بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
گسترش سیستم سازه اي صفحات شیشه اي تا شده کش- بستی
چکیده
شیشه نه تنها به عنوان یک پوشانه شفاف، بلکه می تواند به عنوان عضو اصلی سازه اي مورد استفاده قرار بگیرد. این مقاله در کنار قابلیت هاي گسترده معمارانه شیشه به بررسی میزان توانایی سازه اي آن در سیستم ورق هاي تاشده با اجزاء لوزي شکل ( ( Rhombus-Wing-Element پرداخته که با ایجاد مقاطع خمشی امکان ایجاد سازه اي کاملا شیشه اي با شفافیت فوق العاده را براي پوشاندن دهانه هاي بزرگ ایجاد می کند؛ ولی نیروي کششی بالا نیاز به ارتفاع مقاطع زیاد را ایجاب کرده و سبب کاهش تعداد شکست ها در هر عرض جهت تامین ارتفاع مورد نیاز می گردد که خود تا حد زیادي از ظرافت و زیبایی سازه می کاهد، لذا در اینجا با استفاده از کابل و سازه هاي کش-بستی سعی شده است تا عمده ضعف سازه اي شیشه که در کشش می باشد، جبران شود. بدین ترتیب کابل ها به کمک مقطع خمشی آمده و در قسمت کششی سهم عمده اي از بار را تحمل کرده و سبب جبران ضعف شیشه و کاهش ارتفاع مقطع می گردد که علاوه بر بالا بردن ظرفیت باربري سازه بر ظرافت مقاطع شیشه اي هم می افزاید. البته قابلیت هاي این سیستم و ویژگی هاي سازه اي آن در دهانه هاي متفاوت، با خیزها و ارتفاعات متغیر توسط آنالیز هاي المان محدود نیز مورد بررسی قرار گرفته و میزان تاثیر سازه حمایتی کش-بستی بر قابلیت هاي سازه اي کل سیستم در مقایسه با سیستم هاي کاملا شیشه اي و همچنین تاثیر آن بر میزان ظرافت این سیستم که از لحاظ معماري اهمیت فراوان دارد، مورد مطالعه قرار گرفته است. بدین ترتیب با استفاده از تلفیق صفحات شیشه اي تا شده و عناصر کش- بستی، سازه اي خواهیم داشت که علاوه بر توانایی پوشش دهانه هاي نسبتا بزرگ، از ظرافت و زیبایی بالا و شفافیت قابل قبولی نیز برخوردار می باشد.
کلمات کلیدي: سازه هاي شیشه اي، سازه هاي صفحات تا شده، سازه هاي کش-بستی، پوشانه شفاف، نماي سازه اي
مقدمه
صفحات تا شده فرم سازه اي شناخته شده اي است که به وفور در طرحهاي معماري مورد استفاده قرار گرفته و با توجه به عملکرد مناسب این سازه و استفاده بهینه از مصالح، بسیار مورد توجه واقع شده است. اما کاربرد شیشه به عنوان مصالح سازه اي و استفاده از آن به عنوان صفحات تا شده طرحی نوین است که در مجموعه تکنولوژي هاي نوین سازه اي به عنوان سازه شیشه اي مطرح شده است و با توجه به قابلیتهاي سازه اي بالا، زیبایی بصري و شفافیت و سبکی این سیستم قابلیت مطالعات و کاربرد بسیار دارد. در ادامه به بررسی معماري هندسه
هاي مختلف این سیستم خواهیم پرداخت که برگرفته از مقاله "The Folding of Triangulated Cylinders"[1,2,3] می باشد و سپس به بررسی سازه اي فرم خالص و تنسگریتی این سیستم خواهیم پرداخت که دیدي کلی از قابلیتهاي سازه اي این سیستم در اختیار ما خواهد گذاشت.
صفحات تا شده شیشه اي[4]
1. بررسی فرم هندسی
یک کاغذ ساده توانایی پایینی در تحمل بار دارد، با ایجاد شکستها و تاهاي متوالی قابلیت باربري تا چندین برابر حالت اولیه خود را پیدا می کند و این ایده ي اولیه استفاده از صفحات تاشده می باشد. شیشه با قابلیتهاي سازه اي خود مصالح مناسبی براي جایگزین شدن کاغذ بوده و تشکیل ساختاري خود ایستا و بسیار شفاف را می دهد. فرم خاصی از سازه هاي صفحات تا شده که در اینجا مد نظر می باشد، از صفحات لوزي شکل تشکیل شده که باله هاي آن حول محور بلندتر لوزي لولا شده اند و قابلیت چرخش حول این محور را دارند که این
شکل :1-0 باله هاي لوزي شکل [4]
چرخش امکان ایجاد فرمهاي متفاوت با ارتفاعها و دهانه هاي متغیر را براي کلیت ساختار ایجاد می کند.
