تاریخچه سازه فضایی
- سازه فضایی با تکیه بر استحکام ساختاری ذاتی مثلث متساوی الاضلاع در قاب بندی شناخته می‌شود. در سال1900 توسط آقای الکساندر گراهام بل اختراع شد. اما به طور کامل محقق نشد تا اینکه آقای ریچارد باکمینستر فولر بعداً گنبدهای ژئودزیک را با این طرح ساخت.
- سازه فضایی قاعده ای است برپایه خرپای سازه فضا یی که دهانه‌هایی در دو جهت مختلف گسترش یافته دارد و قسمت‌های آن فقط تحت تاثیر کشیده شدن و فشار هستند . این سازه‌ها از مدول‌های تکرار شونده با لایه‌های موازی ساخته می‌شوند.
- سازه فضایی، مجموعه سازه ایی تشکیل شده از ، طاق ها، برج ها، شبکه‌های کابلی، سیستم های پوسته ای و غشایی، سازه‌های تاشونده هستند.
تعریف سازه فضایی:
سازه ای که از اجزای خرپا شکل کم وزن و مستحکم ساخته شده بر پایه‌هایی که در الگوی هندسی کنارهم قرار می‌گیرند.
سازه های فضایی برای پوشش دهانه‌هایی که تکیه‌گاه کمی دارند بکار می‌رود. چون در ساختار سازه های فضایی، همچون خرپاها از مثلث استفاده می‌شود، لنگرهای خمشی، بصورت بار های کششی و فشاری به اعضای محوری خرپا منتقل می‌شود. که دلیل استحکام سازه های فضایی است. سازه فضایی به سازه ای است که در فضای بیرون از جو ساخته شده یا استفاده قرارمی‌شود که احتمال دارد خود آن فضاکار باشد.
ساده ترین سازه های فضایی، هرم‌هایی با سقف صاف و با استفاده از میله‌های آلومینیومی یا فولادی ساخته می‌شوند. این نوع سازه‌ها مثل بازوی متحرک افقی جرثقیل برجی اند که کنارهم قرار گرفته‌اند.
سازه‌های فضایی دیگری که دارای استحکام بالاتری اند، به شکل هرم‌های چهار وجهی بهم پیوسته ساخته می‌شوند.
در این حالت، همه ی اعضای محوری سازه، با طول یکسانی هستند.
دیباچه چیست؟
قدیمی ترین نمونه سازه‌های فضاکار داربست هایی است که جهت نگهداری چادرهای انسانهای اولیه استفاده می‌شد.
قدیمی‌ترین این چادرها برای انسانهای اولیه‌ای است که در محلی در چین باستان است که چند سال قبل پیدا شد.
استفاده سازه‌های شبکه‌ای و سه‌بعدی در روم باستان و ایران کهن و نیز دوره صفویه برای ساخت سالن‌های اجتماعات ، آمفی تئاترها، قصر ها، مساجد اسلامی، اماکن متبرکه و……. مشخص گردید .
اولین شبکه چند لایه بدست الکساندر گراهام بل درسال۱۹۰۶ بدلیل کایت پرواز بوجود آمد.
این شبکه طول اعضاء یکسان داشت و اتصالات ساده بود.
گراهام بل اولین مهندسی که حدود ۹۰ سال پیش با قرار دادن متناسب اعضا سازه‌ای کنارهم سازه‌هایی مستحکم و کم وزن ساخت.
استفاده عملی وتوسعه یافته سازه‌های فضایی و طراحی اصولی این سازه‌ها از سال۱۹۵۰ آغاز شد. مهندسین سازه بخاطر رفتار عالی سازه‌ها در برابر وزن‌های قابل توجه و مهندسین معماری به دلیل زیبایی و یکنواختی خاص در هندسه آنها موجود است. مجذوب این سازه‌ها شده. تحقیقات و بررسی‌های عمیقی روی رفتار این سازه‌ها و کاربرد ساختار بهینه در تحلیل و طرح این سیستم ها شروع شد.
مزایای سازه فضایی
- چون روش‌های مختلفی جهت بافت برای سیستم هست، می‌توان همزمان دیگر فعالیت‌های ساختمانی را انجام داد.
- فضای میان لایه‌های سازه فضایی انجام شده محل خوبی برای رد کردن تاسیسات برقی و مکانیکی که در سطح سالن پراکنده می‌شود است.
- با این ویژگی تاسیسات کمترین دید را دارند. همچنین اتصال همه قطعات الحاقی دیگر مانند تابلوها، نور افکن‌ها و… به آسانی و در همه سطوح برقرار است.
