۱۶
بهمن

سازه چادری: مفاهیم، روش‌ها و پیشرفت‌ها

سازه چادری: مفاهیم، روش‌ها و پیشرفت‌ها

ملاحظات طراحی و روش‌های اجرایی رایج برای سازه‌های چادری کششی در این مقاله با توجه به یک پروژه جدید (پارک دالتون، بخش درهام، انگلستان) مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. رفتار غیر خطی پارچه، جابه‌جایی‌های بزرگ و استفاده از عملکرد غشایی برای تحمل بارها، به رویکردی اساسا متفاوت در طراحی سازه‌ای در مقایسه با سازه‌های پوشاننده متداول نیاز خواهد داشت. مزایای طراحی، ساخت، نصب و نگهداری سازه‌های چادری با درک بهتر مشخصات متریال پارچه‌ای ممکن می‌شود. یک برنامه تحقیقاتی در حال اجرا در دانشگاه نیوکاسل قصد دارد نحوه عملکرد سازه‌های چادری با رویکرد معماری را به‌دقت مورد ارزیابی قرار داده و از دانش به دست آمده برای بهبود شیوه‌های طراحی بهره ببرد. حوزه‌های تحقیقاتی شامل تست دو محوری مشخصات داخل صفحه متریال، خزش، برش، بسط یک روش آنالیز برمبنای ضریب اطمینان و آنالیز نصب شبیه‌سازی شده است.

آلاچیق‌های چادری یکی از قدیمی‌ترین فرم‌های ساخت سرپناه است و برای هزاران سال به‌عنوان فرم‌های سنتی در ساخت‌وسازها مورد استفاده قرار گرفته‌اند. اگرچه، سازه‌های چادری مدرن که از مصالح مصنوعی و ترکیبی استفاده می‌کنند تنها ۳۰ سال است که مورد استفاده قرار می‌گیرند. یک غشای چادری به‌عنوان سازه و ساختار پوشاننده عمل می‌کند، در نتیجه با استفاده از آن وزن ساختمان، هزینه‌ها و تاثیرات زیست‌محیطی روند ساخت‌وساز کاهش می‌یابد. پارچه‌هایی که در آثار معماری مورد استفاده قرار می‌گیرند عموما دارای رشته‌های فایبرگلاس با روکش پلی تترا فلوئور اتیلن (PTFE) و یا رشته‌های پلی استر با روکش پلی وینیل کلراید (PVC) است. مقدار سختی خمشی و فشاری آن‌ها قابل چشم‌پوشی است. بنابراین سازه‌های چادری با انحنای کافی طراحی می‌شوند تا بارهای محیطی به صورت نیروهای کششی در داخل صفحه پارچه تحمل شوند. این امر با نحوه عملکرد سازه متداول سقف‌ها در تناقض است، سازه‌هایی که در آن‌ها بار معمولا از طریق رفتار قوسی فشاری و یا از طریق سختی خمشی تحمل می‌شود. فرم هندسی پارچه آلاچیق در توانایی آن برای تحمل بارهای کششی وارده تاثیر بسیار زیادی خواهد داشت. برای مقاومت در برابر نیروها بالابرنده و نیروهای رو به پایین (عموما بر اثر بار باد و برف) سطح آلاچیق باید دارای انحنای مضاعف و پیش‌تنیده باشد. عموما فرم‌های مخروطی یا زین اسبی به دلیل این که ذاتا شرایط ذکر شده را تامین می‌نمایند، برای دستیابی به این حالت مورد استفاده قرار می‌گیرند. سازه‌های چادری برای کسب اطمینان از این موضوع که پارچه در هر شرایط بارگذاری تحت کشش قرار خواهد گرفت و همچنین به منظور کاهش میزان خیز، پیش‌تنیده می‌شود. وزن پایین پارچه باعث می‌شود که نیروی گرانش یا بار ناشی از وزن خود سازه اغلب قابل چشم‌پوشی باشد. در نتیجه، سازه‌های چادری کششی غالبا نسبت به سایر روش‌های ساخت رایج برای دهانه‌های بزرگ از نظر سازه‌ای کاراتر و مقرون به‌صرفه‌تر خواهند بود.

