هادی صفری گرجی

کارشناسی ارشد مهندسی عمران گرایش سازه    دانشگاه سمنان  _ 

 

چکیده

سازه های تنسگریتی TENSEGRITIES که به سازه کش بستی نیز معروف هستند ، گونه ای از سازه های فضاکار هستند که متشکل از یک سری عناصر کابلی و یک سری عناصر فشاری می باشند . عناصر کابلی یکسره و ممتد هستند ولی عناصر فشاری خیر.

این سازه ها به دلیل دارا بودن مزایای بیشماری چون سبکی، زیبایی، کارآیی، قابلیت باز و بسته شدن و تطبیق پذیری با نیروهای ایجاد شده در سازه در سال های اخیر، توجه بسیاری از معماران، مهندسین، ریاضیدانان و متخصصین بسیاری از علوم دیگر را به خود جلب نمودند. اما به علت پیچیدگی نسبی و البته عدم آشنایی معماران با این نوع سازه در ایران علاوه بر اینکه نمونه قابل توجه ای از سازه تنسگریتی وجود ندارد، منابع بسیار محدود و مختصری نیز در ارتباط با آن در اختیار می باشد.

 

مقدمه

ساخت سازه های تنسگرینی مانند بافتن می باشد. همانگونه که تار و پود پارچه بهم بافته می شوند تا یک سازه منسجمی را به وجود بیاورند برای ساخت سازه های تنسگریتی لازم است تا اجزا به صورت تارو پود بهم بافته شوند. این نمونه سازه‌ها به دلیل هندسه پیچیده آن سعی بر ساده سازی آن شده است. بنابراین از مدول های دو ، سه ، چهار و غیره برای ساخت چنین سازه هایی استفاده می کنیم یکی از مدول پایه این نوع سازه ها که در بیشتر سازه های کش – بستی ساخته شده مدول سه وجهی آن است که از سه عضو فشاری و ۹ عضو کششی تشکیل شده است. که در شکل (1) نشان داده شده است.

شکل (1) مدول سه وجهی

کاربرد این سازه به دلیل دارا بودن مزایای بی شماری چون کارایی ، قابلیت گسترش ، تطبیق پذیری با تنش ها و نیروهای ایجاد شده در سازه ، همچنین قابلیت مدل سازی آسان و امکان ساخت در ابعادمختلف به دلیل استفاده از مدول پایه ، روز به روز در حال فزونی می باشد . ضمن آنکه بقای مناسب سیستم در صورت عدم عملکرد مناسب یک المان سازه ای ، این سازه را در دسته سازه های هوشمند قرار می دهد. شروع کاربرد این سیستم در تندیس سازی و مجسمه سازی و کاربرد های آن در طراحی صنعتی و ساخت اشیا تزئینی و کاربردی ، اندیشه استفاده از این سیستم را در معماری مطرح نمود تا آنجا که آثار زیبایی با استفاده از این سیستم ساخته شد که قدمی دیگر در غیر مادی کردن دیوارها و مصالح و از بین بردن مرز درون و بیرون تلقی گردید. نمونه ای از یک المان ساخته شده با این سازه در شکل (2) آورده شده است.

شکل(2) المان ساخته شده با سازه تنسگریتی

 

1- سازه تنسگریتی :

به طور کلی سازه تنسگریتی نوعی ساختار خرپایی سه بعدی پایدار ، متشکل از کابل ها و عناصر فشاری است که در آن کابل ها به صورت ممتد ، ولی عناصر فشاری منقطع و معلق هستند زمانی که کشش و فشار در یک مجموعه رابطه هم ارز و متعادل پیدا می کند ، مقاومتی پایدار پدید می آید، که تنسگریتی نامیده می شود [1]. با توجه به اینکه کشش جریانی دائمی و به صورتی پیوسته و فشار، ناپیوسته و منفصل در این سازه ها عمل می کند ، فولر بر این باور است که کشش و فشار به صورت دو نیروی در خلاف جهت یکدیگر نیستند بلکه مکمل یکدیگر بوده و با هم به تعادل می رسند ، به نحوی که این نیرو همیشه در طبیعت در کنار یکدیگر دیده می شوند . در واقع اگر دو مداد را به صورت صلیبی بر روی هم قرار دهیم و حلقه ای از کش این مجموعه را کاملا در برگرفته و آن را فشرده سازد ، اولین و ساده ترین شکل یک سازه تنسگریتی به دست می آید[2]. نمونه ای از سازه تنسگریتی با پوشش پارچه در شکل (3) نشان داده شده است.

