آموزش طراحی سازه فضاکار در سپ به همراه نکات اجرایی

قطعا شما هم می دانید برای طراحی و اجرای سازه های غیر متعارف مانند آشیانه هواپیما، استادیوم ها و … نمیتوانیم از سیستم باربر جانبی معمول سازه ای استفاده کنیم و باید به طراحی سازه فضاکار در سپ مسلط باشیم اما سازه فضاکار چیست؟ مدلسازی سازه های فضاکار به چه صورتی انجام می شود؟ چه نوع اتصالاتی در سازه فضایی می توان به کار برد؟

در این مقاله جامع قصد داریم در رابطه با طراحی و اجرای سازه های فضایی صحبت کنیم. برای درک بهتر این موضوع حتما ویدئو های تکمیلی مابین متن مقاله را مشاهده کنید.

⌛ آخرین به روز رسانی: 3 دی 1404

📕 تغییرات به روز رسانی: آپدیت بر اساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398

1. معرفی سازه‌ فضاکار

1. 1 سازه فضاکار چیست؟

سازه‌های فضاکار به سازه‌هایی گفته می‌شود که از کنارهم قراردادن اعضا و اتصال شکل‌های هندسی منظم به وجود می‌آیند. این سازه‌ها اغلب دارای شکل منحنی در فضا می‌باشند. حتی‌المقدور سعی می‌شود این سازه‌ها با واحدهای یک اندازه در یک الگوی تکراری ساخته شود. این سازه‌ها اغلب به کمک قرارگیری چندین شبکه منظم بر روی‌هم ساخته می‌شوند. این شبکه‌ها دارای استحکام زیاد و به‌صورت یکپارچه بوده و به لحاظ معماری بسیار زیبا می‌باشند. المان‌های مورداستفاده در این سازه‌ها اغلب فولادی می‌باشند.

رایج‌ترین این نوع سازه‌ها را شبکه‌های سه‌بعدی (فضایی) می‌نامند. در این شبکه‌ها تعداد زیادی عضو مستقیم در گره به هم متصل می‌شوند و شبکه‌های مستحکم و یکپارچه را می‌سازند.

قبل از اینکه به بحث اصلی که همان طراحی سازه فضاکار در سپ است بپردازیم بهتر است چندین نمونه اجراشده از این سازه‌ها را ببینیم تا بهتر با این مفهوم آشنا شویم.

شکل 1 بزرگ‌ترین پارک آبی سرپوشیده جهان (Seagaia Ocean)  در Miyazaki, Japan

شکل 2 زمین بیسبال  در Nagoya, Japan

شکل 3 استادیوم فوتبال (University of Phoenix Stadium) در Glendale,Arizona

1. 2 مزایای سازه‌ فضاکار

• سبک بودن این سازه در مقایسه با دیگر سازه‌ ها:

در هنگام وقوع زلزله یکی از مهم‌ترین پارامترهایی که باعث افزایش یا کاهش نیروها در اعضا می‌شود، وزن سازه است. درنتیجه هرچه وزن سازه کمتر باشد نیرویی که در اعضا به وجود می‌آید هم کمتر خواهد بود که منجر به اقتصادی‌تر شدن طرح می‌شود.

• یکی دیگر از علایق مهندسین به طراحی و اجرای سازه فضاکار قابلیت جابه‌جایی سقف و باز و بسته کردن آن برای استفاده از نور خورشید.

شکل 4 استادیوم فوتبال (Arena) در Amsterdam,Netherlands در حالت سقف باز

شکل 5 استادیوم فوتبال (Arena) در Amsterdam,Netherlands در حالت سقف بسته

• امکان تقسیم‌بندی فضا به فضاهای کوچک‌تر ازلحاظ معماری راحت‌تر انجام می‌شود.
• ایجاد دهانه‌های بزرگ به نسبت دیگر سیستم‌های سازه‌ای:  در شکل زیر یک آشیانه هواپیما را می‌بینید که دهانه‌های بسیار بزرگی بدون ایجاد ستون و به کمک سازه‌های فضاکار ساخته‌شده است.

شکل 6 U.S. Navy Jacksonville Hangar

• صلبیت بسیار زیاد به دلیل همکاری تمام اعضا با یکدیگر درحالی‌که مصرف مصالح به نسبت سازه‌های دیگر کمتر است.
• زیبایی در سازه.

