سازه فضاکار یک سیستم خرپای سه بعدی است که دهانه‌های آن در دو جهت گسترش یافته‌اند و اعضای آن فقط تحت تاثیر کشش و فشار قرار دارند. این سازه‌ها از مدول‌های یکسان و تکرار شونده با لایه‌های موازی در بالا و پایین (مشابه میله‌های فوقانی و تحتانی خرپا) تشکیل می‌گردند. سازه فضاکار، به مجموعه سازه‌های مشابهی اطلاق می‌شود که شامل شبکه‌ها، طاقها، برجها، شبکه‌های کابلی، سیستمهای پوسته‌ای و غشایی، سازه‌های تا شونده و ترکیبات کش بستی می‌شود. این تعریف، یک تعریف ریخت شناسانه از سازه‌های فضا کار است.

یک قاب فضایی یا سازهٔ فضایی، عبارت است از سازه‌ای که از اجزای خرپامانند سبک و محکم تشکیل شده از پایه‌هایی که در یکالگوی هندسی در کنار هم قرار گرفته‌اند. قاب‌های فضایی برای پوشش دادن دهانه‌هایی که تکیه‌گاه کم تعدادی دارند به کار می‌روند. چون در قاب‌های فضایی، همچون خرپاها از مثلث استفاده می‌شود، لنگرهای خمشی، به صورت بارهای کششی و فشاری به اعضای محوری خرپا منتقل می‌گردند که این خود باعث مستحکم بودن قاب‌های فضایی می‌شود.

اصطلاح سازه فضایی گاهی اوقات به جای سازه فضاکار بکار می رودکه این دو اصطلاح از لحاظ کلمه‌ای مترادفند؛ ولی از لحاظ معنا و مفهوم با هم تفاوت دارند. سازه فضایی به سازه‌ای اطلاق می‌شود که در فضای خارج از جو ساخته یا مورد استفاده قرار گیرد که ممکن است خود یک فضاکار باشد.

بررسی کلی سازه فضاکار

ساده‌ترین نوع قاب‌های فضایی به این گونه‌است که هرم‌هایی با سقف تخت و با استفاده از میله‌های آلومینیومی و یا فولادی میله‌ای شکل ساخته شوند. در بیشتر مواقع، این نوع از قاب‌ها شبیه به بازوی متحرک افقی یک جرثقیل برجی است که در کنار هم قرار گرفته‌اند. نوع دیگر قاب‌های فضایی که دارای استحکام بیشتری نیز هست، به صورت هرم‌های چهاروجهی به‌هم‌پیوسته اجرا می‌شوند. در این حالت، همهٔ اعضای محوری قاب، دارای طول یکسانی هستند. از نظر فنی، این نوع از قاب فضایی، مانند یک شبکهٔ برداری و یا یک خرپای هشت‌گانه‌است. در انواع دیگر قاب‌ها نیز، با تغییر دادن طول اعضای محوری، شکل کلی سازه به صورت انحناء یا اشکال هندسی دیگر تغییر می‌یابد.

تاریخچه سازه فضاکار

به عنوان قدیمی ترین ساخت‌ها برای سازه‌های فضاکار می‌توان از داربست‌هایی که جهت نگهداری چادرهای انسانهای اولیه بکارمی رفت نام برد. از جمله قدیمی ترین چادرهای انسان‌های اولیه که در مناطقی از چین باستان که در چند سال پیش کشف شده بود می‌توان اشاره کرد. کاربرد سازه‌های شبکه‌ای و سه بعدی در روم باستان و ایران کهن و نیز ایران دوره صفویه در ساخت سالن‌های تجمع، آمفی تئاترها، قصرها، مساجد اسلامی، اماکن متبرکه و غیره جلوه گر است.

