سازه فضاکار (فضایی) چیست؟

سازه فضاکار گروهی از سازه ها می باشند که رفتار سه بعدی داشته و معمولا دارای فرم های بدیع مستوی یا منحنی درفضا هستند که با مدولهای تکرارشونده و یکسان طراحی و احداث می گردند

 کاربرد سازه های فضاکار در طراحی و اجرای سازه های مختلف و فناوریهای نوین

این سازه ها معمولا در خور تولید صنعتی انبوه بوده و قیود فنی و اقتصادی را با تلفیق مناسبی از مفاهیم سازه ها، اصول ایمنی از طریق جلب دیدگاه های زیبایی شناسی، سرعت در نصب و دقت در اجرا را به ارمغان می آورند.

متداولترین کاربرد سازه های فضاکار با تعریف فوق در طراحی و ساخت پوشش ساختمان هایی است که در آنها عملکرد ساختمان ایجاب می نماید که دهانه های بزرگ و وسیع  در دو جهت متعامد توسعه یابند.

بدیهی است این نوع سازه ها چند منظوره بوده و کاربردهای ویژه ای در استادیوم و سالن های ورزشی دارند. از دیگر مکان هایی که از مزایای این نوع پوشش ها در آنها می توان بهره برد باید به سالن های اجتماعات ، نمایشگاه های چند منظوره ، مراکز فرهنگی و  هنری ، مصلی ها و مساجد ، آشیانه ها هواپیماها ، سالنهای صنعتی ، انبارهای وسیع و انواع پایانه های مسافربری اشاره کرد.

این نوع سازه ها به دلیل فرمهای بسیار متنوع از جمله گنبدی ، چلیکی یا قوسی ، شبکه ای مسطح ، دو یا چند لایه و … علاوه بر کاربرد وسیع دارای زیبایی های ویژه و جذابیت فراوان هستند که توام با دقت در اجرا و ارتقاء کیفیت فضا می باشند.

در این نگارش تلاش براین است که با ارائه اصول اساسی مبتنی بر طراحی و ساخت با ذکر کاربری های فراوان آن در زمینه ورزشی با مطرح کردن انواع دیگر سازه های فضاکار مانند سازه های کش بستی و تاشو این مفاهیم به دقت مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد.

مقدمه سازه فضاکار(فضایی)

سازه های فضاکار برای فضاهای کوچک جنبه دکوراتیو ، در سازه های متوسط تلفیقی از زیبایی و رعایت کلیه ضوابط طراحی ایمن با ضریب بالا و برای فضاهای بزرگ نه تنها یک ضرورت اجتناب ناپذیر جهت عملی کردن ساخت بنا است بلکه تواما زیبایی ،دوام ، استحکام و پایداری در برابر زلزله را ارزانی می دارد.

فضاها و اماکن ورزشی از این قاعده مستثنی نبوده و پوشش این فضاها امری است که توجه به جلوه های زیبایی و معمارانه آن از یک طرف و همچنین توجه به طراحی ایمن را از طرف دیگر تامین می نماید. سازه های فضاکار علاوه بر توان سازه ای بالا ، وزن کم ، سرعت بالا در نصب ، حمل و نقل راحت قطعات ، یکسان بودن کیفیت کل سازه به دلیل تولید کارخانه ای و کنترل کیفیت های پیاپی ، ظاهری زیبا و ساده دارد که توجه بسیاری از مهندسان معمار وعمران رابه خود جلب کرده است بطوری که طی چند سال اخیراستفاده روزافزون آن را در فضاهای مختلف شاهد هستیم.

نمونه های مختلف سازه فضاکار

سازه های فضاکار دراشکال بسیار متنوعی طراحی و ساخته میشوند که مهمترین آنها عبارتند از شبکه های مسطح دو یا چند لایه ، قوسی ها (چلیک) ، گنبدها ، قوس ها و … که علاوه بر این ، سازه های مذکور دارای بافتارهای متنوعی نیز می باشند ، بدین ترتیب که با تغییر در آرایش المانها می توان بافتارهای جدید ایجاد کرد که بدیهی است کارایی هربافتاری باید در مقایسه با بافتار دیگر سنجیده شود.

