سازه چادری : مفاهیم، روش ها و پیشرفت ها

یک برنامه تحقیقاتی در حال اجرا در دانشگاه نیوکاسل قصد دارد نحوه عملکرد سازه های چادری با رویکرد معماری را به دقت مورد ارزیابی قرار داده و از دانش به دست آمده برای بهبود شیوه های طراحی بهره سایت dr-architecture ببرد. با این حال بررسی دقیق رفتار برشی پارچه روکش دار نشان می دهد که سختی برشی غیر خطی، هیسترتیک و ناپیوسته می باشد. تنش های کششی و برشی در پارچه در ترکیبات متناسب با بار برف و باد در نظر گرفته می شوند (تصویر ۱۱) تا مقاومت پارچه مورد بررسی قرار گرفته و بارهای طراحی کابل های نگهدارنده و سازه فولادی تعیین گردد. این امر محدودیت های موجود در زمینه تعداد فرم های قابل ساخت را کاهش می دهد. فرم های تعریف شده بازتابی از سایت پروژه که در موقعیتی ساحلی قرار گرفته می باشند و همچنین با ارائه فرمی منحصر به فرد و خاص در کیفیت فضایی سایت تغییر و تحولی مثبت صورت گرفته است. به انجام رساندن این تحقیق به درک دقیق تر و بهتر رفتار پارچه منجر می شود که متعاقبا باعث خواهد شد بتوانیم گونه های سبک تری از پارچه با درزهای باریک تر، نیاز کمتر به مقاوم سازی و تقویت موضعی و توانایی بهتر در ایجاد فرم های جدید را به کار ببریم.

سختی برشی پایین پی وی سی باعث می شود پارچه پلی استر بتواند به فرم مخروطی با انحنای مضاعف با کمترین احتمال چین خوردگی دست یابد. در نتیجه، سازه های چادری کششی غالبا نسبت به سایر روش های ساخت رایج برای دهانه های بزرگ از نظر سازه ای کاراتر و مقرون به صرفه تر خواهند بود. پارچه هایی که در آثار معماری مورد استفاده قرار می گیرند عموما دارای رشته های فایبرگلاس با روکش پلی تترا فلوئور اتیلن (PTFE) و یا رشته های پلی استر با روکش پلی وینیل کلراید (PVC) می باشند. خاصیت انعطاف پذیر این متریال خطر آسیب دیدگی در اثر تا زدن و باز کردن پارچه را کاهش می دهد؛ اگرچه برای جلوگیری از صدمه دیدن پارچه در زمان حمل و نقل یا نصب باید دقت لازم به عمل آید. اختلاف فشار جزیی ذکر شده برای ساکنین نامحسوس خواهد بود و حفظ کردن آن نیز کاری آسان است. به عنوان مثال، یک طاق گهواره ای با زیربنای مستطیل شکل می تواند تحت تنش کششی قرار گرفته و پیش تنیده شود، اگر جهت قرارگیری الیاف پود پارچه در راستای طول طاق گهواره ای تنظیم گردد و انتهای الیاف پود پارچه ثابت نگه داشته شود و به پارچه در جهت الیاف تار آن نیروی کششی وارد گردد، و سپس کرنش منفی ایجاد شده در الیاف پود برای پیش تنیده کردن پارچه مورد استفاده قرار گیرد.

این اطلاعات می تواند برای ارائه طرحی با قابلیت تنظیم مجدد میزان نیروی پیش تنیدگی با استفاده از جزییات سازه نگه دارنده مورد استفاده قرار گیرد و در نتیجه سازه قادر خواهد بود در طول عمر خود میزان پیش تنیدگی لازم برای عملکرد مناسب را حفظ کند. میزان پیش تنیدگی اعمال شده بسیار اهمیت دارد اما معمولا تنها از روی تجربه و “روش های چشمی” تعیین می گردد، به طوری که میزان انبساط پارچه در طول عملیات نصب مشاهده می شود و در زمان لزوم و در جای مناسب نیروی بیشتری اعمال می گردد. تنها تست دو محوره پارچه که در بیشتر پروژه ها انجام می شود در رابطه با بحث پیش تنیدگی است تا مقدار نیروی پیش تنیدگی لازم برای تعدیل بارها مشخص گردد. مصالحی که از کاربری گسترده تری برخوردارند و رفتار آن ها شناخته شده تر است. عملکرد پارچه های پلی استر با روکش پی وی سیدر برابر آتش شناخته شده است: این پارچه ها در برخورد با شعله آتش ذوب می شوند، در نتیجه با ایجاد حفره هایی در کانوپی امکان تخلیه دود و گرما فراهم می گردد.

