معرفی سازه دیاگرید و بهره گیری از آن در طراحی پایانه مسافربری فرودگاه بین المللی شهر رشت

رؤیا یوسفی

کارشناسی ارشد معماری – دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم تحقیقات گیلان

چکیده

در علم مهندسی ساختمان همواره مهندسین سازه و معماری در پی یافتن تکنولوژی و سیستمی بودن که بتوانند دهانه بزرگ تری را بدون قرار دادن ستون در میان فضا پوشش دهند. از اوایل قرن بیستم که و پیشرفت روزافزون علم و تکنولوژی ایده های بسیاری برای رسیدن به این مهم توسط مهندسان مطرح شد که برخی حتی اجرا نیز شدند. مهندسی و ریاضیدانی به نام ولادیمیر چوخوف، سیستمی را وارد عرصه مهندسی کرد به نام سازه دیاگرید و یا شبکه مورب که به وسیله فریم های مورب که در کنار یکدیگر شبکه مثلثی به وجود می آورند، می تواند علاوه به ایجاد فرم زیبا و پایداری مناسب، دهانه های بیشتری را بدون ایجاد ستون در میان فضا ایجاد نماید. امروزه اغلب از این سیستم سازهای برای طراحی آسمان خراش ها استفاده می شود. در این مقاله به معرفی این سازه در طراحی سقف ها با دهانه زیاد در طراحی پایانه مسافربری فرودگاه بین المللی شهر رشت می پردازیم.

مقدمه

با پیشرفت روزافزون تکنولوژی در امر ساختمان، امروزه شاهد ظهور ساختمانهای جدید و متفاوت با فن آوری های پیشرفته هستیم که از یک سو سعی در کاهش هزینه های ساخت را دارند و از سوی دیگر جنبه زیبایی شناسی ذهن خلاق معمار خود را به نمایش می گذارند. تعامل بین معماری و سازه، مهندسان را به خلق سیستم های سازه ای جدید بر میانگیزد و به طوری که نیاز به زیبایی شناختی و استفاده از نور طبیعی را برآورده نماید. اخیراً سیستم سازه ای جدیدی تحت عنوان سیستم شبکه قطری و یا مورب، به دلیل استفاده از اعضای مورب قطری به صورت شبکه مثلثی، مقاوم در برابر هر دو بار ثقلی و جانبی عملکرد برشی قابل ملاحظه ای را ایجاد میکند.

یکی از انواع سازه هایی که امروزه در اغلب ساختمانهای بلندمرتبه و در برخی بناهایی که نیاز به دهانه های زیاد برای پوشش سقف دارند استفاده می شود سازه شبکه مورب است. این سازه علاوه بر زیبایی ذاتی خود به دلیل شبکه های مثلثی، پایداری و مقاومت زیاد در برابر نیروهای جانبی را دارد. از ویژگیهای خاص این سازه کاهش کاملاً محسوس مصالح نسبت به سازه های تیر و ستونی است.
در اواخر قرن نوزدهم میلادی در دوران ساختار گرایی روسیه، مهندس و ریاضیدان روسی به نام ولادیمیر چوخوف، با طرح خلاقانه خود در نمایشگاه صنعتی سال ۱۸۹۶ نیژنی نووگورود انقلابی در صنعت ساختمان و سازه به پا کرد.

