سازه فضایی(Space Frame): هر آنچه باید دانست

سازه فضایی چیست؟

در معماری و مهندسی سازه، سازه فضایی (خرپای سه بعدی(3D truss)) یک سازه مستحکم و سبک همچون خرپا است که از پایه های به هم پیوسته در یک الگوی هندسی ساخته شده است. سازه های فضایی مناسب مناطق وسیعی است که تکیه گاه مناسبی ندارند. در سالهای اخیر برای این که سازه های فضایی برای کاربردهای صنعتی و سازمانی قابل اجرا باشد تحقیق و توسعه مناسبی انجام شده است. به عنوان مثال زیبایی فوق العاده سازه های فضاکار باعث شده به طور گسترده ای در تمام پایانه های هوایی بین المللی استفاده گردد(منبع).

سازه فضایی

تاریخچه سازه فضایی

الکساندر گراهام بل از سال 1898 تا 1908 این سازه ها را بر اساس هندسه چهارضلعی ایجاد کرد. علت علاقه بل به آن در درجه اول استفاده از آنها برای ساختن قابهای مستحکم و سخت برای مهندسی دریایی و هوانوردی بود. سپس دکتر Mengeringhausen سیستم شبکه فضایی موسوم به MERO (مخفف MEngeringhausen ROhrbauweise) را در سال 1943 در آلمان توسعه داد. بدین ترتیب استفاده از خرپاهای فضایی در معماری آغاز گردید. همچنین TStéphane de Chateau در فرانسه (1957) سیستم SDC سه جهته ،(1959) سیستم Unibat  و Pyramitec (1960) را اختراع کرد. در نهایت باکمینستر فولر در سال 1961 اختراع خرپای هشت ضلعی را ثبت اختراع کرد.

اجزای سیستم سازه فضایی

  • اعضای محوری که به عنوان لوله شناخته می شوند اجزای اصلی این نوع ساختار را تشکیل می دهند.
  • این لوله ها می توانند مقاطع توخالی دایره ای یا قسمت های توخالی مستطیلی داشته باشند که با استفاده از اتصالات به یکدیگر متصل شوند.
  • انواع اتصالات-نوع اتصالات مورد استفاده در این نوع سازه ها بستگی به نوع لوله ها و همچنین طراحی کلی و استحکام مورد نیاز سازه دارد.

مزایای سازه فضایی

  • اجزای سازه فضاکار برای حمل و نقل و انباشت آسان هستند
  • این ویژگی های کمبرینگ قابل تنظیم هستند
  • نصب آسان در محل به دلیل قطعات پیش ساخته
  • نیازی به پرلین ندارد
  • بیشتر برای سازه هایی که دارای اشکال و مکانهای نامنظم پلان هستند مناسب است
  • همچنین ، برای سازه ای که دهانه وسیعی دارد مناسب است
  • سازه بدون ستون را به ما ارائه می دهد
  •  دارای قابلیت ضد زلزله بودن بالایی است
  • نسبت دهانه به عمق عالی دارد
  • هزینه حمل و نقل پایین
  • سبک است و از نظر ساختاری مستحکم
  • بارهای متمرکز به طور مساوی در سراسر ساختار توزیع می شوند
  • خواص آکوستیکی بسیار خوبی دارد.

معایب سازه های فضایی

  • فریم های فضایی که شامل یک ساختار صفحه ای سه بعدی می شوند بر اساس صلبیت مثلث هستند و از عناصر خطی تشکیل شده اند که معمولاً فقط تحت کشش یا فشرده سازی محوری قرار می گیرند
  • نوع و تعداد اتصالات برای جلوگیری از خم شدن یا پیچ خوردگی مناسب نیست

کاربرد سازه های فضایی

مهمترین کاربردهای سازه فضاکار عبارتند از:

  • این سازه ها یک گزینه متداول در ساخت و سازهای کنونی هستند که اغلب در ساختمانهای بزرگ تجاری و صنعتی با سقف های مدرن و با کمترین تکیه گاه یافت می شوند.
  • آنها معمولا برای ساخت آشیانه هواپیما، کارخانه ها، سالنهای سینما، سالن های نمایشگاه و فرودگاه ها استفاده می شوند.
  • ترکیب سازه فضایی با اسکای لایت معماری منحصر به فردی را ارائه می دهد.

