سازه کش بستی (Tensegrity) چیست و انواع آن کدامند؟

سازه کش بستی (Tensegrity) نوعی سازه ی فضاکار سه بعدی پایدار است که در آن کابل ها ممتد ولی عناصر فشاری غیرممتد هستند و با یکدیگر اتصالی ندارند. پایداری این گونه سازه ها در اثر نگه داری میله های فشاری بین یک سری کابل در جهات مختلف به دست می آید. در ادامه این مطلب از پاوان با ما همراه باشید.

سازه کش بستی یا تنسگریتی چیست؟

سازه کش بستی یا Tensegrity به ساختاری گفته می‌شود که از تعادل بین قطعات فشاری و کششی تشکیل شده است. در این ساختار، قطعات فشاری با قرارگیری مناسب خود، با قطعات کششی که به صورت سیم‌ها یا نخ‌ها به آن‌ها وصل شده‌اند، به تعادل می‌رسند. این سازه‌هاِ برای ساختمان‌های پویا و پایدار استفاده می‌شوند و به دلیل اینکه وزن سازه به صورت یکنواخت بر روی تمام نقاط توزیع می‌شود، قابلیت تحمل بار بالا را دارند.

از طرفی هم به تعبیر فولر که یکی از نخستین تعاریف را عرضه داشته، ساختار تنسگریتی جزایری از فشار در داخل دریایی از کشش هستند. تنسگریتی یک سیستم سازه‌ای است که به خاطر عناصر فشاری متمایز که داخل یک شبکه کششی شناور می‌باشد، شناخته شده است.

این جذاب ترین گزاره در سیستم‌های پویاست، زیرا چنین ساختارهایی به طور خودکار، موقعیتی از تعادل پایدار را ایجاد می‌کنند، با یک پیکربندی که انرژی الاستیکی ذخیره شده را به حداقل می رساند.

سازه‌های تنسگریتی، امکان حرکت با حداقل هزینه ی انرژی، بدون از دست دادن پایداری و مقاومت را فراهم می‌نماید. در مقایسه با ساختارهای زیست شناختی نشان می‌دهد که هر دو خواص ارتجاعی و غیر خطی، با حرکت سیال مانند دارند که نتیجه ی یکپارچگی تمام اجزاست.

بیشتر بخوانیدسازه صنعتی چیست و انواع آن کدامند؟ بررسی جامع مزایا و معایب هر کدام

تاریخچه سازه کش بستی

با صنعتی شدن وتوسعه دنیای مدرن تقاضا برای استفاده از سازه‌های با دهانه‌های بزرگ افزایش یافت. با وقوع انقلاب صنعتی، گسترش تولید آهن و سپس فولاد، امکان تولید مصالح با مقاومت زیاد، ساخت ساختمان‌های با ارتفاع بیشتر و دهانه‌های وسیع تر فراهم شد.

هم زمان، تقاضا جهت سازه‌های با دهانه وسیع برای پل ها، ایستگاه‌ها، ساختمان انبارها و کارخانه‌ها افزایش یافت. در ابتدا مجموعه‌ای از خرپاهای متنوع شکل گرفت و در مراحل بعد سازه‌های مشبک فضایی سه بعدی به وجود آمدند. بسیاری از فرم‌های سازه‌ای به ویژه اغلب شبکه‌های فضایی ازمدول‌هایی تشکیل شده‌اند.

نظریه ی ساخت ساختمان‌های مدولار تقریباً ۱۵۰ سال قبل، با طراحی، ساخت و نصب قاب‌های فلزی کریستال پالاس در هاید پارک لندن شکل عملی یافت. سازه‌هایی مانند برج ایفل که از آهن شکل داده شده ساخته شد، دلیلی بر پایداری و دوام سازه‌های فلزی سه بعدی مدولار به شمار می‌روند.

دردهه ۵۰ و ۶۰ سیستم‌های مشبک فضایی در تمام دنیا مورد استفاده قرار گرفت. این سیستم به وسیله ی مجسمه سازی به نام کنت اسنلسون در سال ۱۹۸۰ ابداع شد و باکمینستر فولر آن را توسعه داد و حق امتیاز آن را به دست آورد.

در آمریکا ریچارد باکمینستر فولر (۱۸۹۵- ۱۹۸۱) درپی مطالعاتی که در مورد نحوه ی اتصال تعدادی از کره‌ها به یکدیگر انجام داد، به سیستم خرپای هشت وجهی دست یافت. پس از آن استفاده از ساختارهای کش بستی یا تنسگریتی کاربرد بیشتری یافت و اصول آن در ساخت ورزشگاه ها و سالن‌های عظیم تا تولیدات صنعتی و مبلمان مورد استفاده قرار گرفته است.

