون ازفتیله شدن آب جلوگیری می کند .
برای پراکندگی تفلون ۱۰ دانه ی میکرونی از جنس شیشه به آن افزوده می شود باعث کاهش قیمت الیاف وهم بالا رفتن مقاومت سایشی آن می شود.مقاومت این محصول بین lbs/in 200 تا lbs/in1000 تفاوت می کند . محصول بامقاومت lbs/in 600 می تواند از حالت کاملا مات تا شفافیت ۱۸% تغییر نماید .
مشخصه غرفه این نمایشگاهی برجسته سازی یک سقف که ۱۰۰۰۰۰ فوت مربع را با یک دهانه شفاف ، یکپارچه و بزرگ می پوشاند.

وزن نهایی بخش سازه پنوماتیک این بنا در حدود ۱ پوند بر فوت مربع است.کابل های فولادی با مقاومت بالا ، که قطر آن ها بین ۲/۳ تا ۴/۹ فوت تغییر می کند،در مرکز حدود ۲۰ فوت طول دارند و تا ۴۵۰ فوت نیز در کناره ها می رسد که به صورت الگوی الماسی آراسته شده اند. کابل ها توسط یک رینگ فشاری بتنی که متکی بر کشش کابل است مهار شده اند.(هیچ نوع گشتاور خمشی تحت اثر بار معمولی ایجاد نمی شود ) در پلان شکل سقف با یک بیضی که در گوشه ها حالت مستطیل به خود می گیرد مواجه هستیم.انتخاب این فرم بر اساس اهداف زیبایی شناسانه بوده است.

سازه فضاکار

از آغاز پیدایش سازه های فضایی اشکال بسیار گوناگونی به انواع آن افزوده شده که دارای طبقه بندی جامع ذیل است:
۱- داربستهای اسکلتی Skeleton Frameworks )
2- سیستمهای پوسته تحت تنش ( Stressed Skin Systems )
3-سازه های معلق ( Suspended Structures )
4- سازه های هوای فشرده ( Pneumatic Structures )
در انواع این سازه ها ، اتصالهای مختلف که در طی مدت زمان طولانی تکمیل شده اند به کار گرفته می شوند و اکثر آنها شکل ظاهری بسیار ساده ای دارند . با استفاده از این اتصالها امکان ساختن این سازه ها به صورت دو و یا چند لایه وجود می آید و با استفاده از قطعات پیش ساخته می توان سازه های عظیمی را با هزینه کم و به آسانی ایجاد کرد . یک نمونه از سیستمهای موفق ، سیستم گوی و لوله ( mero ) است که اتصالهایش گوی هایی با ۱۸ سوراخ است که از جهات مختلف عضو می پذیرد و قدرت عمل زیادی را به طراح و سازنده می بخشد .
یک نمونه جالب از سازه های دو لایه ، ساختمان نمایشگاه واقع در سائوپولو ، برزیل است که محوطه ای به مساحت ۲۶۰ در ۲۶۰ متر مربع را با تکیه بر ۲۵ ستون و با استفاده از ۴۸۰۰۰ عضو لوله ای آلومینیومی پوشش می دهد . نمونه جالب دیگری از کاربرد سازه های فضاکار قابل جداشدن ، پارکینگ هیترو لندن است . این پارکینگ قابلیت تحمل ۳۲۵ اتومبیل را داشته و استفاده از آن بسیار اقتصادی است . این نمونه ، تصور اکثر افراد را مبنی بر اینکه شبکه های فضایی فقط برای مسقف کردن محوطه بکار می روند را باطل می سازد . نمونه دیگر ، آشیانه هواپیما در لندن است که دهانه ای به طول ۱۳۸ متر دارد . این سقف باید لوازمی به وزن حدود ۷۰۰ تن را تحمل کند که ۳۰۰ تن آن متحرک و شامل چندین دستگاه جرثقیل است که امکان تعمیرات و نگهداری هواپیما را به سهولت فراهم می آورد.

انقلابی در طراحی

پس از برآورد هزینه های ساخت پروژه تصمیم بر آن شد که بودجه پیش بینی شده (۲٫۶ ملیون دلاری) به طریقی تقلیل یابد.یک راه کاهش هزینه ها کار کردن روی مسائل خاص محدوده طرح از جمله ضرورت طراحی با در نظر گرفتن طوفان های با سرعت ۱۵۰ مایل بر ساعت است.
از همان ابتدا تصمیم تیم طراحی استفاده از سازه متکی بر هوا بود.از بعد دیگر چون در طرح اولیه قصد بر این بود که فیلم هایی در پرده های بزرگی در سطح داخلی گنبد مورد نظر پخش شود، استفاده از این نوع سازه با توجه به فرم گنبدی آن بسیار منطقی می نمود.

The roof in plan and section

پلان و مقطع بام

سازه بنا

کابل ها این امکان را به ما می دهند که یک گنبد با خیز بسیار کم داشته باشیم.
(تنها ۲۳ فوت در برابر دهانه ۲۶۲ فوتی)چون سازه کوتاهی داریم استانداردهای ژاپن آن را برای طوفان با سرعت ۱۲۵ مایل بر ساعت مجاز دانسته اند.
به منظور مطالعه خواص آیرودینامیکی بام یک مدل ۱۰۰/۱ داینامیکی ساخته و در برابر تونل باد مورد تست قرار گرفت. با وجود ضخامت کم صفحات، در مقابل باد تا سرعت ۲۰۰ مایل بر ساعت هیچ نوع لرزشی ایجاد نشد. با افزایش فشار هوای داخل سازه فرکانس (بسامد) لرزش های بام افزایش و دامنه نوسانات کاهش می یابد.برای این که سازه باز هم بیشتر آیرودینامیک شود ، یک سکوی زمینی با عرض ۲۰ فوت و شیب ملایم انتخاب شده است. سطح خارجی با اسفالت قهوه ای کوبیده شده که با بتن های متکی بسته شده ، پوشانده شده است و سطح داخلی با صفحات پلی استری “Mylar” که اثرات آینه ای با انعکاسات موجی شکل در داخل می گذارد و نیز نور را در طول روز به سمت سقف بازمی تاباند.