(عکس ۱) اولین سازه دیگراید در جهان ۱۸۹۶

در ابتدا این سازه به نام پوسته شبکه ای شناخته می شده است اما بعدها نام شبکه مورب را برای آن انتخاب کردند. سازه دیاگرید را می توان زیرمجموعه سازه های لوله قرارداد با این تفاوت که در ساختمان های لوله ای متداول، لوله ها به صورت عمودی و قابی شکل قرار می گیرند و در مقابل نیروهای جانبی مخصوصاً نیروهای برشی مانند بک تیر طرهای عمل می کنند. اما در سازه دیاگرید تمامی لوله ها به صورت مورب و با اتصال به یکدیگر یک سیستم یکپارچه را به وجود می آورد که در برابر نیروهای جانبی به صورت یکپارچه عمل میکند. به زبان ساده تر مانند بادبندهای یک ساختمان اسکلت فلزی ساده با این ویژگی که کل سازه را در برمی گیرند و می توان ساختمان هایی با ارتفاع زیاد را با این روش طراحی و اجرا کرد. سازه دیاگرید در ابتدای ظهور در اوایل قرن بیستم در ساخت ساختمان های بلند و آسمانخراش ها کاربرد داشته است. از اولین نمونه این آسمانخراش ها می توان به برج جان هنکاکی در شیکاگو (عکس ۲) اشاره کرد که با سیستم لوله ای ساخته شده است و اولین نشانه های لوله های مورب برای استحکام بیشتر ساختمان را در نمای این برج می توان دید.

(عکس ۲) برج جان هنکاک در شیکاگو

پیدایش شبکه قطری در ساختمان های بلند به صورت امروزی تقریباً از دهه ۱۹۶۰ آغاز شد. در آن زمان به دلیل اتصالات پیچیده و عدم پیشرفت تکنولوژی تعداد اندکی از این سیستم استفاده می کردند. از قدیمی ترین نمونه های کاربرد چنین سیستمی، ساختمان ۱۳ طبقه
IBM در سن پترزبورگ روسیه است که در سال ۱۳۹۶ ساخت آن به پایان رسید.

عکس ۳ ) روند پیدایش سیستم قطری در ساختمان های بلند مرتبه

امروزه با پیشرفت تکنولوژی و تولیدات انبوه، ساخت ساختمان های بلند با این روش بسیار آسان تر و سریع تر شده است. نمونه های بسیار معروف و موفق از این نوع ساختمان ها، برج هرست در شهر نیویورک، برج سوئیس ری در لندن که هر دو را نورمن فاستر معمار مطرح انگلیسی طراحی کرده است و ساختمان رادیو و تلویزیون پکن در چین است (عکس ۴)

عکس ۴) به ترتیب از راست برج سوئیس ری – برج هرست – ساختمان رادیو تلویزیون

تحلیل سازه ای دیاگرید
سازه دیاگرید توسط شبکه مثلث هایی که روی یکدیگر قرار می گیرند تشکیل می شود. با توجه به پایداری ذاتی فرم مثلث، این شبکه نیز پایدار خواهد بود. ابعاد و اندازه شبکه و زاویه بین اعضای مورب در ابتدا توسط معمار طراحی شده و سپس مهندسی سازه توسط نرم افزارهای مخصوص سازه ای آن را محاسبه می کند.بهترین مصالح برای ساخت چنین سازه هایی فولاد می باشد.
فولاد به دلیل سبکی و انعطاف پذیری مناسب و همچنین قیمت تمام شده کمتر نسبت به بتن ( در اغلب اوقات) مناسب تر است.

عکس ۵) ایجاد پایداری جانبی با تشکیل مثلث قاب مثلثی ذاتاً به وسیله اتصالات مفصلی پایدار است.

شکل مثلث بدون تغییر طول یک یا چند ضلع آن تغییر نمی کند.

در تمامی سازه ها نیروها به دو صورت کششی و فشاری برسازه اعمال می شوند و پایداری سازه از طریق خنثی شدن این نیروها در جهت مناسب و انتقال به زمین حاصل می شود. در سازه دیاگرید معمولا سازه های مورب نیروهای فشاری و سازه های افقی که محل اتصال طبقات به سازه است نیروهای کششی را تحمل می کنند. در برخی سازه ها اعضای مورب فرعی برای تحمل بیشتر نیروهای کششی به سازه اضافه می شوند. در تصاویر زیر نحوه اعمال نیرو بر دو نوع سازه دیاگرید دیده می شود. بردارهای آبی نیروهای فشاری و بردارهای قرمز نیروهای کششی را نشان می دهد و این اعضا نیروهای مذکور تحمل می کنند.

(عکس ۶) نحوه اعمال نیرو در سازه دیاگرید

 

در تصویر زیر نیروهای کششی و فشاری بر گره ها نشان داده شده است.