دو کانوپی مجزای کوچکتر (به مساحت حدودی ۲۰ متر مربع) در گوشه خیابان قرار گرفته اند و به عنوان “کانوپی های کمربندی” شناخته می شوند (تصاویر ۷ و ۸). انتظار می رود که الگوهای برش پارچه در مدل المان محدود مشخص گردد، مدلی که جابه جایی های عملیات نصب را در نظر خواهد گرفت. ارزیابی کیفیت الگوهای برش می تواند از طریق بررسی میزان یکنواختی میدان های تنش ایجاد شده در اثر پیش تنیدگی پس از شبیه سازی عملیات نصب، انجام گیرد. یک برنامه تحقیقاتی در حال اجرا در دانشگاه نیوکاسل قصد دارد به صورت دقیق و موشکافانه رفتار و عملکرد پارچه در سازه های چادری را مورد بررسی قرار داده و از دانش به دست آمده در جهت پیشرفت بنیادین روش های طراحی سازه های چادری بهره ببرد. در حال حاضر مقررات استانداردی در انگلستان یا اروپا برای طراحی سازه های چادری وجود ندارد. ورق های غشا پارچه را در محل خود میان دو صفحه فولادی که به یکدیگر پیچ شده اند نگه می دارد، مقاطع کوتاهی از لوله های فولادی به قسمت پایین این صفحات جوش داده شده اند که اتصال به کابل های گوشه را تسهیل می کنند. جزییات پایه دیرک ها طوری طراحی شده است که استفاده از یک ابزار بالا برنده و بسط دهنده را در طول عملیات نصب تسهیل می کند.

آگاهی داشتن از ملاحظات معماری که می تواند با الزامات سازه ای تداخل داشته باشد و یا در حالت ایده آل با آن سازگار باشد، از اهمیت بالایی برخوردار است. این امر با نحوه عملکرد سازه متداول سقف ها در تناقض است، سازه هایی که در آن ها بار معمولا از طریق رفتار قوسی فشاری و یا از طریق سختی خمشی تحمل می شود. پارچه هایی که در این سبک مورد استفاده قرار می گیرند، نیمه شفاف بوده و باعث پخش شدن نور عبوری می شوند. پارچه پلی استر با روکش پی وی سی به دلایل متنوعی مورد استفاده قرار گرفت از جمله قیمت پایین و مقاومت آن در برابر آسیب دیدگی در مدت زمان ساخت و برپایی. برای مدت زمانی معین (به عنوان مثال ۶ ماه، دو سال، به صورت بلند مدت) آنالیز دوره بازگشت بارهای محیطی (باد و برف) شدت و مدت زمان قابل پیش بینی اعمال بار را ارائه می دهد.

استفاده از مقادیر پیش فرض برای مدول یانگ و ضریب پواسیون در طراحی سازه های چادری به صورت بالقوه از کارایی سازه می کاهد. این قاب در راستای قائم و جانبی توسط لچکی های ابر سازه اصلی فولادی پشتیبانی می شود که به واحد های تجاری در دو طرف خیابان متصل هستند. خیزها و چرخش های نسبتا بزرگ که در سازه چادری تحت بارهای خارجی قابل پیش بینی می باشند، توسط مفاصلی خاص که میان ورق های غشا و قاب پیرامونی قرار دارند، تعدیل خواهند شد (تصویر b10). به عنوان نمونه، احتمال از هم گسیختگی سازه ممکن است در دوحالت زیر یکسان باشد: اگر منطقه ای بسیار کوچک تحت تنشی بسیار بالا قرار گیرد و یا اکر محدوده ای بزرگ تحت تنشی نسبتا بالا قرار داشته باشد. یک سطح مینیمال نقاط محیطی را با کوچک ترین سطح ممکن به یکدیگر متصل می نماید و در کلیه نقاط از تنش های کششی داخل صفحه یکسان برخوردار است. هرچند، گروه مشارکتی اروپایی TensiNet قصد دارد پیش نویسی از یک دستورالعمل طراحی را در آینده نزدیک تهیه نماید که در آن روش های مفید رایج و پیشنهاداتی مطرح شده است.