شرایط تکیه‌گاهی نقش بسیار مهمی در تعیین فرم سازه و نحوه توزیع نیروها دارد؛ در حالت ایده‌آل بهتر است پیش‌تنیدگی یکنواخت بر پارچه اعمال شود. برای دستیابی به این حالت فرم پارچه باید به صورت یک سطح مینیمال تعریف گردد. در گذشته تحقیقات بسیاری بر روی سازه‌های غشایی با استفاده از حباب صابون برای دستیابی به سطوح مینیمال صورت گرفته است، پروسه‌ای که با عنوان فرم‌یابی شناخته می‌شود. یک سطح مینیمال نقاط محیطی را با کوچک‌ترین سطح ممکن به یکدیگر متصل می‌نماید و در کلیه نقاط از تنش‌های کششی داخل صفحه یکسان برخوردار است. با این حال سطوح مینیمال واقعی با هر محدوده محیطی قابل تعریف نخواهند بود. به‌عنوان مثال، دو حلقه با قطرهای متفاوت عموما برای شکل دادن به یک فرم مخروطی مورد استفاده قرار می‌گیرند. هر چقدر فاصله میان حلقه‌ها افزایش یابد سطح مینیمال باریک‌تر می‌گردد: و سرانجام به نقطه‌ای می‌رسیم که یک حباب صابون/ سطح مینیمال نمی‌تواند میان حلقه‌ها تشکیل گردد. یک سطح شبه مینیمال می‌تواند برای یک غشای پارچه‌ای تعریف گردد، اگر تنش‌های افزایش یافته قابل قبولی در محدوده‌هایی که حباب صابون در آن نقاط دچار گسیختگی می‌گردد، ایجاد شود. این امر محدودیت‌های موجود در زمینه تعداد فرم‌های قابل ساخت را کاهش می‌دهد. اگرچه، با فاصله گرفتن فرم‌های دلخواه از فرم سطوح مینیمال، تغییرات تنش افزایش یافته و سازه کارایی کم‌تری خواهد داشت.

طراحی سازه‌های چادری روندی پیچیده است، این پیچیدگی به دلیل واکنش پیچیده بافت روکش‌دار پارچه به بارهای دو محوره در داخل صفحه است. رفتار غیرخطی متریال، جابه‌جایی‌های بزرگ و استفاده از عملکرد غشایی برای تحمل بارها به رویکردی اساسا متفاوت در طراحی سازه‌ای در مقایسه با سازه‌های پوشاننده متداول نیاز خواهد داشت.

سازه‌های هوانشین جایگزینی برای سازه‌های چادری پیش‌تنیده هستند. وزن قابل چشم‌پوشی پارچه این امکان را فراهم می‌آورد تا با فشار داخلی که اندکی بیشتر از فشار محیط است، سقف نگه‌داری شود. راهکاری پر بازده برای نگه‌داری سقف بدون نیاز به عناصر سازه‌ای نگهدارنده دیگر. اختلاف فشار جزیی ذکر شده برای ساکنین نامحسوس خواهد بود و حفظ کردن آن نیز کاری آسان است.

فرم های مشخصی که عموما با استفاده از سازه‌های چادری به دست می‌آیند، عامل محبوبیت آن‌ها از طریق خلق آثار معماری با بیانی جسورانه هستند. همواره باید ارتباطی تنگاتنگ میان معماران و مهندسین وجود داشته باشد به دلیل این که فرم‌های قابل اجرای سازه چادری به وسیله شرایط تکیه‌گاهی خود محدود می‌شوند. فرم‌یابی باید به‌طور هم زمان با طراحی معماری پیش برود.