مقاله طراحی سازه های فضا کار پاشامی هوشمند و تاثیر متقابل آن بر معماری

بخشی از مقاله

طراحي سازه هاي فضا کار پاشامي هوشمند و تاثير متقابل آن بر معماري

چکيده
امروزه سازه هاي فضا کار پاشامي (Membrane Space Structures) کاربرد وسيعي در پوشش دهانه هاي بزرگ وپروژه هاي معماري پيدا کرده است . يکي از محدوديت هاي اين سازه ها، که مي تواند عملکرد آنها را تحت تاثير قرار دهد انعطاف پذيري بيش از انتظار در مقابل نيرو ها و عوامل موثر به ويژه تحت اثر نيروي باد مي باشد. اين تحقيق مفهوم نوين سازه هاي هوشمند که پتانسيل بزرگي در توليد سازه هاي فضاکار کنترلي يا تغيير فرم پ ير دارند را معرفي مي نمايد. هدف اين تحقيق بيان اين پتانسيل در حوزه ي سازه هاي پاشامي مرکب هوشمند و کاربردهاي آن در معماري است .
سازه هاي پاشامي مرکب هوشمند تغيير فرم پذير شامل يک سازه ي سبک متداول ميزبان از قبيل سازه هاي پارچه اي، و يا پليمرهاي سنتزي P. V. C بوده که توسط دو لايه ي پاييني و بالايي پيزوالکتريک پوشانده شده است . اين مدل هر دو نقش باربري و مکانيسم هاي محرک . سنسور را ايفا مي کند. مکانيسم تحرک اين سازه ، مکانيسم هاي محوري است که سازه ي ميزبان هسته بين دو لايه فعال خارجي پلاريزه شده عرضي ، ساندويچ شده است . با اعمال يک ميدان الکتريکي موازي با راستاي پلاريزاسيون به اين لايه ها مي توان انبساط و انقباض در کل سيستم ايجاد نمود. اين مکانيسم محرک مي تواند به نحوي اعمال شود که سازه به شکل هاي مختلف مورد نظر تبديل شود. در اين مقاله تلاش شده است قابليت سازه هاي فضا کار پاشامي هوشمند در معماري مورد بررسي و کنکاش قرار گيرد و ظرفيت قابل توجه آن ارائه و معرفي گردد.
واژه هاي کليدي : سازه هاي غشايي ، سازه هاي پاشامي، سازه هاي هوشمند، معماري

مقدمه
در دوراني که معماري مدرن با تجويز راهکارهاي طراحي براي معماري خوب ، با طرح هاي همسان و سطوح بتني يکنواخت عرصه معماري را تسخير کرده بود ظهور سازه هاي پاشامي تحولي عظيم در سير معماري به شمار مي رفت . اين سازه ها که برگرفته از سازه هاي کهن الگو چون سياه چادرهاي ايراني ، يورت ٤ هاي بخش شرقي آسيا و چادرهاي سرخ پوستان آمريکايي ليکن با مصالح و طراحي نوين بودند؛ به سرعت توانستند جايگاه خود را در معماري دوران مدرن و پست مدرن پيدا کنند. اين نوع سازه ها به علت برخورداري از يک هندسه فضايي سه بعدي به خانواده سازه هاي فضاکار تعلق دارند و همزمان به خاطر سبکي وزن در گروه سازه هاي سبک قرار مي گيرند.[١] سيستم سازه پاشامي بيش از هر سيستم ديگري پيوند ميان سازه و معماري را در يک طرح به نمايش مي گذارد.
