24
آوریل

سازه های کابلی

سازه‌های کابلی

‌ عضو سازه ای انعطاف پذیر را کابل می گویند.  هر آنچه که قطرش نسبت به طولش کم باشد را می توان کابل قلمداد کرد. بنابراین اصطلاح کابل می تواند در برگیرنده کابل (رشته های در هم تافته) و عناصر صلب (میله) باشد. در سیستم های ساختمانی نمونه های کابل عبارت است از : میله های فولادی سیم به هم بافته از هفت مفتول یا بیشتر (سختی بالا انعطاف پذیری کم)، کابل بهم بافته از هفت سیم (انعطاف پذیری مناسب سختی پایین).

یکی از ساده ترین فرم های سازه ای که در آن اجزا عمدتا تحت کشش خالص قرار می گیرند سازه های متکی به کابل است. سازه هایی از این نوع می توانند سازه های ساده ی نگهداشته شده توسط طناب و سیم و یا سیستم های بام و پل های معلق بزرگ نگه داشته شده توسط کابل باشند.

سازه‌های کابلی در واقع دارای یکی از خالص‌ترین رفتارهای سازه‌ای هستند. به طوری که تنش‌های وارد شده بر این نوع از سازه‌ها تنها به صورت فشاری و کششی است. تنش‌های داخلی در این سازه ها فقط به صورت فشار و کشش مستقیم است‌. ‌اگر بار دیگری به آن اضافه شود‌، شکل بارگذاری تغییر کرده و به صورت سه بخش که هر یک قسمتی از بار را تحمل می‌کنند‌، تقسیم می‌شود. بارهای اضافی دیگر تعداد تقسیمات را افزایش داده تا به فرم منحنی کامل که عمل توزیع را بر عهده دارد‌، تبدیل نشود‌. در هر حال کابل فقط تحت کشش است.‌ در این نوع سیستم اعضای اصلی که همان کابل‌ها هستند به صورت کششی عمل می کنند. این سازه‌ها برای طراحی پل‌ها‌، پوشش دهانه‌های بزرگ‌، سقف‌ها و … مورد استفاده قرار می‌گیرند‌. ساده‌ترین مثال از یک سازه کششی یک وزنه آویخته از یک کابل است‌، وزنه دقیقاً در امتداد کابل ساکن می‌شود. در حالی که بین دو نقطه اتصال به صورت کشش در یک خط راست قرار می‌گیرد.

در این نوع از سازه‌های کابلی یک دکل قائم یا مایل به صورت متقارن یا نامتقارن وظیفه مهار نیروها‌ی کششی کابل‌ها و تبدیل آنها به تنش فشاری و انتقال آن به پی را بر عهده دارد. یک ترکیب کاربردی‌ تر، سازه‌ ای کابلی ما بین دو تکیه  گاه برای تحمل باری معلق در وسط دهانه است. در زیر چنین باری کابل از وسط خم می­‌شود و هر تکیه  گاه نیمی از وزن بار را تحمل می ‌کند. با توجه به این که وزن کابل در برابر بار وارده ناچیز است، کابل شکل V به خود می­‌گیرد. نیروی کششی در کابل از طریق بار وارده و شیب کابل محاسبه می­‌شود. نیروی کشش در کابل معمولاً برابر برآیند مؤلفه­‌های عمودی و افقی نیروی عکس‌­ العمل است.

معمولاً نیروهای کابلی نسبت عکس با خیز دارند، به عبارت دیگر با کاهش طول کابل، قطر آن افزایش می‌یابد. یک کابل کوتاه با حداقل خیز به علت وجود نیروهای کششی بسیار بزرگ به قطر زیادی نیاز دارد. بر عکس این حالت یک کابل با خیز بسیار زیاد می‌تواند قطر کوچکی برای تحمل نیروهای کششی کم داشته باشد که کاملاً طولی عمل می‌کند.

‌رفتار سازه‌های کابلی‌

کابل‌ها به سبب سختی اندک خود در مقابل تغییر مکان‌های بزرگ تحت اثر بارهای متمرکز و تاثیرات دینامیکی از خود ضعف نشان می‌دهند. ‌پاسخ آنها بدون توجه به خطی بودن بارها ‌یا رفتار مواد در مقابل نیروهای پیش تنیدگی ‌یا بارهای کاری همواره غیرخطی است‌. نیروهای پیش تنیدگی به صورت عامل اصلی در تعادل استاتیکی سازه ایفای نقش کرده و باعث تثبیت سازه می‌شوند و موجبات سختی آن را در مقابل خیز بیشتر فراهم می‌سازند. رفتار فیزیکی هر سازه کششی در حین اعمال بار را می‌توان به سه مرحله اصلی تقسیم نمود.

