Stuff architecture engineering

مقدمه
 

سازه‌هاي پارچه‌اي (3) به لحاظ كيفيت و فرم فضايي، گزينه‌هاي بسيار متنوعي در اختيار طراحان و مهندسان قرار مي‌دهند. اين سازه‌ها به كم‌ترين ميزان عناصر صلب براي ايستايي خود نيازمندند. از ديدگاه مهندسي، سازه‌هاي پارچه‌اي پوشش‌هايي نازك و پايدار در برابر تغيير شكل و شكست هستند كه مقاومت خود را از طريق پيش‌تنيدگي پيوسته كسب مي‌كنند.
با آن كه تاريخ استفاده از چادر به گذشته‌هاي بسيار دور باز مي‌گردد، اصول سازه‌هاي پارچه‌اي در قرن نوزدهم ميلادي پايه‌ريزي شد. ماشين‌هاي نساجي بشر را آماده ساخت تا چادرهايي با قابليت جابه‌جايي براي برگزاري سيرك‌ها پديد آورد. ميراث احداث اين چادرها دو فاكتور از فاكتورهاي اساسي سازه‌هاي پارچه‌اي مدرن است: تغيير شكل‌پذيري و پيش‌تنيدگي (4).
هنر معماري سبك پوشش پارچه‌اي در سال 1950م. از سوي فراي اتو (5) و با كف صابون آغاز شد. پيدا كردن فرم به شيوه‌ي خودزا (6) فلسفه‌ي جديد مدرسه‌ي وي بود. او بناهايي با سازه‌هاي پارچه‌اي مدرن را بر اساس ايده‌ي پوشش‌هاي مينيمال با هدف به دست آوردن كم‌ترين سطح لازم و احتياج به كم‌ترين ميزان فعاليت براي به دست آوردن فرم مورد نظر طراحي كرد.
فراي اتو به همراه رلف گوتنبرد (7) نخستين تجربه‌ي خود را در طراحي سازه‌اي با شبكه‌هاي كابلي در اكسپومونترال در سال 1967م. به نمايش گذاشت. اين بنا هم از نظر معماري و هم از نظر سازه‌اي، حركتي كاملاً نوگرايانه بود: پلاني با فرم آزاد كه به دور درياچه‌اي موجود در سايت مي‌چرخيد. در چنين پلان بي‌قاعده‌اي، شبكه‌اي از كابل بر روي تيرهايي با ارتفاعات متفاوت قرار گرفته بود كه نيروها در نوك اين تيرها متمركز بودند و به حلقه‌هايي كه به سطح شبكه يا پوسته اتصال داشتند، منتقل مي‌شدند. مهندسي اين بنا بر عهده‌ي شركت آندرا و لئونهارت (8) بود كه در پروژه‌ي بعدي، بناي بازي‌هاي المپيك مونيخ 1972م. را اجراكرد. به دليل مقياس و اهميت اين پروژه، براي نخستين بار از نرم‌افزار كامپيوتري براي تحليل رفتارهاي سازه‌ و حتا تعيين خطوط برش پارچه استفاده شد.

دسته‌بندي سازه‌هاي پارچه‌اي به لحاظ عملكرد
 

سازه‌هاي پارچه‌اي بر اساس معيارهايي گوناگون دسته‌بندي مي‌شوند كه از آن ميان مي‌توان به موارد زير اشاره كرد: عملكرد ساختمان، عملكرد پوسته‌ي كششي (استفاده از نور روز، حفاظت در برابر باران، حفاظت در برابر نور خورشيد، عايق حرارتي، عنصر تعريف كننده‌ي فضا و ...)، اندازه، تغيير شكل، درجه‌ي محصور بودن، مدت زمان استفاده از بنا و ... .
سازه‌هاي پارچه‌اي به لحاظ عملكرد پوسته به پنج دسته‌ي اصلي تقسيم مي‌شوند:
1- ساختمان‌هاي پارچه‌اي.
2- پوسته‌ي بيروني ساختمان.
3- پوسته‌ي داخلي ساختمان.
4- سقف.
5- نما.
هر يك از اين دسته‌ها مي‌تواند به شكل كاملاً محصور، باز و بسته شونده و يا باز مورد استفاده قرار گيرد.

