بخشی از مقاله
بررسی مواد مورد استفاده در سازه هاي غشایی و مقایسه خواص آنها
چکیده
سازه هاي غشایی زیرمجموعه اي از سازه هاي فضایی هستند و به دلیل سبکی، شفافیت و انعطاف در خلق فرم هاي زیبا و بدیع، گسترش روزافزونی در ساخت بناهایی با عملکردهاي مختلف تجاري، اداري ، ورزشی و... و یا به شکل سایه بان در فضاهاي عمومی و شهري داشته اند.
ویژگی هاي مذکور ارتباط مستقیم با خواص مواد سازنده غشاهاي این نوع سازه ها دارد. ساخت و تولید مواد کامپوزیت از الیاف و پلیمرها با طیف وسیعی از خواص فیزیکی، مکانیکی و سازه اي امکانات متعددي را پیش روي طراحان قرار داده است. این مواد داراي تفاوت هایی در اندازه، وزن و خواصی نظیر مقاومت گسیختگی، مقاومت در برابر ترك خمشی، انتشار آتش، گسترش پارگی و همینطور درجه شفافیت، دوام و ضمانتی که کارخانه سازنده می دهد، می باشند؛ بنابر این شناخت این ویژگی ها و تفاوت ها جهت انتخاب ماده مناسب از سوي طراحان و مهندسین ، امري ضروري می نماید.
این مقاله ضمن معرفی انواع موادي که در ساخت این غشاها به کار می رود، خواص و مزایاي هر یک را با هم مقایسه کرده و مهمترین نکات مربوط به آنها را بیان می نماید.
کلید واژه ها : سازه غشایی، موادکامپوزیت، سبکی، زیبایی، شفافیت
-1 مقدمه
سازه هاي غشایی((membrane structures ، نوعی از سازه ها هستند که در آن یک ماده کشسان به منظور مسقف کردن یا پوشاندن یک سطح یا حجم به کار می رود . این سازه ها متعلق به خانواده سازه هاي پوسته اي نرم و زیر مجموعه اي از سازه هاي فضایی هستند. [ 1]
استفاده از سازه هاي غشایی جدید در طی جنگ دوم جهانی آغاز شد ، زمانی که ارتش آمریکا به دنبال نوعی از سازه بود که بتواند آنتن هاي رادار را بدون اینکه سد راه پرتوهاي الکترومغناطیس شود و مزاحم انتقال و دریافت آنها باشد، پنهان کند. این نیاز ، والتر برد (Walter Bird) را واداشت تا در سال 1942 اولین گنبدها را با سیستم هواي فشرده طراحی کند و در حال حاضر هر سال، صدها سازه غشایی کوچک و بزرگ در نقاط مختلف دنیا برپا می شود؛ فرم هاي سبک، معلق و شناور این سازه ها ترکیبات بدیعی را بوجود می آورد که تحسین هر بیننده اي را بر می انگیزد.
با این حال ، سازه هاي غشایی ابداع تازه اي نیستند . دریانوردان رومی ، براي مسقف کردن کولوسئوم در رم بادبانهاي قایق را با مهارت به کار می بردند و به کمک این بادبانهاي کرباسی که به شکلی خاص طراحی و توسط طنابهایی کشیده می شد، براي تماشاچیان سایه ایجاد می کردند . اقوام بادیه نشین بدوي پوست بز را صدها سال براي پوشش چادر و تقسیم بندیهاي داخل آن جهت جدا ساختن انسان از گوسفندان به کار برده اند. [ 1]
-2 انواع غشاها
غشاها به سه دسته کلی تقسیم می گردند : پارچه ها((woven fabrics، فیلم ها و فیلم هاي تقویت شده. [ 2]
- 1-2 پارچه ها : این مواد از الیافی که در کنار یکدیگر در زوایاي مستقیم قرار می گیرند، ساخته می شوند. الیافی که در هنگام بافته شدن پارچه در امتداد طول آن کشیده می شوند، تار((warp و آنهایی که در امتداد عرض پارچه و تحت کشش کمتر قرار می گیرند، پود((weft نامیده می شوند. پارچه ها به طور عادي ایزوتروپیک نیستند( در امتداد جهات تار و پود رفتارهاي متفاوتی دارند). اما این تفاوت ها به کمک روش بافت و تکنیک هاي روکش می تواند به حداقل رسیده یا حذف شوند.
