انتخاب متریال پارچه
پارچه پلی استر با روکش پی وی سی به دلایل متنوعی مورد استفاده قرار گرفت از جمله قیمت پایین و مقاومت آن در برابر آسیب دیدگی در مدت زمان ساخت و برپایی. خاصیت انعطاف پذیر این متریال خطر آسیب دیدگی در اثر تا زدن و باز کردن پارچه را کاهش می دهد؛ اگرچه برای جلوگیری از صدمه دیدن پارچه در زمان حمل و نقل یا نصب باید دقت لازم به عمل آید. سختی برشی پایین پی وی سی باعث می شود پارچه پلی استر بتواند به فرم مخروطی با انحنای مضاعف با کمترین احتمال چین خوردگی دست یابد. میزان گذردهی نور پارچه ای که برای این پروژه انتخاب شده است حدودا ۸% می باشد، این میزان گذردهی به میزان قابل قبولی باعث انتشار نور خواهد شد. روکش پی وی سی در برابر نفوذ آب از مقاومت بسیار خوبی برخوردار است، که در نتیجه عمر پارچه بیشتر از ۱۵ سال پیش بینی شده است. عملکرد پارچه های پلی استر با روکش پی وی سیدر برابر آتش شناخته شده است: این پارچه ها در برخورد با شعله آتش ذوب می شوند، در نتیجه با ایجاد حفره هایی در کانوپی امکان تخلیه دود و گرما فراهم می گردد. این متریال از نظر گسترش شعله در رده A طبقه بندی می شود و ذرات شعله ور تولید نمیکند.
معایب پارچه های پلی استر با روکش پی وی سی در مقایسه با پارچه های فایبرگلاس با روکش پی تی اف ای شامل میزان بالای خزش – که می تواند نیاز به اعمال مجدد نیروی کششی را به دنبال داشته باشد- مقاومت پایین در برابر جمع شدن گرد و غبار و دوام و طول عمر کوتاه تر پارچه می شود. پارچه های فایبرگلاس با روکش پی تی اف ای مصالحی صلب تر هستند که این امر موجب کاهش خیز کلی غشا تحت اثر بارهای وارده می شود اما متقابلا به این معناست که این نوع پارچه ها مستعد آسیب دیدن در اثر تاخوردگی هستند. اتفاقی که در زمان شکسته شدن الیاف شکننده شیشه به وقوع خواهد پیوست.
لبه های کانوپی های پارچه ای در پارک دالتون با استفاده از کابل های فولادی، ورق های غشا و اتصالات پیوسته به لوله های فولادی با مقطع دایره در محل حلقه ها و کمان ها تقویت شده اند (تصویر ۱۰). ورق های غشا پارچه را در محل خود میان دو صفحه فولادی که به یکدیگر پیچ شده اند نگه می دارد، مقاطع کوتاهی از لوله های فولادی به قسمت پایین این صفحات جوش داده شده اند که اتصال به کابل های گوشه را تسهیل می کنند. تنظیم طول کابل های گوشه از طریق میله های رزوه شده در داخل لوله های ذکر شده امکان پذیر است. یک لایه پارچه اضافی برای مقاوم سازی در این نواحی که ممکن است محل تمرکز تنش ها باشند، مورد استفاده قرار می گیرد. به طور مشابه، یک لایه پارچه اضافی جوش داده شده حول حلقه های بالایی مخروط پیچیده می شود تا غشا را در صورت لزوم تقویت نماید.
