سازه فضاکار یا سازه فضایی 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 سازههای 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. سازه های فضایی، سفت و محکم و البته سبک وزن بوده و می‌تواند با تعداد کمی پایه داخلی، مناطق بزرگی را پوشش دهد. سازه فضاکار برای اولین مرتبه در اوایل قرن بیستم توسط مهندسانی مانند الکساندر گراهام بل و ماکس منگرینهاوزن توسعه یافت و بعداً توسط معمارانی مانند بکمینستر فولر و جان جی گیلمان توسعه بیشتری پیدا کرده و محبوب شد.
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.
یکی از مزایای کلیدی سازههای فضایی، انعطاف‌پذیری آنها در طراحی و ساخت است. مهندسان می‌توانند هندسه و ترتیب تیرها را متناسب با نیازهای خاص پروژه تغییر دهند. این کار امکان ایجاد راه‌حل‌های خلاقانه و کارآمد برای انواع کاربردها و نیازها را فراهم می‌کند. سازههای فضایی معمولاً در سازههای با دهانه بزرگ مانند سالن‌های نمایشگاه، استادیوم‌های ورزشی و ترمینال‌های فرودگاهی استفاده می‌شوند، جایی که ماهیت سبک و مقاومت ذاتی آنها باعث میشود انتخابی مناسب برای ایجاد دهانههای بزرگ بدون نیاز به ستون‌های پشتیبانی متعدد باشند. علاوه بر این، سازههای فضایی نقشی اساسی در مهندسی هوافضا ایفا می‌کنند و به عنوان چارچوب برای ساختارهای فضاپیما و ماهواره‌ها عمل می‌کنند زیرا می‌توانند در برابر بارهای دینامیکی و لرزش‌هایی که در ماموریت‌های فضایی رخ می‌دهد مقاومت کنند.
معرفی انواع سازه فضایی
همان‌طور که گفتیم، 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.
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.
دسته‌بندی بر اساس پیکربندی 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 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: فولاد و آلومینیوم.
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.
آشنایی با اتصالات سازه های فضاکار یا خرپای فضایی
از جمله مهم‌ترین مصالح مورد استفاده در سازه فضاکار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1) لوله آلومینیومی
2) لوله استیل
3) مصالح دارای مقاومت کششی و فشاری بالا
4) لوله فولادی سیاه
معرفی روش‌های اجرای سازه های فضاکار
طراحی سازه فضاکار همانند سازههای فلزی است؛ ولی به دلیل پیچیدگی بیشتر این نوع سازه امکان طراحی آن در نرم‌افزار Etabs وجود ندارد. به همین دلیل مهندسان و طراحان از برنامه‌ی سپ برای طراحی سازه فضایی استفاده می‌کنند. سازههای این‌چنینی عمدتاً از سه بخش اصلی اتصالات، عناصر و پوشش تشکیل شده‌اند. در این نوع سازه نیمی از هزینه‌ها مربوط به اتصالات است، اجزای تشکیل دهنده اتصالات در سازههای فضا کار به شرح زیر است:
1) لوله: این بخش از اتصالات سازه های فضاکار با جوش به بشقابک متصل شده و نقش محوری در تحمل نیروهای فشار و کشش دارد.
2) پیچ: این عضو از اتصالات نقش اصلی اتصال دهنده و تحمل نیرو را برعهده دارد.
3)اسلیو یا غلاف: اسلیو مهره‌ای به شکل شیاردار یا سوراخ دار است که توسط پین به پیچ متصل شده و نقش اصلی در محکم نمودن پیچ‌ها را در سازه برعهده دارد.
4) گوی: قطعه‌ای از جنس فولاد یا آلومینیوم است که اجزای سازه فضایی را به هم اتصال داده و منجر به ایجاد پایداری و استحکام در سازه میشود.
5) بشقابک یا مخروطی: قطعه‌ای فولادی در دو نوع کششی و فشاری است که از ازدحام و تراکم لوله‌های سازه در محل گوی جلوگیری می‌کند.