انواع سازه های فضایی

سازه های فضاکار به روشهای مختلفی طبقه بندی می گردند.

بر اساس خمیدگی:

  • پوشش های مسطح
  • طاق بشکه ای
  • گنبدی
  • سازه فری فرم

بر اساس تعداد لایه ها

  • تک لایه
  • دو لایه
  • سه لایه

پوشش مسطح (Flat Covers)

همانطور که از نام این نوع از سازه فضا کار مشخص است، سازه فضایی مسطح دارای سطحی بدون انحنا و صاف می باشد

سازه فضایی طاق بشکه ای (Barrel Vaults)

  • همان طور که از نام آن مشخص است سازه فضاکار طاق بشکه ای دارای مقطع قوسی ساده است.

سازه فضایی گنبدی (Spherical Domes)

  • سازه های گنبدی (گنبدهای کروی) از یک شبکه پیچیده از مقاطع فولادی ساخته شده اند
  • سازه های فضاکار گنبدی از انواع مختلفی تشکیل شده اند که مهمترین آنها عبارتند از:
    • سازه گنبدی ژئودزیک
    • سازه گنبدی شودلر
    • سازه گنبدی کیویت

سازه گنبدی ژئودزیک (Geodesic Dome)

سازه فضایی گنبد ژئودزیک یک ساختار نیمکره ای با پوسته نازک (شبکه-پوسته) است که بر اساس یک چند وجهی ژئودزیک (نوعی چند وجهی محدب است که از وجوه مثلثی تشکیل شده‌ است) ساخته می شود. عناصر مثلثی گنبد از نظر ساختاری صلب هستند و تنش سازه را در سرتاسر سازه توزیع می‌کنند و باعث می‌شوند گنبدهای ژئودزیکی بتوانند بارهای بسیار سنگین را نسبت به اندازه خود تحمل کنند. برای اولین بار این سازه در قرن بیستم توسط مهندس و معمار آمریکایی آر. باکمینستر فولر (در شرکت کارل زایس) ابداع شد.

یک گنبد ژئودزیک ممکن است توسط دیوارهای سبک پشتیبانی شود، اما بر خلاف سایر گنبدهای بزرگ می‌توان آن را مستقیما به عنوان یک سازه کامل روی زمین قرار داد. یک گنبد بزرگ ژئودزیکی در ایالات متحده در اکسپو67 مونترال در سال 1967 مورد استفاده قرار گرفت. از جمله کاربردهای طراحی این نوع گنبد می توان به عرصه های ورزشی، تئاتر، گلخانه ها و سالن های نمایشگاهی اشاره کرد.

گنبد ژئودزیک

سازه گنبدی ژئودزیک کلیماترون

گنبد ژئودزیک

سازه گنبدی شودلر (Schwedler Dome)

یک گنبد شودلر شامل نصف النهارهایی است که به تعدادی حلقه چند ضلعی افقی متصل شده اند تا بتواند ساختار حاصل را سفت کرده و بارهای نامتقارن را تحمل کند. هر ذوزنقه ای که از تلاقی نصف النهارها با حلقه های افقی تشکیل می شود توسط یک عضو مورب به دو مثلث تقسیم می شود. گاهی اوقات ذوزنقه ممکن است توسط دو عضو متقاطع نیز تقسیم شود. این نوع گنبد توسط مهندس آلمانی J.W. شودلر در سال 1863. محبوبیت زیاد گنبدهای شودلر به این دلیل است که با فرض اتصالات متصل به پین، ساختار را می توان به صورت استاتیکی تعیین شده تحلیل کرد. در عمل علاوه بر نیروهای محوری، تمامی اعضا تحت تاثیر ممان های خمشی و پیچشی نیز قرار دارند.

