سازه کابلی + معایب سازه کابلی + مزایا سازه کابلی + سازه چادری

سازه کابلی

به گزارش طراحی نما : سازه کابلی پوشش فضاهای باز همیشه با تعداد ستون های زیادی همراه بوده در بخش مقالات سایت ساخت و ساز میخوانید که : ( به جز در مواردی که در عصر حاضر از سازه های فضا کار ویا چادری و…استفاده شده است) که از نظر هزینه و سطح اشغال فضا و حس فضایی مورد اشکال است.

سازه های کابلی ( که از نوع سازه های کششی می باشد) با پوشش دهنه های وسیع با کمترین تعداد ستون راه حل مناسبی برای خلق فضای معماری است.فرم زیبا، امکان پیش ساختگی، اجرای سریع، پوشش فضا های وسیع و … عوامل تا ثیر گذار بر انتخاب این سازه می باشد سازه کابلی که باعث جلب توجه معماران در عصر حاضر شده است.

این مقاله با معرفی انواع سازه های کابلی به بررسی سازه ترمینال فرودگاه دنور به عنوان نمونه مورد مطالعه از نوع سازه های معلق با کابل مضاعف می پردازد در ضمن نحوه کارکرد و تحمل نیروها نوع پوشش بام ها و مصالح استفاده شده در سازه های کابل معلق را در برخی از نمونه های اجرا شده مورد کنکاش قرار می دهد.

مقدمه

بشر ازدیرباز به دنبال فضایی برای زندگی بوده است که بتواند در آن احساس آرامش داشته باشد از غارها به عنوان اولین سرپناه ها گرفته تا به امروز که با پیشرفت علم و تکنلوژی قادر است فضاهای گوناگونی را خلق و ایجاد نماید.

امروزه معماران و مهندسان زیادی در زمینه خلق فضاهای وسیع با کاربری های گوناگون مطالعات گسترده ای انجام می دهند که برای اجرای این فضاها از چه نوع سازه ای استفاده کنند تا بتوانند همزمان جنبه زیبایی شناسانه آن را نیز در نظر بگیرند.

در عصرحاضر سازه های کابلی یکی ازراه حل های است که علاوه بر کاربرد در پل ها برای پوشش فضاهای وسیع استفاده می شود و توجه معماران و مهندسان سازه را در کشور ما به خود جلب کرده است که می تواند راهگشای بسیاری از طرح های سازه ای در کشور باشد.

انواع سازه های کابلی

دسته کلی سازه های کابلی را می توان به چهار دسته فرعی تقسیم کرد:

کابل های منفرد که آنها قطعات مجزا و یا متصل به هم کابلی اساسا تحت اثر بارهایی هستند که در یک صفحه اثر می کنند.مثال: کابل های معلق، کابل های مهار شناورها و کابل های مهار دکل ها یا چادرها.
خرپاهای کابلی که در آن ها قطعات پیش تنیده در یک صفحه به نقاط مختلف سازه اتصال پیدا کرده در همان صفحه بارگذاری می شوند.مثال: پل های مهار شده با کابل ، سقف های دو لایه مهار شده با کابل.
تور های کابلی که در آنها قطعات پیش تنیده در نقاط مختلف روی سطحی خمیده (دو انحنایی یا تک انحنایی) اتصال پیدا کرده اساسا در صفحه ای عمود بر سطح مذکور بار گذاری می شوند. مثال: سقف های آویزان توری های معلق.
شبکه های کابلی که در آنها اجزای کابل در نقاط مختلف به هم اتصال داده شده نوعی اسکلت سه بعدی را تشکیل می دهند. مثال: شبکه های معلق ، توری های مهار و سیستم های چند پایه ای.

سازه های کابل معلق

کابل های فولادی تقریبا ازیک قرن پیش تا به حال در پل های معلق به کار رفته و طی قرون متمادی از طناب ها و کابل های ساخته شده از مواد دیگر بهره برداری می شده است. طراحی رستوران معذلک در چند دهه اخیر، از اصل تعلیق برای نگه داشتن بام ها و سایر اجزا ساختمان استفاده شده است.