صفحه اي که شامل باله هاي لوزي شکل می باشد به سادگی تهیه می شود، به این ترتیب که دو خط را به قطعات مساوي تقسیم کرده و قطعات را به صورت مورب به یکدیگر وصل می کنیم که از تقاطع خطوط مورب باله ها شکل می گیرند که توسط خطوط قائم به دو نیم تقسیم می شوند. با تغییر اندازه، زاویه و مکان دو خط اصلی نسبت به هم می توان فرمهاي ساده و آزاد متفاوتی را خلق کرد. روند فرم یابی اولیه معمولاً بوسیله کاغذ یا مصالح دیگر و بسیار ساده بوده و بدون کمک رایانه قابل انجام است.
شکل :2-0 صفحات مستطیلی، متوازي الاضلاع، ذوزنقه اي شکل و فرم آزاد [4]
2. معادلات ساده شده هندسی
در اینجا جهت بدست آوردن یک دید کلی هندسی به بررسی معادلات هندسی فرم ساده مستطیلی می پردازیم. .هندسه کلی با استفاده از
پارامترهاي دهانه (S)، ارتفاع (H)، طول (L) و تعداد شکستها (N) تبیین می شود که در شکل مشخص شده اند. با برسی روابط میان این
پارامترها در شکل به فرمولهاي زیر خواهیم رسید:
در این فرمول ها φ زاویه چرخش در هر نیم شکست، زاویه کلی چرخش و R شعاع چرخش نسبت به مرکز دوران المان ها می باشند که در شکل نیز مشخص شده اند. با در اختیار داشتن این فرمول ها می توان فرم هندسی را براي هر ارتفاع، دهانه و طولی مدل سازي کرد و مختصات فضایی نقاط را بدست آورد.
در ضمن بر اساس فرمولهاي فوق ابعاد المانها در فرم گسترده شده چلیک (l, k, s) نیز بدست می آیند.
بسیار قابل توجه است اشاره به این نکته که ارتفاع مقطع شکست که از نظر سازه اي یک پارامتر بسیار مهم محسوب می شود (A) تنها به تعداد شکستها (N) و نسبت H/S وابسته می باشد و طول L تأثیري در آن ندارد.
3. بررسی پارامترهاي هندسی
بررسی پارامترها و روابط میان آنها ما را به نکاتی قابل توجه در فهم هندسی این چلیک می رساند. اولین مورد توجه این است که مهمترین فاکتوري که این فرم را از یک صفحه تخت به فرم چلیک در می آورد تعداد شکستهاي آن می باشد. تعداد شکستهاي بیشتر سبب می شود تا فرم بیشتر و بیشتر به فرم یک چلیک استوانه اي نزدیک شود و البته باید توجه شود که در دهانه و ارتفاع ثابت بیشتر شدن تعداد شکستها (N) تأثیر مستقیم بر ارتفاع مقطع شکست (A) می گذارد که از نظر سازه اي نامطلوب می باشد.
شکل :3-0 روند تبدیل صفحه تخت به چلیک استوانه با بیشتر شدن تعداد شکست [4]
با استفاده از فرمولهاي بحث شده و محاسبه مقادیر آنها براي ارتفاع ها و تعداد شکست هاي متفاوت به جدول زیر می رسیم. لازم به ذکر است در این محاسبات اندازه دهانه 15 (S) متر، طول 2/5 (L) متر و طول کلی برابر با 20 متر در نظر گرفته شده اند. همانگونه که در جدول مشخص است روابطی آشکار میان تغییرات پارامترها وجود دارد که به صورت تصویري در شکلهاي زیر نشان داده شده اند.
شکل :4-0 تغییرات ارتفاع و تأثیر آنها بر فرم هندسی (N) و تعداد شکستها [4] (H)
بررسیهاي دقیقتر نشان می دهد که رابطه مستقیم میان ارتفاع (H) و ارتفاع مقطع شکست (A) در تعداد شکستهاي مختلف (N) برقرار است و با افزایش ارتفاع، A افزایش و با افزایش تعداد شکست، A کاهش می یابد. بررسیهاي سازه اي در مدلسازي ها نشان می دهد که با کاهش ارتفاع مقطع شکست میزان ظرفیت باربري نیز کاهش می یابد به حدي که در ارتفاعهاي کم نزدیک به 2 متر براي تعداد شکست 5
سازه دچار گسیختگی می شود.
