سازه های فولادی دهانه بزرگ به طور گسترده در استادیوم ها، سالن های نمایشگاه، ترمینال های فرودگاه، ساختمان های صنعتی، مراکز حمل و نقل و سایر تاسیسات بزرگ عمومی یا صنعتی استفاده می شود.

در سیستم‌های سازه‌ای با دهانه بزرگ، چیدمان نقاط تکیه‌گاه تأثیر قابل‌توجهی بر انعطاف‌پذیری معماری دارد. به طور کلی، هرچه تکیه گاه ها پراکنده تر باشند، محدودیت ها در برنامه ریزی و سازماندهی فضایی بیشتر می شود. در مقابل، سیستم های پشتیبانی متمرکز معمولاً انعطاف پذیری بیشتری را برای طراحی معماری فراهم می کنند.

این مقاله اشکال سازه ای اصلی سازه های فولادی دهانه بزرگ را معرفی می کند و چندین روش متداول ساخت و نصب را خلاصه می کند.

1. اشکال اصلی سازه سازه های فولادی دهانه بزرگ

1.1 ساختار قاب فضایی

اسپیس فریم یک سیستم ساختاری سه بعدی است که از چندین عضو تشکیل شده است که از طریق گره ها بر اساس یک الگوی هندسی خاص به هم متصل شده اند.

سیستم‌های شبکه‌ای مسطح دو لایه یا چند لایه معمولاً به عنوان قاب فضایی شناخته می‌شوند. آنها معمولا از لوله های فولادی، مقاطع فولادی سازه ای یا سایر اجزای فولادی با مقاومت بالا ساخته می شوند.

انواع متداول سازه های اسپیس فریم عبارتند از:

• قاب های فضایی متشکل از سیستم های خرپایی مسطح

• قاب های فضایی هرمی مربعی

• قاب های فضایی هرمی مثلثی

• قاب های فضایی هرمی شش ضلعی

سازه های اسپیس فریم چندین مزیت مهم دارند:

• توزیع بار سه بعدی کارآمد

• مسیرهای انتقال بار روشن و مستقیم

• ساخت و ساز سبک

• سفتی ساختاری بالا

• عملکرد لرزه ای خوب

• ساخت و نصب راحت

• اعضا و گره های اتصال استاندارد شده

• مناسب برای پیش ساخت کارخانه و تولید انبوه

• چیدمان های معماری انعطاف پذیر

• ادغام آسان سقف ها، خطوط لوله و تجهیزات مکانیکی

• ظاهر سبک و جذاب معماری

به دلیل این مزایا، اسپیس فریم ها به طور گسترده برای سقف های با دهانه بزرگ و ساختمان های عمومی استفاده می شوند.

1.2 ساختار پوسته شبکه فضایی

ساختار شبکه منحنی به طور کلی به عنوان پوسته شبکه یا پوسته شبکه فضایی شناخته می شود. با توجه به پیکربندی آن، می توان آن را به سیستم های پوسته شبکه تک لایه و دو لایه تقسیم کرد.

بسته به مصالح ساختمانی، پوسته های شبکه ممکن است از فولاد، الوار، بتن مسلح یا مواد مرکب ساخته شوند.

اشکال ساختاری رایج عبارتند از:

• پوسته های شبکه کروی

• پوسته های شبکه هایپربولیک

• پوسته های شبکه استوانه ای

• پوسته های شبکه ای پارابولوئید هیپربولیک

سازه های پوسته شبکه ای ویژگی های سازه های مشبک و سازه های پوسته نازک را ترکیب می کنند.

