طراحی سازه خرپایی

[Ar Sa]

خرپا

سازه همواره یکی از اجزاء ضروری معماری بوده و هست. چه هنگام ساخت سرپناه ساده برای یک خانواده و چه هنگام ایجاد فضای بزرگی که صدها نفر بتوانند در آنجا اعمال عبادی، تجاری و مذاکرات سیاسی و فرهنگی و علمی خود را انجام دهند و یا اوقات فراغت خود را بگذرانند.به عنوان یک اصل، همواره انسان ناگزیر از به کار بردن مقادیر معینی از مواد خاص و شکل دادن به آنها بوده است تا بتوانند ساختار معماریش را در برابر کار و موادی که از نظر قابلیت دسترسی غیر معقول به نظر نمی رسند، با عوامل مخربی مانند باد، رعد و برق، زلزله، آتش سوزی مقابله می شود اما از آنجایی که حس زیبایی خواهی از حواس فطری انسان بوده است، همواره بر سازه شرایط سخت تری نسبت به شرایط استحکام و اقتصاد تحمیل گردیده است .

سیستم های خرپایی

سازه های خرپایی متشکل از اعضای کششی و اعضای فشاری می باشند که به شکل مثلثی با اتصال مفصلی به یکدیگر متصل شده اند و نیروهای درونی آنها تماما محوری اند (فشار و با کشش مستقیم بدون خمش و برش). انواع سازه های خرپایی شامل: کابل, خرپا, قاب های فضایی و قاب های ژیودزیک می گردد. هندسه مثلثی شکل دارای نقش و تأثیری اساسی در رفتار خرپاهاست, زیرا مثلث تنها چند ضلعی است که به طور ذاتی دارای پایداری هندسی می باشد. معماران و احتمالا بیش از آنان مهندسان، برای پوشش دهانه های مختلف به سازه های مسطح از قبیل تیرها، خرپاها و قاب های مسطح فکر می کنند. در بیشتر موارد در صورتی که طراحی به صورت سه بعدی انجام شود و برای دهانه های متوسط و دهانه های بلند از سازه های فضایی استفاده شود، مزایای بیشتری به دست می آید . در حقیقت همه سازه ها سه بعدی و دارای طول، ارتفاع و ضخامتند. اگر چه تیرها و خرپاهای مسطح اغلب رفتار سازه ای دو بعدی دارند، اما این عناصر سازه ای به طور کلی در یک صفحه در برابر بارهای وارده مقاومت می کنند. زمانی که دهانه سازه بیشتر از ۱۰ متر می شود، استفاده از اعضای تیر در شبکه تک لایه ای اقتصادی نیست و خرپاهای با جان باز با شبکه های ویرندیل ممکن است جایگزین تیرهای توپر شود.

اصول ساخت خرپاها

چون در خرپاها فرض می شود که اعضا در انتهای خود به اعضای دیگر لولا شده اند، بنابراین ((شکل مثلثی)) تنها شکی پایدار خواهد بود. اگر شبکه در یک صفحه واقع باشد، خرپا را ((خرپای صفحه ای)) و اگر شبکه فضایی باشد، خرپای حاصل را ((خرپای فضایی)) می گویند. مطالعه خرپایی نشان می دهد که خرپای مثلثی تحت تاثیر نیروی وارد آمده تغییر شکل نمی دهد مگر این که یکی از اعضای آن خم شده یا بشکند. شبکه هایی که به صورت چهار عضو یا بیشتر باشند، پایدار نیستند و تحت تاثیر نیروهای موثر فرو می ریزند. این شکل ها بدون این که در طول و اندازه اعضای آن ها تغییری رخ دهد، تغییر فرم می دهند.کاربرد خرپاها
خرپاها از مفیدترین و معمول ترین فرم ساختمانی هستند که در انواع ساختمان ها و ماشین ها به کار می روند. ساختمان های خرپایی در مقابل نیروهای وارد آمده مقاومت بسیاری دارند و از لحاظ اقتصادی نیز ساختن آن ها مقرون به صرفه است. اتصال میله های خرپاها به یکدیگر چنانچه فلزی باشند، به وسیله جوش یا پرچ و یا پیچ صورت می گیرد و چنانچه خرپا چوبی باشد اتصالات ان به وسیله میخ و پیچ انجام می گیرد. خرپا را برای پوشاندن سقف ها، به ویژه سقف های سنگین یا سقف های با دهانه های زیاد و نیز پل ها به کار می برند. در بعضی از ماشین های سنگین مثل جرثقیل ها نیز از خر پا استفاده می شود. خرپاها ضمن داشتن مقاومت زیاد، از نظر وزن سبک هستند. استخوان بندی بال بعضی از پرندگان که برای پرواز باید سبک باشند به صورت خرپا تکوین یافته است.