نمونه 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 امام خمینی و سقف چند سالن نمایشگاه بین المللی تهران اشاره کرد. البته ایده اولیه این نوع سازه ها خیلی جدید نیست زیرا گراهام بل طرح هایی از شبکه های منظم هندسی که کاربرد ساختمانی داشته باشد تهیه کرده بوده همچنین آلاچیق های عشایر محلی ایران ، سبکی مانند این نوع سازه ها دارند.

1- تعریف و تاریخچه سازه فضاکار:

به سازه ای که اصولا رفتار سه بعدی داشته باشد ، به طوریکه به هیچ ترتیب نتوان رفتار کلی آن را با استفاده از یک یا چند مجموعه مستقل دو بعدی تقریب زد ، سازه فضاکار نامیده می شود.

منظور ما سازه های سه بعدی خاصی هستند که معمولا دارای اعضای مستقیم با اتصالات صلب یا مفصلی می باشند. در دهه شصت میلادی این نوع سازه ها به صورت موضوعی بین المللی و قابل بحث مطرح شد به طوری که اولین کنفرانس بین المللی سازه های فضایی (فضاکار ) در سال 1966 در دانشگاه ساری انگلستان برگزار گردید.

2- مصالح و مشخصات :

مصالح المان های طولی متنوع بوده و بسته به نوع مصرف آنها متغییر خواهد بود ولی معمولا از انواع پلاستیک ، پروفیل های فولادی و آلومینومی ، مواد کامپوزیتی و حتی از چوب استفاده می گردد.

سازه های فضایی شکل های هندسی منظمی هستند که در کنار یکدیگر تکرار شده و با اتصال مکرر این اجزا شبکه ای مستحکم و یکپارچه با ساختاری سه بعدی ایجاد می کنند. این اجزا از المانهای طولی ( با مقاطع گوناگون از جمله دایره ، مربع ، مثلث و …) و اتصالات (گوی) که هر روز به انواع آنها افزوده می شود تشکیل می گردد.

به طور کلی از مشخصه های سازه فضاکار می توان موارد زیر را نام برد :

• درجه آزادی بسیار بالا (اتصالات مفصلی) : این مشخصه باعث می گردد که سازه در برابر ارتعاش و ضربه مقاومت زیادی داشته باشد.
• استفاده بهینه از انواع متریال
• سرعت در تولید ، نصب و اجرا
• استفاده از پوشش های سبک
• تغییر مکان قائم بسیار کم
• مقاومت بالا در آتش سوزی
• ایجاد فضای وسیع ، بسیار مناسب برای هرگونه معماری داخلی
• فضای بین لایه بالا و پایین شبکه سازه های فضاکار محل مناسبی برای عبور تاسیسات برقی و مکانیکی است
• تاکید این سامانه در عدم یا حداقل استفاده از ستون های میانی که تاثیر بسیار مثبتی در استفاده چند منظوره از فضا دارد ، از جمله فضاهای ورزشی.
• مقاومت کافی در برابر کمانش
• استفاده مناسب از نور

