سازه‌های فضاکار
امروزه فرم‌های آزاد توجه اکثریت طراحان را به خود جلب نموده است، به طوری که کاربرد فرم‌های آزاد در طراحی سازه‌ها افزایش یافته است. امروزه برای طراحان، محدودیتی وجود ندارد که فقط از فرم‌های هندسی متداول در طراحی‌های خود استفاده کنند. فرم شناسی، آزادی گسترده‌ای به طراحان برای درك نسل جدیدی از فرم‌ها می‌دهد. این نسل جدید فرم‌ها، امروزه فرم های آزاد نامیده میشوند. فرم‌های آزاد به سطوح با انحنای مضاعف اطلاق میشوند که مستقل از گروه فرم‌های محدود شده از نظر هندسی و یا فرم‌های محدود شده از نظر مکانیکی هستند.
امروزه استفاده از فرم‌های آزاد در سازه‌ها، مورد توجه جدی محققین قرار گرفته است. سطوح فرم آزاد به ترکیبی از سطوح با انحنای مضاعف گفته میشوند که لزوماً ترکیبی از فرم‌های هندسی متداول (فرم‌هایی نظیر فرم‌های مکعبی، کروی، بیضوی) نیستند و مستقل از گروه فرم‌های محدود شده از نظر هندسی و یا فرم های محدود شده از نظر مکانیکی هستند. به عبارت دیگر، فرم‌هایی که در طبقه بندی فرم‌های محدوده شده از نظر هندسی یا فرم‌های محدود شده از نظر مکانیکی قرار نگیرند، در رده فرم‌های آزاد خواهند بود. فرم‌های محدود شده از نظر هندسی می‌توانند به وسیله فرم‌های هندسی ساده محدود شوند. قوس‌ها و گنبدها می‌توانند در این طبقه وارد شوند. اما در مورد فرم‌های محدود شده از نظر مکانیکی، یک ارتباط نزدیک بین فرم و نیرو وجود دارد. برای سازه‌های با فرم محدود شده از نظر مکانیکی، یک گام فرم‌یابی در مراحل طراحی لازم است تا هندسه‌ای را به وجود آورد که در آن شرط تعادلات مورد نظر ارضا شده باشد.
مزایای فرم‌های آزاد
- جنبه معماری و زیباشناسی
- جنبه اقتصادی
- جنبه سازه‌ای (ساخت سازه با هر نوع پلان دلخواه)
- ساخت سازه با حداقل کاربرد انرژی به کمک الهام از طبیعت
- آزادی در طراحی فرم.
امروزه هر گونه فرمی را می‌توان تصور و ارائه نمود. اما هر نوع فرم تصور شده را نمی‌توان یک فرم آزاد سازه‌ای به شمار آورد. در مهندسی، فرم‌های سازه‌ای کاملاً آزاد نبوده و لازم است برخی اصو‌ل و معیارهای سازه‌ای در طراحیشان رعایت شوند.
بررسی پایداری سازه‌های فضاکار
در سازه‌های فضاکار شبکه‌ای تک لایه، ناپایداری موضعی گرهی یکی از خطرناكترین شکل‌های ناپایداری است که از طریق فروجهش گرهی روی می‌دهد. پدیده فرو جهش گرهی ممکن است دارای اثر دینامیکی باشد که در اثر فرو جهش محلی ایجاد می‌شود. هنگامی که یک فرو جهش گرهی محلی رخ می‌دهد، اثرات دینامیکی همراه با تغییر حالات تعادل، غالباً شامل کمیته‌ای بزرگی از انرژی بوده و می‌تواند منجر به خرابی بخش اعظم یا کامل سازه شود.
مطالعات انجام یافته مربوط به رفتار سازه‌های فضاکار فرم آزاد، بسیار اندك بوده و محدود به چند نمونه سازه فضاکار فرم آزاد اجرا شده است. از نمونه‌های اجرا شده، می‌توان موارد زیر را نام برد.