اتصالات در خرپاها

اعضای خرپاها به وسیله جوش ، پیچ و مهره و یا پرچ به یکدیگر متصل می شوند. اتصال اعضا گاهی به طور مستقیم و گاهی به وسیله ورقی موسوم به ((ورق اتصال)) صورت می گیرد. بنابراین در عمل، نه تنها حالت اتصال مفصلی در انتهای اعضا وجود دارند، بلکه پیوند ان ها به یکدیگر و به ورق اتصال از گیرداری قابل ملاحظه ای نیز برخوردار است. توجه به نکاتی خاص موجب می شود که فرض اتصال مفصلی و نیروی محوری خالص در اعضای خرپاها واقعیت بیشتری پیدا کند. از مهمترین ملاحظات در این مورد ان است که در طرح خرپا سعی می شود تا امتداد محور میله ها از نقطه مشترکی بگذرد. همچنین اعمال نیروهای خارجی به محل گره ها از شرایط دیگر این فرض می باشد. به طور کلی برای حل خرپا دو روش وجود دارد. روش اول تعادل مفصلی و روش دوم تعادل برشی است. روش تعادل مفصلی، روشی با قاعده و مراحل انجام ان مشخص است اما برای خرپاهای دو بعدی معمولا محاسبات بیشتری را نسبت به روش تعادل برشی نیاز دارد. روش تعادل برشی کمی نیاز به ابتکار دارد اما برای خرپاهای دو بعدی معمولا جواب را سریع تر نتیجه می دهد و برای حل تست های ازمون مناسب تر است. در روش تعادل مفصل ابتدا سعی می شود با استفاده از معاملات تعادل کل سیستم، نیروهای تکیه گاه های خرپا یا حداقل بعضی از انها محاسبه شود. البته این مورد همیشه امکان پذیر نیست زیرا ممکن است تعداد قیود تکیه گاهی از تعداد معاملات تعادل بیشتر باشد، سپس تعادل هر یک از مفصل های خرپا در نظر گرفته شده و برای هر یک ۲ معادله تعدل افقی و عمودی نوشته می شود. به این ترتیب تعدادی معادله برای پیدا کردن مجهولات (نیروهای اعضا و نیروهای تکیه گاهی که هنوز مجهول هستند) به وجود می اید.

مزایا:

- از آنجا که سازه های مرکب با عملکرد برداری در رابطه با وضعیت های بار گذاری متغیر بسیار کارآمد بوده و از آنجا که سازه ها متشکل از اجزای مستقیم و کوچک هستند جهت تشکیل سیستم های سازه ای قائم برای ساختمان های مرتفع مناسبت بارزی دارد.
– سیستم های با عملکرد برداری به عنوان سیستم های سازه ای قائم جهت ساختمان های مرتفع مزایای زیادی دارند. در صورتی که از آرایش مناسبی برخوردار باشند، می توانند عملکرد های سازه ای جمع آوری بارگذاری خطی ، انتقال بار مستقیم و پایداری در مقابل بار های جانبی را توأما انجام دهند.
– سیستم های سازه ای با عملکرد برداری، به دلیل اینکه جهت گسترش سه بعدی با عناصر استانداردشان در حداقل فضای ممکنه، امکان های نا محدود و گوناگونی را مهیا می سازد. فرم سازه مناسب برای شهر های متحول آتی به شمار می روند.
– سیستم های سازه ای با عملکرد برداری،،در واقع پیش نیاز های سوق دادن همه جانبه طراحی شهری به سمت بعد سوم یعنی ارتفاع هستند. فقط به وسیله سازه های فضایی با عملکرد برداری می توان تهاجم فنی فراگیر فضای سه بعدی و طراحی شهری را سامان داد.