فرم و رفتار سازه های چادری

 فرم و رفتار سازه­ های چادری بسيار متفاوت از سازه­ های مرسوم الاستيك خطی در ساختارهای قابی غالب ساختمان­‌ها است. فرآیند دستیابی به فرم مناسب، بر شناخت و درک فرم‌هايی كه سازه­‌های چادری حاصل گسترش و بسط آنها هستند استوار است، که در این مقاله به بررسی آن می‌پردازیم.

تنوع فرم

سازه­ های چادری شکل­‌های بی­‌نهایت متنوعی دارند. فرآیند دستیابی به فرم مناسب، بر شناخت و درک فرم‌هايی كه سازه­ های چادری حاصل گسترش و بسط آنها هستند استوار است.این فرآیند با طرح‌بندی لبه­‌ها و مكان‌­يابی تيرک‌ها برای رسيدن به تعادل آغاز می­‌گردد. طرح­‌بندی لبه منجر به طرح­‌بندی فرم می‌شود. انحنای پارچه، استقامت و استحکام پارچه را تأمین می­‌کند. هر چه قطر منحنی بزرگتر باشد، بار مرده­‌ی كمتری دارد و هر چه بار مرده كمتر باشد، سازه سبک‌تر است. از این رو در طراحی سازه­‌های چادری بايد از ايجاد سطوح تخت جلوگيری شود تا سازه در برابر باد جابجا نشود و در زير فشار برف تغيير شكل ندهد.

با توجه به اینکه سه­‌ بعدی بودن پارچه ­های انحنا یافته طراحی آنها بر روی كاغذ را غير ممكن می‌­سازد، طراحی با ساخت ماكت صورت می­‌پذیرد. اين ماكت به طراحان كمک می‌كند تا درک بهتری از فرم و فضا داشته باشند و به تعادل در سازه دست یابند. ماكت­‌های كف صابون و پارچه ای از تكنيک‌های مفيد ماكت سازی در این زمینه­‌اند.

مدل­‌های كامپيوتری بر اساس نقاط اتصال پارچه به سازه و یا با تعيين لبه­‌ها شکل می­‌گیرند. فايل ديجيتال پوشش نهايی، برای تحليل كامپيوتری سازه به کار می­‌رود. پس از مهندسی سازه، اين فايل­‌ها می‌توانند مستقيما برای توليد سازه پارچه­ ای به کمک کامپیوتر مورد استفاده قرار گیرند. در واقع به دليل وابستگی فرم و سازه به يكديگر، پوشش بر اساس متد خودزايی چه بصورت فيزيكی و چه به کمک كامپيوتر طراحی می­‌شود.

سازه­ های کششی به دو دسته تقسیم می­‌شوند

۱- آنتی­‌کلاستیک كه در آن پارچه كشيده شده و با پيش‌­تنيدگی استوار شده است.

۲- سین­‌کلاستیک كه فشار پنوماتیک يا هيدروليک در جهت عمود بر سطح پارچه وارد می‌شود. (سازه های بادی)

سازه های كششی پارچه­ ای آنتی کلاستیک

يک عنصر فيزيكی را می­‌توان با استفاده از نيروهای كششی از چهار جهت محور مختصات در فضا متعادل ساخت. اين اصل آغازين در ايستايی سازه­ های چادری است. مقاومت اين پوشش‌­ها در مقابل نيروهای خارجی توسط فرم صورت می­‌گیرد نه توسط حجم. پوشش پارچه ­ای اصلی­‌ترين عنصر سازه است. اين پوشش توسط كابل­ها و تسمه­‌های تقويت كننده در لبه­‌ها سازمان می­‌یابد و به تعادل می‌رسد.

برای پوشش يک سطح وسيع می‌­توان از تركيب عناصر سازه ای كمک گرفت و به فرم­‌های بسيار متنوعی دست یافت. دو شیوه در طراحی پايه برای يك سقف پارچه ­ای وجود دارد:

۱- آزادی عمل در تنظيم تكيه‌­گاه‌­های داخلی و خارجی و لبه­‌ها برای ایجاد تعادل در فرم مورد نظر، ابداعات معمارانه بی‌نظيری را به وجود می‌­آورد.

