سازه های تنسگریتی، Tensegrity structures

سازه های تنسگریتی، Tensegrity structures

سازه های تنسگریتی، Tensegrity structures

سیستم‌های کش‌بستی یا ساختار کششی و فشردگی یا سازه تنسگریتی واژه‌ای ابداعی است که از ترکیب دو واژه «Integrity» و «Tension» ایجاد شده است و به این معنی است که یکپارچگی این گروه از سازه‌ها، بسته به تعادل کشش‌های داخلی است.

سازه‌های تنسگریتی شامل رشته‌ها (در کشش) و میله‌هایی (در فشار) هستند. رشته‌ها، قوی، سبک و انعطاف‌پذیر هستند. بنابراین سازه‌های تنسگریتی سبک و در عین حال قوی و انعطاف‌پذیرند.

به تعبیر فولر که یکی از نخستین تعاریف را عرضه داشته، ساختار تنسگریتی جزایری از فشار در داخل دریایی از کشش هستند. تنسگریتی یک سیستم سازه‌ای است که بخاطر عناصر فشاری متمایز که داخل یک شبکه کششی شناور است، شناخته شده است. این جذاب‌ترین گزاره در سیستم‌های پویاست، زیرا چنین ساختارهایی به طور خودکار، موقعیتی از تعادل پایدار را ایجاد می‌کنند، با یک پیکربندی که انرژی الاستیکی ذخیره شده را به حداقل می‌رساند. سازه‌های تنسگریتی، امکان حرکت با حداقل هزینه انرژی، بدون از دست دادن پایداری و مقاومت را فراهم می‌کند. در مقایسه با ساختارهای زیست‌شناختی نشان می‌دهد که هر دو خواص ارتجاعی و غیرخطی، با حرکت سیال‌مانند دارند که نتیجه یکپارچگی تمام اجزاست.

ساختارهای تنسگریتی به لحاظ مکانیکی پایدار هستند که این نه به دلیل قدرت تک تک اعضا، که بخاطر شکل توزیع کل ساختار و تعادل ساختارهای یک دسته شامل گنبدهای ژئودزیک ابداعی باکمینستر فولر می‌شوند که اساساً از اعضایی ساخته شده‌اند که هر یک می‌توانند کشش یا فشار را تحمل کنند. اعضایی که قاب را شکل می‌دهند، به مثلث‌ها، پنج ضلعی‌ها، یا شش ضلعی‌هایی متصل می‌شوند که هر عضو طوری قرار گرفته که است که هر اتصال به یک مکان ثابت محدود می‌شود و از این طریق پایداری کل سازه را تضمین می‌کنند. دسته دیگر سازه‌های تنسگریتی دربرگیرنده آنهایی می‌شوند که خود را به صورت پیش‌تنیده پایدار می‌سازند. این نوع سازه فضاکار سه بعدی پایدار، متشکل از کابل‌ها و عناصر فشاری است، که در آن کابل‌ها ممتد ولی عناصر فشاری غیرممتد هستند و با یکدیگر اتصالی ندارند. این سیستم به وسیله مجسمه‌سازی به نام کنث اسنلسون در سال ۱۹۴۸ابداع شد. اسنلسون، چندین قطعه را بر اساس هندسه سازه کش‌بستی تکمیل کرد و «باکمینستر فولر» آن را توسعه داد. پایداری این گونه سازه‌ها در اثر نگهداری میله‌های فشاری بین یکسری کابل در جهات مختلف به دست می‌آید. در مجسمه‌های باشکوه اسنلسن موافه‌های تشکیل‌دهنده که می‌توانند تنها کشش را تحمل کنند، از آنهایی که تنها فشار را می‌توانند تحمل کنند، متمایز هستند. این ویژگی باعث اطلاق این ساختارهای تنسگریتی به تنسگریتی کلاسیک شده است. در این ساختار حتی قبل از آنکه یکی از اجزا در معرض یک نیروی بیرونی قرار گیرد، تمام اعضای ساختاری آماده پذیرش کشش یا فشار هستند. کشش ممتد و فشار غیر ممتد و استحکام از مهم‌ترین ویژگی‌های سیستم سازه‌ای تنسگریتی است. سیستم تنسگریتی بیشتر بر اساس کارامدی عناصر کششی و در درجه دوم بر اساس کارآمدی عناصر فشاری طراحی می‌شود.

