مقدمه
سازه فضاکار یکی از مهمترین نوآوری‌ها در حوزه مهندسی و معماری مدرن هستند که به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردشان، در پروژه‌های بزرگ و پیچیده به کار گرفته می‌شوند. این نوع سازه‌ها با داشتن توانایی تحمل بارهای سنگین و پایداری بالا در عین کاهش مصرف مواد، به یک راه‌حل محبوب در صنعت ساختمان تبدیل شده‌اند. در این مقاله به بررسی تاریخچه و تکامل سازه‌های فضاکار از آغاز پیدایش آنها تا دستاوردهای کنونی می‌پردازیم.
تاریخچه ی سازه فضایی (فضاکار)
- سازه فضایی با تکیه بر استحکام ساختار ذاتی مثلث متساوی الاضلاع در قاب بندی شناخته می‌شود. در سال 1900 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 بر پایه خرپای سازه فضا یی که دهانه هایی در دو جهت مختلف گسترش یافته دارد و قسمت های آن فقط تحت تاثیر کشیده شدن و فشار هستند . این سازه ها از مدول های تکرار شونده با لایه های موازی ساخته می‌شوند.
- سازه فضایی، مجموعه سازه ایی تشکیل شده از طاق ها ، برج ها ، شبکه های کابلی ، سیستم های پوسته ای و غشایی ، سازه‌های تاشونده هستند.
تعریف سازه فضاکار :
سازه فضاکار به سازه ای گفته می‌شود که شبکه ای یکپارچه با ساختاری سه بعدی داشته و از تکرار و کنار هم قرار گرفتن یک سری اشکال هندسی منظم تشکیل می‌شود. سازه‌های فضایی با عملکرد سه بعدی خود و پخش نیرو در جهات مختلف از استحکام توأم با سبکی برخوردار بوده و به همین دلیل سازه‌هایی کاملا اقتصادی می‌باشند.
سازه فضاکار همچنین به دلیل پیش ساختگی، دارای سرعت تولید و نصب قابل توجهی هستند. سازه های فضایی برای انواع کاربری های صنعتی، تجاری و فرهنگی از جمله سالن های تولید و انبار، سالن‌های نمایشگاهی، سالن های فروشگاهی ، سالن های ورزشی ، پارک های آبی، پایانه های مسافری فرودگاهی و ریلی، پایانه‌های حمل و نقل شهری، سالن های آمفی تئاتر و رستوران ، آشیانه ی هواپیما و بسیاری از کاربردهای دیگر مناسب می باشند.
آغاز پیدایش سازه‌های فضاکار
ایده سازه‌های فضاکار ریشه در تفکرات و تلاش‌های مهندسان و معماران قرن بیستم دارد. یکی از پیشگامان این حوزه، الکساندر گراهام بل (Alexander Graham Bell)، مخترع تلفن بود که در اوایل قرن بیستم آزمایش‌هایی روی ساختارهای سه‌بعدی متشکل از اجزای مثلثی انجام داد. بل تلاش می‌کرد تا ساختارهایی بسازد که در عین سبک بودن، قدرت باربری بالایی داشته باشند. او در این راستا، از اصول هندسی و مثلث‌بندی برای بهینه‌سازی سازه‌ها استفاده کرد.
تکامل سازه‌های فضاکار در دهه‌های بعد
در دهه ۱۹۴۰، مهندس آلمانی والتر بائر (Walter Bauersfeld) اولین قدم‌های عملی برای ساخت سازه‌های فضاکار را برداشت. او با استفاده از یک شبکه هندسی سه‌بعدی، یک گنبد فضاکار برای یک رصدخانه در آلمان طراحی کرد. این گنبد به عنوان یکی از اولین نمونه‌های کاربردی سازه‌های فضاکار شناخته می‌شود و از ترکیب اعضای مثلثی برای پخش بارها بهره می‌برد.