مزایای اصلی آنها عبارتند از:

• رفتار ساختاری منطقی و کارآمد

• اعضای ساختاری نسبتا ساده

• سفتی کلی بالا

• قابلیت دهانه بزرگ عالی

• قابلیت مونتاژ سازه های بزرگ از قطعات پیش ساخته کوچکتر

• تولید کارخانه اعضا و گره های اتصال

• نصب نسبتا راحت در محل

• کاهش وابستگی به تجهیزات بالابر بسیار بزرگ

• عملکرد کلی اقتصادی خوب

• فرم های معماری انعطاف پذیر و هندسه های منحنی

سیستم های پوسته شبکه ای به ویژه برای پروژه هایی که هم به دهانه های طولانی و هم به طرح های معماری متمایز نیاز دارند، مناسب هستند.

1.3 ساختار غشایی

سازه‌های غشایی که به نام ساختارهای پارچه‌ای نیز شناخته می‌شوند، سیستم‌های ساختاری سبک وزنی هستند که در نیمه دوم قرن بیستم به سرعت توسعه یافتند.

آنها از مواد غشایی انعطاف پذیر با کارایی بالا به عنوان سیستم پوشش اصلی استفاده می کنند. پایداری سازه را می توان از طریق فشار هوا، کابل های فولادی کشش یافته یا قاب های حمایتی سفت و سخت که پیش تنیدگی کنترل شده را به غشاء وارد می کنند، به دست آورد.

سیستم های ساختاری غشایی متداول عبارتند از:

• ساختارهای غشایی با پشتیبانی از هوا

• سازه های غشایی کششی

• ساختارهای غشایی با پشتیبانی از قاب

مزایای اصلی ساختارهای غشایی عبارتند از:

• خود وزن بسیار کم

• قابلیت دهانه بزرگ عالی

• فرم های معماری انعطاف پذیر و رسا

• ساخت سریع و راحت

• عملکرد اقتصادی خوب

• راندمان ساختاری بالا

• خاصیت انتقال نور خوب

• ویژگی های خود تمیز شوندگی با مواد غشایی مناسب

با این حال، دوام غشا و الزامات نگهداری طولانی مدت باید در طول طراحی و انتخاب مواد به دقت در نظر گرفته شوند.

1.4 ساختار معلق کابلی

سازه های معلق کابلی از کابل های کششی با مقاومت بالا به عنوان عناصر باربر اولیه استفاده می کنند.

یک سیستم سقف معلق معمولی معمولاً از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

• سیستم کابلی

• سیستم سقف

• سیستم پشتیبانی

اشکال ساختاری کابل رایج عبارتند از:

• سیستم های کابل معلق تک لایه یک طرفه

• سیستم های کابلی معلق تک لایه شعاعی

• سیستم های کابل معلق تک لایه دو طرفه

• سیستم های کابلی پیش تنیده دو لایه یک طرفه

• سیستم های کابلی پیش تنیده شعاعی

• سیستم های کابلی دو لایه پیش تنیده دو طرفه

• ساختارهای شبکه کابلی پیش تنیده

ویژگی اصلی ساختاری سیستم های کابل معلق این است که بارهای خارجی عمدتاً از طریق کشش محوری در کابل ها مقاومت می کنند.

این اجازه می دهد تا از استحکام کششی بالا فولاد به طور موثر استفاده شود و در عین حال اثرات خمشی و برشی را به حداقل می رساند.

مزایای اضافی عبارتند از:

• سیستم های سقف سبک

• آرایش ساختاری انعطاف پذیر

• سازگاری با پلان های مختلف معماری

• کاهش تقاضا برای تجهیزات باربری سنگین

• راندمان بالای استفاده از مواد

با این حال، تجزیه و تحلیل ساختاری، کنترل پیش تنیدگی، محاسبه تغییر شکل و نظارت بر ساخت سیستم های کابلی نسبتاً پیچیده است. بنابراین، طراحی مهندسی دقیق و کنترل دقیق نصب ضروری است.

1.5 ساختار پوسته نازک

سازه های پوسته نازک سیستم های سازه ای منحنی با ضخامت نسبتاً کم در مقایسه با شعاع انحنای آنها هستند.