خیزها و چرخش های نسبتا بزرگ که در سازه چادری تحت بارهای خارجی قابل پیش بینی می باشند، توسط مفاصلی خاص که بین ورق های غشا و قاب پیرامونی قرار دارند، تعدیل خواهند شد (تصویر b10). این اتصالات همچنین شامل یک بست قورباغه ای رزوه شده – پیچ تنظیم دو طرفه – از جنس فولاد ضد زنگ می شود که امکان تنظیم و تعدیل موقعیت یا اعمال نیرو در آینده را فراهم می آورد. غشا تحت بارهای وارده به میزان قابل ملاحسازه‌های غشایی که سازه چادری یا سازه پارچه‌ای نیز نامیده می‌شود، زیرمجموعه‌ای از سازه‌های فضایی هستند و به دلیل سبکی، شفافیت و انعطاف در خلق فرم‌های زیبا و بدیع، گسترش روزافزونی در ساخت بناهایی با عملکردهای مختلف تجاری، اداری، ورزشی و... یا به شکل سایه بان در فضاهای عمومی وشهری داشته‌اند.
ویژگی‌های مذکور ارتباط مستقیم با خواص مواد سازنده غشاهای این نوع سازه‌ها دارد. ساخت و تولید مواد کامپوزیت از الیاف و پلیمرها با طیف وسیعی از خواص فیزیکی، مکانیکی و سازه‌ای امکانات متعددی را پیش روی طراحان قرار داده است. این مواد دارای تفاوت‌هایی در اندازه، وزن و خواصی نظیر مقاومت گسیختگی، مقاومت در برابر ترک خمشی، انتشار آتش، گسترش پارگی و همینطور درجه شفافیت، دوام و ضمانتی که کارخانه سازنده می‌دهد، می‌باشند؛ بنابراین شناخت این ویژگی‌ها و تفاوت‌ها جهت انتخاب ماده مناسب از سوی طراحان و مهندسین، امری ضروری می‌نماید.
روند تحلیل و طراحی
این گزارش با تشریح روند ارزیابی یک پروژه دنبال می شود به عنوان مثال انواع آنالیز غیر خطی که باید انجام شود و روشهایی که برای انجام آن استفاده می شود.
همچنین با جزئیات اتصال اصلی در سازه چادری به پایان می رسد که برای یک ساختار پارچه کششی موفق مانند سایبان چادری باید در نظر گرفته شود.
روش اجرای فعلی: پارک دالتون ، بررسی اجمالی
پارک دالتون مرکز خریدی در مورتون (بخش درهام، انگلستان) با هزینه ساخت کلی و تقریبی ۲۰ میلیون پوند می باشد. این پارک دارای تنوعی از کانوپی های دارای غشا پارچه ای می باشد و به همین دلیل در این مقاله به عنوان نمونه ای از روش طراحی کنونی سازه چادری مطرخ شده است. دو ردیف از واحدهای تجاری مجزا در دو طرف یک خیابان مرکزی واقع شده اند. قسمتی از خیابان توسط هفت کانوپی پارچه ای به فرم های تک و چند مخروطی پوشانده شده است.
کانوپی های اصلی ۶۰ متر طول و ۱۴ متر عرض داشته و از چهار مخروط متصل به هم تشکیل شده اند که توسط دیرک های معلق نگه داشته می شوند این دیرک ها نیز توسط کابل هایی نگه داشته می شوند که به سازه فولادی اصلی متصل هستند. دو کانوپی از چهار دیرک شیبدار و دو کانوپی دیگر از دیرک های مستقیم استفاده می کنند . لبه های غشاهای پارچه ای در طول خود توسط کابل هایی تقویت می شوند و در عرض مستقیما به قوس های فولادی شیبدار بسته خواهند شد. دو کانوپی مجزای کوچکتر (به مساحت حدودی ۲۰ متر مربع) در گوشه خیابان قرار گرفته اند و به عنوان “کانوپی های کمربندی” شناخته می شوند
