قالب متکی بر هوا ، پیشرفت های نوین در اجرای پوسته های گنبدی

سازه های پوستهای نازک در مقایسه با دیگر سازه ها از مقاومت بیشتری برخوردارند. سازه های گنبدی نیز به دلیل شکل سازه، بالقوه دارای چنین مزیتی می باشند. استفاده از روشهای جدید اجرائی موجب کاهش فوق العاده در هزینه و سرعت عمل قابل ملاحظه ای در زمان اجرا شده است. مقاومت مناسب، هزینه کم، سرعت عمل بالا و زیبائی، عوامل تعیین کننده ای در روند رشد جدید و تنوع وسیع استفاده از این گونه سازه ها بوده است.

سازه های گنبدی دارای تاریخی دیرینه در فرهنگ اسلامی ایرانی ما بوده و با تلفیقی از تکنولوژی جدید، معماری سنتی، روش ها و ابزار محاسباتی موجود، می توان شاهد آغاز فصل جدیدی از رشد اینگونه سازه ها در کشورمان بود. مقاله حاضر تلاش اندکی در جهت معرفی روشهای جدید اجرائی و موارد استفاده وسیع سازه های گنبدی است.

بخش عمده این مقاله توسط رابرت هیبر در ویژه نامه Concrete International در مورد قالبهای متکی بر هوا به چاپ رسیده و تلخیصی از مقالات ارائه شده در آن شماره می باشد.

سازه های پوسته ای نازک

در دنیای توسعه یافته امروز، نیاز روبه رشد به سازه های مقاوم، ایمن، اقتصادی، جذاب و با سرعت اجرائی زیاد وجود دارد.

سازه های پوسته ای نازک بتنی به عنوان روشی برای تأمین حداکثر پایداری و حجم زیربنا و حداقل مصرف مصالح، شناخته شده است. لیکن در گذشته این شیوه به دلیل هزینه کلی زیاد، پیچیدگی طراحی، قالب بندی گران و پر زحمت، بتن ریزی و پرداخت مشکل، فقط در موارد خاصی مورد استفاده قرار می گرفت. در سالهای اخیر، افرادی که در ارتباط با طراحی و اجرای ساختمانها هستند، از اهمیت روبه افزایش و توانائی اینگونه سازهها آگاهی بیشتری یافته اند.

سازه های پوسته ای نازک بتنی دارای کیفیت یک سازه ایده آل می باشند. از نقطه نظر مهندسی این سازه ها بسیار مقاوم و دارای ظرفیت باربری زیادی هستند. مهندسین نیز آزادی عمل زیادی در طراحی شکل، عملکرد و زیبائی دارند. این گونه سازه ها به عنوان بنای یادبود، صنعتی، تجاری، مسکونی، استادیوم، آشیانه هواپیما و موارد استفاده دیگر ساخته شده اند.

ساختمانهای پوسته ای یکی از عناصر اصلی معماری سنتی ایرانی است و بجاست که این سنت هماهنگ با مقتضیات اقلیمی و فرهنگی ادامه یابد و با نوآوریهائی در زمینه مصالحی چون بتن مسلح و روشهای محاسباتی بیش از پیش غنی گردد.

قالب های متکی بر هوا

علاوه بر مقاومت معمولی و سرویس دهی طرح پوسته ای نازک، مشخصات و فرآیند اجرای آن هدف کلیدی طراحان سازه های پوسته ای متکی بر هوا می باشد. لازم است کنترل هزینه و کنترل کیفیت، با یکدیگر سازگار گردند. راه حل های متفاوتی برای این مسئله فنی پیشنهاد شده و با موفقیت انجام پذیرفته است.

یک روش معمول مورد استفاده در مقاله آرنولد ویلسون طرح شده است. یک لایه کف یورتین به سطح داخلی یک غشاء بالن بادشده پاشیده میشود. این مسئله باعث سخت شدن قالب بادی شده و تکیه گاهی برای آرماتورگذاری فراهم می آورد. متعاقبأ بتن در سطح داخلی لایه پاشیده میشود. گنبدهای تا قطر ۶۱ متر با این روش ساخته شده اند.

شیوه دیگر پاشیدن بتن به لایه خارجی قالب بادی است که هر دو روش پیش تنیدگی و پس تنیدگی برای این گونه پوسته های مور استفاده قرار میگیرد.

مقاله بینی و راسلر سیستمی را توضیح می دهد که بتن تر و آرماتورگذاری بر روی قالب هوا و در سطح زمین انجام می شود و سپس با بادکردن بالن، درجا بالا برده می شود. گنبدهای تا دهانه ۳۶ متر با استفاده از این روش ساخته شده است.

