سازه‌های غشایی (Membrane Structure)
1489 سازه‌های غشایی بیان خالص نیروهای کششی متعادل هستند. سازه‌های غشایی که سازه چادری یا سازه پارچه‌ای نیز نامیده می‌شود، زیر مجموعه‌ای از سازه‌های فضایی هستند و به دلیل سبکی، شفافیت و انعطاف در خلق فرم‌های زیبا و بدیع، گسترش روز افزونی در ساخت بناهایی با عملکردهای مختلف تجاری، اداری، ورزشی و یا به شکل سایه بان در فضاهای عمومی و شهری داشته‌اند.
نکته بسیار مهم در مورد سازه‌های غشایی یا کششی این است که همیشه باید در کشش باشند. در غیر این صورت با وزش باد، مانند پارچه‌ای لخت و رها، چین و چروک برداشته و قسمت‌های مختلف آن، آنچنان به هم کوبیده می‌شوند که از بین بروند. در سازه‌های غشایی وجود چروک نشانه عدم وجود کشش، و وجود پارگی نشانه وجود کشش بیش از حد است. تاثیر باد را در طول بر پایی سازه‌های غشایی و تثبیت وضعیت پایداری نهایی آن نباید نادیده گرفت.
سازه‌های چادری
هنوز به درستی تفکیک دقیقی میان سازه‌های غشایی و سازه‌های چادری در میان متون ترجمه‌ی مربوط به سازه‌ها نیست و گاهی هر دو تعبیر به یک مساله اشاره دارند. آن دسته از سازه‌های غشایی که از پوشش‌های چادری به عنوان غشای سازه‌ای در آنها استفاده می‌شود، سازه‌های چادری نام دارند. چادر مورد نظر نه چادرهای الیافی مرسوم که از انواع پلیمر است بلکه به صورت غشایی نازک موسوم به پارچه تولید می‌شوند و عمر مفیدی در حدود بیست تا سی سال دارند.
طراحی سازه‌های غشایی
در طراحی سازه‌های غشایی چهار عامل مورد توجه قرار دارند. فرم غشا، طراحی تکیه‌گاه‌ها، انتخاب مصالح مناسب و طراحی دقیق لبه‌ها و مرز‌ها، امری هستند که فرآیند طراحی سازه‌های غشایی را تشکیل می‌دهند. در سازه‌های غشایی، فرم معماری و عملکرد سازه‌ای یکی هستند. در نتیجه مهندسی ساختمان و معماری جدا نشدنی بوده و درک رفتار سازه یک ابزار اساسی در طراحی این نوع از سازه‌ها است.
طراحی ساختمان با سازه‌های غشایی با طراحی ساختمان‌های ساده بسیار متفاوت است در طراحی این سازه‌ها نمی‌توان ابتدا پلان بنا را کشید و سپس آن را اجرا کرد. در این نوع سازه‌ها، در گام اول طرح اولیه‌ای متناسب با عملکرد ارائه می‌شود، درگام بعدی با ساخت ماکتی شکل کلی آن را پیدا می‌کنند و سپس به تحلیل کلی سازه می‌پردازند و در نهایت تمامی جزئیات سازه را طراحی می‌کنند. در حالت کلی در این نوع سازه‌ها غالباً چادر توسط ستون مرکزی نگاه داشته می‌شود. در این حالت برای جلوگیری از پارگی در پارچه ستون بصورت قارچی اجرا می‌شود. درحالت‌های دیگر از قوس‌ها، کابل‌های زنجیرواره، ترکیب سیستم فشاری و کابل‌های زنجیر واره نیز دیده می‌شود .هندسه‌ی صفحات چادری اندکی با هندسه‌ی صفحات زین اسبی تفاوت دارد. در این صفحات سازه‌ی چادری به واسطه‌ی کشش به سمت خارج در حداقل یک نقطه از سطح صاف ایجاد می‌شود. به این صورت انحنای دوگانه متشکل از تار و پودهایی فرضی در راستاهای شعاعی و محیطی است. تارهای شعاعی این بار در مقابل بار برف و فشار هوا مقاومت می‌نمایند و پودهای محیطی حلقه‌ای، در مقابل جهت مکش باد مقاومت می‌نمایند.
انتخاب فرم سازه‌های غشایی، بسته به نیازهای معمارانه و نیز ظرفیت‌ها، یکی از مهم‌ترین تصمیمات معمار در فرآیند طراحی و ساخت سازه‌های چادری ست. در واقع طراح، با انتخاب فرم پایه‌ی سازه‌ی غشایی، و با تبین فرم پیچیده‌ی مورد نظر و ترجمه‌ی آن به الگو‌های پایه، منطق باربری، محل استقرار تکیه‌گاه‌ها و نوع آنها و مصالح ممکن برای اجرای سازه را نیز مورد بررسی و فرآیند تصمیم‌گیری قرار می‌دهد.
سازه‌های غشایی به دلیل منطق سازه‌ای روشن و رفتار کششی قابل درکی که دارند و نیز به دلیل توجه روز افزون به بهره‌گیری از ظرفیت‌های موجود در مصالح کششی، هر روز در پهنه‌ی وسیع‌تری از کاربرد معمارانه آزموده می‌شوند. از آن‌جا که در این سازه‌ها میان فرم معمارانه و رفتار سازه‌ای دوگانه‌گی وجود ندارد، طراح معمار لازم است تا به منظور طراحی فرم معمارانه‌ی مورد نظر خود، فرمی مناسب برای رفتار سازه‌ای موجود در سازه‌های چادری را انتخاب نماید و این مساله منجر به نیاز دانش و اندک سازه‌ای در میان طراحان معمار سازه‌های چادری می‌شود.