اولین شبکه چند لایه توسط الکساندر گراهام بل درسال ۱۹۰۶ برای کایت پرواز ساخته شد. در این شبکه طول اعضاء یکسان، اتصالات ساده بود. او اولین مهندسی است که حدود ۹۰ سال پیش نشان داد که می‌توان با قرار دادن صحیح اعضاء سازه‌ای در کنار هم سازه‌هایی محکم و سبک ساخت. می‌توان گفت کاربرد عملی وتوسعه یا فته سازه‌های فضاکار و طراحی اصولی این گونه سازه‌ها از سال ۱۹۵۰ شروع شده است. مهندسین سازه به دلیل رفتار خوب این نوع سازه‌ها در برابر بارهای مختلف و مهندسین معمار به علت زیبایی و یکنواختی خاصی که در هندسه آنها موجود است مجذوب این گروه از سازه‌ها شده و تحقیق و بررسی عمیقی در رفتار واقعی این سازه‌ها و کاربرد ساختار بهینه در تحلیل و طرح این سیستم‌ها آغاز گردید.

مزایا سازه فضاکار

سازه‌های فضاکار مزیت‌هایی دارند که در ذیل به آنها اشاره می‌کنیم:

• زیبایی:

طراحی اجزاء سازه‌ای در این سیستم به گونه‌ای است که سیستم اجرا شده از چنان زیبایی برخوردار است که در اکثر پروژ ه‌های اجرا شده، سازه بصورت نمایان باقی می‌ماند، حتی در بسیاری از موارد جهت نماسازی‌ها از این سیستم استفاده می‌گردد.

• امکان همزمانی اجرای سازه فضایی با عملیات ساختمانی دیگر از آنجایی که روش‌های مختلفی برای بافت در این سیستم وجود دارد، امکان همزمانی اجرای این سیستم با دیگر فعالیت‌های ساختمانی بطور همزمان و بدون مزاحمت وجود خواهد داشت.
• عبور تاسیسات از داخل سازه اجرا شده:

فضای موجود بین لایه‌های سازه فضایی اجرا شده محل مناسبی را جهت عبور تاسیسات برقی و مکانیکی که می‌بایستی در سطح سالن پراکنده شود فراهم می‌سازد با این مزیت که این تاسیسات از حداقل دید برخوردار می‌باشد و هم چنین اتصال این قطعات و قطعات الحاقی دیگر نظیر تابلوها، نور افکن‌ها و ... به راحتی و در تمامی سطح ایجاد شده وجود خواهد داشت.

• عدم استفاده از عملیات جوشکاری در هنگام نصب

بواسطه پیش ساخته سازی اجزای سازه در کارخانه و پیچ و مهره‌ای بودن کلیه اتصالات هیچگونه عملیات جوشکاری در هنگام مونتاژ و نصب سازه بر روی قطعات انجام نمی‌پذیرد.

• سبک بودن

علیرغم انچه که از شکل ظاهری این سستم به نظر می‌آید سازه اجرا شده بسیار سبک می‌باشد بطوریکه در مقایسه با دیگر سازه‌های ساختمانی در شرایط مساوی ترجیح داده می‌شود و از این سیستم در اضافه اشکوب‌ها و در زمین‌های با مقاومت خاک پایین استفاده فراوانی صورت می‌گیرد.

• سرعت

استفاده از نرم‌افزارهای مختلف کامپیوتری و هم چنین نرم‌افزارهای خاص این سیستم که توسط متخصصین این شرکت طراحی وآماده شده است در مرحله طراحی استفاده از ماشین آلات اتوماتیک و نیمه اتوماتیک در تولید قعات در مرحله تولید و روش‌های متعددی که در زمان اجرای سازه فضایی توسط نیروهای مجرب این شرکت بکار گرفته می‌شود.

• هزینه پایین در دهانه‌های بزرگ

ارزان تر بودن این سیستم در مقایسه با سایر سیستم‌های سازه‌ای به خصوص در سالن‌های با دهانه بالا این سیستم را تبدیل به تنها گزینه‌ای نموده که با توجه به سایر مزیت‌های آن دارای توجیه اقتصادی می‌باشد.