تعریف فرم:به صورت سطحی مینیمال (پروسه فرم یابی) و تعیین میزان جابه جایی های بزرگ تحت بارهای وارده به آنالیز المان محدود غیر خطی نیاز خواهد داشت. در مورد کانوپی های پارک دالتون، نرم افزار المان محدود شرکت آروپ Oasys GSA (آنالیز کلی سازه) با حل کننده غیر خطی GSRelax مورد استفاده قرار گرفت. این روند بر اساس الگوریتم رهاسازی دینامیک و مثلث بندی مداوم کرنش صورت گرفته است. آنالیز بار باد و برف اعمال شده بر سازه – به همراه تجربه طراح – سطح پیش تنیدگی مورد نیاز برای حفظ نیروی کششی در غشا را تعیین می کند. برای بخش های مسطح تر سقف (به عنوان مثال، میان مخروط ها بر روی کانوپی اصلی) بسیار حیاتی خواهد بود که اطمینان حاصل شود پارچه فرم خود را حفظ خواهد کرد و حوضچه ای ناشی از آب باران یا آب شدن برف ایجاد نمی گردد. برای دستیابی به این شرایط، پیش تنیدگی اسمی مورد نظر برای سازه های چادری پارک دالتون، برای کانوپی های اصلی ۱٫۵ کیلو نیوتن بر متر، برای فضاهای کمربندی ۳ کیلو نیوتن بر متر و برای کانوپی ورودی ۲ کیلو نیوتن با توجه به تفاوت های هندسی کانوپی ها در نظر گرفته شد. تنش های کششی و برشی در پارچه در ترکیبات متناسب با بار برف و باد در نظر گرفته می شوند تا مقاومت پارچه مورد بررسی قرار گرفته و بارهای طراحی کابل های نگهدارنده و سازه فولادی تعیین گردد.
پیشرفت ها
این قسمت بر راهکارهای بالقوه ای تاکید دارد که برای مقابله با عدم قطعیت هایی که در حال حاضر در زمینه طراحی سازه های چادری وجود دارد، قابل استفاده هستند. بخش هایی از این تحقیقات به خوبی در حال اجرایی شدن است (تست دو محوره و به کارگیری داده های تست) و جنبه های دیگری از آن در یک برنامه تحقیقاتی جامع و مفصل در دانشگاه نیوکاسل در حال بسط و توسعه می باشد. در این بخش از مقاله بر مزایای تحقیقات انجام شده در زمینه طراحی سازه های چادری و اهداف تحقیقاتی بلند مدت تاکید شده است.
ویژگی های مصالح در طراحی سازه ای
استفاده از مقادیر پیش فرض برای مدول یانگ و ضریب پواسیون در طراحی سازه های چادری به صورت بالقوه از کارایی سازه می کاهد. بنابراین طرح های کنونی با استفاده از این روش آنالیز لزوما محافظه کارانه خواهند بود. انجام تست های دو محوره بر روی پارچه هایی که شرایط آن ها به صورت مکانیکی تعریف شده است در تنش هایی کمتر از تنش ماکزیمم طرح می تواند اطلاعات تنش – کرنش جامعی، مناسب برای آنالیز سازه ای میان و بلند مدت فراهم نماید. یک پروتکل جدید برای تست دو محوره تهیه شده و طرحی برای اجرای نتایج تست در آنالیز سازه ای پیشنهاد شده است.
پیشرفت ها
در این قسمت بر راهکارهای بالقوه ای تاکید دارد که برای مقابله با عدم قطعیت هایی که در حال حاضر در زمینه طراحی سازه های چادری وجود دارد، قابل استفاده هستند. بخش هایی از این تحقیقات به خوبی در حال اجرایی شدن است (تست دو محوره و به کارگیری داده های تست) و جنبه های دیگری از آن در یک برنامه تحقیقاتی جامع و مفصل در دانشگاه نیوکاسل در حال و توسعه می باشد. در این بخش از مقاله بر مزایای تحقیقات انجام شده در زمینه طراحی سازه های چادری و اهداف تحقیقاتی بلند مدت تاکید شده است.
