بخشی از مقاله
چکیده
سازه فضا کار یک سیستم سازه ای است که اعضای خطی در آن به گونه ای آرایش یافته اند که نیروها به صورت سه بعدی منتقل می شوند. دریک سازه فضا کار، ترکیب شکل، بارهای داخلی و جابجایی های سازه در یک صفحه قرار نمی گیرند. به سازه ای که اصولا رفتار سه بعدی داشته باشد، به طوریکه به هیچ ترتیب نتوان رفتار کلی آن را با استفاده از یک یاچند مجموعه مستقل دوبعدی تقریب زد، سازه فضا کار نامیده می شود. پژوهش حاضر بر این است که در طراحی های ساختمانی، در مهندسی معماری نوین، به چه ترتیب می توان از این سازه ها جهت بهینه سازی ساختمان در راستای رسیدن به فرم های دلخواه با دهانه های وسیع و فضایی شکل پذیرتر دست یافت.
بنابراین با بررسی مزایا و معایب سازه های فضاکار و شناخت انواع گوناگون این سازه ها از لحاظ شکلی، چگونگی بهره گیری از این سازه ها در معماری نوین بررسی شده است. این سیستم هزینه ها را پایین می آورد، به سادگی قابل اجرا بوده و مقاومت بالایی در استقامت و انتقال بار دارد، در نتیجه استفاده از سازه های فضاکار موجب می شود بار مرده ساختمان بطور چشمگیری کاهش یابد، پس از این سیستم می توان در طراحی معماری نوین حد اکثر استفاده را برد و هنگام طراحی از این سازه ها بکارگیری شود
-1 مقدمه
سازه فضا کار، یک سیستم سازه ای است که اعضای خطی در آن به گونه ای آرایش یافته اند که نیروها به صورت سه بعدی منتقل می شوند. دریک سازه فضا کار، ترکیب شکل، بارهای داخلی و جابجایی های سازه در یک صفحه قرار نمی گیرند. سازه ای که اصولا رفتار سه بعدی داشته باشد، به طوریکه به هیچ ترتیب نتوان رفتار کلی آن را با استفاده از یک یاچند مجموعه مستقل دوبعدی تقریب زد، سازه فضا کار نامیده می شود.
درتعریف دیگری سازه فضاکار یک سیستم خرپای سه بعدی است که دهانه های آن در دو جهت گسترش یافتهاند و اعضای آن فقط تحت تاثیر کشش و فشار قرار دارند. این سازه ها از مدولهای یکسان و تکرار شونده با لایههای موازی در بالا و پایین - مشابه میله های فوقانی و تحتانی خرپا - تشکیل می گردند
سازه فضاکار، به مجموعه سازههای مشابهی اطلاق می شود که شامل شبکهها، طاقها، برجها، شبکههای کابلی، سیستم های پوستهای و غشایی، سازههای تا شونده و ترکیبات کش بستی میباشد. این تعریف، یک تعریف ریخت شناسانه از سازههای فضا کار است
اصطلاح سازه فضایی گاهی اوقات به جای سازه فضاکار بکار می رودکه این دو اصطلاح از لحاظ کلمه ای مترادفند؛ ولی از لحاظ معنا و مفهوم با هم تفاوت دارند. سازه فضایی به سازهای اطلاق میشود که در فضای خارج از جو ساخته شده، یا مورد استفاده قرار گیرد البته ممکن است خود یک فضاکار باشد
در عمل، سازه فضا کار به گروهی از ساز ها که شامل شبکه ها، چلیک ها، گنبدها، برج ها، شبکه های مخابراتی و سیستم های پوسته ای اطلاق می شود. این سازه ها با بکارگیری مصالح مختلف مانند فولاد، آلومینیوم، چوب، بتن ، کامپوزیت های تقویت شده با فیبر، شیشه و یا ترکیبی از اینها ساخته می شود.
ادبیات پژوهشی
اولین بار الکساندر گراهام بل در سال 1906 یک شبکه چند لایه برای کایت پرواز ساخت. در این شبکه طول اعضاء یکسان اتصالات ساده و مدول آنها هرم مثلث القاعده بود. او اولین مهندسی است که حدو د 110 سال پیش نشان داد می توان با قرار دادن صحیح اعضای سازه ای در کنار هم سازه ای مستحکم و سبک ساخت.
اولین سیستم صنعتی شبکه دو لایه توسط ماکس منجرینگ هاوزن در سال 1942 به نام سیستم Mero ساخته شد. در این سیستم تعداد زیادی عضو به پیونده را می توان متصل نمود. این سیستماز آن زمان تاکنون در حد وسیعی در سازه های فضا کار به کار برده شده است. ارائه طرح های جدید ریچارد باکمینستر فولر و رشد قابل انتظار سازه های مشبک سبب به وجود آمدن ساختمان سه ربع کره ای به قطر 76 متر به صورت گنبد ژئودزیک برای غرفه آمریکا در نمایشگاه اکسپو 67 مونترال در کانادا شد.
