سازه کششی چیست؟ معرفی ویژگی‌های انواع سازه غشایی

سازه کششی (Tensile Structures) که به آن سازه غشایی نیز گفته می‌شود، یکی از پیشرفته‌ترین سیستم‌های پوششی معماری معاصر است که در آن با بهره‌گیری از رفتار کششی مصالح، سازه‌هایی با دهانه‌های بزرگ طراحی و اجرا می‌شود. پایداری این سیستم از طریق پیش تنیدگی غشا، کابل‌ها و اجزای نگهدارنده دیگر تأمین می‌شود که منجر به حداقل مصرف مصالح خواهد شد. بنابراین بر خلاف اغلب سازه‌های متداول که بر مقاومت فشاری یا خمشی استوار هستند، این سازه سبکی کارآمدتر را برای پروژه‌های نیازمند به پوشش سبک فراهم می‌کند.

امروزه با توجه به پیشرفت‌های اخیر در حوزه تولید منسوجات مهندسی شده، غشاهای پلیمری و مصالح کامپوزیتی، طول عمر سازه های کششی به چندین دهه افزایش پیدا کرده و شرایط اجرا به عنوان یک پوشش دائمی را در اختیار معماران و طراحان می‌گذارد. در نتیجه کاربرد سازه های غشایی و چادری در موارد مختلفی چون پارکینگ ماشین، انواع سایبان، پوشش استادیوم و ورزشگاه‌ها و… گسترده شده است. به نحوی که انواع فرم‎‌های متنوع آن بخشی از معماری مدرن و البته هویت بصری پروژه‌های مختلف و نوین هستند.

سازه کششی چیست؟

یک سازه غشایی نوعی سیستم سبک وزن است که در آن بارهای وارد بر سازه از طریق نیروی کششی موجود در غشا پارچه‌ای، کابل‌ها و المان‌های انعطاف پذیر منتقل می‌شوند. به این شکل پارچه‌های سازه چادری دائماً تحت کشش قرار دارند و تنها با تکیه بر دکل‌ها، کابل‌ها و نقاط مهاربندی مختلف، شکل پایدار خود را حفظ می‌کند. پس بر خلاف سازه‌های سنتی که وابسته به تیرها و اعضای صلب هستند، این سیستم مدرن از هندسه دو انحنایی، تعادل نیروهای کششی و فشاری برای دستیابی به ساختاری مستحکم استفاده می‌کند.

چنانچه بخواهیم پوشش‌های کششی را از دیدگاه معماری بررسی کنیم، می‌توان آن را حاصل ترکیبی از مهندسی سازه، علم مصالح و طراحی فرم دانست. به عبارت دیگر هندسه غشا بر اساس توزیع بهینه تنش‌ها تعیین و شکل نهایی آن در نتیجهٔ فرم‌یابی تشکیل می‌شود. از همین روی اغلب فرم‌های سازه کششی به صورت زین اسبی، خیمه‌ای و سطوح آنتی کلاستیک هستند. زیرا ضمن برخورداری از نمای ظاهری زیبا و خاص، عملکرد و  پایداری بسیار بالایی برای کل سازه به همراه دارند.

تاریخچه سازه های کششی در معماری

شاید بتوان خاستگاه و تاریخچه سازه‌ پارچه‌ای را مرتبط با نخستین سرپناه‌های ساخته شده به دست بشر دانست. انسان‌هایی که  هزاران سال پیش، با آغاز زندگی کوچ نشینی در مناطق مختلف جهان چون آسیای مرکزی، خاورمیانه، آفریقا و آمریکای شمالی، فضاهایی سرپوشیده را با کمک پارچه و طناب ایجاد کردند. این سازه‌های چادری اولین نمونه‌های کاربردی ناشی از عملکرد کشش غشا و مهاربندی در کنار یکدیگر بودند.

در دنیای مدرن اما توسعه علمی سازه های کششی در قرن بیستم شکل گرفت. جایی که یک مهندس و معمار آلمانی با نام Frei Otto با تحقیقات در حوزه فرم‌های طبیعی مانند تار عنکبوت، حباب‌های صابونی و غشاهای زیستی، تحولی در طراحی این نوع سازه‌ها ایجاد کرد. در ادامه با گسترش هر چه بیشتر صنعت سازه چادری، پروژه‌های قابل توجهی از جمله پروژه مشهور ورزشگاه المپیک مونیخ در سال 1972 اجرا شدند که تأثیر عمیقی بر معماری و مهندسی سازه در سراسر جهان گذاشتند.

