۱۵
دی

سازه‌های کششی: چگونه کار می‌کنند و انواع مختلف آن چیست؟

با الهام تاریخی از نخستین پناهگاه‌های ساخته شده توسط انسان – از جمله چادرسیاه‌هایی که ابتدا با استفاده از چرم شتر توسط عشایر صحرای عربستان سعودی و ایران ساخته شده‌اند؛ همچنین ساختارهایی که قبایل بومی آمریکایی به‌کار می‌برند – ساختارهای کششی طیف وسیعی از مزایای مثبت را در مقایسه با سایر مدل‌های سازه‌ای ارائه می‌دهند.

سازه‌های کششی، اصطلاحی است که معمولاً برای ساخت سقف‌ها با استفاده از پارچه‌ای به‌کار می‌رود که روی کابل‌های فولادی قرار گرفته‌اند. خصوصیات اصلی آن‌ها روش کار تحت کشش استرس، سادگی در پیش‌ساخت، توانایی پوشاندن دهانه‌های بزرگ و چسبندگی آن‌هاست. سازه‌های کششی به‌طور معمول در پوشش مراکز ورزشی، عرصه‌ها و ساخت‌وسازهای صنعتی و کشاورزی استفاده می شوند و مبتنی بر سیستم‌های قدیمی است که در زمان امپراتوری روم استفاده می‌شد. با این حال، از دوره روم تا اواسط قرن بیستم، به‌دلیل کم بودن تقاضا، قابلیت استفاده و نبود تولیدکنندگان کابل‌ها، پارچه‌های مخصوص و اتصالات قادر به مقاومت در برابر نیروهای تولید شده، پیشرفت‌های فناوری کمی داشت. تنها پس از انقلاب صنعتی و تحریک عصر فوردیسم، تحولات جدید توانسته‌اند نیازهای ذاتی این سیستم ساختمانی را برآورده سازند.

هزینه کم تولید انبوه و تقاضا برای سیستم‌هایی که قادر به سازگاری با زمین‌های متنوع با زمین‌های بزرگ مانند چادرهای سیرک، تکمیل کننده این تکنیک است.

در اواسط قرن گذشته، ناپایداری‌های ناشی از استفادۀ کابل‌های درهم‌تنیده و پوشش‌های بسیار سبک و در نتیجه نواقص سازه‌ای در مدل‌های قبلی حل شد. این کار با کمک سیستمی از کابل‌های فولادی و پارچه‌های الیافی همراه با پایداری بسیار بالا، لایه‌هایی از پوشش‌های ضد آب، محافظ در برابر اشعه ماوراء بنفش، جلوگیری از رشد قارچ، جلوگیری از آتش سوزی و امکان شفافیت و بازتاب بیشتر یا کمتر را فراهم کرد.

چنین پیشرفتی فقط به لطف مطالعات فیزیکی-ساختاری آغاز شده توسط معمار و مهندس آلمانی فرای اتو انجام شد، کسی که از دهه 1950 اولین مطالعات علمی و اولین کارهای مسقف‌سازی بام را با استفاده از کابل‌های فولادی پرتنش همراه با پارچه انجام داد.

اوتو به‌عنوان یک آموزنده، از دفتر «فرد سِوِرُد» بازدید کرد، جایی که رالی آرنا را در کارولینای شمالی دید و تحت تأثیر زیبایی‌شناسی جسورانه و راحتی مساعد پروژه قرار گرفت. در آلمان، او به کشف مدل‌های فیزیکی کوچک‌مقیاس و با ایجاد زنجیره، کابل‌های کشیده‌شده و غشاهای الاستیک، چندین سطح تجربی تولید کرد. او با اطمینان از کاربرد سقف‌های پرتنش، اولین پروژۀ بزرگ‌مقیاسش را با استفاده از این سیستم توسعه داد که بعدها آن را در پروژه‌هایی مانند استادیوم‌های المپیک، کلوپ‌ها، باغ وحش‌ها و غرفه‌ها نیز به‌کار برد. در سال 1957 او مرکز توسعه ساخت‌وسازهای سبک را در برلین تأسیس کرد. هفت سال بعد، در سال 1964، انستیتوی سازه‌های سبک را در برلین در دانشگاه اشتوتگارت آلمان ایجاد کرد.

