سازه‌های فضاکار

سازه فضایی یا سازه فضاکار چیست؟
سازه فضاکار یا سازه فضایی، سیستم خرپای سه بعدی است که دهانه های آن در دو جهت گسترش یافته اند، به طوری که به هیچ ترتیبی نتوان رفتار کلی آن را با استفاده از یک یا چند مجموعه دو بعدی تقریب زد. این نوع سازه از واحدهایی تشکیل شده است که به صورت شکلهای هندسی منظم در کنار یکدیگر تکرار شده و با اتصال مکرر اجزا، شبکه­ای مستحکم و یکپارچه با ساختاری سه بعدی به وجود می آورند. اعضای سازه فضاکار فقط در کشش یا فشار می‌باشند.
روش‌های طراحی فرم هندسی ‌سازه‌های فضاکار
طراحی مجموعه سازه‌های فضاکار شبکه‌ای را می‌توان از کل به جزء یا از جزء به کل به عمل آورد.

طراحی سازه فضاکار شبکه‌ای از کل به جزء
طراحی سازه فضاکار شبکه‌ای از کل به جزء به مفهوم اختیار فرم کلی سازه و تقسیم‌بندی آن به واحدهای شبکه‌ای یا اعضایی است. که به طور معمول و ترجیحی تکرار شونده بوده و فرم کلی سازه را به صورت شبکه‌ای ارایه می‌نمایند. طراحی از کل به جزء به ویژه در صورت امکان بهره‌گیری از واحدهای تکرار شونده با تنوع محدود در بخش اعظم سازه، ضمن ایجاد فرم هندسی مورد نظر، مزایای تولید انبوه صنعتی را نیز در بر خواهد داشت. در حالت طراحی از کل به جزء، احتمال دارد در حوالی تکیه‌گاه‌ها، به منظور ارضای شرایط سرحدی، نیاز به تغییراتی در واحدها یا اعضای سازه وجود داشته باشد.

روش تقسیم‌بندی از کل به جزء برای فرم‌های با سطوح نمادین از نوع تخت، استوانه‌ای، مخروطی و کروی (چندوجهی) به سادگی صورت می‌پذیرد. نحوه هم‌بندی اعضا و واحدهای شاخص در مورد سطوح دارای انحنای مضاعف به طور طبیعی پیچیده‌تر خواهد بود.

طراحی سازه فضاکار شبکه‌ای از جزء به کل
در طراحی از جزء به کل، واحدهای مبنا اختیار و با هم‌بندی آنان به منظور ارضای ملزومات طرح، فرم هندسی مجموعه سازه فضاکار حاصل می‌شود. در حالت طراحی از جزء به کل، در مواردی که فرم اولیه هندسی پیچیده است، نمی‌توان به طور دقیق با سرهم‌بندی واحدهای شاخص اولیه، به فرم مورد نظر دست یافت. ولی در اغلب موارد می‌توان با تنوع محدودی از واحدهای تکرار شونده، برای ارضای ملزومات طرح، به میزان کافی به آن نزدیک شد. ایجاد یک سطح پیچیده با چنین واحدهایی گاه امکانپذیر نخواهد بود، ولی در عوض با سرهم‌بندی واحدها می‌توان به فرم‌هایی دست یافت که از پیش تعیین نشده‌اند.

طراحی سازه‌های فضاکار به روش حالات حدی
حالات حدی به حالاتی اطلاق می‌شوند که با گذر از آستانه آنها، سازه قادر به ارضای خواسته‌ها و نیازهای بهره‌برداری و عملکردی طرح نباشد. حالات حدی به دو طبقه کلی حالات حدی نهایی و حالات حدی خدمت رسانی به طور متمایز تقسیم می‌شوند. حالات حدی متناسب با شرایط طراحی اختیار می‌شوند. سه گروه مرتبط با کنش‌های د‌ایمی، گذرا یا تصادفی در بررسی حالات حدی مورد توجه هستند. کنترل‌های لازم برای حالات حدی که در ارتباط با آثار تابع زمان مانند خستگی، در ارتباط با نحوه بهره‌برداری، جزییات اجرایی، عمر مفید سازه و شرایط محیطی به عمل می‌آیند‌. همچنین در بررسی حالات حدی مورد مطالعه، در شرایط طراحی سازه‌های فضاکار تحت تأثیر کنش‌های طبیعی، علاوه بر عمر مفید، دوره بازگشت تخمینی برای کنش مورد بحث را نیز باید مورد توجه قرار داد.
حالات حدی نهایی

حالات حدی نها‌یی به حالاتی اطلاق می‌شود که با ایمنی سازه، سکنه و بهره‌برداران و در موارد حا‌یز اهمیت، با محتویات سازه ارتباط دارد. حالات حدی که بررسی آنها بسته به مورد حایز اهمیت است، به شرح زیر هستند.