- بدلیل پیش‌ساخته‌سازی قطعات سازه در کارخانه و پیچ و مهره‌ای بودن همه اتصالات هیچ عمل جوشکاری حین زمان مونتاژ و نصب سازه روی اجزا انجام نمی‌شود.
از مزایای دیگر این سازه ها عبارتند از:
- برعکس چیزی که از شکل ظاهری این سیستم به نظر می‌رسد سازه بسیار کم وزن است بصورتیکه در مقایسه با سازه‌های ساختمانی دیگر در شرایط برابر ترجیح داده می‌شود همچنین این سیستم در اضافه اشکوب‌ها و در زمین‌هایی با مقاومت خاک کم استفاده فراوانی دارد.
- این سیستم در مقایسه با دیگر سیستم‌های سازه‌ای مخصوصا در سالن‌های با دهانه زیاد و با توجه به سایر مزیت‌های آن توجیه اقتصادی فوق العاده ای دارد.
- بخاطر اینکه در هنگام نصب سازه هیچ جوشکاری انجام نمی‌شود و همگی اتصالات موجود سازه اصلی و قطعات الحاقی پیچ و مهره‌ای است. سازه انجام شده قابلیت مونتاژ کامل را دارد. در محل دیگری به شکل یکسان با کمی تغییر در قطعات نصب شود.
- با ساخت و تولید کارخانه ای قطعات سازه،کیفیت و دقت قابل توجهی بدست می‌آید که خود دقت وکیفیت عالی در سازه اجرا شده را شامل می‌شود.
- به دلیل توانایی خاص این سیستم سازه ای، کم یا زیاد شدن سطح سازه فضایی از هر جهت و به هر صورت تغییر محل تکیه گاه ها با حفظ سازه پیشین همراه رعایت نکات طراحی به آسانی وجود دارد.
- این موضوع امکان باور نکردنی را در سالن‌های تجاری و صنعتی برای طرح‌های توسعه به وجود می‌آورد. از این جهت با هیچکدام از دیگر سازه‌ها قابل مقایسه نمی‌باشد.
- درجه نامعینی زیاد این سیستم، اتصالات پیچ و مهره‌ای و راحتی کنترل کیفیت قطعات و اتصالات و در کارخانه ساخته شدن قطعات بشکل ساخته از قبل، عواملی است که ضریب اطمینان و ایمنی سازه را به مقدار زیاد و مطلوبی تغییر می‌دهد.
- امکان ساخت سقف افقی در سالن‌ها مزیت دیگر سیستم است.
کاربردهای سازه فضایی
- سازه فضایی در ساختمان های مدرن کاربردهای زیادی دارد. این سازه‌ها اکثر در سقف‌هایی با دهانه‌های بزرگ در ساختمان‌های مدرن تجاری و صنعتی بکار می‌رود.
- سازه‌های فضایی در سازه هایی که برای آنها نیازی به پوشش دهانه‌های بزرگ و بدون ستون است.
- آشیانه هواپیما ها، سالن های کارخانه‌‌ها، پوشش استادیوم های‌ورزشی، باشگاه های‌ورزشی، پارکینگ های طبقاتی، مراکز فرهنگی‌وتفریحی، تالار های تجمع و سخنرانی، سالن‌اجتماعات، سینما، آمفیتئاتر ها، مرکز خرید ،ایستگاههای راه‌آهن، ترمینال ها و … استفاده می‌شود. سیستم‌های سازه فضایی در سازه‌هایی چون دکل‌های انتقال نیرو، برج‌های مخابراتی، برج‌های ذخیره آب، بشقاب‌های مخابرات و رادیو، نیز کاربرد دارند.
سازه‌های فضایی از نظر ساختاری
مهمترین و متداول ترین سازه فضایی، شبکه‌های دو لایه است. این سازه‌ها از دو صفحه عنصر که دو صفحه موازی با یکدیگر و بوسیله عنصرهای میانی به هم وصل می‌شوند.
شبکه‌های سه لایه‌ای
شبکه‌های سه لایه‌ای از دو صفحه بالا و پایین و صفحه میانی ساخته می‌شوند که هرکدام از صفحات بالا و پایین بوسیله اعضای میانی به صفحه میانی وصل می‌شوند. این شبکه‌ها در مواردی بکار می‌رود که سازه دهانه بسیار بزرگی داشته باشد و ارتفاع شبکه‌های دو لایه پاسخگوی قیود آن نباشند.