البته یک طناب یا کابل تنها قادر به تحمل کشش بوده، در عضوهای کششی حداکثر استفاده از مصالح به عمل می آید، زیرا سطح مقطع آنها تحت اثر تنش یکنواختی قرار می گیرد و هم جنین در عضوهای کششی طول عضو تاثیر واهمیتی ندارد. طراحی ویلا مدرن در کابل های فولادی جدید که از سیم های جداگانه ای تشکیل می شوند، از فولاد “سرد کشیده” استفاده می گردد که تنش گسیختگی آن در حدود ۱۹ تن بر سانتیمتر مربع است که تقربا ۴ برابر تنش گسیختگی فولاد نرمه معمولی یا فولاد ساختمانی است.

سازه کابلی

یکی از روش های استفاده از کابل های فولادی در تصویر شماره ۲ نشان داده شده است. سازه کابلی از این روش برای احداث یکی از آشیانه های هواپیما در شهر کانزاس استفاده شده است. طراحی ویلا لاکچری کابل های نشان داده شده در تصویر شماره ۲و۳ به عنوان عضوهای کششی به کار می روند که عضوهای حامل بام را از نیروهای داخلی رها ساخته و موجب می گردند که بتوان دهانه های بزرگی به وجود آورد. در سال های اخیر، سازه هایی احداث شده است درآنها کابل ها قسمتی از سازه بام را تشکیل می دهند.

سازه کابلی

تصویر شماره ۴ نمایش ساده از کاربرد کابل ها در بامی می باشد که تنها در یک جهت ادامه دارد (در نشریه “طراحی معماری” مورخ ۱۹۶۱ – طی مقاله ای توسط طراح آن به نام “گوردن رز” اریه شده است ). گروه اویم شاهانه مولفه های افقی نیرو های کششی (a و(b کابل ها هثر یکدیگر را خنثی می کرده در نتیجه بر روی تیرها و ستون های حامل میانی تنها بارهای قایم وارد خواهد آمد. در نقاط انتهایی ، یا بایستی مهاری مانند AB تهیه دید و یا تیر و ستون را باید طوری طراحی کرد که بتوانند در برابر کشش وارده از طرف کابل مقاومت نمایند.

سازه کابلی

یک روش اجرای پوشش بام یک سازه کابل معلق استفاده از دال های بتن پیش ریخته مطابق تصویر شماره ۵ می باشد. این قطعات به کابل ها متصل شده و سپس کیسه های شن و یا بارهای دیگری معادل با دو برابر بار مجاز معمولی آن بر روی دال قرار داده می شود. مشاوره بازسازی آپارتمان این بارها باعث می گردند که کابل ها کشیده شوند، و در این حالت برآمدگی ها را با بتن پر می کنند و اجازه می دهند بتن سخت شود. سازه کابلی سپس کیسه های شن را از روی دال بر می دارند که که در اثر این کار کابل ها سعی می کنند به حالت اولیه خود باز گشته و در نتیجه بتن را تحت فشار قرار خوا هند داد.

سازه کابلی

در بنای غرفه امریکا – نمایشگاه بروکسل ( سال ۱۹۵۸ ) از روش نشان داده شده در تصویر ۶ (الف) استفاده شده است . این نوع بام را می توان چرخ یک دوچرخه در تصویر ۶ (ب) مقایسه کرد که در آن نیروهای ناشی از پره های کشیده شده سعی دارند که طوقه را از هم متلاشی کرده و باعث کمانش حلقه چرخ به داخل گردند.

ولی در عوض چرخ را می توان به طور افقی بر روی ستون های قایمی که در زیر چرخ قرار دارند، اتکا داد و سپس آن را بارگذاری نمود، بدون آن که بر تکیه گاه ها نیروی افقی وارد گردد. یکی از نخستین نمونه های بزرگ کابل معلق “پاویون رایلی” در کارولینای شمالی است که توسط دو آرشیتکت به نام های “ماتیونوویکی” و “دیتریک”طرح شده است تصویر ۷ (الف) کابل های متشکل از رشته سیم های فولادی توسط دو قوس مورب بتن مسلح به ارتفاع ۴۳/۲۷ متر تحمل می گردند . برای جلوگیری از لرزش، کابل های فرعی دیگری در امتداد عمود بر کابل های اصلی به طور پیش کشیده قرار داده شده است، به طوری که کابل های اصلی را به پایین نگاه می دارند.