در نخستين گام هاي بازگشت مجدد به اين سازه ها در دهه ١٩٦٠معماراني چون فراي اوتو با شيوه آزمون و خطا و استفاده از فرم هاي قابل لمس چون کف صابون و کابل آويخته توانست طرح هايي براي احياي سازه هاي پاشامي ارائه دهد. بعدها در دهه ٧٠ ميلادي استفاده از نرم افزارهاي کامپيوتري در تحليل اين سازه ها عرصه را براي گسترش طراحي سازه هاي بهينه تر و پيچيده تر فراهم کرد. پروژه ترمينال حجاج بندر جده در کشور عربستان کار شرکت معماري اس .او.ام در زمره اولين پروژه هاي بزرگ مي باشد که در آن از برنامه هاي رايانه اي استفاده شد.
گرچه اين سازه ها زماني که در قالب جديد شکل گرفتند با مشکلات زيادي چون عدم صرفه اقتصادي ، دوام و عمر کوتاه پاشام هاي به کار رفته ، ضعف در آتش سوزي و... مواجه بودند اما امروزه با پيشرفت سيستم هاي طراحي و ساخت و مصالح مقاوم در برابر کشش و آتش سوزي اين مشکلات نيز مرتفع گشته است .
آنچه که در خصوص استفاده از سازه هاي پاشامي حائز اهميت است ، ذکر اين نکته است که اين سازه ها همواره مي بايست تحت نيروي کششي قرار گيرند. در غير اين صورت با وارد شدن نيرويي چون نيروي باد، پاشام دچار چين شده و سازه کارايي خود را از دست خواهد داد. ظهور هرگونه چين و چروک در سطح پاشام نشانگر عدم کشش کامل و ايجاد پارگي حاکي از کشش بيش از حد است . مهمترين نيروي وارد بر اين سازه ها نيروي باد است که از تاثير آن در طول برپايي سازه ها و تثبيت وضعيت پايداري نهايي نبايد غافل شد.
فرم تکامل يافته اين سازه ها به جهت سبکي، شفافيت و انعطاف در خلق فرم هاي زيبا و بديع در سازه هايي با کاربري هاي گوناگون مورد استفاده است .

سازه هاي پاشامي
انواع و ويژگي ها
با گسترش مصالح مدرن انعطاف پذير و سبک -مشتق از مواد پليمري - از دهه ١٩٦٠ معماران توانستند به ايده سازه هاي چادري کهن ، جامه اي نو پوشانده و سازه هاي پاشامي را در طراحي هاي خود مورد استفاده قرار دهند. سازه هاي پاشامي گونه اي از سازه هاي کششي ، مرکب از المان هايي هستند که صرفا بار کششي را تحمل مي کنند بي آنکه نيازي به مقاومت در برابر نيروهاي فشاري يا خمشي داشته باشند.
کشش خالص تقريبا موثرترين روش استفاده از يک عضو سازه اي نازک و لاغر –چون سازه هاي پاشامي - مي باشد. اکثر سازه هاي پاشامي نيازمند پشتيباني اعضاي خمشي و فشاري ضميمه مانند دکل ها، حلقه هاي فشاري و تيرها هستند تا بتوانند نيروهاي وارده را به زمين انتقال دهند. . اين سازه ها با مفاهيمي چون بازگشت به طبيعت و فرم هاي برگرفته از طبيعت -به عنوان اثر معمار بزرگ - که در معماري امروز نيز بيش از هر زمان ديگر به آن پرداخت مي شود؛ سازگاري دارند.
سازه هاي پاشامي را از منظر هندسي مي توان به دوگونه سازه هاي با سطوح سين کلاستيک (تک انحنايي) و آنتي کلاستيک (با انحناي مضاعف ) تقسيم کرد. سازه هاي سين کلاستيک به آن قسم از سازه ها اتلاق مي شود که در آن جهت انحناي سطوح در يکسو قرار ميگيرد مانند گنبدها؛ و سازه هاي آنتي کلاستيک مانند سطوح زين اسبي سازه هايي را گويند که داراي انحنا در دو يا چند جهت مختلف هستند. از حيث اجرايي نيز سازه هاي پاشامي به سه دسته سازه هاي زين اسبي ٥، تکيه گاه هاي نقطه اي ٦ و گرده -دره ٧ تقسيم ميشوند.
