سازههای پوستهای
این سازه ها معمولا با استفاده از بتن مسلح ساخته میشوند به همین دلیل سازههای بتن پوستهای نیز نامیده میشوند.ضمن آن که پوستهها در طبیعت از متنوع ترین فرم‌هایی هستند که در دنیای فیزیکی اطراف ما یافت میشوند. واژهٔ پوسته تداعی کنندهٔ اشکال موجود در طبیعت مانند تخم پرندگان، پوستهٔ نرم تنان میباشد. این لغت یک نمود ذهنی با دو ویژگی ویژه را مجسم می‌سازد:
- پوستهها محکم و منحنی شکل اند
- سطوح صاف و مسطح هرگز در بهترین حالت (یک سلول یا جعبه)، نمی‌توانند یک پوسته را تشکیل دهند.
عملکرد کلی پوستهها
- یک ورق کاغذ، به طور عادی در دست خم میشود و حتی توانایی تحمل وزن خود را هم ندارد، اما اگر به قسمت میانی کاغذ اندکی فشار وارد شود، به طوری که گوشه‌های آن کمی رو به بالا خم شوند، این فرم علاوه بر وزن خود، مقداری بار اضافی را نیز تحمل میکند. این افزایش ظرفیت تحمل بار توسط سازه، به دلیل استفاده از فرم مناسب است. انحنای رو به بالا، سختی و ظرفیت تحمل بار کاغذ را افزایش میدهد، زیرا این فرم موجب میشود مقداری از مصالح دور از مرکز ثقل جسم قرار بگیرد، بنابراین با خم کردن ورق کاغذ مقاومت خمشی جسم افزایش می‌یابد.
پوسته،سازه ای نازک با سطح منحنی می باشد که بارها را بصورت کشش، فشار و برش به تکیه گاه ها منتقل می نماید.سازه های پوسته ای مشابه طاقهای سنتی
می باشد با این تفاوت که سازه ی پوسته ای در برابر نیروهای کششی مقاوم می باشد.اغلب پوسته ها ی معماری از بتن مسلح ساخته شده اند همچنین از تخته ی چند لایی ،فلز پلاستیک های شیشه ای مسلح هم استفاده می شود.پوسته ها به علت شکل منحنی خود مقاومت خوبی در برابر بارهای گسترده ی یکنواخت در سازه هایی مانند سقف دارند اما مقاومت این نوع سازه به علت نازک بودن،در برابر خمش های ناحیه ای که ازطریق بارهای متمرکزتولید شده قابل توجه نمی باشد.
انواع پوسته
پوستهها بر اساس:
- نوع شکل گیری
- فرم
- هندسه
طبقه بندی میشوند. در این تقسیم بندی هدف ارائه رفتار و عکس العمل‌های یکسان در گروه‌های مختلف پوسته هاست.
۱)تقسیم بندی از نظر نوع شکل گیری
پوستهها از نظر شکل گیری به پوسته‌های دورانی((چرخش (فیزیک))) و پوسته‌های انتقالی((Transational)) تقسیم میشوند. در پوسته‌های دورانی، شکل گیری پوسته ناشی از دوران یک منحنی حول یک محور و در پوسته‌های انتقالی ناشی از انتقال یک منحنی در طول یک خط یا یک منحنی است.
۲)تقسیم بندی از نظر فرم
پوستهها از نظر نوع انحنای پوسته به دو گروه پوسته‌های سین کلاستیک و پوسته‌های آنتی کلاستیک تقسیم میشوند. پوسته‌های سین کلاستیک دو منحنی دارند و خطوط انحنا در هر جهت آنها یکسان است. پوسته‌های آنتی کلاستیک((زین اسبی))انحنای مضاعف و خطوط انحنا در جهت‌های مخالف دارند.
۳)تقسیم بندی از نظر هندسه به
- پوسته‌های قابل توسعه
- پوسته‌های غیر قابل توسعه
تقسیم میشوند
۳-۱)پوسته‌های قابل توسعه
پوسته‌هایی هستند که بتوان سطح هندسی آنها را بدون ایجاد بریدگی، تنش یا تغییر شکل به شکل صفحهٔ مستوی در آورد. مانند پوسته‌های استوانهای.