بیشتر بخوانید: اجرای اسکلت فلزی ساختمان دو طبقه چه مراحل و نکاتی دارد؟

اجزای سازه کش بستی (Tensegrity)

سازه کش بستی از دو نوع اجزای اصلی تشکیل شده است:

1. قطعات فشاری و
2. قطعات کششی.

قطعات فشاری: این قطعات شامل عناصر فشاری سخت و مقاوم هستند که به شکل هندسی ساخته شده‌اند و وظیفه‌ی آن‌ها پشتیبانی از سازه و جلوگیری از تغییر شکل ناخواسته در آن است. مثال‌هایی از قطعات فشاری عبارتند از: استوانه، مکعب، منشور و …

قطعات کششی: این قطعات شامل تمام سیم‌ها، نخ‌ها و سیمانک‌ها است که به شکل گره‌ها وصل شده‌اند و برای حفظ تعادل و شکل دهی سازه بکار می‌روند. مثال‌هایی از قطعات کششی عبارتند از: سیم‌های فولادی، نخ‌های نایلون و …

در سازه کش بستی، قطعات کششی به شکل گره‌هایی به قطعات فشاری متصل شده‌اند و در طول سازه پخش شده‌اند. این قطعات کششی با استفاده از تنش بر روی قطعات فشاری، سازه را در تعادل نگه می‌دارند و به سازه اجازه می‌دهند تا با اعمال بارهای مختلف، انعطاف پذیر باشد.

در این نمونه سازه‌ به دلیل هندسه پیچیده ی خود، سعی بر ساده سازی آن شده است؛ بنابراین از مدول های دو، سه، چهار و غیره برای ساخت چنین سازه هایی استفاده می شود. یکی از مدول پایه این نوع سازه ها که در بیشتر سازه های کش بستی ساخته شده، مدول سه وجهی آن است که از سه عضو فشاری و ۹ عضو کششی تشکیل شده است.

از سازه‌های کش بستی با عنوان سازه‌های مقاوم در برابر زلزله یاد کرده اند. با این حال، این ویژگی سازه‌های کش بستی باید از طریق مطالعه رفتار لرزه‌ای این سازه‌ها اثبات شود. در سازه‌های فضاکار متداول، اعضای کششی بعد از ورود به ناحیه پلاستیک دارای رفتار سخت شدگی کرنشی هستند، بنابر‌این می‌توانند نیروهای اضافی را جذب کنند.

از این روی اعضای فشاری نقش اصلی را در تحلیل خرابی این سازه‌ها ایفا می‌کنند؛ اما در سازه‌های کش بستی، اعضای کششی که به صورت کابل هستند، بعد از ناحیه تسلیم دارای سخت شدگی کرنشی نیستند. در نتیجه برای این سازه‌ها مکانیزم گسیختگی کششی نیز مطرح است.

عناصر کابلی در سازه‌های کش بستی، برعکس عناصر کششی در سازه‌های متداول، به دلیل تغییر حالت (حالت شل و سفت) باعث رفتار غیرخطی سازه‌ها می‌شوند‌. این عوامل بیانگر اهمیت مطالعه رفتار لرزه‌ای سازه‌های کش بستی هستند. سازه‌های کش بستی به دلیل ظاهرشان مورد توجه بسیاری از طراحان معماری و محققین قرارگرفته‌اند.

با وجود این شبکه‌های فضایی پیشنهاد شده توسط محققینی که با اعضای کش بستی مونتاژ شده‌اند، معمولاً برای استفاده کاربردی ساخته نشده‌اند برای این که سیستم‌های کش بستی از حالت تئوری به صورت سیستم‌های سازه‌ای و معماری عملی دربیایند، مطالعات کامل و عمیقی روی رفتار سازه‌های این سیستم‌ها باید انجام گیرد.

از سازه‌های کش بستی با عنوان سازه‌های مقاوم در برابر زلزله یاد کرده اند. با این حال، این ویژگی سازه‌های کش بستی باید از طریق مطالعه رفتار لرزه‌ای این سازه‌ها اثبات شود. در سازه‌های فضاکار متداول، اعضای کششی بعد از ورود به ناحیه پلاستیک دارای رفتار سخت شدگی کرنشی هستند، بنابر‌این می‌توانند نیروهای اضافی را جذب کنند.