سازه‌های چلیکی
شبکه‌ای که در یک جهت دارای انحناء است. بیشتر بدلیل پوشش سطوح مستطیل‌شکل بکار می‌رود.
سازه‌های گنبدی
شبکه‌ای که در دو جهت دارای انحناء است. در ساخت و ساز گنبدها تلاش می‌شود که اجزا اندازه یکسان داشته باشد ولی بهرحال تعداد انواع اجزا بالا خواهد بود. برای تولید ساختار گنبدی فقط یک شبکه را (به شکل‌دلخواه)روی یک کره تصویر نمایید.
دلیل استفاده از فولاد در سازه فضایی
فولاد پر استفاده‌ترین ماده برای تولید سازه‌های فضایی است. احتمالا دلیل اصلی آن استقامت و جوش پذیری زیاد باشد. یکی دیگر از ویژگی های سودمند فولاد، تنوع در پروفیل فولادی و فراوانی در بیشتر نقاط جهان مخصوصا کشورهای صنعتی است.
اجزای تشکیل دهنده سازه فضایی
گره‌ها (پیونده‌ها)
مهمترین بخش سازه‌های متداول اتصالات و جزئیات در رابطه با آنها است. پیونده مرو با خاصیت۱۸ اتصال
اجزا
بدنه اصلی سازه فضایی را اجزای سازه شامل می‌شود. سازه‌های فضایی، پروفیل‌هایی در اندازه‌ها و مقطع‌های مختلف هستند. پراستفاده ترین مقاطع در سازه‌های فضایی مقطع دایره شکل، توپر یا توخالی ومقاطع نبشی یا قوطی هستند.
تکیه‌گاه‌ها
شکل و موقعیت تکیه‌گاه‌ها در سازه فضایی، اثربخشی به‌سزایی روی شیوه توزیع نیرو ها در اجزای مجاور و تمرکز نیرو در آنها دارد. بخاطر اینکه تعداد تکیه‌گاه‌ها در این سیستم ها نسبت به سطح پوششی خیلی ناچیز است و کل نیروهای قائم با این تعداد اندک تکیه‌گاه‌ها به پی منتقل می‌شود. در بیشتر مواقع اجزای مجاور تکیه‌گاه را پروفیل های توپر و سنگین شکل می‌دهند.
روش‌های طراحی سازه
در صورتی که بخش قرمز رنگ وجود نداشت و بار به گره آبی رنگ اعمال می‌شد و بخش قرمز رنگ وجود نداشت، آنوقت رفتار سازه تماما به استقامت خمشی گره آبی بستگی داشت. ولی اگر بخش قرمز رنگ را در نظر بگیریم و از استقامت خمشی گره آبی و از استقامت قسمت قرمز صرف‌نظر کنیم، با این وضعیت، این سیستم با استفاده از ماتریس سختی و بدون درنظر گرفتن تغییرات زاویه‌ای قابل محاسبه است.
سازه‌های فضایی غالبا با ماتریس سختی، طراحی می‌شوند. ویژگی ماتریس سختی، جداگانه بودن نسبت به تغییرات زاویه‌ای است. اگر مفصل‌ها به اندازه کافی محکم و استوار باشند، برای راحتی در محاسبات، می‌توان از تغییرات زاویه‌ای صرف نظر کرد.
مرحله به مرحله اجرای پروژه‌ها
- طراحی: (مدل‌سازی با Formian و انتقال و ویرایش نقشه با Auto Cad)
- محاسبات: (بوسیله نرم‌افزار Sap-AISC ASD)
- ساخت هم وندها
- رنگ کردن هم وندها
- ستون گذاری
- بافت سازه فضایی
- نصب کردن سازه فضایی
- نصب پوشانه
روش های نصب کردن
- توسعه و ثابت سازی تمامی اجزای سازه بصورت یکجا و نصب در محل دائمی.
- توسعه و ثابت سازی تمامی اجزای سازه در قسمت‌های کوچک روی زمین و بالا بردن قسمت‌ها تا موقعیت تعیین شده و نصب روی تکیه گاه دائمی.
- توسعه و ثابت سازی اجزای سازه قطعات بزرگتر روی زمین سپس بالا بردن و نصب آنها در هوا به قسمت‌هایی از سازه که قبلاً نصب شده‌اند.
- توسعه و ثابت سازی اجزای یکجای سازه روی زمین و بالا بردن و نصب در مکان دائمی.