پوسته‌های گهواره‌ای که فقط در یک جهت انحنا دارند و از دوران یک منحنی در طول مسیر مستقیم شکل میگیرند، پوسته‌های قابل توسعه‌اند. در این پوستهها اغلب از اشکال نیم دایره و سهمی استفاده میشود و تکیه گاه‌ها فقط در گو شه‌ها هستندو در جهت طولی و در جهت انحنا دهانه را می‌پوشانند.[۴]
پوسته‌های قابل توسعه خود به چند بخش تقسیم میشوند:
الف) پوسته‌های استوانهای
که این خود به
- پوسته‌های استوانهای کوتاه
- پوسته‌های استوانهای بلند
تقسیم میشود
ب) پوسته‌های متقاطع
که این خود به
- پوسته‌های متقاطع دو بخشی
- پوسته‌های متقاطع چند بخشی
- مخروط‌ها و شبه مخروط‌ها
تقسیم میشود.
الف-۱-۳)پوسته‌های استوانهای
در طبیعت به ندرت یافت میشود. میتوان به فرم لوله‌ای ساقهٔ گیاهانی مانند بامبو اشاره کرد. جز اصلی تشکیل دهندهٔ استوانه، شکل کلی پوسته است. یک ورقهٔ کاغذ به طور طبیعی تقریباً قادر به هیچ گونه مقاومتی در مقابل خمش نیست، اما با لوله کردن مقاومت آن بیشتر میشود.
۱-الف-۱-۳)پوسته‌های استوانهای کوتاه
این نوع پوستهها اغلب در گوشه‌ها دارای تکیه گاه هستند و در یکی از دو جهت یا ترکیبی از هر دو جهت عمل میکنند. اولین مورد استفاده از این نوع پوستهها، عملکرد پوسته به عنوان دال است که فاصلهٔ بین قوسها را می پو شاند، در این حالت هر انتها را میتوان به وسیلهٔ یک قوس سخت و مقاوم کرد. دومین روش برای آن که لبهٔ طولی پایین‌تر به وسیلهٔ یک تیر سخت شود، آن است مه از پوسته‌های نازک تر که مانند مجموعهای از قوسهای مجاور هم رفتار میکنند و فاصلهٔ بین تیرهای کناری را می پو شانند، استفاده کرد.
پوسته های استوانهای کوتاه که به عنوان:(الف)فاصله بین قوسها با دال پوشانده شده است،(ب)مجموعهای از قوسهای مجاور هم که فاصله ی بین تیرها ی کناری را پوشانده اند.مقایسه این دو با (ج)طاق استوانه ای که باید در طول پایه،تکیه گاه ممتد داشته باشد،رفتار کند
۲-الف-۱-۳)پوسته‌های استوانهای بلند
این نوع پوستهها اغلب در گوشه‌ها دارای تکیه گاه هستند و مانند تیرهای بزرگ در جهت طولی عمل میکنند، در نتیجه تنش‌ها در این گونه پوستهها مشابه تنشهای خمشی در یک تیر است. بخش بالایی در سر تا سر طول پوسته تحت فشار است در حالی که بخش پایینی تحت کشش میباشد.
پوسته ی استوانه ای بلند مانند تیری که فاصله ی بین دو تکیه گاه را می پوشاند رفتار می کند.افزایش تنش فشاری در بالا و تنش کششی پوسته در پایین پوسته اتفاق می افتد.
نسبت دهانه به ارتفاع در پوسته های استوانه ای بر روی مقدار تنش تاثیر داشته و آن را افزایش میدهد. همچنین افزایش این نسبتها میزان پوشش در دهانه ی بزرگ را افزایش می دهد.اگر ارتفاع از دهانه در این پوسته بیشتر باشد ارتفاع فشار تحتانی کاهش پیدا کرده و نیروی کششی در بالا امکان ایجاد پوسته ی با ضخامت کمتر را فراهم می کند. در تئوری بهترین نسبت دهانه به ارتفاع در حدود 2 می باشد،که حداقل حجم بتن و فولاد مصرفی را نیاز دارد.در عمل از نسبت های 6 تا 10به سبب ملاحظات فنی و حداقل ضخامت مورد نیاز و با توجه به قوانین ساختمانی یا ساختمانهای ساخته شده،معمول تر است.