نمونه گنبد شودلر

نمونه گنبد شودلر

نمونه گنبد شودلر

سازه گنبدی کیویت (Kiewitt Dome)

الگوی گنبد کیویت شامل یک سری مثلث های تقسیم شده در امتداد جهت محیطی است که دارای یک راس مشترک در تاج گنبد هستند. شکل زیر شماتیک این سه نوع الگوی سازه های فضایی گنبدی شکل را نشان می دهد.

a:گنبد شودلر، b: گنبد کیویت، c: گنبد ژئودزیک

a:گنبد شودلر، b: گنبد کیویت، c: گنبد ژئودزیک

سازه فضایی تاشو (Folding Domes)

سازه جمع شونده تا شده سازه ای است که از یک یا چند فرم «تاشو» تشکیل شده است. سازه های تا شو می توانند دهانه های بزرگتر، استحکام و وزن خالص کمتری را نسبت به از دیگر اشکال متعارف سازه بدست آورند. استحکام و سختی سازه تا شو از پیکربندی، ضخامت و ابعاد عناصر تشکیل دهنده آن ناشی می شود. سازه های تاشو از نظر جنس، فرم هندسی، پایه ای که بر روی آن قرار گرفته اند و از لحاظ عملکردی در ساختمان متفاوتند.

سازه تاشو

سازه تاشو

سازه فری فرم (Free Form)

سطوح فری فرم برخلاف سطوح معمولی مانند صفحات، استوانه ها و سطوح مخروطی ابعاد شعاعی مشخصی ندارند. از آنها برای توصیف فرم هایی مانند پره های توربین، بدنه ماشین و بدنه قایق استفاده می شود. سطوح شکل آزاد که در ابتدا برای صنایع خودروسازی و هوافضا توسعه یافته بود، اکنون در همه زمینه های طراحی مهندسی از محصولات کالاهای مصرفی گرفته تا کشتی ها و همچنین در معماری به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. امروزه اکثر سیستمها از ریاضیات B-spline (NURBS) منطقی غیر یکنواخت برای توصیف فرمهای سطحی استفاده می کنند. با این حال ، روشهای دیگری مانند سطوح گوردون یا سطوح Coons وجود دارد.

در معماری از سازه های فری فرم می توان برای پوشش وسیع فضا در مکان های مختلف استفاده کرد. عرصه ها، دهلیزها، موزه ها، عبادتگاه ها و ساختمانهای صنعتی همگی به مناطق تحت پوشش وسیع و بدون ستون های میانی نیاز دارند. برای تحقق موثر این سازه های بزرگ، متخصصان طراحی باید این ساختمان ها را شکل دهند تا از فرم هم به عنوان عنصر سازه ای و هم برای بیان معماری استفاده گردد.

تصویر زیر مربوط به مرکز تحقیقات گیاهی خاورمیانه می باشد که توسط شرکت آلوسیس طراحی شده است. سبک طراحی این اثر سازه فری فرم (سازه فضایی فری فرم) می باشد.

سازه فضایی مجتمع تحقیقات گیاهی خاورمیانه

سازه فضایی مجتمع گیاهی خاورمیانه

سازه فضا کار تک لایه (Single Layer)

  • از یک لایه منفرد تشکیل شده است
  • انواع مختلفی از سازه های تک لایه وجود دارند:
    • شبکه دو طرفه
    • شبکه مورب
    • شبکه سه طرفه
    • شبکه چهار طرفه
انواع سازه فضایی تک لایه

سازه فضا کار دو لایه (Double Layer)

سازه فضایی دو لایه
  • اجزای سازه در دو لایه به موازات یکدیگر و فاصله ثابت قرار دارند

سازه فضا کار سه لایه (Triple Layer)

  • در سه خط موازی که به طور مورب به هم متصل شده اند، قرار گرفته است.
  • آنها بیشتر برای دهانه های بزرگ استفاده می شوند.

آلوسیس مجری سازه فضایی (برخی پروژه های اجرا شده)

مطالب مرتبط