سازه های غیرخطی از لحاظ هندسی

بررسی دلایل چرایی لزوم سبک وزن بودن!
سازه های سبک وزن نوین – که می توانند از جنس بتن، فولاد، کابل، سنگ، چادر، فویل و... باشند- دارای خواص غیرخطی، انعطاف پذیر، دارای دهانه های بلند، بسیار موثر و سازگار با محیط زیست می باشند. با کمک آنها می توان سازه هایی خلق نمود که اصطلاحا سر به آسمان می سایند! در سازه های سنتی با رفتار خطی بارها با کمک سختی المان های ستون، تیر و دیوار تحمل می گردند. ولی در سازه های سبک غیرخطی که صرفا تحت کشش یا فشار قرار می گیرند نکته کلیدی یافتن شکل سرتاسری بهینه سازه می باشد. با دستیابی به شکل مطلوب می توان با حداقل مصرف مصالح به حداکثر اندازه دهانه ممکن دست یافت، در غیر این صورت مشکلات بعدی پدیدار می گردند.
البته در واقعیت تمامی سازه ها کمابیش رفتار غیرخطی دارند ولی تحلیل های ساده تر خطی در مورد اکثر طراحی های متعارف مهندسی جواب هایی با دقت مناسبی را ارائه می دهد. با این حال در مورد سازه های سبک وزن جدید انجام تحلیل های دقیق تر و اصطلاحا موشکافانه تری لازم است.
حال باید دید اصولا تفاوت تحلیل خطی و غیرخطی در چیست؟ یکی از مهم ترین نکاتی که باید همواره به ذهن سپرد این است که در تحلیل های خطی معادلات تعادل نیروها بر مبنای هندسه اولیه سازه بدست می آیند. ولی در تحلیل های غیرخطی معادلات تعادل نیروها بر اساس هندسه تغییرشکل یافته وضع خواهند گردید. حال مشکل اینجاست که تا زمان بدست آوردن نیروها از میزان تغییر شکل ها اطلاعی در دست نیست و از طرف دیگر نیز تا زمانیکه میزان تغییر شکل ها مشخص نباشد استنتاج نیروها نیز مقدور نمی باشد. بنابراین تمامی تحلیل های غیر خطی نیاز به عملیات تکرار و سعی و خطا دارند که این نیاز توسط نرم افزارهایی با سرعت و قدرت حافظه بالا مانند Oasys GSA می تواند برطرف گردد.
مجموعه نرم افزاری Oasys GSAبرای طراحی سازه های صرفا کششی و پوسته ای شبکه ای بسیار موثر است. با انجام آنالیز در حین ساخت و یافتن فرم بهینه توسط این نرم افزارها فقط انجام وظیفه طراحی برای مهندسین باقی می ماند.
توانایی این نرم افزار در یافتن شکل بهینه و نیز قابلیت تحلیل مواد پوسته ای به یافتن شکل بهینه سازه کششی کمک کرده و نیز باعث می شود سازه در مقابل بارهای اعمالی مقاومت کرده و نیز با خصوصیات شدیدا غیرخطی مواد پارچه ای سازگار باشد و از مشکلاتی مانند چین خودگی سطحی و جمع شدن آب اجتناب گردد.
کابل ها:
درحالیکه سازه های دارای عملکرد خطی با سختی خمشی خود در مقابل بارهای جانبی مقاومت می کنند، سازه های سبک کششی با عملکرد غیرخطی و با تغییر شکل در مقابل نیروهای اعمالی تعادل را برقرار می سازند.
یک کابل منفرد بارگذاری شده یا Catenary (قوس زنجیری) – منحنی ای که فرض می شود یک زنجیر یا کابل وقتی که صرفا تحت اثر نیروی وزن خود بوده و فقط در دو انتهای خود دارای تکیه گاه است به آن دست پیدا می کند - توسط نیروی ثقلی یا سایر نیروهای اضافی مانند عرشه پل بصورت خارج از صفحه تعادلش را برقرار می سازد. با این وجود این قبیل سازه ها کماکان در معرض تغییر شکل های جانبی ایجاد شده بر اثر باد یا عبور پیاده ها می باشند. راه حل این مشکل (که البته معمولا برای پل ها این روش مرسوم نیست) تقسیم کابل ها به جهت های مختلف می باشد تا جابجایی در یک جهت توسط کابل ها در زوایای دیگر تحمل گردد. این گونه سازه ها در طبیعت مرسوم بوده و بارزترین آنها تارهای تنیده شده توسط عنکبوت می باشد.
اگر این شبکه کابلی افقی بوده و تحت بارگذاری قرار گیرد تغییر مکان آن جهت مقابله با بارهای ثقلی رو به پایین و لزوما به شکل قوس زنجیری) (Catenary خواهد بود. اما زمانی که با نیروهای بالابر مواجه هستیم مشکل کماکان باقی است. عموما مکش توسط وزن خود سازه تحمل می گردد ولی این نیروی مقاوم بطور بالقوه در سازه های سبک وزن دارای حداقل مقدار خود بوده و راه حل ارائه شده بدین صورت است که کابل ها در برخی جهات برای مقابله به نیروی ثقلی رو به پایین و در برخی جهات دیگر جهت مقابه با نیروهای بالا برنده رو به بالا خم می گردند. این سطح هذلولی شکل با انحنای مضاعف ویژگی مشخصه بسیاری از شبکه های کابلی بوده و بطور طبیعی شکل آن در تمامی جهات ایجاد سختی می نماید.

