خرپاها
خرپا مجموعه اي مثلثي شكل است كه بارها را به وسيلة تركيبي مثلثي شكل از اعضا با اتصال مفصلي به تكيه گاه ها منتقل مي كند. در اعضاي خرپا فقط فشار و كشش ( نه برش و خمش) ايجاد مي شود و تمامي نيروهاي رانشي به صورت داخلي در آن خنثي مي گردد. در عمل، ممكن است تنش خمشي در بين اتصالات به ميزان كمي در اثر اصطكاك آنها و بارهاي وارده و پخش شده در اعضا بوجود آيد: اين نيروها معمولاً با نيروي محوري يكجا در نظر گرفته شده و در عمل در تحليل ها ناديده گرفته مي شوند.
واحد هندسي اصلي خرپا مثلث است. مثلثث شكل ثابتي است كه فرم آن بدون تغيير طول اضلاع حتي با اتصالات مفصلي نيز تغيير نمي كند. اتصالات در بقية چند ضلعي ها (مانند مستطيل) غير پايدار هستند (تصوير ب – 1 – 4 ).
اگر كابلي بين دو نقطه كشيده شده باشد، نيروي افقي به وسيلة تكيه گاه ها (كه ثابت شده اند، تصوير الف-1-4) خنثي مي شود. اگر وضعيت به گونه اي تغيير كند كه يكي از تكيه گاه ها مفصلي و تكيه گاه ديگر غلتكي شوند، سيستم غيرپايدار مي گردد زيرا هر دو تكيه گاه مي توانند عكس العمل نيروي عمودي را تحمل نمايند ولي تكيه گاه غلتكي به وسيله نيروي افقي كابل به سمت مركز كشيده خواهد شد. اين مجموعه به عنوان يك خر پاي ساده با هندسه مثلثي و داراي اتصالات گيردار و مقاومت دروني عمل مي كند (تصوير ج-1-4).
اگر مجموعة خرپايي كه در تصوير ج-1-4 نشان داده شده است معكوس گردد، نيروهاي كششي و فشاري نيز معكوس خواهند گرديد. تصوير 2-4 سير تكامليي خرپاهاي پيچيده تري را نشان مي دهد. توجه كنيد كه در حالت واحد اصلي هندسي به شكل مثلث باقي مي ماند.
اعضاي بالا و پايين خرپا به ترتيب ميلة فوقاني و تحتاني خرپا ناميده مي شوند. تمامي اعضاي بين ميله هاي فوقاني و تحتاني اعضا جان خرپا هستند. در خرپاهاي مسطح تمامي اعضا در يك سطح قرار دارند،
در حالي كه خرپاهاي فضايي در سه بعد، اين اعضا را دارند. در هر دو نوع خرپاي ذكر ششده دهانه ها در يك جهت قرار گرفته اند (خصوصيات دهانه هاي غير هم جهت در بخش 5 به عنوان قاب هاي فضايي تحت يك سيستم مستقل مورد مطالعه قرار مي گيرند).
انواع خرپا
شكل محيطي اكثر خرپاهاي فضايي مثلث و مستطيل قوسي شكل (انحنا رو به بالا يا پايين) يا كوژ (با انحنا به سمت بالا و پايين) مي باششد. اين اشكال محيطي به مثلث هاي كوچكتر تقسيم مي شوند. تمامي اعضاي كششي و فشاري به وسيلة اتصالات مفصلي (مانند لولاي اجرا شده با پيچ) به يكديگر متصل مي باشند (نگاه كنيد به تصاوير 3-3 تا 10-4).
مطالعات موردي خرپا
مركز فرهنگي ژرژ پوميدو Centre George Pompidou
هدف ما قرار دادن سازه در بيرون ساختمان براي رسيدن به بيشترين انعطاف پذيري در فضاهاي ساختمان مي باشد، اگر چه ظاهراً به نظر مي رسد در اين حالت سازه عمر كوتاه تري نسبت به ساختمان دارد.
«ريچارد راجرز- در مركز فرهنگي ژرژ پوميدو»
به دليل نقش اين ساختمان به عنوان يك مركز ملي هنري، مركز فرهنگي ژرژ پوميدو (1977: پاريس، مهندس معمار: پيانو و راجرز، مهندس سازه: اوو آروپ و همكاران) حتي قبل از اتمام كار نيز به عنوان يك ماشين غير قابل انعطاف با اصول زيبايي شناسي مورد بحث قرار گرفت. تضادي مابين ساختماني جديد با منطقه اي تاريخي كه درون آن قرار گرفته است.
هدف طراحان اين ساختمان، ايجاد بنايي «بدون ساخت» بوده است كه براي رسيدن به آن پرده اي شفاف در پشت سازه قرار داده شد كه مي توان فعاليت هاي مختلف و نمايشگاه ها را با حفظخصوصيات هر يك در آن برگزار كرد. اين ساختمان طرحي ابتكاري در سازه و جزئيات اجرايي دراد. حجم مكعب مستطيل شكل آن طولي برابر 551 فوت (168 متر) داشته و براي توسعة آينده و گسترش از بخش انتهايي آن نيز تدابيري صورت گرفته است. داكت هاي عمودي و ساير خدمات مكانيكي در نماي خيابان شرقي قرار گرفته و با رنگهاي روشن رنگ آميزي شده اند.
به علت اينكه پوشش فلزي ديوارها در پشت سازه نمايان آن قرار گرفته است، سيركولاسيون داخلي و خدمات مكانيكي، نمود بسيار كمي در نماي نهايي ساختمان دارند. (اورتون Orton، 1988، ساندكرواگن Sandker and Eggen، 1992) (تصاوير 11-4 و 12-4).
آنچه كه به ساختار بصري ساختمان اهميت مي بخشد و بافت نما، مقياس و جزئيات بصري را تعيين مي كند، قاب خرپايي سازة اصلي آن است كه بر روي سه عضو ديگر اثر مي گذارد. اتصالات گير دار به طور گسترده اي جهت ايجاد تأثير بصري مطلوب و پاسخي به بارگذاري مناسب مقياس بزرگ و حركت در اثر دما مورد استفاده قرار مي گيرند.
ساختمان از كل اجزاي سازه شامل اعضاء اتصالات و اسكلت حجيم فولادي كه تيرهايي از آن به وسيلة قلاب هايي آويزان است، استفاده مي كند، در نتيجه به سازه و كل ساختمان انرژي و پويايي مي بخشد. بخشي از سازه كه در بالاي زمين قرار گرفته متشكل از 14 قاب دو بعدي با دهانه هاي 157 فوتي (48 متر) و يك بخش الحاقي 25 فوتي (6/7 متر) در هر طرف (براي حركت افراد روي قسمت غربي و بخش خدمات مكانيكي در بخش شرقي) مي باشد. اين قاب ها شش طبقه بوده و ارتفاع هر طبقه برابر 23 فوت (7 متر) مي باشد. قاب ها به وسيله دال هاي كف به يكديگر متصل مي شوند و با استفاده از ميله هاي فولادي متقاطع در برابر نيروهاي جانبي مهاربندي مي شوند. قطر ستون هاي اصلي 34 اينچ (850 ميليمتر) بوده كه به عنوان پايه هاي اصلي و ستون هاي لوله اي شكل فولادي با ضخامت زياد كه براي محافظت در برابر آتش سوزي با آب پر شده اند،عمل مي نمايند. اين ستون ها با اتصالات قاب فولادي با ضخامت زياد كه براي محافظت در برابر آتش سوزي با آب پر شده اند، عمل مي نمايند. اين ستون ها با اتصالات قاب فولادي اصلي داراي اتصال گيردار مي باشند.
قلاب ها در بخش بيروني انتهاي محور اصلي به وسيلة يك ميلة عمودي 8 اينچي (200 ميليمتر) نگاه داشته مي شوند كه گوشه هاي داخلي خرپاي اصلي را نگاه مي دارد. هر يك از دهانه هاي خر پا، طولي برابر 147 فوت(8/44 متر) و ارتفاعي برابر 3/9 فوت (82/2 متر) دارند. ميلة فوقاني خرپا مضاعف بوده و قطر آن 16 اينچ (419 ميليمتر) و قطر ميلة تحتاني 9 اينچ (225 ميليمتر) مي باشد، لوله هايي به صورت تكي(فشار) يا توپر (كشش) اعضاي فشاري را به صورت متناوب كامل مي كنند، تمام اتصالات آنها به قالب فولادي و اعضاي متصل به آن به صورت جوش مي باشد.
تالار گاند Gund Hall
تالار گاند (1972: كمبريج، ماساچوست، مهندس معمار: جان اندروز) فارغ التحصيلان مدرسه طراحي هاروارد را با برنامه هايي در معماري، طراحي فضاي سبز و طراحي شهري در خود جاي مي دهد. مفهوم طراحي، فضايي وسيع در يك كارگاه كه ارتباطي بهتر بين دانشجويان رشته هاي مختلف را فراهم مي سازد.
اندروز چنين توضيح مي دهد: يك كارگاه بزرگ با فضاهايي كوچكتر كه براي فعاليتهاي بخصوصي به هم پيوسته اند. براي ايجاد فضاي لازم مورد نياز، كارگاه ها شبيه سيني هايي روي هم رديف گشته و به وسيلة يك سطح شيب دار پوشيده شده اند. (تيلور و اندروز Taylor and ANDREWS، 1982).
هدف طراح از سيستم هاي مكانيكي و سازة بام به عنوان ابزار آ‚وزش بوده است ( تصاوير 13-4 تا 15 –4). عدد خرپاي مسطح كه در مركز، فضايي برابر 24 فوت (3/7 متر) را اضغال كرده اند، دهانه اي برابر 134 فوت (41 متر و ارتفاعي برابر 11 فوت (4/3 متر) دارند.
قطر ميلة فوقاني خرپا 12 اينچ ( 300 ميليمتر) و داراي ميلة تحتاني باريك تر و اعضا جان مي باشد. خرپا به وسيلة يك اتصال گير دار در بالا و يك اتصال ساده در پايين ( امكان حركت در اثر انبساط حرارتي و ديييگر حركات ضمني ) نگاه داششته مي شود. اعضاي لوله اي شكل براي امكان ساخت ساده تر( در مقايسه با اعضا بال شهن) و سهولت كاربري انتخاب شدند. روي لوله ها با يك لايه رنگ ضد آتش به ضخامت 125/0 اينچ (3 ميليمتر) پوشانده شده است. مقاومت جانبي به وسيله گره هاي متقاطع در هر دو انتهاي دهانه فراهم شده است.
