کارخانه سازه فضایی آسمان گستر

مشاوره، طراحی، تولید و اجرای سازه فضایی

سیر تحول سازه های کشبستی در جهان


سیر تحول سازه های کشبستی در جهان

سازه های کش بستی، رده ای از سازه های فضاکار مشبک هستند که ابتدا در دهه 1591 به فرم مجسمه هایی ارائه گردیدند. از ابتدای پیدایش این سازه ها، مفهوم کش بستی بسط داده شده و کانون توجه بسیاری از مطالعات گذشته بوده است. در این سیستمها، شکل سازه از نتایج فرایند شکل یابی بدست می آید. در این فرایند، هندسه و حالت خودتنش به روش های مختلف ایجاد میگردند. در این مقاله، ابتدا تاریخچه و تعریف سیستم های کش بستی و سپس مدلهای مختلف سیستم های کش بستی )شامل سیستم های مدوالر و غیر مدوالر( و نمونه های عملی ساخته شده از این سیستم ها معرفی میگردند. بر اساس تعریف بسط داده شده، سازه های کش بستی شامل طیف وسیعی از سازه های خودایستای کششی میگردند که در آنها، شرط پایدارسازی مجموعه اعضای فشاری توسط عناصر کششی الزم بوده؛ اما هیچ محدودیتی در مورد تماس یا عدم تماس اعضای فشاری به همدیگر وجود ندارد. بر اساس این تعریف، سازه های کابل- دستکی خودایستا نیز در ردۀ سازه های کش بستی قرار میگیرند. سازه های کش بستی به عنوان معماری برگزیدۀ طبیعت موسوم بوده و کاربرد آنها تنها منحصر به مهندسی سازه نمیباشد؛ بلکه در دیگر زمینه ها نظیر بیومکانیک نیز برای مدلسازی رفتار مکانیکی اجزای سلول های زنده مورد استفاده قرار میگیرند.

1- مقدمه

در سال های اخیر، گرایش به سازه های فضاکارِ سبکتر بیشتر شده؛ به طوری که سبکی به عنوان یک مزیت اساسی تلقی میشود. در بین سازه های فضاکار، سازه های کششی بیش از پیش متداول میشوند؛ چرا که این سازه ها به دلیل سبکی کابلها، تطبیق پذیری و .... به تخیالت معماران جامه عمل میپوشانند. به عنوان نمونهای از سازه های کششی، میتوان به سیستم های کش بستی، اشاره کرد که امروزه توجه زیادی را به خود جلب کردهاند؛ چرا که آنها سیستم های سبک وزنی را به نمایش میگذارند و امکان شکوفایی خالقیت در معماران و مهندسین عمران را فراهم مینمایند .

کلمۀ کش بستی (tensegrity)، ادغام یافتۀ "تمامیت کششی (tensile integrity)" است که توسط Fuller ابداع شده است. معنی این کلمه مبهم بوده و در حالت کلی، تا آنجا که به مفهوم مربوط میشود، کسی نمیتواند آن را به طور کامل تعریف نماید؛ از اینرو تعاریف مختلفی ارائه شده است. Fuller کش بستی را به صورت "جزایر فشاری در داخل اقیانوس کششی" توصیف نمود که یک بیان انتزاعی از ساختار این سازه ها است.

نخستین تعریف این سیستم ها بر اساس اختراعات ثبت شده به صورت زیر میباشد: "سیستم های کش بستی سیستم های مشبک فضایی در یک حالت خودتنیدگی هستند. همه عناصر دارای میانتار مستقیم با طول یکسان هستند. عناصر تحت کشش، صلبیتی در فشار ندارند و یک مجموعه پیوست های را تشکیل میدهند. عناصر تحت فشار یک مجموعه ناپیوست های را تشکیل میدهند. به هر گره، تنها و تنها یک عنصر فشاری متصل میشود". این تعریف دارای اشکاالت و ابهاماتی میباشد؛ به عنوان نمونه، مستقیمالخط بودن و یکسانی طول عناصر، اختالف نظرهای بسیاری را باعث شد. همچنین عدم صلبیت کششی عناصر تحت فشار جزو موارد بحث برانگیز است. اجرای فنی این شرط امکانپذیر است، اما معموالً یک عنصر دارای صلبیت کششی و فشاری استفاده میشود اگرچه آنها هرگز تحت اثر بار گذاری کششی قرار نگیرند. وجود تنها یک عنصر فشاری در هر گره نیز جزو ابهامات این تعریف میباشد؛ چرا که سیستمهایی با بیش از یک عنصر تحت فشار در هر گره و سیستمهایی فاقد عنصر تحت فشار در یک گره امکان وجود دارند.