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 |
مراحل اجرای پروژه‌های سازه فضاکار
سازههای فضاکار دارای کاربردهای مختلفی هستند، اما مراحل اصلی نصب آنها مشترک است. این مراحل عبارتند از:
1) نصب تکیه‌گاه‌ها: در این مرحله، تکیه‌گاه‌های سازه در فضای مورد نظر نصب می‌شوند. این کار می‌تواند همزمان با تولید سازه در کارخانه انجام شود.
2) گسترش اجزای سازه: پس از تولید اجزای سازه، آنها به محل نصب منتقل می‌شوند. سپس، تمام اجزای سازه بر روی زمین گسترش می‌یابند.
3) نصب سازه: در نهایت، سازه با استفاده از جرثقیل روی پایه‌های خود در محل مورد نظر قرار می‌گیرد.
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:
1) زیبایی: طراحی‌های اجزاء سازههای فضایی در این سیستم به‌گونه‌ای است که سیستم اجرا شده از چنان زیبایی برخوردار است که در اکثر پروژه‌های اجراشده، سازهها به‌صورت نمایان باقی می‌مانند. حتی در بسیاری از موارد، از این سیستم‌ها برای نماسازی استفاده میشود.
2) قابلیت اجرای همزمان با سایر فعالیت‌های ساختمانی: روش‌های مختلفی برای بافت سازههای فضایی وجود دارد که امکان اجرای آنها را به‌طور همزمان با سایر فعالیت‌های ساختمانی فراهم می‌کند. این امر می‌تواند باعث کاهش زمان ساخت و بهره‌برداری از ساختمان شود.
3) قابلیت نصب انواع پوشش: سازههای فضایی می‌توانند با انواع پوشش‌ها، مانند ساندویچ پانل، ورق گالوانیزه، ورق پلی کربنات، فایبرگلاس و …، پوشانده شوند. این امر به سازههای فضایی انعطاف‌پذیری زیادی در زمینه طراحی و کاربرد می‌دهد.
4) سبکی وزن: سازههای فضاکار نسبت به سایر سازههای ساختمانی سبکتر هستند و در زمین‌های با مقاومت خاک پایین‌تر نیز قابل استفاده‌اند. این امر باعث کاهش هزینه‌های ساخت و ساز میشود.
5) مقاومت بالا: این سازهها دارای مقاومت بالایی هستند و در برابر بارهای وارده، مانند بارهای ناشی از زلزله، آتش‌سوزی و انفجار، مقاوم هستند. این امر باعث افزایش ایمنی ساختمان میشود.
6) سهولت نصب: سازه فضاکار را می‌توان به‌راحتی و در کمترین زمان ممکن نصب کرد، به‌خصوص در محل‌هایی که محدودیت دسترسی وجود دارد. این امر باعث کاهش هزینه‌های ساخت و ساز و افزایش سرعت بهره‌برداری از ساختمان میشود.
7) ضریب ایمنی بالا: سازههای فضایی دارای ضریب ایمنی بالایی هستند که بخشی از آن به دلیل پیچ و مهره‌ای بودن اتصالات و ساخت کارخانه‌ای قطعات آنها است. این امر باعث افزایش ایمنی ساختمان میشود.
8) قابلیت باز و بسته شدن مجدد: سازههای فضایی را می‌توان به‌راحتی باز و بسته کرد و در محل دیگری مجدداً نصب کرد. این امر باعث افزایش انعطاف‌پذیری سازه و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری میشود.
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.
سازه فضایی چه کاربردی دارد؟
انواع سازه فضاکار، کاربردهای مختلفی دارند که از جمله‌ی آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1) استفاده در سازههای بدون ستون
2) استفاده در ساختمان‌های تجاری و صنعتی
3) استفاده در ساخت پارکینگ‌های طبقاتی، سینما و سالن اجتماعات
4) ساخت باجه‌های عوارض
5) ساخت استادیوم‌های ورزشی
6) ساخت سالن‌های نمایشگاه
7) ایستگاه‌های راه‌آهن و ترمینال‌ها
8) برج‌های مخابراتی و رادیویی
جمع‌بندی
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.
میلگرد
ورق فولادی
تیرآهن و هاش
پروفیل
نبشی
ناودانی
لوله و اتصالات
صنایع مفتولی
تخته و چوب