ميلة فوقاني خر پا از درون سقفي كه براي استفاده از نور روز در نماي غربي به صورت پله اي طراحي شده عبور مي كند. چنين نورهايي از شيشه هاي پلاستيكي شفاف و تقويت شده عبور مي نمايند و در زير سقف اعضاي خرپا نمايان هستند. ] در انتخاب بام پله اي نماي غربي، طراح بيشتر جنبه فرمال آن را مد نظر داشته است تا جنبه هاي تكنيكي. انرژي گرمايي به دست آمده از طريق شيشه هاي بدون سايه بيش از اندازه مورد نياز است و سيستم گرمايش و سرمايش تهويه مطبوع (HVAC) به عنوان طراحي اصلي مكانيكي جهت ايجاد آسايش در نظر گرفته شده است [.
مركز سنزبري Sainsbury Center
عملكرد اصلي اين ساختمان (1978 : نورويچ، انگلستان، معمار: فوستر و همكاران، مهندس سازه: هانت و همكاران) ببه عنوان گالري هنري بوده است ولي بك سوم ساختمان براي كي مدرسة هنري، اتاق چند منظوره و يك رستوران استفاده مي شود ( تصاوير 16-4 تا 18-4). فرم ساختمان به صورت يك مكعب ساده با دو وجه كاملاً شفاف است. اين بخش ها با جزئيات بسيار دقيق به منظور حفظ سادگي فرم و سطح در نظر گرفته شده اند. نور روز تحت كنترل بوده و با پنجره هاي كركره اي پخش مي شود. به علت وسعت زياد ساختمان كه مربوط به كيفيت بالاي آن به عنوان يك شي مي گردد، طراحي بسيار مهم است. اجزاي ساختمان به صورت پيش ساخته با دقت زياد براي ايجاد نماي مناسب، بخصوص خرپاهاي فضايي و تطبيق با ستون هاي خرپايي، طراحي شده اند (اورتون، 1988).
سازة ساختمان بر اساس 37 عدد خرپا ( در مقطع به شكل مستطيل) در طول 431 فوتي (4/131 متر) ساختمان با دهانه هاي 113 فوتي (4/34متر)شمل گرفته است. هر خرپا 2/8 فوت (5/2 متر) ارتفاع و 9/5 فوت (8/1 متر) عرض دارد. هر يك با اتصال گيردار در بالاي هر ستون خرپايي كه از زمين طره شده اند، متصل هستند. (خرپاهايي كه در قسمت انتهاي ديوارهاي شفاف قرار دارند سخت كننده هاي اضافي براي جلوگيري از ريزش تقسيمات شيشه دارند، اتصالات گير دار به پايين خرپا براي ايجاد رفتار قاب صلب با ستون ها و خرپا اضافه شده اند). روكش فلزي نهايي، تركيبي از آلومينيم توپر، مشبك و عايق يا پانل هاي شفاف كه به يك شبكة مدولار با درزبندهاي نئوپرن به ابعاد 9/5 * 9/3 فوت (8/1 * 2/1 متر) متصل شده اند، مي باشد.
استاديوم ورزشي كرازبي كمپر Crosby Kemper Arena
اين ساختمان چند منظوره (1974: كانزاس سيتي، ميسوري، مهندس معمار و مهندس سازه: سي- اف – مورفي و همكاران) با خرپاي عظيم فضايي كه در مقطع به شكل مستطيل مي باشند، با دهانة 324 فوت (99 متر) و يك ستون فضايي به شكل قاب صلب با دو اتصال گيردار در هر پي، سازة ساختمان را تشكيل مي دهند. هر خرپا 27 فوت (23/8 متر) ارتفاع دارد و از لولوه هاي فولادي به قطر 4 فوت (22/1متر) در بالا و دو لوله به قطر 3 فوت (914 ميليمتر) در پايين و اعضاي جان به ضخامت 30 اينچ (762 ميليمتر) ساخته شده است. اين حالت از خرپاي فضايي صلبيت و مقاومت بالايي در برابر نيروهاي عمودي، افقي و پيچشي دارد.
سايبان استاديوم ورزشي
به علت نياز به چشم انداز و ديد مناسب، طره ها از شرايط مناسبي براي ايجاد سسايه جهت محافظت از آفتاب و باران در استاديوم هاي بزرگ ورزشي برخوردار مي باشند. مداركي وجود دارد كه روميان قديم از تركيب Vela (سازه هاي سايباني) در تعدادي از زمين هاي تاشو كه از تيرهاي كوچك افقي كه به وسيلة مهارهاي طنابي از بالاي ديرك هاي عمودي نگاه داشته مي شدند، آويزان شده بودند و در پشت محل استقرار آنها از ديوار حائل سنگي استفاده شده بود، متداول بوده است (تصوير 21-4)
استاديوم فوتبال سيدني Sydney Football Stadium
استاديوم فوتبال سيدني (1988: سيدني، استراليا، مهندس معمار: فليپ كوكس، مهندس سازه: اوو آروپ و همكاران) به عنوان استاديومي براي بازي فوتبال و راگبي با گنجايش 38000 تماشاچي كه سايبان آن 65 درصد جايگاه را پوشش مي داد، طراحي شد.
جايگاه منحني شكل استاديوم بر اساس دال هاي بتني پله اي در سطح پايين تر براي نشستن و در سطح بالاتر براي ايتسادن ساخته شده است و از بخش هاي بتني پيش كشيده با دهانة 27 فوت (5/8 متر) بين تيرهاي فولادي يب دار كه روي ستون هاي بتني قرار مي گيرند، تشكيل شده است (بروكز و گرچ 1992، جان 1991) ( تصاوير 22-4 تا 25-4).
براي سايبان فلزي بام خرپاهاي فضايي فولادي كه طول طره آن 96 فوت (30 متر) است استفاده شده است. تمامي اعضاي خرپا صلب هستند و مي توانند نيروهاي كششي يا فشاري را كه به خرپا ها امكان مقاومت در برابر نيروهاي رو به بالاي باد و نيروهاي ناشي از وزن را مي دهد، ايجاد نمايند. خرپاها، بار را به يك حلقه از ستون ها و ديوارهاي بتني كه تيرهاي نوك تيز را در جايگاه به هم متصل مي كنند، انتقال مي دهند. سيستم سازه اي به وسيلة آزمايش بر روي يك مدل با مقياس 1:200 آناليز گرديد و سختي اعضا با استفاده از تجزيه و تحليل از مدل كامپيوتري تعيين گرديد.
زيبايي ساختمان با وزن آن نسبت عكس دارد.
«باك مينستر فولر»
گنبد ژئودزيك، سازة فضا كار كروي است كه بارهاي وارده را از طريق اعضاي خطي كه در يك گنبد كروي شكل قرار گرفته اند به تكيه گاه ها منتقل مي كند و تمامي اعضا در آن در تنش مستقيم (كشش يا فشار) هستند. معمو.لاً از پوشش نازك(از جنس پلاستيك يا فلز) براي پوشش گنبد و تبديل آن به يك فضاي محدود استفاده مي شود.
گنبدهاي ژئودزيك بر اساس 5 حجم اصلي افلاطوني شكل مي گيرند: چهار ضلعي، مكعب، هشت ضلعي، دوازده ضلعي و بيست ضلعي (تصوير 1-6).
در اين پنج حجم ( و فقط در اين پنج حجم)، چند ضلعي ها همگي منتظم بوده و تمامي اضلاع يكسان هستند و تعداد وجوه با تعداد رئوس برابر است. چنين احجاميي به هر شكلي كه قرار گيرند، تمام رئوس با محيط كره در تماس مي باشند.
هندسه
گنبدهاي ژئودزيك از طريق تقسيمات فرعي به صورت يك يا چند حجم افلاطني شكل مي گيرند. هشت ضلعي و بيست ضلعي به دليل آن كه كه از مثلث هايي تشكيل مي گردند، به طور ذاتي پايداري بيشتري دارند و يه عنوان عناصر اصلي در اكثر گنبدهاي مشبك در ساختمان مورد استفاده قرار مي گيرند. با تعداد تقسيمات بيشتر گنبدهاي نرم تر و انعطاف پذير تر به دست مي آيد (تصوير 2-6). شناخته شده ترين شكل چنين چنين گنبدهايي، توپ فوتبال است كه از تقسيمات سه تايي تكرار شونده از يك حجم بيست ضلعي به وجود آمده است (تصاوير 3-6 و 4-6). براي اطلاعات بيشتر در مورد گنبدهاي ژئودزيك نگاه كنيد به پيرس، 1978 (همچنين كاپ راف Kappraff 1991، ون لون Van Loon 1994). هندسة گنبدهاي ژئ.دزيك به ميزان زيادي شبيه به اسكلت ميكروسكوپي مرجان هاي دريايي مي باشد.
گنبدهاي ژئودزيك واقعي از طريق توسعه و تكميل گنبدهاي دندانه اي مهار شده به وجود آمده اند. گنبد شودلر Schwedler (اقتباس از نام مهندس آلماني، كه اين گنبد توسط وي در اواخر قرن نوزدهم اختراع شد) متشكل از حلقه ها و اعضاي و اعضاي نصف النهاري مي باشد كه با رابطه هاي قطري براي پايداري بيشتر تقويت گرديده است. سيستم گنبد زايس – دايويداگ Zeiss – Dywidag اولين بار در سال 1922 به طور آزمايشي در افلاك نماي شركت زايس به كار برده شد. اين سيستم متشكل از تركيبات مثلثي شكل، ساخته شده از اعضاي بتن مسلح مي باشد كه با استفاده از بتن تكميل كنندة سيستم يك پوستة نازك بتني بوجود مي آيد.
باك مينستر فولر، گنبدهاي ژئودزيك امروزي را در سال 1954 اختراع و به نام خود ثبت كرد. اين گنبدها در تئوري مي توانند ابعاد بزرگي داشته باشند. ايده ها و طرح هايي كه فولر طي دهه هاي 50 و 60 ارائه نمود، اين تصور به وجود آورد كه گنبدهاي بزرگ و غول پيكر مي توانند تمامي شهرها را بپوشانند. به نظر مي رسيد چنين سازه هايي چشم اندازي بديع و جالب از طراحي شهري و معماري ارائه مي دهند (ون لون، 1994).