اما توسعه واقعی سازه‌های فضاکار به دهه ۱۹۵۰ و کارهای ریچارد باکمینستر فولر (Buckminster Fuller) برمی‌گردد. فولر با استفاده از اصول ژئودزیک (geodesic)، نوعی از سازه‌های گنبدی را توسعه داد که به نام گنبد ژئودزیک شناخته شد. این گنبدها با استفاده از یک شبکه منظم از مثلث‌های به‌هم‌پیوسته ساخته می‌شدند که نیروهای وارد بر سازه را به طور متوازن توزیع می‌کرد. فولر با اختراع و توسعه این گنبدها، سهم بزرگی در پیشرفت سازه‌های فضاکار داشت.
ورود تکنولوژی‌های نوین به سازه‌های فضاکار
با پیشرفت تکنولوژی و به ویژه توسعه کامپیوترها در دهه‌های ۱۹۶۰ و 1970، طراحی و محاسبات سازه‌های فضاکار به شدت بهبود یافت. در این دوره، استفاده از نرم‌افزارهای محاسباتی به مهندسان این امکان را داد تا با دقت بیشتری نیروها و تنش‌های وارد بر سازه‌ها را تحلیل کنند. همچنین با ورود مواد جدیدی مانند آلومینیوم و فولاد با مقاومت بالا، سازه‌های فضاکار سبک تر و مقاوم تر شدند.
یکی از کاربردهای برجسته سازه‌های فضاکار در این دوره، پروژه‌های ورزشی و استادیوم‌های بزرگ بود. به دلیل پایداری و امکان پوشش دهانه‌های بزرگ، این نوع سازه‌ها به سرعت در ساخت استادیوم‌ها، سالن‌های کنفرانس و سالن‌های نمایشگاهی به کار گرفته شدند.
با کلیک بر روی این لینک میتوانید پروژه های سازه فضاکار انجام شده در ایران را مشاهده کنید.
دیباچه چیست؟
قدیمی ترین نمونه سازه‌های فضاکار داربست هایی است که جهت نگهداری چادرهای انسانهای اولیه استفاده می شد.
قدیمی ترین این چادرها برای انسان های اولیه ای است که در محلی در چین باستان است که چند سال قبل پیدا شد.
استفاده سازه های شبکه ای و سه بعدی در روم باستان و ایران کهن و نیز دوره صفویه برای ساخت سالن های اجتماعات، آمفی تئاترها، قصر ها، مساجد اسلامی، اماکن متبرکه و … مشخص گردید.
سازه‌های فضاکار در معماری معاصر
در دهه‌های اخیر، سازه‌های فضاکار به یکی از مهمترین ابزارهای مهندسان و معماران برای خلق فضاهای بزرگ و زیبا تبدیل شده‌اند. سازه‌های فضاکار به دلیل انعطاف‌پذیری در طراحی و امکان ایجاد شکل‌های متنوع و جذاب، در پروژه‌های معماری مدرن بسیار محبوب شده‌اند. استفاده از این سازه‌ها در ساختمان‌های عمومی مانند فرودگاه‌ها، مراکز نمایشگاهی و ایستگاه‌های قطار، باعث شده است که فضاهای بزرگی بدون نیاز به ستون‌های میانی ایجاد شوند که این امر به افزایش کارایی و زیبایی ساختمان‌ها کمک می‌کند.
یکی از نمونه‌های برجسته سازه‌های فضاکار در معماری معاصر، هرم لوور میباشد که سازنده آن معمار چینی – آمریکایی I.M.Pei است که آن را طراحی کرده است. این هرم در حیاط اصلی کاخ لوور قرار دارد و توسط سه حرم کوچک تر احاطه شده است. هرم بزرگ ورودی اصلی موزه لوور است. این سازه در سال 1988 به عنوان بخش اصلی پروژه لوور تکمیل شده است.