مصالح تشکیل دهنده بام عبارت از ورق های فولادی موجدار است که روی آن عایق کاری شده است، اصل رفتار حاکم بر رفتار این سازه را می توان تقریبا با یک چهارپایه کانوایی که مطابق تصویر ۷ (ب) باری بر آن وارد می شود، مقایسه نمود.

پوشش در بام های معلق

پوشش ها را می توان از انواع مختلفی ساخت. یک نوع پوشش که بسیار مقرون به صرفه اقتصادی بوده و با موفقیت زیادی همراه بوده است، نمای ساختمان دالی سبک از نوع تشتک است که به وسیته بولت های U شکل به کابل ها متصل شده سازه کابلی و بر روی آن پوشش عایق و نمد معدنی قرار داده می شود. سقف ها را می توان به کابل های پایینی وصل یا آویزان نمود.

سازه کابلی

جلوگیری از لرزش در بام های معلق

یکی از مسایل مهم در بام های کابل معلق جلو گیری از ایجاد لرزش است. نیروهای باد باعث ارتعاش بام شده و چنانچه این نیروها با زمان تناوب طبیعی ارتعاش بام مطابقت داشته باشند، گشتاورهای خطرناکی می تواند به وجود آید (علت خرابی برخی از پل های معلق لرزش بوده است ) . به عنوان قیاس می توان یک تاب بازی ساده را در نظر گرفت.

سازه کابلی اگر حتی نیروی کوچکی را به صورت منظم و هماهنگ به تابی که در حال حرکت به پس و پیش است وارد آوردیم، به زودی حرکت های بزرگی به صورت انباشته به وجود خواهد آمد. طراحی ویلا و اصول طراحی ویلا همین پدیده را می توان با یک سطل آب ازمایش نمود. اگر شخصی که این سطل را حمل می کند، دارای حرکات موزون و هماهنگی باشد، آب داخل سطل به حرکت درآمده و سرریز می شود.

سازه کابلی

طراحان برای آن که احتمال لرزش را به حداقل برسانند، از روش های مختلفی احداث این نوع بام ها استفاده می کنند. در بام های دارای انحنا ی دو طرفه، معمولا یک سری از کابل ها به صورت پیش تنیده می باشند. یعنی آن که کابل ها قبل از تاثیر بار بر بام تنیده می شوند. تصویر ۹ ( الف) .البته تکیه گاه های انتهایی بایستی قادر به تحمل نیرو های کششی از جانب کابل ها باشند. بازسازی ساختمان در سازه های دایره ای شکل، کشش کابل ها اغلب به وسیله یک تیر کمربندی گرفته می شود. در صورتی که کابل ها پیش تنیده باشند ( یعنی قبلا کشیده شده باشند )، این نع بام ها را می توان تقریبا با یک راکت تنیس تصویر ۹ (ب)مقایسه نمود.

مصالح ساخت سازه های کابل معلق

کابل ها

کابل ها عموما از فولاد، کولار ( نام ثبت شده ماده الیاف دار مصنوعی ) فایبر گلاس و پولیستر ساخته می شوند. ایده طراحی ویلا رشته های سازه ای عموما به عنوان کابل به کار می روند. هر رشته از سیم های فولادی تشکیل می شود که به شکل مارپیچ پیچیده شده اند. استحکام کششی بالا خاصیت اصلی طناب سیمی است، دیگر خواص مهم آن به شرح زیر است.

سطح مقطع کوچک
وزن کم
عمر خستگی طولانی
مقاومت در برابر خوردگی و سایش
انعطاف پذیری زیاد
رفتار کششی و چرخشی خوب

این خواص به شیوه تولید طناب و کنترل رشته های سیم بستگی دارد.

پوسته ها

از مواد مختلفی می توان در ساخت سازه های کششی استفاده کرد: از آن جمله باید از مواد هیبر الاستیکی ( لاستیک مانند ) پارچه و غیره نام برد. مواد هیبر لاستیکی، این مواد طبیعتا عملکرد غیرخطی دارند و می توانند کرنش زیادی را تحمل کنند.به دلیل سختی کم و خاصه های استحکامی کاربرد محدودی دارند.