سازه های گنبدی ساخته شده در ایالات کلریدا

در روش پیشنهادی رابرت نیکلز ، یک مخلوط ملات خشک بین لایه های پارچه ای منگنه شده قرار داده می شود که به عنوان قالب متکی بر هوا و تقویت کششی گنبد به کار می رود. عمل هیدراسیون بتن بعد از باد کردن قالب انجام می شود. این روش نیاز به ابزار اجرائی خاص را کاهش داده، لیکن احتمالا روش مناسبی برای گنبدهای با دهانه کوچک و کم ارتفاع می باشد. به علاوه صرفه جویی در هزینه اجرا، یک خصوصیت جالب قالب متکی بر هوا این است که شکل مشخص شده توسط غشاء باد شده که در معرض کشش خالص است، می تواند برای سازه پوسته ای فشاری نیز شکل مطلوبی باشد. طراحی شکل صحیح برای نیروهای موجود و شرایط تکیه گاهی، یک جنبه مهم در طراحی پوسته، علی الخصوص برای سازه های بزرگ می باشد.

مشکل طراحی شکل قالب متکی بر هوا در مقاله ای توسط اشلایخ و سوبک مورد بحث قرار گرفته که حد فعالیت اجرای پوسته متکی بر هوا را در آلمان غربی مطرح میکند.

ملزومات تکنیکی برای ساخت و نصب قالبهای متکی بر هوا در مقاله ای توسط جک بویت یک تولیدکننده پارچه قالب هوائی بررسی شده است.

گنبدهای بتنی متکی بر هوا با تنوع وسیع در زمینه های معماری و صنعتی مورد استفاده قرارگرفته است. بزرگترین گنبد از این نوع برای انبار انبوه مواد مورد استفاده قرار گرفته که در مقاله ای توسط جک برانک توضیح داده شده است.

قالب سازه پوسته ای با انحنای مضاعف ملایم که نتیجه اجرای این روش است جرقه ای در تخیل معماران تلقی می شود. مفاهیم معماری و امکانات اجرائی قالبهای متکی بر هوا توسط لوید ترنر و جاناتان زیمرمن و یوجین واکاش مورد کاوش قرار گرفته است.

دورنمای توسعه های آینده

به نظر می آید قالب متکی بر هوا که روش اجرائی اقتصادی و مستعد رشد است، می تواند یک برنامه جدید برای طراحی پوسته و اجرای آن باشد. گروهی از طراحان و سازندگان مشتاق بدلیل توفیقات قبلی که در بکارگیری این روش داشته اند و از پیش قراولان این زمینه تلقی می شوند، توسعه بیشتر قالب متکی بر هوا را بسیار عالی پیش بینی می کنند.

هنوز دلایل احتیاط وجود دارد، بسیاری از تجارب قبلی با قالب های متکی بر هوا برای گنبدهای بادهانه کوچک و متوسط و انحنای زیاد بوده است. تحت این شرائط فقط طراحی مقدماتی لازم است، زیرا ملزومات اجرائی و کارآیی طبیعی  شکل های پوسته ای ضمانت مقاومت بیش از حد نیاز را فراهم می کند.

یک وضعیت کاملا متفاوت برای پوسته های با دهانه های بزرگ و انحنای کم وجود دارد که لازمه دقت و روش طراحی مهندسی خاص است. در این مقیاس تأثیرات خزش، آفت، حرارت و تغییر شکل های بزرگ تحت بارگذاری های مختلف باید مورد توجه قرار گیرد. پایداری نیز ممکن است بر مقاومت پوسته حاکم شود. یک پارچگی غشائی مسئله مهمی در اجتناب از شکست های سازه ای می باشد.

کاهش انحنای غشاء، ظرفیت حمل بتن تر را توسط قالب متکی بر هوا کاهش میدهد. ازدیاد فشار هوا راه حل محدودی را برای رفع این مشکل فراهم می آورد. ناکاملی هندسی که ممکن است تأثیر کمی در دهانه های کوچک داشته باشد باعث سختی زیادی در پوسته های با ارتفاع کوتاه می شود.

ادعایی که مفهوم قالبهای متکی بر هوا امکان اجرای گنبدهای با دهانه نامحدود را می دهد به وضوح بی پایه به نظر می رسد. فرایند ساخت تنها موضوع محدودکننده سازه گنبدی بتنی نیست. تاریخ گویای شکست های سازه ای است که در یک مقیاس بخوبی کار کرده اند، ولی در مقیاس دیگر کاملا نامناسب بوده اند.

