سازه در معماری

خرپاها :
یک کابل انعطاف پذیر که باری در وسط دهانه را تحمل می کند یک سازه کششی محض است، حال سازه ای را در نظر بگیرید که در آن کابل را به طرف بالا برده ایم و اجزاء مایل آن سخت شده اند تا آمادگی تحمل نیروی فشاری را داشته باشند. افت منفی یا خیر صعودی ماهیت کلیه تنشها را تغییر می دهد و کابل های رو به بالا به یک سازه فشاری خالص تبدیل می گردند. این ساده ترین مثال یک خرپاست.

باری که در رأس خرپا وارد می شود بوسیلة اعضاء فشاری به تکیه گاهها منتقل می شود. به هر کدام از تکیه گاهها نیروی عمودی معادل نیمی از بار، همچنین رانش هایی به طرف بیرون وارد می شود، می توان با پشت بندهایی از مصالح فشاری مانند مصالح بنایی ، یا بوسیلة یک عنصر کششی، مانند میله رابط فولادی یا چوبی رانشها را جذب کرد. چنین

خرپاهای اولیه، مرکب از چوب و رابطهای آهنی، در قرون وسطی برای نگهداری سقف کلیساها ساخته می شدند. دلایلی مبنی بر پوشش سقف های معابد یونانی با سازه های چوبی با طراحی مشابه وجود دارد. با بزرگتر شدن دهانه ها استفاده از یک میلة رابط کششی از بالای خرپا (برای حذف افت زیاد این عنصر نسبتاً انعطاف پذیر) کارآیی بهتری برای خرپا ایجاد می نماید، یک عنصر مثلثی مشابه ممکن است با افت مثبت ساخته شود که در آن از میله های فولادی برای اعضاء کششی و از چوب برای اعضا رابط فشاری استفاده می شود.

خرپاهای متشکل از اعضای فشاری و کششی که برای پوشاندن دهانه های بزرگ به کار رفته اند، خرپاهای مثلثی اولیه ای بدست می آیند که اتصال اعضای آنها مفصلی است یعنی امکان چرخش در نقاط انتهایی آنها وجود دارد. برای مثال دو خرپای مثلثی با رئوس رو به پایین را در نظر بگیرید که در یکی از نقاط دیگرشان به هم متصل شده اند.

این دو خرپا قادر به تحمل باری نیستند مگر اینکه میله ای کششی مانع از دور شدن دو رأس مثلث ها از هم شود. در نتیجه خرپایی با دو مثلث بدست می آید که قادر به پوشاندن دهانة بزرگتری است. یک خرپای مثلثی که به طور مشابه ساخته شده است با اعضای فوقانی و اعضای قائم تحت فشار و اعضای تحتانی و اقطار تحت کشش در شکل نشان داده شده است. بار ۱w در وسط دهانه در امتداد اقطار کششی به نقاط A و B انتقال می یابد.

(عضو قائم OO باری تحمل نمی کند زیرا در نقطة O نیروهای افقی اعضای OA و OB نمی توانند آنرا متعادل نمایند) . عضو فوقانی فشاری AB رانش را جذب می کند، در حالی که عضوهای عمودی فشاری AC و BD عکس العملهای عمودی نقاط A و B که برابر نصف ۱W است را به نقاط C و D انتقال می دهند. عضو قطری کششی CE هم واکنش انتقالی در C و هم بار اضافی W2 را به نقطة E انتقال می دهد و نیرویی کششی CE هم واکنش انتقالی در C و هم بار اضافی ۲W را به نقطة G انتقال می دهد. این مکانیزم انتقال نیرو در همة

اعضاء دیگر خرپا جریان می یابد، تا این که در پایان آخرین عناصر فشاری عمودی یعنی IL و MN نصف کل وزن خرپا را تحمل نموده و به نقاط تکیه گاهی N و L انتقال می دهند. اگر همانطور که مطلوب است بارها تنها بر نقاط «گره ای» D ، C ، O و … خرپا وارد شوند و بار مرده اعضای خرپا را ناچیز فرض کنیم، همة اعضای خرپا با فشاری و یا کششی می شوند. وقتی که بارها در میان گره اثر بگذارند، و بار مرده را در نظر بگیریم در اعضای خرپا مقداری خمش نیز ایجاد می شود.

در صورتی که جهت اعضاء قطری را معکوس می کنیم اعضای عمودی به صورت کششی و اقطار به طور فشاری کار می کنند. بنابراین در شکل بار۱ W بوسیله اعضاء کششی قائم از O به O انتقال پیدا می کند و سپس بار از O بوسیلة عناصر مورب فشاری به C و D منتقل می شود. CD یک عضو کششی است. خرپای مثلثی COD به گروه های C و D متصل است و در اینجا بارهای اضافی ۲ W و ۳ W بوسیلة اعضای قائم کششی به نقاط A و B منتقل شده و سپس توسط اقطار فشاری به نقاط G و H منتقل می شوند. عناصر مورب GA و HB میله های AO و OB را تحت فشار قرار می دهند. دوباره اعضای CG و DH کششی هستند. جریان بارها ممکن است همچنان ادامه داشته باشد تا اینکه در پایان توسط آخرین اعضای قطری