در مهندسی سازه، پوسته‌ها تقریباً موارد زیر را برآورده می‌کنند:

t/R ≤ 1/20

به طور کلی پوسته های نازکی در نظر گرفته می شوند که در آنها:

• t نشان دهنده ضخامت پوسته است

• R نشان دهنده شعاع انحنا است

با توجه به فرم هندسی، ساختارهای پوسته را می توان به پوسته های چرخشی یا پوسته های انتقالی طبقه بندی کرد.

با توجه به مصالح ساختمانی، آنها می توانند شامل موارد زیر باشند:

• پوسته های نازک بتن آرمه

• پوسته های نازک بنایی

• پوسته های نازک فولادی

• پوسته های نازک مرکب

سازه های پوسته نازک راندمان باربری عالی را ارائه می دهند.

استحکام و سختی آنها در درجه اول از شکل هندسی منحنی آنها ناشی می شود، که اجازه می دهد بارها عمدتاً از طریق نیروهای غشایی به جای خمش منتقل شوند.

در نتیجه، ساختارهای پوسته نازک می توانند موارد زیر را ارائه دهند:

• استحکام بالا

• سفتی بالا

• کاهش مصرف مواد

• انتقال بار کارآمد

• اقتصاد ساختاری عالی

بنابراین برای بسیاری از ساختمان‌های با دهانه بزرگ که به عملکرد ساختاری کارآمد و هندسه معماری متمایز نیاز دارند، مناسب هستند.

2. روش های ساخت متداول برای سازه های فولادی دهانه بزرگ

2.1 مونتاژ درجا در ارتفاع بالا

مونتاژ در محل در ارتفاع بالا به مونتاژ اعضای سازه ای و گره های اتصال به طور مستقیم در موقعیت های طراحی نهایی آنها اشاره دارد.

برای سازه های فولادی دهانه بزرگ، برای بهبود پایداری سازه و کنترل تغییر شکل، اغلب به تکیه گاه های موقت در حین نصب نیاز است.

پس از تکمیل و تثبیت سازه اصلی، تکیه گاه های موقت به تدریج تخلیه یا برداشته می شوند تا سازه به شرایط طراحی نهایی خود برسد.

این روش یکی از اساسی ترین تکنیک ها برای ساخت سازه های فضایی پیچیده با دهانه بزرگ است.

بسته به سیستم پشتیبانی، به طور کلی می توان آن را به دو روش تقسیم کرد.

نصب کامل داربست

داربست کامل با توجه به ارتفاع و هندسه سازه ساخته می شود و به کل سیستم اجازه می دهد تا در ارتفاع جمع شود.

این روش عموماً برای سازه هایی با دهانه ها و ارتفاعات متوسط ​​مانند سالن های داخلی و ساختمان های نمایشگاهی مناسب است.

مزایا عبارتند از:

• ساخت و ساز انعطاف پذیر

• قابلیت استفاده مجدد بالا از داربست

• کنترل مختصات و تراز مناسب

• پیچیدگی فنی نسبتا کم

معایب عبارتند از:

• تعداد زیادی داربست مورد نیاز است

• کار بیشتر در ارتفاع

• قرار گرفتن بیشتر در معرض خطرات ایمنی

• زمان آماده سازی طولانی تر

نصب برج پشتیبانی موقت

برج های نگهدارنده موقت یا قاب های نصب به طور ویژه با توجه به هندسه، بار، ارتفاع و وزن سازه طراحی می شوند.

این روش بیشتر برای ساختمان های بلندتر یا سازه های با دهانه بزرگ با اجزای سازه ای سنگین تر مناسب است.

مزایا عبارتند از:

• پایداری ساختاری بالا در هنگام نصب

• موقعیت یابی دقیق

• تنظیمات پشتیبانی انعطاف پذیر

• ایمنی ساخت و ساز بهبود یافته است

نقطه ضعف اصلی آن، نرخ استفاده مجدد نسبتاً پایین از تکیه گاه های موقت ویژه طراحی شده است که ممکن است هزینه های مصالح و ساخت و ساز را افزایش دهد.