شکل 7 Choueitfat Mall

• عبور تأسیسات از داخل سازه اجراشده:

فضای موجود بین لایه‌های سازه فضایی اجراشده محل مناسبی را جهت عبور تأسیسات برقی و مکانیکی که می‌بایستی در سطح سالن پراکنده شود فراهم می‌سازد با این مزیت که این تأسیسات کمتر در معرض دید می‌باشند.

شکل 8 عبور تأسیسات از سقف و عدم استفاده اجباری از سقف کاذب

• عدم استفاده از عملیات جوشکاری در هنگام نصب:

از آنجایی‌که در طول عملیات نصب سازه هیچ‌گونه عملیات جوشکاری صورت نمی‌گیرد و کلیه اتصالات در سازه اصلی و قطعات الحاقی به‌ صورت پیچ و مهره‌ای صورت می‌گیرند، لذا سازه اجراشده این قابلیت را دارا می‌باشد که به‌طور کامل دمونتاژ گردد و در محل دیگر به همان شکل دیگری تنها با تغییرات اندکی در قطعات سازه‌ای نصب شود و همین موضوع به راحتی طراحی و اجرای سازه فضاکار کمک می کند.

• سرعت اجرای بالا:

استفاده از ماشین‌آلات اتوماتیک و نیمه اتوماتیک در تولید قطعات باعث افزایش سرعت اجرا این سازه‌ها می‌شود.

• ضریب ایمنی بالا:

درجه نامعینی بالای این سیستم، پیچ و مهره‌ای بودن اتصالات و همچنین سهولت کنترل کیفیت قطعات و اتصالات و ساخت کارخانه‌ای قطعات به‌صورت پیش‌ساخته، عواملی است که ضریب اطمینان و ایمنی سازه را به میزان قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد.

1. 3 کاربرد سازه‌ های فضاکار

با توجه به مزایای ذکرشده در بخش قبل برای سازه‌های فضاکار، کاربردهای زیر را می‌توان برای آن‌ها در نظر گرفت:

• آشیانه هواپیماها
• سالن‌های کارخانه‌ها
• پوشش استادیوم‌های ورزشی، باشگاه‌های ورزشی
• پارکینگ‌های طبقاتی
• مراکز فرهنگی و تفریحی، تالارهای تجمع و سخنرانی، سالن اجتماعات، سینماها، آمفی‌تئاترها، مراکز خرید (بازارهای خرید)
• ایستگاه‌های راه‌آهن، ترمینال‌ها

✅توضیحات مفصل این بخش را مطابق فهرست مطالب در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

2. انواع سازه‌ های فضاکار

سازه‌های فضاکار را از جهت نوع ساخت می‌توان به سه دسته زیر تقسیم کرد:

• شبکه‌ها (Grids)
• چلیک‌ها (Barrel Vaults)
• گنبدها (Domes)

2. 1  سازه‌های فضاکار شبکه ای

این سازه‌ها معمولاً به شبکه‌های تخت معروف می‌باشند. شبکه عبارت است از سیستم سازه‌ای مشتمل بر یک یا تعدادی لایه، که هر لایه از به هم پیوستن اعضای واحد تشکیل‌شده است. این شبکه‌ها به سه دسته‌ی زیر تقسیم می‌شوند:

• شبکه‌های یک‌لایه (Single Layer Space Structure)
• شبکه‌های دولایه (Double Layer Space Structure)
• شبکه‌های سه لایه (Three Layer Space Structure)

2. 1. 1 شبکه‌های یک‌لایه (Single Layer)

به سیستمی از سازه گفته می‌شود که دارای یک‌لایه از اعضاست. این شبکه شامل آرایش صفحه‌ای متشکل از تعدادی تیر می‌باشد که به‌صورت صلب به هم متصل شده‌اند (باقابلیت انتقال لنگر قابل‌ملاحظه). سیستم بارگذاری خارجی شامل نیروهای عمود یا مایل بر صفحه‌ی شبکه می‌باشد که محور ممان، در صفحه‌ی شبکه قرار دارد؛ مشابه با یک تیر تک که حول محور افقی (در صفحه) خود لنگر تحمل می‌کنند.

شکل 9 شبکه تک لایه با نقش دو راهه، اریبی و دو راهه به همراه عضوهای قطری اضافی(به ترتیب از چپ به راست)

شکل 10 شبکه تک لایه دوراهه به همراه عضوهای قطری اضافی، دوراهه به همراه عضوهای قطری اضافی و اریبی به همراه عضوهای قطری اضافی (به ترتیب از چپ به راست)

به دلیل اینکه اتصالات به‌صورت صلب می‌باشند و نیرو ایجادشده ترکیبی از برش، لنگر خمشی و پیچش می‌باشد و لنگر خمشی باعث افزایش سطح مقطع اعضا و غیراقتصادی شدن آن می‌شود لذا فاصله دهانه‌ها معمولاً تا 50 متر می‌باشد. این اعضا برای افزایش ممان اینرسی و افزایش ظرفیت خمشی و پیچشی به‌صورت لوله‌ای ساخته می‌شوند.