مزایای معماری در سازه های فضایی کدامند؟

1. به دلیل سادگی و زیبایی سازه های فضاکار، این سازه ها منحصر به فرد هستند. در معماری شکل های منتظم سازه های فضایی و فضاکار به دلیل معماری جذاب، زیبا و با ارزش هستند. از این رو در سالن ها، مراکز اجتماعات، سوله ها و … سازه های فضایی را به نمایش می گذارند. در بسیاری از موارد برای نماسازی نیز از سازه های فضاکار استفاده می شود.
2. به دلیل انعطاف پذیری زیاد سازه های فضاکار با استفاده از شکل هندسی و تکرار شونده این سازه ها می‌توان فرم های مختلف هندسی را با استفاده از طرح‌های گوناگون معماری خلق کرد . همچنین می توان تاشه دلخواه آرشیتکت را تولید و طراحی نمود. اشکال مختلف و متداول معماری سازه های فضاکار به صورت سینوسی، هرمی، چتری، گنبدی، چلیک، قوسی شکل و … هستند.
3. به دلیل عدم نیاز به استفاده از سقف های کاذب در پیاده سازی سازه های فضاکار نمای بسیار زیبای شبکه های دولایه سازه های فضاکار که به شکل اشکال هندسی تکرارشونده هستند ظاهر خواهند شد. این اشکال هندسی نمای بسیار خوشایند و زیبایی را عرضه می کنند. این نما از نظر شکل ظاهری بسیار زیبا است و ارزش بسیار بالایی را به معماری می بخشد. بنابراین  از این سازه ها در سالن های اجتماعات، مساجد، فرودگاه ها و … استفاده می شود و نمای بسیار زیبای سازه فضایی را نمایش می دهد.
4.  امکان اتصال آویز های متعدد از سقف سازه فضاکار با توجه به قدرت باربری زیاد در سازه های فضایی و تعدد گره های موجود در فواصل منظم ، امکان مانور طراحی برای اتصال آویز های متعدد در هر یک از نقاط دلخواه سازه فضا کار و خلق آثار منحصر به فرد معماری (داخلی) را فراهم می آورد .
5.  گسترش سازه های فضایی با حداقل تغییر در سازه قبلی با توجه به ویژگی ” عدم ضرورت نظم تکیه گاهها در سازه های فضا کار ” ، قابلیت گسترش یا کاهش سطح سازه فضاکار اجرا شده ، از هر طرف و به هر شکل ، با حفظ سازه قبلی و با رعایت نکات طراحی ، به سادگی و با حداقل هزینه امکانپذیر می باشد و این توانایی منحصر به فرد سازه فضایی ، امکان فوق العاده ای در طراحی و چیدمان طرح های توسعه برای آرشیتکت ها و کارفرمایان فراهم می نماید و این ویژگی در هیچ یک از انواع دیگر سازه ها وجود ندارد .
6.     سازه ای مناسب برای نورپردازی وجود نقاط از پیش تعریف شده بر روی سازه های فضاکار ( گره های سازه ) و امکان اتصال نورافکن ها و دیگر منابع نورانی در تمامی سطح ایجاد شده ، محیط را جهت نور پردازی و دکوراتیو ، بسیار زیبا و مناسب می سازد .
7.   دارای صرفه جویی فضایی فضای موجود بین لایه های سازه فضایی ، محل مناسبی را جهت عبور تاسیسات الکتریکی ، مکانیکی ، حرارتی ، برودتی و دیگر تاسیسات ساختمانی فراهم می سازد . علاوه بر آن ، تعدد گره های سازه فضاکار ، تکیه گاههای لازم برای عبور این شبکه های ارتباطی و تاسیساتی را بدون هیچگونه هزینه اضافی تامین نموده و این تاسیسات را از حداقل دید برخوردار می سازد .
8.    ضریب ایمنی بالا در سازه های فضا کار برای هر آرشیتکت ، یکی از پارامتر های مهم ، طراحی مجموعه ای ایمن ، زیبا و پایدار می باشد . سازه فضایی به لحاظ داشتن ویژگی های منحصر به فرد ، از حیث ایمنی نیز با کمتر سازه ای قابل مقایسه است .

3- انواع سازه های فضاکار:

الف:  شبکه های تخت

ترکیب یک سیستم تک یا چند وجهی با لایه های واحد شبکه نام دارد، شبکه های تخت می توانند دارای یک ، دو یا حتی سه لایه باشند ولی بیشتر به صورت دولایه مورد استفاده قرار می گیرند. شبکه مسطح ترکیبی از یک دو وجهی که با قیدهای واحد در بعد سوم آن متصل شده است می باشد. شبکه های دولایه از دو صفحه موازی که به وسیله عناصر قائم یا مورب به هم متصل گردیده اند تشکیل می شوند.

