سازه های فضایی

سازه های مشبک فضایی از اوایل قرن بیستم میلادی هنگامی که اولین نمونه های این نوع سازه ها در سال 1903 توسط الکساندر گراهام بل ساخته شد، به عنوان گروهی از سازه ها که از مزیت سبک و مقاوم بودن و نیز سرعت و سهولت اجرا برخوردارند، هماره با فرم های متنوع برای عملکردهای گوناگون مورد استفاده قرار گرفته اند. رفتار سه بعدی این سازه ها، پیش ساخته بودن و امکان تولید انبوه آن سبب شد شبکه های فضایی به عنوان یکی از موثرترین روش ها برای پوشش سقف ها و اجرای ساختمان های با دهانه های زیاد، مورد توجه معماران و مهندسان قرار گیرد.

پیشرفتهای حاصل از مطالعات و طرح های باکمینستر فولر، منگرین هاوسن، کنراد واچسمان، استفان دوشاتیو، یوشی کاتسو تسوبای، پروفسور ماکوفسکی، پروفسور هشیار نوشین، پروفسور مامورو کاواگوچی، ماتیو لوی و تلاش سازندگانی که با ارائه ی پیشنهادات جدید در مورد نحوه ساخت اعضا، گره ها و مدول ها امکان اجرای فرم های هندسی متنوع را فراهم ساختند، موجب ابداع سیستم های گوناگون سازه های مشبک فضایی شد. این پیشرفت ها و دستاوردها، دریچه های جدیدی را به روی معماران و مهندسان برای طراحی فرم های بدیع و نیز محاسبهی دقیق این گروه از سازه ها گشود واجرای ساختمان هایی با ابعاد گوناگون (از دهانههای کمتر از 10 متر تا دهانه های بیش از 200 متر) را با پایدارترین و اقتصادی ترین روش ها امکان پذیر ساخت و سبب توجه روز افزون به این روش ها در طرح های معماری و پروژه های بزرگ ساختمانی شد.

پایداری خرپای فضایی

اگر چه پایداری سازه ی خرپای فضایی بر اساس شکل هندسی حاصل می شود، اما پایداری قاب های فضایی با اتصالات صلب، بر اساس مقاومت خمشی اتصالات سازهی آنها به دست
میآید. برای شکل دادن پایداری یک خرپا با اتصالات مفصلی متشکل از گره ها و اعضای محوری، لازم است یک سازه ی مثلثی ساخته شود. در سازه ی خرپای فضایی مفصلی سه بعدی ( متفاوت با آنچه به عنوان فرمول ماکسول و قانون فوپل شناخته شده است ) که در آن، شرایط زیر برای پایداری الزاماً باید فراهم شود:

n = 3j-6

تعداد اعضای سازه = n

تعداد گره های سازه = j

کمترین عدد به عنوان عکس العمل های تکیه گاهی =6

انواع متفاوتی از خرپاهای فضایی دو لایه وجود دارد که با شرایط بالا مطابقت می کند. تعدادی از رایج ترین آنها در این فصل توضیح داده می شود. از فرمول مذکور می توان نتیجه گرفت اگر سازه ای دارای هندسه ی کاملاً مثلثی نباشد، با تامین تکیه گاه های خارجی اضافی و کافی می توان آن را پایدار کرد. از طرف دیگر، پایداری هندسه ی شبکه های فضایی متداول می تواند به پایداری چند وجهی های ساده مربوط باشد. بنابراین نگاه مختصری به رفتار این قبیل فرم ها خواهیم داشت.

اشکال چند وجهی پایدار

اشکال چند وجهی فرم های اصلی در فضای سه بعدی هستند. سال ها قبل از تمدن یونان باستان نیز ریاضی دانان مطالعاتی در مورد این چند ضلعی ها داشته و خصوصیات آنها را مشخص کرده اند. اصلی ترین این اشکال، چند وجهی های منظم یا احجام افلاطونی نامیده می شوند و عبارتند از: چهار وجهی، شش وجهی یا مکعب، هشت وجهی، دوازده وجهی و بیست وجهی که هر یک از آنها متشکل از صفحات مشابهی از چند ضلعی های منظم اند ( برای مثال یال های هر یک از وجوه دارای طول یکسان بوده و تمامی وجوه آنها متشکل از فقط یک شکل چند ضلعی است ). در مطالعه ی شبکه های فضایی باید ابتدا اعضا و گره های شبکه مورد نظر را بررسی کرد. اگر چه برای درک پایداری سازه های سه بعدی به صورت کلی، بهتر است رفتار اشکال چند وجهی منظم و ساده را ( که متشکل از اعضا، گره ها و صفحات سازه ای هستند ) در زمانی که بار، بر گره های آنها وارد می شود، بررسی کرد.