• امکان بازکردن و بستن مجدد سازه

از آنجایی که رد طول عملیات نصب سازه هیچگونه عملیات جوشکاری صورت نمی‌گیرد و کلیه اتصالات در سازه اصلی وقطعات الحاقی بصورت پیچ و مهره‌ای صورت می‌گیرد لذا سازه اجرا شده این قابلیت را دارا می‌باشد که بطور کامل مونتاژ گردد و در محل دیگر به همان شکل دیگری تنها با تغییرات اندکی در قطعات سازه‌ای نصب شود.

• تولید قطعات در کارخانه

ساخت و تولید قطعات سازه در کارخانه، کنترل کیفیت و دقت بسیار بالایی را موجب خواهد شد که این امر خود دقت وکیفیت بالا در کل سازه اجرا شده را به همراه خواهد داشت.

• تغییر در فضای ایجاد شده

به واسطه قابلیت خاصی که این سیستم سازه‌ای دارا می‌باشد کاهش و یا افزایش سطح سازه فضایی اجرا شده از هر طرف و به هر شکل تغییر محل تکیه گاهها با حفظ سازه قبلی با رعایت نکات طراحی به راحتی امکان‌پذیر می‌باشد که این مطلب امکان فوق العاده‌ای را در سالن‌های تجاری و صنعتی جهت طرح‌های توسعه ایجاد می‌نماید که از این نظر با هیچ نوع از سازه‌های دیگر قابل مقایسه نیست.

• ضریب ایمنی بالا

درجه نامعینی بالای این سیستم، ژیچ و مهره‌ای بودن اتصالات و سهولت کنترل کیفیت قطعات و اتصالات و ساخت کارخانه‌ای قطعات بصورت پیش ساخته عواملی است که ضریب اطمینان و ایمنی سازه را به میزان قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد.

• ایجاد سقف افقی در فضایی داخلی

ایجاد سقف افقی در داخل سالن‌ها از دیگر مزیت این سیستم می‌باشد که علاوه بر زیبایی نسبت به سیستم‌هایی نظیر سوله در مصرف انرژی جهت گرمایش و سرمایش فضای داخل حداکثر صرفه جویی را موجب می‌گردد.

کاربرد سازه فضاکار

قاب‌های فضایی در ساختمان‌های مدرن کاربرد فراوانی دارند. این نوع از قاب‌ها بیشتر در سقف‌هایی با دهانه‌های بزرگ در ساختمان‌های مدرن تجاری و صنعتی دیده می‌شوند.

سیستم‌های سازه‌های فضاکار در سازه‌هایی که در آنها احتیاج به پوشش دهانه‌های بزرگ و بدون ستون است از قبیل:

آشیانه هواپیماها، سالنهای کارخانه‌ها، پوشش استادیوم‌های ورزشی، باشگاه‌های ورزشی، پارکینگ‌های طبقاتی، مراکز فرهنگی وتفریحی، تالارهای تجمع و سخنرانی، سالن اجتماعات، سینماها، آمفی تئاترها، مراکز خرید (بازارهای خرید)، ایستگاههای راه آهن، ترمینال‌ها و اهداف بسیار دیگربکار می‌رود. سیستم‌های سازه‌های فضاکار در سازه‌هایی چون دکل‌های انتقال نیرو، برج‌های مخابراتی، برج‌های ذخیره آب، بشقاب‌های مخابراتی و رادیویی، نیز کاربرد دارند.

انواع سازه فضاکار

سازه‌های فضاکار به سه روش دسته‌بندی می‌شوند:

• انواع سازه‌های فضاکار از لحاظ مصالح
• انواع سازه‌های فضاکار از لحاظ ساختار

سازه‌های فضاکار از لحاظ ساختار

شبکه‌های دو لایه

شبکه‌های دو لایه یکی از مهمترین و متداول ترین انواع سازه‌های فضاکار به شمارمی روند. این نوع سازها از دو صفحه عناصر که این دو صفحه که با یکدیگر موازی و توسط عناصر میانی به یکدیگر متصل اند تشکیل شده است.