سازه کابلی پارچه ها باید استحکام کششی زیادی داشته، سازه کابلی انعطاف پذیر و سبک باشند.پایداری ابعاد آن باید خوب باشد، در مقابل عوامل طبیعی و محیطی و آتش مقاوم باشد.مقادیری استاندارد درباره استحکام گسیختگی و چسبندگی پارچه ها به شرح زیر ارایه می شود:

کشش نواری ۳۵ تا ۱۷۵۰ N/cm

کشش حاصل از چروک خوردن در حدود ۳۰ درصد بیشتر از کشش نواری

استحکام گسیختگی ۲ تا ۳۵۰ N/cm

استحکام چسبندگی ۰۱ تا ۲ N/mm

استحکام کششی نوار وعیاری از مقاومت پارچه در مقابل گسست کششی و استحکام گسیختگی نشان دهنده مقاومت پارچه در سایش و پارگی است.استحکام چسبندگی به مقاومت پارچه در برابر لایه لایه شدن مربوط است.

انواع پارچه های معمولی به شرح زیر می باشد:

نایلون
پلی استر
پارچه شیشه ای
پلی پروپلین

امروزه ماده اولیه ایده آلی که تمام خصوصیات مورد نیاز را داشته باشد موجود نیست و بهترین راه حل پارچه اندود شده ای است که در آن هر یک از مواد تشکیل دهنده شرایط خاصی را برآورده کنند.انواع موادی که در اندود کردن کردن به کار می روند به شرح زیر است:

واینیل
هیپالون
نیوپرن
فلورالاستر
پلی اوراتان

فایبرگلاس اندود شده و تفلون نیز برای سقف های پارچه ای به کار رفته است و ماده ای است با دوام و استحکام زیاد. پارچه اندود شده با آن نیمه شفاف و مقاوم در مقابل شعله، پاره شدن و آب است. وجود لایه تفلون موجب خودشویی پارچه می شود و طول عمر متعارف آن ۲۰ سال است. وجود تفلون موجب افزایش انعطاف پذیری، مقاومت در مقابل ساییدگی، و انتقال نور می شود.

سازه های با فرم منحنی طنابی

سازه های با فرم های منحنی طنابی از نوع کابل های منفرد (شماره ۱ در دسته بندی بالا ) می باشد.این نوع سازه که با عنوان فرم های فعال شناخته شده اند، در برابر بارهای وارده از شکل و ترکیبی استفاده می کنند که تنش های داخلی حاصله فقط به صورت فشار و کشش مستقیم باشد.کابلی را در نظر بگیرید که بین دو تکیه گاه کشیده شده و باری را تحمل می کند.

سازه کابلی کابل تحت باری که از پایین وارد می شود شکل V به خود می گیرد و تحت کشش واقع می شود.اگر بار دیگری به آن اضافه شود شکل بارگذاری تغییر کرده و به صورت سه بخش که هر یک قسمتی از بار را تحمل می کنند تقسیم می شود.بارهای اضافی دیگر تعداد تقسیمات را افزایش داده تا به فرم منحنی کامل که عمل توزیع را به عهده دارد تبدیل شود.در هر حالت کابل فقط تحت کشش است.(تصویر ۱۰ )

سازه کابلی

سازه های با فرم منحنی طنابی خود شامل سه نوع می باشند:

۱-سازه های با یک انحنا

۲-سازه های با کابل مضاعف

۳-سازه های با انحنای دوگانه

سازه های با کابل مضاعف

قبل از توضیح سازه های با کابل مضاعف تشریح اصطلاح زنجیرواره ضروری است :

زنجیرواره، فرمی از منحنی طنابی برای یک کابل بدون بارگذاری است که تحت وزن کابل ( وفقط وزن کابل ) ایجاد می شود هزینه ساخت سوله خرپا ( باری که به طور یکنواخت در طول کابل وارد می شود )

سازه کابلی

در این سازه ها از دو یا چند کابل زنجیرواره موازی که بین تکیه گاه های اصلی کشیده شده اند. لیست تعمیرات ساختمان آنها ممکن است یک سطح را به صورت مستقیم( منتج از سقف منحنی ) یا به صورت غیر مستقیم ( استفاده از کابل های عمودی ثانویه برای نگاه داشتن بام مسطح یا سطح پل ) نگاه دارند.

سازه کابلی

تصویر شماه ۱۲ :سه مثال از سازه هایی با کابل های دوتایی،مسیر بارها را در کابل معلق(سمت چپ) و کابل تثبیت کننده (سمت راست) نشان می دهد.

