فهرست مطالب

فصل اول

1-1 مقدمه. 1

1-2 تعريف سازه‌هاي فضايي باز شونده و جمع شونده2

1-3 موارد كاربرد سازه‌هاي فضايي باز شونده و جمع شونده2

1-3-1 موارد نياز به سازه‌هاي باز شونده و جمع شونده2

1-3-2 مزاياي سازه‌هاي فضايي باز شونده و جمع شونده.2

1-3-3 موارد استفاده3

1-4 مكانيزم‌هاي مختلف در سازه‌هاي باز شونده و جمع شونده4

1-4-1 مكانيزم‌هاي چتري.. 4

1-4-2 مكانيزم المان‌هاي تا شونده مفصلي (زانويي)5

1-4-3 مكانيزم المان‌هاي قيچي سان.. 5

1-4-4 مكانيزم كشويي.. 5

1-4-5 سازه‌هاي باد شده با هوا6

1-4-6 مكانيزم سازه‌هاي تا شونده صفحه اي.. 6

1-5 بافتار مختلف در سازه‌هايي باز شونده و جمع شونده6

1-5-1 سازه‌هاي خطي.. 7

1-5-2 شبكه‌هاي تخت... 7

1-5-3 شبكه‌هاي بلوري.. 7

1-5-4 چليك استوانه اي با نقش دو طرفه. 8

1-5-5 چليك استوانه اي با نقش سه طرفه. 9

1-5-6 گنبدهاي كروي با نقش دو طرفه. 9

1-5-7 گنبدهاي كروي با نقش سه طرفه. 10

1-5-8 گنبدهاي كروي با المان‌هاي قيچي سان 3 لولايي.. 10

1-5-9 گنبدهاي كروي ژئودزيك.... 11

1-5-10 ساير انواع سازه‌هاي باز شونده و جمع شونده11

1-6 طرح گره‌ها و اتصالات و روش‌هاي باز و بسته كردن سازه11

1-7 تاريخچه سازه‌هاي فضا كار باز و جمع شونده12

1-8 نمونه‌هايي از سازه‌هاي جمع شونده و باز شونده از سراسر دنيا12

2-1 طراحي هندسي سازه هاي فضايي بازشونده وجمع شونده16

2-1-1 اصول كلي و روابط هندسي.. 16

2-1-2 طراحي هندسي در شبكه‌هاي فضايي تخت مشكل از واحدهاي چند ضلعي منتظم 17

2-2 رفتار سازه هاي باز شونده و جمع شونده در مرحله باز و بسته شدن 23

2-2-1 بررسي پارامترهاي هندسي موثر بر رفتار سازه در حين باز و بسته شدن 23

2-2-2 تغييرات كميت‌هاي سازه اي در حين جمع شدن سازه26

2-2-3 پارامترهاي موثر بر رفتار غير خطي سازه در حين باز شدن.. 27

2-3 تحليل و طراحي.. 32

2-3-1 روند آناليز ماتريسي سازه‌هاي باز شونده و جمع شونده32

2-3-2 روند طراحي سازه‌هاي باز شونده و جمع شونده39

2-3-3 طرح المان‌هاي كابل و ميله. 39

2-3-4 طرح المان‌هاي قيچي سان.. 40

2-4 بهينه يابي سازه هاي بازشونده و جمع شونده41

2-4-1 فرآيند طراحي بهينه. 41

2-4-2 رابطه سازي مسائل بهينه يابي.. 41

2-4-3 رابطه سازي سازه فضا كار باز شونده و جمع شونده42

2-4-4 متغيرهاي از پيش تعيين شده43

2-4-5 متغيرهاي طراحي.. 43

2-4-6 تابع هدف... 43

2-4-7 قيدهاي طراحي.. 43

2-4-8 نمودار جريان بهينه ياي وزن سازه تاشو. 45

2-4-9 روش‌هاي نو در بهينه سازي.. 45

2-4-9 روش‌هاي نو در بهينه سازي.. 46

2-5 كارهاي آتي و زمينه‌هاي تحقيق آينده47

منابع.. 48

 