سازه هاي پاشامي به جهت مشخصاتي چون سبک وزن بودن ، مقاومت بالا، قابليت عبور نور- بسته به جنس مصالح به کار رفته - جلوه نما ين و پوشش دهندگي فضايي، مورد توجه مهندسان و طراحان قرار گرفته است . نسبت شاخص مقاومت به وزن آن در قياس با سازه هاي متداول چندين برابر بوده و امکان پوشش دهانه هاي وسيع تر را ميسر مي دارد. همچنين اهميت سبک وزني آن در مناطقي که خطر زلزله در آنها وجود دارد درجه بيشتري به خود مي گيرد. چنين سازه هايي بسته به مصالح به کار رفته مي توانند قابليت نورگذراني از ٠ تا ١٠٠ را داشته باشند. از منظر زيبايي شناسي نيز اين سازه ها علاوه بر تحريک حس تعلق در انسان جوامع مدرن مي تواند نمايشگر جلوه اي نمادين باشد.

شرايط طراحي ، ساخت و نگهداري
طراحي ، ساخت و نصب سازه هاي پاشامي نيازمند آناليزهاي سازه اي دقيق تري خواهد بود. عموما محاسبات اين سازه ها بر اساس سازه پشتيبان و سازه پاشامي غير پيش تنيده بر روي مدل هاي نرم افزاري ساخته شده صورت مي گيرد. در شبيه سازي نيروهاي وارد به سازه توجه به نيروي بالابرنده باد به ويژه در هنگام نصب سازه ، از جمله نکاتي است که بايد مورد توجه قرار گيرد.
در مرحله اجرا و ساخت نيز پس از تعبيه فونداسيون عمليات ساخت و نصب سازه هاي پشتيبان ، برش بخش پاشامي سازه و نهايتا اتصال اين دو بخش به هم صورت مي گيرد. سازه پشتيبان مي تواند هريک از عناصر مرکب از ميله ها و پروفيل هاي توپر يا توخالي و کابل هاي تابيده باشد.
براي ساخت پوشش پاشامي سازه از متريال هايي چون پارچه هاي Kevlar،PVC ،PTFE ،ETFE به ترتيب از مات به شفاف استفاده مي شود.
در هنگام برش مفاصل در سازه هاي پاشامي مي بايست به نکاتي چون انحناي سطوح ، عرض پارچه مورد استفاده ، چگونگي قرارگيري درزها و ظاهر نهايي کار توجه نشان داد. ابتدا مي بايست انحناي هر سطح با توجه به نرم افزار مدل سازي استخراج گردد. چنانچه انحناي سطوح همجوار متفاوت باشند در اين صورت بايد انحراف و اعوجاج سطح را جدي گرفت . در چنين شرايطي درز در محل تغيير دو انحنا قرار داده مي شود و تغييرات انحنا به صورت تقريبي در قالب مسيرهاي ژئودزيک ٨ مشخص مي گردد. همچنين در روند پيدا کردن فرم بهينه که طي آن يک صفحه مش بندي شده در نرم افزار تحت اثر متغيرهاي پارامتريک تغيير پيدا مي کند نبايد از عرض متريالي که از آن براي ساخت سازه نهايي استفاده خواهيم کرد غافل باشيم . در يک طرح بهينه بهتر است مدول هاي طراحي از عرض پارچه و ضرايب آن پيروي کنند.
در نهايت درزهاي شکل گرفته در پارچه را به سه شيوه اتصالات دوخته ، اتصالات جوش حرارتي و اتصالات مکانيکي به هم پيوند مي دهيم .
اتصالات دوخته محکم ترين نوع اتصالات بوده ولي نخ مصرفي براي آن مستعد پوسيدگي است . دوخت پلي استر با رويه يPVC زماني مناسب است که اين دوخت به منظور دستيابي به حداکثر مقاومت با درزبندي حرارتي همراه باشد و در فضاهاي بيروني ، اتصال بايد با پوشش PVC محافظت گردد. دوختن فايبر گلاس با رويه يPTFE به دليل شکنندگي الياف توصيه نمي شود.