زمانی که اعضا در شبکه دو لایه طویل شوند برای پیشگیری از کمانش از شبکه های سه لایه استفاده می گردد با توجه به اینکه نیمی از هزینه های سازه های فضاکار را پیوند دهنده ها (گوی ها) تشکیل می دهند لذا سازه های سه لایه اغلب غیراقتصادی هستند.

نکته دیگری که در طراحی شبکه های دولایه و اکثر سازه های فضاکار باید در نظر گرفت این است که برای توزیع بهتر نیروها و تحت کشش قرار گرفتن هر ستون باید در مکان هندسی شبکه قرار گیرند و هر ستون توسط  چند گره به دیافراگم صلب سازه فضاکار متصل شود. بهتر است برای توزیع نیرو در اطراف از سیستم کنسول استفاده گردد.

ب: با فرم قوسی (چلیک)

به شبکه ای که در یک جهت دارای انحنا باشد، چلیک می گویند . این سازه بیشتر برای پوشش سطوح مستطیلی کریدوری استفاده شده و بعضا فاقد ستون میباشد و بر روی لبه های چلیک که به تکیه گاه متصل است قرار می گیرند.

چلیک ها دارای دو محور می باشند. اگر چلیک یک لایه باشد اتصالات به شکل صلیب خواهد بود. چلیک ها اغلب به شکل ترکیبی استفاده می گردند و تیر قطری نقش مرکب کردن چلیک ها به یکدیگر را ایفا می کنند. نکته ای که در طراحی این نوع سازه ها باید در نظر گرفت این است که دو انتهای چلیک باید قوی باشد و این تقویت را می توان به وسیله تیر و ستون ، به شکل خورجینی انجام داد.

ج: گنبدی

اگر شبکه ای در دو جهت دارای انحنا باشد ، گنبد نامیده می شود. شاید رویه یک گنبد بخشی از یک کره یا یک مخروط یا ترکیب چند قوس باشند. گنبدها سازه هایی با صلبیت بالا می باشند و برای دهانه های بسیار بزرگ تا حدود 250 متر مورد استفاده قرار می گیرند. ارتفاع گنبد باید بزرگتر از 15% قطر پایه گنبد باشد.

د: تاشو

به سازه هایی اطلاق می گردد که قابلیت انتقال از حالت بسته به یک بافتار باز را دارند.

مزایا سازه های فضاکار تاشو:

• قابلیت نصب سریع
• آسانی نصب
• قابلیت استفاده مجدد
• چند منظوره بودن
• سبک و کم حجم بودن
• قابلیت استفاده در ابعاد و دهانه های مختلف
• قابلیت مجزا بودن محل ساخت و کاربرد

کاربرد های سازه های تاشو:

• سرپناه اضطراری (Shelter)
• پله های اضطراری
• جرثقیل ها، پله ها، برج ها و دکل های بازشو و تاشو
• ساختمان ها و سر پناه های موقت در نقاط دور دست
• سبک و کم حجم بودن
• گنبدها یا چلیک های کروی و سهموی ثابت و یا متحرک
• داربست ها و قالب بندی ها برای سازه های دائمی
• سرپناه به عنوان سایه بان یا محافظت در برابر بارندگی

 سازه های فضاکار کش بستی:

سیستم های مشبک فضاکاری هستند که سختی سازه ای آنها به وسیله حالت خود تنبدگی ایجاد می شود. در این سیستم ها ، عناصر فشاری یک مجموعه ناپیوسته و عناصر کششی یک مجموعه پیوسته را تشکیل می دهند.  به هر گره، حداقل یک عضو فشاری و سه عضو کششی متصل می باشند. عناصر کششی و فشاری به ترتیب دارای صلبیت منحصراً کششی و منحصراً فشاری می باشند.

