سازه فضایی ( فضاکار) را بهتر بشناسید

ساختمانی را تصور کنید که شبیه یک کندوی عسل بزرگ یا گنبدی با صدها متر دهانه باشد. اینها نمونه‌هایی از سازه‌های فضاکار هستند؛ انواع خاصی از سازه‌ها که می‌توانند دهانه‌های بزرگ و اشکال پیچیده‌ای را ایجاد کنند. سازه‌های فضایی از میله‌های متصل به یکدیگر و گره‌هایی ساخته شده‌اند که در کنار یکدیگر یک شبکه سه بعدی پیچیده را تشکیل می‌دهند. در این مقاله، مطالب مفید و جالبی را در مورد اصول، مزایا و کاربردهای سازه‌ فضایی یاد خواهیم گرفت.

سازه فضایی چیست؟

سازه فضایی، یک چارچوب ساختاری سه بعدی است که از میله‌های قفل شونده بر اساس یک الگوی هندسی تشکیل شده است. در حقیقت هدف اصلی از اجرای چنین سازه‌ای، پوشش دهانه‌هایی است که تکیه‌گاه کمی دارند. اصل اساسی یک سازه فضایی، شامل توزیع موثر بارها و تنش‌ها در سراسر ساختار است، که منجر به نسبت مقاومت بالا به وزن می‌شود. بسته به بار اعمال شده به ساختار، میله‌ها تحت تنش خمشی یا کششی قرار می‌گیرند.

این نوع سازه در بسیاری از کاربردهای مهندسی، از جمله طراحی معماری، مهندسی هوافضا و سازه‌های صنعتی، به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساده‌ترین شکل یک سازه فضاکار، یک هرم چهار وجهی است که دارای چهار گره و شش عضو است. این سازه همچنین می‌تواند از اشکال چند وجهی دیگری مانند هشت وجهی یا هرم نیز تشکیل شود. عناصر متقابل سازه فضایی، یک الگوی شبکه‌ای را تشکیل می‌دهند که به پایداری و پشتیبانی ساختار کلی کمک می‌کند.

معرفی انواع سازه فضایی

سازه‌های فضایی ساختارهای سه بعدی هستند که می‌توانند مسافت‌های طولانی را پوشش داده و بارهای سنگین را بدون وجود ستون‌های پشتیبان تحمل کنند. آنها از اعضای به هم پیوسته‌ای تشکیل شده‌اند که شکلی محکم و پایدار ایجاد می‌کنند.

سازه‌های فضاکار را می‌توان بر اساس معیارهای مختلف مانند هندسه، پیکربندی گره، سیستم ساختاری و مواد سازنده به انواع مختلفی طبقه بندی کرد. در این بخش بیایید نگاهی به انواع سازه های فضایی داشته باشیم.

سازه‌های فضایی بر اساس هندسه

هندسه یک فضایی به شکل و ترتیب اعضای آن در سه بعد اشاره دارد. دو نوع اصلی فضایی بر اساس هندسه وجود دارد: خطی و منحنی.

سازه‌های فضاکار خطی: از اعضای مستقیم تشکیل شده‌اند که به صورت موازی یا متقاطع قرار دارند. آنها می‌توانند اشکال ساده یا پیچیده‌ای را به شکل تیرها، ستون‌ها، تیرهای خرپا، قوس ها یا گنبدها تشکیل دهند. فضایی‌های خطی اغلب برای سقف‌ها، پل‌ها، برج‌ها یا استادیوم‌ها استفاده می شود.

سازه‌های فضاکار منحنی: از اعضای غیرمسطح تشکیل شده‌اند که در سطوح مختلفی قرار داشته و می‌توانند اشکال منظم یا نامنظمی مانند چند ضلعی‌، دایره، بیضی یا منحنی‌های مختلفی را تشکیل دهند. سازه‌های قضایی صفحه‌ای اغلب برای گنبدها، نورگیرها یا سایبان‌ها استفاده شده و اجرای آن‌ها پیچیده‌تر است.

سازه فضاکار براساس گره‌ها

منظور از پیکربندی گره در یک سازه فضایی، نحوه اتصال اعضا و اجزای آن به یکدیگر است. این اتصالات می‌توانند به دو نوع ثابت و متغیر باشند.

گره‌های متغیر

یا فضاهای توپی از گره‌های کروی شکلی تشکیل شده‌اند که اعضای سازه را در هر زاویه‌های متصل می‌کنند. آنها می‌توانند شکل‌های انعطاف‌پذیر و چند منظوره‌ای را تشکیل دهند که می‌توانند با بارها و شکل‌های مختلفی سازگاری پیدا کند. این نوع پیکربندی اغلب برای سالن‌های نمایشگاه، فرودگاه‌ها یا استادیوم‌های ورزشی استفاده می‌شود.