-2-2 فیلم ها : این مواد، ورقه هاي همسانی از پلاستیک یا لاستیک هستند که می توانند کاملا شفاف و یا مات باشند؛ بسیار انعطاف پذیرند و درحالت عادي ایزوتروپیک هستند ( یعنی در هر دو جهت طول و عرض، رفتار مشابهی دارند). اما ضعیف تر وکم دوام ترند و مقاومت گسیختگی کمتري نسبت به پارچه هاي بافته شده دارند. آنها به دلیل انعطاف پذیري زیاد و هزینه پایین مناسب ترین ماده براي سایه بان ها یا ساختمان هاي موقت جهت برگزاري مراسمی نظیر کنسرت موسیقی هستند.
-3-2 فیلم هاي تقویت شده : این مواد از یک پارچه که بین دو لایه نازك فیلم چسبیده یا با حرارت جوش داده می شود، تشکیل شده اند. لایه هاي این نوع غشا، هم مقاومت و پایداري پارچه ها را دارند و هم نفوذپذیري فیلم ها را. این مواد نسبت به فیلم ها مقاومترند و براي سازه هاي دائمی تر مناسب خواهند بود.
به دلیل این که پارچه ها معمولترین و رایج ترین غشاها هستند بنابراین اجزاي آنها و متداولترین پارچه هاي مورد استفاده در غشاها با جزئیات بیشتر شرح داده می شوند. ] ]2
-3 اجزاي غشاهاي پارچه اي
این غشاها از خانواده کامپوزیت هاي انعطاف پذیر (ماتریس گرمانرم+ الیاف پلیمري) هستند.[6 ] آنها از الیافی ساخته می شوند که بتوانند در مقابل نیروهاي کششی مقاومت کنند . الیاف به صورت هموار و مسطح در یک رزین توزیع می شوند که این رزین به عنوان لایه پر کننده و نیز روکش محافظ الیاف عمل می کند .
-1-3 الیاف
الیاف به دو دسته طبیعی و شیمیایی تقسیم می شوند. الیاف طبیعی طول محدودي دارند و به شکل رشته هایی در می آیند که الیاف نخریسی ( spin fibre) نامیده می گردند. الیاف شیمیایی از نظر تئوري طول نامحدودي دارند و آنها را فیلامنت ( filament) می نامند. مقطع عرضی الیاف طبیعی کمتر از 0,1 میلی متر است در حالی که الیاف شیمیایی می توانند مقاطع عرضی بزرگتري داشته باشند. شکل این مقطع در الیاف طبیعی گرد است اما در الیاف شیمیایی می تواند به هر شکلی باشد. بهترین حالت در سازه هاي غشایی استفاده از الیاف با مقطع گرد است. [ 3 ]
الیاف پشم
از الیاف طبیعی است که در سازه هاي غشایی به کار می رود. فراي اتو ( Frei Otto) از آن در نخستین سازه هاي خود استفاده کرد و امروزه هنوز در برخی چادرهاي اجاره اي به کار می رود. به دلیل داشتن خصوصیات ارگانیک، این ماده در معرض قارچ و رطوبت است و عمر مفید مورد انتظار آن 4 سال می باشد. [ 3]
پلی امید 6,6 (نایلون)
الیاف نایلون در برابر اشعه فرا بنفش مقاومت کمی دارد؛ در اثر جذب رطوبت، در جهت طول دچار تورم می شود و به همین دلیل جهت مصارف معماري اهمیت کمی دارد اما به دلیل وزن کم و مقاومت زیاد در صنعت کشتیرانی به وفور استفاده گردیده است. [ 3]
پلی استر
الیاف پلی استر همراه با الیاف شیشه معمولترین الیاف مورد استفاده در غشاها هستند و به عنوان مصالح استاندارد شناخته می شوند. این الیاف مقاومت کششی و خاصیت کشسانی خوبی دارند. خواص مکانیکی ماده در اثر نور خورشید افت می کند و جلوه ظاهري خود را از دست می دهد. [ 3]
الیاف شیشه