از این روی اعضای فشاری نقش اصلی را در تحلیل خرابی این سازه‌ها ایفا می‌کنند؛ اما در سازه‌های کش بستی، اعضای کششی که به صورت کابل هستند، بعد از ناحیه تسلیم دارای سخت شدگی کرنشی نیستند. در نتیجه برای این سازه‌ها مکانیزم گسیختگی کششی نیز مطرح است.

از معایب این سازه‌ها این است که انعطاف پذیر هستند و تغییر شکل‌های بزرگی در این سازه‌ها تحت بارگذاری مشاهده شده است‌. اگر چه متون علمی وسیعی راجع به رفتار لرزه‌ای سازه‌های فضاکار وجود دارد، اما هیچ کدام از آن ها برای سازه‌های کش بستی مناسب نیستند؛ زیرا سازه‌های کش بستی نوع خاصی از سازه‌های فضاکار هستند که در آن ها بایستی خودتنیدگی ایجاد شود و تحلیل این سازه‌ها بر اساس پیش-تنیدگی استوار است.

بیشتر بخوانید: راهنمای جامع سقف عرشه فولادی در اسکلت فلزی از اجرا و جزئیات تا حداکثر دهانه و ضخات

تحلیل سیستم کش بستی

تحلیل کامل یک سیستم کش بستی شامل سه مرحله است.

1. مرحله اول فرم یابی
2. مرحله دوم انجام خودتنیدگی
3. مرحله سوم مطالعه رفتار تحت بارهای خارجی

با استفاده از روش‌های فرم یابی در‌ ‌واقع یک هندسه متعادل خود تنیده خنثی برای سیستم ایجاد می‌شود. خود تنیدگی معرفی شده ممکن است مکانیزم‌ها را که مکانیزم‌های بسیار کوچک هستند پایدار کند و یا پایدار نکند و باید این مورد کنترل شود‌. روش‌های فرم یابی به دو دسته کلی‌ روش‌های سینماتیکی و روش‌های استاتیکی تقسیم می‌شوند.

مطالعات تحلیلی که تا به حال روی سازه‌های کش بستی انجام گرفته را می‌توان به دو بخش استاتیکی و دینامیکی تقسیم نموده و نتایج حاصل از این تحلیل‌ها را مرور نمود. تحلیل‌های استاتیکی را می‌توان به دو خانواده خطی و غیر خطی تقسیم‌بندی کرد.

انواع سازه های کش بستی

• خرپاها
• سازه های فضاکار
• گنبدهای ژئودزیک
• گنبدهای کابلی
• سقف چرخ دوچرخه ای

گنبدهای کش بستی

یکی از کاربردهای تنسگریتی درساخت گنبدهای تنسگریتی است. مزایای استفاده از گنبدهای تنسگریتی به اختصار در زیر خلاصه شده اند.

• پیش ساختگی و سرعت در اجرای سازه: زمان لازم برای اجرای یک سقف حدود یک پنجم زمان لازم برای اجرا با سایر سیستم‌های سازه‌ای می‌باشد. بهره‌گیری از تیرهای با طول یکسان و اتصال ساده در ساخت سازه موجب صرفه جویی در صرف زمان خواهد شد؛ زیرا مدول‌های فشاری دارای اندازه‌های یکسان و از پیش تعیین شده می‌باشد، کافیست که این اجزای فشاری در محل به یکدیگر نصب شوند. اتصال آن ها نیز اکثراً از طریق گوی‌های کروی به راحتی انجام می‌شود.
• افزایش سختی: به علت توزیع نیروها بین عناصر، گسیختگی و شکست بین اجزا به سادگی اتفاق نمی‌افتد. حتی در این صورت مسیر نیرو دوباره تشکیل شده و نیرو بین سایر اعضا تقسیم می‌شود.
• سبکی و کاهش بار مرده سازه: از آن جا که سیستم سازه‌ای شبیه سیستم پوسته‌های بتنی، خرپا و اسکلتی صلب و سنگین نمی‌باشد، بار مرده ناشی از وزن سازه و بار زنده استاتیکی تا حد امکان کاهش می‌یابد.
• قابلیت ارتجاء بسیار بالا: همان طور که از نام سیستم کش بستی پیداست، عناصر کششی بر اثر نیرو و فشار وارده از خود انعطاف نشان داده و مرتجع می‌شود تا از این طریق نیروها را تقسیم کند.
• کاهش هزینه‌های ساخت و هزینه تمام شده: می‌توان ساختار تنسگریتی را به عنوان سقف های غشایی در نظرگرفت.