در اتصال جوش حرارتي با گرم کردن درزها تا دما بالاي نقطه ذوب پارچه و سپس روي هم آوردن درزها ضمن انجام عمل خنک کردن و اعمال فشار انجام ميشود. اتصال جوش حرارتي هم براي پلي استر با رويه PVC و هم پارچه فايبر گلاس PTFE و ETFE مناسب است . در حالت دوم بايد يک لايه مياني از جنس متفاوت بکار برد، چرا که ماده ي PTFE به تنهايي ذوب نمي شود. اتصالات مکانيکي را برخلاف دو اتصال پيشين که بهتر است در کارگاه دوخته و جوش شوند، مي توان در محل انجام داد. سه نوع اتصال مکانيکي متداول عبارت است از شيوه لبه طناب پيچ شده که در آن مي بايست دو روي پارچه بين دو صفحه محکم شوند و صفحات بايد ناپيوسته باشند تا امکان حرکت صفحات روي يکديگر وجود داشته باشد. شيوه دوم استفاده از تسمه شياردار است که در اين روش دو رويه ي پارچه در يک تسمه شياردار دايره اي دوطرفه ساخته شده از پروفيل آلومينيومي نگهداري مي شوند. اين شيوه در قياس با شيوه قبل خاصيت آب بندي ضعيف تري دارد. در اين حالت هم ورق هاي اتصال بايد ناپيوسته باشند. ولي ساده ترين روش اتصال ، ايجاد يک سري دالبرهاي کم عمق در فواصل تکراري به وسيله قلاب است . اين نوع اتصال در محل به سهولت و سرعت انجام مي شود ولي حاصل کار، ضدآب نخواهد بود.
سازه هاي پاشامي نيز همچون ساير سازه ها در گذر زمان دچار آسيب شده و از اين رو نيازمند نگهداري و تعمير هستند. نخستين مسئله پيش رو در نگهداري سازه هاي پاشامي بحث نظافت و تميزي سازه است . همان گونه که پيشتر نيز گفته شد مصالح اصلي براي پوشش پاشام اين سازه ها از جنس پليمري هستند. پليمرهاي PVCبه طور ذاتي تمايل به جذب آلودگي دارند. از اين رو چنانچه پاشام در فضاهاي شهري با ميزان آلاينده هاي بالا يا در ساير محيط هاي آلوده مورد استفاده قرار گرفت ؛ مي بايست مرتبا مورد نظافت قرار گيرد تا از شفافيت و جلوه آن کاسته نشود. اما نکته اينجاست که اين سطوح هرچه بيشتر مورد نظافت قرار گيرند بر اثر تماس حلال ها و مواد شوينده ترد و شکننده تر خواهند شد. اندودهاي PTFEو ETFEاز اين حيث مشکل کمتري دارند چرا که ذرات گرد و غبار به آن ها نمي چسبد و با بارش باران نيز شسته خواهد شد.
در بحث پارگي موضعي سازه ، نيز چنانچه پارگي و آسيب وارده کوچک باشد مي تواند در محل تعمير شود. پارگي هاي بزرگ در سازه عموما به شرکت سازنده ارجاع داده مي شوند و گاه حتي لازم است که سازه از حالت نصب خارج شود. مسئله ديگر نياز به کشش مجدد در سازه هاي پاشامي است که نصاب ملزم است ٦ ماه پس از نصب و به تناوب آن را مورد بررسي قرار دهد. کابل هايي که در معرض هواي آزاد و خوردگي هستند نيز چنانچه ضدزنگ نباشند بايد مورد توجه قرار گيرند.