Pugh این سیستم ها را چنین تعریف می کند که: سیستم کش بستی از اندرکنش یک مجموعه ناپیوسته عناصر فشاری و یک مجموعه پیوسته عناصر کششی ایجاد می شود که یک حجم پایدار را در فضا تعریف می کند. Motro بر اساس تعریف ارائه شده توسط Pugh، تعریف این سیستم ها را به صورت زیر تعمیم داده است:

سیستم کش بستی، یک سیستم در حالت پایدار خود متعادلی است که شامل مجموعه ناپیوست های از عناصر تحت فشار (compressed components) داخل محیط پیوست های از عناصر تحت کشش میباشد.

خودتعادلی و پایداری، حالت مکانیکی اولیۀ سیستم را قبل از هر بارگذاری حتی بار ثقلی بیان میکند. سیستم باید در یک خود تعادلی باشد که میتواند معادل با حالت خودتنیدگی با هر تراز خودتنیدگی باشد. همچنین میتوان گفت که سیستم هیچ مکانیزم محدودی ندارد. ممکن است در سیستم های کش بستی، مکانیزمهای بی نهایت کوچک ( infinitesimal mechanisms) پیدا نمود، اما اینها معمولا توسط حاالت خودتنیدگی پایدار میشوند. شکل عنصر میتواند یک میله، یک کابل، تکه ای از پاشامی یا یک حجم هوایی باشد. همچنین یک عنصر میتواند ترکیبی از یک یا چندین عنصر اولیه باشد که به صورت عنصر مرتبۀ باالتر ترکیب شدهاند. مصالح یک عنصر، تحت اثر فشار یا کشش قرار میگیرد؛ بنابراین، یک عنصر که تحت فشار قرار میگیرد، نیازمند صلبیت فشاری است و یک عنصر که تحت کشش است، نیازمند صلبیب کششی است. از این رو تنها کافی است صلبیت یک جانبه فشاری یا کششی داشته باشد. کاملا معلوم است که کابل ها و غشاها هیچ صلبیتی در فشار ندارند.

یک سیستم کش بستی متشکل است از هر مجموعه دلخواهی از عناصر کششی که به یک بافتار کش بستیِ عناصر فشاری متصل شده است. منظور از بافتار کش بستی، بافتاری است که بتوان آن را توسط برخی مجموعه اعضای کششی داخلی- که مثلا بین عناصلر فشلاری وصل شده اند- پایدار نمود. اما اگر برای پایدارسازی این بافتار، هیچ عضو کششی مورد نیاز نباشد و یا هیچ مجموعه اعضلای کششی برای پ ایداری بافتار وجود نداشته باشند؛ در آن صورت، این بافتار یک بافتار کش بستی نخواهد بود. بافتار نشلان داده شلده در شکل 1- الف، یک بافتار کشبستی نیست، در حالی که بافتار شکل 1- ب، یک بافتار کشبستی است. شکل 1- پ، یک سیستم کشبستی را نشان میدهد.

آنها برای تمیز بین انواع مختلف سیستم ها که با تعریف عمومی کش بستی تطابق دارند، یک طبقهبندی دیگری نیز پیشنهاد نمودند. یک بافتار کش بستی که هیچ تماسی بین عناصر فشاری آن وجود ندارد، سیستم کش بستی رده 1، و یک سیستم کشبستی که k عنصر فشاری آن در تماسند، سیستم کش بستی ردۀ k است. در شکل های 2- الف و ب، به ترتیب سیستمهای کش بستی ردۀ 1 و 4 نشان داده شدهاند.

بر اساس تعریف ارائه شده توسط Skelton و Oliveria که نسبت به تعاریف پیشین، مبسوط میباشد، سیستم های کشبستی شامل طیف وسیعی از سازه های خودایستای (free- standing) کششی میگردند که در آنها، شرط پایدارسازی مجموعه اعضای فشاری توسط عناصر کششی الزم بوده؛ اما هیچ محدودیتی در مورد تماس یا عدم تماس اعضای فشاری به همدیگر وجود ندارد. بر اساس این تعریف، سازه های کابل- دستکی (cable- strut) خودایستا نیز در ردۀ سازه های کش بستی قرار میگیرند.

