مقدمه
امروزه با پیشرفت علوم و تکنولوژی نیازها و خواسته های جدیدی در زمینه مهندسی سازه رخ نموده است . عامل زمان در ساخت سازه ها اهمیت دوچندان یافته و این امر گرایش به سازه های پیش ساخته را افزایش داده است همچنین با افزایش جمعیت بشری علاقه به داشتن فضاهای بزرگ بدون حضور ستون های میانی خواهان بسیاری پیدا کرده است . در این راستا از اوایل قرن حاضر تعدادی از متخصصین مجذوب قابلیت های منحصر بفرد سازه های فضاکار گشته پاسخ بسیاری از نیازهای جدید را در این سازه ها جسته اند و البته به نتایج بسیار مثبتی نیز دست یافته اند . با انتشار این نتایج روز به روز این عرصه با اقبال بیشتری مواجه گردید به گونه ای که با گذشت چندین دهه هنوز هم مطالعه سازه های فضاکار در کانون متخصصین و دانشجویان قرار دارد.

در این مقاله منظور از عبارت سازه فضاکار سیستم های اسکلت فلزی بوده که از بافت تعدادی زیادی المان یا مدول با شکلهای استاندارد به یکدیگر تشکیل می شوند و نهایتا یک سیستم سبک و با صلبیت زیاد را ایجاد می کنند
سازه های فضاکار در اشکال بسیار متنوعی ساخته می شوند که مهمترین آنها عبارتند از : شبکه های مسطح دو یا چند لایه ، چلیک ها ، گنبدها و قوس ها . علاوه بر این ، سازه های فضاکار دارای بافتار متنوعی نیز می باشند .

برای توضیحات بیشتر و دریافت فایل به ادامه مطلب مراجعه نمائید…

بخشی از مطالب:
بدین ترتیب که با تغییر در آرایش المان ها می توان بافتار جدید ایجاد کرد و بدیهی است که کارایی هر بافتار باید در مقایسه با بافتارهای دیگر سنجیده شود .
مثالهای متعددی از سازهای فضاکاری که در دنیا و ایران ساخته شده است وجود دارد ؛ استادیوم های ورزشی ، مراکز فرهنگی ، سالن های اجتماعات ، مراکز خرید ، ایستگاه های قطار ، آشیانهای هواپیما ها ، مراکز تفریحی ، برجهای رادیویی …
تعریف و تاریخچه سازه های فضاکار
به سازه ای که اصولا رفتار سه بعدی داشته باشد ، به طوریکه به هیچ ترتیبی نتوان رفتار کلی آن را با استفاده از یک یا چند مجموعه مستقل دوبعدی تقریب زد ، سازه فضاکار نامیده می شود . با این تعریف طیف وسیعی از سازه ها یعنی حتی برخی از قوس ها و گنبدهای آجری گذشته نیز جزو سازه های فضاکار محسوب می شوند ، اما در اینجا منظور سازه های سه بعدی خاص هستند که معمولا دارای اعضای مستقیم با اتصالات صلب یا مفصلی می باشند.
سازه های فضایی شکلهای 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 مقطع های مربعی ، دایره ای ، مثلثی و … ) و اتصالهایی که هر روز بر انواع آنها افزوده می شود
تشکیل می شود .
جنس المانهای طولی متنوع بوده و بسته به نوع مصرف آنها متغیر خواهد بود ولی معمولاً از انواع پلاستیک و پروفیل ، فولاد و آلومینیوم استفاده می شودبه عنوان نمونه هایی از این نوع سازه ها در ایران ، پوشش مرقد مطهر امام و سقف چند غرفه نمایشگاه بین اللملی تهران را می توان نام برد . البته این نوع سازه پدیده خیلی جدیدی نیست ، زیرا گراهام بل طرحهایی از شبکه های منظم هندسی که کاربرد ساختمانی داشته باشد تهیه کرده بود
همچنین آلاچیقهای عشایر محلی ایران ، سبکی مانند این نوع سازه ها دارند ولی در دهه ۶۰ میلادی بود که این نوع سازه ها به صورت موضوعی بین اللملی و قابل بحث مطرح شد به طوری که اولین کنفرانس بین اللملی سازه های فضایی ( فضاکار ) در سال ۱۹۶۶ در دانشگاه ساری انگستان برگزار شد .
دلیل شهرت ناگهانی چه می تواند باشد ؟ سازه های فضایی چه خصوصیاتی دارند که همه کشورها به
آن روی آورده اند ؟
این سوال چند جواب می تواند داشته باشد :
۱- سازه های فضایی از قطعه های پیش ساخته استاندارد تشکیل می یابند که در صورت تولید انبوه ، قیمت این قطعات بسیار پایین می آید . این قطعات توسط کارگران نیمه ماهر قابل نصب هستند .
۲- یکی از مهمترین خصوصیات سازه های فضایی ، قابلیت پوشش سطحهای وسیع بدون ایجاد مانع و همچنین قابلیت پوشانیدن دهانه های بسیار بلند است که برای استفاده در امر ساختن استادیوم های ورزشی ، سالنهای چند منظوره ، آشیانه های هوایی ، سقف استخرها و … ایده آل است .

۳- سادگی ولی در عین حال زیبایی ظاهری این سازه ها توجه بسیاری از مهندسین معمار را به خود جلب
کرده ، به طوری که قبل از مهندسین ساختمان ، این آرشیتکتها بودند که به این نوع سازه روی آوردند و
تنوع بسیار وسیع آن ، که بویژه با پیشرفت علم کامپیوتر و ایجاد برنامه گرافیکی جدیدی بر آن افزوده
شده ، قدرت خلاقیت بسیار زیادی به طراح می بخشد .