چنین ضرایب بزرگی به دلیل رفتار غیر خطی و وابسته به زمان پارچه ای که به صورت ضعیف و با دقتی پایین مدل سازی شده است و بر اساس مقادیر فرض شده برای مدول یانگ و ضریب پواسیون، لازم خواهد بود. این تست در زمان اعمال پیش تنیدگی انجام می شود تا درصد کاهش طول که در جهت تار و پود پارچه صورت می گیرد، به دقت تعیین گردد. آنالیز انجام شده اطلاعاتی در مورد مدت زمان لازم برای عملیات نصب در اختیار پیمانکاران قرار می دهد. این تنش ها با گذشت زمان در پروسه ای به نام “جریان خزش” در سازه توزیع می گردند. در ابتدا زمانی که جابه جایی هایی در عملیات نصب به وجود می آیند، تنش های متمرکزی در اطراف نقاط بالابرنده و لبه ها دیده می شود. نتایج به دست آمده با داده های حاصل از تست های دو محوره تغییر پذیری پارچه، رواداری های سازه ای و احتمالات ناشی از شدت بارهای وارده و مدت بارگذاری که از قوانین بارگذاری به دست آمده اند ترکیب می شوند (به عنوان مثال بار باد و برف) تا احتمال از هم گسیختگی سازه محاسبه گردد. روند توضیح داده شده کانسپتی مشابه آنالیز ساخت مرحله ای دارد، به عنوان مثال مانند مراحل نصب یک پل متکی به کابل، اگرچه رفتار غیر خطی متریال مصرفی در سازه های چادری بسیار پیچیده تر خواهد بود.

طراحی سازه های چادری روندی پیچیده است، این پیچیدگی به دلیل واکنش پیچیده بافت روکش دار پارچه به بارهای دو محوره در داخل صفحه است. کاهش در بحث مقاوم سازی پارچه با استفاده از لایه های مضاعف و استفاده از سازه فولادی نگه دارنده سبک تر، زیبایی سازه های سبک کششی را ارتقاء می بخشد. راهکارهایی که می توان برای اجتناب از این مسئله مورد استفاده قرار داد شامل ایجاد همپوشانی میان لایه های پارچه در بعضی نقاط یا ترکیب پارچه با پانل های شیشه ای می شود. برای دستیابی به این شرایط، پیش تنیدگی اسمی مورد نظر برای سازه های چادری پارک دالتون، برای کانوپی های اصلی ۱٫۵ کیلو نیوتن بر متر، برای فضاهای کمربندی ۳ کیلو نیوتن بر متر و برای کانوپی ورودی ۲ کیلو نیوتن با توجه به تفاوت های هندسی کانوپی ها در نظر گرفته شد. بیشتر مقررات مربوط به طراحی سازه برای مصالح دیگر بر اساس رویکرد حالات حدی با ضرایب اطمینان جزیی که بر بارها و مقاومت مصالح اعمال می شوند، تعریف شده اند. در سازه هایی که شدیدا دارای رفتار غیر خطی هندسی هستند، اتخاذ رویکرد حالت حدی مناسب نخواهد بود به دلیل این که هندسه سازه به بزرگی و نحوه توزیع بارها وابسته است.

میزان جابه جایی در مرحله بالا بردن دیرک ها کنترل شده است تا مقداری پیش تنیدگی اولیه ایجاد گردد. هم اکنون دانش بسیار کمی در زمینه رفتار خزشی بلند مدت سازه وجود دارد و پس از تنظیم مجدد میزان پیش تنیدگی بیشتر سازه ها دیگر مورد بررسی و تنظیم دوباره قرار نخواهند گرفت. راهکاری پر بازده برای نگه داری سقف بدون نیاز به عناصر سازه ای نگهدارنده دیگر. برای دستیابی به این حالت فرم پارچه باید به صورت یک سطح مینیمال تعریف گردد. قسمتی از خیابان توسط هفت کانوپی پارچه ای به فرم های تک و چند مخروطی پوشانده شده است (تصویر ۲). یک سطح شبه مینیمال می تواند برای یک غشای پارچه ای تعریف گردد اگر تنش های افزایش یافته قابل قبولی در محدوده هایی که حباب صابون در آن نقاط دچار گسیختگی می گردد، ایجاد شود. این مسئله در طراحی سازه ای بسیار نامناسب است زیرا تنش های ایجاد شده در اثر بارهای محیطی عموما به مقدار قابل ملاحظه ای بالاتر از نیروهای پیش تنیدگی هستند. این کانوپی ها مخروط های مجزای کم ارتفاعی را شکل می دهند که با حلقه های بیضی شکل بزرگ از دیرک های متکی به کابل آویزان شده اند. لبه های کانوپی های پارچه ای در پارک دالتون با استفاده از کابل های فولادی، ورق های غشا و اتصالات پیوسته به لوله های فولادی با مقطع دایره در محل حلقه ها و کمان ها تقویت شده اند (تصویر ۱۰).