اجزای سازه غشایی را بشناسید!

بر خلاف تصور عموم مبنی بر ساختار ساده سازه کششی، این سیستم تنها یک اسکلت فلزی و پوشش پارچه‌ای ساده نیست! بلکه سازه‌های فوق ترکیبی از بخش‌های مختلف هستند که عملکرد صحیح و پایداری سیستم وابسته به همکاری اصولی آن‌ها در کنار یکدیگر است. در حقیقت پارچه نقشی به عنوان سطح باربر، کابل‌های فولادی به عنوان عناصر انتقال نیرو، ستون و دکل‌ها نیز در نقش نگهدارنده اجزای فشاری قرار دارند که با همراهی مجموعه‌ای از اتصالات و تجهیزات پیش تنیدگی، کل سازه را تشکیل می‌دهند. بنابراین حذف یا ضعف عملکردی هر یک از این اجزا، می‌تواند منجر به فروپاشی تعادل تنش‌ها و پایداری تمام آن باشد.

پارچه یا غشای کششی

پوشش سطحی یا همان غشا، مهم‌ترین بخش از این سازه‌ها محسوب می‌شود که وظیفه اصلی تحمل  و انتقال بارهای محیطی را بر عهده دارد. بنابراین معمولاً با الیاف بافته شده و دارای پوشش سطحی پلیمری یا معدنی تقویت شده اجرا می‌شوند. از پرکاربردترین این منسوجات مهندسی شده، می‌توان به پارچه PVC (پلی استر با روکش (PVC، پارچه‌های PTFE یا فیلم‌های ETFE اشاره کرد که هر یک دارای خصوصیات مکانیکی و فیزیکی منحصر به خود هستند.

دلیل اصلی استفاده از چنین منسوجاتی در سازه کششی، نسبت مقاومت به وزن بالای آن‌هاست که در حین تحمل تنش‌های کششی، وزن بسیار اندکی دارند. به همین جهت در مقابل اشعه فرابنفش خورشید، رطوبت، بارش‌های سنگین، خوردگی و تغییرات دمایی بسیار مستحکم هستند. علاوه بر آن خاصیت نوری غشاهای فوق، امکان کنترل بیشتر بر نور طبیعی، ایجاد فضاهای نیمه روشن و کاهش مصرف انرژی را به همراه دارد.

کابل‌های فولادی

کابل‌های فولادی ستون فقرات سازه غشایی را می‌سازند. چرا که این بخش قابلیت انتقال نیروهای کششی به تکیه‌گاه‌ها را دارد و تغییر شکل‌های سازه را در محدوده مجاز کنترل می‌کند. در نتیجه اغلب با رشته‌های فولادی گالوانیزه یا فولاد ضد زنگ با مقاومت کششی بالا تولید می‌شوند تا صرف نظر از کنترل فرم سازه، انعطاف پذیری آن را هم حفظ کنند. پس علاوه بر انتقال بارهای مرده، در توزیع بارهای ناشی از برف، باران و باد نیز کاربردی هستند.

کاهش تنش در این کابل‌های فولادی می‌تواند منجر به معضلاتی چون چین خوردگی و چروک در سطح غشا، تغییر فرم کل سازه و به طور کلی افت عملکرد صحیح آن شود. از همین روی پیش تنیدگی اولیه کابل‌ها نقشی اساسی در پایداری هندسی سازه دارد. بنابراین مهندسان و طراحان، طراحی آن را با استفاده از تحلیل‌های غیرخطی و مدل‌سازی دیجیتال به دست می‌آورند تا میزان خطا به حداقل خود برسد.

ستون‌ها و سازه نگه‌دارنده

با اینکه سازه‌های پارچه‌ای به نیروهای کششی متکی هستند اما برای ایجاد تعادل در نیروهای وارد بر آن، همچنان به اعضای فشاری هم احتیاج دارند. به همین دلیل وظیفه آن بر عهده ستون، دکل، قوس و قاب‌های فولادی است تا نقاط مرتفع لازم برای شکل گیری فرم را فراهم کنند. همچنین میزان مقاومت و طراحی سازه فولادی باید به اندازه‌ای باشد که نیروهای وارد بر آن از کابل‌ها و غشا به فونداسیون منتقل شود.