گره‌های ثابت

یا تیرهای فضایی از گره‌هایی سفت و ثابت تشکیل شده‌اند که اعضای سازه را در زوایای ثابت به یکدیگر متصل می‌کنند. آنها می‌توانند شکل‌هایی کارآمد و اقتصادی را تشکیل دهند و در برابر تنش‌ها و تغییر شکل‌ مقاومت خوبی نشان دهند. این نوع پیکربندی گره اغلب برای ساختمان‌های صنعتی، انبارها یا انبارهای هوایی استفاده می‌شوند که نیازی به خلاقیت و جذابیت بصری خاصی ندارند.

انواع سازه فضایی بر اساس ساختار

فرم تخت: سازه فضایی با فرم تخت با سقف‌هایی صاف و موازی با زمین هستند. لایه‌های بالا و پایین به صورت موازی با سطح زمین قرار گرفته و به دلیل سادگی طراحی، در ساختمان‌های اداری، تجاری یا مسکونی پرکاربرد هستند.

فرم چلیک: این نوع سازه با نام سازه فضایی قوسی نیز شناخته می‌شود و دارای دو لایه به شکل کمانی و دایره‌ای است. طراحی خاص این سازه، ظاهر جذابی را به ارمغان می‌آورد و معمولاً در ساختمان‌های فرهنگی و هنری به کار می‌رود.

فرم گنبد: سازه‌های فضاکار گنبدی شکل یکی از زیباترین انواع سازه فضایی هستند. این فرم باعث جلب توجه و افزایش جذابیت ساختمان می‌شود و در پروژه‌های مذهبی یا هنری به کار می‌رود.

فرم دیسکی: سازه‌های با فرم دیسکی، دارای ظاهر دایره‌ای بوده و در مکان‌های با ستون‌گذاری دایره‌ای استفاده می‌شوند. این سازه‌ها، به عنوان یک گزینه برای پل‌ها، سازه‌های صنعتی و پروژه‌های با نیاز به ساختار تخت ولی با هزینه بالا، مد نظر قرار می‌گیرند.

فرم هرم: سازه فضایی با فرم هرم، علاوه بر زیبایی، مقاومت بالایی نیز دارد. این نوع سازه در پروژه‌هایی که هم جلب توجه و هم مقاومت مهم هستند، نظیر اماکن تفریحی یا اداری، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فرم سینوسی: این سازه فضایی دارای یک یا چند محور با نقاط عطف است. در زمان اجرا نیاز به نصب نقاط عطف در نقاط مشخصی دارد. از فرم سینوسی برای ساخت سازه‌هایی استفاده می‌شود که طرحی یکنواخت و ثابت نداشته و تغییر جهت‌ها و گره‌های زیادی داشته و نیاز به انعطاف‌پیری بالایی دارند.

فرم تخت دو طرف شیبدار: این سازه دارای دو سقف شیبدار است که در یک نقطه به هم متصل می‌شوند. از این فرم در ساختمان‌های صنعتی نظیر سوله‌ها و انبارها می‌توان استفاده کرد.

انواع سازه فضایی بر اساس ساختار

انواع سازه فضایی بر اساس ساختار	توضیحات
فرم تخت	برای ساختمان‌های اداری، تجاری یا مسکونی استفاده می‌شود.
فرم چلیک	معمولاً در ساختمان‌های فرهنگی و هنری به کار می‌رود.
فرم گنبد	معمولاً در پروژه‌های مذهبی یا هنری استفاده می‌شود.
فرم دیسکی	برای پل‌ها، سازه‌های صنعتی و پروژه‌های با نیاز به ساختار تخت، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
فرم هرم	در اماکن تفریحی یا اداری استفاده می‌شود.
فرم سینوسی	برای ساخت سازه‌هایی با نیاز به انعطاف‌پذیری بالا استفاده می‌شود.
فرم تخت دو طرف شیبدار	مناسب برای ساختمان‌های صنعتی مانند سوله‌ها و انبارها است.

انواع سازه فضایی بر اساس نوع چیدمان عناصر گنبد

چیدمان عناصر گنبد به نحوه سازماندهی و توزیع اعضای سازه فضاکار و تعداد لایه‌ها یا سطوح آن اشاره دارد. بر این اساس، سازه‌های فضایی را می‌توان به ۳ شکل دسته‌بندی کرد: یک لایه، دو لایه و ۳ لایه. 