تاریخچه

معماران و مهندسان همواره در پی یافتن راه حل‌های جدید برای حل مسئله فضاهای محصور بوده‌اند. با صنعتی‌شدن و توسعه دنیای مدرن تقاضا برای استفاده از سازه‌های با دهانه‌های بزرگ افزایش یافت. تا اواسط قرن ۱۸ مصالح اصلی در دسترس برای معماران و مهندسان، سنگ، چوب و آجر بود. سنگ و آجر در برابر فشار، مقاوم ولی در برابر کشش ضعیف بودند، به همین دلیل برای سازه‌های سه‌بعدی مثل گنبدها و طاق‌ها مناسب بودند.

با وقوع انقلاب صنعتی، گسترش تولید آهن و سپس فولاد، امکان تولید مصالح با مقاومت زیاد، ساخت ساختمان‌های با ارتفاع بیشتر و دهانه‌های وسیع‌تر فراهم شد. همزمان، تقاضا جهت سازه‌های با دهانه وسیع برای پل‌ها، ایستگاه‌ها، ساختمان انبارها و کارخانه‌ها افزایش یافت. در ابتدا مجموعه‌ای از خرپاهای متنوع شکل گرفت و در مراحل بعد سازه‌های مشبک فضایی سه بعدی به وجود آمدند. بسیاری از فرم‌های سازه‌ای به ویژه اغلب شبکه‌های فضایی از مدول‌هایی تشکیل شده‌اند. نظریه ساخت ساختمان‌های مدولار تقریباً ۱۵۰ سال قبل، با طراحی، ساخت و نصب قاب‌های فلزی کریستال پالاس در هاید پارک لندن شکل عملی یافت. سازه‌هایی مانند برج ایفل که از آهن شکل داده شده ساخته شد، دلیلی بر پایداری و دوام سازه‌های فلزی سه بعدی مدولار به شمار می‌روند. دردهه ۵۰ و ۶۰ سیستم‌های مشبک فضایی در تمام دنیا مورد استفاده قرار گرفت. در آمریکا ریچارد باکمینستر فولر (۱۸۹۵- ۱۹۸۱) در پی مطالعاتی که در مورد نحوه اتصال تعدادی از کره‌ها به یکدیگر انجام داد، به سیستم خرپای هشت‌وجهی دست یافت. پس از آن استفاده از ساختارهای کش‌بستی یا تنسگریتی کاربرد بیشتری یافت، و اصول آن در ساخت ورزشگاه‌ها و سالن‌های عظیم تا تولیدات صنعتی و مبلمان مورد استفاده قرار گرفته است.

عنکبوت در بافتن تار به گونه‌ای عمل می‌کند که پایداری لازم را در مقابل نیروی حشرات و باد داشته باشد. برای بافتن تار پس از امتداد یک رشته از تارها، رشته دیگر به گونه‌ای رشته اول را قطع می‌کند که اشکال چند وجهی باکمینستر فولر را به نمایش می‌گذارد. نمونه جالب در پیروی از الگوی تنسگریتی در طبیعت را می‌توان در مراحل و فرایند تبدیل کرم ابریشم به پروانه مشاهده کرد. در مدلسازی فیزیکی که در کارگاه آموزشی دانشگاه علم و صنعت از این روش برای طراحی سیستم‌های تنسگریتی استفاده شده، چهار مرحله طراحی در نظر گرفته شده است:

  • اول پوسته‌ای طراحی می‌شود تا توانایی احاطه مدل ساخته شده را داشته باشد.
  • دوم اجزای سازه‌ای تک تک وارد پوسته می‌شوند تا توپولوژی مدنظر حاصل شود. وقتی که این امر اتفاق می‌افتد، این موقعیت را فراهم می‌آورد، که در پوسته کوتاه‌ترین فواصل بین عوامل سازه‌ای روی سطح پوسته کشیده‌تر شوند در حالی‌که بخش‌های دیگر در میان بخشهای گفته شده شل به نظر می‌رسند.
  • برای اینکه سازه از حالت سازه سطحی خارج شده، و به سازه تنسگریتی تبدیل شود، گام سوم از این فرایند مدلسازی، اضافه کردن گره‌های خطی بین گره‌های عوامل سازه‌ای است. پوسته می‌تواند به طور ایمن و بدون خطر افتادن از زیر شبکه کششی جدید، برداشته شود. این مرحله چهارم از فرایند مدلسازی، انتقال از هندسه بسته پوشیده و پوسته ایبه خرپای فضای، با تبدیل پیله کرم ابریشم به پروانه مقایسه شده است. استفاده از روش پیله کرم ابریشم برای مدلسازی سازه‌های تنسگریتی استاندارد ثابت کرده است که روش مدلسازی ساده و آسانی است. پوسته خارجی، شکل کلی سازه تنسگریتی را در روند استفاده از روش پیله کرم ابریشم تعیین می‌کند و این امکان را بیان می‌کند که این روش می‌تواند برای ایجاد فرم خلاقانه این سیستم مورد استفاده قرار گیرد. مزایای استفاده از روش پیله کرم ابریشم در مدلسازی سازه‌های تنسگریتی در مقایسه با شیوه‌های رایج اینست که هندسه اولیه در داخل پوسته به راحتی قابل دستیابی است به این سبب که عوامل سازه‌ای به راحتی داخل پوسته درگیر می‌شوند و در نتیجه موقعیت‌های خود را تغییر نمی‌دهند. موقعیت‌هایی که باعث عملکرد بهتر فرم و ایجاد شبکه کششی در خارج پوسته می‌شود. عدم استفاده از این روش، تلاش مضاعفی را برای نگه داشتن اجزای سازه، به منظور جلوگیری از فروپاشی نیازمند است.

یکی از کاربردهای تنسگریتی در ساخت گنبدهای تنسگریتی است.

مزایای استفاده از گنبدهای تنسگریتی به اختصار عبارتند از:

  • پیش ساختگی و سرعت در اجرای سازه: زمان لازم برای اجرای یک سقف حدود یک پنجم زمان لازم برای اجرا با سایر سیستم‌های سازه‌ای است. بهره‌گیری از تیرهای با طول یکسان و اتصال ساده در ساخت سازه موجب صرفه جویی در صرف زمان خواهد شد. چونکه مدول‌های فشاری دارای اندازه‌های یکسان و از پیش تعیین شده است، کافیست که این اجزای فشاری در محل به یکدیگر نصب شوند. اتصال آنها نیز اکثراً از طریق گوی‌های کروی به راحتی انجام می‌شود.
  • افزایش سختی: به علت توزیع نیروها بین عناصر گسیختگی و شکست بین اجزا به سادگی اتفاق نمی‌افتد. حتی در این صورت مسیر نیرو دوباره تشکیل شده و نیرو بین سایر اعضا تقسیم می‌شود.
  • سبکی و کاهش بار مرده سازه: از آنجا که سیستم سازه‌ای شبیه سیستم پوسته‌های بتنی، خرپا و اسکلتی صلب و سنگین نمی‌باشد. بار مرده ناشی از وزن سازه و بار زنده استاتیکی تا حد امکان کاهش می‌یابد.
  • قابلیت ارتجای بسیار بالا: همان طور که از نام سیستم کش بستی پیداست، عناصر کششی بر اثر نیرو و فشار وارده از خود انعطاف نشان داده و مرتجع می‌شود، تا از این طریق نیروها را تقسیم کند.

کاهش هزینه‌های ساخت و هزینه تمام شده: می‌توان ساختار تنسگریتی را به عنوان سقف‌های غشایی در نظر گرفت که به جای اینکه فشار هوا آنها را نگه دارد، توسط خرپا حمل می‌شوند. حذف سیستم دمنده هوا و درهای گردان مخارج این سقف‌ها را در مقایسه با سقف‌های هوایی کاهش می‌دهد.

مقامت در برابر نیروها و پایداری بالا: سازه‌های فضاکار، سیستم‌هایی با بازدهی سازه‌ای بالا و ایمن می‌باشد، زیرا هر یک از اعضای آن متناسب با مقاومت خود، بار وارده را تحمل می‌کنند. بارهای وارده از طریق کوتاه‌ترین مسیر به تکیه گاه‌های مختلف و متعدد منتقل می‌شوند. بیشترین بارها از طریق مقاوم‌ترین اعضا به تکیه‌گاه‌ها منتقل می‌شوند. با حذف تعدادی از اعضا، ایستایی و پایداری سازه فضاکار از بین نمی‌رود، زیرا این امر باعث تعیین دوباره جریان نیروها می‌شود و اعضا، متناسب با مقاومت یا سختی شان نیروهای اضافی را به طور مشترک تحمل می‌کنند. این افزایش مقاومت ذاتی دلیل تعادل پایدار سازه فضاکار است، حتی هنگامیکه بار اضافی به آنها وارد شود.