۴- دانشمندان پس از آزمایشهای زیاد ، به مقاومت بسیار زیاد انواع مختلف سازه های فضایی در مقابل بارگذاریهای سنگین متمرکز یا نامتقارن پی برده اند سازه های فضایی دارای آنچنان نیروی پایداری و مقاومت نهایی هستند که سازه را قادر به تحمل بارگذاری موضعی بیش از حد میکند.
تجربه نشانمی دهد که انواع ویژه ای از شبکه های فضایی حتی در صورت صدمه دیدن ، به صورت ناگهانی فرو نمی ریزند و این ویژگی ، در صورت بروز حریق و انفجار ، اهمیت بیشتری دارد . همچنین استحکام این قابهای فضایی ، امکان جابجایی بعضی از ستونها را بدون ایجاد نقض ساختمانی می آورد.
۵- با پیشرفت تکنولوژی ، مهندسین و طراحان ، انواع جدیدی از اتصالهای ارزان قیمت را اختراع کرده اند
که اتصال چند قطعه را در فضا توسط کارگران نیمه ماهر بدون هیچ مشکلی ممکن می سازد .
۶- از انجا که سازه های فضایی از نظر استاتیکی نامعین هستند بنابراین تحلیل دستی آنها با استفاده از روشهای دقیق ، کار بسیار دشواری است . این امر یکی از دلایل معوق ماندن طرحهای سازه های فضایی در گذشته بوده است ، ولی امروزه با استفاده از کامپیوترهای الکترونیکی و روشهای ریاضی نوین ، امر تحیلی سازه بسیار سریعتر و دقیق تر از گذشته صورت می گیرد . همچنین استفاده از روشهای نوین طراحی بهینه سازه با حداقل مصالح را امکان پذیر می سازد و سازه ، دست بالا طراحی نمی شود.

 انواع سازه های فضایی

سازه هایی که در گروه سازه های فضایی جای گرفته اند به شرح زیر تقسیم بندی می شوند:
شبکه های تخت یک لایه ای Flat single layer grids
شبکه های تخت دو لایه و چند لایه ای Double-layer grids
چلیک ها Barrel vaults
گنبدها Domes
شبکه های زین اسبی (هیپار)Parabolid, hyperbolic

شبکه های تخت یک لایه ای

این نوع شبکه ها در واقع نوعی قاب مسطح هستند که امتداد بارهای وارده و خود شبکه در یک صفحه واقع نیستنددر واقع فرق بین یک شبکه و قاب مسطح در امتداد اثر بارهای موثر بر سازه می باشد.
سازه ایکه در آن بار وارده عمود بر صفحه سازه اثر میکند به شبکه موسوم است .سازه هایی نظیر سایه بانها ، عرشه پلها و … از این نوع می باشند.شبکه تک لایه نیز شبکه ای متشکل از یک سری المان و گره است که به دو صورت مورب و موازی تولید می شوند.
در اعضای مورب هزینه تمام شده از حالت موازی بیشتر است ؛زیرا اعضای آن دارای طولهای مختلف هستند و همگی در زوایای قائمه به یکدیگر متصل نمی باشند اما شبکه مورب برای ارتفاع یا ضخامت کل یکسان از شبکه موازی سخت تر است.
شبکه های تک لایه جهت دهانه های نسبتا کم بار بکار می روند و به اشکال تخت ، نیم استوانه ای ، گنبدی و زین اسبی ساخته می شوند..

شبکه های تخت دو لایه و چند لایه

هرگاه دوشبکه مسطح در کنار هم قرار گرفت (به موازات هم) و به وسیله المانهایی به هم متصل شوند، سازه بوجود آمده را شبکه دو لایه می نامند
شبکه های دو و چند لایه برای دهنه های m الی ۱۲۰m20 بطور معمول مورد استفاده قرار می گیرد.با این شبکه ها می توان فضای زیادی را بدون قرار دادن ستونهای میانی پوشش داد؛ولیکن باید سعی نمود که ستونها کمتر حذف گردند
زیرا با حذف ستونها هزینه سازه بیشتر می گردد و سازه طراحی شده غیر اقتصادی می گردد.از شبکه های دولایه در امتداد عمودی نیز به عنوان بخشی از دیوار و یا با هر زاویه دلخواه دیگر استفاده می کنند.ارتفاع بین دو لایه برای فواصل بزرگ۲۰/۱تا ۵۰/۱ طول دهنه می باشد.
شبکه های دولایه از نظر نمای ظاهری بسیار زیبا هستند و بهمین دلیل از سقف کاذب استفاده نمی شود و حتی در کلیسا ها و سالنهای اجتماعات و غیره ، نمای زیبای سازه خود به ارزش آن می افزاید.

 چلیک ها

سازه های چلیکی به شکل نیم استوانه ای می باشد در این نوع سازه ها معمولا ستون استفاده نشده و روی یک بدنه که به تکیه گاه متصل است قرار می گیرند.
سازه های چلیکی می تواند چند دهانه باشند .این نوع سازه ها لازم است در محل اتصال چلیک ها حتما ستون داشته باشند و در این صورت نواحی مدور حالت یک تیر را خواهند داشت.
گنبدها
اگر سازه های چلیکی در دوجهت انحنا داشته باشند گنبد بوجود می آید.ارتفاع گنبدها باید از حدود ۱۵% قطر پایه بیشتر باشد؛ معمولا ۲۰% قطر پایه اقتصادی ترین حالت می باشد.در دهانه بزرگ بصورت کره کامل ساخته می شود .در هر قطر Base داده شده است .افزایش ارتفاع سبب ایجاد بارهای بیشتر در شبکه می شود. انحنا کمانش بیشتر را تضمین می کند.پوشش گنبدها را می توان طوری طراحی نمود که در پانلهای خاص از پوشش به عنوان روشنایی استفاده نمود.