ویژگی های مصالح در طراحی سازه ای
استفاده از مقادیر پیش فرض برای مدول یانگ و ضریب پواسیون در طراحی سازه های چادری به صورت بالقوه از کارایی سازه می کاهد. بنابراین طرح های کنونی با استفاده از این روش آنالیز لزوما محافظه کارانه خواهند بود. انجام تست های دو محوره بر روی پارچه هایی که شرایط آن ها به صورت مکانیکی تعریف شده است در تنش هایی کمتر از تنش ماکزیمم طرح می تواند اطلاعات تنش – کرنش جامعی، مناسب برای آنالیز سازه ای میان و بلند مدت فراهم نماید. یک پروتکل جدید برای تست دو محوره تهیه شده و طرحی برای اجرای نتایج تست در آنالیز سازه ای پیشنهاد شده است.
پیشرفت ها
این قسمت بر راهکارهای بالقوه ای تاکید دارد که برای مقابله با عدم قطعیت هایی که در حال حاضر در زمینه طراحی سازه های چادری وجود دارد، قابل استفاده هستند. بخش هایی از این تحقیقات به خوبی در حال اجرایی شدن است (تست دو محوره و به کارگیری داده های تست) و جنبه های دیگری از آن در یک برنامه تحقیقاتی جامع و مفصل در دانشگاه نیوکاسل در حال بسط و توسعه می باشد. در این بخش از مقاله بر مزایای تحقیقات انجام شده در زمینه طراحی سازه های چادری و اهداف تحقیقاتی بلند مدت تاکید شده است.
ویژگی های مصالح در طراحی سازه ای
استفاده از مقادیر پیش فرض برای مدول یانگ و ضریب پواسیون در طراحی سازه های چادری به صورت بالقوه از کارایی سازه می کاهد. بنابراین طرح های کنونی با استفاده از این روش آنالیز لزوما محافظه کارانه خواهند بود. انجام تست های دو محوره بر روی پارچه هایی که شرایط آن ها به صورت مکانیکی تعریف شده است در تنش هایی کمتر از تنش ماکزیمم طرح می تواند اطلاعات تنش – کرنش جامعی، مناسب برای آنالیز سازه ای میان و بلند مدت فراهم نماید. یک پروتکل جدید برای تست دو محوره تهیه شده و طرحی برای اجرای نتایج تست در آنالیز سازه ای پیشنهاد شده است.
انتخاب متریال پارچه
پارچه پلی استر با روکش پی وی سی به دلایل متنوعی مورد استفاده قرار گرفت از جمله قیمت پایین و مقاومت آن در برابر آسیب دیدگی در مدت زمان ساخت و برپایی. خاصیت انعطاف پذیر این متریال خطر آسیب دیدگی در اثر تا زدن و باز کردن پارچه را کاهش می دهد؛ اگرچه برای جلوگیری از صدمه دیدن پارچه در زمان حمل و نقل یا نصب باید دقت لازم به عمل آید. سختی برشی پایین پی وی سی باعث می شود پارچه پلی استر بتواند به فرم مخروطی با انحنای مضاعف با کمترین احتمال چین خوردگی دست یابد. میزان گذردهی نور پارچه ای که برای این پروژه انتخاب شده است حدودا ۸% می باشد، این میزان گذردهی به میزان قابل قبولی باعث انتشار نور خواهد شد. روکش پی وی سی در برابر نفوذ آب از مقاومت بسیار خوبی برخوردار است، که در نتیجه عمر پارچه بیشتر از ۱۵ سال پیش بینی شده است. عملکرد پارچه های پلی استر با روکش پی وی سیدر برابر آتش شناخته شده است: این پارچه ها در برخورد با شعله آتش ذوب می شوند، در نتیجه با ایجاد حفره هایی در کانوپی امکان تخلیه دود و گرما فراهم می گردد. این متریال از نظر گسترش شعله در رده A طبقه بندی می شود و ذرات شعله ور تولید نمی کند.