۲- استفاده مدولار از پنل­‌های پارچه‌­ای برای مقياس‌­های بسيار بزرگ.

سازه­ های آنتی­‌کلاستیک سازه­ هایی هستند که در آنها غشاء در دو جهت دارای انحناست ولی در یک جهت انحنا محدب و در جهت دیگر مقعر است. ابتدايی­‌ترين سازه آنتی‌­كلاستيک فرم زين­‌اسبی است. سازه­ های زین اسبی به صورت تكی يا مدولار در مسيری مدور یا صاف، در يك يا چند سطح با ارتفاع متفاوت و به صورت متقارن يا در يك سيستم آزاد طراحی می­‌شوند.

سازه­ ها با فرم آزاد رفتارهای بسيار پيچيده‌­تری از خود نشان می‌­دهند و به طرح جزئیات بيشتری نیاز دارند. فرم سازه­ های پارچه­ ای به ابعاد ساختمان نيز بستگی دارد، زيرا پارچه‌­ی كششی به فضای كافی جهت گسترده شدن و انحنا یافتن احتياج دارد. پوشش زين‌اسبی از سودمندترين و سبک ترين گزينه­‌ها برای دهانه­‌های ۱۵ تا ۲۰ متری هستند.

در صورت وسعت بيش از حد سازه­ های زین‌اسبی، ارتفاع آنها و میزان تجمع نيروها در تكيه‌­گاه‌­ها افزايش می­‌یابد و در نتيجه احتمال دارد سازه خاصيت معمارانه خود را از دست بدهد. براي سازه های وسيع لبه­‌های خطی مثل فرم­‌های قله و دره مناسب­‌تر هستند. پاسخ­‌های معمارانه بايد با عملکرد بنا متناسب باشد. در مسائل سازه ­ای، نمود فرمال و مسائل اقتصادی و رعایت اصول طراحی مينيمال، به انتخاب ساد‌‌‌ه­‌ترين پاسخ می‌­انجامد که در بیشتر موارد سود­مندترين است.

سازه های كششی پارچه­ ای سین کلاستیک

فرم سازه­ های سین­‌کلاستیک در تمام نقاط خود دارای انحناست و در تمامی جهت­‌ها انحنا به یک سمت است. اين نوع پوشش­‌ها بر اساس فشار سيالات درونی آنها به تعادل می رسند. نيروها در اين پوشش در تناسب با انحنای آن هستند به صورتی كه با افزايش قطر كشش، نیرو بيشتر می شود. تغييرات فشار روی سطوح سازه ­های سین کلاستیک، بدون نیاز به عناصر و تكيه گاه­‌های صلب مثل ستون­‌ها، ديوارها و طاق­‌ها صورت می‌گيرد.

اين ويژگی، سازه­ های بادی را به سبک‌ترين سازه موجود تبدیل می­‌کند. اين سازه­‌ها به لحاظ تئوری توانایی پوشش سطوح چند كيلو­متری را دارند. با اين حال می‌توان از پوشش­‌های زين­‌اسبی نيز برای اتصال سازه­ ها استفاده كرد. از سوی دیگر می‌توان سازه­ های بادی را به گونه­‌ای طراحی كرد كه توسط نيروی منفی هوا به تعادل دست یابند. در اين حالت هوای درون سازه به صورت مكانيكی تخليه می‌شود تا با افت فشار داخل به پايداری برسد.

بالشت­‌های بادی

در طراحی سازه­ های بادی می­‌توان از تفاوت فشار هوای بيرون و درون برای ایجاد تعادل استفاده کرد. تک ­بالشت­‌ها يا تركيبی از آنها می‌­توانند هم در سقف و هم در نما به كار روند. اين بالشت­‌ها معمولا از ورق‌های ETFE تهيه می‌­شوند تا سقفی گرم با شفافيت بالا به دست آيد. افزايش تعداد لايه­‌های درونی، جريان انتقال انرژی حرارتی را كاهش می­‌دهد.