بارها، از طريق نيروهاي محوري (كشش و فشار) موجود در اعضاي قاب به پي ها منتقل مي شوند. تمامي اعضايي كه در بالاي گنبد نيم كروي قرار گرفته اند (آنهايي كه بالاتر از زاويه 45 درجه قرار دارند) در زير بار يكنواخت، تحت فشار و تمامي اعضاي پاييني تحت كشش و اعضاي نزديك به خط عمود نيز تحت فشار قرار خواهند گرفت. شكل گنبد جهت نيروي عكس العمل رانشي (فشاري) را در پي تعيين مي كند. گنبدهاي نيم كره در تكيه گاه نزديك به خط عمود هستند، يك خط پايه نزديك به خط افق دارند و مقداري جزيي نيروي رانشي بيروني ايجاد مي نمايند.
گنبدهاي ربع دايره (تقريباً نصف ارتفاع يك گنبد نيم كره) 5 نقطه اتكا دارند و نيروي رانشي بيروني قابل توجهي ايجاد مي كنند و بايد به وسيلة پشت بندها يا حلقه هاي كششي در برابر اين نيرو مقاوم گردد. گنبدهاي سه – چهارم كره هم داراي پنج نقطه اتكا هستند ولي نيروي رانشي به سمت داخل ايجاد مي نمايند (كوركيل Corkill و ديگران، 1993) (تصوير 7-6). بارهاي متمركز وارد بر گنبد از طريق خرپاهايي كه به وسيلة دو يال مجاور هم تشكيل مي شود، مقاومت مي گردد. در جايي كه تعداد تقسيمات كم و طول ميله هاي خرپا زياد است، ارتفاع خرپا ( و مقاومت در برابر بارهاي متمركز) افزايش مي يابد.
اگر تعداد اعضا در گنبد ژئودزيك افزايش يابد، ارتفاع مقطع خرپا و مقاومت آن در برابر بارهاي متمركز در گنبدهاي بزرگ با ايجاد يك لاية مضاعف جهت افزايش ارتفاع مقطع خرپا حل مي گردد. اين لايه ها به خوبي سازة فضا كار را در بر مي گيرند و از تقسيمات هندسي روي گنبد متابعت مي نمايد(تصوير 8-6).
گنبدهاي يك لايه (بدون نياز به ارتفاع مقطع) براي دهانه هاي تا 100 فوت (30 متر) مناسب است. در دهـانه هاي بزرگتر گنبـدها به دو لايه از سـاز فضا كار نياز دارند (تصوير9-6).
در اواخر دهة 1950، شركت آلومينيوم كيسر (Kaiser) توليد گنبدهاي ژئودزيك را تحت امتياز فولر آغاز كرد. پانل هايي به شكل الماس با لبه هاي سخت شده و عناصر فشاري صليبي شكل به صورت يك پوسته با قاب ژئودزيك تركيب شده اند. گنبد اجرا شده كمي كمتر از نيمكره است (و بر 5 نقطه اتكا دارد)، اين گنبد با قطري برابر 145 فوت (44 متر) و با استفاده از 575 پانل در 10 اندازه مختلف تشكيل شده است. اولين نمونه آن در هونالولو در مدت 20 ساعت (588 كار ساعت) با ايجاد يك جرم مركزي به عنوان تكيه گاه موقت ساخته شد. كار ساخت اين مجموعه از بالا شروع شد و تا سطح زمين امتداد مي يافت و امكان قرار گرفتن بر روي يك پي از قبل ساخته شده را پيدا كرد. در طي چند ماه، سه گنبد ديگر با اين سيستم ساخته شد (ناشر، 1958) (تصوير 10-6)، ولي تجارت رويايي فولر و كيسر هرگز توسعه و پيشرفت پيدا نكرد و توليد چنين گنبدهايي بسرعت متوقف گرديد.
در اواخر دهة 60، بازدهي سازه اي قابل توجه گنبد هاي ژئودزيك به روياهايي كه در فرهنگ عامه مردم غير ممكن بود، جامه عمل پوشاند و آن هياهوي ساخت ساختمان هاي گنبدي به دست خود مردم بويژه در آمريكا بود. با وجود جذابيت و بازدهي سازه اي كه گنبدهاي ژئودزيك دارند ولي در ساخت آنها مشكلات اجرايي متعددي از قبيل دشوار بودن ضد آب كردن آنها، سخت بودن اجراي بازشوها به علت تداوم سازه اي و مشكل بودن استفاده از مبلمان هاي متداول به علت شكل داخلي خاص آنها وجود دارد. شايد بتوان بر اين مشكلات در سازه هاي بزرگ غلبه كرد، ولي در ساختمان هاي كوچك اين مشكلات بر مزاياي سازه اي چنين سيستمي غلبه دارند (ون لون، 1994).
هنگامي كه يك تير بر روي دو ستون قرار مي گيرد، معماري شروع به شكل گيري مي كند.
«لوئيس اچ سوليوان»
تيرها، دال ها، ستون ها و ديوارهاي باربر براي شكل دادن به قاب هاي راست گوشه (خطوط مستقيم) كه شناخته شده ترين سيستم تكيه گاهي است و در ساختمان ها به كار مي رود، با يكديگر تركيب مي شوند. قاب ها، بارها را به صورت افقي (از طريق تيرها) به ستون ها و ستون ها نيروها را به صورت عمودي (به پي) منتقل مي كنند. چنين سيستمي با عنوان سازه و تير و ستون شناخته شده است. دال ها ممكن است جانشين تيرها و ديوارهاي بابر جانشين ستون ها گردند ولي در هر صورت رفتاري مشابه دارند. به علاوه چنين اجزا عمودي و افقي بايد مقاومت جانبي در برابر نيروهايي مانند نيروي زلزله و نيروي باد را داشته باشند (تصوير 1-9).
سيستم هاي راست گوشه بر اساس تعداد لايه هاي آنها (سطوح) از اعضا افقي در سيستم تقسيم بندي مي شوند. سيستم هاي تك لايه اي معمولاً از تركيب دال يك طرفه كه دهانه بين دو ديوار بابر موازي را مي پوشاند، تشكيل شده اند. سيستم هاي دو لايه اي بر اساس يك دال كه به وسيله تيرهاي موازي نگاه داشته مي شوند شكل گرفته اند كه روي دو ديوار باربر موازي يا يك رديف از ستون ها قرار گرفته اند ( يك ستون در زير هر تير). سيستم هاي سه لايه اي معمولاً شامل يك دال تكيه گاهي با تيرچه هاي نزديك به هم كه به وسيلة تيرها نگاه داشته مي شوند (عمود بر تيرچه ها و در آخر به وسيله ستون ها حمل مي شوند مي باشند (تصاوير 2-9 و 3-9).
پايداري جانبي
مقاومت در برابر نيروي باد و ديگر نيروهاي نيروي باد و ديگر نيروهاي افقي براي پايداري قاب هاي راست گوشه لازم است. به طور معمول، اين امر با استفاده از يك يا چند قانون كلي زير به دست مي آيد: تقسيمات مثلثي شكل (تقسيم كردن قاب به مثلث هايي كه ذاتاً داراي فرم هندسي ثابت و پايدار هستند)، اتصال طلب (ايجاد يك اتصال صلب در نقطه تقاطع اعضا) و ديوارهاي برشي (به كار گرفتن مقاومت برشي دروني يك سطح صاف مانند ديوار براي تغيير شكل آن) (تصاوير 4-9 تا 14-9).
دهانه ها
دهانه عبارت است از تقسيم داخلي از قاب هاي تكراري كه به وسيله فضاي بين ستون ها (ديوارهاي باربر) تعريف مي شوند. دهانه هاي ساده سازه اي بر اساس ستون هايي كه در طول چهار جهت دهانه سازه اي قرار گرفته اند شكل مي گيرند (تصوير 15-9).
اين گونه دهانه ها در عين اينكه در ظاهر ساده به نظر مي رسند، ولي باعث مي شوند كه ستون هاي مركزي بيشترين بار را تحمل نمايند (نسبت كل دهانه)، ستون هاي كناري نصف بار ستون هايي را كه در مركز قرار گرفته اند، تحمل مي كنند(دهانه هاي يك – چهارم). براي يكسان نمودن بار تمامي ستون ها، مي توان نيم دهانه هايي را با استفاده از تيرهاي گيردار ايجاد نمود. چنين سيستمي بار را بر روي تمام ستون ها متعادل كرده و تعداد ستون هاي مورد نياز (و پي ها) را كاهش مي دهد.
قاب هاي صلب
رفتار قاب تير و ستون ساده داراي اتصالات مفصلي كه در بالا به آن اشاره شد، هنگامي كه اتصالات تير به ستون صلب باشند تغيير مي كند. مدل نمايشي تصوير 16-9 را در نظر بگيريد، اگر ستون ها به تير اتصال صلب داشته باشند، مجموعه يك قاب صلب است. اگر تكيه گاه ها در دو سر تير قرار داشته (ستون براي چرخش آزاد است) و بار يكنواخت در طول تير وارد شود، تير تغيير شكل خواهد داد و ستون ها دچار جابجايي مي گردند. يك قاب صلب با تصالات غلتكي در پي هاي ستون نيز رفتاري مشابه خواهد داشت. اگر از حركت پايه ها ممانعت به عمل آيد (اتصالات مفصلي باشد)، تغيير شكل آنها به صورت خمش خواهد بود و بنابراين مقاومت خود را به صورت خمشي در كل قاب به كمك گرفته و در نتيجه تغيير شكل كمتري در بالاي تير به وجود خواهد آمد.
سهمي خط چين شده در تصوير 17-9 نشان دهنده فرم مناسب قوسي براي چنين بارهاي يكنواختي است. اگر قاب از چنين شكلي پيروي كند، هيچ گونه خمشي وجود نخواهد داشت. مقدار خمش (گشتاور) به طور مستقيم به ميزان جابجايي قاب از چنين فرم مناسبي بستگي دارد. در جايي كه بيشترين تغيير مكان (در مركز دهانه و در اتصالات صلب تير و ستون) وجود دارد، گشتاور خمشي حداكثر است و تير نياز به ارتفاع بيشتري دارد. در جايي كه تغيير مكان حداقل است ( در پي هاي ستون و در نقطه يك چهارم دهانه در تير)، گشتاور خمشي صفر است و اتصال قاب مي تواند به شكل مفصلي باشد. ولي همين علت، باعث ناپايداري قاب مي شود. در قاب چهار مفصلي، اتصالات در بالا داراي ضخامت يكسان با قاب با اتصال صلب مي باشند.