کاهش نیروی کار مصرف شده در متر مربع بنا: از آنجا که روال کار از پیش تعیین شده و مشخص است، احتیاج به نیروی کار (به ویژه نیروی متخصص) کمتری است. نیروهای غیرمتخصص نیزبا آموزش‌های کوتاه مدت توان لازم را کسب می‌کنند. در واقع با حذف نیروی کار اضافه، موجب صرفه اقتصادی می‌شود.

قابلیت برنامه ریزی و کنترل بهتر: با توجه به تکراری بودن سیکل کار که هر قسمت توسط گروهی معین انجام می‌شود. رفع وقفه در کار به سرعت انجام شده و سهولت کنترل پروژه را سبب می‌شود.

مقاومت در برابر بار باد و برف: در گنبدهای تنسگریتی که به گنبدهای با خیز کم نیز نام برده می‌شود، امکان استفاده از فرم‌های منحنی با ارتفاع کم عملی شد و در نتیجه برآیند نیروی ناشی از باد و انباشتگی برف کمتر شده و سطح بیرونی ساختمان نیز کمتر می‌شود.

از دیگر کاربردهای تنسگریتی در معماری و شهرسازی و کشاورزی و مهندسی و به طور کلی علوم مختلف می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

پوشش بهینه فضاهای گسترده و با مقیاس بالا نظیر انبارها، گلخانه‌های زمین‌های کشاورزی، سایت‌های تاریخی، ایستگاه‌های قطار، فضاهای باز شهری، حفاظی برای جلوگیری از ورود پرندگان به مکان‌های خاص و موارد متعدد دیگر. نکته جالب و امری که فراگیر بودن کاربرد تنسگریتی را نشان می‌دهد استفاده این سیستم ساخت در طراحی و اجرای میز و صندلی و لامپ‌ها و به طور کلی معماری داخلی است که تصاویر آنها در زیر آورده شده است. سازه‌های تنسگریتی به عنوان یک ساختار و فرم پایدار در معماری طبیعت می‌تواند ادامه دهنده تفکر و حرکتی نو در زمینه تلفیق معماری و سازه به عنوان دو رکن تفکیک ناپذیر در ساختمان و معماری باشد. پدیده‌ای که در بطن طبیعت از سلولها و ژنها گرفته تا بدن جانداران بلندقامتی مثل زرافه نهفته است. بنابراین ساختار تنسگریتی باید بیش از این مورد توجه معماران و مهندسین قرار گرفته و با مطالعه بیشتر در این زمینه نسبت به نحوه تعمیم و توسعه چنین ساختار خارق العاده‌ای در هنر مهندسی که همانا مطلوب همگان است، راهکارهای مناسبی ارائه داد. این ساختار می‌تواند امکان طراحی و پاسخ به نیازهای اولیه و منطبق با معماری پایدار را فراهم کند. چرا که مهندس طراح با اضافه یا کم کردن عناصر و اجزاء مختلف آن به توسعه و پرورش عملکرد و فرم مورد نظر خود بپردازد. پس از این از آنجا که حاصل کار بر اساس یک ساختار سلولی و قاعده‌مند هندسی است، طراح این امکان را دارد که تیپولوژی بدست آمده را با توجه به پیشرفت در پروسه طراحی ویرایش کرده یا سیستم را تغییر دهد. با بینش صحیح و درک کامل از رفتار ساختمان و ویژگی‌های مصالح به همراه شناخت کافی از طبیعت و پدیده‌های موجود در آن نظیر آنچه که در مورد سازه‌های کش بستی در این مقاله شرح داده شد می‌توان به ادامه راه امیدوار بود.

منبع: ویکی‌پدیا، tensegriteit ،IEE Xplore Digital Library

تهیه‌کننده: محبوبه پوریوسفی