فضاهای تک لایه‌ای: همان‌طور که از نام آن‌ها پیدا است، از یک لایه تشکیل شده‌اند. آنها می‌توانند اشکال ساده و ظریفی داشته باشند که به مواد و طراحی ساده‌تری نیاز دارد. سقف‌های تک لایه اغلب برای سقف‌ها، نورگیرها یا سایبان‌ها استفاده می‌شوند.

سازه‌های دو لایه: از دو لایه عضو تشکیل شده اند که به شکل موازی روی یکدیگر قرار داشته و بین آن‌ها نیز نقاط و گره‌های پشتیبان و تقویت کننده‌ای وجود دارد. آنها می‌توانند سازه‌های پیچیده و قوی‌تری را تشکیل دهند که می‌توانند بار بیشتری را تحمل کنند و مسافت‌های طولانی‌تری را را بدون ستون طی کنند. فضایی های دو لایه اغلب برای گنبدها، پوسته ها یا گنبدها استفاده می شوند.

سازه‌های فضاکار سه لایه: از نظر ساختار تقریباً شبیه به مدل‌های دو لایه هستند، با این تفاوت که در آن‌ها از ۳ لایه سازه و اتصالات موازی استفاده شده است و این لایه‌ها توسط میله‌هایی میانی حمایت و پشتیبانی می‌شوند.

دسته‌بندی سازه فضاکار بر اساس مواد سازنده

یکی دیگر از معیارهای دسته‌بندی انواع سازه فضایی، جنس مواد سازنده است. بر این اساس، سازه‌ها عموماً با استفاده از ۲ نوع ماده اولیه ساخته می‌شوند: 

سازه‌های فولادی

از لوله‌ها و گره‌های فولادی تشکیل شده‌اند و مقاومت و دوام بالایی دارند. آنها می‌توانند سازه‌هایی محکم و قابل اعتمادی را تشکیل دهند. از سازه‌های فضاکار فولادی اغلب برای ساختمان‌های صنعتی، پل‌ها یا برج‌ها استفاده می‌شود.

سازه‌های آلومینیومی

از عناصر آلومینیومی و گره‌هایی تشکیل شده اند که وزن کم و مقاومت در برابر خوردگی دارند. آنها وزن کم و زیبایی بیشتر داشته و می‌توانند نور و رنگ را منعکس کنند. سازه‌های آلومینیومی اغلب برای سالن‌های نمایشگاه، فرودگاه‌ها یا استادیوم‌های ورزشی استفاده می‌شوند. 

کاربردهای سازه فضاکار

سازه‌های فضاکار به دلیل ویژگی‌های خاص خود در مهندسی عمران و معماری، در پروژه‌های مختلف استفاده می‌شوند. از جمله مهم‌ترین کاربردهای این سازه‌ها می‌توان به پوشش سقف‌های بزرگ، ساخت سازه‌های ورزشی، آشیانه‌های هواپیما، سالن‌های کنسرت و مراکز تجاری اشاره کرد. همچنین، از این سازه‌ها در ساخت پل‌ها و سازه‌های زیربنایی مانند ایستگاه‌های مترو و ترمینال‌های مسافربری نیز بهره گرفته می‌شود.

مزایای استفاده از سازه فضایی 

سازه‌های فضایی ساختارهایی هستند که از شبکه‌ای از اعضای باربر تشکیل شده‌اند. این شبکه‌ها می‌توانند به اشکال مختلف، مانند گنبد، خرپا، قوس و …، باشند. سازه‌های فضایی دارای مزایای متعددی نسبت به سایر سازه‌های ساختمانی هستند که برخی از آن‌ها عبارتند از:

مزایای استفاده از سازه فضایی

مزایا	توضیح
زیبایی	طراحی زیبا و نمایانی که این سازه‌ها دارند و قابلیت استفاده برای نماسازی در پروژه‌های مختلف.
قابلیت اجرای همزمان	امکان اجرای سازه‌های فضایی به‌طور همزمان با سایر فعالیت‌های ساختمانی که باعث کاهش زمان ساخت و بهره‌برداری می‌شود.
قابلیت نصب انواع پوشش	امکان پوشاندن سازه‌های فضایی با انواع پوشش‌ها از جمله ساندویچ پانل، ورق گالوانیزه و … که انعطاف‌پذیری بالایی در طراحی و کاربرد این سازه‌ها را فراهم می‌کند.
سبکی وزن	وزن سبکتر نسبت به سایر سازه‌های ساختمانی و قابل استفاده در مناطق با مقاومت خاک پایین که باعث کاهش هزینه‌های ساخت و ساز می‌شود.
مقاومت بالا	مقاومت در برابر بارهای مختلف از جمله زلزله، آتش‌سوزی و انفجار که باعث افزایش ایمنی ساختمان می‌شود.
سهولت نصب	نصب آسان و سریع، به‌ویژه در مکان‌هایی که دسترسی محدود است که باعث کاهش هزینه‌های ساخت و سرعت بالاتر بهره‌برداری می‌شود.
ضریب ایمنی بالا	دارای ضریب ایمنی بالا به دلیل اتصالات پیچ و مهره‌ای و ساخت کارخانه‌ای قطعات که باعث افزایش ایمنی ساختمان می‌شود.
قابلیت باز و بسته	قابلیت باز و بسته کردن مجدد سازه‌ها و نصب آنها در مکان‌های مختلف که باعث افزایش انعطاف‌پذیری و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری می‌شود.