پژوهشی که 11 سال پیش رضا کمالی صالح آباد و علیرضا آهنگرعصر با عنوان: سیستمی نوین در ساختمان سازی با نگرشی نو به سازه های فضاکار در سال 1385 در هفتمین کنگره بین المللی مهندسی عمران ارائه دادند حاکی بر این بود که، مدلسازی ساختمان فضاکار با استفاده از برنامه SAP 2000 و به روش استاتیک معادل و بر اساس آیین نامه 2800 انجام گرفت و از مقایسه آن با ساختمان هایی با سیستم های مختلف سازه ای، نتیجه شد که، وزن اسکلت و همچنین تغییر مکان ناشی از بارهای جانبی در این سازه ها به سیستم های دارای بادبند بسیار نزدیک می باشد
همچنین یک سال بعد در پژوهشی دیگر یاور رستم زاده با عنوان ایده پردازی سازه های فضاکار با معماری ایرانی در سال 1386 انجام داد به بررسی و پژوهش در مورد اشکال، احجام هندسی منظم، ساده یا پیچیده در گنبدها و سایر طرحهای ایرانی پرداخته شد که امکان ساخت آنها توسط سازه های فضا کار مقدور باشد در این راستا انواع اشکال، گره سازی ها، شمسه بندی، مقرنس کاری یزدی بند، رسمی بندی یا کاربندی بررسی شد، از مزیت های استفاده از این ایده پوشش محیط های بزرگ با سازه های فضار کار با احجام و المانهای معماری ایرانی بوده است
در پژوهش های صورت گرفته نشان از این است که سازه های فضا کار قابلیت های زیاد و کاربردی در صنعت ساختمان دارد و همچنین با استفاده از سازه های فضا کار میتوان به اشکال متفاوت هندسی در نما دست یافت . پژوهش حاضر بر این است که در طراحی های ساختمانی، در مهندسی معماری نوین، به چه ترتیب می توان از این سازه ها جهت بهینه سازی ساختمان در راستای رسیدن به فرم های دلخواه با دهانه های وسیع و فضایی شکل پذیرتر دست یافت. در این تحقیق با بررسی مزایا و معایب سازه های فضاکار و شناخت انواع گوناگون این سازه ها از لحاظ شکلی، چگونگی بهره گیری از این سازه ها را در معماری نوین تحلیل و بررسی می کنیم.
تاریخچه سازه های فضاکار:
تا اواسط قرن 18، مصالح اصلی در دسترس برای معماران و مهندسان، سنگ، چوب وآجر بود. از آن مصالح، سنگ و آجر، در برابر فشار مقاوم، ولی در برابر کشش ضعیف بودند، به همین دلیل برای سازه های سه بعدی مثل گنبد ها وطا ق ها منا سب بودند. از پیشرفت های قا بل توجه در این زمینه اجرای طاق ها توسط کارگران قرون وسطی بود. بزرگترین دهانه ها در میان گنبدهای آجری، کلیسای سنت پیترز در رم - - 1588-93 و سانتاماریادل فیوره در فلورانس - 1420 -34 - بودند که هردو در پایه گنبد، قطری معادل 42 متر داشتند. چوب مقاومت زیادی دربرابر کشش وفشار دارد ولی به صورت طبیعی تنها در طول ها و مقاطع عرضی محدود دردسترس است. با وقوع انقلاب صنعتی، تولید آهن و سپس فولاد گسترش یافت و تولید مصالح با مقاومت زیاد، ساختن ساختمان های با ارتفاع بیشتر و دها نه های وسیعتر را امکانپذیر ساخت.
همزمان با توسعه راه آهن و صنعتی شدن تولیدات کالاها، تقاضا جهت سازه های با دهانه وسیع برای پل ها، ایستگاه ها، ساختمان ها، انبارها و کارخانه ها افزایش یافت. در ابتدا مجموعه ای از خرپاهای متنوع شکل گرفت و در مراحل بعد سازه های مشبک فضایی سه بعدی به وجود آمدند.
بسیاری از فرم های سازه ای به ویژه اغلب شبکه های فضایی از مدول هایی تشکیل شده اند . نظریه ساخت ساختمان های مدولار به صورت یک رویای تحقق یافته تقریبا 165 سا ل قبل، با طراحی، ساخت و نصب قاب های فلزی کریستال پالاس در هاید پارک لندن - برای برگذاری نمایشگاه بزرگی در سال - 1851 شکل عملی یافت وکارایی این روش به خوبی نشان داده شده سازه های نمادین مانند برج ایفل که از آهن شکل داده شده بین سا ل های1897 و 1899 در شهر پاریس ساخته شد، دلیلی بر پایداری و دوام سازه های فلزی سه بعدی مدولار به شمار می روند.
