با سازه‌ های پوسته ‌ای بیشتر آشنا شوید

در این مطلب از خانه معماری قصد داریم شما عزیزان را با سازه‌ های پوسته ‌ای که با عنوان پوسته بتنی نیز شناخته می شوند و کاربردهای آن ها آشنا کنیم. با ما همراه شوید.

سازه‌ های پوسته ‌ای و کاربرد آن ها

قبل از هر چیز خوب است بدانید پوسته‌ها می‌توانند فضاهای وسیعی را پوشش دهند و همچنین به گونه‌ای اقتصادی از مصالح ساختمانی در آن ها استفاده می‌شود. از این رو، سازه‌ های پوسته ‌ای که با عنوان با‌م‌های فضایی پوستی نیز شناخته می شوند، در مقایسه با بام‌های مسطح از برتری برخوردارند. استفاده از بام‌های فضایی قوسی منجر به کاهش ٢۵ تا ۴٠ درصدی مصرف مصالح، نسبت به اجزای مسطح می‌شود. در سازه های بام‌های پوسته‌ای تمامی سطح مقطع تحت تنش یکنواخت ناشی از نیروهای مستقیم یا ‌درون صفحه‌ای‌ قرار گرفته و اثرات خمشی در آن‌ها ناچیز است و همین موضوع دلیل برتری این سازه ها شده و ضخامت پوسته‌ها معمولاً کم و در حدود ٧۵ تا ١۵٠ میلیمتر می باشد.

بام‌های پوسته‌ای را معمولاً در آشیانه‌های هواپیما، تالا‌رهای اجتماعات، سالن ورزشی، سالن‌های فروشگاه‌ها، ساختمان‌های صنعتی و انواع متنوعی از سازه‌های با دهانه زیاد مورد استفاده قرار می دهند. پوسته‌ها از نظر معماری، بسیار برجسته و شاخص هستند و در گذشته رومیان آن‌ها را برای ساختن گنبد‌ها مورد استفاده قرار می دادند. در سال های اخیر با پیشرفت‌های چشمگیری که تکنولوژی داشته، ساخت سازه‌های پوسته‌ای با استفاده از اجزای پوسته‌ای پیش ساخته شده بسیار رواج پیدا کرده است.

برای مثال:

از پوسته‌های هذلولی دوار در طراحی و ساخت برج‌های خنک کن بتنی استفاده می شود. از ویژگی های بارز این پوسته ها می توان به : ضخامت، مقاومت مناسب و زیبایی اشاره کرد. همچنین شکل هذلولی، اقتصادی‌ترین شکل، برای پوسته‌های دارایی تقارن محوری به شمار می روند.

با گسترش روش‌های اجزای محدود، تحقیقات زیادی بر روی رفتار سازه‌های پوسته‌ای هذلولی انجام شده و موضوعاتی از قبیل اثرات استاتیکی و شبه دینامیکی باد و زلزله، آثار حرارتی، پایداری، آنالیزهای غیرخطی، پایایی، تکنیک‌های ساخت، نشست‌های تکیه گاهی و ایده‌آل سازی اعضای تکیه گاهی در چند دهه اخیر توجه محققان را به خود جلب کرده است. بیشتر این تحقیقات بر روی رفتار سازه‌های پوسته‌ای تحت بارگذاری‌های استاتیکی تمرکز داشته و با رشد دانش دینامیک، روش‌های استاتیکی معادل متداول شده است. با استفاده از روش استاتیکی معادل برای بارهای دینامیکی باد و زلزله که وابسته به زمان هستند، می توان به راحتی امر آنالیز را انجام داد.

سازه‌ های پوسته ‌ای: تحلیل پوسته‌ها‌

تحلیل پوسته ها بر اساس دو تئوری غشایی و تیر انجام می شود. تئوری غشایی که توسط دیشینگر فرمول بندی شده است، مبتنی بر این فرضیه است که پوسته ابعاد نا‌محدودی دارد و به صورت یک غشای کاملاً انعطاف پذیر عمل می‌کند و تنها نیروهای مستقیم درون صفحه‌اش را منتقل می کند. با در نظر گرفتن یک منطقه محدود با فاصله کافی نسبت به مرزهای پوسته، توزیع تنش‌ها در دال پوسته به طور استاتیکی معین بوده و می‌توان آن‌ها را به وسیله تئوری غشایی پیدا کرد. از این روش در پوسته‌‌هایی که نسبت دهانه به شعاع آن‌ها کمتر از0.5 ‌میلیمتر است، استفاده می شود.