بررسی معایب سازه فضاکار

علیرغم مزایای یاد شده برای این سازه‌های سه‌بعدی، آن‌ها با نقص‌ها و چالش‌هایی نیز همراه هستند:

1) ظرفیت باربری محدود: سازه فضایی در برابر بارهای جانبی، مانند بار باد و بار زلزله، مقاومت کمتری نسبت به سایر سازه‌ها دارد.

2) حساسیت به خطا: سازه فضایی در برابر خطاهای ساخت و نصب حساس است و این خطاها می‌تواند باعث کاهش استحکام و پایداری سازه شود.

3) هزینه بالای تولید و نصب: تولید و نصب سازه فضایی نسبت به سایر سازه‌ها هزینه بیشتری دارد که در مقایسه با قیمت تیرآهن، شاید چندان اقتصادی نباشد.

تفاوت سازه فضاکار با خرپا چیست؟

به طور کلی، برای ساخت سازه‌هایی از قبیل پل، سد، سوله و برج‌ها از انواع متریال‌های فلزی مانند خرپای فضایی استفاده می‌شود. خرپا فضایی در واقع نوعی ابزار فلزی و کاربردی است که برای ایجاد استحکام در سازه به‌کار می‌رود. این ابزار سه گوش و مثلثی شکل از سه بخش میلگرد بالایی یا خمش، میلگرد پایینی و زیگراگ‌ها تشکیل شده است. پایداری و استحکام خرپا در مقایسه با سایر ابزارهای فلزی چهارگوش بسیار بیشتر است؛ زیرا اتصالات کمتری دارد. زمانی که خرپاها به شکل شبکه‌ای سه بعدی در کنار هم قرار گیرند، ساختار پیچیده‌ای ایجاد می‌کنند که در واقع همان سازه فضاکار هستند. بنابراین، تفاوت سازه فضاکار با خرپا در پیچیده و سه بعدی بودن آن است. جهت آشنایی با محصولات کارخانه فولاد ناب تبریز می‌توانید کلیک کنید.

تفاوت سازه فضاکار با خرپا از لحاظ کاربرد به شرح زیر است:

کاربرد سازه های فضاکار	کاربرد خرپا
پوشش سالن‌های فضای آزاد	استفاده جهت مستحکم‌سازی بنا
پوشش ورزشگاه‌ها	ساخت سقف، برج پل‌ها

جمع‌ بندی

سازه فضاکار تحولی عظیم در پروژه‌های مهندسی و معماری ایجاد کرده است. این نوع سازه‌ها بسیار پرکاربرد بوده و همان‌طور که دیدیم، از تنوع زیادی برخوردارند. استفاده از آن‌ها مزایای گسترده‌ای را برای مهندسان به همراه دارد که از جمله‌ی آن‌ها می‌توان به نصب راحت در محل اشاره کرد. با توجه به این مزایا و جذابیت ظاهری بسیار بالای آن‌ها، استفاده از سازه‌های فضایی روز به روز در حال افزایش است.

• سازه فضاکار چیست؟

  سازه فضاکار به یک سیستم خرپای سه‌بعدی گفته می‌شود. دهانه‌های آن در دو جهت افزایش‌یافته است و اعضای آن‌ها فقط تحت تأثیر کشش و فشار قرارگرفته است. این سازه‌ها ی که گفته شده از مدل‌های یکسان و تکراری نشده تشکیل شده که با لایه‌های موازی در بالا و پایین که مشابه با میله‌های فوقانی و تحتانی خرپا به تشکیل شده است.

• انواع سازه فضاکار کدام است؟

  سازه‌های فضا کار انواع گوناگونی وجود دارد، رایج‌ترین آن‌ها که شامل شبکه‌های خواهد شد مانند: تخت، چیلیک یا قوسی- گنبدی شکل، دیسکی- هرمی- سینوسی- نیم قوس- تخت شیب دار و قوسی و غیره خواهد بود.