(عکس ۷) تصویر نیروهای کششی و فشاری بر گره ها

 

•  در تمامی سازهها از هر نوع همواره اعضایی که نیروی فشاری را تحمل می کنند نسبت به اعضایی که نیروی کششی بر آنها وارد می شود دارای قطر بیشتری می باشد.
• نصب و اتصالات شیشه نما و یا هر پوشش دیگر بر روی سازه به راحتی امکانپذیر است.

 

در حالت کلی، اتصالات سازه با سیستم قطری بسیار پیچیده تر از سازه های متعامد معمولی و متعاقباً گران تر هستند. کنترل ساخت اتصالات نقش بسیار مهمی در رفتار سیستم ایفا می کند. بدین منظور، برای چیرگی بر تردیدهای روش ساخت، می توان اتصالات را به صورت اعضای گره ای پیش ساخته در کارخانه ها تهیه کرد و سپس در محل کارگاه بر روی بدنه اصلی سازه پیچ و یا جوش داد.

(عکس۵-۸) نمونه از قطعات پیش ساخته سازه دیاگرید

اعضای سازه دیاگرید به چهار دسته زیر تقسیم می شوند:

۱. اعضای مورب اصلی

۲. اعضای مورب فرعی

۳. اعضای عمودی

۴. اعضای افقی

در برخی ساختمان ها فقط دو عضو مورب و یک عضو افقی دارند مانند برج سوئیس ری و برخی ساختمان از چهار عضو تشکیل شده است. عضو افقی طبقات ساختمان است که بر روی گره ها قرار می گیرند. اعضای اصلی مورب قطر بیشتری نسبت به اعضای فرعی مورب دارد.

در تصویر زیر این اعضا به خوبی نمایش داده شده اند:

(عکس ۹) اعضای سازه دیاگرید

در تصویر زیر نحوه اتصال سازه طبقات و همچنین نمای نهایی به خوبی نمایش داده شده است:

(عکس ۱۰) نحوه اتصال طبقات به سازه دیاگرید

انتخاب زاویه مناسب در دیاگرید

آنچه در طراحی سازه های دیاگرید ساخته شده اولیه در دنیا و حتی در سازه هایی که امروزه در دست طراحی هستند و هنوز به مرحله اجرا نرسیده اند به چشم میخورد، انتخاب زاویه ای نزدیک به ۶۰ درجه برای اعضای مورب در یک سازه بلند دیاگرید است. به طوری که مدول ها اغلب به شکل مثلثی و یا لوزی گونه ای متشکل از دو مثلث بر روی یکدیگر قرار گرفته اند به دست می آید. از نظر زیبایی شناسی و تلطیف حس بصری زاویه ۶۰ درجه برای اعضای مورب زاویه ای مناسب به نظر میرسد که ایجاد مدول های یکسان به فرم مثلث های متساوی الاضلاع، تصویری از حس پایداری را در ذهن انسان متجلی می سازد. اما درعین حال مدولهای مثلثی متساوی الاضلاع در کنار هم قرار گرفته اند، به دلیل داشتن ساقها و قاعده هم اندازه از نظر بصری حس اوج گیری و بلند شدن به سوی آسمان را نسبت به مدولهای مثلثی متساوی الاساقین با طوع ساقهایی بلندتر از قاعده، بسیار کمتر نشان میدهد.

بااین همه معیارهای زیبایی شناسی تنها یکی از عوامل تعیین کننده در طراحی یک سازه دیاگرید است. و معمار نباید با تکیه به این عوامل، طرح یک ساختمان بلند یا آسما خراش را بریزد. چراکه عوامل فنی و مدیریتی مانند سختی سازهای و هزینه های ساخت نیز باید به عنوان عوامل اولیه در نظر گرفته شوند. در غیر این صورت ممکن است طرح معماری به کلی دگرگون شود.