اکنون این سوال پیش می آید که این سطح با انحنای مضاعف چه شکلی خواهد داشت؟ یک مثال فوق العاده در این زمینه ورزشگاه المپیک لندن 2012 می باشد. (رجوع شود به تصویر فوق)
سازه های پاشامی(چادری یا پارچه ای): Fabrics
Otto معمار آلمانی با ارائه سازه سقف ورزشگاه المپیک مونیخ 1972 پیشتاز عرصه دانش و مهندسی در زمینه سازه های پاشامی می باشد. با کنار نهادن معماری سنگین زمان جنگ آلمان نازی وی سبک جدیدی در معماری را با استفاده از حداقل وزن ممکن ابداع نمود. سازه مزبور با به حداقل رساندن مصرف مواد و رسیدن به حداکثر شفافیت ممکن به این مهم نائل گردیده است. سازه های پاشامی مانند مواد بافته شده هستند و به همین دلیل اندرکنش زیادی بین اجزا آنها (همانند تار و پود بافتنی ها) رخ می دهد. بنابراین این سازه ها نسبت به برقراری تعادل پیش تنیدگی اولیه در دو جهت اصلی حساس هستند. و اگر میزان پیش تنیدگی اولیه در یک جهت خیلی بیشتر از جهت دیگر باشد تمامی سازه دچار چین خوردگی می گردد. در صورتی که سازه پاشامی اصلاح شده در معرض تنش یکنواخت بوده و تنش های نامتعادل فقط ایجاد چین خوردگی سطحی می نمایند.
سازه پاشامی نیاز به نوعی تکیه گاه لبه ای دارد که همزمان صلبیت عنصری مانند تیر و انعطاف پذیری عنصری مانند کابل را دارا باشد. با وجود این لبه انعطاف پذیر میزان انحنای کابل ها به تعادل در میزان تنش اولیه بین کابل و پارچه وابسته می گردد. انجام صحیح این عمل توسط نرم افزار Oasys GSA تاثیر شگرفی بر روی جنبه هندسی و زیبایی شناسانه سازه پاشامی خواهد داشت.