از دست رفتن تعادل سازه یا بخشی از سازه، هرگاه به صورت جسم صلب در نظر گرفته شود.
بروز تغییر شکل‌های بزرگ، تبدیل سازه یا بخشی از آن به ساز و کار ناپایدار‌، بروز پلاستیسیته گسترده، شکست، پارگی و از هم گسیختگی، ناپایداری سازه یا بخشی از آن شامل شالوده‌ها و تکیه‌گاه‌ها (ناپایداری‌های کلی یا موضعی).
گسیختگی‌های ناشی از اثر خستگی یا سایر کنش‌های تابع زمان.
حالات حدی خدمت رسانی

حالات حدی خدمت رسانی با کنش‌های مشروح در زیر مرتبط هستند.

عملکرد سازه‌ یا عناصر سازه متناسب با کاربری مورد نظر.
رفاه بهره‌برداران (حد ارتعاش، اختلال عملکردی، …).
وضعیت ظاهری (تغییر مکان زیاد، ترک خوردگی منجر به اختلال در بهره‌برداری از ساختمان یا تجهیزات و تأسیسات سازه یا آسیب رسانی به روسازی و نازک کاری).

تحلیل طراحی سازه‌های فضاکار
شیوه تحلیل سازه باید متناسب با ویژگی‌های هندسی و مصالح سازه فضاکار و خصوصیات بار‌ها و کنش‌های مؤثر با بهره‌گیری از مدل‌های ریاضی اختیار شود. به گونه‌ای که رفتار سازه به منظور طراحی از طریق مدل ریاضی با دقت و هماهنگ با شرایط طراحی مربوط و با توجه به حالات حدی تحت بررسی‌، قابل پیش بینی باشد‌. بر این اساس این روش و ابزار تحلیل متناسب با شرایط واقعی و معیارهای طراحی اختیار خواهند شد.

اصول مدل سازی
در فرایند مدلسازی مجموعه سازه فضاکار، زیرمجموعه‌ها (مدول‌ها)، اعضا و اجزای سازه (اتصالات و پیونده‌ها)، تکیه‌گاه‌ها و تغییر مکان‌های از پیش تعیین شده (شرایط مرزی ذاتی)، بارهای وارده و کنش‌های مؤثر (شرایط مرزی طبیعی)، مشخصه‌های مصالح و آثار اجزای غیرسازه‌ای (به طور مستقیم یا غیرمستقیم) باید به نحو مناسبی مدل‌سازی شوند. روش‌های مدلسازی، متناسب با دقت مورد نظر می‌توانند از شیوه‌های ساده سازی شده تا روش‌های دقیقتر را در برگیرند.

تحلیل استاتیکی
در صورتیکه آثار ناشی از کنش‌های مؤثر بر سازه (پاسخ سازه‌) مستقل از زمان باشد یا شتاب ایجاد شده در سازه به نسبت ناچیز باشد، تحلیل سازه به روش استاتیکی کفایت خواهد نمود. تحلیل استاتیکی بسته به شرایط، نوع سازه، معیارهای طراحی، مشخصه‌های مصالح و ویژگی‌های هندسی به صورت خطی یا غیرخطی انجام می‌گیرد‌. در تحلیل غیرخطی، رفتار غیرخطی هندسی، رفتار غیرخطی مصالح یا حالت ترکیبی این دو رفتار متناسب با نوع سازه و رفتار مورد انتظار ملحوظ خواهد شد.

مدلسازی برای تحلیل سازه تحت تأثیر کنش‌های استاتیکی معمولاً بر اساس انتخاب رابطه مناسب نیرو و تغییر مکان صورت می‌گیرد. در این رابطه باید مدلسازی به منظور در برگرفتن اثر رفتار اتصالات و همچنین آثار اندرکنشی بین سازه، شالوده‌ها و خاک صورت گیرد.

تحلیل سازه برای حالات حدی بهره برداری و همچنین به منظور بررسی آثار ناشی از خستگی پرتواتر ‌در چارچوب رژیم الاستیک خطی صورت گیرد.