ساختمان‌هاي پارچه‌اي
 

ساختمان با پوسته‌ي كششي كاملاً محصور مانع نرمي را در برابر شرايط محيطي پيرامونش ايجاد مي‌كند. ساختمان‌هاي پارچه‌اي به صورت كاملاً محصور مي‌توانند در مواردي همچون گلخانه‌ها و فضاهاي نمايشگاهي و موقت، مورد استفاده قرار گيرند. ساختمان‌هايي كه داراي پوسته‌ي باز و بسته شونده هستند، كاربردهايي از قبيل پوشش استخرها و فضاهاي نمايشگاهي دارند. سازه‌هاي پارچه‌اي باز در عين حال كه مي‌توانند به عنوان نشانه عمل كنند، پوشش‌هايي براي محافظت از آفتاب و باران نيز هستند كه در مناطق گرمسيري كاربرد فراوان دارند.

پوسته‌ي بيروني ساختمان
 

اين پوسته براي كنترل شرايط آب و هوايي و نوسانات دما مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
جدا كردن سقف پوسته‌اي كششي از ساختمان اصلي مي‌تواند گزينه‌اي براي دستيابي به يك سازه‌ي سبك‌تر باشد. اين اصل 35 سال پيش مورد استفاده قرار گرفته است و هنوز از آن در مناطق گرمسيري و مناطقي كه زمستان‌هاي سرد و تابستان‌هاي معتدل دارند، استفاده مي‌شود. در سازه‌هاي بزرگ اين عملكرد از اهميت بيش‌تري برخوردار است.

پوسته‌ي داخلي ساختمان
 

افزودن پوسته‌ي داخلي به ساختمان مي‌تواند راه مناسبي براي حل مشكلات آكوستيكي فضا باشد و در عين حل به عنوان يك عايق، عملكرد حرارتي ساختمان را بهبود بخشد. اين حفاظ‌ ها با قرار گرفتن در داخل ساختمان مي‌توانند ميزان درجه‌ي حرارت را كاهش دهند و از تأثير نور مستقيم روز جلوگيري كنند.

سقف‌هاي پوسته‌اي
 

اين مجموعه به صورت تركيب شيشه و پارچه‌ي اندود شده مورد استفاده قرار مي‌گيرد و در عين امكان‌پذير ساختن استفاده از نور روز به صورت مستقيم، از درخشندگي زياد و افزايش درجه‌ي حرارت جلوگيري مي‌كند. كاربرد عمده‌ي اين سقف‌ها در حفاظت از آثار تاريخي، پوشش استاديوم‌ها و مراكز خريد است. سقف‌هاي پوسته‌اي باز به طور عمده تعريف كننده‌ي فضا هستند و براي كاركردهاي مختلف مانند مسيرهاي پياده‌روي، تراس‌ها، فضاهاي نمايشگاهي و ... مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

نما
 

استفاده از پوشش‌هاي پارچه‌اي در نماي ساختمان مي‌تواند بر زيبايي آن بيفزايد. در نماهاي دو لايه در پشت پوسته‌ي خارجي، وضعيت نيمه داخلي به دست مي‌آيد؛ از اين رو مي‌توان از آن به عنوان محافظ آب و هوايي تعبير كرد. قابليت باز و بسته شدن اين پوشش‌ها امكان تنظيم شرايط محيطي را فراهم مي‌كند. قرار گرفتن سايه‌بان پارچه‌اي در بالاي ورودي اصلي يك ساختمان در عين ايجاد جذابيت، مي‌تواند راهي براي حفاظت بازديدكنندگان از باران و نور شديد خورشيد باشد.

فرم و رفتار سازه‌هاي پارچه‌اي
 

فرم و رفتار فيزيكي سازه‌هاي پارچه‌اي بسيار متفاوت از سازه‌هاي مرسوم الاستيك خطي در ساختارهاي قابي غالب ساختمان‌هاست.