شکل 11 شبکه تک لایه

2. 1. 2  شبکه‌های دولایه (Double Layer)

در این شبکه‌ها برای اینکه بتوانیم فاصله دهانه‌ها را بیشتر کنیم و محدودیت‌های حالت قبل را نداشته باشیم دو شبکه را به کمک یک عضو میانی به اسم جان به همدیگر متصل می‌کنیم. در این حالت اتصالات به‌صورت مفصلی بوده و تنها نیروهای محوری (کشش و فشار) در اعضا به وجود می‌آید. در این حالت می‌توانیم دهانه‌هایی با فاصله 100 تا 150 متر داشته باشیم.

شکل 12 اتصال مفصلی و نیروهای محوری در اعضا

شکل 13 دولایه به کمک عضو میانی به هم متصل شده‌اند

شکل 14 شبکه دولایه با نقش دوراهه روی دوراهه ،  شبکه دولایه با نقش دوراهه روی دوراهه با چند چشمه باز (به ترتیب از چپ به راست)

شکل 15شبکه دولایه با نقش اریبی روی اریبی ،  شبکه دولایه با نقش اریبی روی اریبی با چند چشمه باز (به ترتیب از چپ به راست)

شکل 16 شبکه دولایه

علاوه بر افزایش فاصله دهانه‌ها در این حالت می‌توانیم تأسیسات را از فاصله بین دولایه عبور دهیم و دیگر نیازی به ایجاد سقف کاذب نیست.

شکل 17 عبور تأسیسات از فضا مابین دولایه

شکل زیر اتصال اعضا به ستون‌ها به‌صورت مفصلی را نشان داده است، در حالت بالا سمت چپ، چون ستون با یک عضو به هم متصل شده است ممکن است تمرکز تنش به وجود بیاید که این روش توصیه نمی‌شود. سه حالت دیگر به اتصال درختی معروف هستند که در این حالت می‌توان اعضا را مستقیماً به فونداسیون متصل کرد.

شکل 18 اتصال اعضا به ستون

2. 1. 3 شبکه‌های سه لایه (Three Layer)

این شبکه‌ها بااتصال سه لایه به یکدیگر به وجود می‌آیند که در این حالت می‌توانیم دهانه‌های بزرگ‌تر از 150 متر نیز داشته باشیم.

شکل 19 شبکه سه لایه

2. 2 سازه‌ های فضاکار چلیکی

در این حالت شبکه‌ها در مقطع خود دارای انحنا می‌باشند یعنی یک راستا به‌ صورت صاف و راستای دیگر با یک انحنا ساخته می‌شود. چلیک‌ها نیز مانند شبکه‌های تخت می‌تواند به‌ صورت یک‌لایه، دولایه و سه لایه ساخته شوند. ایده چلیک‌ها و گنبدها، از معماری اسلامی ایران و طاق‌ها گرفته‌شده است. برای تأمین دهانه‌های بسیار بزرگ می‌توانیم از این حالت استفاده کنیم.

شکل 20 چلیک‌ها در حالت‌ها مختلف

شکل 21 چلیک دولایه

شکل 22 ساخت چلیک تک لایه

شکل 23 ساخت چلیک چندلایه

2. 3  سازه‌های فضاکار گنبدی

گنبدها به‌عنوان یکی از سازه‌های فضاکار انحنادار، در دو جهت عمود بر هم دارای انحنا هستند و به‌صورت یک سطح خمیده کامل عمل می‌کنند؛ به‌گونه‌ای که می‌توان تصور کرد شبکه‌ای تخت بر سطح یک کره قرار گرفته و شکل آن را به خود گرفته است. طراحی گنبدها معمولاً با هدف یکسان‌سازی طول اعضا صورت می‌گیرد که این امر به افزایش تعداد اعضا و پیچیدگی سازه منجر می‌شود.

گنبدها به دلیل توزیع متقارن نیروها در سراسر سازه و عملکرد همگام اجزای شبکه‌ای، از صلبیت و پایداری بسیار بالایی برخوردارند و قابلیت پوشش‌دهی دهانه‌هایی تا حدود ۲۵۰ متر را دارند. بر اساس روابط تجربی، توصیه می‌شود ارتفاع گنبد حداقل ۱۵ درصد از قطر پایه آن باشد تا پایداری و عملکرد سازه بهینه گردد.