به عنوان مثال، دو حلقه با قطرهای متفاوت عموما برای شکل دادن به یک فرم مخروطی مورد استفاده قرار می گیرند (تصویر a1). اگرچه، با فاصله گرفتن فرم های دلخواه از فرم سطوح مینیمال، تغییرات تنش افزایش یافته و سازه کارایی کمتری خواهد داشت. استفاده از داده های دقیق تست دو محوره می تواند در جهت پیشروی بهتر روند نصب موثر واقع گردد. تست های بسیار کمی بر روی مواد و مصالح در روند طراحی سازه ای انجام می شود. این روند بر اساس الگوریتم رهاسازی دینامیک و مثلث بندی مداوم کرنش صورت گرفته است. تست برشی پارچه عموما از طریق کشش تک محوره یک نوار برش خورده اریب (برش خورده با زاویه ۴۵ درجه نسبت به راستای الیاف) صورت می گیرد. سازه های چادری برای کسب اطمینان از این موضوع که پارچه در هر شرایط بارگذاری تحت کشش قرار خواهد گرفت و همچنین به منظور کاهش میزان خیز، پیش تنیده می شود. این داده ها با تست های تک محوره بلند مدت ترکیب می شوند (در حال حاضر این تست ها در دانشگاه نیوکاسل در حال اجرا می باشد) تا مدلی دقیق و با جزییات کامل از خزش پارچه به دست آید.

بخش هایی از این تحقیقات به خوبی در حال اجرایی شدن است (تست دو محوره و به کارگیری داده های تست) و جنبه های دیگری از آن در یک برنامه تحقیقاتی جامع و مفصل در دانشگاه نیوکاسل در حال بسط و توسعه می باشد. این تکنیک در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد اما کارایی این روش بسیلر بیشتر خواهد بود اگر سطح دقیق کرنش منفی الیاف پود پارچه (و در نتیجه تنش ایجاد شده در الیاف تار) برای تمام مراحل عمر سازه مشخص گردد. هدف تحقیقات بعدی محاسبه عددی مقدار زاویه برشی lock-up به عنوان شاخصی از تنش های مستقیم ایجاد شده در تار و پود پارچه برای طیفی از پارچه های مختلف می باشد. تست های دو محوره روابط تنش- کرنشی را مشخص کرده و همچنین اطلاعاتی در زمینه کرنش پسماند ارائه می دهند که در واقع سطح کرنش غیرالاستیک پارچه در طول مدت انجام تست می باشد.

تنظیم طول کابل های گوشه از طریق میله های رزوه شده در داخل لوله های ذکر شده امکان پذیر است. مزایای طراحی، ساخت، نصب و نگهداری سازه های چادری با درک بهتر مشخصات متریال پارچه ای ممکن می شود. درک بهتر رفتار پارچه مزایای قابل ملاحظه ای در طراحی، ساخت، نصب و نگهداری سازه های چادری کششی خواهد داشت. ملاحظات طراحی و روش های اجرایی رایج برای سازه های چادری کششی در این مقاله با توجه به یک پروژه جدید (پارک دالتون، بخش درهام، انگلستان) مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. سازه فولادی سنگین و جزییات مفصل تقویت کننده از بین برنده جلوه و سادگی سازه های کششی می باشند. امید است که اطلاعات جمع آوری شده در این مقاله آنالیزی بر مبنای پایایی سازه ای، سازه های چادری ارائه دهد. در این بخش از مقاله بر مزایای تحقیقات انجام شده در زمینه طراحی سازه های چادری و اهداف تحقیقاتی بلند مدت تاکید شده است. ضرایب اطمینان در طراحی کانوپی های پارک دالتون، ۵ برای شرایط پیش تنیدگی به همراه بار باد، ۶ برای شرایط پیش تنیدگی به همراه بار برف و ۱۰ تنها برای پیش تنیدگی در نظر گرفته شد. برای شکل دادن به یک سطح با انحنای مضاعف با استفاده از پانل های مسطح به تغییر شکل برشی پارچه نیاز خواهد بود.