تنوع فرم
 

سازه‌هاي پارچه‌اي شكل‌هاي بسيار متنوعي دارند. فرآيند دستيابي به فرم مناسب، بر شناخت و درك فرم‌هايي كه سازه‌هاي پارچه‌اي حاصل گسترش و بسط آن‌ها هستند، استوار است. اين فرآيند با طرح‌بندي لبه‌ها و مكان‌يابي تيرك‌ها براي رسيدن به تعادل آغاز مي‌گردد. طرح‌بندي لبه منجر به طرح‌بندي فرم مي‌شود.
انحناي پارچه، استقامت و استحكام پارچه را تأمين مي‌كند. هر چه قطر منحني بزرگ‌تر باشد، بار مرده‌ي كم‌تري دارد و هر چه بار مرده كم‌تر باشد، سازه سبك‌تر است. از اين رو، در طراحي سازه‌هاي پارچه‌اي بايد از ايجاد سطوح تخت جلوگيري شود تا سازه در برابر باد جابه‌جا نشود و در زير فشار برف تغيير شكل ندهد.
با توجه به اين كه سه‌بُعدي بودن پارچه‌هاي انحنا يافته طراحي آن‌ها بر روي كاغذ را ناممكن مي‌سازد، طراحي با ساخت ماكت صورت مي‌پذيرد. اين ماكت به طراحان كمك مي‌كند تا درك بهتري از فرم و فضا داشته باشند و به تعادل در سازه دست يابند. ماكت‌هاي كف صابون و پارچه‌اي از تكنيك‌هاي مفيد ماكت‌سازي در اين زمينه‌اند. مدل‌هاي كامپيوتري بر اساس نقاط اتصال پارچه به سازه و يا با تعيين لبه‌ها شكل مي‌گيرند.
فايل ديجيتال پوشش نهايي، براي تحليل رايانه‌اي سازه به كار مي‌رود. پس از مهندسي سازه، اين فايل‌ها مي‌توانند به طور مستقيم براي توليد سازه‌ي پارچه‌اي به كمك كامپيوتر مورد استفاده قرار گيرند. در واقع، به دليل وابستگي فرم و سازه به يكديگر، پوشش بر اساس شيوه‌ي خودزايي به صورت فيزيكي يا به كمك رايانه طراحي مي‌شود.
سازه‌هاي كششي به دو دسته تقسيم مي‌شوند:
1- آنتي كلاستيك كه در آن پارچه كشيده شده و با پيش‌تنيدگي استوار شده است.
2- سين كلاستيك كه فشار پنوماتيك يا هيدروليك در جهت عمود بر سطح پارچه وارد مي‌شود. (سازه‌هاي بادي)

سازه هاي کششي پارچه اي آنتي کلاستيک (9)
 

يک عنصر فيزيکي را مي توان با استفاده از نيروهاي کششي از چهار جهت محور مختصات در فضا متعادل ساخت. اين، اصلِ آغازين در ايستايي سازه هاي پارچه ايست. مقاومت اين پوشش ها در مقابل نيروهاي خارجي توسط فرم صورت مي گيرد، نه توسط حجم.
پوشش پارچه‌اي اصلي‌ترين عنصر سازه‌ است. اين پوشش با كابل‌ها و تسمه‌هاي تقويت كننده در لبه‌ها سازمان مي‌يابد و به تعادل مي‌رسد. براي پوشش يك سطح وسيع مي‌توان از تركيب عناصر سازه‌اي كمك گرفت و به فرم‌هاي بسيار متنوعي دست يافت. دو شيوه در طراحي پايه براي يك سقف پارچه‌اي وجود دارد:
1- آزادي عمل در تنظيم تكيه‌گاه‌هاي داخلي و خارجي و لبه‌ها براي ايجاد تعادل در فرم مورد نظر، ابداعات و آزادي عمل معمارانه‌ي بي‌مانندي را پديد مي‌آورد.