در این بین هندسه و موقعیت ستون‌ها تاثیری مستقیم بر فرم نهایی سازه خواهد داشت. به نحوی که بسیاری از طراحان برای پروژه‌های شاخص خود از دکل‌های مایل یا ستون‌های مرتفع به منظور ایجاد سطوح انحنایی و افزایش کیفیت بصری استفاده می‌کنند. صرف نظر از نقشی که ستون‌ها به عنوان اسکلت سازه دارند، بخشی از بیان معماری پروژه نیز هستند و هویت فضایی آن را تشکیل می‌دهند.

اتصالات و تجهیزات نصب

بخش دیگر اجزای سازه‌های کششی، اتصالات و تجهیزات نصب آن است که انتقال ایمن نیروها میان غشا، کابل، ستون‌ها و فونداسیون را پشتیبانی می‌کنند. به همین دلیل طراحی و تولید آن‌ها یکی از حساس‌ترین بخش‌های مهندسی سازه محسوب می‌شود. اتصالاتی چون صفحات فولادی، گوشواره‌ها، بست‌های کابل، رینگ‌های محیطی و سایر تجهیزات مهاربندی از جمله ملزومات مهم سازه هستند که باید برای تحمل تنش‌های بالا و تغییر شکل‌های موضعی مقاوم باشند.

صرف نظر از این اتصالات، تجهیزات پیش تنیدگی چون سیستم‌های کشش کابل یا ترنباکل‌ها هم امکان تنظیم نیروهای داخلی را فراهم خواهند کرد. بنابراین کوچک‌ترین خطا در تنظیم اتصالات یا کشش کابل‌ها، نه تنها رفتار سازه را مختل می‌کند، بلکه طول عمر آن را نیز کاهش می‌دهد. در واقع  توزیع یکنواخت تنش‌ها، عملکرد کلی سازه را تعیین می‌کند. پس باید با نهایت دقت و تحت نظارت مهندسان متخصص، فرایند نصب و تنظیم سازه صورت بگیرد.

فرم های سازه کششی

برای انتقال نیروهای عمود بر سطح پارچه مانند بار باد به سمت بالا و بار برف به سمت پایین، می‌بایست در سطح پارچه انحنا‌هایی عمود بر هم ایجاد کرد. در ریاضیات فضایی به سطوحی که در هر نقطه دو انحنای عمود بر هم دارند، سطوح آنتی کلاستیک می‌گویند. سطوح انتی کلاستیک انواع متفاوتی دارند. در ادامه به بررسی 3 نوع از آن‌ها که بیشترین کاربرد را در سازه پارچه ای دارند، خواهیم پرداخت. به جرات می‌توان ادعا کرد که تمامی سازه های پارچه ای موجود در جهان ترکیبی از این سه نوع رویه کلی تشکیل می‌شوند.

سازه کششی با فرم زین اسبی (Hyperbolic):

در این نوع از سطوح بار وارده از طریق گوشه انتقال پیدا می کند. در این نوع سطوح دو گوشه به سمت پایین و دو گوشه به سمت بالا خواهد بود. گوشه های پایین نیروهایی به سمت بالا و گوشه های بالا نیروهایی به سمت پایین را انتقال خواهند داد. فرم های استاندارد سازه کششی شامل سایبان های با فرم شید، سایبان های با فرم کایت، پاگودا و قله دره می توان نام برد.

خیمه (Conic):

در این نوع از سطوح با استفاده از انحنا در سطح پارچه نیروها به دو سمت سطح انتفال پیدا می کند. این نوع از سطوح سال های زیادی است به عنوان سطوح باربر خیمه های موقت نیز کاربرد دارد. در این فرم تمامی بارها به سمت لبه پایینی و بالایی رویه انتقال پیدا کرده. و در نهایت از طریق اتصال به زمین یا ستون های میانی رویه مهار می شود. فرم های وارون، خیمه ، پارادایس و تترا از فرم های سازه چادری هستند. که دارای رویه به فرم خیمه می باشند.