    

شکل(3) سازه تنسگریتی با پوشش پارچه

 

2- انواع سیستم های تنسگریتی:

در حقیقت ساختارهای تنسگریتی ، مدل های تکامل یافته ای از سیستم های بافته شدهweaving   می باشند . این بافت ها به طور کلی به دو نوع بافت های مسطح با شبکه های عمود بر هم و یا بافت های مورب سه طرفه دسته بندی می شوند بر این اساس انواع مختلف سیستم های تنسگریتی بر گرفته از مدل های فوق به 5 دسته زیر تقسیم می شوند شکل (4).

1- استفاده از پیمودن x  و رسیدن به شبکه های مثلثی

2- استفاده از منشورهای سه وجهی و ایجاد شبکه مثلثی

3- استفاده از منشور با پیمودن چهار وجهی

4- استفاده از منشور با پیمودن پنج وجهی

5- استفاده از منشور با پیمودن شش وجهی

شکل (4) انواع سیستم های سازه تنسگریتی 

گونه دیگری از تقسیم بندی سازه های تنسگریتی ، مدل تحلیلی ارائه شده توسط موترو ، یکی از نظریه پردازان دراین زمینه می باشد که براساس آن سه مدل ذیل قابل تفکیک است. [3].  

الف- گره بر گره

در این مدل یک گره از یک مدول با یک گره از مدول دیگر موجب اتصال اجزای سیستم می گردد نمونه هایی از گونه ساختاری را می توان در منشور دو جانبه و هرم کریستالی درشکل (5)مشاهده نمود.

شکل (5) منشور دو جانبه و هرم کریستالی

 

ب- گره بر کابل

در این مدل اتصال بین گره ای از یک مدول با کابلی از مدول دیگر صورت می پذیرد . نمونه هایی از این ساختار را می توان در شکل (6) مشاهده نمود.

شکل (6) مدل گره بر گره

 

ج- کابل بر کابل

این روش با اتصال دو کابل از دو مدول متفاوت با یکدیگر و ایجاد یک گره بدون اعضای فشاری به وجود می آید .

 

3- ویژگی ها و خصوصیات سازه تنسگریتی

تجارب حاصله در چند دهه گذشته در کنار مزایای بی شمار این سیستم نسبت به سازه های سنتی موجب رشد و توسعه بیشتر این سیستم سازه ای گشته است . از جمله این مزایا می توان به موارد زیر اشاره نمود :

1- کارایی :

با توجه به اینکه در سازه های سنتی ، کارایی اصلی مصالح سازه ای انتقال بارهای وارده می باشد سازه تنسگریتی با دارا بودن عناصر فشاری که به دقت در محل خود واقع شده اند و انتقال بارهای مذکور ، مقاومت لازم برای سیستم را فراهم می آورد[4].

2- قابلیت گسترش :

سازه های صلب دارای تحرک و جابجایی اندک و محدودی می باشند ، لکن در سازه های تنسگریتی با توجه به اینکه عناصر فشاری به صورت غیر ممتد می باشند ، جابجایی و تغییر مکان در این سازه ها با حداقل عناصر سازه ای امکان پذیر می باشند این امر به خصوص در ساخت بهینه دکل های مخابراتی تاثیر بسزایی دارد.

3- تطبیق پذیری :

وجود پیش تنش های موجود در سازه تنسگریتی ، امکان تعدیل سختی در سازه را به طراح می دهد و در حقیقت رفتار سازه در مقابل نیروهای مختلف خارجی ، همچون طبیعت سازه تطبیق پذیر می باشد . [5].

4- قابلیت مدل سازی آسان :

با توجه به قوانین طراحی سازه های تنسگریتی و اینکه سازه در مقابل هر نیرویی قرار گیرد ، انتقال نیروها در آن به صورت کشش و فشار می باشد ، لکن مدل سازی المان های باربر در این سازه ها براساس استانداردها و به صورت ساده امکان پذیر می باشد .

5- بقای سیستم :

عملکرد سازه ای المان های موجود در سیستم های تنسگریتی و چگونگی انتقال بار در آن ها به نحوی است که در صورت عملکرد نامناسب یک المان انتقال نیروها به سادگی از طریق سایر اعضا صورت گرفته و امکان ادامه عملکرد سازه ای سیستم را فراهم می سازد و این ویژگی سازه های تنسگریتی را در دسته سازه های هوشمند قرار می دهد.