2- استفاده‌ي مدولار از پنل‌هاي پارچه‌اي براي مقياس‌هاي بسيار بزرگ.
سازه‌هاي آنتي كلاستيك سازه‌هايي هستند كه در آن‌ها غشا در دو جهت داراي انتهاست، ولي در يك جهت انحنا محدب و در جهت ديگر مقعر است. ابتدايي‌ترين سازه‌ي آنتي‌كلاستيك فرم زين اسبي است. سازه‌هاي زين اسبي به صورت تكي يا مدولار در مسيري مدور يا صاف، در يك يا چند سطح با ارتفاع متفاوت و به صورت متقارن يا در يك سامانه‌ي آزاد طراحي مي‌شوند.
سازه‌ها با فرم آزاد رفتارهاي بسيار پيچيده‌تري از خود نشان مي‌دهند و به طرح جزئيات بيش‌تري نياز دارند. فرم سازه‌هاي پارچه‌اي به ابعاد ساختمان نيز بستگي دارد، زيرا پارچه‌ي كششي به فضاي كافي براي گسترده شدن و انحنا يافتن احتياج دارد. پوشش‌هاي زين اسبي از سودمندترين و سبك‌ترين گزينه‌ها براي دهانه‌هاي 15 تا 20 متري هستند.
در صورت گستردگيِ بيش از حد سازه‌هاي زين اسبي، ارتفاع آن‌ها و ميزان تجمع نيروها در تكيه‌گاه‌ها افزايش مي‌يابد و در نتيجه احتمال دارد سازه خاصيت معمارانه‌ي خود را از دست بدهد. براي سازه‌هاي وسيع، لبه‌هاي خطي مثل فرم‌هاي قله و دره مناسب‌تر هستند. پاسخ‌هاي معمارانه بايد با عملكرد بنا متناسب باشد. در مسائل سازه‌اي، نمود فرمال و مسائل اقتصادي و رعايت اصول طراحي مينيمال، به انتخاب ساده‌ترين پاسخ مي‌انجامد كه در بيش‌تر موارد سودمندترين است.

سازه‌هاي كششي پارچه‌اي سين كلاستيك (10)
 

فرم سازه‌هاي سين كلاستيك در تمام نقاط خود داراي انحناست و در تمامي جهت‌ها انحنا به يك سمت است. اين نوع پوشش‌ها بر اساس فشار سيالات دروني آن‌ها به تعادل مي‌رسند. نيروها در اين پوشش در تناسب با انحناي آن هستند، به صورتي كه با افزايش قطر كشش، نيرو بيش‌تر مي‌شود.
تغييرات فشار روي سطوح سازه‌هاي سين كلاستيك، بدون نياز به عناصر و تكيه‌گاه‌هاي صلب مثل ستون‌ها، ديوارها و تاق‌ها صورت مي‌گيرد.
اين ويژگي، سازه‌هاي بادي را به سبك‌ترين سازه‌هاي موجود تبديل مي‌كند. اين سازه‌ها به لحاظ تئوريك توانايي پوشش سطوح چند كيلومتري را هم دارند. با اين حال مي‌توان از پوشش‌هاي زين اسبي نيز براي اتصال سازه‌ها استفاده كرد. از سوي ديگر مي‌توان سازه‌هاي بادي را به گونه‌اي طراحي كرد كه توسط نيروي منفي هوا به تعادل دست يابند. در اين حالت هواي درون سازه به صورت مكانيكي تخليه مي‌شود تا با افت فشار داخل به پايداري برسد.

بالشت‌هاي بادي
 

در طراحي سازه‌هاي بادي مي‌توان از تفاوت فشارهاي بيرون و درون براي ايجاد تعادل استفاده كرد. تك بالشت‌ها يا تركيبي از آن‌ها مي‌توانند هم در سقف و هم در نما به كار روند. اين بالشت‌ها معمولاً از ورق‌هاي ETFE تهيه مي‌شوند تا سقفي گرم با شفافيت بالا به دست آيد. افزايش تعداد لايه‌هاي دروني، جريان انتقال انرژي حرارتي را كاهش مي‌دهد.

طراحي سازه‌هاي پارچه‌اي
 

سه اصل بنيادين كه طراحي سازه‌هاي پارچه‌اي به آن‌ها وابسته است، عبارت‌اند از:
1- انتخاب شكل سطح ـ پوشش
2- ميزان پيش‌تنيدگي
3- انعطاف‌پذيري و تغيير شكل