1-1 مقدمه

سازه‌هاي فضايي را مي‌توان به عنوان برگي بر گرفته از طبيعت دانست، فرم‌هاي طبيعي از صلبيت فوق العاده اي برخوردارند واز حداقل مصالح براي حداكثر استفاده سازه اي بهره مي‌گيرند ]1[ سبكي و نصب سريع، چند منظوره بودن، تنوع در شكل و طرح عدم نياز به نيروي زياد در مراحل نصب و برچيدن، سهولت حمل ونقل، قابليت استفاده در ابعاد ودهانه‌هاي مختلف و ... از جمله عواملي مي‌باشند كه استفاده روز افزون اين نوع سازه‌ها را در دنياي علم و فن آوري توجيه پذير مي‌سازند ]2[ توسعه قابل توجه سازه‌هاي فضا كار مرهون تلاش و فعاليت مهندسان نخبه دنيا در اواخر قرن نوزدهم مي‌باشد. ]3[

گر چه در ابتدا هدف از بكار گيري سازه‌هاي فضا كار بعنوان سازه‌هايي موقت بود ولي در عمل از آنها به عنوان سازه‌هايي دائمي‌استفاده شد و به انواع مختلف و با مصالح متفاوت در كشورهاي گوناگون طراحي و اجرا گرديد.

احتياج به سازه‌هاي متحرك كه به طور ساده و سريع نصب گردد و قابل حمل و نصب مجدد در مكانهاي مورد نياز باشد باعث پيدايش سازه‌هاي فضا كار باز شونده و جمع شونده شد كه با رشد روز افزون استفاده از اين نوع سازه‌ها بخصوص در كشورهاي صنعتي توجه پژوهشگران و صنعت گران به اين سازه‌ها افزايش يافت. ]6[ در كشور ما هر سال زلزله‌هاي مخرب و سيل‌هاي وايرانگر عده اي از هموطنانمان را بي خانمان مي‌كند، زلزله زدگان و سيل زدگان نياز مبرم به سر پناه دارند در اين ميان استفاده از اين سازه‌ها مي‌تواند كمك موثري در حفظ جان و مال اين عزيزان داشته باشد، به غير از اين كاربردهاي فراوان اين نوع از سازه‌هاي فضايي تلاش روز افزون پژوهشگران و صنعت گران اين مرز و بوم را مي‌طلبد و اميد آنست كه آن چه در اين سمينار ارائه مي‌گردد، ذره اي هر چند كوچك در راه رشد و اعتلاي كشور عزيزمان باشد.

1-2 تعريف سازه‌هاي فضايي باز شونده و جمع شونده

يك سازه باز و جمع شونده تشكيل شده است از قطعات پيش ساخته يا المان‌هايي كه مي‌توانند باز و بسته شوند و در حالت‌هاي از پيش تعيين شده قرار بگريند ضمن اين كه توانايي تحمل بار را نيز دارند. ]4[

1-3 موارد كاربرد سازه‌هاي فضايي باز شونده و جمع شونده

براي اين كه كاربردهاي مختلف اين نوع سازه‌ها را بررسي ‌كنيم ابتدا بايد موارد نياز و همچنين مزاياي آنها در مقايسه با انواع سازه‌ها مورد مطالعه قرار بگيرد و سپس كاربردهاي مختلف آنها ذكر شود.

1-3-1 موارد نياز به سازه‌هاي باز شونده و جمع شونده

سازه‌هاي باز شونده و جمع شونده زير مجموعه اي از آن دسته از سازه‌ها هستند كه به سرعت و سهولت قابل نصب بوده و مي‌توان آنها را به راحتي براي استفاده مجدد جمع آوري كرد نياز به چنين سازه‌هايي از زمان‌هاي قديم وجود داشته است ]10[. يعني از هنگامي‌كه قبايل چادر نشين براي يافتن مرتع و چراگاههاي بهتر از جايي به جايي ديگر نقل مكان مي‌كردند سازه‌هاي كوچك وسبك و متراكم شده اي مانند سياه چادرها، خيمه سرخ پوستان و چادر كروي عشاير چنين نيازي را بر آورده مي‌كردند، اكثر اين سازه‌ها با وصل كردن ميله‌هاي راست ساده در روي زمين به يكديگر نصب شده و با پارچه‌ها ي سخت پوشيده مي‌شوند. باز كردن و نصب آنها براي ابعاد متوسط هر چند .وقت زيادي نمي‌گرفت اما به هر حال وقت گير بود، مخصوصا در شرايط نامساعد آب وهوايي مشكل آفرين مي‌نمود]12[

1-3-2 مزاياي سازه‌هاي فضايي باز شونده و جمع شونده.