شبکه‌های سه لایه

شبکه‌های سه لایه از دو صفحه بالا و پایین و یک صفحه میانی تشکیل شده‌اند که هر یک از صفحات بالا و پایین توسط اعضای میانی به صفحه میانی متصلند. این شبکه‌ها در مواقعی به کار می‌روند که سازه دارای دهانه خیلی بزرگی باشد و ارتفاع شبکه دو لایه جوابگوی قیود آن نباشد. به عنوان مثال:ایستگاه راه آهن جمهوری اسلامی ایران - تهران، نماز جمعه تهران – دانشگاه تهران

سازه‌های چلیکی

اگر شبکه‌ای در یک جهت دارای انحناء باشد سازه‌های چلیکی نامیده می‌شود. این بیشتر برای پوشش سطوح مستطیلی شکل بکاربرده می‌شوند.

سازه‌های گنبدی

در صورتی که شبکه‌ای در دو جهت دارای انحناء باشد، سازه گنبدی نامیده می‌شود. در ساخت گنبدها سعی بر آن است که اعضا دارای یک اندازه باشد اما به هر حال تعداد انواع اعضا زیاد خواهد بود. برای ایجاد ساختار گنبدی کافی است یک شبکه را (به هر شکل دلخواه) روی یک کره تصویر نمود.

سازه‌های تاشو

این نوع سازه‌ها مثل چتر قابلیت جمع شدن و انتقال دارند و کاربرد عمده آنها در مکانهایی است که به دلیل محدودیتهای جوی، مکانی، زمانی ومصالح، ساخت دیگر سازه‌ها امکانپذیر نباشد. سازه‌های تاشو بیشتر برای اماکن موقت مانند سیرکها، نمایشگاه‌ها ومناطق سیل و زلزله زده بکار می‌رود.

سازه‌های بادشو

سازه‌هایی هستند که از مواد مخصوص لاستیکی و یا پلاستیکی ساخته می‌شوند و در مواقع استفاده با پمپ باد می‌شوند.

سازه‌های ماهواره‌ایی

سازه‌هایی هستند که به صورت خرپاهای فضایی در ارتفاع ساخته می‌شوند و کاربرد آنها درسازه‌های ماهواره‌ای، خطوط انتقال نیرو وبرج‌های مخابراتی است.

سازه‌های پل‌های فضاکار

پل‌هایی هستند که از خر پاهای مرکب فضایی ساخته می‌شوند. این نوع پل‌ها برای دهانه‌های بزرگ بعد از پل‌های کابلی در درجه اهمیت اند.

سازه‌های فضاکار از لحاظ مصالح

سازه‌های فضاکار فولادی

فولاد پر کاربردترین ماده در ساخت سازه‌های فضاکار به شمار می رود. شاید مهمترین علت آن سختی و جوش پذ یری بالای آن باشد. یکی دیگر از ویژگیهای مفید فولاد، تنوع پروفیلهای فولادی و انبوه بودن در اکثر نقاط دنیا بخصوص در کشورهای صنعتی است.

سازه‌های فضاکار آ لومینیومی

یکی از مصالحی که اکنون مورد توجه قرار گرفته است، آلومینیوم می‌باشد. از مزیتهای بارز آلومینیوم می توا ن به سبک بودن آن اشاره نمود. بطوریکه وزن آلومینیوم در حدود ۳/۱ وزن فولاد است. همچنین مقاومت خوردگی بیشتری نسبت به فولاد دارد. در نهایت آلومینیوم هنوز گرانتر از فولاد است.

سازه‌های فضاکار چوبی

چوب به عنوان یک ماده اولیه در قرون وسطی جهت پوشش سقف بکار می‌رفت. استفاده از چوب‌های ورقه‌ای جهت ساخت این سازه‌ها، یک روش اقتصادی فراروی ساخت این سازه‌ها قرار داد. گنبدهای چوبی در پوشش سالنهای مدارس و سالنهای ورزشی بسیار متداول است.