سازندۀ پروژه‌های قابل توجهی بود که  در آن به آزمایش‌ها و اصلاحات فنی پرداخت؛ برای نمونه پاوین آلمان در اکسپو 1967 مونترال و نیز استادیوم المپیک مونیخ در سال 1972. این معمار به‌خاطر کارهای تحقیقاتی عمیق خود مشهور است و در سال 2006 با مدال طلای سلطنتی (RIBA Royal) و جایزه معماری پریتزکر   2015مورد تقدیر قرار گرفت.

همچنین فری اتو مسئولیت نخستین کتاب جامع در مورد سازه‌های کششی را برعهده دارد – “Das Hangende Dach” (1958) – و ایدۀ ابداع مجدد عقلانیت مواد، پیش‌ساختگی، انعطاف‌پذیری و درخشندگی بیشتر نور در فضای داخلی و حتی پایداری را تقویت کرد که هنوز در معماری کاربرد دارد.

سه دسته‌بندی اصلی در زمینه سیستم‌های سازه‌های کششی وجود دارد: سازه‌های کششی چادری (membrane tensioned structure)، مش کشیده‌شده (mesh tensioned) و سازه‌های پنوماتیک (pneumatic structures). اولین دسته، مربوط به سازه‌هایی است که در آن‌ها چادر (یا غشاء) توسط‌ کابل‌ها نگه داشته می‌شوند و این امکان را فراهم می‌کند تا تنش‌های کششی را از طریق فرم خاص خود توزیع کند. دستۀ دوم، سازه‌هایی هستند که نیروهای اصلی را به شبکه‌های کابلی وارد می‌کنند و آن‌ها را به عناصر جداگانه‌ای دیگری مانند ورق‌های شیشه یا چوب منتقل می‌کنند. در دستۀ سوم، غشاء محافظ با فشار هوا متکی هستند.

از نظر سازه‌ای، سیستم با ترکیبی از سه عنصر سازمان می‌یابد: پارچه‌ها (غشاءها)، سازه‌های صلب مانند قطب و دکل‌ها. پارچه‌ها (غشاء‌ها) PVC روکش‌شده با الیاف پلی‌استر، سهولت بیشتری در تولید و نصب کارخانه دارند. هزینه کمتر و ماندگاری حدود 10 سال.

پارچه (غشاء) با روکش PTFE و الیاف شیشه‌ای از دوام بالاتری نزدیک به 30 سال برخوردار است. مقاومت بیشتر در محیط (آفتاب، باران و باد)؛ با این حال، آن‌ها به مهارت کارگران نیاز دارند.

در این سیستم دو نوع تکیه‌گاه وجود دارد: مستقیم و غیرمستقیم. تکیه‌گاه‌های مستقیم آن‌هایی هستند که ساختمان مستقیم بر روی آن قرار می‌گیرد. در حالی که نوع دوم از نقطه‌ای شاخص مانند دکل تنظیم می‌شوند.

کابل‌ها، وظیفۀ توزیع تنش‌های کششی و سخت شدن پارچه‌ها را دارند و طبق عملی که انجام می‌دهند، به یکی از دو روش زیر دسته‌بندی می‌شوند: بارهای متحمل‌شونده و تثبیت‌شونده؛ اما هر دو نوع کابل به‌طور معمول متقاطع، نیروهای دوسویه را تقویت می‌کنند و از تغییر فرم جلوگیری می‌کنند. کابل‌های باربر، آن‌هایی هستند که مستقیما بارهای خارجی را دریافت می‌کنند، در بالاترین نقاط نصب می‌شوند. از طرفی کابل‌های تثبیت‌کننده، وظیفۀ تقویت کابل‌های باربر را بر عهده دارند و کابل‌های باربر را به‌طور مرتب عبور می‌دهند. با استفاده از یک کابل تثبیت‌کنندۀ محیط می‌توان از اتصال کابل‌های تثبیت‌کننده به زمین جلوگیری کرد. علاوه بر این، نام‌گذاری برخی از کابل‌ها، با توجه به موقعیت‌شان تولید می‌شوند. خط‌الرأس کابل به بالاترین نقطۀ کابل می‌رسد؛ در حالی که کابل‌های پایینی در زیر کابل‌های دیگر ثابت هستند؛ کابل‌های شعاعی، کابل‌های تثبیت‌کننده حلقه‌مانند هستند. کابل‌های خط‌الرأس از بارهای گرانشی پشتیبانی می‌کنند، در حالی که کابل‌های پایینی از بارهای ناشی از باد پشتیبانی می‌کنند.

https://www.archdaily.com/887462/tensile-structures-how-do-they-work-and-what-are-the-different-types