این سازه‌ها بسته به الزامات پروژه، می‌توانند به‌صورت تک‌لایه، دولایه یا سه‌لایه طراحی و اجرا شوند. سازه‌های تک‌لایه به دلیل وزن کمتر، برای دهانه‌های کوچک‌تر مناسب هستند، درحالی‌که سازه‌های دولایه و سه‌لایه با افزایش سختی و ظرفیت باربری، برای پروژه‌های بزرگ‌مقیاس و پیچیده‌تر گزینه خوبی محسوب می‌شوند.

شکل 24. انواع حالت‌های مختلف گنبدها

شکل 25 لایه‌های مختلف یک گنبد چندلایه

شکل 26 سازه فضاکار از نوع گنبد در حال ساخت

شکل 27 گنبد تک لایه

شکل‌های زیر به گنبدهای اسکالپ معروف هستند این حالت از یک موجود دریایی الگو برداری شده است.

شکل 28 طرح کلی گنبدهای اسکالپ

شکل 29 گنبد اسکالپ ساخته‌شده

3. اتصالات سازه‌ فضاکار

اتصالات رایج در این نوع سازه‌ها که استاندارد و تجاری شده‌اند را می‌توان در سه حالت زیر دسته‌بندی کرد:

• گیردار: شبکه‌های یک‌لایه؛ لنگر خمشی و نیروی محوری در اعضا پدید می‌آید.
• مفصلی: شبکه‌های دولایه و سه لایه؛ تنها نیرو محوری وجود دارد.
• نیمه گیردار: نیرو محوری و لنگر خمشی؛ در عمل خیلی اجرایی و منطقی نیست.

✅توضیحات مفصل این بخش را مطابق فهرست مطالب در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

3. 1 اتصال مرو (Mero)

یکی از اتصالات رایج برای این سازه‌ها اتصال مرو نام دارد که در شکل زیر مشاهده می‌کنید.

شکل 30 پیوند مرو

اجزای تشکیل‌دهنده این پیوند عبارت است از:

• گوی‌ها
• بشقابک
• پیچ‌ها
• اسلیو

گوی‌ها: مرکز اتصال هستند دارای سوراخ‌هایی می‌باشند که از مرکز می‌گذرد و خروج از مرکزیت ندارند و اتصال کاملاً مفصلی را برای ما به وجود می‌آورند؛ قطر سوراخ‌ها با توجه به نیرویی که به عضو وارد می‌شود متغیر است

شکل 31 گوی‌های اتصال مِرو

بشقابک: بشقابک‌ها وظیفه اتصال عضو لوله‌ای را به گوی‌ها دارند. دارای دو نوع کششی و فشاری می‌باشند؛ جهت انتقال نیرو در حالت کششی از پیچ و جهت انتقال نیرو در حالت فشاری از اسلیو استفاده می‌کنیم.

شکل 32 بشقابک مخروطی در اتصال مِرو

پیچ‌ها: در سایزهای متفاوتی وجود دارند و یک اتصال جداشدنی بوده که جهت انتقال نیرو در حالت کششی از آن استفاده می‌کنیم.

شکل 33 پیچ‌ها در اتصال مرو

اسلیوها: در انتهای عضو مابین گوی و عضو قرار می‌گیرند؛ اجزای فشاری با مقاومت بالا به‌صورت شیاردار و سوراخ‌دار است که جهت محکم نمودن پیچ‌ها در داخل گوی استفاده می‌شود.

شکل 34 اسلیوها در اتصال مرو

برای تفهیم دقیق اتصال مرو در سازه فصاکار شما را به دیدن ویدیو زیر دعوت می‌کنم

3. 2 اتصال ان اس (NS)

در این اتصال اعضای محوری مستقیماً به پیوند دهنده متصل می‌شوند که اتصال آن‌ها به یکدیگر یا به‌وسیله پیچ و یا جوش می‌باشد.

شکل 35 پیوند ان اس (NS)

لازم به ذکر است که اتصال مرو نسبت به اتصال NS متداول‌تر است. دو  فیلم زیر اتصالات خاصِ بعضی از شرکت‌ها را نشان می‌دهد که در اختیار خودشان بوده و برای سازه‌هایی که اجرا می‌کنند از این اتصالات استفاده می‌شود که البته خیلی رایج نیست.