فشاری بارها، بر تکیه گاه وارد شوند. در این خرپا اعضای قائم MN و IL و همچنین اعضای بالایی آنها غیرضروری می باشند. بطور مشابه اگر نقاط تکیه گاهی خرپا I و M بود بر اعضای قائم انتهایی و آخرین عضوهای افقی پایین خرپای شکل ۲۵- ۶ تنشی اثر نمی کرد. خرپای شکل ۲۶-۶ معمولاً در پل ها و اتوبانها و خرپای شکل ۲۵-۶ در پل های راه آهن استفاده می شود، غالباً در این نوع خرپاها در زیر سطح سواره رو قرار دارند. برای بدست آوردن اطلاعات بیشتر در مورد رفتار خرپا در مقایسه با رفتار تیر می توان به بخش ۲-۷ مراجعه نمود.

اعضای فوقانی، عمودی، و مورب خرپا ممکن است تحت تأثیر فشار دچار کمانش شوند، مگر آنکه بطور صحیح طراحی شوند. یکی از تحقیقات اولیه در مورد کمانش سازه های خرپایی پل ها به دلیل وقوع شکست ناشی از کمانش در پل راه آهن روسیه انجام گردید که در اواخر قرن ۱۹ روی داد. از آنجا که بسته به موقعیت بارهای متحرک ممکن است هم کشش و هم فشار در عضوی ایجاد شود، بعضی از خرپاها با اقطاری که هم کششی هستند و هم فشاری، ساخته شده اند، تا هرگاه اقطار فشاری باریک به علت کمانش غیرفعال شدند اقطار کششی بار را تحمل نمایند.

برای ایجاد خرپاهای قابل استفاده امکان ایجاد ترکیبات بسیار متنوع اعضاء کششی و فشاری وجود دارد. خواننده می تواند نحوة انتقال بار را در مثالهای مقدماتی نشان داده شده در اشکال (الف – ۲۷ – ۶ ) و (ب – ۲۷ – ۶) دنبال کرده و بدین ترتیب چگونگی کار اینگونه سازه ها را مشاهده نماید.

اتصال اعضای یک خرپا با استفاده از پرچ، پیچ یا جوشکاری به صفحات اتصال در محل تقاطعشان صورت می گیرد. (شکل ۲۸-۶)
در هر صورت جلوگیری از دوران نسبی توسط صفحات اتصال، میله ها خرپا را از حالت عضو کششی یا فشاری خالص به عناصری که به مقدار کم تنشهای برشی یا خمشی اضافی دارند، تبدیل می کند. این تنشها که تنشهای ثانویه نامیده می شوند، در بخش ۴ – ۷ مورد بررسی قرار گرفته اند.
خرپاها در طراحی پل ها برای پوشاندن دهانه های به طول دهها متر بکار می روند. آنها ممکن است از یک جفت خرپای طره ای متصل به پایه پل تشکیل شده باشند که به نوبة خود خرپاهای با تکیه گاه ساده را نگه می دارد.

پل های خرپایی با اعضای فوقانی منحنی شکل بسیار شبیه پل های معلق عمل می کنند.
خرپاهای موازی معمولاً در طراحی سازه های فولادی برای پوشاندن سالن های بزرگ بکار می روند. (شکل ۳۱- ۶).

خرپاهای سبک که تیرچه های به جان باز نامیده می شوند، برای پوشاندن دهانه های کوچک چه در سازة کف چه در سازة سقف به کار می روند. (شکل ۳۲-۶)
خرپاهای عمودی در ساختمانهای بلند فولادی به کار می روند تا قابهای آنها را در مقابل نیروهای باد و زلزله مقاوم نمایند، ( به بخش ۳-۸ رجوع شود) . اگر چه امروزه خرپاها به اندازة دهة ۱۸۰۰، آغاز کاربرد سازه های فولادی ، عمومیت ندارند، اما همچنان یکی از اساسی ترین اجزاء سازه های با دهانة بزرگ به شمار می روند.

انتقال نیرو در دو جهت :
عناصر سازه ای که تاکنون مورد مطالعه قرار گرفته اند دارای وجه اشتراک انتقال در یک جهت می باشند. انتقال نیروی مؤثر بر کابل یا تیر در طول کابل یا محور تیر صورت می گیرد. یک قوس، یک قاب و یک تیر سراسری نیز دارای همان ویژگی توزیع و انتقال نیروها در یک جهت می باشند. این سازه ها را سازه های مقاوم یک بعدی می نامند، زیرا می توانند بوسیلة یک خط مستقیم یا منحنی که در آن امتداد تنشها بارها را انتقال می دهند، مشخص شوند. (این خطوط، اجزای یک بعدی هستند زیرا فقط یک عدد مثلاً فاصله نقطه از انتهای یک خط کافی است که وضع آن نقطه را روی خط مشخص کند).