2.2 روش نصب کشویی

روش نصب کشویی شامل مونتاژ مقاطع سازه فولادی در یک منطقه و سپس انتقال آنها در امتداد مسیرهای طراحی شده ویژه به موقعیت های نهایی است.

پس از اینکه هر بخش به محل طراحی خود رسید، با واحدهای سازه ای مجاور متصل می شود.

این روش به ویژه زمانی مناسب است که:

• محل ساخت و ساز دارای فضای کاری محدود است

• تجهیزات بالابر سنگین نمی توانند به راحتی به محل نصب دسترسی داشته باشند

• نقشه ساختمان نسبتاً منظم است

• این سازه شامل سقف‌های بزرگ، استادیوم‌ها یا ساختمان‌های روباز است

روش کشویی می تواند دوره نصب را به میزان قابل توجهی کوتاه کند.

با این حال، چندین عامل فنی باید به دقت کنترل شوند، از جمله:

• انتخاب و طراحی مسیرهای کشویی

• مقاومت در برابر لغزش

• همگام سازی بین چندین نقطه لغزنده

• سرعت لغزش

• تغییر شکل ساختاری در حین حرکت

• ثبات موقت

2.3 روش بلند کردن انتگرال

بالابر یکپارچه شامل مونتاژ یک بخش ساختاری بزرگ در سطح زمین و سپس بالا بردن ساختار کامل تا ارتفاع نهایی با استفاده از تجهیزات بالابر هیدرولیک یا سایر سیستم های بالابری هماهنگ است.

این روش معمولا برای موارد زیر استفاده می شود:

• سازه های سقف دهانه بزرگ

• پوسته های شبکه تک لایه

• پوسته های شبکه دو لایه

• خرپاهای سقفی بزرگ

• سازه های فلزی فضایی سنگین

مزایای عمده آن عبارتند از:

• کاهش پشتیبانی های موقت

• کار مونتاژ در ارتفاعات کمتر

• بهره وری ساخت و ساز بهبود یافته است

• دوره های نصب کوتاه تر

• شرایط کاری بهتر در سطح زمین

چالش های فنی اصلی عبارتند از:

• موقعیت یابی دقیق نقاط بالابر

• کنترل همزمان بالابر

• کنترل استرس و تغییر شکل

• پایداری ساختاری در هنگام بلند کردن

• نظارت بر ساخت و ساز در زمان واقعی

بالابر یکپارچه اغلب با سایر روش های نصب با توجه به شرایط پروژه ترکیب می شود.

2.4 روش کشش انتگرال

کشش یکپارچه عمدتاً برای سازه های کابلی و سازه های غشایی کششی استفاده می شود.

در طول ساخت و ساز، چندین جک هیدرولیک یا دستگاه های کششی برای کشش همزمان کابل ها یا سیستم های غشایی استفاده می شود تا زمانی که پیش تنیدگی و هندسه طراحی مورد نیاز به دست آید.

این روش به ویژه برای سازه های بزرگ کابلی و غشایی مناسب است.

مزایای آن عبارتند از:

• کنترل دقیق پیش تنیدگی

• همگام سازی بالا

• ساخت و ساز کارآمد

• کاهش حجم کار دستی

• نیازهای پشتیبانی موقت کمتر

• بهبود دقت نصب

از آنجایی که سازه های کابل و غشاء به پیش تنیدگی بسیار حساس هستند، تنش همزمان و نظارت در زمان واقعی برای اطمینان از عملکرد سازه حیاتی هستند.

2.5 روش گسترش پیشرونده برای پوسته های شبکه

روش انبساط پیشرونده یک تکنیک نصب پیشرفته است که معمولا برای سازه های پوسته شبکه ای بزرگ استفاده می شود.

روش معمول ساخت و ساز عبارت است از:

1. بخش مرکزی پوسته شبکه را در سطح زمین جمع کنید.

2. قسمت مونتاژ شده را تا ارتفاع از پیش تعیین شده بلند کنید.