نمونه هاي اجرا شده از سازه پاشامي
در ادامه به بررسي دو نمونه جديد ساخته شده از سازه هاي پاشامي در داخل و خارج از کشورمان مي پردازيم . نخستين مثال موردي ساخته شده ، سازه پوشش دهنده آمفي تئاتر پارک آب و آتش تهران کار شرکت سازه هاي پارچه اي ديبا است (شکل ١). مجموعه پارک با مساحتي در حدود ٢٤٠٠٠ مترمربع در شمال مجموعه تفريحي اراضي عباس آباد واقع است . اين بوستان داراي چهار برج آتش به همراه کف خيس بوده و سازه پاشامي ٧٠٠ مترمر عي آن وظيفه پوشش گرادياني ٧٥٠ نفري را دارد که بخش آمفي تئاتر اين بوستان را تشکيل مي دهد. آمفي تاترآب وآتش نمونه اي است که ترکيب سازه و معماري در آن، اساس طرح را تشکيل مي دهد . جايگاه بتني تماشاچيان خود به عنوان فونداسيون سازه هاي خرپايي پشتي عمل ميکند .پارچه با اتصالات مفصلي از پشت آمفي تئاتر به اين خرپاهاي فلزي به صورت قله ودره واز جلو به خرپاي کابلي که به دوستون جلويي منتهي ميشود متصل است . هرکدام از اين دو ستون نيز از پشت با چهار کابل کشيده مي شود . در لبه هاي پارچه و همچنين زير و روي آن کابلهايي است که نيروي پيش تنيدگي را در پارچه ايجاد کرده و آن را پايدار مي سازد. ارتفاع ستون اصلي ١٦ متر و طول دهانه سازه حداقل ١٨وحداکثر ٢٤ متر است .[٢] اين سازه بر اساس محاسبات جهت تامين شرايط آسايش در فصول مختلف سال و
مقاوم در برابر بار برف ١٥٠ دکانيوتن بر مترمربعي و باد با سرعت ١٠٠ کيلومتر در ساعت است .

نمونه موردي بعدي پروژه خان شاتير٩ بزرگترين سازه پاشامي در جهان است (شکل ٢). اين پروژه که توسط دفتر معماري نورمن فاستر طراحي شده است به سال ٢٠١٠ ميلادي افتتاح گرديد. اين مجموعه عملکرد يک مرکز بزرگ تفريحي و فرهنگي در آستانه ، پايتخت کشور قزاقستان را دارد. سازه پاشامي با پوشش سه لايه ETFE با ١٥٠ متر ارتفاع معادل يک سازه ٥٠ طبقه پوشش دهنده صدهزار مترمربع ، از نوع سازه پاشامي با تکيه گاه هاي نقطه اي است که توسط سه پايه هريک به ارتفاع تقريبي ١٤٧ متر تعبيه شده در مرکز و مهار لبه هاي بيروني سازه در حلقه فشاري پيراموني پشتيباني مي شود.[٣]

سازه هاي فضا کار پاشامي هوشمند
سازه هاي هوشمند پيزوالکتريک
در مهندسي سازه و معماري نوين ، تلاش هاي زيادي جهت کاهش وزن سازه ها صورت گرفته است . کاهش وزن سازه اي مزاياي زيادي با خود به همراه داشته که از جمله ي آن ها مي توان به کاهش هزينه هاي توليد و اجرا و مواد مصرفي اشاره نمود. با اين وجود، سازه هاي سبک در برابر ناپايداريهاي استاتيکي و ديناميکي حساس تر ميباشند. يکي از راه حل ها در برابر اين مشکل بدون تغييرات در وزن سازه ، استفاده از مواد هوشمند براي اندازه گيري و کنترل ناپايداري ها است . اين ايده، استفاده از مواد هوشمند، در سال هاي اخير مورد توجه محققين زيادي قرار گرفته و تحقيقات تئوري و آزمايشگاهي گسترده اي را در زمينه ي مدلسازي اين دسته از مواد در منابع علمي معتبر مي توان جستجو کرد. در اين زمينه ، مواد پيزوالکتريک يکي از مواد هوشمندي است که بسيار مورد ارزيابي قرار گرفته است .[٤]