آرک (Arch):

رویه آرک شباهت بسیار زیادی با زین اسبی دارد. با این تفاوت که گوشه های بالا و پایین در کنار همدیگر قرار می‌گیرند. این فرم از رویه در گذشته برای انتقال بار در سقف های سنتی طاق ضربی استفاد می‌شد. به دلیل استفاده زیاد از طاق ضربی به عنوان سقف راهرو ها در بناهای قدیمی این فرم با نمونه بنا های سنتی کشور تطابق بهتری خواهد داشت.

مزایای سازه های غشایی چیست؟

وزن کم و مقاومت بالا: توزیع بهینه نیروهای کششی و استفاده از مصالح مهندسی شده، منجر به امکان اجرای پوشش گسترده غشایی با دهانه بزرگ و وزن پایین می‌شود.

سرعت اجرای بالا: طراحی پیش مهندسی برخی از انواع مدل‌های سازه چادری ساینا، سرعت تولید و نصب را افزایش و مدت زمان اجرا را نسبت به سازه‌های سنتی کوتاه می‌کند.

زیبایی معماری: قابلیت طراحی اختصاصی سازه های غشایی در فرم‌های آزاد، منحنی و آنتی کلاستیک، امکان خلق فضاهایی شاخص و منحصر به فرد را در اختیار معماران می‌گذارد.

صرفه جویی در هزینه: سازه‌های پارچه‌ای نیاز کمتری به زیرسازی سنگین، مصالح گران قیمت و پر حجم داشته و در نتیجه هزینه اقتصادی‌تری در تولید و اجرا دارند.

مقاومت در برابر شرایط جوی: بهره‌مندی از پوشش‌های PVC و PVDF مقاومت، دوام و طول عمر بالایی را در برابر تابش UV، رطوبت، باد و تغییرات دمایی فصلی ایجاد می‌کند.

معایب سازه های کششی و چادری

نیاز به طراحی تخصصی: فرایند ساخت سازه کششی نیازمند تحلیل‌های پیشرفته، فرم‌یابی و محاسبات دقیق مهندسی که اجرای آن تنها توسط متخصصان مربوطه امکان پذیر است.

محدودیت در برخی دهانه‌ها: برخی از فرم‌های خاص و همچنین شرایط محیطی فضای پروژه‌هایی با دهانه‌های بزرگ، ممکن است نیازمند سیستم‌ نگهدارنده پیچیده‌تر و پرهزینه‌تر باشد.

هزینه نگه داری و شستشو: جلوگیری از آسیب به پوشش سازه، افزایش طول عمر و حفظ معیارهای ظاهری در گرو شستشو، سرویس و بازدید دوره‌ای آن در فواصل مشخص است.

کاربرد سازه کششی در کجاست؟

انعطاف پذیری بالای سازه‌های چادری در طراحی و قابلیت پوشش‌دهی گسترده آن با دهانه‌های بزرگ و بدون ستون مزاحم این امکان را فراهم می‌کند تا بتوان از آن در پروژه‌های مختلف معماری و عمرانی بهره‌مند شد. علاوه بر آن سازه کششی از وزن پایینی نسبت به دیگر مصالح برخوردار است. در نتیجه محدودیت‌های کمتری برای اجرا در طبقات فوقانی بنا‌ها به عنوان سایبان، آلاچیق و سقف روف‌گاردن دارد.

تنوع بالای فرم‌های قابل طراحی چون خیمه‌ای، کایت، زین اسبی و فرم‌های آزاد منجر می‌شود تا انتخابی بی‌نقص برای استفاده به عنوان المان دکوراتیو و عناصر فضاسازی نیمه باز نیز باشد. همچنین محبوب‌ترین پوشش حال حاضر در پارکینگ‌های روباز، مراکز تجاری، اداری، رستوران و کافه‌هایی است که نیازمند یک سایه‌بان مدرن و اقتصادی هستند. در واقع شرکت مهندسی ساینا با بهره‌گیری از بهترین متریال‌های اولیه و تخصص مهندسان مطرح، متناسب با هر پروژه‌ سازه‌ای ایده‌آل و کاربردی را تولید و نصب می‌کند.

اجرای سایبان پارکینگ ماشین و فضاهای عمومی

شاید بتوان پرکاربردترین حوزه استفاده از سازه غشایی را مربوط به سایبان ماشین و فضاهای عمومی دانست. چرا که در چنین مکان‌هایی هدف اصلی از ایجاد سایبان، مقاومت بالای آن در برابر تابش شدید خورشید و بارش‌های شدید برف و باران ناشی تغییرات فصلی است. هدفی که پارچه‌های تخصصی و مرغوب شرکت ساینا قادر به تأمین آن با بالاترین سطح مقاومت، کیفیت و زیبایی ظاهری قابل قبول هستند.