3. بخش های پوسته شبکه اضافی را در اطراف محیط نصب کنید.

4. ساختار بزرگ شده را دوباره بالا ببرید.

5. این فرآیند را تا زمانی که کل پوسته شبکه کامل شود تکرار کنید.

این روش ساخت چندین مزیت دارد:

• کاهش سازه های حمایتی موقت

• مقدار زیادی از کار مونتاژ را می توان در سطح زمین تکمیل کرد

• بهبود کیفیت ساخت

• کاهش کار در ارتفاع

• ایمنی کارگران بهبود یافته است

• کنترل آسان تر کیفیت اتصال

به دلیل این مزایا، روش انبساط پیشرونده به طور فزاینده ای در پروژه های سازه های فلزی فضایی با دهانه بزرگ استفاده می شود.

2.6 روش نصب کنسول

در روش نصب کنسول، ابتدا واحدهای سازه ای نسبتاً کوچک در سطح زمین مونتاژ می شوند.

سپس این واحدها توسط جرثقیل ها یا سایر تجهیزات بالابر به موقعیت نهایی خود بلند می شوند و به تدریج به سازه نصب شده قبلی متصل می شوند.

این روش عموماً برای سازه های فضایی نسبتاً کوچک یا کم پیچیدگی مناسب است.

مزایای آن عبارتند از:

• کاهش پشتیبانی های موقت

• هزینه های موقت ساخت و ساز کمتر

• توالی نصب انعطاف پذیر

با این حال، این روش چندین چالش را نیز به همراه دارد:

• ناپایداری ساختاری بیشتر در هنگام نصب

• خطر بالاتر در هنگام نعوظ کنسول

• کنترل تغییر شکل دشوار

• امکان تنش های ثانویه اضافی

• الزامات بیشتر برای مهاربندی موقت

قبل از استفاده از این روش، واحدهای سازه ای نصب شده باید بررسی شوند تا از پایداری هندسی و سختی کافی اطمینان حاصل شود.

شبیه‌سازی و تحلیل ساختاری مرحله ساخت نیز باید برای پیش‌بینی تغییر شکل، توزیع مجدد تنش و پایداری موقت انجام شود.

3. نتیجه گیری

سازه‌های فولادی با دهانه بزرگ می‌توانند بسیاری از سیستم‌های سازه‌ای از جمله قاب‌های فضایی، پوسته‌های شبکه‌ای، سازه‌های غشایی، سیستم‌های معلق کابلی و سازه‌های پوسته نازک را اتخاذ کنند.

هر فرم سازه دارای ویژگی های متفاوتی از نظر انتقال بار، قابلیت دهانه، انعطاف پذیری معماری، کارایی مصالح، ساخت و الزامات نصب است.

به طور مشابه، روش های ساخت و ساز مانند مونتاژ در محل در ارتفاع بالا، نصب کشویی، بلند کردن یکپارچه، تنش همزمان، گسترش پیشرونده پوسته شبکه، و نصب کنسول باید با توجه به سیستم ساختاری، مقیاس پروژه، شرایط محل ساخت، تجهیزات موجود، الزامات ایمنی و برنامه ساخت و ساز انتخاب شوند.

برای پروژه‌های سازه‌های فولادی با دهانه بزرگ، یک راه‌حل موفق ساخت‌وساز نه تنها باید بر کارایی نصب تمرکز کند، بلکه باید پایداری سازه، کنترل تغییر شکل، طراحی پشتیبانی موقت، هماهنگ‌سازی بالابر، تجزیه و تحلیل مرحله ساخت و ساز و ایمنی کارگران را نیز در نظر بگیرد.

طراحی مهندسی حرفه ای، ساخت دقیق فولاد، بازرسی دقیق کیفیت، و روش های نصب به خوبی برنامه ریزی شده برای اطمینان از ایمنی، کیفیت و عملکرد طولانی مدت سازه های فولادی با دهانه بزرگ ضروری است.