شکل :5-0 نتایج مطالعه پارامترها [4]
4. بررسی هندسه آزاد
تمامی روابط ذکر شده تا به اینجا مربوط به فرم ساده مستطیلی می باشد و فرمهاي پیچیده تري نیز موجود می باشند که قابل دستیابی و استفاده می باشند، فرمهایی با پیچش ها، تغییر ارتفاعها و تغییرات مختلف در مقاطع. کلیات ذکر شده در مورد فرم ساده در مورد فرمهاي آزاد و پیچیده نیزکاملاً صدق می کند و تنها تفاوت در شکل فرمولبندي هندسه این فرمهاي آزاد است. براي فرمول بندي این فرمها باید از بردارهاي طولی در امتداد گستردگی و مختصات فضایی استفاده شود و مختصات هر نقطه به روشی مشابه قبل از دستگاه مختصات محلی استخراج شود که کلیات آن به صورت نمونه در شکل زیر آورد شده.
شکل :6-0 تعاریف هندسی در فرمولبندي فرمهاي آزاد [4]
صفحات شیشه اي تا شده کش- بستی
سازه هاي تنسگریتی یکی از روشهاي مسلح کردن شیشه جهت پوشش ضعفهاي سازه اي شیشه می باشد. در این قسمت سعی شده است تا با بررسی معمارانه و سازه اي استفاده از تنسگریتی در صفحات تا شده شیشه اي، نحوه عملکرد یکپارچه این دو سیستم، مزایا و معایب کاربرد آنها مورد مطالعه قرار گرفته و گامی باشد در جهت گسترش استفاده از سیستمهاي سازه هاي شیشه اي.
5. ساختار شیشه تنسگیریتی
سازه هاي تنسگیریتی سازه هایی هستند کهعموماً از عناصر کششی و فشاري مانند کابل و دستک تشکیل شده اند و از جریان بار به صورت محوري در اعضا انتقال بار صورت می گیرد و این نحوه انتقال بار عملکرد بهینه سازه اي مصالح و بهره وري بالایی را به همراه دارد.
تنسگریتی هاعموماً بسیار سبک و داراي شفافیت بصري بالایی می باشند معمولاًو فرمهاي زیبایی را نیز خلق می کنند به گونه اي که اولین بار این ساختار توسط یک هنرمند به عنوان مجسمه خلق شد.
شکل :1-0 برج تنسگریتی اثر کنت اسنلسون[5]
اما هنگامی که صحبت از تنسگریتی در قبال شیشه می شود منظور عناصر کابل و دستکهايعموماً فولادي است که به عنوان مسلح کننده در کنار شیشه و به صورت یکپارچه با آن عملکرد سازه اي دارند. اولین بار یک دانشجوي هلندي در شرکت اوکتاتیوب تنسگریتی را براي مسطلح کردن صفحات تخت شیشه اي به کار برد که شاید به عنوان اولین گامها در گسترش نقش سازه اي شیشه محسوب می شد.
شکل :2-0 اولین شیشه سازه اي ساخته شده توسط ریک گراشوف در شرکت اوکتاتیوب [5]
بعد از این نمونه اولیه استفاده از تنسگریتی ها در شیشه هاي سازه اي به صورت روزافزون، گسترش یافت و شیشه هاي مسلح شده با تسنگریتی به عنوان سیستم سازه اي مطمئن و با قابلیتهاي معمارانه بالا شناخته شد. تنسگریتی هایی که به همراه شیشه هاي سازه اي استفاده می شوند بیش از یک نوع داشته و داراي انواع فرمها و انواع اتصالات می باشند که در هر مورد با توجه به نیازهاي سازه اي و معماري به صورت جداگانه طراحی شده و مورد استفاده قرار می گیرند.
6. بررسی معماري
جنبه مهم و مورد توجه شیشه به عنوان مصالح، سبک و شفاف بودن آن است که امکان ایجاد جداره، دیواره و یا سقفهاي با قابلیت عبور نور بعضاًو ایجاد دید و رویت مناظر را به بیننده می دهد و هر عاملی که ایجاد مانعی بر این مهم باشد نامطلوب ارزیابی می شود. از این رو استفاده بی جا و نامناسب از تنسگریتی در شیشه هاي سازه اي می تواند بیان معماري اثر را مختل کرده و به عنوان مانعی در شفافیت اثر محسوب گردد و البته اگر تنسگریتی به شکلی مناسب و هماهنگ با کلیت ساختار به کار گرفته شوند می توانند در کنار عملکرد سازه اي خود به ساختار شفاف شیشه کمک کرده و به شکلی هنرمندانه در قوت بخشیدن به بیان معماري اثر کمک کند. استفاده بیش از حد نیاز و ازدحام بیش از حد عناصر تنسگریتی در سازه هاي شیشه اي می تواند شفافیت اثر را از بین ببرد و براي مثال به جاي در اختیار داشتن جداره اي شفاف و سبک با انبوهی از ستونک ها، کابل ها و دستک ها مواجه خواهیم بود. لازم به ذکر است که یکی دیگر از عوامل مهم در ظاهر کلی سیستم دقت و ظرافت در طراحی کلیت سیستم مسلح کنند و بالاخص اتصالات بین اعضا است که هر چقدر ظریفتر و هوشمندانه طراحی شود در نهایت ساختاري شفاف تر و زیباتر را در اختیار خواهیم داشت.