قاب هاي صلب چند دهانه
هنگامي كه قاب هاي راست گوشه صلب تكرار شوند، اتصالات ثابت گشتاور خمشي را انتقال مي دهند و تغيير شكل در هر دهانة منفرد( در نتيجه بار وارده) در دهانه هاي اطراف مشترك است. اين اثر متقابل بين دهانه هاي مجاور به اين معني است كه مقاومت خمشي در چند دهانه براي ايجاد سازة مقاوم تر با هم تركيب مي شوند. همچنين بيان كنندة اين است كه تغيير شكل در يك قاب به كل سازه منتقل مي شود.
مدل ارائه شده در تصوير 18-9 نشان مي دهد كه نوع اتصالات يك قاب (صلب يا مفصلي ) چكونگي تثسيم يارهاي خمشي در سازه هاي متشكل از چندين قاب را مشخص مي كند. اگر چه يك قاب صلب بخوبي از مصالح استفاده مي نمايد اما نياز به نيروي كار اضافي براي تأمين و تضمين صلبيت كافي اتصالات تا حدي بازدهي اين تأثير را كاهش مي دهد. تصميم گيري در مورد اين كه آيا از قاب هاي صلب استفاده شود پيچيده بوده و نياز به تجزيه و تحليل و نيز تجربة بسيار دراد (تصوير 19-9).
ساختار قابهاي سبك
در ديوارهاي با ساختمان قاب چوبي سبك وزن كه متشكل از پايه هاي چوبي منفرد (مانند ستون) هستند، پايه ها با فواصل كم به وسيلة صفحات ممتد به يكديگر متصل شده و بالا و پايين ديوار را شكل مي دهند، پوشش نهايي ديوار مشابه يك ديوار ممتد بابر كه جاي ستون هاي مجزا را مشخص مي سازد رزفتار مي نمايد (شبيه تيرچه هاي نزديك به هم با پوشش چوب چند لايه كه شبيه به دال به جاي تيرهاي مجزا عمل مي كند). نعل درگاه (تير كوتاه با بارگذاري زياد) براي پوشش دهانه ها به كار مي رودو بار ديوارهاي ممتد را به دو طرف باز شو جايي كه پايه هاي چوبي چند عددي، بار افزوده را به پي زير ساختمان حمل مي كنند، انتقال مي دهد. پايداري جانبي به وسيله مقاومت برشي (عملكرد ديافراگمي) صفحات صلب تأمين مي گردد (تصوير 20-9).
سابقه تاريخي
ساختمان قاب هاي سبك، نتيجة دو دستاورد مهم ناشششي از وقوع انقلاب صنعتي است: تولدي انبوه ميخ هاي فولادي نازك و الوارهايي با ابعاد محدود ] 2 با ضخامت تا 4 اينچ (50 تا 100 ميليمتر) و عرض 2 اينچ يا بيشتر [. قبل از چنين پيشرفت هايي، در اجراي ساختمان هاي چوبي از تيرها و ستون هاي چوبي بزرگ و از بست هاي چوبي بزرگ و از بست هاي چوبي و ميخ هاي دست ساز استفاده مي شد. قديمي ترين سيستم قاب سبك چوبي، روش قاب بالن بود ( تصوير 21-9) كه در آن پايه هاي چوبي ديوار به طور ممتد از پي تا سقف انتداد سافته اند، تيرچه هاي مياني كف به پايه هاي چوبي ديوارهاي كناري متصل شده اند. اسن سيستم نياز به پايه هاي چوبي بسيار بلند و صاف دارد كه براي استفاده در ساختمان هاي دو طبقه نامناسب بوده زيرا ديوارهاي بلند بايد بدون عملكرد خاصي از طبقة مياني براي استفاده در ساختمان هاي دو طبقه نامناسب بوده زيرا ديوارهاي بلند بايد بدون عملكرد خاصي از طبقة مياني براي استفاده به عنوان سكوي كار ساخته شوند. سرانجام، فضاي باز بلند بين پايه ها، شياري را ايجاد كرد كه سرعت شعله هاي آتش در حادثة آتش سوزي را تسريع نمود. روش صفحة قاب جايگزين روش قاب بالن شده (تصوير 22-9) اين صفحه از چندين لايه تشكيل شده است: سازة كف روي پي، كه به شكل يك سو براي ساخت ديوارهاي چوبي ممتد است. اين ديوارها براي مهاربندي موقت به شكل اريب اجرا شده اند. اگر دو لايه در يك طبقه مورد نياز باشد، وضعيت سازة كف تكرار مي شود. در آخر ، بام و تيرچه هاي سقف (امروزه، خرپاي شيب دار) بر روي آخرين ديوار اجرا مي گردد.
سهولت و سادگي اجزا و اجراي قاب چوبي، قابليت اتصالات متنوع با ديگر سازه ها، چوبهاي چند لايه و الوارهايي با چوب صاف و داراي ابعاد مناسب و طبقه بندي شده، اين سيستم را براي خانه هاي مسكوني يك خانوار در آمريكا و كانادا منتخب كرده است. سيستم فوق انعطاف پذيري زيادي در طراحي داشته و قابل تطبيق با انواع روشهاي سازه اي مي باد (تصاوير 23-9 و 24-9). فضاي باز بين پايه هاي چوبي محل مناسبي را براي عايق حرارتي و استفاده بهينه از انرژي فراهم مي كند.
بهترين مهندس در دنياي حيوانات عنكبوت است، تار عنكبوت مانند آب لطيف و همچون درخت قابل انعطاف است و سازه اي شگفت انگيز است كه تمامي مهارت ها در آن به كرا رفته است.
«هورست برگر»
كابل هاي با فرم منحني طنابي
زنجيرواره، فرمي از منحني طنابي براي يك كايل بدون بارگذاري است كه تحت تأثير وزن كابل (و فقط وزن كابل) ايجاد مي شود (باري كه به طور يكنواخت در طول كابل وارد مي شود). سهمي فرمي از منحني طنابي يك كابل معلق با بارگذاري يكنواخت در طول افقي دهانه صرف نظر از وزن كايل مي باشد. در جايي كه نسبت دهانه به خيز بيشتر از 5 است، هر دو فرم به طور نزديكي يكسان و شبيه هستند و با محاسبات سادة رياضي مي توان به تعيين فرم و تحليل آنها پرداخت (تصوير 1-10).
در عمل ، عبارت زنجيرواره (Catenary) براي هر عضو معلق منحني شكل كه در طول آن بارگذاري شده صرف نظر از نحوة توزيع بارها به كار مي رود. براي مثال، كابل هاي اصلي يك پل معلق از نوع كابل هاي زنجيرواره هستند، گر چه شششكل منحني آنها نزديك به يك سهمي است.
رانش در سازه اي كششي
براي يك بار گذاري معين، ميزان خيز در يك سازه كششي از نوع زنجيرواره، مقدار رانش افقي ايجاد شده به سمت داخل را تعيين مي كند، هر چه انحنا كمتر باشد رانش دروني بيشتر خواهد شد (تصوير 2-10).
سازه هاي كابل هاي زنجير واره قابليت پوشاندن دهانه هاي متنوعي را دارند. در دهانه ها و شرايط بار گذاري معمولي، نسبت خيز به دهانه يكي از مسائل مهم در طراحي اولية سازه است. نيروهاي وارد بر كابل، طول و قطر آن كاملاً به اين نسبت بستگي دارند. اين نسبت ارتفاع ستون هاي اصلي، نيروهاي فشاري و ميانگين مقاومت داخلي فشاري كه در كابل به وجود مي آيد را نيز تعيين مي كند.
معمولاً نيروهاي كابلي نسبت عكس باخيز دارند، به عبارت ديگر، با كاهش طول كابل، قطر آن بايد افزايش يابد. اين مسئله در به حداقل رساندن مجموع فولاد به كار رفته در كاببل مورد استفاده قرار مي گيرد. يك كابل كوتاه با حداقل خيز، به علت وجود نيروهاي كششي بسيار بزرگ به قطر زيادي نياز دارد. برعكس اين حالت، يك كابل با خيز بسيار زياد مي تواند قطر كوچكي براي تحمل نيروهاي كششي كم داشته باشد كه كاملاً طولي عمل مي كند. براي بار متمركز كه در وسط دهانه وارد مي شود، خيز مناسب در حدود 50 درصد طول دهانه است، براي بار يكنواخت روي يك كايل سهمي شكل، خيز مناسب تقريباً 33 درصد طول دهانه مي باشد. گرچه در عمل، ديگر عوامل فني (ارتفاع مفيد خيز و محل تكيه گاه عمودي) اين نسبت را به طور قابل ملاحظه اي كاهش مي دهد. در بيشتر كابل هايي كه در سازة سقف ساختمان ها به كار مي روند، نسبت ارتفاع به دهانه 1:8 تا 1:10 است. سازه هاي معلق با فرم منحني طنابي به سه بخش تقسيم مي شوند‚ منحني داراي يك انحنا، كابل هاي مضاعف و منحني هاي مضاعف (تصوير 3-10)
قوس، مهيج ترين شكل ساختماني است كه براي ايجاد فرم هاي جديد و قابل تصور بيشترين استعداد و توانايي را دارد.
«لوئيس اچ سوليوان»
قوس از دو منحني تشكيل شده كه تمايل به فرو ريختن دارند.
«اندي روني»
طاق زدن
طاق زدن، حد واسط بين طره و قوس واقعي است كه متشكل از رديف هاي متوالي آجر كه روي يكديگر در دو طرف باز شو قرار گرفته اند و بتدريج به هم نزديك مي شوند تا با هم تلاقي نمايند، مي باشد. قواعد كلي آن در 2700 قبل از ميلاد به وسيلة سومري ها و مصري ها شناخته شده بود. شكل قوس واقعي، ساخته شده از سنگ (سنگ هاي بريده شده به شكل گوه و چيده شده در يك نيم دايره) هم به وسيلة مصري ها و اهالي بين النهرين تقريباً همزمان با طاق زدن شناخته شده بود. براي ايجاد تعادل، زاويه طاق زني بايد كمتر از 45 درجه باشد (تصوير 1-13) (براون، 1993).
در معابد كندو شكل يونانيان باستان (سيركا 1500 قبل از ميلاد، مايسني ) مثال هاي قابل توجهي از طاق زني وجود دارد. در ايوان معبد كلايتمنتسرا (Clytemnestra) (تصوير 2-13) از سيوه طاق زني براي شكل دادن به مدخل ورودي دو بعدي استفاده شد. همين قانون به شكل سه بعدي براي شكل دادن به صورت كندوي مخروطي گنبدها در داخل به كار رفت.