شرایط لبه ها
سختی پوسته در دو انتهای و لبه ی طولی با مقاومت در برابر رانش بیرونی در نظر گرفته می شود.
نمودار تنش براي پوسته های استوانه ای بلند،همانطور که مشاهده می کنید تنشهای فشاری و کششی بر هم عمودند فاصله ی بین خطوط تنش اشاره به تمرکز تنش در آن ناحیه دارند
۱-ب-۱-۳)پوسته‌های متقاطع دو بخشی
تقاطع راست گوشهٔ پوسته‌های دو بخشی با مقطع دایرهای شکل نوعی تاق پهار بخشی را ایجاد میکند که قسمت مقعر ایجاد شده میان بخشهای متقاطع با یک منحنی تا خورده قابل مقایسه است.
۲-ب-۱-۳)پوسته‌های متقاطع چند بخشی
چندین تقاطع با بخشهای بیشتراست. اگر تعداد بر آمدگی ها (خط الراس‌ها) از خط القعرها بیشتر باشد، نتیجه، ساختار گنبدی شکل خواهد بود.
۳-ب-۱-۳)مخروط‌ها و شبه مخروط‌ها
سطوح مخروطی با حرکت یک خط صاف بر روی خط صاف دیگر و یک منحنی به دست می‌آیند. این حقیقت که مخروط‌ها انحنای دوگانه دارند و با استفاده از خطوط صاف ساخته میشوند به طور طبیعی آنها را برای طراحی پوستهها مناسب می‌سازد.
۳-۲) پوسته‌های غیر قابل توسعه
مانند پوسته‌های کروی
سقف های پوسته ای
سقف های هستنند منحی وممکن است در یک و یا دو جهت انحنا داشته باشند با ترکیب این سقف ها میتوان حجم زیبای را خلق نمودوازطرفی این سقف ها قادر به تحمل بارهای سنگین هستنند بنابراین امکان پوشش دهنه های بزرگ وجود داردبا توجه به خمیری بودن آنها میتوان فرم دلخواه را طراحی واجرا نمود امروزه با پیشرفت تکنولوژی در تمام علوم وبوجودآمدن نرم افزارهای کامپیوتری قادریم طراحی ومحاسبات این سقف ها را بدقت انجام دهیم از طرفی امکان شبیه سازی این سقف ها قبل از ساخت وجود داردفرودگاه بین المللی جان اف کندی که بین سالهای 1956و1962 ساخته شد یکی از کارهای موفق ارو سارینن است این سقف پوسته ای یکی از شاهکارهایمعماری است که درنوع خود بی نظیر است حجم تندیس گونه این فرودگاه نتنها مورد استقبال بازدید کنندگان قرار گرفت بلکه موردتحسین صاحبنظران واقع گردید.
یکی از بنیان گذاران سقف های پوسته ای هاینس ایسلراست این مهندس که در سوئیس متولد شده اولین فرم پوسته رابوجودآورد این مهندس مبتکر پارچه ها را به شکل منحنی خم میکرد وسپس این پارچه های خم شده را مرطوب نموده و آنرا درفصل زمستان آویزان میکرد تا کاملا یخ بزنند وبا وارونه کردن آنها توانست مطالعاتی در مورد سقف های پوسته ای انجام دهدوی باین نتیجه رسیداشکالی که از هندسه ساده تشکیل شده باشند نسبت به اشکال غیر هندسیمقاوم ترند
نمونه کارهای هاینس ایسلر
سازه های پوسته ای پیش ساخته
Precast Reinforced Concrete Shells
سیستم ها در یک تقسیمبندی کلی در گروه سازههای سه بعدی قرار میگیرند. سازههای سهبعدی با مواد و مصالح مختلف مانند فولاد، آلومینیوم، چوب، بتن، کامپوزیتهای مسلح فیبری و یا ترکیبی از این مواد را شامل میشود.این سازهها به سه گروه تقسیم میشوند:
الف- سازههای سه بعدی پیوسته که شامل اجزایی مانند دالها و پوستهها میشود.
ب- سازههای سه بعدی مشبک که شامل عناصر طولی جدا از هم میباشد.
ج- سازه های سه بعدی دو گانه که شامل ترکیبی ار اجزای جدا و پیوسته است.