تحلیل دینامیکی
در صورتی که آثار ناشی از کنش‌های مؤثر‌ تابع زمان بوده و زمان به عنوان متغیر کلیدی در تعیین پاسخ سازه ایفای نقش نماید و شتاب ایجاد شده در سازه قابل ملاحظه باشد، باید تحلیل سازه به روش دینامیکی انجام شود.
تحلیل دینامیکی به روش‌های طیفی و همچنین تاریخچه زمانی در حوزه زمان‌ در محدوده بسامدی صورت می‌پذیرد. در این حالت نیز بسته به جمیع شرایط، معیارهای طراحی و اهداف پروژه، تحلیل باید به گونه‌ای مناسب در رژیم خطی یا غیرخطی (از نظر هندسی، رفتار مصالح یا ترکیبی) انجام گیرد.
در مدلسازی به منظور تحلیل آثار کنش‌های دینامیکی، باید مشخصه‌های تمامی اعضای سازه‌ای و اجرام، مشخصه‌های مقاومتی، خواص سختی و میرایی آنها همراه با آثار اجزای غیر سازه‌ای توأم با مشخصات ذیربط آنها در نظر گرفته شوند.

تحلیل پایداری
پایداری مجموعه سازه فضاکار و همچنین اعضا و اجزا‌ی تشکیل دهنده آن باید با سطح اطمینان کافی تأمین شود. به منظور ارضای معیارهای حالات حدی نهایی مرتبط با پایداری، تحلیل مجموعه سازه از دیدگاه پایداری صورت می‌گیرد. در چنین تحلیلی باید آثار ناشی از اندرکنش بارها و تغییرمکان سازه به طور توأم در نظر گرفته شود. در تحلیل پایداری باید مودهای متفاوتی از قبیل کمانش کلی و موضعی عضو، ناپایداری گرهی، ناپایداری‌های کلی و موضعی مورد بررسی قرار داده شوند. بسته به نوع کنش‌های مؤثر و گونه ناپایداری و نحوه گسترش آن، تحلیل پایداری می‌تواند به روش استاتیکی یا
دینامیکی صورت گیرد.
تحلیل آثار ناشی از آتش سوزی
عملکرد سازه در معرض آتش سوزی باید از طریق تحلیل کلی مجموعه سازه، تحلیل زیر مجموعه‌ها و عناصر آن و با توجه به داده‌های موجود در منابع معتبر در این زمینه‌ یا نتایج آزمایش، مورد بررسی قرار داده شود.
تحلیل باید برای مطالعه رفتار اعضای منفرد و همچنین با در نظر گرفتن اثر اندرکنش اعضا و اجزای در معرض آتش سوزی و مجموعه سازه انجام گیرد.
مدلسازی و تحلیل رفتار مکانیکی اعضا‌ی سازه‌ای در دمای زیاد باید به نحوی صورت گیرد که عملکرد غیرخطی سازه فضاکار در معرض آتش سوزی قابل ارایه و بررسی باشد.

مقاومت در مقابل گسیختگی پیش رونده
مجموعه سازه باید برای حالت حذف اعضا و گره‌ها به شرح زیر کنترل شود. تا اطمینان حاصل شود که گسیختگی پیش رونده در اثر عدم عملکرد یا حذف این عناصر اتفاق نخواهد افتاد.

-گسیختگی یا شکست هر عضو کششی.
-شکست پیچ شامل شکست برشی در محل رزوه پیچ تحت تأثیر کشش.
-کمانش هر عضو فشاری.
-حذف هر گره دلخواه و مجموعۀ اعضای منتهی به آن.

 

بارهای وارده بر طراحی سازه‌های فضاکار
بارهای ثقلی
بارهای ثقلی به طور معمول در دو گروه اصلی بارهای مرده (یا دایمی) و بارهای زنده طبقه بندی می‌شوند. بارهای برف به لحاظ وابستگی به شرایط جوی‌، به طور ذاتی از نوع بارهای ثقلی هستند. بارهای زنده به طور کلی شامل وزن اثاثیه، انسان‌ها، تجهیزات و نظایر آن هستند. بر خلاف سایر بارها مثل بارهای ناشی از زلزله و باد، بارهای زنده را می‌توان تا حدودی تحت کنترل داشت. بارهای زنده فرایندهای تصادفی هستند که تابع متغیرهای معرف زمان و مکانند.

بارهای مرده
بارهای مرده تمامی بارهای ثقلی (وزن) سازه فضاکار، اعضا و اجزای سیستم باربر، سازه‌های کف‌ها و سقف‌ها، کف‌سازی،نازک‌کاری، سقف‌ها و کف‌های کاذب، تیغه‌های دایمی، دیوارهای بیرونی و درونی، نماسازی، پوشانه‌ها و تمامی تجهیزات و وسایلی را که در موقعیت ثابت به صورت دایمی استقرار می‌یابند، در بر می‌گیرد. بارهای مرده همواره به صورت مقادیر تصادفی ثابت اعمال می‌شوند.