نصب صفحات پلاستیک پلی استری

این مقطع از سکوی زمینی وبام ما را به طریقه توزیع فشار باد هدایت می کند که درقسمت سک مثبت (روبه پایین) ودرقسمت روی سطح بام کابلی منفی (روبه بالا)می باشد .
تصمیم برآن بودکه کابل ها به شیوه مرسوم شعاعی با یک رینگ کششی مرکزی قرارداده شوند .زیرا وزن رینگ خود ممکن بود که درمرکز سقف سازه پنوماتیک ایجاد یک فرورفتگی وگودی کند ودر اثر جمع شدن آب باران ممکن بود موجب فروپاشی واضمحلال سازه شود ، همچنین در کابل های شعاعی به تعداد دوبرابراتصالات نیازداریم وبه علاوه هزینه و وزن رینگ کششی ، همچنین به دست آوردن پوششی که مسافت بزرگ دهانه را درقسمت پیرامونی ومحیطی بام وعرض کم و باریک آن را در قسمت مرکزی بپوشاند.
درابتدا طرح بر این مبنا بود که کابل ها به صورت مستقیم الخط وموازی با اقطار اصلی وفرعی بیضی بزرگ صف آرایی شوند . (مانند راکت تنیس ) به هرحال طبق مطالعات مشخص شد که براساس چیدمان طبق مدل الماسی ۳۳% دروزن کابل ها صرفه جویی می شود.
سه قطر متفاوت ازکابل های سیمی استاندارد با سایزهای ۲/۳ ، ۸/۹ و ۴/۹ اینچ به کار گرفته شدند . محل تقاطع کابل ها به طور دقیق با رایانه مشخص شده بود ودر محل استقرار پوشش علامت گذاری شده بود .
انتهای کابل ها با آلیاژپرکننده وبطونه فلزروی به سرپیچ ثابت می شود و به رینگ فشاری بتنی مهارمی شود . ضریب اطمینان طرح مهار بندها درمقابل بار گسیختگی ثابت تحت یک دوره کوتاه ۲٫۶ می باشد.
رینگ فشاری به پایه بتنی زیرین آن بسته نشده است بلکه پایه طراحی شده تا جرم کافی ومناسبی برای جلوگیری ازحرکت سازه به سمت بالا (بالا کشیده شدن) را با ضریب اطمینانی به اندازه ۱٫۶ داشته باشد. بین پایه ورینگ فشاری یک صفحه فولاد گالوانیزه می باشد که ضریب اصطکاک ۰٫۴ دارد .
این ضریب از این رو انتخاب شده است که از سرخوردن وجابجا شدن پایه توسط رینگ وتحت اثر بار ارتعاشات ولغزش های زمین ویا بار حاصل ازوزش طوفان جلوگیری می کند . درعین حال اجازه لغزش را درصورت نا پایداری حاصل ازنوسانات بام که به خاطرارتفاع و وزش بادهای شدید ایجاد می شود می دهد .
لغزش وجابجا شدن پوسته تحت اثربار دینامیکی ازنظرتعدیل نمودن حرکات بام و کابل ها سودمند خواهدبود.

تصویربالا مقطع عرضی رینگ فشاری را نمایش می دهد .رینگ روی یک پایه بتنی قرار می گیرد اما به آن مهاربندی نشده است . یک صفحه فولاد گالوانیزه بین رینگ وپایه ضریب اصطکاکی در حدود ۰٫۴ را تأمین می کند . مهاروتکیه گاه طراحی شده است تا بارهای نقطه ای روی پوسته را حذف نماید که ممکن است باعث شکاف درپوسته شود ؛ همچنین است کاربرد پوشش بین پوسته وکابل ها.
پوشش بام

پوشش بام ازالیاف ریزبافت پشم شیشه که به خوبی بند کشی شده ودر دوطرف با وینیل پوشش داده شده تا مقاومت کافی را دربرابر رطوبت وهوا تأمین کند ،تشکیل شده است .

تصویربالا نقاط تقاطع کابل و جزئیات یراق آلات را نمایش می دهد.اکثر اتصالات پوشش ها به یک دیگراز طریق آب بندی کردن توسط حرارت ووینیل که غشاء وپوسته شیشه ای را می پوشاند می باشند . روی مهره های کابل نگهدار پوشش ها وکلاهک هایی ازجنس “PVC” قرارداده شده تا امکان گسیختگی را ازبین ببرد .

نتیجه گیری

سازه های پنوماتیک (Pneumatic Structures)نوع خاصی از سازه ها هستند که سبک وزن ، کم هزینه و دارای امکان سریع بوده ، می توانند به سرعت برپا شده و یا برداشته شوند. این سازه ها به صورت های کلی زیر ایجاد می شوند:
۱ـ سازه های متکی بر هوا (Air-Supported Structures)
٢ – سازه های پر شده با هوا(Air-Inflated Structures )
کاربرد نوع متکی بر هوا ساده تر است، چون سازه هوایی فقط شامل سقف می شود. اما نوع پر شده با هوا اجرای مشکل تری دارد.
با مطالعه و کسب اطلاعات کافی می توان از این سازه ها در کاربردهای فراوانی چون استادیوم های ورزشی ، غرفه های نمایشگاهی ، کمپ های دانشجویی ، پناهگاههای موقت و یا در کلیه کاربری های فصلی استفاده نمود.