مي‌توان بر اساس نحوه ساخت و استفاه مزاياي زير را براي اين نوع سازه‌ها ذكر كرد

1- پيش ساخته بودن

2- سبك وكم حجم بودن

3- سهولت حمل ونقل

4- نصب سريع و آسان

5- عدم نياز به نيروي متخصص و تجهيزات كم براي نصب و برچيدن سازه

6- قابليت جمع آوري و انتقال و نصب مجدد

7- نوع در شكل و طراحي

8- قابليت استفاده در ابعاد وانداره‌هاي مختلف

9- چند منظوره بودن

1-3-3 موارد استفاده

برخي از كاربردهاي مورد انتظار براي اين نوع سازه‌ها عبارتند از:

1- سرپناههاي اضطراري

2- پل‌هاي اضطراري

3- ساختمان‌ها در نقاط پرت و دور دست

4- گنبدها و يا چليك‌هاي كروي و سهموي ثابت و متحرك

5- پوشش‌هاي محافظتي موقت

6- جرثقيل‌ها، پله‌ها، برج‌ها، و دكل‌هاي باز و جمع شونده

7- داربست‌ها، قالب بنديها، اسكلت بندي يا آمارتور بندي براي سازه‌هاي دائمي‌

8- سر پناه به عنوان سايبان يا محافظ در برابر بارندگي

9- آنتن‌هاي بشقابي

شكل 1-2-1 نمونه اي از آنتن هاي بشقابي [5]

10- اردوگاههاي سبك وزن و سازه‌هاي تفريحي

11- ديوارهاي جدا كننده يا سازه اي

12- درب‌ها و دريچه‌هاي ورود و خروج

13- گلخانه‌ها و ساير كاربرد‌هاي كشاورزي

14- بازو‌ها و اندامهاي سيار

15- وسايل اسباب بازي

16- ابزارها و وسايل مكانيكي و صنعتي

17- صنايع هوا فضا

1-4 مكانيزم‌هاي مختلف در سازه‌هاي باز شونده و جمع شونده

به طور كلي مي‌توان سازه‌هاي باز شونده و جمع شونده را از لحاظ مكانيزم و طرح اوليه به چند دسته تقسيم كرد كه در زير به آنها اشاره مي‌كنيم.

1-4-1 مكانيزم‌هاي چتري

ايده و طرح اين دسته از سازه‌ها بر اساس عملكرد چتر ساده باران مي‌باشد و شامل يك پايه ثابت و يا متحرك بوده كه گرد آ گرد آن گروهي از ميله‌ها وجود داشته و بوسيله لغزاندن يك گره در امتداد پايه به سمت بالاي آن باز مي‌شود البته سازه‌هاي چتري ديگري نيز وجود دارند كه با استفاده از مكانيزم‌هاي ديگر مانند مكانيزم المان قيچي سان (SLE)[1] ساخته مي‌شوند كه به آنها مكانيزم چتري نمي‌گويند ]2[

شكل 1-4-1 يكنوع مكانيزم چتري ]2[

 

1-4-2 مكانيزم المان‌هاي تا شونده مفصلي (زانويي)

اين مكانيزم شامل ميله‌هايي است كه وقتي مكانيزم باز مي‌شود مفصل‌هايي كه دو ميله را به هم متصل كرده اند طوري قفل مي‌شوند كه دو ميله مانند قطعه پيوسته منفرد عمل كند ]6[

 

شكل 1-4-2 مكانيزم الماني هاي تا شونده مفصلي]2[

1-4-3 مكانيزم المان‌هاي قيچي سان

اصول كار اين مكانيزم بر اساس عملكرد پانتو گراف مي‌باشد، براي استفاده سازه اي از اين مكانيزم بايد آن را محدود نمود تا قابليت باربري پيدا كنند و پايدار شود. ]2[]13[

شكل 1-4-3 مكانيزم المانهاي قيچي سان ]2[

 

1-4-4 مكانيزم كشويي

در اين مكانيزم اجزاي سازه در حالت جمع شده بوسيله كشوهايي در يكديگر فرو مي‌روند و هنگام باز كردن المان‌ها يكي پس از ديگري و يا باهم از داخل يكديگر خارج مي‌شوند. ]2[

1-4-5 سازه‌هاي باد شده با هوا

اين نوع سازه‌ها به دو شكل مي‌توانند ساخته شوند در نوع اول بوسيله يك دمنده هوا، با فشار داخلي خيلي كم كه براي افراد داخل سازه قابل توجه نمي‌باشد سازه در محل خود نگهداشته مي‌شود نوع دوم سازه‌هاي هوايي باد شده هستند كه داراي دو يا چند جدار مي‌باشند ]3[