قوس هاي مصالح بنايي
اگر از آجر سؤال كنيد چه مي خواهد، جواب خواهد داد: من قوس را ترجيح مي دهم. اگر بگوييد كه قوس ها براي ساخت مشكل هستند و هزينه ساخت آنها زياد است و بهتر است از بتن در باز شوها استفاده كنيد باز هم آجر مي گويد: شما درست مي گوييد ولي من باز هم آجر را ترجيح مي دهم.
«لوي كان»
قوس با با فرم منحني طنابي، فشاري معكوس معادل يك كابل معلق است و فقط فشار محوري را تحمل مي نمايد. به عبارت ديگجر در شرايط بارگذاري بخصوص، قوسي كه به شكل وارونه ساخته شده است مانند يك كابل معلق فقط تحت فشار خواهد بود و در آن هيچگونه نيروي خمشي مورد مطالعه قرار نمي گيرد. اين امر براي بارهاي گسترده و بارهاي متمركزي صادق است كه ممكن است طول و محل قرار گيري آنها متفاوت باشد (تصوير 4-13).
اگر در يك كابل معلق، بارگذاري به صورت گستردة يكنواخت در طول منحني قوس باشد، فرم منحني طنابي به شكل زنجيرواره است(تصوير 5-13) . فرم منحني طنابي براي بازشوي قوسي شكل در يك ديوار با مصالح بنايي بين اين دو فرم است. مشابه كابل، در قوس كم خيز تر رانش جانبي توليد شده در اثر بارگذاري بيشتر خواهد بود (تصوير 6-13).
رفتار سازه اي
قوس هرگز خواب ندارد.
«ضرب المثل هندي»
بر خلاف طاق ردن كه مصالح بنايي طرح شده تحت خمش قرار مي گيرند ( و كشش)، يك قوس با مصالح بنايي واقعي از فرم گوه اي سنگ ها براي انتقال بار جانبي به طور كامل به وسيله فشار بهره مي برد (تصاوير 7-13 و 8-13).
خط رانش
فرم منحني طنابي يك قوس بر خط رانش آن منطبق مي گردد. خط رانش قوس از مجموعه برآيندهاي حاصل از نيروي رانش و وزن هر بخش از قوس( كه بر بخش زيرين وارد مي گردد) تشكيل مي شود. براي حذف كامل خمش در يك قوس، بايد خط رانش آن با محور قوس بر هم منطبق باشند (تصوير (9-13).
اگر چه، حتي قوس هاي با مصالح بنايي فشاري نيز مي توانند انحراف كوچك از خط رانش از محور قوس بدون افزايش شكاف هاي كششي را تحمل نمايند. قانون يك سوم وسط بيان مي كند كه اگر خط رانش درون يك سوم وسط يك قوس باقي بماند (يا ديوار باربر يا پي) در آن صورت فقط نيروهاي فشاري وجود دارد و هيچ گونه كششي وجود نخواهد داشت (تصوير 10- 13).
پايداري
مادامي كه قوس ها و كابل هاي معلق مشابه فرم هاي منحني طنابي عمل مي كنند، در پايداري ذاتي تحت شرايط بارگذاري متغير، متفاوت عمل مي نماسند. اگر اندازه يا محل بار گذاري روي يك كابل معلق تغيير كند، شكل منحني طنابي حاصل تغيير كرده و سيستم، پايدار باقي مي ماند. ولي اگر بارگذاري روي يك قوس باريك به قدري باشد كه فرم منحني طنابي آن تغيير نكند، قوس فرو خواهد ريخت (تنها استثنا قوس مثلثي شكل با بارگذاري در بالاي آن مي باشد كه در هر حالت پايدار است). براي ممانعت از چنين امري شكل قوس بايد به قدري فشرده گردد كه هيچ گونه خمشي رو به بالا در آن وجود نداشته باشد (تصاوير 11-13 و 12-13).
براي آگاهي از چگونگي كاركرد چنين سيستمي، يك قوس چهار مفصلي را در نظر بگيريد (ساده ترين فرم بدون پايداري) كه در دو نقطة بارگذاري شده است. اگر ميزان بار نسبي روي نقاط مفصلي تغيير كند، تعادل فرم منحني طنابي تغيير كرده و مفصل در اثر بار وارده بيشتر تمايل به خمش رو به پايين دارد. ولي در نقطة ديگر بارگذاري شده خمش رو به بالا خواهد بود. اگر تمام نقاط بارگذاري شده را بتوان در برابر خمش مهار كرد، در آن صورت قوس پايدار خواهد بود.
همين قانون در مورد قوس هاي منحني نيز صادق است. اگر قوس ها را بتوان به گونه اي مهار كرد كه هيچ نقطه اي در طول منحني اجازه كمانش رو به بالا را نداشته باشد، قوس پايدار خواهد ماند. به همين دليل يك قوس با مصالح بنايي با ضخامت كم(كه در برابر كشش و خمش مقاومت ندارد) تحت شراسط بارگذاري متغير ناپايدار است. ولي قوس هايي با همان شكل كه در بالا با مصالح بنايي پر شده اند در برابر كمانش رو به بالا مقاوم يوده و به طور ذاتي پايدار مي باشند. به همين دليل، قوس هاي بدون فرم منحني طنابي مي توانند به طور موفقيت آميزي در سازه هاي با مصالح بنايي كه فرم آنها به وسيلة مصالحي كه در اطراف آن قرار گرفته اند مهار مي شود، مورد استفاده قرار گيرند. نمونه هايي از اشكالي به غير از فرم منحني طنابي نيمدايره و قوس هاي تيزه دار مي باشند (تصوير 13-13).
زاق قوسي سه بعدي است كه نيروها را فقط از طريق فشار به تكيه گاه ها منتقل مي كند (سقف هاي طاقي شكل كه براي مقاومت در برابر نيروهاي كششي اصلي طراحي شده اند و بايد تقويت گردند، با رفتار سازه اي كاملاً متفاوت به عنوان پوسته ها مورد بررسي قرار خواهند گرفت).
در ساده ترين تعريف، طاق قوس قالب گرفته شده در بعد سوم است (يا چرخيده) و مشابه يك قوس، طاق (به طور سنتي يك سازه با مصالح بنايي) به طور خالص فشاري است و در مقابل كشش مقاومتي ندارد. به همين دليل، طاق ها نياز به تكيه گاه ممتد در طول هر پايه دارند. بر اساس فرم آنها، طاق هاي فشاري به دو بخش اصلي تقسيم مي شوند: طاق هاي استوانه اي (با انحنا در يك جهت) و گنبدهاي قوسي (با انحنا در دو جهت).
طاق هاي استوانه اي
طاق هاي استوانه اي شامل مقاطع مختلفي از قبيل: گهواره اي(نيم دايره يا رومي)، فرم منحني طنابي(فرم منحني طنابي براي يك طاق با ضخامت يكسان) و تيزه دار (گوتيك) مي شوند (تصوير1-14).
رفتار سازه اي
توزيع بار
طاق در مقايسه با مجموعه اي از قوس هاي مجاور انتقال نمي يابد. مجموع بارها به سمت پايين قوس انتقال پيدا مي كند. مقاومت برشي طاق امكان پخش بار را براي سطوح مجاور فراهم مي سازد (با زاويه 45 درجه در هر جهت).
مقاومت جانبي
مقاومت جانبي طاق در مقايسه با مجموعه اي از قوس ها به انتهاي يك قوس وارد مي شود، مشابه بازي دو مينو سبب ريزش كل آنها مي گردد. مقاومت متفادت است. هنگامي كه نيرويي برشي در طاق هاي كم خيز تر هم امكان رفتاري مانند يك زوج از ديوارهاي برشي در مقاومت در برابر نيروهاي مقاوم افقي موازي در طول طاق را فراهم مي كند (تصوير 3-14).
مقاومت رانشي
مشابه قوس ها، تمامي طاق ها(صرف نظر از شكل آنها) رانش افقي ايجاد مي نمايند. با كم ارتفاع شدن خط رانش، رانش بيشتري ايجاد مي شود. اگر طاق به طور مستقيم از پي ادامه پيدا كند، اصطكاك بين زمين و پي ممكن است براي مقاومت در برابر رانش كافي باشد، ولي اگر طاق روي دو ديوار عمودي موازي ساخته شود (يا روي تيرهاي موازي قرار گرفته رويي ستون هاي عمودي)، رانش سبب جدا شدن بالاي ديوارها مي گردد. يك روش براي باز داشتن از نيروي رانشي اضافه كردن تيرهاي افقي بين پايه هاي قوس مي باشد. اين امر امكان مقاومت را از تيرهاي كششي در برابر رانش بيروني مي دهد. اين همان شيوه اي است كه كان با عنوان بتن مسلح براي مقاومت در برابر نيروي رانشي قوس ها در انستيتوي مديريت هندوستان به كار برد.
روميان باستان روش متفاوتي را براي مقاومت در برابر رانش افقي به كار مي بردند. آنها ميزان زيادي مصالح را روي بخش كم ارتفاع طاق اضافه مي كردند (ماهيچه طاق). به علاوه براي افزايش اصطكاك پي، اين اضافه بار جهت خطوط رانش را تغيير داده و به قدري آن را كم خيز مي كرد كه درون يك – سوم مركز ديوار قرار مي گرفت به طوري كه اجازة واژگوني به آن نمي داد. به علت اينكه طاق هاي نيمدايره رومي به فرم منحني طنابي نبودند(زنجيرواره فرم منحني طنابي براي يك طاق با ضخامت يكسان است) و بخش پايينتر (زير 52 درجه) طاق تمايل به خمش رو به بالا داشت، وزن اضافي ناشي از مصالح در برابر اين خمش مقاومت مي كرد و كل طاق تحت فشار باقي مي ماند. پس از آن، در دوره رومانسك، پشت بندهاي توپر براي ايجاد مقاومت رانشي اضافه شدند. طاق هاي مايل در دوران گوتيك براي جدا كردن مقاومت رانشي از ديوار به طور كامل اضافه گرديدند (تصوير 4-14).
استفاده از سطوح نازك و تخت براي تحمل نيروها به ساختمان هايي با مقياس كوچك محدود مي شود. سختي و مقاومت اين سطوح را مي توان به وسيلة تا كردن آنها كه ارتفاع مؤثر مقطع و در نتيجه مقاومت خمشي را افزايش مي دهد، زياد كرد (تصوير 1-16).