  1. ‌مرحله گسترش
  2. ‌مرحله پیش تنیدگی
  3. ‌مرحله سرویس دهی

مرحله گسترش که در آن سیستم کابل از حالت فشرده اولیه باز شده و به وضعیت شروع کرنش می‌رسد‌. در مرحله پیش تنیدگی سیستم کابل تحت اثر نیروهایی از قبیل بار مرده‌، فشار هوا‌ یا دیگر بارهای ثابت به حالت تعادل اولیه می‌رسد‌. ‌در مرحله سرویس دهی سیستم کابل کاملاً پیش تنیده در معرض بارهای زنده مختلف ‌یا بارهای‌ دینامیک نیز قرار می‌گیرد.

انواع سازه‌های کابلی

طراحی سازه‌های کابلی بیش از هر چیز بر‌اساس سیستم تار عنکبوت انجام می‌شود. سبکی، مقاوم بودن و تحمل بارگذاری تعیین شده، از جمله دلایلی است که معماران بر‌اساس تار عنکبوت این سازه را خلق می‌کنند. در دوران قدیم، چادرها و پوشش‌های سقفی همانند پوشش دور آمفی تئاترها از جمله نمونه‌های اولیه آن بودند. اما بعدتر، نمونه‌های مدرنی به این روش ساخته شدند از جمله:

  • پل‌های معلق
  • فرودگاه‌هایی مثل فرودگاه جده
  • برج‌ها و آسمان خراش‌های کابلی مثل بانک هنگ‌کنگ
  • زمین‌های ورززشی مثل پیست دوچرخه سواری یا استادیوم‌های فوتبال
  • ترمینال‌ها

البته در بعضی از نمونه‌ها، وجود سازه کابلی در آن‌ها بیشتر کاربرد تزئینی دارد و در برخی دیگر هم، از سازه‌ کابلی به خاطر مزیت‌هایی که دارد استفاده شده است. مثلا در استادیوم المپیک مونیخ، سیستم سازه‌ای سقف آن موسوم به کابل مضاعف بوده و همانند سازه‌های چادری عمل می‌کند.

دلایل استفاده از سازه کابلی ‌

  • خالص‌ترین رفتار سازه‌ای را دارد‌ ( فقط نیروی کششی را تحمل می‌کند‌).
  • از تمام مقاومت خود بهره می‌ برند.
  • فرم آن‌ها خود به خودی شکل گرفته و فرمی پر بازده است‌. (‌فرم طبیعی)
  • انعطاف پذیرند و خود را با بار تطبیق می‌دهند‌.
  • تولید صنعتی فولاد
  • امکان ایجاد پوشش سبک روی دهانه‌های بزرگ (‌در دهانه کوچک غیر اقتصادی هستند)

مزایا و معایب سازه‌های کابلی

  • ‌این نوع سازه‌ها معمولاً سبک وزن بوده و به آسانی می‌توان آنها را حمل‌، نصب و تخریب کرد.
  • می‌توان آنها را در کارخانه در مقیاس انبوه ساخت‌، هزینه نصب آنها اندک است و می‌توان آنها را از جایی به جای دیگر انتقال داد.
  • در سازه‌های متکی به هوا‌، مکانیزم اصلی محل بار‌، همان محیط اطراف یعنی مخلوطی از گازهای تحت فشار است.
  • بارهای محیطی به وسیله تنش مستقیم و بدون خمش حمل می‌شوند.
  • عضوهای این نوع سازه‌ها تحت اثر بارهای وارد تغییر شکل می‌دهند تا تاثیرات مقدار و الگوی بار را بهتر پذیرا باشند.
  • از مهم ترین معایب سازه های کابلی عدم تحمل نیروهای خمشی است. این عامل باعث شده که این سازه ها در مقابل باد و زلزله بسیار آسیب پذیر باشند.
  • این سازه ها همچنین در مقابل لرزش و ارتعاشات ضعیف هستند.