1-4-6 مكانيزم سازه‌هاي تا شونده صفحه اي

در اين مكانيزم صفحات صلب در لبه‌هاي انتهايي خود با مفصل‌هايي به يكديگر متصل شده اند و ابعاد و زواياي آنها طوري انتخاب مي‌شوند كه قابل جمع شدن در يك بسته و باز شدن بصورت مورد نظر باشند. ]7[

1-5 بافتار مختلف در سازه‌هايي باز شونده و جمع شونده

يك المان قيچي سان از دو ميله مستقيم الخط كه در نقطه‌هاي مياني (اين نقطه لزوما وسط ميله‌ها نخواهده بود) به يكديگر مفصل شده اند تشكيل شده است كه اين ميله‌ها در نقاط انتهاي مي‌توانند در جهات مختلف به صورت مفصلي به المان‌هاي قيچي سان ديگر متصل شوند بدين ترتيب مي‌توان واحدهاي جمع شونده و باز شونده كوچكي را ساخت كه هر يك اين واحدها مي‌توانند به تنهايي باز شده و يا جمع شوند. ]2[

شكل 1-6-1 باز و بسته شدن واحدهاي كوچك ]2[

بسته به نحوه اتصال واحد‌هاي اوليه به يكديگر مي‌توان سازه‌هايي با كاربردها وشكل‌هاي متفاوت ايجاد كرد كه در قسمت‌هاي بعد به معرفي و شرح آن مي‌پردازيم.

1-5-1 سازه‌هاي خطي

سازه‌هاي خطي (در اين جا به سازه‌هاي خطي مي‌گوييم كه دو بعد آنها نسبت به بعد سوم آن خيلي كوچكتر است) را ممكن است با اتصال طرح‌ها و واحدهايي در يك امتداد بدست آورد، براي ساخت سازه‌هايي سخت تر مي‌توانيم از المان‌هايي استفاده كنيم كه يك اتصال مياني دارند، با واحدهاي تابيده شده نيز مي‌توانيم قطعات انحناء مياني بسازيم ]6[

شكل 1-6-2 چند نوع سازه خطي باز شو متشكل از واحدهاي بهم پيوسته ]6[

1-5-2 شبكه‌هاي تخت

اين شبكه‌ها از سلولهاي منظم ساخته شده اند و مي‌توانند بصورت سقف، پل يا چتري‌هاي سخت شده به وسيله كابل يا پارچه مورد استفاده قرار گيرند ]6[

1-5-3 شبكه‌هاي بلوري

اگر از واحدهايي كج شده استفاه كنيم مي‌توانيم سازه‌هايي مانند آنچه در شكل نشان داده شده است را ايجاد كنيم در اين واحدهاي كج شده خطوط محيطي المان‌هاي قيچي سان در راستاي كج شده محيط يك متوازي الاضلاع مي‌باشند ]6[.

شكل 1-6-3 شبكه هاي بلوري ]6[

 

1-5-4 چليك استوانه اي با نقش دو طرفه

مي‌توان يك شبكه دو طرفه را طوري بر روي يك استوانه رسم كرد كه خطوط شبكه در امتدادهاي طول و عرضي استوانه قرار گيرند چنانچه اضلاع اين شبكه را با المان‌هاي قيچي سان عوض كنيم و طرح فاصله محدوديت‌هاي تعريف شده پيشين را ارضا كند آنگاه به يك ساز چليكي باز شونده و جمع شونده با كاربردهاي فراوان دست خواهيم يافت ] 14[.

شكل 1-6-4 چليك استوانه اي ]14[

 

1-5-5 چليك استوانه اي با نقش سه طرفه

چنانچه شكبه اي مثلثي را بر روي يك سطح استوانه اي رسم كنيم و المان‌هاي قيچي سان را جايگزين اضلاع آن نماييم به يك چليك تا شو و باز شو با نقش مثلثي دست مي‌يابيم ]كتاب[.

1-5-6 گنبدهاي كروي با نقش دو طرفه

اگر شبكه مربعي شكل را در داخل يك سطح كروي تصوير كنيم والمان‌هاي قيچي سان را جايگزين خطوط تصوير شده نماييم مي‌توانيم سازه‌هاي باز شونده گنبدي ايجاد كنيم ]14[

 

[1]Scissor – like- element (sle)