سازة ورق تا شده سطح صاف تاشده اي است كه بارها را به وسيلة كشش، فشار و برش و خمشي كه فقط در بين بخش هايي تاشده سطوح اتفاق مي افتد به تكيه گاه انتقال مي دهد. از آنجا كه فضاي بين بخش هايي تاشده در مقايسه با دهانه كوچك مي باشد، نيروهاي خمشي در دال در مقايسه با نيروهاي كششي و فشاري كوچك مي باشد، نيروهاي خمشي در دال در مقايسه با نيروهاي كششي و فشاري كوچك مي باشند. ورق هاي تا شده سازه هايي مؤثر با بازدهي سازه اي بالا مي باشند (مانند سقف ها) جايي كه بار گذاري يكنواخت و گسترده است و استفاده از سطوح ناهموار در سقف مناسب و عملي مي باشد. بيشتر اين سازه ها از بتن مسلح ساخته مي شوند، گر چه چوب، فلز و پلاستيك هاي مسلح شده با شيشه در جايي كه دهانه هاي بزرگ مورد نياز نمي باشند نيز به كار مي روند.
كارآيي ورق هاي تا شده با پوسته هاي منحني برابر مي باشد، ورق هاي تاشده نسبت به سازه هاي مسطح ترجيح دارند و مشابه پوسته هاي داراي انحنا، معمولاُ به عنوان سازه سقف ها مورد استفاده قرار مي گيرند. در تئوري اين نوع سازه ها به دليل نياز به مقاومت در برابر خمش ناحيه اي بين بخش هاي تا شده نياز به ضخامت بيشتر در مقايسه با پوسته ها دارند. در عمل، حداقل ضخامت سازه هاي ورق تاشده به وسيله ضخامت لازم براي قرار گرفتن ميلگردهاي فولادي در بتن و براي تأمين شاريط آئين نامه ها و مقررات ساختماني تعيين مي گردد.
رفتار سازه اي
در بيشتر جنبه ها رفتار سازه اي ورق هاي تاشده مشابه پوسته هاي استوانه اي است و رفتار آنها به طور قابل ملاحظه اي بستگي به طول نسبي آنها دارد . ورق هاي تا شده كوتاه اندازه هاي كوچكتري در امتداد محور طولي دارند، در حالي كه نوع بلند آنها ابعاد بيشتري در همان جهت دارند.
ورق هاي تاشده كوتاه
اين سيستم هم مانند سيستم هايي كه قبلاً توضيح داده شد در گوشه ها داراي تكيه گاه است و در يك جهت عمل مي نمايد (يا تركيبي از هر دو). اولين شيوه آن است كه هر انتها به يك قاب سه مفصلي متكي شود و صفحات تا شده مانند دال هايي كه فواصل بين قاب هاي كناري را مي پوشانند عمل نمايند. روش دوم اين است كه در لبه هاي طولي پايين سقف از تيرهاي مقاوم استفاده شود و ورق هاي تا شده نازك تر مانند مجموعه اي از قابهاي سه مفصلي مجاور كه فاصلة بين تيرها را مي پوشانند عمل نمايند(تصوير 2-16). به علت ضرورت استفاده از حداقل ضخامت لارم براي ساخت و تأمين شرايط آئين نامه ها و مقررات ساختماني كه بيش از نيازهاي سازه اي براي ورق هاي تاشده كوتاه مي باشد اكثر آنها بازدهي سازه اي مؤثري ندارند و بنابراين چنين شيوه اي بندرت استفاده قرار مي گيرد.
ورق هاي تاشده بلند
اين نوع ورق ها معمولاً در گوشه ها داراي تكيه گاه مي باشند و مانند تيرهاي بزرگ در جهت طولي نيروها را منتقل مي نمايند. در نتيجه تنش ها در ورش تا شده مشابه تنش هاي خمشي در يك تير مي باشند، بخش بالايي در امتداد طولي تحت فشار مي باشد، در حالي كه بخش پايين تحت كشش است(تصوير 3-16). عملكرد ديافراگم در صفحة نازك مقاومت لازم در برابر برش دروني افقي و عمودي ناشي از عملكرد خمشي را فراهم مي نمايد (تصوير 4-16).
نسبت دهانه به ارتفاع در صفحات تاشدة بلد بر روي گسترش تنش ها و همچنين بازدهي سازه اي پوشش يك سطح بزرگ اثر مي گذارد. نسبت ارتفاع به دهانة پايين تر تنش هاي فشاري در بالا و تنش هاي كششي در پايين را كاهش مي دهد و امكان استفاده از ضخامت كمتر را ميسر مي سازد. از سوي ديگر، با افزايش ارتفاع نياز به سطح بيشتري از صفحات براي پوشش يك دهانة مشخص وجود دارد. در تئوري، نسبت مناسب ارتفاع به دهانه در حدود 2 است كه حجم بتن و فولاد تقويتي مورد نياز در آن حداقل است. در عمل، نسبت بين 6 تا 10 به سبب ملاحظات فني و حداقل ضخامت مورد نياز تعيين شده به وسيله آئين نامه ها و مقررات ساختماني يا تجارب ساخت بيشتر مورد استفاده قرار مي گيرد.
شرايط يال ها (لبه ها)
به منظور كنترل خمش بايد فرم مقاطع طراحي شده را به وسيلة سخت كردن هر دو انتها و لبه هاي بيروني را نيز به وسيلة تأمين مقاومت در برابر رانش بيروني ثابت نگاه داشت. لازم است لبه هاي ورق هاي تاشده به منظور ثابت باقي ماندن فرم آنها تحت هرگونه بارگذاري محدود گردد. اين امر به وسيلة سختي بيشتر دو انتها از طريق ضخيم تر كردن آنها در محل اتصال قابهاي سه مفصلي روي ستون هاي تكيه گاهي و اضافه كردن ميله هاي مهار براي ايجاد مقاومت جانبي يا با استفاده از ديوارهاي باربر ( كه تكيه گاه عمودي را تأمين مي نمايد و علاوه بر آن سبب ثابت باقي ماندن فرم دو انتهاي پوسته شده و رفتاري مانند ديوارهاي برشي براي ايجاد مقاومت در برابر نيروهاي رانشي به سمت بيرون دارند) حاصل مي گردد (تصوير 5-16).
فرم بهينه مقطع
با افزايش ارتفاع ورق تاشده، مقاومت خمشي بيشتري در يك دهانة ثابت ايجاد مي شود. بدين ترتيب، صفحات با شيب زياد به علت كاهش نيرويهاي فشاري و كششي در يالها مي توانند ضخامت كمتري داشته باشند. ولي اين امر سسب افزايش سطح ورق تاشده براي پوشش يك سطح ثابت و معين مي گردد.
به طويق عكس ، ورق هاي تاشدة كم عمق از بازدهي بيشتري از اجراي پوشش برخوردارند ولي داراي تنشهاي بيتشري مي باشند. يك شيب 45 درجه از نظر تئوري سبب حداقل شدن مجموع مواد مورد نياز مي گردد، اين ممكن است از طريق شرايط غير سازه اي تعديل گردد (تصوير 7-16).
فاصله بين بخشهاي تاشده ، معمولاً بر اساس طول دهانه هاي مجاز كه نياز به حداقل ضخامت ( با توجه به مسائل اجرايي) داشته باشند وضوابط و آيين نامه ها و مقررات ساختماني، تعيين مي گردد. به عنوان مثال، اگر حداقل ضخامت يك ورق تاشده از بتن مسلح به صورت عملي سنج (75 ميليمتر) باشد و يك دال با اين ضخامت دهانه اي به اندازه 75 فوت (1/2 متر) را بپوشاند، در آن صورت همين عرض دال بايد به كار رود (كمتر از‌آن از ظرفيت دال استفاده نمي نمايد و بيشتر از آن باعث گسيختگي در اثر خمش مي گردد) (تصوير 8-16).
شرط ديگر در تعيين مقطع ورق تاشده در ساختمان بتني، اقتصادي بودن قالب بندي آن است. اگر براي قالب بندي از چوب استفاده شود، ابعاد و در دسترس بودن آن بايد در ملاحظات در نظر گرفته شود (تصوير 9-16).
مصالح
مصالح مورد استفاده در اغلب سقف هاي اجرا شده با سيستم ورق هاي تاشده ، بتن مسلح است اگر چه ، ساخت و نيز تحويل سازه اي ورق هاي تاشده چوبي نيز امكان پذير مي باشد(كارني، 1971). تحقيقات مهمي نيز در زمينه استفاده از مقوا با روكش پلاستيك براي اجراي ساختمان هاي موقت با ورق هاي تاشده انجام شده است(سدلاك، 1973).
هر استادي مي داند كه مصالح به هنر مند آموزش مي دهند.
«ايليا اهر نبرگ»
مصالح اصلي سازه اي عبارتند از : چوب، فولاد، بتن و مصالح بنايي.
چوب
مشابه تمامي مصالح به وسيلة نيروهاي حيات آزاد مي شوند، چوب قابل انعطاف تر است و داراي سختي كمتري مي باشد و نسبت به ديگر مواد و مصالح شكل پذيرتر است.
«ادوارد ترجا»
چوب شناخته شده ترين مادة سازه اي است و به چند دليل عمده كاربرد عمومي تري دارد. چوب تنها مادة اصلي است كه به صورت عالي در طبيعت يافت مي شود، ماده اي تجديد شدني است و مي تواند براي ساخت بنا با ابزار قابل حمل و دستي به كار رود. به همين علت، مصرف آن براي بناهاي مسكوني يك طبقه در تمامي مناطق جهان رايج است (بخصوص آمريكاي شمالي)، جايي كه به وفور يافت مي شود.
به علت وجود آن در طبيعت به صورت آلي، داراي خاصيت فيزيكي سكيان نمي باشد، تمامي خواص فيزيكي آن بستگي به اين دارد كه برش آن به شكل موازي يا عمود بر رگه هاي چوب مي باشد. چوب در مقاومت كششي و فشاري در حالتي كه نيرو موازي بر رگه ها وارد مي شود، يكشان عمل مي كند. در اين جهت، مقاومت فشاري در مقايسه با بتن ضعيف است (ولي فقط حدود 6/1 مقاومت هنگامي كه عمود بر رگه هاست مي باشد).