سازه گنبدی پس تنیده واقع در نورث همپتون انگلستان

در صورتی که مفهوم قالبهای متکی بر هوا برای سازه های با دهانه بزرگ در نظر گرفته شود. لازم است طراحی پیچیده توسط مهندسین مجرب انجام گیرد.

نتیجه برخی از مباحثی که بین طراحان مطرح است، اهمیت ابعاد گنبد را مطرح می سازد. برای مثال فرایند ساخت ارزانتر که تا حدی کنترل کیفیت را تحت الشعاع قرار می دهد، ممکن است مؤثر ترین شیود برای پوسته های کوچک باشد. در صورتیکه روشهای گرانتر که باعث دقت بیشتر در بتن ریزی و آرماتورگذاری مواد می شود، ممکن است برای پروژه های بزرگتر مناسب باشد. نیاز کنترل دقیق ضخامت بتن ممکن است در انتخاب فرایند ساخت، بخصوص برای گنبدهای بزرگتر تعیین کننده باشد.

بحث بعدی پیرامون امکان جایگزینی آرماتورگذاری سنتی با الیافهای تقویت کننده می باشد که موضوع بحث مهمی برای ساختمانهای بتنی معمولی است. این مطلب از روشن شدن و توافق نهایی فاصلهای زیاد دارد، لیکن با اطمینان می توان بیان کرد که آرماتورگذاری دقیق و کنترل شده ( آرماتور یا الیاف) در مقطع پوسته حائز اهمیت می باشد. توجه بیشتر برای ضمانت این کنترل توسط هرگونه روش اجرائی مورد نظر ضروری به نظر می رسد.

الیاف مسلح خالص ممکن است برای گنبدهای کوچکتر مناسب باشد، ولی مقداری آرماتور معمولی، شبکه یا کابل مسلح حتمالا برای پروژه های بزرگتر لازم است، تا پیوستگی را ضمانت نموده و مقاومت موضعی مناسب را در اطراف بازشوها و تکیه گاهها ایجاد نماید.

موضوع شکل سازه، موضوعی کلیدی در طراحی پوسته می باشد. توان بالقوه قالب متکی بر هوا در توجیه اقتصادی برای ایجاد منحنی های هندسی پیچیده بستگی به بررسی بیشتر شکل پوسته دارد. این کاوش باید شامل مطالعات معماری و زیبائی شناسی همراه با تحقیق بیشتر در مورد شکل، فرایند ساختمان و عملکرد سازه باشد. امروزه فقط سطوح دورانی ساده، کروی و بیضوی در پوسته های متکی بر هوا با ابعاد بزرگتر مورد استفاده قرار می گیرد. شکل پوسته ای مناسبتر، شکلی است که تأکید بر پاسخ غشائی در مقایسه با تغییر شکل خمشی دارد. روشهای طراحی به کمک کامپیوتر، به طور وسیع در مورد سازه، برای تعیین شکل غشائی مناسب،موجود است. فرایند تعیین دقیق اتوماتیکی الگوی برش پارچه دو بعدی، برای شکل غشائی عمومی نیز وجود دارد. این فرایند اتوماتیک مورد نیاز است تا به نحو مؤثر، امکانات شکل آزاد هندسد پوستد و شکل غشائی کابل مسلح را مورد کاوش قرار دهد. روش الگوسازی دستی، دشوار است و می تواند موجب انحراف از هندسد طراحی گردد.

شبیه سازی جزئیات مراحل نصب ممکن است برای طراحی ساختمان های بزرگ لازم باشد. وزن بتن تر و آرماتورها در مقایسه با تئوری غشائی که وزن را حاظ نمی کند، باعث تفاوت عمده در شکل های غشائی خواهد بود. در صورتیکه بتن ریزی در لایه های مختلف انجام شود. بنابراین ممکن است شبیه سازی مراحل اجرا برای پیش بینی هندسه نهائی و تعیین وضعیت مرحله پیش تنیدگی در پوسته لازم باشد.

به طور خلاصه به نظر می رسد که امکان پیشرفت عمده در طراحی سازه های پوستهای بتنی ساخته شده بوسیله قالب های متکی بر هوا وجود دارد. تصحیح روش های اجرا، طراحی سازه و زیبایی می تواند به سمت راه حل طراحی صنعتی و معماری جدید رهنمون شود. مانند همیشه، ایمنی و اعتبار براساس تجارب مهندسی مبراء از خطا، باید راهنمای طراحی سازه های با دهانه بزرگ باشد.

منبع : تحریریه فایل سیویل