شكل سطح ـ پوشش
 

اكثر پوسته‌هاي پارچه‌اي امروزه آنتي‌كلاستيك‌اند. در اين نوع پارچه‌ها عناصر كششي با قوس‌هاي محدب (11) روي عناصر کششي با قوس‌هاي مقعر (12) قرار مي‌گيرند كه در نتيجه پارچه از هر دو طرف كششي‌ست.
منحني قوس‌هاي مقعر نيروي وارده بر اثر برف و منحني قوس‌هاي محدب نيروي حاصل از باد را تحمل مي‌كنند.
پوشش‌هاي آنتي‌كلاستيك به چهار فرم اصلي تقسيم مي‌شوند:
1- مخروطي (خيمه‌اي) (13).
2- زين اسبي (14).
3- هذلولوي (15).
4- قله و دره‌اي (16).
طراح بيش‌تر به امر تعيين لبه‌ها و مكان ستون‌ها، تيرها، كابل‌ها و ... مي‌پردازد و در كل، فرم يك سازه‌ي پارچه‌اي كاملاً وابسته به تعريفي‌ست كه طراح از لبه‌ها ارائه مي‌دهد.

پيش تنيدگي
 

پيش تنيدگي سبب مي‌شود كه سازه در مقابل نيروهاي وارد بر آن مقاومت كند و از تغيير فرم شديد جلوگيري شود. در سازه‌هاي پارچه‌اي از نوع زين اسبي و هذلولوي فرمول زير صادق است:
T=R*R
(نيروهاي وارد بر پوسته = P، قطر منحني پوسته = R، كشش پوسته = T)
البته هيچ‌گاه ـ حتا زماني كه محاسبات بسيار دقيق باشند ـ نمي‌توان با استفاده از اين فرمول به طراحي سازه پرداخت. در سازه‌هايي كه بيش‌ترين و كم‌ترين نيروي وارد بر يك قسمت سازه، اختلاف عمده داشته باشد، اقتصادي‌تر آن است كه در جايي كه P زياد است، R كم‌تر و جايي كه P كم‌تر است، R بيش‌تر است.

انعطاف‌پذيري و تغيير شكل
 

بر عكس اغلب ساختمان‌ها، تغيير شكل‌پذيري يكي از مهم‌ترين شاخصه‌هاي سازه‌هاي پارچه‌اي‌ست و به دليل انعطاف‌پذيري اين سازه‌ها ـ چه در پلان و چه در حجم ـ تغيير شكل هندسي پوشش، شكل ابتدايي توزيع نيروهاي وارده است.
با وارد آمدن نيرو در قسمتي از سازه، تغييرات به صورت خطي در يك بخش صورت نمي‌پذيرد، بلكه اين تغييرات در سازه پخش مي‌شود. يكي از خطراتي كه اين سازه‌ها را تهديد مي‌نمايد، جمع شدن برف در بخشي از پوشش است كه فرورفتگي ايجاد مي‌كند و پس از آب شدن برف و يخ زدن آب، آن سازه آسيب مي‌بيند. سازه‌هايي با فرم قله و دره‌اي راه‌حل خوبي براي اين مشكل هستند.

آب و هواي داخل پوسته
 

سازه‌هاي پارچه‌اي در تمام دنيا قابل اجرا هستند. مواد معمولي كه براي اين نوع پوشش‌ها استفاده مي‌شوند، الياف پلي استر با پوشش PVC و شيشه با پوشش تفلون است كه 75 درصد تابش خورشيد را باز مي‌گرداند، 17 درصد را جذب مي‌كند و 13 درصد را عبور مي‌دهد. اين موضوع اهيمت سازه را در مناطق گرمسيري مشخص مي‌كند. سازه‌هايي با ارتفاع زياد و گستردگي كم‌تر براي ساختمان‌هاي ورزشي و تفريحي در مناطق مرطوب، گزينه‌ي مناسبي به شمار مي‌روند. يكي از روش‌هاي تنظيم شرايط محيطي در چنين ساختمان‌هايي استفاده از كف گرمايي و نور تابيده شده به جداره‌ها در طول زمستان است. هزينه‌ي ساخت چنين كفي با كاهش هزينه‌هاي حاصل از حذف نورپردازي در طول روز جبران مي‌شود. شيوه‌ي ديگري كه در بناي جزيره‌ي حاره‌اي (17) به كار رفته، دو لايه كردن پوشش است. در اين پروژه چهار لايه‌ي پلي استر با روكش PVC روي هم قرار گرفته‌اند. هواي محبوس شده ميان دو لايه به عنوان عايق حرارتي عمل مي‌كند. در اين روش ميزان هدررفتِ حرارتي w/M 95 درصد و ميزان انتقال نور به دليل افزايش تعداد لايه‌ها 1/5 درصد مي‌باشد. براي سقف موزه‌ي علم و صنعت پاريس و پارك آبي كالگاري (18) از پوششي به قطر 400 ميلي‌متر استفاده شده كه متشكل از شيشه‌ي مات عايق‌كاري شده و ضدتعرق پوشيده شده با دو لايه‌ي PTFE، هدررفتِ حرارتي w/m 0/4 و ميزان انتقال نور 3/5 درصد است.