در حقيقت تمامي چوب هاي به كار رفته در سازه ها چوب هاي نرم مي باشند (از چوب سخت در معماري فقط در تزئينات استفاده مي شود)، كاج، صنوبر و كاج نوبل مهم ترين گونه هاي چوب بكار رفته در سازه ها مي باشند. تنش هاي مجاز (تنش هاي سازه اي كه دربرگيرنده يك تنش مجاز بي خطر است) براي انواع مختلف چوب در نظر گرفته شده است. به عنوان مثال تنش هاي فشاري مجاز بر رگه ها براي انواع چوب هاي تجاري موجود تخته هاي قالبگيري از 325 تا 1850 پاوند/اينچ مربع (24/2 تا 76/12 متر يك پاسكال) متغير است (آلن، 1985).
كاربردهاي سنتي ساختمان هاي چوبي، مانند كلبه هايي از چوب هاي گردو و يا قاب هايي با چوب هاي سنگين امروزه به سبب هزينة زياد مصالح اولية اعضاي چوبي بزرگ، استفاده سازه اي با بازدهي كم مصالح و كيفيت پايين عايق حرارتي آن، به ندرت از چوب در ساطه ساختمان ها استفاده مي شود. توليد انبوه ميخ هاي نازك فولادي و تهية تيرهاي چوبي با ابعاد مناسب در مقياس وسيع منجر به توسعه روش قالب بالن و به تبع آن روش قالب سكو كه امروزه به طور مشترك به كار مي رود، شده است. توسعه هاي اخير محدوديت هاي كاربرد چوب هاي سنتي را از بين برده است.
قاب هاي چوبي
قاب هاي چوبي به طور مستقيم از چوب هاي خام گرفته مي شوند و از چوب ها، چوب هاي ساختماني با ابعاد مشخص و تخته ها به دست مي آيند. چوب هاي ساختماني حداقل 5 اينچ (127 ميليمتر) يا بيشتر ضخامت دارند. اين چوب ها براي تيرها و نعل درگاه ها (معمولاً ارتفاع آنها 3 يا 4 برابر عرض شان مي باشد) و ستون ها و ديرك ستون ها (معمولاً در مقطع عرضي به شكل مربع ) به كار مي روند (تصوير 1-17).
چوب هاي بريده شده داراي ضخامت 2 تا 4 اينچ (50 تا 100 ميليمتر) و عرض 2 اينچ يا بيشتر بوده و معمولاً با طول 8 تا 16 فوت( 4/2 تا 8/14 اينچ) استفاده مي شوند. اين چوب ها براي تيرچه ها، ستون ها، ميله هاي مهار و عرشه ها به كار مي روند. تخته ها كمتر از 12 اينچ (25 ميليمتر) ضخامت دارند و عرض آنها 2 اينچ يا بيشتر مي باشد. به طور معمول، آنها براي سطوح بام، صفحات ديوارها يا نيم طبقه ها به كار مي روند. امروزه پانل هاي توليد شده (مانند تخته سه لا) براي چنين كاربري هايي به كار مي روند و به ندرت كاربري سازه اي دارند.
پانل هاي چوبي
پانل هاي چوبي سازه اي جايگزيني هستند براي تخته هاي به كار رفته در سطوح و عرشه ها، نيم طبقه ها و صفحات ديوارها. مقاومت آنها در دو جهت اصلي با توليدات چوب هاي توپر برابر مي باشد، با اين تفاوت كه جمع شدن و باد كردن و شكاف در چنين چوب هايي به ميزان قابل توجهي كاهش مي يابد. ابعاد استاندارد آنها 4*8 فوت (120*240 سانتيمتر) مي باشد. اگر چه ابعاد بزرگ تري از آنها براي كاربري هاي خاص ساخته مي شوند. پانل ها به سه بخش تقسيم مي شوند: تختة چند لايي، پانل هاي بدون روكش و پانل هاي تركيبي.
تختة چند لايي
تختة چندلاي متشكل از تعداد فرد لازه هاي چوب چسبانده شده به يكديگر براي ايجاد يك پانل بزرگ مي باشد. لايه هاي چوب در روكش بيروني معمولاً در همان جهت چوب و موازي با طول پانل قرار دارند. لايه هاي داخلي، در جهات عمود بر هم قرار گفته اند. متوسط ضخامت آنها بين 25/0 تا 75/0 اينچ (6 تا 18 ميليمتر) است.
پانل هاي بدون روكش
پانل هاي بدون روكش از فيبرهاي چوبي ساخته شده اند و با يكديگر براي ايجاد يك پانل تركيب گشته اند. تختة چند لايي جهت دار (OSB-Orinted Standard Board) از اجزاي چوبي كه در 3 يا 5 لايه به هم فشرده و چسبانده شده اند تشكيل شده است(مشابه تختة چندلايي). تخته هاي ويفري از ورقه هاي بزرگ چوبي كه فشرده يا متصل شده اند به شكل يك لايه تشكيل شده است. تخته هاي اجزايي متشكل از اجزا كوچك فشرده و به هم چسبيده به شكل يك لايه مي باشد. اين نوع چوب با تراكم هاي متفاوت در دسترس مي باشد و به سرعت جاي تختة چندلايي را براي اغلب كاربري هاي سازه اي گرفته است.
پانل هاي مركب
اين نوع از پانل ها، متشكل از يك هسته بدون روكش مي باشند كه بين لايه هاي سطحي چسبانده شده اند. آنها به طور عمده براي مبلمان و تزئينات داخلي به كار مي روند و به ندرت كاربرد سازه اي دارند.
چوب هاي چند لايه (مورق)
امروزه، اعضاي چوبي سازه اي بزرگ معمولاً به وسيله چسباندن لايه هاي نازك تر به هم تحت فشار براي توليد چوب چسبانيده شدة چند لايه (Glulam) توليد مي شوند. در اين روش هر تعداد دلخواه از لايه ها را مي توان روي هم قرار داد. تنها محدوديت در توليد مشكل حمل و نقل آنها مي باشد. ارتفاع هاي زياد از طريق روي هم قرار دادن لايه هايي به ضخامت 5/1 اينچ (37 ميليمتر) به دست مي آيد. اعضا بلند به وسيلة استفاده از اتصالات انگشتي (Scraf) يا مخروطي ايجاد مي شوند.
چوب را مي توان به اشكال متفاوت روي هم چسباند شامل منحني ها، فرم هاي شاخه اي، زاويه اي و مقاطع عرضي مختلف (تصوير 2-17). معمولاً، چوب هاي چند لايه از اعضاي چوبي متداول به سبب قابليت آنها در برش ابتدايي براي مورق كردن و توانايي آنها براي جهت مناسب لايه ها در اعضا منحني مقاوم تر مي باشند. با توجه به هزينة زياد توليد چوب هاي چند لايه معمولاً از طريق توليد چوب با مقاومت بيشتر كه اجازه مي دهد از اندازه هاي كوچك تر استفاده شود، جبران مي گردد. در اغلب موارد اعضاي توپر با اندازه يا كيفيت مورد نظر در دسترس نمي باشد.
اجزاي چوبي ساخته شده
تيرهاي شيب خرپايي، خرپاي سبكي هستند كه با ابعادي از 2*4 تا 2*6 فوت ( 87*37 تا 137*37 ميليمتر) با صفحات اتصالي دنده اي به صورت يك مجموعه رفتار مي نمايند (تصوير 3-17). آنها معمولاً براي سقف خانه هاي مسكوني با قاب سبك به كار مي روند و فاصلة آنها معمولاً 24 اينچ (61 سانتيمتر) مي باشد. اين فاصله به وسيله حداكثر دهانه مجاز با ضخامت 5/10 اينچ (50 ميليمتر) تختة چند لايي يا سطح سقف از OSB تعيين مي شوند. تيرهاي چوبي I شكل متشكل از لاية چوبي و تيرهاي چوبي به شكل قوطي (تصوير 4-17) معمولاً در كارخانه از تركيب چوب ها و تخته هاب چند لايي براي استفاده در دهانه هاي بزرگ ساخته مي شوند. همچنين مي توان آنها را در محل نيز ساخت.
تنش هاي فشاري و كششي اصلي به وسيلة ابعاد چوب در تارهاي بالايي و پاييني تحمل مي شوند. عضو جان از جنس تختة چند لايي است. اجزا با استفاده از چسب و ميخ به يكديگر متصل شده اند (كه فقط اجزا را نسبت به هم تحت فشار نگاه مي دارند تا زماني كه چسب خشك شود).
چوب هاي چند لايه روكش دار (LVL) متشكل از لايه هاي چوب در جهت عمودي و با رگه هايي در هر جهت طولي مي باشند (تصوير 5-17 اللف). چوب هايي با لايه هاي موازي (PSL) متشكل از اجزاي چوبي با لايه هاي طولي در جهت طولي مي باشند كه به يكديگر فشرده شده و چسبانده شده اند (تصوير 5-17 ب). LVL در تيرها و نعل درگاه ها با متوسط ارتفاع از 5/5 اينچ تا 18 اينچ (14 تا 46 سانتيمتر) و طول آن 30 فوت (2/12 متر) مي باشد، به كار برده مي شود. PSL به كار رفته در اين موارد و ستون ها داراي ارتفاعي از 25/9 تا 18 اينچ ( 23 تا 46 سانتيمتر) و طول آن 30 فوت (2/12 متر) مي باشد. چنين مقاطعي در كارخانه با طول هاي ممتد و براي ابعاد مورد نياز طرح، بريده و توليد مي شوند. هر دو نوع به طور اساسي مقاوم و سخت تر از چوب هاي توپر با ابعاد مشابه مي باشند. آنها براي استفاده به جاي تختة چند لايي و تيرهاي فولادي در ساختمان هاي سبك مناسب مي باشند.
تيرچه هاي چوبي با مقاطع I شكل در جايي كه در دهانه هاي بزرگتر تيرچه هايي با ظرفيت بالاتر مورد نظر باشد به كار مي روند. آنها يك محصول اختصاصي متشكل از تارهاي بالا و پايين كه از لايه هاي هب هم چسبيده تشكيل شده اند مي باشند، با جان مركزي كه از OSB يا تختة چندلايي ساخته شده است (تصوير 5-17 ج).
تمامي اين موارد محصولات كارخانه اي با طول ممتد مي باشند و متناسب با نيازهاي طرح بريده مي شوند. تا زماني كه هزينة توليد آنها در مقايسه با چوب هاي توپر با ظرفيت باربري مشابه بيشتر است، ارتفاعات مورد نياز معمولاً كمتر است يا تكيه گاه هاي مياني براي كمك به جبران هزينه مواد اضافي ممكن است حذف گردد. متوسط ارتفاع از 25/9 تا 24 اينچ ( 24 تا 61 سانتيمتر) و طول آن 40 فوت ( 2/12 متر) مي باشد.
