امروزه با توجه به استفاده روز افزون از سازه های فضاکار و با بوجود آمدن نرم افزارها در عرصه مهندسی عمران (سازه)، نوآوری هایی در زمینه طراحی و ساخت سازه های فضاکار صورت گرفته به نحوی که امروزه در دنیا شاهد محبوبیت روزافزون این نوع سازه ها هستیم و این محبوبیت ناشی از قابلیت منحصر بفرد این سازه ها است که عبارت است از پوشش دهانه های بزرگ به جلوه های زیبا، وزن کم، سادگی تولید، سرعت نصب و… است. از طرفی با پیشرفت علم و تکنولوژی نیازها و خواسته های جدید در زمینه مهندسی سازه رخ داده است.
عامل زمان اهمیت بیشتری یافته و باعث روی آوردن به سازه های پیش ساخته شده است، همچنین با افزایش جمعیت، جوامع بشری علاقه به داشتن فضاهای بزرگ بدون حضور ستون های میانی از جمله مراکز خرید و سوپرمارکت ها، مساجد، پل ها و سازه هایی که در مدار زمین قرار می گیرند نظیر بشقاب مخابراتی اشاره کرد. این نوع سازه ها بدلیل اشکال بسیار متنوع از جمله گنبدی، چلیکی، قوسی، شبکه ای مسطح دو یا چند لایه و… دارای جذابیت فراوان هستند. در این مقاله سعی شده است کلیاتی مفید و قابل کاربرد در زمینه سازه های فضاکار اجمالاً بیان شود تا مورد استفاده دانشجویان قرارگیرد.
۱- 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 نهایتاً 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. 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 سازه های فضاکاری که در دنیا و ایران ساخته شده است وجود دارد؛ استادیوم های ورزشی، مراکز فرهنگی، سالن های اجتماعات، مراکز خرید، ایستگاه های قطار، آشیانه های هواپیما ها، مراکز تفریحی، برجهای رادیویی و…
۲-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 جزء سازه های فضاکار محسوب می شوند، اما در اینجا منظور سازه های سه بعدی خاص هستند که معمولاً دارای اعضای مستقیم با اتصالات صلب یا مفصلی می باشند.
۳- انواع سازه های فضاکار :
الف) شبکه های تخت : به ترکیب یک سیستم یک یا چند وجهی با لایه های واحد شبکه گفته می شود. شبکه مسطح ترکیبی از یک دو وجهی که با تیرهای واحد متصل شده است می باشد. شبکه های تخت می توانند دارای یک، دو یا سه و حتی چند لایه باشند، ولی بیشتر به صورت دو لایه مورد استفاده قرار می گیرند. شبکه های دولایه از دو صفحه موازی که بوسیله عناصری به هم متصل گردیده اند تشکیل می شوند. یک نمونه استفاده از این شبکه ها در آشیانه هواپیما است. زمانی که اعضا در شبکه دولایه طویل شوند برای جلوگیری از خطرکمانش کردن از شبکه های سه لایه استفاده می شود و با توجه به اینکه نیمی از هزینه های سازه های فضاکار را پیوندها تشکیل می دهند این نوع سازه ها اغلب غیر اقتصادی است. نکته دیگری که در طراحی شبکه های دولایه و اکثر سازه های فضاکار باید در نظرگرفت این است که برای توزیع بهتر نیرو و کششی شدن آن ستون ها در داخل شبکه قرار می گیرند و ستون به چند گره متصل شود و بهتر است برای توزیع منظم نیرو در سازه ها در اطراف کنسول داشته باشیم.
ب) شبکه های چلیک : به شبکه ای که در یک جهت دارای انحنا باشد، چلیک می گویند. این سازه بیشتر برای پوشش سطوح مستطیلی دالان مانند استفاده شده و بعضاً فاقد ستون می باشند و روی لبه های چلیک که به تکیه گاه متصل است، قرار می گیرند. چلیک ها دارای محور می باشند. اگر چلیک یک لایه باشد اتصالات به شکل صلب است. چلیک ها اغلب به شکل ترکیبی استفاده می شوند و تیرکمری نقش ترکیب کردن چلیک ها به یکدیگر را بازی می کنند. نکته ای که در طراحی این نوع سازه ها باید در نظرگرفت این است که انتهای چلیک باید قوی باشد و این تقویت را می شود بوسیله تیر، و تیروستون و شکل خورشیدمانند انجام داد. انواع چلیک ها عبارتند از : چلیک اریبی، چلیک لملا با مقاطع بیضی گون، سهمی گون، هذلولی گون و… .