اجزای تشکیل دهنده سازه فضاکار

گره‌ها (پیونده‌ها)

شاید می‌توان گفت که مهمترین قسمت در سازه‌های متداول اتصالات و جزئیات مربوط به آنها می‌باشد. پیونده مرو با قابلیت ۱۸ اتصال

اعضاء

بدنه اصلی یک سازه فضاکار را اعضای آن سازه تشکیل می‌دهند. این اعضا در سازه‌های فضاکار، پروفیلهایی در اندازه و مقاطع مختلف می‌باشند. عمده ترین مقاطع بکار رفته در سازه‌های فضاکار مقطع دایره‌ای، به صورت توپر یا توخا لی ومقاطع نبشی یا قوطی است.

تکیه گاه‌ها

شکل و موقعیت تکیه گاه‌ها در سازه‌های فضاکار، تاثیر زیادی بر نحوه توزیع نیروها در اعضای مجاور و تمرکز نیرو در آنها دارد. این بدان علت است که تعداد تکیه گاه‌ها در این سیستمها نسبت به سطح پوششی بسیار کم است و کل نیروهای قائم توسط این تعداد اندک تکیه گا ه‌ها به پی منتقل می‌گردد. در اغلب موارد اعضای مجاور تکیه گاه را پروفیلهای تو پر و سنگین تشکیل می‌دهند.

روش‌های طراحی سازه فضاکار

قاب‌های فضایی معمولاً با استفاده از ماتریس سختی، طراحی می‌شوند. ویژگی ماتریس سختی، مستقل بودن آن نسبت به تغییرات زاویه‌ای است. اگر مفصل‌ها به حد کافی محکم و سخت باشند، برای سادگی در محاسبات، می‌توان از تغییرات زاویه‌ای صرف نظر کرد.

مراحل اجرای پروژه‌ها با سازه فضاکار

1. طراحی: (مدل سازی در Formian وانتقال و ادیت نقشه در AutoCad)
2. محاسبات: (توسط نرم‌افزار ۸۹ Sap-AISC ASD)
3. تولید هموندها
4. رنگ آمیزی هموندها
5. ستون گذاری
6. بافت سازه فضاکار
7. نصب سازه فضاکار
8. نصب پوشانه

روش‌های نصب سازه فضاکار

• گسترش و تثبیت تمامی اعضای سازه به صورت یکجا، سپس نصب آن محل دائمی.
• گسترش و تثبیت تمامی اعضای سازه در بخش‌های کوچک بر روی زمین سپس بالا بردن آنها تا موقعیت نهایی و نصب روی تکیه گاه دائمی.
• گسترش و تثبیت اعضای سازه قطعات بزرگتر روی زمین سپس بالا بردن و نصب آنها در هوا به قسمت‌هایی از سازه که قبلاً نصب شده‌اند.
• گسترش و تثبیت اعضای سازه به صورت یکجا بر روی زمین سپس بالا بردن و نصب آن در محل دائمی.

از روش‌های یاد شده روش اول به دلیل وزن سازه و دشواری عملیات نصب اجزا در ارتفاع بلند کمترین کاربرد را در میان سایرین ارد.

مدل سازی سازه فضاکار

امروزه در کشورهای صنعتی و پیشرفته با تعریف کاتالوگ محصولات از فولاد و بتن تا سنگ نما در نرم افزارهای مدل سازی اطلاعات ساختمان BIM سازنده، طراح و مالک به سادگی در مراحل ابتدایی با انتخاب محصول مشخص شده و جایگذاری آن در مدل با خصوصیات و رفتار ناشی از قرارگیری هر المان در ساختمان آشنا شده و میتواند به صرفه ترین انتخاب از لحاظ اقتصای، انرژی و مقاومت را انجام دهد.