بارهای زنده
بارهای زنده شامل بارهای ثقلی (وزن) ناشی از نحوه بهره‌برداری و اشغال سازه هستند. که بر اعضا و اجزای سازه فضاکار اعمال می‌شوند. تجهیزات تأسیساتی الکتریکی و مکانیکی (شامل آثار ضربه)، در زمره بارهای زنده به شمار می‌روند. تغییرات تصادفی بارهای زنده معمولاً از طریق جمع کردن فرایند بارهای زنده تعلیقی و فرایند بارهای زنده گذرای مستقل، مدلسازی می‌شوند.

بارهای ناشی از ضربه و بارهای ناشی از ماشین آلات دوار
بارهای متعارف دینامیکی در دو دسته عمده بارهای ناشی از اعمال ضربه و بارهای چرخ‌های تناوبی طبقه بندی می‌شوند. در این حالات پاسخ سازه تابع جرم مرتعش و ویژگی‌های سختی و استهلاک سازه است.
بارهای چرخ‌های تناوبی معمولاً ناشی از کار ماشین آلات بوده و ملزومات خاصی را در طراحی سازه و جزییات اجرایی به منظور ایزوله نمودن یا کاهش آثار ارتعاشات ناشی از آنها، نسبت به سازه اصلی، ایجاب نماید. در اینگونه موارد، احتمال بروز حالت تشدید و ارتعاشات تشدیدی سازه اصلی را باید مد نظر داشت. همچنین از موارد محتمل، ضربات ناشی از توقف اطاقک آسانسور، جراثقال‌های متحرک و نظایر آنها است.

آثار ناشی از ارتعاش
تمامی سازه‌ها در اثر عبور ترافیک سنگین، باد، نوسانات تجهیزات مکانیکی و منابع دیگر، بسته به نوع کاربری به ارتعاش در می‌آیند. هرگاه میزان دامنه تغییر مکان از حد معینی تجاوز نماید، افراد ساکن احساس حرکت نامطبوعی خواهند نمود.
بارهای اجرایی
در مورد سازه‌های فضاکاری که در تراز پایین بافته و به وسیلۀ جک‌های هیدرولیکی و برج‌های بالابر به ارتفاع نهایی انتقال می‌یابند. و همچنین در حالاتی که از بافت در زمین مرتفع مجاور یا سکوهای مجاور و نصب از طریق سراندن به کمک خرپاهای پیشانی استفاده می‌شود یا از روش‌های ساخت طره‌ای بهره‌گیری می‌شود. طراح باید ضمن اتخاذ تصمیم در مورد گزینه برتر بافت و نصب از جنبه‌های فنی و اقتصادی، بار‌های اجرایی متناسب با گام‌های اجرا و سیستم‌های باربر مرحله‌ای را به درستی برای عملیات اجرایی انتخاب نماید.

بارهای ناشی از کنش‌های مرتبط با شرایط جوی
حرکت‌های ناشی از تغییرات دما و رطوبت و همچنین بارهای باد، به وضعیت جوی داخل و خارج سازه بستگی دارند. با توجه به آنکه وضعیت هوا در داخل سازه معمولاً توسط انسان قابل کنترل است، تنها به تغییرات هوا در خارج سازه اکتفا می‌شود. حرکت‌های ناشی از تغییرات دما و رطوبت همچنین به نوع، اندازه، شکل و موقعیت سازه بستگی داشته و به جز موارد خاص، مستقل از نوع بهره‌برداری است. همچنین آثار وجود یا عدم وجود قیود حرکت‌های حرارتی در ایجاد تنش‌ها و تلاش‌های مربوطه حایز اهمیت خواهند بود.

سطوح بارهای ناشی از کنش‌های جوی هم نسبت به زمان و هم نسبت به موقعیت جغرافیایی سازه تغییر می‌نمایند.

آثار ناشی از تغییرات دما
در سازه‌های با ابعاد بزرگ در پلان و سازه‌های بلند، آثار ناشی از بارهای حرارتی می‌توانند مقادیر قابل ملاحظه‌ای داشته باشند. وضعیت تحت کنترل هوای داخل این سازه‌ها آثار تمایل به حرکت‌های نسبی یا ایجاد تنش‌های ناشی از جلوگیری از حرکت‌ها بین اجزای سازه را کاهش می‌دهد. سازه‌های با دهانه‌های آزاد وسیع و سازه‌های اداری و مسکونی و صنعتی بلند اغلب باید شامل حفاظی از بخش کاملاً محصور شده و عایق بندی شده برای سازه باشند.

رفتار سازه‌ای و عملکرد معماری‌ سازه‌های فضاکار
رفتار سازه‌ای و عملکرد معماری سازه فضاکار به طور عمده تحت تأثیر عوامل زیر است.
-فرم سازه
-سیستم همبندی
-خواص مصالح سازه
-نوع اتصالات