اگر شبکه ای در دو جهت دارای انحنا باشد، گنبد نامیده می شود. شاید رویه یک گنبد بخشی از یک کره یا یک مخروط با اتصال چندین رویه باشد. گنبدها سازه هایی با صلبیت بالا می باشند و برای دهانه های بسیار بزرگ تا حدود ۲۵۰ متر مورد استفاده قرار می گیرند. ارتفاع گنبد باید بزرگتر از ۱۵% قطر پایه گنبد باشد. گنبدها دارای مرکز هستند. از انواع گنبدها می توان گنبد از نوع دنده ای اشاره کرد که در صورتیکه تعداد دنده ها زیاد باشد باید به مسیله شلوغی اعضا در راس گنبد توجه شود که برای اجتناب از این مسیله بهتر است که برخی از دنده های نزدیک رأس، حذف شود. گنبد دیگری به نام اشفدلر ( مهندس آلمانی ) وجود دارد که تعداد زیادی از این نوع گنبدها بعد از قرن ۱۹ توسط اشفدلر و دیگران ساخته شده است. از ایرادات این گنبد می توان به مسیله شلوغی اعضا در رأس اشاره کرد، که برای حل این مشکل همان راه حل بالا ارایه می شود. نمونه دیگر از گنبدها، گنبد لملا است. این گنبد را می توان به نوعی ترکیبی از یک یا چند حلقه که با یکدیگر متقاطع هستند، دانست. از نمونه دیگر گنبدها می توان به گنبدهای دیامتیک و گنبدهای حبابی و ژیودزیک اشاره کرد. اتصالات در گنبدهای دنده ای و اشفدلر حتماً صلب هستند. از لحاظ پخش منظم نیرو، گنبدهای ژیودزیک، دیامتیک و حبابی بسیار مناسب هستند.
۴- امتیازات سازه های فضاکار :
امروزه در سراسر دنیا سازه های فضاکار به سرعت در حال پذیرش و مقبولیت در بین طراحان و مهندسین سازه می باشند، این امر را نمی توان فقط مرهون جذابیت و زیبایی بیشتر این سازه ها دانست، بلکه دلایل متعددی که در ذیل به پاره ای از آنها اشاره می شود در گسترش محبوبیت این سازه ها موثر بوده است :
· جذابیت و زیبایی بیشتر و قابلیت ساخت انواع فرمهای دلخواه
· ذخیره مقاومتی بیشتر به دلیل داشتن درجات نامعینی بالا در مقایسه با سایر سازه های متداول.
· سختی و صلبیت زیاد این سقف ها قابلیت استثنایی برای حمل بارهای بزرگ متمرکز و غیر متقارن بوجود می آورد.
· سیستم های فضاکار برای پوشش سالن های بزرگ اجتماعات، سالن های نمایشگاهی، ورزشگاه ها، آشیانه هواپیما، کارخانه های صنعتی، مساجد و به طور کلی تمام سازه هایی که به نحوی محدودیت تکیه گاه های میانی دارند، ایده ال بوده و در این موارد از نظر جلوه های ظاهری و مسایل سازه ای حالت منحصربفردی را نسبت به سایر سیستم های جایگزین ایجاد می کند.
· اکثر سیستم های فضاکار پیش ساخته بوده و قطعات مورد نیاز آنها انبوه سازی می شوند به همین دلیل این سیستم ها معمولاً به سادگی و در زمان کوتاهی تولید و نصب می شوند.
· در آخر می توان گفت که اصلی ترین علت گسترش روز افزون سازه های فضاکار در جهان، اقتصادی تر بودن این سیستم ها است.