پایداری سازه های تنسگریتی

ساختارهای تنسگریتی به لحاظ مکانیکی پایدار هستند که این نه به دلیل قدرت تک تک اعضا که به خاطر شکل توزیع کل ساختار و تعادل ساختارهای یک دسته شامل گنبدهای ژئودزیک ابداعی باک مینستر فولر می‌شوند که اساساً از اعضایی ساخته شده‌اند که هر یک می‌توانند کشش یا فشار را تحمل نمایند.

اعضایی که قاب را شکل می‌دهند، به مثلث‌ها، پنج ضلعی‌ها، یا شش ضلعی‌هایی متصل می‌شوند که هر عضو طوری قرار گرفته است که هر اتصال به یک مکان ثابت محدود می‌شود و از این طریق پایداری کل سازه را تضمین می‌نمایند. دسته ی دیگر سازه‌های تنسگریتی، در بر گیرنده ی آن هایی می‌شوند که خود را به صورت پیش تنیده پایدار می‌سازند.

در مجسمه‌های باشکوه اسنلسن، مولفه‌های تشکیل دهنده که می‌توانند تنها کشش را تحمل نمایند، از آن هایی که تنها فشار را می‌توانند تحمل کنند متمایز هستند. این ویژگی باعث اطلاق این ساختارهای تنسگریتی به تنسگریتی کلاسیک شده است.

در این ساختار حتی قبل از آن که یکی از اجزا در معرض یک نیروی بیرونی قرار گیرد، تمام اعضای ساختاری، آماده ی پذیرش کشش یا فشار می‌باشند. کشش ممتد و فشار غیر ممتد و استحکام، از مهم ترین ویژگی‌های سیستم سازه‌ای تنسگریتی است. سیستم تنسگریتی بیشتر بر اساس کارامدی عناصر کششی و در درجه دوم، بر اساس کارامدی عناصر فشاری طراحی می شود.

مزایای سازه کش بستی

1- سازه کش بستی به دلیل داشتن قابلیت تحمل بار بالا، می‌تواند برای ساختمان‌های بلند و پایدار استفاده شود.

2- وزن سازه در سازه کش بستی به صورت یکنواخت بر روی تمام نقاط توزیع می‌شود، بنابراین سازه کش بستی دارای وزن کمتری نسبت به سازه‌های سنتی است.

3- این ساختار، به دلیل داشتن قابلیت انعطاف پذیری، برای استفاده در سازه‌هایی که نیاز به انعطاف پذیری دارند، بسیار مناسب است. برای مثال، در سازه‌هایی که در زلزله‌ها با نیروهای پویایی مواجه هستند، سازه کش بستی به علت این انعطاف پذیری بسیار مناسب است.

4- ساخت و ساز سازه کش بستی نسبت به سازه‌های سنتی سریع‌تر و ساده‌تر است.

معایب سازه کش بستی

1- برای طراحی و ساخت سازه کش بستی، نیاز به تجربه و تخصص بسیار بالا است. بنابراین، سازه کش بستی نیاز به مهندسان مجرب و کارآزموده دارد.

2- این سازه‌ها به دلیل داشتن شکل‌های پیچیده و استفاده از موادی با ویژگی‌های خاص، هزینه‌ی بیشتری نسبت به سازه‌های سنتی دارند.

3- سازه کش بستی برای انجام تعمیرات و نگهداری، نیاز به تخصص بسیار بالایی دارد. به عنوان مثال، تعویض یک سیم در یک سازه کش بستی، به دلیل اینکه باعث تغییراتی در تنش‌ها می‌شود، نیاز به تخصص بسیار بالایی دارد.

4- در برخی موارد، سازه کش بستی به دلیل داشتن شکل های پیچیده، برخی مشکلات در طول زمان را تجربه می‌کنند. برای مثال، اگر یکی از عضوهای سازه کش بستی خراب شود، تمام سازه به صورت کلی تحت تاثیر قرار می‌گیرد و نیاز به تعمیرات و تعویض اجزاء دارد.

5- به دلیل استفاده از سیم و گیره، سازه کش بستی دارای مقاومت کمتری در برابر آتش سوزی و حریق است. بنابراین، برای استفاده در سازه‌هایی که به دلیل محیط اطراف و شرایط خاص، خطر حریق وجود دارد، سازه کش بستی مناسب نیست.

6- همچنین، به دلیل شکل و استفاده از مواد خاص، سازه کش بستی ممکن است به نظر ظاهری نازک و ضعیف بنظر برسد و برای برخی افراد جذاب نباشد.

سخن آخر