مزایای سازه فضایی
سازه‌های فضاکار به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردشان، مزایای فراوانی دارند. برخی از این مزایا عبارتند از:
- وزن سبک: این سازه‌ها به دلیل استفاده از اعضای نازک و سبک، وزن کلی کمتری نسبت به سایر سازه‌ها دارند.
- پخش متوازن بارها: به دلیل ساختار سه‌بعدی، بارها به طور متوازن در سراسر سازه توزیع می‌شوند که این امر باعث افزایش پایداری و کاهش خطر خرابی می‌شود.
- انعطاف‌پذیری در طراحی: سازه‌های فضاکار به معماران اجازه می‌دهند تا شکل‌های متنوع و خلاقانه‌ای را ایجاد کنند که با سایر انواع سازه‌ها به سختی ممکن است.
- صرفه‌جویی در مواد: استفاده از هندسه‌های مثلثی و سه‌بعدی باعث می‌شود تا سازه‌ها با کمترین میزان مواد، حداکثر پایداری را داشته باشند.
- چون روش های مختلفی جهت بافت برای سیستم هست ، می توان همزمان دیگر فعالیت های ساختمانی را انجام داد.
- فضای میان لایه های 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 تابلو ها ، نور افکن ها و… به آسانی و در همه سطوح برقرار است.
- به دلیل پیش ساخته سازی قطعات سازه در کارخانه و پیچ و مهره ای 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 می رسد سازه بسیار کم وزن است به صورتی که در مقایسه با سازه‌های ساختمانی دیگر در شرایط برابر ترجیح داده می‌شود همچنین این سیستم در اضافه اشکوب ها و در زمین هایی با مقاومت خاک کم استفاده فراوانی دارد.
- این سیستم در مقایسه با دیگر سیستم های سازه ای مخصوصا در سالن های با دهانه زیاد و با توجه به سایر مزیت های 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 و 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 می آید که خود دقت و کیفیت 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 سازه ها قابل مقایسه نمی باشد.
- درجه نا معینی زیاد این سیستم ، اتصالات پیچ و مهره ای و راحتی کنترل کیفیت قطعات و اتصالات و در کارخانه ساخته شدن قطعات به شکل 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 فضاکار
- این سازه ها اکثر در سقف هایی با دهانه های بزرگ در ساختمان های مدرن تجاری و صنعتی بکار می‌رود.
- در سازه هایی که برای آنها نیازی به پوشش دهانه های بزرگ و بدون ستون است.
- آشیانه هواپیماها، سالن های کارخانه‌‌ها، پوشش استادیوم های ورزشی، باشگاه های ورزشی، پارکینگ های طبقاتی، مراکز فرهنگی و تفریحی، تالار های تجمع و سخنرانی، سالن اجتماعات، سینما، آمفی تئاتر ها، مرکز خرید، ایستگاه های راه آهن، ترمینال ها و … استفاده می‌شود. سیستم‌های سازه فضایی در سازه هایی چون دکل های انتقال نیرو، برج های مخابراتی، برج های ذخیره آب، بشقاب های مخابرات و رادیو نیز کاربرد دارند.
سازه های فضایی از نظر ساختاری
مهمترین و متداول ترین سازه فضایی، شبکه های دو لایه است. این سازه ها از دو صفحه عنصر که دو صفحه موازی با یکدیگر و بوسیله عنصرهای میانی به هم وصل می‌شوند.
شبکه های سه لایه ای
شبکه های سه لایه ای 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 شبکه ها در مواردی بکار می رود که سازه دهانه بسیار بزرگی داشته باشد و ارتفاع شبکه های دو لایه پاسخگوی قیود آن نباشند.
سازه فضاکار چلیک
شبکه ای که در یک جهت دارای انحناء است بیشتر بدلیل پوشش سطوح مستطیل شکل بکار می رود.