الیاف شیشه معمولاً از سیلیکا و اکسید کلسیم ، بروم ، سدیم ، آهن و آلومینیم ساخته می شوند .این الیاف به خاطر ساختار شیمیایی فضایی شیشه، ایزوتروپیک (داراي خواص برابر از هرسو) هستند، بنابراین در همه جهات داراي مدول الاستیسیته یکسان می باشند.هنگام استفاده از الیاف شیشه باید از اصطکاك و سایش بین الیاف مجاور حذر کرد. چنین اصطکاکی می تواند به الیاف، آسیب زده، سبب خرابی گردد. الیاف شیشه
[ 1] و [3]
انواعی دارد، نظیر: شیشه E (الیاف با خواص الکتریکی)، شیشه ) C الیاف با مقاومت خورندگی) و شیشه S
(الیاف براي کاربردهاي خاص). [ 1 ]
الیاف آرامید
این نوع جدید از خانواده الیاف به طور همزمان توسط اکزو ( Akzo) با نام الیاف توارن ( Twaron) و دو پونت
( DuPont) با نام الیاف کولار ( Kevlar) کشف گردید.این ماده مقاومت کششی زیادي دارد و از نظر شیمیایی مقاوم است. از ایرادهاي آن کرنش کششی کم و مقاومت بد در برابر حرارت زیاد و اشعه فرابنفش است.[ 3 ]
جدول (1) مقایسه خواص فیزیکی الیاف متداول مورد استفاده در ساخت غشاهاي پارچه اي [ 4]
-2-3 روکش
به منظور ایجاد دوام و آب بندي و هموار کردن سطح غشا و نیز جلوگیري از انباشت خاك، کثیفی و بـاکتري روي آن، لازم است دو طرف آن روکش شود. مواد روکش کننده معمـول عبارتنـد از: پـی وي سـی، تفلـون و
سیلیکون.
-4 انواع غشاهاي پارچه اي
پلی استر با روکش پی وي سی (PVC-coated polyester)
این غشاها خیلی ارزان تر از الیاف شیشه با روکش تفلون یا سیلیکون هستند. پلی استر با روکش پی وي سی مطابق با شرایط محیطی گوناگون می تواند در طیف رنگی وسیعی تهیه شود. با این حال وینیل در معرض خزش سریع است. غشاهاي ساخته شده از این ماده باید در دوران استفاده چند بار کشیده شوند تا از چین خوردن آنها جلوگیري گردد.
خاك بر روي وینیل انباشته می شود، بنابر این روکش سیلیکون بهتر است. دوره عمر پلی استر با روکش پی وي سی حدود 10 سال است. عیب دیگر وینیل این است که هم در برابر نور شدید خورشید و هم در هواي سرد ( زیر 10 درجه سانتی گراد) ترك بر می دارد. همچنین پس از 5 تا 7 سال، رنگ آن متمایل به زرد می شود. [1 ] براي مقاومت بیشتر در برابر عوامل محیطی و افزایش دوام آن بر روي این ماده روکشهاي دیگري نظیر Acrylic،PVF،PVDF استفاده می گردد و ماده اي مقاوم در برابر آتش محسوب می شود. [ 3 ]
الیاف شیشه با روکش تفلون (PTFE-coated glass fibre)
الیاف شیشه مدول الاستیسیته بالایی دارند. به روش اکستروژن ساخته می شوند، در نتیجه امکان ساخت و تولید الیاف انعطاف پذیر ظریفی ( الیاف بتا) را می دهد که مقاومت آن در برابر نیروهاي کششی از فولاد نیز بیشتر است. تفلون ماده اي اینرتیک است و بخوبی با خاك و کثیفی مقابله می کند و ظاهري چشم نواز دارد.
[ 1[
این پارچه، بادوام ترین غشاهاست؛ عمر مفید مورد انتظار از چنین غشایی بیش از 30 سال است. وزن آن
990 تا 1150 گرم بر مترمربع است.در زمره مواد غیر قابل احتراق محسوب می شود و در سراسر دنیا قوانین سختگیرانه اي بر آن اعمال می شود. براي سازه هاي دائمی مناسب است. انعطاف پذیري آن کم و داراي شفافیتی تا حدود 25 درصد می باشد. اولین بار در مرکز دانشجویی دانشگاه لا ورن La Verne) )در کالیفرنیا استفاده شد و از معروفترین پروژه هایی که این ماده مورد استفاده قرار گرفت، گنبد هزاره( Millennium (Dome را می توان نام برد. ]3[