علاوه بر آن، اغلب پارکینگ‌های روباز خودرو با محدودیت در نصب و ستون گذاری مواجه هستند. به همین دلیل سازه های کششی این امکان را در اختیار طراحان می‌گذارند تا دهانه‌های وسیع را با حداقل ستون و بیشترین پوشش اجرا کنند. به این منظور فرم‌های آرک، کنسولی و زین اسبی کاربرد مناسبی برای دسترسی آسان به پارکینگ و حفظ ظرفیت بالای آن دارند. همچنین از نظر هزینه نیز به دلیل ساختار ساده‌تر و کمترین میزان مصرف پارچه، اقتصادی‌تر خواهند بود.

طراحی و ساخت انواع آلاچیق چادری و المان‌های دکوراتیو

امکان ایجاد فرم‌های منحنی و آزاد، بهترین ویژگی سازه‌های چادری برای طراحی و اجرای انواع آلاچیق پارچه‌ای و المان‌های دکوراتیو است. چرا که در محوطه باغ، ویلا، پارک و مجموعه‌های تفریحی، خلاقیت در طراحی سازه و نمای ظاهری متفاوت، حرف اول را می‌زند. بنابراین می‌توان با فرم‌های آلاچیق پیش مهندسی زین اسبی، مخروطی و یا ترکیبی به زیباسازی بصری فضا نیز کمک کرد.

تیم ساینا با کمک فرم‌یابی مهندسی و مدل سازی سه بعدی در نرم افزارهای تخصصی، امکان طراحی آلاچیق‌های چادری اختصاصی را با تنوعی قابل توجه در اختیار معماران می‌گذارد. این المان‌های معماری منحصر به فرد صرف نظر از ظاهر، کارایی بسیاری در دفع اشعه‌های مضر، هدایت آب برف و باران به بیرون محوطه، امکان نورپردازی و… را نیز متناسب با هویت هر پروژه به همراه دارند.

پوشش سقف مراکز تجاری و تفریحی، رستوران و کافی شاپ

یکی از معضلات همیشگی مراکز تجاری، تفریحی، رستوران و کافی شاپ‌هایی با فضای روباز، عدم تأمین سایه مناسب در روزهای گرم تابستان و محافظت از مشتریان در برابر بارش‌های فصول سرد است. معضلی که با نصب سازه کششی به راحتی قابل حل بوده و حتی می‌تواند منجر به جذب بیشتر مخاطبان شود. از همین روی امروزه نصب سقف متحرک یا سازه چادری ثابت برای گسترش فضای باز چنین مکان‌هایی متداول است.

برای این کاربرد، اغلب از فرم‌های مخروطی تک، چند قله یا اختصاصی استفاده می‌شود تا آزادی بیشتری برای پوشش سطح و ایجاد فضاهای شاخص فراهم باشد. این راهکار مدرن، زیبایی، دوام و البته کارکرد مطلوبی را از نظر کنترل بر نور طبیعی، تهویه و بهینه سازی انرژی در اختیار صاحبان کسب و کار می‌گذارد. برای دیدن نمونه‌ کارهای ما در این حوزه کافی است به بخش پروژه‌های ساینا نگاهی بیندازید.

نتیجه گیری

در اکثر پروژه های سازه کششی بزرگ دنیا با استفاده از ترکیب این رویه ها فرم‌های معماری بسیار پیچیده و جذابی ایجاد می‌کنند. ارائه طرح‌های معماری متناسب با فضا و انجام محاسبات مهندسی برای تنش چادر و ابعاد سازه از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. شرکت ساینا با در اختیار داشتن نرم افزارهای به روز مهندسی و همکاری با نیروهای مجرب متناسب با فضای کارفرما طرح های معماری و محاسبات مهندسی بهینه را ارائه می‌دهد. شما نیز می‌توانید برای اجرای بهترین سازه کششی متناسب با فضای مد نظرتان با ما تماس بگیرید. ما خدماتی کامل از فرایند طراحی سازه تا نصب و تحویل در محل را در اختیارتان می‌گذاریم.