کابل های تثبیت کننده در زیر کابل های معلق اصلی برای مقاومت در برابر نیروی رو به بالای باد به آن اضافه شده است. هزینه احداث کارخانه مواد. غذایی اگر هر دو سری کابل ها دریک سطح باشند، تعدادی کابل اضافی برای تامین پایداری جانبی ( عمود بر این دهانه ) باید استفاده شود.(تصویر ۱۳ )

سازه کابلی

تصویر شماره ۱۳:کابل های معلق و کابل های تثبیت کننده در سطوح مختلف

مطالعه موردی سازه های با کابل مضاعف

ترمینال فرودگاه بین المللی دنور

Denver International Airport))

(۱۹۹۵ : دنور – کانکتیکات – مهندس معمار: فنترس – بردبرن و همکاران – مهندس سازه: سورود و همکاران )

یک مثال کاربردی از سقف های کابلی با کابل های مضاعف و در خلاف جهت هم، سالن اصلی ترمینال فرودگاه دنور است که بزرگترین سازه کششی سقف و بزرگترین فضای یکپارچه در جهان می باشد. طراحی آپارتمان کوچک سقف پارچه ای به علت سبکی و سرعت ساخت و به دلیل زیبایی آن انتخاب شده است. مشابه قله های پوشیده از برف رشته کوه راکی، قله های این ساختمان به وسیله ۳۴ ستون اصلی فولادی، شامل ستون های ۱۵۰ فوتی ( ۴۵ متر ) با فاصله ۶۰ فوت ( ۱۸.۳ متر ) از یکدیگر ایجاد شده اند.

سازه کابلی

تصویر شماره ۱۴ :ترمینال فرودگاه بین المللی دنور،شبکه ژیودزیک بام پارچه ای

انحنای پارچه ها، بین قله ها ۲۴۰ فوت ( ۶۳ متر )دها نه طول سالن اصلی را می پوشاند.پوشش پارچه ای سقف به وسیله کابل هایی که از خط الراس ها و خط القعرها عبور کرده که بیشترین بارهای کششی را نیز تحمل می نمایند، مسلح شده اند. کابل های خط الراس معلق بارهای ناشی از وزن ساختمان و برف را تحمل می نمایند، در صورتی که کابل های تثبیت کننده خط القعر در برابر نیروی باد مقاومت می نمایند. سومین سری از کابل ها، کابل های خط الراس و خط القعر در فاصله ۴۰ فوت ( ۱۲.۲ متر ) سقف پارچه ای مسطح به هم متصل می کنند (تصاویر ۱۴ تا ۱۹ )

سازه کابلی

تصویر شماره ۱۵ :ترمینال فرودگاه بین المللی دنور،نمای خارجی نوک چادرها را که شبیه قله های پوشیده از برف رشته کوه راکی نشان می دهد.

سازه کابلی سقف، از پارچه دو لایه تشکیل شده است که جنس هر دو از فایبر گلاس با پوشش تفلون می باشند. لایه بیرونی با ضخامت ۰.۲۸ اینچ ( ۷ میلیمتر )، لایه سازه ای اصلی است، در حالی که لایه داخلی مانعی آکوستیکی را فراهم کرده و یک لایه هوا برای اتلاف انرژی ایجاد می کند.

سازه کابلی جزییات حساس و بحرانی در این ساختمان اتصال بین سقف پارچه ای قابل انعطاف و دیوارهای صلب زیر آن می باشد. در بالایه باجه های فروش بلیط یک پنجره مثلثی شیشه ای مربوط به بام وجود دارد که امکان دیدن آسمان را از کف سالن اصلی فراهم می نما ید. لبه بالایی پنجره بام به سقف پارچه ای متصل شده است. سطح بام به اندازه ۳ اینچ ( ۷۵ میلیمتر ) به وسیله لوله های پنو ماتیک باز و بسته می شود و با حرکت پارچه سقف حرکت می کند.

پارچه و کابل ها – امتداد یافته و از روی دکل های ( دیرک ها ) فولادی با مقطع لوله ای عبور می کنند تا به سازه موجود ساختمان در هر انتها مهار شوند. این لنگر ها در مقابل رانش داخلی که به وسیله فرم منحنی طنابی سقف پارچه ای ایجاد می شوند، مقاومت می نمایند دکل ها فقط تکیه گاه عمودی را تا مین کرده و مانند اتصال مفصلی در تکیه گاه رفتار می کنند.