- سازه فضاکار فرم آزاد شبیه کوه آتشفشان در ایتالیا
- مرکز فرهنگی در باکو سازه فضاکار فرم آزادبه شکل گل شیپوری با انتهای بیضی شکل در شانگهای چین
- سازه فرم آزاد غرفه امارات متحده عربی در نمایشگاه چین را نام برد.
همچنین دو نوع ناپایداری در سازه‌های فضاکار می‌تواند اتفاق بیفتد.
- ناپایداری نقطه حدی
- ناپایداری نقطه دوشاخگی در ناپایداری نقطه حدی
یک سازه با مشخصه نرم‌شوندگی غیرخطی، پایداری خود را از طریق کمانش ناگهانی به یک مود تغییر شکل که با مود اولیه تغییر شکل مطابقت دارد، از دست می‌دهد. اما در ناپایداری نقطه دو شاخگی، یک سازه با مشخصه نرم-شوندگی غیر خطی، پایداری خود را از طریق کمانش ناگهانی به یک مود تغییر شکل که از مود اولیه تغییر شکل کاملاً متمایز است، از دست می‌دهد. در صورت وقوع ناپایداری نقطه دوشاخگی، لازم است تا مدل با اعمال ناکاملی مناسب، تحت تحلیل ناکاملی قرار بگیرد. یکی از روش‌های متداول برای اعمال ناکاملی، روش تقریبی- اختلال یافته است. این روش را می‌توان با معرفی ناکاملی‌های اولیه مطابق با مود کمانشی و انجام دوباره تحلیل غیرخطی برای سازه ناکامل محقق نمود.
سطوح فرم آزاد به ترکیبی از سطوح با انحنای مضاعف گفته میشوند که لزوماً ترکیبی از فرم‌های هندسی متداول نیستند و مستقل از گروه فرم‌های محدود شده از نظر هندسی و یا فرم‌های محدود شده از نظر مکانیکی هستند. رفتار پایداری سازه‌های فضاکار فرم آزاد دو گنبدی به عنوان یک گروه از فرم‌های آزاد مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین تحلیل حساسیت به ناکاملی سازه‌های فضاکار فرم آزاد دو گنبدی انجام پذیرفت تا تأثیر اعمال مدهای مختلف کمانشی به عنوان ناکاملی اولیه مورد بررسی قرار بگیرد.
در فرم‌های آزاد دو گنبدی، اعمال ناکاملی به روش تقریبی-اختلال یافته و پید‌ا نمود‌ن مد غالب در این روش، به زمان محاسبات بیشتری نیاز دارد. برای اعمال ناکاملی در فرم‌های آزاد دو گنبدی، می‌توان از روش مد ناکاملی انطباق پذیر استفاده نمود، اما به مقدار ناکاملی بیشتری نیاز است.
روش مد ناکاملی انطباق‌پذیر تعمیم یافته، می‌تواند به عنوان یک روش مناسب جهت اعمال ناکاملی در سازه‌های فضاکار فرم آزاد دو گنبدی مورد استفاده قرار بگیرد.
در حالت بارگذاری کلی، در کلیه حالات، خرابی کلی در سازه اتفاق می‌افتد. در حالت بارگذاری کلی، یک نسبت ارتفاع به دهانه گنبدی وجود دارد که می‌تواند به عنوان مرز بین ناپایداری نقطه حدی و ناپایداری نقطه دو شاخگی تعریف شود.
برای به دست آوردن مسیر تعادل ثانویه صحیح در موقعیت نوانش قطری، به مقدار ناکاملی نسبتاً کمتری در مقایسه با موقعیت نوانش محوری نیاز است.
مدل‌ها در موقعیت نوانش قطری، ضرایب بار بیشتری نسبت به همان مدل‌ها در موقعیت نوانش محوری دارند. در شکل پلان مستطیلی، افزایش نسبت ارتفاع به دهانه گنبد و همچنین کاهش عرض پلان، باعث افزایش مقدار ضریب بار مدل‌ها می‌شود.
در حالت تکیه گاه گیردار، حداقل ۲۵ درصد افزایش ضریب بار نسبت به حالت تکیه‌گاه مفصلی وجود دارد.