در سال ١٨٨٠ خاصيت پيزوالکتريسيتي توسط P. Curieو J. Curieکشف شد. برادران Curie ابتدا اثر مستقيم پيزوالکتريک را در کريستال - هاي تورمالين کشف کردند. آنها تشخيص دادند که تغييرشکل مکانيکي در جهت هاي خاص ، سبب ايجاد بارهاي سطحي الکتريکي در وجوه مقابل کريستال شده که متناسب با تغييرشکل مکانيکي است . اين اثر که بعدًا در کوارتز و ساير کريستالهايي بدون مرکز تقارن پيدا شد، اثر مستقيم پيزوالکتريک ، اثر سنسوري ، ناميده ميشود. اثر معکوس پيزوالکتريک ، اثر محرکي ، توسط ليمپمن بر مبناي ملاحظات ترموديناميکي ارائه و بعدًا توسط برادران کوري نيز به طور آزمايشگاهي تأييد شد. اثر پيزوالکتريک در ساختار کريستال ه يي پيدا شد که مرکز تقارن وابسته به يونهاي مثبت و منفي شبکه ي کريستالي نداشتند. بنابراين مي توان دريافت که شرايط اصلي براي وقوع اثر پيزوالکتريک ، وجود محورهاي قطبي ميان ساختار کريستالي است . قطبي بودن به اين معني است که يک گشتاور غيرقطبي الکتريکي در جهت هاي محور توزيع بار الکتريکي در پيوند شيميايي ايجاد ميشود.[٥]
امروزه سراميک هاي پلي کريستالين مثل تيتانيم - باريم و تيتانيت - زيرکونات - روي، جزء متداول ترين مواد پيزوالکتريک مورد استفاده ميباشند.
چرا که آنها نسبت به پيزوالکتريک هاي پلي کريستالين منفرد داراي قيمت توليد کم و امکان شکل دهي دلخواه بيشتري ميباشند. تيتانيت - زيرکونات - روي ،PZT، در ساختار پروسکيت کريستال فروالکتريک از نوع ABO٣پيدا شده است . در ساختار پروسکيت ، Aبيانگر يون دوبار مثبت روي ، B و Oبه ترتيب بيانگر يون چهار بار مثبت تيتانيم و يون دو بار منفي اکسيژن ميباشد. در دمايي بالاتر از دماي خاص Tc، که دماي کوري ١٠ ناميده مي شود، شبکه ي پايه ي PZT يک ساختار مکعبي توليد ميکند (شکل a-٣). در اين ساختار کريستالي به دليل وجود مرکز تقارن ، هيچ خاصيت پيزوالکتريکي ايجاد نمي شود. با نزول به زير دماي کوري ، بافت مکعبي شبکه ي کريستالي به دلايل انرژي ، خود به خود به ساختار چهار وجهي تبديل ميشود. به موجب آن، يون اکسيژن در حالت چهار وجهي به سمت محور C کريستالوگرافيک جابجا ميشود.
در همان زمان ، يک تغييرمکان يون مثبت شبکه به سمت جهت مخالف رخ ميدهد. اين جابجايي يوني منجر به يک انبساط پايه اي شبکه اي به سمت محور C شده در حالي که يک انقباض به طور همزمان به طرف دو محور a نشان داده در شکل (b-٣) رخ ميدهد. اغتشاش ايجاد شده در اثر انتقال فاز پارا الکتريک به فاز فروالکتريک ، تغييرشکل خود به خودي ناميده ميشود.

با تغييرشکل خود به خودي از مرکز تقارن شبکه ي پايه ي چهار وجهي ، يک گشتاور دو قطبي مناسب ايجاد ميشود. مقدار گشتاور دو قطبي به حجم واحد شبکه وابسته است که پلاريزاسيون خود به خودي Ps ناميده ميشود. اين پلاريزاسيون موازي يا