4. نحوه اجرا سازه‌ های فضاکار

اجرای این سازه‌ها معمولاً به دو صورت انجام می‌شود:

1. به‌صورت پیش‌ساخته در کارخانه و مونتاژ در محل
2. ساخت و نصب در محل پروژه

موارد زیر را به عنوان نکات اجرایی سازه های فضاکار حتما مد نظر قرار دهید.

• ساخت باید استاندارد و مطابق با نقشه‌ها صورت گیرد.
• کنترل و بازرسی کیفیت باید صورت گیرد.
• حمل باید به‌گونه‌ای باشد که اعضا دچار خمش یا پیچش نگردند.
• فرآیند نصب و بلند کردن سازه، باید به کمک چندین گره صورت گیرد.
• پس از نصب حفاظت سازه در برابر خوردگی مخصوصاً در محل اتصالات باید صورت گیرد.

شکل 36 اجرا به‌ صورت پیش‌ساخته و نصب در محل

شکل 37 ساخت و اجرا در محل کارگاه

برای درک بهتر موضوع به فیلم اجرای سازه های فضا کار که در زیر قرار گرفته است دقت کنید.

✅توضیحات مفصل این بخش را مطابق فهرست مطالب در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

5. مدلسازی سازه‌ فضاکار

طراحی این سازه‌ها دقیقاً مانند سازه‌های فلزی انجام می‌شود با این تفاوت که به دلیل هندسه پیچیده‌ی مدل، دیگر قادر به طراحی آن در نرم‌افزار Etabs نیستیم به همین دلیل طراحی سازه فضاکار در سپ را خواهیم داشت. اما همان‌طور که گفته شد به دلیل هندسه متفاوت و پیچیده این سازه‌ها مدل‌سازی آن در نرم‌افزار Sap نیز بسیار دشوار، زمان‌بر و حتی گاهی غیرممکن است. به همین منظور از نرم‌افزار Formian برای مدل‌سازی این سازه‌ها کمک می‌گیریم و با خروجی آن طراحی سازه فضاکار در سپ را به سرانجام خواهیم رساند.

نرم‌افزار Formian توسط پروفسور نوشین طراحی و توسعه داده‌شده است، که یک نرم‌افزار ساده و سبک برای مدل‌سازی انواع سازه‌های فضاکار می‌باشد که از لینک زیر می‌توانید آن را دانلود کنید.

شکل 38 نرم‌افزار Formian برای مدل‌سازی سازه‌های فضاکار

دانلود نرم‌افزار Formian  

برای استفاده از این نرم‌افزار نیازی به نصب آن نیست فقط کافی است روی آیکون Formian2.2.exe کلیک کنید.

✅ادامه مطالب این بخش، مثال‌هایی از کدنویسی در Formian و بارگذاری سازه‌ های فضاکار را مطابق فهرست مطالب در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

منبع:

• آیین‌نامه سازه‌های فضاکار (نشریه 400)
• مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، ویرایش 1398

• معرفی سازه‌های فضاکار
  • مزیت استفاده از سازه‌های فضاکار
  • کاربرد سازه‌های فضاکار
• انواع سازه‌های فضاکار
  • سازه‌های فضاکار ساخته‌شده با شبکه‌ها
  • شبکه‌های یک‌لایه (Single Layer)
  • شبکه‌های دولایه (Double Layer)
  • شبکه‌های سه‌لایه (Three Layer)
  • سازه‌های فضاکار ساخته‌شده با چلیک‌ها
  • سازه‌های فضاکار ساخته‌شده با گنبدها
• اتصالات سازه‌های فضاکار
  • پیوند مرو (Mero)
  • پیوند ان اس (NS)
• نحوه اجرا سازه‌های فضاکار
• مطالب نشریه 400 در ارتباط با سازه‌های فضاکار
• مدل‌سازی سازه‌های فضاکار
• مثال‌هایی از کدنویسی در Formian
  • شبکه تخت یک‌لایه
  • شبکه تخت دولایه
  • گنبد اسکالپ
• طراحی سازه‌های فضاکار
• بارگذاری سازه‌های فضاکار
  • بار مرده
  • بار برف
  • بار باد
  • بار زلزله
• مثالی دیگر در ارتباط با مدل‌سازیِ سازه‌های فضاکار
• روش‌های بهینه ‌سازی سازه‌های فضاکار
• نتیجه‌گیری
• پرسش‌وپاسخ
• منابع

• ثبت شده در
  وزارت ارشاد
• دانلود سریع
  پس از پرداخت
• ضمانت ارسال
  بروزترین نسخه کتاب