ممکن است از عناصر مقاوم یک بعدی برای پوشاندن یک سطح مستطیل شکل استفاده کرد، اما چنین ترتیبی معمولاً غیر علمی و با بازده پایین است. برای مثال برای پوشش سطح مستطیلی می توان از یک سری تیر که همة آنها با یکدیگر و با یکی از اضلاع سطح موازیند، استفاده کرد. اما اگر بار متمرکزی بر روی چنین سیستمی وارد شود فقط بوسیلة تیری که زیر این نیرو قرار دارد تحمل می شود، در حالی که تیرهای دیگر بدون تنش هستند.

این سیستم غیر عملی است زیرا فقط یک تیرخم می شود، در حالی که بقیه تیرها در حالت افقی باقی می مانند. به علاوه این روش دارای بازدة پایین است زیرا همة تیرها نمی توانند بطور یکپارچه در انتقال نیرو عمل کنند. بار وارده همیشه در جهت تیرها انتقال می یابد و بارها توسط دو دیواری که در انتهای تیرها قرار دارند تحمل می شوند، در حالی که بر دیوارهای موازی با تیرها هیچ باری وارد نمی شود. ممکن است این راه حل برای مواردی که دیوارهای غیر باربر برای مقاصد عملکردی لازم هستند مناسب باشد، ولی بازده آن هنگامی که هر چهار دیوار محصور کنندة فضا قادر به تحمل بار سقف باشند، پایین است.

این موارد نشان می دهد، هنگامی که امکان انتقال بار در دو جهت داشته باشیم، سازه می تواند مؤثرتر واقع گردد. توزیع و انتقال بار در چنین شرایطی بوسیلة شبکه ها، صفحه های مسطح یعنی سازه های مقاوم دو بعدی که در یک سطح همواره کار کنند، میسر باشد.
سازه های صفحه ای :

صفحات با شکلهای گوناگون و شرایط تکیه گاهی متفاوت موارد استفادة زیادی در ساختمان ها بخصوص بعنوان دل های کف دارند.
وضعیت تکیه گاههای چهار طرف یک صفحه ممکن است متفاوت باشد. در یک صفحه ممکن است دو ضلع موازی دارای تکیه گاه ساده و دو ضلع موازی دیگر دارای تکیه گاه گیردار باشند. در این حالت افزایش صلبیت برای دهانه های طویلتر، بخاطرگیردار بودن آنها، می تواند نسبت نامتعادل دهانه ها را جبران کرده و صفحه از خود رفتار دو طرفه نشان دهد که مانند رفتار صفحه مربع شکل با تکیه گاههای ساده است.

مشابه حالت ف.ق صفحة گوشه ای بالکن است که دو تکیه گاه ساده برای اضلاع مجاور آن وجود دارد و اضلاع دیگر اصلاً تکیه گاه ندارند. واضح است که شبکه ای با تکیه گاه ساده که در هم بافته نشده باشد، نمی تواند به این صورت ساخته شود، زیرا تیرهای سیستم زیرین بدون تکیه گاه رها خواهند شد. در عوض یک شبکة بافته شده، قادر به حمل قسمت بیشتر بار توسط عمل پیچش می باشد، صفحه هم رفتار مشابهی از خود نشان خواهد داد، (شکل ۱۹-۱۰)

با گیردار کردن دو ضلع مجاور یک صفحة گوشه که دو ضلع دیگر آن بدون تکیه گاه هستند صفحة سخت تری نسبت به حالت قبل بدست می آید. (شکل ۲۰-۱۰) در این حالت نیر تشابه با سیستم شبکه ای پابرجاست، زیرا هر تیر سیستم مشابه، رفتار طره ای دارد و رفتار خمشی دوباره غالب می گردد.
صفحات مستطیل شکل ممکن است علاوه بر محیط خود در نقاط دیگر تکیه گاه داشته باشند. در طراحی ساختمانهای اداری مدرن این روش متداول است که دلهای طبقات در قسمت خارجی روی دیوار با یک ردیف ستون خارجی و در قسمت داخلی روی هسته مرکزی قرار گیرند. از هستة مرکزی آسانسورها، کانال های تهویة هوا و قسمتهای دیگر سیستم های مکانیکی، برقی و لوله کشی عبور می کند. (شکل ۲۱-۱۰)، بنابراین یک طبقة کاملاً آزاد بدست می آید.

مرز اطراف (محیط) یک صفحه می تواند اشکال متنوعی داشته باشد . بجای پوشش یک سطح مستطیل ممکن است، صفحه یک سطح مورب یا چند ضلعی یا مدور را بپوشاند. رفتار یک صفحة دایره ای با تکیه گاه ساده در محیط آن با یک صفحة مربع شکل با تکیه گاه ساده که بر دایره محیط باشد فرق اساسی ندارد، (شکل الف ۲۲-۱۰). زیرا گوشه های صفحة مربع صلب می باشند و فقط قسمت مرکزی آن تغییر شکلهای قابل توجهی پیدا می کند. رفتار یک صفحة دایره ای با لبه های گیردار شبیه یک صفحة مربع شکل محاط در آن دایره است، (شکل ب ۲۲-۱۰)