شاید قدیمی ترین نمونه ها از انچه امروزه به عنوان قاب فضایی می شناسیم - که دارای امتیاز هایی نظیر سبکی، مقاومت، سه بعدی، امکان تولید انبوه و اجرا به روش سازه های مدولار می باشد - را، بل - در دهه اول قرن 20 خرپاهای فضایی مرکب از قطعات 4 وجهی و 8 وجهی - آزمایش کرد .گراهام بل خصوصیات دو گانه مقاومت بالا وسبکی وزن را با فرم های 4 وجهی سه بعدی صلب به نمایش گذاشت و از آنها در بسیاری از پروژه هایش استفاده کرد. یکی از اولین سازه های مشبک فضایی فولادی با استفاده از اتصالات ریخته گری شده و اعضای لوله ای، یک برج دیده بانی در بین بریگ، آمریکا بود که در سال 1907 توسط گراهام بل ساخته شد
این خرپاها در معماری کاربردی نداشتند، Meroدر سال 1943 اولین سیستم شبکه فضایی بود که به صورت گسترده در دسترس معماران و مهندسان قرار گرفت و توسط دکتر مکس منگرینگ هوسن - - 1903 -1888 معرفی شد. این سیستم، هنوز هم رایج ترین روش درساخت خرپاهای فضایی است، شامل اعضای لوله ای منفرد و اتصالاتی از نوع پیوندهای کروی - گوی سان - است. عمومیت استفاده از این سیستم تا به امروز ادامه دارد زیرا علاوه بر زیبایی سازه ای می تواند به اشکا ل گوناگون و با سیستم های متنوع، متشکل از پیوند های کروی و لوله ها مورد استفاده قرار گیرد.
یک نوع شناخته شده از این سیستم، شبکه های دو لایه با استفاده از مدول های پیش ساخته است. در انگلستان دهه 1950، دنینگ آف چارد سیستم سقف فضایی را بر اسا س مدول های هرمی فولادی پیش ساخته که به یکدیگر پیچ می شوند - با ابعاد 1.22*1.22 متردر پلان و 1.05 متر یا 0.61 متر در ارتفاع - توسعه داد. با اندکی تغییرات در ابعاد مدول ها و مصالح، سیتم سقف فضایی تا کنون به صورت گسترده و موفقیت آمیز برای سازه های کف و بام مورد استفاده قرار گرفته است.
در دهه 1950 و 1960 ، سیستم های مشبک فضایی در تمام دنیا مورد استفاده قرار گرفت. در امریکا ریچارد باکمینستر فولر - - 1895-1981 در پی مطالعاتی که در مورد نحوه اتصال تعدادی از کره ها به یکدیگر انجام داد، به سیستم خرپای هشت وجهی دست یافت. ارائه طرح های جدید ریچارد باکمینستر فولر و رشد قابل انتظارسازه های مشبک سبب به وجود آمدن ساختمان سه ربع کره ای به قطر 76 متر به صورت گنبد ژئودزیک برای غرفه آمریکا در نمایشگاه اکسپو 67 مونترال، کانادا شد.
این غرفه توسط فولر با همکاری شرکت های سادائو، ژئومتریکس و سیمپسون، گامپرتزوهگر طراحی شد. گنبدها یک شبکه اتصالی دو لایه از لوله های فولادی بودند که یک شبکه ژئودز یک مثلثی برای لایه خارجی و یک شبکه شش ضلعی برای لایه داخلی داشتند. مهندسین سازه به دلیل رفتار خوب این نوع سازهها در برابر بارهای مختلف و مهندسین معمار به علت زیبایی و یکنواختی خاصی که در هندسه آنها موجود است مجذوب این گروه از سازهها شده و تحقیق و بررسی عمیقی در رفتار واقعی این سازهها و کاربرد ساختار بهینه در تحلیل و طرح این سیستمها آغاز گردید.
مثال های متعددی از سازه های فضاکار که در دنیا و ایران ساخته شده است وجود دارد. به عنوان نمونه از این نوع سازه ها در ایران می توان به پوشش مرقد مطهر امام خمینی و سقف چند سالن نمایشگاه بین المللی تهران اشاره کرد. البته ایده اولیه این نوع سازه ها خیلی جدید نیست، آلاچیق های عشایر محلی ایران، سبکی مانند این نوع سازه ها دارند