میتوان مفهوم کش بستی را به دیگر زمینه ها از طریق قیاس بسط داد، همانطوری که Ingber و دیگران این کار را در زمینه زیست شناسى انجام داده اند. آنها نشان دادهاند که مدل کش بستی میتواند برای تشریح اینکه چگونه عناصر اصلی ترکیب شده، سازه های بسیار پیچیده ای را تشکیل میدهند، مورد استفاده قرار گیرد Ingber. ادعا کرده است که سیستم های کش بستی، معماری برگزیدۀ طبیعت هستند.

استخوانها و تاندن های حیوانات و انسان ها، طوری به هم متصل شدهاند که به آسانی میتوان حرکت را کنترل نمود. در آنها استخوان ها ظرفیت باربری فشاری و تاندن ها کشش های پایدار کننده مورد نیاز در یک بافتار کش بستی مفروض را تأمین میکنند . همچنین تار عنکبوت دارای معماری کش بستی است. آمینو اسیدهای موجود در تار عنکبوت به صورت دوسویه آرایش یافته عناصر فشاری و رشته های نامشخص، شبکۀ کششی را تشکیل میدهند .

در غشای سلول گلبول قرمز (چربی دوالیه لیپیدی) 33111 واحد وجود دارند که مدلهای کش بستی مناسبی هستند . اطالعاتی که میتوان از مدل کشبستی به دست آورد، شامل وضعیت تعادل مجموعه اتصالی نسبت به صفحۀ غشا و همچنین نسبت به واحدهای مجاور در شبکه است. مالحظه شده است که مقادیر به دست آمده از شبیه سازی با مشاهدات آزمایشگاهی تطابق بسیار خوبی دارد .

سیستم های کش بستی مدوالر

سیستم های کش بستی دوالیۀ مدوالر از همبسته نمودن مدول های کش بستی خود ایستا ایجاد میشوند . اساساً دو نوع مدول کش بستی وجود دارد: الف- مدول کش بستی ردۀ 1 ؛ ب- مدول کش بستی ردۀ k . مدول های ردۀ 1 انعطاف پذیر هندسی هستند در این مدول ها، زاویه دوران نسبی دو قاعده بر اساس الزامات تعادل شکل فرم یابی تعیین می شوند. برای سیمپلکس های منتظم یعنی دارای nضلعی های قاعده منتظم، این زاویه برابر a=p/2-p/n است. مدول های ردۀ k صلب هندسی هستند در این مدول ها، زاویه دوران نسبی دو قاعده می تواند بین صفر و نصف زاویه مرکزی باشد.

نتیجه گیری

از بدو ابداع سازه های کش بستی که تقریباً به سال 1541 برمیگردد، تعاریف مختلفی برای سازه های کش بستی ارائه شده است. بر اساس تعریفِ بسط داده شده، سازه های کشبستی شامل طیف وسیعی از سازه های خودایستای کششی میگردند که در آنها، شرط پایدارسازی مجموعه اعضای فشاری توسط عناصر کششی الزم بوده؛ اما هیچ محدودیتی در مورد تماس یا عدم تماس اعضای فشاری به همدیگر وجود ندارد. بر اساس این تعریف مبسوط، سازه های کابل- دستکی نیز در ردۀ سازه های کشبستی قرار میگیرند. این سازه ها به دلیل منحصر بودن فرم، سبکی، تاشویی، سهولت تنظیم و ... توجه زیادی را به خود جلب کردهاند؛ ولی با این حال، کاربردهای این سیستم ها در عمل نسبتاً کمتر است. احتمالا طی سالهای آتی شاهد یک پیشرفت اساسی در این باره خواهیم بود. عالوه بر این، شاید بتوان مفهوم کش بستی را به دیگر زمینه ها از طریق قیاس بسط داد، همانطوری که این کار در زمینه زیست شناسى انجام شده است.





کلید واژه: سازه های کش بستی، فرم یابی، حاالت خودتنش، سازه های خودایستا