سازه های متشکل از عضو و گره

چهار وجهی متشکل از گره و عضو با اتصالات مفصلی دارای چهار گره و شش عضو است، از این رو بر اساس فرمول پایداری خرپای فضایی که توضیح داده شد، در میان سازه های سه بعدی دارای حداقل پایداری است. با تامین شرایط مناسب تکیه گاهی می توان سازه ای پایدار ایجاد کرد که با فرمول پایداری خرپای فضایی مطابقت داشته و زمانی که بار بر گره های آن وارد می شود، در اعضای سازه فقط نیروهای محوری ایجاد شود (j=4 و n=6 و 3j-6=(3*4)-6=6 ). مکعب یا شش وجهی، هشت گره و دوازده عضو دارد، بنابراین طبق فرمول داریم: n=12 ولی 3j-6=(3*8)-6=18 . از این رو باید حداقل شش نیروی عکس العمل تکیه گاهی وجود داشته باشد. به این دلیل سازه مکعبی با اتصالات مفصلی ناپایدار است مگر اینکه اعضا اضافی بین گره ها فرض شده و یا نیروی عکس العمل تکیه گاهی بیشتری در نظر گرفته شود. در مورد هشت وجهی n=12 و j=6 و 3j-6=(3*6)-6=12 و در نتیجه یک سازه ی مفصلی پایدار است. با توجه به دلایل مشابه ثابت می شود که دوازده وجهی با اتصالات مفصلی ناپایدار ولی بیست وجهی پایدار است. با توجه به دلایل مشابه ثابت می شود که دوازده وجهی با اتصالات مفصلی ناپایدار ولی بیست وجهی پایدار است. بنابراین هندسه ی خرپای فضایی دو لایه، بر اساس فرم چند وجهی های پایدار شکل می گیرد ( اغلب مدول های چهار وجهی و هشت وجهی یا نیمه هشت وجهی به هم متصل می شوند ).

چند وجهی به عنوان سازه ی صفحه ای

به طرز مشابه در چند وجهی هایی که از صفحات مسطح تشکیل شده اند و بار بر گره های آنها وارد می شود، مشاهده می شود که چهار وجهی، مکعب و دوازده وجهی سازه هایی پایدارند، در حالی که هشت وجهی و بیست وجهی سازه هایی ناپایدارند. چهار وجهی های افلاطونی چه به صورت سازه های عضو و گره و چه به صورت سازه های صفحه ای پایدارند. برای اثبات رفتار صفحات می توان از مدل های مقوایی استفاده کرد، در این حالت باید تمامی تقاطع هایی را که برای نگهداری لبه های صفحات به کار می روند و مشابه اعضای بین گره ها هستند، برید. به این ترتیب می توان به سادگی ناپایداری هشت وجهی و بیست وجهی را مشاهده کرد.

سازه های متشکل از عضو و صفحه

تور وستر در آکادمی سلطنتی هنرهای زیبا در کپنهاک تحقیقاتی در مورد پایداری و دوگانگی سازه ای چند وجهی های ترکیب شده از عضو و گره یا صفحاتی که در لبه هایشان به یکدیگر متصل شده اند، انجام داده است. تحقیق وی ثابت کرد که برای ایجاد پایداری شبکه های فضایی مرکب از اعضای میله ای و صفحه ای، می توان دو نوع رفتار سازه ای را ترکیب کرد. این توانایی می تواند در ترکیب خرپای فضایی فلزی با اعضای صفحات سازه ای از جنس شیشه یا پلاستیک موفقیت آمیز باشد.

مزایای استفاده از شبکه های فضایی

برخی از مزایای حاصل از کاربرد شبکه های فضایی به صورت مختصر شرح داده شده است. این موارد و سایر مزیت ها، همراه با نمونه های ساخته شده، در ادامه شرح داده می شود.

تقسیم بار

اولین مزیت سازه های فضایی، همان طور که در بالا شرح داده شد، مشارکت اغلب اعضای سازه در تقسیم و توزیع بار است. تیرها و خرپاهای مسطح ( مانند جرثقیل های بزرگ )، باید به فقطیی قابلیت تحمل هر نوع بار متمرکز یا بارهای متحرک سنگین را داشته باشند، ولی در شبکه های فضایی چنین بارهای متمرکزی به صورت یکنواخت درون سازه و تمامی تکیه گاه ها توزیع می شوند. این مسئله می تواند هزینه سازه های تکیه گاهی نظیر ستون های بزرگ و پی ها را کاهش دهد. این مزیت در مقایسه با سازه های صفحه ای با دهانه، ارتفاع و بار وارده مساوی و با فرض اینکه اعضای سازه ای اندازه های مشابهی داشته باشند، موجب کاهش حداکثر تغییر شکل در اعضای سازه ای می شود. به این ترتیب، یک سازه ی سه بعدی سبک تر و کم ارتفاع تر برای حمل باری مشابه به کار خواهد رفت و حداکثر تغییر شکل آن بیش از سازه های صفحه ای نخواهد شد.

سازه های فضایی

مطالب مشابه :

گزارش کار

سازه های ماکارونی چیست؟

آموزشکده عالی سما

چگونگی ساخت خرپای ماکارونی

سازه های فضایی

آدرس و تلفن واحدها و مراکز دانشگاه آزاد اسلامی 90

آدرس و شماره تلفن دانشگاههای آزاد سراسر کشور قسمت 1

مهسا احمدی قهرمان

دانشگاههای آزاد ایران

از برگزیدگان اولین المپیاد ورزشی دانشجویان شاهد و ایثارگر دانشگاههای مرکز مازندران تجلیل شد