نوع دیگر سازه های پاشامی سازه های ساخته شده با فویل می باشند. فویل ها صفحات پلاستیکی همگنی هستند که از موادی مانند ETFE (نوعی پلیمر با خاصیت کششی مناسب) ساخته شده و در سازه های نمادینی مانند مکعب آبی المپیک بیجینگ 2008 استفاده می گردند. فویل ها عموما بصورت بالشتک های حبابی بکار رفته و هر پانل پوشاننده سطوح خارجی شامل دو یا سه لایه جداگانه بوده و کل این مجموعه توسط هوای فشرده نگهداری می گردند. بارهای وارده بعلت نیروی باد بر روی یک سطح، توسط هوای موجود در سطح مقابل تحمل می گردند و بنابراین کل مجموعه کماکان در کشش باقی می ماند و برای اجتناب از بارهای ناشی از برف نیز هوای داخل بالشتک ها را می توان گرم نمود. برخلاف سازه های پاشامی، فویل ها دارای مقاومت برشی قابل ملاحظه ای برخوردار هستند و برای رسیدن به فرم نهایی خود می توانند تا آستانه تسلیم نیز پیش روند.

تصویر مکعب آبی بیجینگ چین

سازه های تحت فشار:
تا اینجا فقط به سازه های صرفا کششی پرداخته شد و اکنون مقوله فشار هم به آن اضافه می گردد.
شکل های آشنای سازه های صرفا فشاری شامل قوس ها، پوسته ها، پوسته های شبکه ای و نیز دیوار می باشند. برخلاف سازه های تحت کشش صرف که می توانند جهت برقراری تغییر شکل متحمل تغییرشکل گردند، سازه های صرفا فشاری بدلیل خطر احتمالی کمانش از چنین مزیتی برخوردار نیستند. و این موضوع ساخت سازه های مصالح بنایی که ظرفیت خمشی آنها –صرف نظر از عناصر فشاری الحاقی خارجی - بسیار ناچیز و گاها در حدصفر می باشد را با احتمال خطر زیادی همراه می سازد. به عنوان نمونه در کلیساهای جامع قدیمی برای برطرف کردن این نقیصه اجبارا از طاق های مایل استفاده می گردید. ولی اکنون در Gaudi’s Sagrada Familia در بارسلونا ، از ستون های مایل استفاده شده تا فقط در فشار باشند و از واکنش های افقی که موجبات نیاز به طاق های مایل را فراهم می سازد اجتناب گردد. نتیجه نهایی کار نیز بسیار طبیعی تر به نظر می رسد.
Tensegrityسازه های کش-بستی
روال اصولی طراحی سازه فشاری بصورت فراهم آوردن گروهی از سازه ها بر مبنای Tensegrity می باشد. اصطلاحی که توسطBuckminster Fuller ابداع گردیده است. برای این اصطلاح تعاریف مختلفی ارائه گردیده از جمله:
- هندسه الهی.
- جزیره فشاری در اقیانوسی از کشش.

اولین پل ساخته شده در جهان با استفاده از این شیوه طراحی می باشد. این پل توسط گروه Brisbane’s Kurilpaطراحی گردید. (تصویر پایین صفحه) با کمک نرم افزار که برای همین کدنویسی شده بود Arupمهندسین
چیدمان کش-بستی بکار رفته در کابل ها و پشت بند های معلق موجود که کنار و روی عرشه پل مزبور آویزان هستند به سایبان آن اجازه می دهد بدون هیچ تکیه گاه مشهودی روی عرشه پل بصورت شناور بنظر برسد.
مدیر اجرایی شرکت Oasys که در لندن قرار دارد چنین بیان کرده که: استفاده از ایده کش-بست نمودن در یک سازه عظیم برای مهندسین و معماران در حد یک هدف نهایی مقدس می باشد. و اتمام موفقیت آمیز پل Brisbane’s Kurilpa نشان دهنده اولین نمونه معتبر جهانی می باشد. ازینکه نرم افزار ارائه شده توسط شرکت ما ابزاری انعطاف پذیر و کارا برای مهندسین جهت ایجاد یک راه حل جدید را فراهم کرده مشعوف می باشیم.

ترجمه شده توسط تیم خبری 808

منبع:+