 

تحلیل استاتیکی قطعات و سیستم‌های سازه‌های کابلی‌

کابل‌های فولادی یکی از مصالح ساختمانی هستند که امروزه برای پوشش فضاهای وسیع از آنها استفاده می‌شود و ‌پدیده‌ای نسبتاً جدید به شمار می‌آیند. سازه‌های کششی به سبب سختی اندک خود در مقابل تغییر مکان‌های بزرگ تحت اثر بارهای متمرکز و تاثیرات دینامیکی از خود ضعف نشان می‌دهند. پاسخ آنها‌، بدون توجه به خطی بودن بارها ‌یا رفتار مواد، در مقابل نیروهای پیش تنیدگی و‌ بارهای زنده وارده، همواره غیر خطی است.‌ نیروهای پیش تنیدگی یکی از عوامل اصلی در تعادل استاتیکی سازه بوده و باعث تثبیت سازه و موجب سختی آن در مقابل خیز بیشتر می‌شوند.

رانش در سازه‌های کابلی

خيز يك سازه زنجير واره، رانش افقی ايجاد شده را تعيين می‌كند. خيز كمتر،‌ رانش بيشتر‌. در بيشتر كابل‌های زنجير واره كه برای سازه سقف ساختمان‌ها به كار می‌روند نسبت خيز به دهانه ۱:۸ تا ۱:۱۰ است. برای بار متمركز كه در وسط دهانه وارد می‌شود‌، خير مناسب ‌در حدود ۵۰ در‌صد طول دهانه است. برای بار يكنواخت روی يك كابل سهمی شكل‌، خير مناسب ‌تقريباً ۳۳ در‌صد طول دهانه است.

چندنمونه از مهمترین سازه های کابلی جهان

  • پیست دوچرخه‌سواری معلق هلند

این پیست دوچرخه‌سواری که در شهر آمستردام هلند ساخته شده، از جمله سازه‌های مدرن مشهور دنیاست. این پیست دوچرخه‌سواری، به دلیل معلق بودنش در معرض وزش شدید باد قرار دارد. به همین خاطر نیز، ضربه‌گیر، تنظیم کننده هوا با فرکانس بالا و تنظیم کننده هوا با فرکانس پایین برای آن تعبیه شده است. دکل اصلی این سازه حدود 70 متر ارتفاع دارد که از این دکل، کابل‌هایی آویزان گشته‌اند. کابل‌های آویزان در واقع اسکلت اصلی آن‌جا را تشکیل می‌دهند و کشش وارده را از دکل به چهار عدد پی قرار گرفته در زمین انتقال می‌دهند.

  •  
  • موزه هنر میلواکی

در سال 2001 معمار معتبری با نام «کالاتراوا» موزه هنر شهر میلواکی را طراحی نمود. این موزه در 5 طبقه ساخته شده که 4 طبقه آن، به عنوان الحاقات این ساختمان شناخته می‌شود و بدنه این الحاقات، شبیه یک کشتی طراحی شده است.

طبقه موسوم به «پاویلیون» هم سالنی بزرگ دارد که دورتا دور آن با دیوارهای شیشه‌ای در بر گرفته شده است. پی این ساختمان بسیار ضخیم کار شده و دهانه‌ای 18 متری دارد. یکی از مهم‌ترین مسائلی که حین طراحی این بنا با آن روبرو بوده‌اند، وزش بادهای شهر میلواکی بوده است. وجود 17 قاب فولادی از پیش ساخته شده در این ساختمان، در حالیکه توسط کابل‌های ضخیمی به هم وصل شده‌اند، این مساله بزرگ را حل کرده است. بدون شک موزه هنر ميلواکی از برجسته‌ترين آثار معماری سانتياگو کالاتراوا محسوب می‌شود که ترکيبی متنوع و پيچيده از معماری و سازه است. در اين بنا هم سقف‌های مواج و متحرک موجود است‌، هم پلی معلق و زيبا و هم نورپردازی‌های خلاقانه. درمجموع، اين شاهکار در زمره برترين آثار معماری جهان قرار می‌گيرد، هر چند اين عنوان را در سال ۲۰۱۱ نیز از ديدگاه مجله TIME کسب کرد و در همان سال در نظرخواهی عمومی وب سايت جايزه معماری پرايتزکر، بيشترين آرا را به خود اختصاص داد، اما در پايان، گلن مورکات استراليايی جايزه مذکور را از آن خود کرد.