مروری بر ساختار سازه‌های غشایی
چادرهای ایلات و عشایر را می‌توان به عنوان ابتدایی‌ترین نوع سازه‌های غشایی در نظر گرفت که دارای انعطاف پذیری قابل توجهی با شرایط اقلیمی منطقه هستند. نزدیک به چند دهه است که سیستم سازه‌های کششی و غشایی بدلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود در صنعت ساختمان مورد توجه قرار گرفته‌اند. اين سازه‌ها می‌توانند به عنوان پوششی برای بناها، زمين‌های بازی، باغ‌ها، تراس‌ها، پارکينگ‌ها و با نورپردازی خلاقانه به عنوان يک فضای شهری مطلوب و شاخص یا المان شهری و نمادین جلوه کنند.
جنس مصالح استفاده شده در سازه‌های غشایی نسبت به سایر مصالح ساختمانی بسیار متفاوت است. وزن سبک آنها به همراه تنوع در شکل و ساختار باعث شده تنوع بسیار زیادی در طراحی معماری این سازه‌ها بوجود آید. در هنگام طراحی یک سازه کششی علاوه بر توجه به هویت معماری طرح می‌بایست محاسبات دقیق مهندسی مرتبط با نیروهای کششی موجود در چادر و سازه‌های فولادی انجام پذیرد.
امروزه می‌توان با استفاده از پلی‌استر با روکش پی‌وی‌سی چادرهایی تولید کرد که نه تنها نیروهای کششی بسیار بزرگ را تحمل کند بلکه علاوه بر آن خصوصیات فیزیکی بسیار ارزشمندی از قبیل انعطاف پذیری بالا، قابلیت عبور نور، قابلیت تمیز شوندگی خوبی را دارا هستند. طول عمر این چادرها حداقل ۲۰ سال در شرایط آب و هوایی بسیار بد تخمین زده شده است. چادرهای تولید شده در سال‌های اخیر علاوه بر ویژگی های فوق دارای تنوع رنگی و قابلیت چاپ پذیری نیز هستند. پس از تحول بزرگ در صنعت پارچه‌های سازه کششی، این سازه‌ها در مکان‌های متفاوت با کاربری‌های متفاوت بکار گرفته شدند. سازه‌های پارچه‌ای علاوه بر کاربری سقف، در پیاده‌روها و ورودی‌ها نیز بسیار به متداول هستند. به دلیل ظاهر زیبا و مهیج این سازه‌ها بکارگیری آنها در سال‌ها و استادیوم‌های ورزشی بسیار مورد استقبال قرار گرفته است.
مزایای استفاده از سازه‌های غشایی
- روش‌های نوین طراحی، عامل اصلی بهره وری این سازه‌ها است.
- دوام و طول عمر بالا در شرایط جوی مختلف
- در هنگام آتش‌سوزی، باعث کاهش گسترش آتش‌سوزی می‌شود
- ریشه در سنت کهن چادر سازی دارند.
- به لحاظ ارزانی مصالح، سهولت اجرا و سرعت برپایی بسیار جذاب هستند.
- پیشرفت فن‌وری‌های امروز باعث شده است تا گسترش حریق و دودهای ساطعه کاهش یابد.
- انرژی کمتری برای تنظیم شرایط محیط حاصل شود مثلا در مناطق گرمسیر با استفاده از این غشاء‌ها می‌توان مقدار زیادی از نور خورشید را منعکس کرد و دمای ساختمان را با صرف انرژی کمتری تنظیم نمود و در مناطق سردسیر با بهره‌گیری از لایه‌های عایق حرارتی که منعطف و مات می‌شوند با انرژی کمتری شرایط مطبوع حاصل کرد.
کاربرد سازه‌های غشایی
از اولین کاربرد‌های این نوع چادرها در سالن‌های نمایشی و سیرک‌ها و چادرهای ارتش هستند.
معایب سازه‌های غشایی
- کوتاهی عمر
- کم دوامی
- آسیب پذیری در مقابل آتش سوزی
- بی ثباتی شکل
- چروک شدن
نرم افزار شبیه‌ساز در طراحی سازه‌های غشایی RhinoMembrane
RhinoMembrane یکی از برنامه‌های موجود برای شبیه سازی و پیداکردن فرم سازه‌های چادری تحت تنش است که به صورت یک افزوده برای نرم افزار قدرت‌مند Rhinoceros عرضه شده است. اگر چه به دلیل تقریب‌های محاسباتی، نتوانسته در اجراهای فنی و دقیق سازه‌های چادری نقشی ایفا نماید و اگرچه ادعای برنامه‌نویسان نیز چنین نبوده است، اما به دلیل سادگی بیش از حد استفاده از آن، در دسترس بودن و آسانی امکان تهیه‌ی آن توسط جامعه دانش‌جویان و نیز سایر امکانات قدرت‌مند نرم‌افزار راینو برای طی گام‌های از طرح تا اجرای یک سازه‌ی غشایی چادری، به نظر مناسب‌ترین گزینه برای مطالعات دانش‌جویی و طرح‌های دانش‌گاهی در شناخت و طراحی سازه‌های غشایی چادری توسط دانش‌جویان دوره‌های کارشناسی است. در این سیستم‌ها، رفتار سازه‌های غشایی به طور یک پارچه مدل می‌شود و فرم نهایی از پس تنش‌های درونی و بارگذاری‌های بیرونی، استخراج می‌شود و در مرحله‌ی بعد الگو‌ی برش قطعات پارچه و نیز اتصلات و باربری‌های خطی موجود در قطعات جانبی غشا نیز مدل و استخراج می‌شود.