اتصالات
يكي از مزيت هاي ساختمان چوبي سبك، سهولت اتصالات ساخت آن است. ميخ هاي رايج شناخته شده ترين اتصال مي باشند(گرچه دستگاههاي ميخ كوب و منگنه زني در كارهاي تكراري مورد استفاده قرار مي گيرند)، پس از آن پيچها ، پيچ و مهره (براي اتصال به بتن ) و پيچهاي تأخيري (پيچهايي با سر نوك تيز شش گوشه). به علاوه براي ضخامت دندانه اي به كار رفته در ساخت تير شيب خرپايي (تصوير 3-10ب)، صدها صفحه فلزي اتصالي استاندارد براي مقاوم كردن ساختمان هاي چوبي در دسترس است.
شناخته شده ترين آنها تيرچه هاي معلق ، لنگرهاي خرپا و پل هاي ضربدري مي باشند (تصوير 6-17).
هر سازه اي كه كاربردي به غير از تحمل نيروهاي ساختمان نداشته باشد، داراي بازدهي مؤثر نيست.
«ادوارد آلن»
پيش از شروع ترسيم جزئيات سازه اي، خصوصيات مربوط به جزئيات طرح بايد در نظر گرفته شود.
ملاحظات اوليه
ديوار هاي باربر
ديوارهاي باربر بهترين تكيه گاه براي نگاهداري بار گستردة يكنواخت در سراسر طول آن مي باشند و شامل دال ها و تيرچه هاي با وفاصل كم مي شوند. به علت اينكه تيرهاي اصلي و فرعي بارهاي متمركز را حمل مي نمايند، بندرت متكي بر ديوارهاي باربر مي باشند و معمولاً ستون ها به جاي آنها به كار مي روند. در جايي كه بار متمركز از طريق ديوار باربر نگاه داشته مي شود مقاومت ديوار با اضافه كردن ميلگرد تقويتي يا ضخيم كردن ديوار به شكل جرز يا ستون افزوده مي گردد.
محل قرار گيري ديوار باربر در پلان به شكل عضو تكيه گاهي نشان داده مي شود. به همين دليل محل قرار گيري، فواصل ديوارهاي باربر در پلان و جهت آن با عملكردهاي ساختمان بايد بدقت مورد توجه قرار گيرد. به علت محدوديتهاي اقتصادي، شكل و محل قرار گيري ديوارهاي باربر بايد تا حد امكان يكسان باشد. اين امر كاربري ديوارهاي باربر را در انواع ساختمان ها مانند مدارس، آپارتمان ها و متل ها افزايش مي دهد.
ديوارهاي باربر با فواصل منظم، ممكن است به عنوان ديوارهاي برشي براي توزيع پايداري جانبي نيز به كار روند. اين ديوارها ممكن است بتنهايي در يك يا دو جهت قرار گيرند. ديگر اعضا (مانند مهاربندي يا اتصالات صلب ستون) براي تأمين پايداري جانبي مورد استفاده قرار مي گيرند. ديوارهاي باربر بايد به خوبي در پلان پراكنده باشند و تا حد امكان، خصوصاً در ديوارهاي بلندتر به شكل متقارن قرار گيرند. در بالاي بازشوها بايد نعل درگاه تعبيه نمود. در پلان هاي بزرگتر و قابل انعطاف تر، تيرها و ستون ها در تركيب با ديوارهاي باربر مورد استفاده قرار مي گيرند (تصوير 1-18).
به عنوان يك قانون كلي، در ساختمان هاي چند طبقه ديوارهاي طبقات بايد در يك صفحة قائم قرار گيرند در عين حال بايد امكان ايجاد فضاي باز در طبقة همكف را داشته باشند (به عنوان مثال، براي سرسرا). در چنين شرايطي با طراحي ديوار طبقة دوم به عنوان يك تير با ارتفاع زياد، امكان انتقال بارها به ستون هاي پيراموني طبقة اول فراهم مي گردد (تصوير 2-18).
ستون ها
ستون ها براي تحمل نيروهاي تيرها و خرپا ها يا دال ها (شامل صفحه ها و تيرچه ها) به كار مي روند. به علت اين كه ستون ها تمايلي به ايجاد فضاي محصور ندارند، نسبت به ديوارهاي باربر در طرح، فضاهاي غير محصور با فشردگي كمتر ايجاد مي نمايند.
چنين امري موجب مي گردد تا ستون ها براي فضا هاي داخلي ساختمان در جايي كه از مدول سازه اي تكراري تبعيت نمي نمايد يا جايي كه اتاق ها به فرم و اندازه غيرمشخص مي باشند، انتخابي مناسب باشند. ستون ها حداكثر باز شدگي در پلان و امكان تغيير وضعيت فضاي داخلي به وسيلة حركت ديوارهاي غير سازه اي را فراهم مي سازند و هنگامي كه با تيرها تركيب مي شوند، امكان پوشاندن دهانه هاي وسيع و بيشتري را دارند.
سيستم هاي تيرو ستون فولادي درجا با رفتاري مانند يك قاب صلب، تكيه گاه جانبي را تأمين مي نمايند. چنين سيستمي نياز به اتصالات صلب دارد (ايجاد اتصال صلب در بتن پيش ريخته و اسكلت چوبي مشكل است و بايد از ديگر روش هاي ايجاد تكيه گاه جانبي استفاده كرد). قاب هاي صلب به علت تداخل كمي كه با پلان و بخش هاي خدماتي دارند مناسب مي باشند.
گرچه، قاب هاي صلب حداكثر كارايي را با دهانه هاي منظم دارند. به طور معمول، قاب هاي صلب نياز به تيرهاي مرتفع تر و ستون هاي سنگين تر نسبت به قاب مهاربندي و يا ديوار برشي قابل مقايسه با آن دارند. قاب هاي صلب در فضاهاي مرتفع يا دهانه هاي خيلي بزرگ مناسب نيستند.
تيرها
تيرها در يك يا دو جهت در تركيب با تيرچه ها، دال ها يا سطوحي كه فاصله بين آنها را مي پوشانند به كار مي روند (تصوير 3-18). براي شبكه سازه اي مستطيل شكل در جايي كه تيرها و تيرچه ها به كار رفته اند، معمولاً اقتصادي تر آن است كه تيرها در دهانه هاي كوچك تر و تيرچه ها در دهانه هاي بزرگتر قرار گيرند. در جايي كه دال و تير با هم به كار مي روند، دال ها معمولاً در دهانه هاي كوچكتر و تيرها در دهانه هاي بزرگتر قرار مي گيرند(تصوير 4-18).
صفحات مسطح، دال هاي دو طرفه اي هستند كه فقط متكي بر ستون ها بدون استفاده از تير مي باشند (اصطلاح صفحة مسطح كه به طور گسترده اي در اينجا به كار رفته است فقط براي اهداف اولية طراحي، شامل تمامي سازه هاي صاف و دو طرفه مانند دال هاي وافل و قاب هاي فضايي همچنين صفحات بتني صاف مي شود). عدم استفاده از تير، پلان هاي بزرگتر با انعطاف بيشتر و امكان قرار گيري ستونها در فرم بي قاعده را موجب مي گردد. همچنين با وجود تكنيك هاي ساده شده ساخت و اجراء ارتفاع نهايي سازه اي مورد نياز را ايجاد مي نمايد.
اتصال صلب بين صفحه و ستون هاي تكيه گاهي مقاومت جانبي مورد نياز را فراهم مي سازد. ممكن است نياز به افزايش ارتفاع صفحه و ستون هاي سنگين تر باشد. ديوارهاي برشي يا قاب هاي مهاري ممكن است براي افزايش مقاومت جانبي به كار روند.
آرايش ستون ها براي صفحات مسطح به شكل شبكة مربع شكل اقتصادي ترين شكل آن است. اگر چه، با انعطاف پذيري بيشتر در آرايش ستون ها و افزايش متعادل و متناسب قيمت ها، پلان هاي بدون فرم و يا فرم آزاد به دست مي آيد. به استثناي قاب هاي فضايي، عمق خالي صفحات سيستم را براي دهانه هاي نسبتاً كوچك مناسب مي سازد (تصوير 5-18).
انتخاب سيستم
اولين مرحله انتخاب يك يا چند گرينه براي سيستم اسكلت بندي بر اساس طوابط طراحي پروژه است. اين انتخاب بايد خيلي زود در مرحلة طراحي مقدماتي انجام شود و دانستن اين كه چنين تصميم گيري ممكن است در آينده تغيير كند. تصوير 6-18 ضوابط مختلف طراحي و انواع سازه هاي مناسب براي آنها را نشان مي دهد. طراحي سازه اي مسيري دو طرفه است، رفت و برگشت فرم و فضا تا زماني كه يك تركيب بهينه به دست آيد.
سير تكاملي پلان سازه اي
اگر سازة ساختمان كاملاً با طرح معماري يكپارچه باشد، هر دو بايد همزمان با هم رشد نمايند، شروع اين كار با ابتدايي ترين اسكيس ها است. روند تكامل طرح اين يكپارچگي را تأمين خواهد كرد. اين سيري تكاملي و فرايندي نسبي است كه با يك دياگرام طراحي اوليه كه طرح اوليه و اندازه اعضاي اصلي سازه اي را نشان مي دهد، شروع مي شود (تصوير 7-18). براي سادگي، مراحل مختلف در اينجا به صورت خطي نشان داده شده است. در عمل مراحل مختلف هر طرح بيشتر دورهاي است، با مراحل بسيار زيادي كه چندين بار تكرار مي شوند. ولي هر دوره(حتي آنهايي كه ممكن غير مؤثر به نظر آيند) ، حاوي اطلاعات مفيدي مي باشند و فهم آنها مراحل بعدي را آسان تر مي نمايد. اين طرز عمل نيست بلكه دوره عمل مي باشد و اكثر خوانندگان، سيستم سازه اي را بر اساس شيوه هاي طراحي خود انتخاب خواهند كرد (تصاوير 8-18 تا 15-18). همانگونه كه پيش مي رويد، به خاطر آوريد كه سازه چيزي فراتر از نگاهداري سادة ساختمان مي باشد. سازه مي تواند ريتم، الگو و بافت بصري هيجان انگيزي را ايجاد نمايد و همچنين فرم هاي مجسمه گونه بسازد، مي تواند فضاهايي جاري و تقسيم شده را هدايت نمايد، مقياس تعريف كرده و نور را متعادل سازد.