مزایای سازه های کش بستی

• همه ی اعضا تحت بارگزاری محوری قرار می گیرند.
•  خمش کلی بدون خمش اعضا
• همه ی اعضا دارای بارگزاری یک جهتی هستند.
• معکوس ناپذیری جهت بار
• کارایی سازه ای
• نسبت مقاومت به وزن بسیار بالا
• سهولت ساخت و کنترل
• مدل های بسیار دقیق

سازه فضاکار فرم دیسکی

نوعی از سازه فضاکار که دارای شکل ظاهری دایره ای است و فرمی تخت دارد سازه فضاکار نوع فرم دیسکی می باشد. از این سازه در مکان هایی که ستون گذاری به صورت دایره ای است استفاده می شود. هزینه این سازه در مقایسه با دیگر سازه ها بیشتر است اما عملکرد آن بسیار شبیه به سازه فضایی تخت است.

از انواع دیگر سازه فضاکار می توان به :

• نوع هرمی
• سینوسی
• تخت دو طرف شیبدار
• نیم قوسی اشاره کرد.

فاصله ستون ها در سازه های فضاکار

در ابتدا باید بدانید در ساخت سازه های فضاکار امکان استفاده از ستون گذاری های نامنظم با دهانه های مختلف وجود دارد. این سازه ها از نظر معماری نیز انعطاف پذیر هستند و می توان آن ها را با هر نوع ستون پیاده سازی و اجرا کرد. در حالت کلی از این نوع سازه تا دهانه 60 متر استفاده می شود. شرکت فضاسازه نقش جهان از جلمه معدود شرکت هایی است که پروژه هایی با دهانه ی بیش از 60 متر (پارک آبی آبسار با دهانه ی 82 متر) در رزومه ی کاری خود دارد.

ضخامت سقف در سازه فضاکار

ضخامت سقف سازه های فضاکار به عوامل بسیار زیادی بستگی دارد. این عوامل عبارتند از:

دهانه سازه ، شکل سازه و میزان بار وارد شده به سازه .

بنابراین بر اساس ویژگی های گفته شده در قسمت بالا می توان از شبکه های دولایه، سه لایه و …  برای اجرا سقف سازه استفاده کرد که استفاده از هر کدام سبب تفاوت در ضخامت سقف سازه ها می شود.

مودهای ناپایداری در سازه های فضاکار

• ناپایداری عضوی (Member Instability)
• ناپایداری گرهی (Node Instability)
• ناپایداری در امتداد محور (Line Instability)
• ناپایداری عمومی (General Instability)

نتیجه گیری :

در این مقاله سعی شد اصول و مفاهیم سازه فضاکار و کاربرد آنها در فضاهای ورزشی بیان گردد تا بسط و توسعه آن در طراحی و اجرای فضاهای ورزشی بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد.

با توجه به قابلیت سازه فضاکار که در بالا اشاره شد ذکر این نکته که در کشور ما در زمینه صنعت ساختمان پیشرفت روزافزون را شاهد هستیم توجه به استفاده از این سازه ها به منظور پوشش دهانه های بزرگ مجموعه های ورزشی امری اجتناب ناپذیر می نماید.

این سازه ها می تواند بخش هایی از ایده های قوی معمارانه را عملی و روند اجرای پروژه ها را بهبود و سرعت بخشد. بدین ترتیب ما شاهد اجرای سریع پروژه ها ، ارتقا  کیفیت ، دوام و پایداری آنها در برابر زلزله و از سوی دیگر کاهش هزینه ها و صرفه جویی در زمان بوده و در نهایت رشد اقتصادی کشور را شاهد خواهیم بود.

مطمئنا تا زمانی که نمونه های مبتنی بر تحقیق و پژوهش با سفارش کارفرمایان خصوصی و به ویژه دولتی اجرا نگردد همواره فناوری های نوین در بسط و توسعه فضاهای ورزشی محجور خواهد ماند و از سوی دیگر با توجه لرزه خیز بودن کشور می توان دست آوردهای فنی و مهندسی را به مدد علوم جدید به روش عملی تجربه نمود و در خیلی از موارد تجربه های کوچک را به هزینه های زیاد و با روش آزمون و خطا کسب نکرد.

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 فضایی می‌باشد.

برای دریافت مشاوره ی رایگان بر روی این لینک کلیک کنید