معایب پارچه های پلی استر با روکش پی وی سی در مقایسه با پارچه های فایبرگلاس با روکش پی تی اف ای شامل میزان بالای خزش – که می تواند نیاز به اعمال مجدد نیروی کششی را به دنبال داشته باشد- مقاومت پایین در برابر جمع شدن گرد و غبار و دوام و طول عمر کوتاه تر پارچه می شود. پارچه های فایبرگلاس با روکش پی تی اف ای مصالحی صلب تر هستند که این امر موجب کاهش خیز کلی غشا تحت اثر بارهای وارده می شود اما متقابلا به این معناست که این نوع پارچه ها مستعد آسیب دیدن در اثر تاخوردگی هستند. اتفاقی که در زمان شکسته شدن الیاف شکننده شیشه به وقوع خواهد پیوست.
لبه های کانوپی های پارچه ای در پارک دالتون با استفاده از کابل های فولادی، ورق های غشا و اتصالات پیوسته به لوله های فولادی با مقطع دایره در محل حلقه ها و کمان ها تقویت شده اند (تصویر ۱۰). ورق های غشا پارچه را در محل خود میان دو صفحه فولادی که به یکدیگر پیچ شده اند نگه می دارد، مقاطع کوتاهی از لوله های فولادی به قسمت پایین این صفحات جوش داده شده اند که اتصال به کابل های گوشه را تسهیل می کنند. تنظیم طول کابل های گوشه از طریق میله های رزوه شده در داخل لوله های ذکر شده امکان پذیر است. یک لایه پارچه اضافی برای مقاوم سازی در این نواحی که ممکن است محل تمرکز تنش ها باشند، مورد استفاده قرار می گیرد. به طور مشابه، یک لایه پارچه اضافی جوش داده شده حول حلقه های بالایی مخروط پیچیده می شود تا غشا را در صورت لزوم تقویت نماید.
خیزها و چرخش های نسبتا بزرگ که در سازه چادری تحت بارهای خارجی قابل پیش بینی می باشند، توسط مفاصلی خاص که میان ورق های غشا و قاب پیرامونی قرار دارند، تعدیل خواهند شد (تصویر b10). این اتصالات همچنین شامل یک بست قورباغه ای رزوه شده – پیچ تنظیم دو طرفه – از جنس فولاد ضد زنگ می شود که امکان تنظیم و تعدیل موقعیت یا اعمال نیرو در آینده را فراهم می آورد. غشا تحت بارهای وارده به میزان قابل ملاحظه ای خیز بر می دارد و جابه جایی در میانه پانل ها بعضا به بیش از ۵۰۰ میلی متر در شرایط وزش بادهای شدید خواهد رسید. ملاحظات مربوط به بحث قابلیت بهره برداری شامل امکان کاهش تنش های وارده به غشا به صورت موقت یا وارونه کردن سطح پارچه می باشد.
نتایج
روش های کنونی طراحی سازه چادری بدین صورت است که ضرایب اطمینان بزرگی (بین ۵ تا ۱۰) در نظر گرفته می شود. چنین ضرایب بزرگی به دلیل رفتار غیر خطی و وابسته به زمان پارچه ای که به صورت ضعیف و با دقتی پایین مدل سازی شده است و بر اساس مقادیر فرض شده برای مدول یانگ و ضریب پواسیون، لازم خواهد بود. تست های بسیار کمی بر روی مواد و مصالح در روند طراحی سازه ای انجام می شود. یک برنامه تحقیقاتی در حال اجرا در دانشگاه نیوکاسل قصد دارد به صورت دقیق و موشکافانه رفتار و عملکرد پارچه در سازه های چادری را مورد بررسی قرار داده و از دانش به دست آمده در جهت پیشرفت بنیادین روش های طراحی سازه های چادری بهره ببرد. درک بهتر رفتار پارچه مزایای قابل ملاحظه ای در طراحی، ساخت، نصب و نگهداری سازه های چادری کششی خواهد داشت. با استفاده از انواع سبک تر پارچه برای طرحی معین هزینه ها به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد. کاهش در بحث مقاوم سازی پارچه با استفاده از لایه های مضاعف و استفاده از سازه فولادی نگه دارنده سبک تر، زیبایی سازه های سبک کششی را ارتقاء می بخشد.