سازه دیاگرید برای طراحی سقف

پیشینه طراحی و اجرای سقف با سیستم دیاگرید برخلاف ساختمان های بلندی که با این سیستم اجراشده اند بسیار جدید و نوظهور است و به دو دهه اخیر برمیگردد. رفتار سازهای سقف های دیاگرد نیز مانند ستونهای مورب ساختمانهای بلند عمل می کند با این تفاوت که نیروها توسط اعضای مورب مستقیماً به فونداسیون و زمین منتقل می شوند و بنابراین در سازه سقف نیروها از اعضای مورب به ستون های پیرامونی سقف و سپس به فونداسیون و زمین منتقل می شوند. بنابراین طراحی ستونهای پیرامونی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. سازه و اعضای این نوع از سقف ها نیز از فولاد و به صورت پیش ساخته در کارخانه جات ساخته می شوند. نمونه های بتنی از این نوع سازه نیز وجود دارند که به نام گنبدهای لاملا معروف هستند و معروفترین آنها آشیانه هواپیما طراحی شده توس مهندس ایتالیایی پیر لوئیجی نروی است.

(عکس ۱۱) آشیانه هواپیما – نروی

 

طرح اقتصادی و با سرعت ساخت بالا بود و بتن به صورت هوشمندانه در آن به کاررفته است. همانطور که نروی بیان می کند، روش ساخت این ساختمانها راحت نبود ولی استفاده از قالب بندی چوبی از نظر اقتصادی انتخاب مناسبی هست حتی هنگامی که کارهای بتنی دارای ساده ترین اشکال باشند.

معروف ترین ساختمانی که در پوششں سقف آن سازه دیاگرید استفاده شده است موزه بریتانیاست. این سقف بر روى مجموع های تاریخی قرار گرفته است که علاوه بر حفظ ساختمان در برابر عوامل جوی، روشنایی طبیعی مجموعه را نیز تأمین می کند.

(عکس ۱۲) موزه بریتانیا

 

ویژه گی های سقف های دیاگرید

• سرعت اجرای بالا
• پوشش دهانه های بزرگ
• سبکی و زیبایی فرم سقف
• خلق فرم های روان و سیال و یا گنبدی
• استفاده از شیشه به جای پوشش نهایی سقف
• تمامی اتصالات این سقف ها در کارخانه ساخته و سپس در محلی به کمک جرثقیل نصب می شوند

(عکس۱۳) مراحل نصب پوشش نهایی سقف پایانه راه آهن King’s CrOSS ۷-۶

نمونه موردی

 ایستگاه راه آهن king cross (صلیب پادشاه)

ایستگاه راه آهن قدیمی king cross در سال ۱۸۵۲ در شمال لندن افتتاح شد. این ایستگاه یکی از پرتردد ترین ایستگاه های راه آهن شهر لندن است که از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

در سال ۲۰۰۵ طرح مرمت این ایستگاه برنامه ریزی شد و در سال ۲۰۱۲ اجرای آن به اتمام رسید. شرکت معروف آروپا مجری این پروژه بوده است. این طرح شامل یک سقف بزرگ برای پوشش محوطه کناری ایستگاه قدیمی است که علاوه بر محافظت محوطه در برابر عامل جوی و نورگیری طبیعی یک محیط دلپذیر و اجتماعی برای استفاده کنندگان آن ایجاد کرده است.

 (عکس ۱۴) ایستگاه صلیب پادشاه – رنگ آبی سازه جدید را نشان می دهد.

 

 

ایده طراحی این سقف مانند یک تنه درخت با شاخ و برگ است که ساقه اصلی آن در کنار ساختمان قدیمی قرار گرفته است. پلان دایرهای شکل با توجه به عوامل سایت انتخاب شده است. شرکت آروپا برای طراحی یک سقف یکپارچه و البته زیبا از سیستم دیاگرید استفاده کرده است. تمامی قطعات این سازه در کارخانه تولید و در کارگاه مونتاژ شده اند.