تئوری تیر برای اولین بار توسط ‌لوندگرن‌ تحلیل شد و طبق این تئوری، پوسته به عنوان یک تیر، تحلیل می‌شود که دارای سطح مقطع منحنی بوده و دهانه بین قاب‌ها یا تیرهای عرضی انتهایی را پوشش می دهد. در پوسته‌های بلند مولفه‌های طولی نیرو غالب بوده، از این رو تحلیل آنها با استفاده از تئوری تیر ایده آل خواهد بود.

معرفی اصطلاحات مربوط به پوسته‌ها

در مبحث سازه‌های پوسته‌ای به طور کلی از اصطلا‌حات IS در آیین نامه ۲۲۱۰‌ استفاده می‌شود. پوسته سطحی قوسی و منحنی است که ضخامت آن نسبت به شعاع و دیگر ابعاد آن کوچک است. پوسته‌های دورانی سطوحی هستند که بر اثر دوران یک منحنی مسطحه حول محور تقارن آن به دست می‌‌آیند. پوسته‌های انتقالی در اثر حرکت یک منحنی به موازات خود و در امتداد یک منحنی دیگر ایجاد می شوند. صفحات این منحنی ‌باید عمود بر یکدیگر باشند. سهموی بیضی گون و سهموی هذلولی گون نمونه بارز این نوع پوسته ها هستند. پوسته‌های استوانه‌ای زمانی ایجاد می‌شوند که منحنی مولد و یا منحنی هادی که ثابت هستند یک خط مستقیم باشد. منحنی‌های معمول برای ایجاد پوسته‌های استوانه‌ای شامل قوسی از یک دایره‌، نیم بیضی، سهمی،‌ یا منحنی گهواره‌ای هستند. اجزای مختلف یک پوسته استوانه‌ای متشکل از پوسته نازک، تیر لبه، ‌قاب انتهایی یا تیر عرضی می باشد.

پوسته‌های استوانه‌ای چند قوسی به یک رشته پوسته استوانه‌ای موازی که در امتداد عرضی به صورت یکسره اطلاق می شوند. این پوسته‌ها معمولاً برای آشیانه‌های هواپیما‌، انبارها، کارگاه‌ها و کارخانه‌ها مورد استفاده قرار می گیرند. پوسته‌های استوانه‌ای یک‌سره به پوسته‌های استوانه‌ای که در قسمت تیر‌های عرضی به یکدیگر چسبیده و در امتداد طولی به صورت یکسره هستند، گفته می شود. این پوسته ها در بام سالن فروشگاه‌ها و انبارها مورد استفاده قرار می گیرند. این پوسته ها نسبت به تاج پوسته دارای تقارن هستند و با عنوان پوسته‌های بشکه‌ای نیز شناخته می شوند.

سازه‌ های پوسته ‌ای: اجزای پوسته

اجزای پوسته عبارتند از: دهانه پوسته که فاصله بین دو قاب و یا تیر عرضی انتهایی مجاور است. عرض وتر قوس. خیز که به فاصله قائم بین راس منحنی و پا طاق آن اطلاق می شود. قاب‌ها یا تیر‌های عرضی انتهایی که به منظور نگهداری و حفظ شکل هندسی پوسته در دو انتهای آن در نظر گرفته شده‌اند. تیر لبه، تیر افقی که بر روی ستون‌ها قرار گرفته و لبه‌های طولی پوسته را نگه می‌دارد.