انواع کاربریهای این سازه درمعماری را میتوان با استفاده ازسقفهای پوستهای پیشساخته به نحوه مطلوب طراحی و اجرا کرد. بعنوان مثال برای کاربری مسکونی میتوان انواع پلانهای معماری را طراحی کرد،ضمن آنکه سرعت و سهولت اجرای چنین طرحهایی را در حداقل زمان و با هزینه قابل مقایسه با سایر روشها فراهم سازد. همچنینبرای استفاده بیشتر از زمین میتوان با استفاده از سازههای پوستهای پیشساخته در دو طبقه اجرا کرد.با استفاده از سازههای پوستهای پیشساخته میتوان دهانههای 10 تا 15 متر را با پوسته بتنی به ضخامت 20 تا 30 سانتیمترپوشاند. در طرحهایی که ابعاد بیشتری مورد نیاز است مانند مدرسه، نمایشگاه، درمانگاه، رستوران و... میتوان از ترکیب دو یا چند سازه پوستهای پیشساخته برای پوشش فضاهای مورد نظر دهانه استفاده کرد.
پایداری سازهای این سیستم با استفاده از رفتار پوستهای در برابر نیروهای ثقلی و بارهای جانبی تامین میشود.انتقال بار در پوسته بتنی توسط مکانیزم غشایی انجام میگیرد. در صورت ایجاد تقسیمات درونی به فضاهای محدود سقف فضاهای داخلی پوستهها بر روی دیوارها باربر تکیه میکنند پنجرهها هم میتوانند به صورت بازشوهایی در دیوارها قرار گیرند. دیوارهای زیر سقف در برابر بارهای جانبی به صورت دیوار برشی عمل میکند و ضوابط طراحی آن همانند دیوارهای باربر است.
مزایای این سیستم: سرعت و سهولت ساخت، ایجاد فضایی بدون ستون، زیبایی و جذابیت فرم، عملکرد مناسب در برابر نیروهای زلزله،امکان ترکیب و ایجاد فرمهای متنوع و صرفه جویی در مصرف انرژی است.
معایب این سیستم: عدم امکان اجرا در طبقات متعدد، عدم استفاده بهینه از فضاها به دلیل شکل دایرهای و عدم سازگاری با محیط زیست به دلیل استفاده از بتن.
گنبد پوسته ای سین پلاستیک
از دوران یک خط منحنی حول یک محور گنبد بوجود می آید که شناخته ترین آن گنبدهایی به شکل کره می باشد که از دوران یک دایره حاصل شده است.
قسمتهای عمودی پوسته،خطوط قوسی طولی (نصف النهار)و قسمتهای افقی پوسته،بصورت دایره های موازی می باشد.
رفتار سازه:تنشهایی که در پوستهای گنبدی بوجود می آید از دو جهت می توان بررسی نمود.گنبدهای پوسته ای که زیر بار یکنواخت قرار می گیرند در طول قوسها(نصف النهار)درهر نقطه تحت فشار می باشند.
در گنبدهای نیم کره ای،به علت اینکه خطوط قوسی آن بصورت نیم دایره می باشد در قسمت بالایی خود پایداری آنچنانی ندارشته و در قسمتهای پایینی تمایل به خمش رو به بالا دارند.
در گنبدهای پوسته ای که در برابر کشش مقاوم می باشند،کمانش آنها توسط تنشهای کششی در طول خطوط حلقوی زیر زاویه ی 45درجه مهار می شود .
گنبدهای پوسته ای نازک:در قسمت تحتانی (زیر زاویه 45 درجه از مرکز)تحت تاثیر فشار حلقوی هستند.
گنبدهای پوسته ای عمیق :در قسمت تحتانی (زیر زاویه 45 درجه از مرکز)تحت تاثیر کشش های حلقوی و در قسمت فوقانی(بالای زاویه ی 45درجه از مرکز)تحت تاثیرکششهای حلقوی می باشند.البته این زوایا بسته به بارگذار متغییر است و در صورتی که فقط بار وزن گنبد وجود داشته باشداین زاویه به 38 درجه تقلیل پیدا می کند.گنبدهای بیضوی در بخشهای بالایی نسبت به بخشهای پایینی مسطح تر می باشد،در حین بارگذاری قسمت پایینی آن خمشی رو به بالا می گیرد که این خمش توسط حلقه های کششی مهار می شود.