(عکس ۱۶) قطعات ساخته شده در کارخانه

 

سازه سقف از مرکز دایره با اعضای مورب و شعاعی شروع و در انتهای پلان به ستونهای درختی می رسد. در سازه سقف دیاگرید مانند سازه ساختمانهای بلندمرتبه مدولهای مثلثی شکل نقش اصلی را ایفا می کنند و در تحمل بارهای وارده پایدار هستند.

(عکس ۱۷) ساقه اصلی سازه که عملی انتقال بخشی از بار سقف را بر عهده دارد.

ستون های درختی انتهای پلان وظیفه نگهداری سقف و همچنین انتقال بخش دیگر بار سقف را بر عهده دارد. بازوهای این ستون ها دقیقا در محل گره ها به سقف متصل میشوند. کمربند کششی در انتهای بازوی ستون در تصویر زیر دیده می شود.

(عکس ۱۸) ستون های درختی

 

 طراحی سقف پایانه مسافربری فرودگاه رشت

در طراحی سقف ساختمان پایانه فرودگاه رشست سازه دیاگرید استفاده شده است. ایده اولیه طرح از تنه درختی که ساقههای خود را به اطراف گسترانیده است گرفته شده است. برای اجرایی کردن این ایده این سازه مناسبترین گزینه است. این سقف مساحتی بالغ بر ۹۴۰۰ مترمربع را پوشش می دهد و تمامی فعالیت ها و فضا ها و ساختمان اصلی پایانه زیر این سقف قرار گرفته است . فرم بیضی شکل پلان بهترین گزینه برای طراحی سقف با توجه با عملکرد پایانه است.

اعضای سقف از سه عضو زیر تشکیل شده اند:

۱. اعضای مورب اصلی

۲. اعضای شعاعی

۳. اعضای حلقه ای

تنه اصلی به عنوان پایه ستون در مرکز پلان قرار گرفته است و اعضا و اقطار آن به صورت موراب به سمت بالا وانت های

سقف حرکت می کنند.

در عکس شماره ۱۹ تمامی اعضای فشاری و کششی نشان داده شده است.

در عکس شماره ۲۰ ستون های درختی در برشی نشان داده شده است.

 

در محل رسیدن اعضا به انتهای سقف، نیروها از طریق ستون های درختی شکل با سه بازو به زمین منتقل می شوند. علاوه بر ستون های کناری تنه اصلی سازه در مرکز پلان نیز عمل انتقال نیروهای وارده بر سقف را بر عهده دارد.

از ویژگی طراحی این سقف:

• خلق فضای باز و بدون ستون
• کاهش قابل توجه مصرف فولاد
• سرعت اجرا و ساخت
• نورگیر بودن مرکز سقف با قرار دادن گنبد شیشه ای بر روی آن

 

با پیشرفت روزافزون علم و تکنولوژی ، صنعت ساختمان نیز همگام با این روند در حال رشد و پیشرفت است و هرروزه شاهد سیستمها و روشهای نوین ساخت هستیم. بسیاری از طراحان معماری مانند نورمن فاستر و ریچارد راجرز، که طراح بسیاری از آسمانخراش ها، استادیوم های ورزشی و فرودگاه ها هستند، زیبایی و پایداری طرح خود را مدیون طراحی و اجرای سازه ساختمان میدانند و بی شک معماری و سازه معقوله ای جدا از هم نیستند و در بسیاری موارد هماهنگی در عملکرد این دو باعث خلق آثار متفاوت و به یادماندنی می شود.

اما متأسفانه بسیاری از سیستم های سازهای روز دنیا در کشور ما قابل اجرا نیست و هنوز سیستم تیر و ستون به عنوان اصلی ترین سازه برای ساخت و ساز مطرح است. در برخی موارد حتی برخی از دانشجویان و حتی اساتید رشته عمران با بسیاری از سیستمهای نوین سازهای آشنایی ندارند که این علاوه بر ضعف سیستم آموزشی، می تواند بر صنعت ساختمان سازی نیز تأثیرگذار باشد.امید است این مقاله بتواند اطلاعات مفید، حتی در بعد کوچک در اختیار دانشجویان و علاقه مندان رشته های معماری و عمران قرار دهد.