به طور کلی پوسته‌ها به دو گروه اصلی تقسیم می شوند: پوسته‌هایی که دارای انحنای یک طرفه قابل گسترش هستند و پوسته‌هایی که دارای انحنای دو طرفه غیر قابل گسترش هستند. پوسته‌های مخروطی و استوانه‌ای در دسته پوسته‌های با انحنای یک طرفه قرار دارند. گنبد‌های مستدیر، سهموی، بیضوی، سهموی هذلولی گون ‌و سهموی بیضی گون در دسته پوسته‌های با انحنای دوطرفه قرار دارند. پوسته‌ها عموماً به سه رده: پوسته‌های دورانی، پوسته‌های انتقالی و سطوح خطی دسته بندی می شوند. پوسته‌ها به صورت پوسته‌های نازک و ضخیم وجود دارند. در صورتی که نسبت شعاع به ضخامت پوسته بزرگتر از ٢٠ باشد، پوسته نازک در نظر گرفته می شود. به طور کلی بیشتر پوسته‌ها از نوع پوسته‌های نازک می باشند. ‌پوسته‌های استوانه‌ای نازک در حالت کلی به دو گروه : پوسته‌های بلند و پوسته‌های کوتاه تقسیم می شوند.

ضخامت، دهانه و عرض وتر قوس

ضخامت کل یک پوسته بتن آرمه در پوسته‌های دارای ‌انحنای یک طرفه باید حداقل ۵٠ میلی متر، در پوسته‌های دارای انحنای دو طرفه حداقل ۴٠ میلیمتر و در پوسته‌های پیش ساخته حداقل از ٢۵ میلیمتر باشد. به طور کلی و با توجه به ملا‌حضات اجرایی، ضخامت اکثر پوسته‌ها بین ٨٠ تا ١٢٠ میلیمتر می باشد.

برای این که ابعاد تیرهای لبه و آرماتور‌بندی آن در محدوده قابل اجرا باشند، دهانه پوسته‌های بتن آرمه باید حداکثر ٣٠ متر باشد. برای دهانه‌های بزرگتر می‌توان تیرهای لبه پیش تنیده را مورد استفاده قرار داد. عرض عضو لبه به ٢ تا ٣ برابر ضخامت پوسته محدود می‌شود. در پوسته‌هایی که عرض وتر قوس آن‌ها از دهانه‌شان بزرگتر است، ترجیحاً عرض وتر قوس باید ٣ تا ۶ برابر قوس باشد. نیم زاویه مرکزی، نیم زاویه مرکزی باید بین ٣٠ تا ‌۴۵ درجه باشد. اگر این زاویه کمتر از ۴۵ درجه باشد، می‌توان از تاثیر بار باد چشم پوشی کرد. برای زوایای بزرگتر با شیب تند ممکن است در قالب بندی به قالب پشت گیر نیاز باشد.

آرماتور گذاری پوسته‌ و تعبیه درز در پوسته‌ها‌

در پوسته‌هایی که دارای ضخامت ۵٠ میلی متر است، قطر میلگرد‌ها باید حداکثر ١٠ میلیمتر باشد. در پوسته‌های با ضخامت ۶۵ میلی متر این قطر باید حداکثر ١٢٢ میلیمتر و در پوسته‌های دارای ضخامت بیش از ۶۵ میلی متر باید حداکثر ١۶ میلیمتر باشد. در نواحی اتصال، در نقاطی که ضخامت پوسته بیشتر می‌شود، می توان از میلگردهای با قطر بیشتر استفاده کرد. ولی باید توجه داشته باشید، فاصله بین میلگردها باید از ۵ برابر ضخامت پوسته کمتر باشد. همچنین پوشش بتن روی میلگرد نیز ‌باید حداقل برابر ١٢ میلی متر و یا برابر بعد اسمی آرماتور باشد. در سازه‌های پوسته‌ای، پوسته نازک حداقل آرماتور به میزان 0.15 ‌درصد سطح مقطع ناخالص در جهت اصلی توصیه می‌شود.

در مورد پوسته‌هایی که طول آن‌ها بیش از ۴٠ متر است، باید حتماً در‌زهای انبساط تعبیه کرد. در امتداد طول‌های خمیده پوسته، در جاهایی که نیروی برش حداقل است، درزهای اجرایی باید در نظر گرفته شود. قبل از این که داربست پوسته‌ها را بردارید ‌باید آن‌ها را حداقل به مدت ٢ هفته به خوبی به عمل آورید. همچنین تیر‌ها و دیافراگم‌های انتهایی نیز‌ باید بین ٣ تا ۴ هفته به خوبی مورد مراقبت قرار گرفته و سپس قالب‌ها و داربست‌های آن‌ها برداشته شود.