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. 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.
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.
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.
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. 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.
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
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
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.
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)ساخته ميشوند كه به آنها مكانيزم چتري نميگويند.
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.
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.
طرح گرهها و اتصالات و روشهاي باز و بسته كردن سازه
يكي از مباحث مهم در طراحي سازههاي فضايي مساله طراحي اتصالات و گرهها ميباشد در سازههاي باز شونده و جمع شونده نيز طرح گرهها از قسمتهاي مهم طراحي سازه محسوب ميشود و نوع اتصالات انتخابي ميتواند اثر زيادي در عملكرد سازه و قابليتها و محدوديتهاي آن داشته باشد.
مسئله ديگر در طرح سازههاي باز و جمع شونده روشهاي مورد استفاده براي باز و بسته كردن سازه است براي اين كار ميتوان از روشهاي مختلفي كه بعضا بر حسب محدوديتها و شرايط خاص در نحوه استفاده از سازه انتخاب ميشوند استفاده كرد از جمله اين روشها ميتوان استفاده از جكهاي هيدروليكي يا دستي، استفاده از موتورهاي الكتريكي، استفاده از كابل و استفاده از وزن سازه و … را نام برد.
طراحي هندسي سازه هاي فضايي بازشونده وجمع شونده
در اين قسمت اصول كلي و روابط هندسي و رياضي براي طراحي سازههاي فضايي باز شونده و جمع شونده مورد بررسي قرار ميگيرد اين اصول و روابط مرهون تلاش دانشمندان بسياري همچون گنتس و كونتوپلو مي باشد، سپس به فرموله كردن آنها براي طراحي سيستماتيك انواع سازههاي باز شونده و جمع شونده تخت و مسطح خواهيم پرداخت.
اصول كلي و روابط هندسي
كار خود را با يك مجموعه ساده متشكل از دو المان قيچي سان نشان داده شده در شكل (2-1-1) شروع ميكنيم.
شكل (2-1-1) يك مكانيزم سازه بازشو متشكل از دو المان قيچي سان
بنابراين چنانچه واحد شماره 1 را به همان صورت نشان داده شده ثابت نگه داريم، مفصل مياني واحد شماره 2 يعني نقطه p2 براي ارضا شرط سازگاري ميتواند در محلهاي مختلفي قرار گيرد و تنها شرط هندسي اين است كه بايد مجموع فواصل گره p2 تا نقاط R و S با مقدار ثابت L1+L/ 1 برابر باشد، همانطور كه ميدانيم مكان هندسي نقاطي كه مجموع فواصل آنها تا دو نقطه ثابت، مقداري مشخص باشد يك بيضي است كه آن دو نقطه ثابت كانونهاي اين بيضي هستند، بنابراين چنانچه در شكل a)2-1-2) نشان داده شده است نقطه p2 ميتواند هر نقطه اي از نقاط محيط بيضي به كانونهاي R و S باشد.
شكل (2-1-2 a،b) نمايش صوري شرايط سازگاري هندسي در المانهاي قيچي سان
شكل 2-1-2b يك بيضي با پارامترهاي مربوطه را نشان ميدهد، براي طراحي هندسي سازههاي باز شونده و جمع شونده در شكلهاي دلخواه و مورد نظر ميتوان مانند شكل (2-1-3) از اصول گفته شده در مورد بيضي استفاده نمود و با المانهاي قيچي سان، شكل مورد نظر در حالت باز شده را ايجاد كرد. از اين مساله ميتوان در حالت 3 بعدي نيز استفاده كرد وبجاي بيضي از بيضيگون استفاده نمود.
شكل (2-1-3) يك مجموعه بازشونده وجمع شونده با شكل فرضي دلخواه
طراحي هندسي در شبكههاي فضايي تخت مشكل از واحدهاي چند ضلعي منتظم
براي ساخت شبكههاي فضايي تخت باز شونده و جمع شونده ميتوان از بهم پيوستن واحدهاي چند ضلعي منتظم استفاده كرده و به طرحهايي با نقشهاي متنوع و زيبا دست يافت. در اينگونه شبكهها از نقشهايي ميتوان استفاده نموده كه در آن يك يا چند نوع چند ضلعي منتظم با اضلاع برابر بكار رفته باشند همچنين وجود اضلاع قطري در اين چند ضلعهاي منتظم ميتواند سبب ايجاد خود ايستايي در حالت باز شده وهمچنين افزايش سختي و مقاومت و پايداري سازه شود بنابراين اقطار چند ضلعيهاي مزبور نيز در طراحي اين سازهها در نظر گرفته ميشوند حال چنانچه نقشهايي با خصوصيات فوق الذكر داشته باشيم ميتوان المانهاي قيچي سان را جايگزين اضلاع و اقطار چند ضلعيهاي مزبور كرده و به شبكههاي فضايي باز شونده و جمع شونده دست يافت، اگر بخواهيم فقط از يك نوع چند ضلعي متنظم با اعضاي قطري آنها استفاده كنيم فقط سه طرح قابل ايجاد خواهد بود كه هر يك متشكل از واحدهاي مثلث شكل يا مربع شكل و يا شش ضلعي خواهندبود.
رفتار سازه هاي باز شونده و جمع شونده در مرحله باز و بسته شدن
اجزاي سازههاي فضايي باز شونده و جمع شونده متشكل از المانهاي قيچي سان در مرحله باز و بسته شدن تحت تغيير شكلهاي داخلي و در نتيجه تنشهاي داخلي قرار ميگيرند، چنانچه اين تنشها از حدود معيني بالاتر روند ممكن است سبب ايجاد مفاصل پلاستيك و خرابي سازه و يا نياز به نيروهاي زياد تر براي باز و بسته كردن سازه شوند. بنابراين مرحله باز و بسته شدن سازه بايد به عنوان يك بخش اساسي از طراحي اينگونه سازهها مد نظر قرار گيرد، براي تعيين نيروهاي ايجاد شده در قسمتهاي مختلف يك سازه در اين مرحله به انجام يك آناليز غير خطي هندسي با تغيير شكلهاي بزرگ نياز داريم و چنانچه اطلاعات دقيق تري از رفتار سازه و پارامترهاي موثر بر آن در اين مرحله داشته باشيم ميتوان قبل از انجام آناليز غير خطي و در مرحله طراحي هندسي، پارامترهاي مزبور را بگونه اي انتخاب كرد كه سازه رفتاري مطلوب و مورد نظر ما داشته باشد.