روش طراحي
 

خواست كارفرما و شكل و توپوگرافي سايت از عوامل مهمي هستند كه مي‌بايد از ابتداي طراحي مورد توجه قرار گيرند. در مرحله‌ي انتخاب فرم بايد به كيفيت آب و هوايي درون پوشش توجه شود.
مرحله‌ي اول پس از انتخاب فرم، مرحله‌ي تعيين تركيب فيزيكي عناصر مانند انتخاب مصالح، قدرت و انعطاف‌پذيري آن‌ها، ابعاد عناصر و اتصالات بين آن‌ها و ميزان پيش‌تنيدگي و كشساني آن‌هاست. در مرحله‌ي شبيه‌سازي و ساخت ماكت آن دسته از عناصل حمل كننده كه برآيند نيروهاي وارد بر آن‌ها صفر است و همچنين آن بخش‌هايي كه كشش آن‌ها صفر است، حذف مي‌شوند. عناصر در نرم‌افزارها در راستاي دوخت‌ها و درزهاي ميان پنل‌هاي پوشاننده گسترش مي‌يابند. از اين رو، جاي‌گيري و تعيين راستاي درزها در اين پوشش‌ها بر اساس نيروهاي وارد به سازه مشخص مي‌شود. در ماكت تحليلي ساخته شده نحوه‌ي توزيع نيروهاي باد و برف چه در هنگامي كه سازه در حالت عادي‌ست و چه در آن زمان كه تغيير شكل يافته، مورد بررسي قرار مي‌گيرد. احتمال ايجاد حوضچه‌ها در پوشش سازه در اثر وزن خود پوشش يا برف بايد مورد مطالعه قرار گيرد. مرحله‌ي بعدي تصميم‌گيري درباره‌ي چگونگي ساخت سازه‌ي سيستم، يعني سر هم كردن سازه به شكل گام به گام و فراهم كردن پيش‌تنيدگي و كشش مورد نياز است. هدف از اين مرحله آن است كه مشخص شود هر جزء سازه به شكل خاص چه نيروهايي را تحمل خواهد كرد و چه حركت‌هايي خواهد داشت. چنين اطلاعاتي بايد در مرحله‌ي طراحي جزئيات مورد استفاده قرار گيرد.

ساخت و نصب (19)
 

مدت زمان مورد نياز، از ايده‌پردازي اوليه تا ساخت، چيزي در حدود 6 تا 9 ماه مي‌باشد. (20) (جدول 1)

پي‌نوشت‌ها:
 

1- اين مقاله برگرفته از كتاب راهنماي طراحي براي پوشش‌هاي پارچه‌اي در اروپاست كه در سال 2004م. گروه Tensinet آن را چاپ و منتشر كرده است.
Forster, Brain & Mollaert, Marijke (2004) European Design Guide For Tensile Surface Strictures. Tensinet
2- تصاوير 1، 11 و 12 نتيجه‌ي جست‌وجو در پايگاه اينترنتي www.google.com و تصاوير 2 تا 10 برگرفته از پايگاه www.tensinet.com هستند.
3- Membrane Structures
4- Prestress
5- Frei Otto
6- Self-forming
7- Rolf Gutbord
8- Andra & Leonhardt Co
9- Anticlastic
10- Synclastic
11- Arching
12- Hanging
13- Cone
14- Saddle
15- Hypar
16- Ridge and Valley
17- CargoLifter Airship Hangar
18- Calgary
19- برگرفته از كتاب Guide to Textile Architecture
20- زمان‌هاي ارائه شده تقريبي و بسته به نوع ومقياس پروژه، متغير هستند
 

منبع: ماهنامه‌ي دانش نما، شماره 171-170، تير ـ مرداد 88
ادامه دارد...