اگرچه، سازه های چادری مدرن که از مصالح مصنوعی و ترکیبی استفاده می کنند تنها ۳۰ سال است که مورد استفاده قرار می گیرند. برای زوایای برش کوچک، سختی برشی پایین است به دلیل این که الیاف در محل تقاطع با یکدیگر از امکان چرخش برخوردارند و مقاومت در برابر برش به وسیله روکش و اصطکاک میان الیاف تامین می گردد. این احتمال به نوبه خود می تواند به عنوان یک ضریب اطمینان از هم گسیختکی (عموما ۵%) همان طور که در قوانین مربوط به فولاد و بتن بیان شده است، مطرح گردد. در طول این مدت بارگذاری دینامیکی ناشی از بادهای شدید به طور موثری پارچه را در شرایطی دلخواه قرار داده و به میزان زیادی خزش اولیه را از بین برد. تست هایی در زمینه کرنش گسیختگی پارچه و میزان کاهش تنش گسیختگی متناسب با این مسئله باید به انجام برسد. هر دیرک معلق به حدی بالا برده می شود تا میزان پیش تنیدگی دلخواه در پارچه و کابل ها/ میله ها به دست آید (تصویر a14). برای مقاومت در برابر نیروها بالابرنده و نیروهای رو به پایین (عموما بر اثر بار باد و برف) سطح کانوپی باید دارای انحنای مضاعف و پیش تنیده باشد. در طراحی غشاهای پارچه ای، معمولا ضرایب اطمینان بزرگی در نظر گرفته می شود، عموما بین ۵ تا ۱۰ برای پارچه و ضرایب کوچک تری (۲٫۳ تا ۳) برای محاسبه تنش ها در کابل های نگهدارنده، میله ها و تسمه های نواری.

کانوپی های اصلی ۶۰ متر طول و ۱۴ متر عرض داشته و از چهار مخروط متصل به هم تشکیل شده اند که توسط دیرک های معلق نگه داشته می شوند (تصویر ۳). روش هایی که ضرایب اطمینان بیش از حد بزرگ و ملاحظه کارانه ای را به دست خواهند داد. غشاهای پارچه ای در سایت بر روی زمین گسترده شدند (با انجام تدابیر لازم تا از صدمه رسیدن به پارچه جلوگیری شود) و به دیرک های معلق و کابل های لبه اتصال یافتند. در نظر داشتن درزها و المان های تقویتی امکان ارزیابی این مسئله را فراهم می کند که افزایش سختی پارچه در این نواحی به چروک خوردگی و تمرکز تنش منجر خواهد شد یا خیر. بر اساس تئوری تنش مسطح، ضریب پواسیون نمی تواند بیشتر از ۰٫۵ باشد. آنالیز بر مبنای پایایی امکان تجزیه و تحلیل جامع تر تنش ها در غشا را نسبت به روش های رایج کنونی که تنش ماکزیمم را بررسی می کنند، فراهم می آورد.

این مقدار با توجه به تطبیق داده های محدود به دست آمده از بررسی پیشینه موضوع، تعیین شده است و تجربه نشان داده که نتایجی مناسب و قابل قبول با توجه به فرضیات شبه خطی رفتار مصالح ارائه می دهد. مقدار سختی خمشی و فشاری آن ها قابل چشم پوشی است. روکش پی وی سی در برابر نفوذ آب از مقاومت بسیار خوبی برخوردار است، که در نتیجه عمر پارچه بیشتر از ۱۵ سال پیش بینی شده است. وزن قابل چشم پوشی پارچه این امکان را فراهم می آورد تا با فشار داخلی که اندکی بیشتر از فشار محیط است، سقف نگه داری شود. این امر می تواند از لحاظ بصری باعث گردد سقف از داخل مسطح به نظر بیاید و همین مسئله از جلوه فضای داخلی می کاهد. حوزه های تحقیقاتی شامل تست دو محوری مشخصات داخل صفحه متریال، خزش، برش، بسط یک روش آنالیز برمبنای ضریب اطمینان و آنالیز نصب شبیه سازی شده می باشد. مدل تکمیل شده امکان آنالیز روش های مختلف برپایی را فراهم می آورد. این متریال از نظر گسترش شعله در رده A طبقه بندی می شود و ذرات شعله ور تولید نمی کند.

توسط فرمانفرمائیان

فرمانفرمائیان