سازه فضاکار گنبدی
شبکه ای که در دو جهت دارای انحنا است در ساخت و ساز گنبد ها تلاش می‌شود که اجزا اندازه یکسان داشته باشد ولی به هرحال تعداد انواع اجزا بالا خواهد بود. برای تولید ساختار گنبدی فقط یک شبکه را (به شکل دلخواه) روی یک کره تصویر نمایید.
دلیل استفاده از فولاد در سازه فضاکار
فولاد پر استفاده ترین 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 فضاکار
گره‌ها (پیونده‌ها)
مهمترین بخش سازه های متداول اتصالات و جزئیات در رابطه با آنها است پیونده مرو با خاصیت ۱۸ اتصال
اجزا
بدنه اصلی سازه فضایی را اجزای سازه شامل می‌شود. سازه‌های فضایی ، پروفیل هایی در اندازه ها و مقطع های مختلف هستند. پراستفاده ترین مقاطع در سازه های فضایی مقطع دایره شکل، توپر یا تو خالی و مقاطع نبشی یا قوطی هستند.
تکیه گاه‌ها
شکل و موقعیت تکیه گاه‌ها در سازه فضایی، اثربخشی به سزایی روی شیوه توزیع نیروها در اجزای مجاور و تمرکز نیرو در آنها دارد. بخاطر اینکه تعداد تکیه گاه‌ها در این سیستم ها نسبت به سطح پوششی خیلی ناچیز است و کل نیروهای قائم با این تعداد اندک تکیه گاه‌ها به پی منتقل می‌شود. در بیشتر مواقع اجزای مجاور تکیه گاه را پروفیل های توپر و سنگین شکل می‌دهند.
مرحله به مرحله اجرای پروژه‌ها
- طراحی : (مدل سازی با Formian و انتقال و ویرایش نقشه با Auto Cad)
- محاسبات : (بوسیله نرم افزار 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 سازه فضاکار
- توسعه و ثابت سازی تمامی اجزای سازه بصورت یکجا و نصب در محل دائمی.
- توسعه و ثابت سازی تمامی اجزای سازه در قسمت های کوچک روی زمین و بالا بردن قسمت ها 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 قسمت هایی از سازه که قبلاً نصب شده‌اند.
- توسعه و ثابت سازی اجزای یکجای سازه روی زمین و بالا بردن و نصب در مکان دائمی.
آینده سازه‌های فضاکار
با پیشرفت مداوم تکنولوژی و ظهور مواد جدید، آینده سازه‌های فضاکار به نظر می‌رسد روشن و پربار باشد. استفاده از فناوری‌های نوین مانند چاپ سه‌بعدی و هوش مصنوعی در طراحی و ساخت این سازه‌ها، امکانات جدیدی را برای مهندسان و معماران به وجود آورده است. علاوه بر این، تمرکز بر ساختمان‌های پایدار و کاهش مصرف انرژی، استفاده از سازه‌های فضاکار را به یک گزینه محبوب در پروژه‌های سبز و دوستدار محیط زیست تبدیل کرده است.
نتیجه‌گیری
سازه‌های فضاکار از گذشته تا به امروز دچار تحولات شگرفی شده‌اند. از اولین تجربیات الکساندر گراهام بل تا دستاوردهای بزرگ ریچارد باکمینستر فولر، این نوع سازه‌ها با پایداری و زیبایی خود به یکی از مهمترین عناصر معماری و مهندسی معاصر تبدیل شده‌اند. با پیشرفت‌های بیشتر در زمینه تکنولوژی و مواد، به نظر می‌رسد که سازه‌های فضاکار همچنان نقش کلیدی در شکل‌دهی به معماری آینده ایفا کنند.
شرکت سازه های فضایی فضا سازه نقش جهان با سال ها تجربه علمی و عملی، مجموعه ای فعال در زمینه مشاوره، طراحی، تولید و اجرای انواع سازه فضاکار میباشد.
برای دریافت مشاوره ی رایگان بر روی این لینک کلیک کنید