صفحات تا شده شیشه اي سیستم سازه اي کاملی است که بدون کمک به سازه هاي تنسگریتی، ایستا بوده و قابلیت انتقال بار قابل توجهی را نیز دارا می باشد که در بخش بررسی سازه اي به صورت مفصل مورد بحث قرار می گیرد ولی یکی از ضعفهاي عمده این سیستم نیاز
به ارتفاع مقطع شکست بالا در دهانه هاي متوسط و بزرگی می باشد که علاوه بر کم کردن قابلیت انتقال بار در دهانه هاي بزرگ تعداد شکستها را نیز براي تأمین ارتفاع مقطع مورد نیاز کاهش می دهد که به شدت از ظرافت کلی ساختار می کاهد و همچنین ابعاد پانلها را تا حد زیادي افزایش می دهد و این دلیل عمده ي عدم استفاده از این سیستم در دهانه هاي بزرگ می باشد. استفاده از سازه هاي مسلح کننده تنسگریتی به همراه این سیستم علاوه بر پوشش ضعفهاي شیشه (ترد و شکننده بودن) و کمک به عملکرد سازه اي سیستم که به صورت کامل در قسمت بعد توضیح داده می شود نیاز به ارتفاع مقاطع بالا را کم کرده و قابلیت استفاده از شکستهاي بیشتر را فراهم می کند که بر ظرافت و زیبایی آن بسیار اثر گذار است. با وجود مطلوبیت استفاده از سازه هاي تنسگریتی در برخی موارد که نیاز به دهانه هاي بزرگتر و یا ظرافت بیشتر می باشد، نکاتی وجود دارند که از لحاظ بصري بهتر است به آنها توجه شود. بهتر است کابلها و دستکها در محلها و راستاهایی استفاده شوند که حداقل مانع بصري را در شفافیت شیشه ها ایجاد کنند براي مثال راستاي اتصالات شیشه ها، راستایی است که به دلیل وجود اتصالات فلزي داراي مانع بصري می باشد و استفاده از مسلح کننده ها در این راستاها ممانعت کمتري را براي شفافیت ساختار ایجاد می کند و تا حد ممکن نباید سطح پانلهاي شیشه را با انبوه کابل ها و دستک ها از حالت خالص خود خارج کرد. ارتفاع مسلح کننده ها نیز بهتر است به گونه اي باشد که در میان شکستها پنهان شده و خود را از سطوح شیشه ها و شکستها بارز نکنند. براي مثال در ساختار خاص اتصال نقاط تماس توسط کابل به یکدیگر به صورت قطري که ظاهري شبیه سقف هاي لاملا پیدا می کند، هم در راستاي اتصالات بوده و هم با ارتفاع گرفتن از سطوح شکست خود را بارز نمی کند. در مقابل کابلهاي مسلح کننده که در راستاي عمود بر راستاي طولی سیستم که توسط دستکهایی از سطح صفحات فاصله گرفته اند با وجود این که در راستاي اتصالات قرار می گیرند ولی با فاصله گرفتن از شکستها خود را به شکل بارزي در ساختار نمایان می کنند که می تواند نامطلوب باشد. نادیده نماند که ارتفاع دستکها و فاصله آنها از سطوح خود امري است که تأثیر بسزایی می تواند در ظاهر نهایی ساختار بگذارد. البته باید ذکر شود که نکاتی که در این قسمت گفته شد تنها از لحاظ بصري اهمیت دارند و عامل تعیین کننده در شکل، نوع و ساختار مسلح کننده ها پارامترهاي سازه اي می باشند که با توجه به نوع بارگذاري، نوع تکیه گاهها، نوع عملکرد شکستها و مسیرهاي بار ساختار بهینه را براي هر مورد خاص توصیه می کنند و نکات ذکر شده مواردي هستند که می توانند در یکپارچه کردن عملکردهاي معماري و سازه اي این سیستم مفید واقع شوند.
جدول :1-0 مقایسه انواع چلیک با مهاربندي هاي متفاوت
شکست 5 با چلیک شکست 2 با چیلک