6- مقیاس پذیری :

وجود مدول پایه در هندسه سازه های تنسگریتی امکان ساخت آن را در ابعاد گوناگون با قابلیت سازه ای مناسب فراهم می سازد

مطالعه موردی سازه های تنسگریتی:

 

گنبد جورجیا:

این سازه عظیم که بزرگترین گنبد کابلی ساخته شده تاکنون می باشد به علت استفاده از هندسه سه وجهی ، متفاوت با طرح های پیشین است . سیستم آن به علت عدم نیاز به حلقه های مدور برای زمین فوتبال مناسب بوده و وزن کمتری دارد و بارهای متقارن را بهتر تحمل می نماید.

شکل (7)گنبد جورجیا

این گنبد در پلان از دو حلقه نیم دایره که در مرکز به وسیله مقاطع پروانه ای شکل جدا می شوند ، تشکیل شده است.پره های دو حلقه نیم دایره ای با یک خرپای مسطح که 56 متر طول دارد به هم متصل شده اند یک حلقه بیضوی فشاری برای تحمل نیرو های فشاری و خمشی به دلیل ترکیب غیر مدور گنبد طراحی شده است.در شکل (8) جزئیات این گنبد نشان داده شده است.

شکل (8) جزئیات گنبد جورجیا

بخش الحاقی موزه لوور:

بخش الحاقی موزه لوور یکی از مشهور ترین نمونه های ساخته شده با استفاده از سازه های فضا کار است که سطحی برابر 60000 متر مربع را اشغال می کند . ظرافت شگفت انگیز و بدیع این ساختمان حاکی از پیشرفت فناوری و عینیت بخشیدن به رویاهای مدرنیسم در طول دهه 1980 است . سازه فضا کار این هرم متشکل از عناصر فشاری به صورت لوله ای (اعضای فوقانی و اعضای جان ) و کابل های کششی (اعضای تحتانی ) می باشد. در شکل (9)بخش الحاقی موزه لوور آورده شده است.

شکل (9) بخش الحاقی موزه لوور

نتیجه گیری :

سازه تنسگریتی نوعی ساختار خرپایی سه بعدی پایدار ، متشکل از کابل ها و عناصر فشاری است که در آن کابل ها به صورت ممتد ، ولی عناصر فشاری منقطع و معلق هستند. کاربرد این سیستم در ایران عمدتا مختص به ساخت المان ها و تندیس های مجسمه وار شده است . از دیگر نتایج حاصل از بررسی و تحلیل سازه های تنسگریتی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1- انعطاف پذیری موجود در فرم سازه های تنسگریتی موجب می گردد تا سیستم  با محدودیت های طبیعت زمین محل ساخت چون توپوگرافی ، طبیعت خاک ، چشم انداز و مواردی از این قبیل سازگار باشد. 

2- این سیستم، با به تعادل رساندن کشش و فشار در برابر نیروهای وارده مقاومت می کند .

3- با دارا بودن خصایصی چون تطبیق پذیری و قابلیت گسترش ، سازه به راحتی توانایی مطابقت با نیازهای فضایی، سیرکولاسیون، و عملکرد را فراهم می سازد.

4- به حداقل رساندن عناصر سازه ای در سازه های تنسگریتی، موجب کاهش هزینه ساخت و تعمیرات در ساخت این سیستم می گردد.

 

منابع:

[1]- Arsenault, Marc; Gosselin, M. Cl’ement, (2008), Kinematic and static analysis of a 3-PUPS spatial tensegrity mechanism,Mechanism and Mashine Theory, Quebec, Canada

[2]- مور، فولر. 1385. درک رفتار سازه‌ها. ترجمه محمود گلابچی. تهران: دانشگاه تهران

[3]- Motro R. (1999) Special issue on form finding of tension structures, International Journal of Space Structures, England, 14(2),pp.73–154

[4]- Bendsoe M.,Kikuchi N., (1998) Generating optimal topologies in structural design using homogenization method , journal of computer methods in applied mechanics and engineering.

[5]- Chan W., Arbelaez D., Bossens F., Skelton R., (2004) March Active vibration control of a three-stage tensegrity structure,in: SPIE 11th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials. San Diego.