آشنایی با سازه های کش – بستی (Tensegrity)

سازه کش بستی (Tensegrity) نوعی سازه ی فضاکار سه بعدی پایدار است که در آن کابل ها ممتد ولی عناصر فشاری غیرممتد هستند و با یکدیگر اتصالی ندارند. پایداری این گونه سازه ها در اثر نگه داری میله های فشاری بین یک سری کابل در جهات مختلف به دست می آید.

سازه کش بستی دنباله روی ساختارهای طبیعت

سازه ی تنسگریتی  (به انگلیسی Tensegrity) واژه‌ای ابداعی است که از ترکیب دو واژه «Integrity» و «Tension» ایجاد شده است و به این معنی است که یکپارچگی این گروه از ساختارها، بسته به تعادل کشش‌های داخلی است.

این سازه راه حلی است که طبیعت جهت رسیدن به یک معماری پایدارارائه داده است چرا که می دانیم نظم و سادگی در ذات طبیعت و تمامی ساختارهای آن وجود دارد. در واقع طبیعت می تواند به معماران درس سازه بیاموزد و درون ساختار خود راه هایی را نشان می دهد که با استفاده از آن می توان بی نهایت فرم سازه ای خلق کرد، با کمترین اجزا و بهینه ترین رفتار جهت رسیدن به پایداری و زیبایی.

آن چه که امروزه در معماری دنیا در جریان است، استفاده از کمترین انرژی و مصالح است که از نهایت ظرفیت اجزای خود بهترین و بهینه ترین کارایی را عرضه می دارد. سازه تنسگریتی یا سازه کش بستی ارتباطی کاملا منطقی با ساختارهای طبیعت دارد چرا که در عین زیبایی دارای مقاومت و انعطاف پذیری است و از حداقل هزینه و انرژی استفاده می کند.

تاریخچه

با صنعتی شدن وتوسعه ی دنیای مدرن تقاضا برای استفاده از سازه‌های با دهانه‌های بزرگ افزایش یافت. با وقوع انقلاب صنعتی، گسترش تولید آهن و سپس فولاد، امکان تولید مصالح با مقاومت زیاد، ساخت ساختمان‌های با ارتفاع بیشتر و دهانه‌های وسیع تر فراهم شد. هم زمان، تقاضا جهت سازه‌های با دهانه وسیع برای پل ها، ایستگاه‌ها، ساختمان انبارها و کارخانه‌ها افزایش یافت. در ابتدا مجموعه‌ای از خرپاهای متنوع شکل گرفت و در مراحل بعد سازه‌های مشبک فضایی سه بعدی به وجود آمدند. بسیاری از فرم‌های سازه‌ای به ویژه اغلب شبکه‌های فضایی ازمدول‌هایی تشکیل شده‌اند.

نظریه ی ساخت ساختمان‌های مدولار تقریباً ۱۵۰ سال قبل، با طراحی، ساخت و نصب قاب‌های فلزی کریستال پالاس در هاید پارک لندن شکل عملی یافت. سازه‌هایی مانند برج ایفل که از آهن شکل داده شده ساخته شد، دلیلی بر پایداری و دوام سازه‌های فلزی سه بعدی مدولار به شمار می‌روند. دردهه ی ۵۰ و ۶۰ سیستم‌های مشبک فضایی در تمام دنیا مورد استفاده قرار گرفت. این سیستم به وسیله ی مجسمه سازی به نام کنت اسنلسون در سال ۱۹۸۰ ابداع شد و باکمینستر فولر آن را توسعه داد و حق امتیاز آن را به دست آورد. در آمریکا ریچارد باکمینستر فولر (۱۸۹۵- ۱۹۸۱) درپی مطالعاتی که در مورد نحوه ی اتصال تعدادی از کره‌ها به یکدیگر انجام داد، به سیستم خرپای هشت وجهی دست یافت. پس از آن استفاده از ساختارهای کش بستی یا تنسگریتی کاربرد بیشتری یافت و اصول آن در ساخت ورزشگاه ها و سالن‌های عظیم تا تولیدات صنعتی و مبلمان مورد استفاده قرار گرفته است.

نمود ساختار تنسگریتی در طبیعت

عنکبوت در بافتن تار به گونه‌ای عمل می‌کند که پایداری لازم را در مقابل نیروی حشرات و باد داشته باشد. برای بافتن تار پس از امتداد یک رشته از تارها، رشته دیگر به گونه‌ای رشته اول را قطع می‌کند که اشکال چند وجهی باکمینستر فولر را به نمایش می‌گذارد. نمونه ی جالب در پیروی از الگوی تنسگریتی در طبیعت را می‌توان در مراحل و فرایند تبدیل کرم ابریشم به پروانه مشاهده کرد.

ساختار تنسگریتی در بدن انسان

نگاه تنسگریتی به ساختار بدن راه های جدیدی از استراتژی کل نگر برای درک این حقایق را می‌گشاید که اعضای بدن برای حفظ تعادل چگونه عمل می‌کند؟ همه ی ساختارها در عالم هستی برپایه ی تعادلی میان کشش و فشار، یا امتداد و تراکم ثبات یافته‌اند. صندلی‌هایی که روی زمین قرار گرفته‌اند، لامپ هایی که از سقف آویزان هستند. برش، خمش و دیگر نیروها، تنها ترکیبی از نیروهای اساسی کشش و فشار هستند. افزایش سراسری فشار با افزایش تراکم به برخی اعضا که درون سازه قرار گرفته‌اند به تعادل می‌رسد. به این طریق سازه خود را درون مکانیزمی که فولر آن را به عنوان کشش پیوسته و تراکم محلی تشریح نمود پایدار می‌سازد.

بالعکس، اغلب ساختمان ها پایداری خود را از تراکم پیوسته حاصل می‌آورند که این به خاطر نیروی گرانش زمین می‌باشد. تا چند صد سال گذشته، استخوان های بدن انسان به عنوان پشته‌ای از استخوان های قرارگرفته بر روی هم مانند ستونی از آجرها در نظر گرفته می‌شد؛ که در مقابل نیروی جاذبه ی زمین، از طریق سیستم‌های پیچیده‌ای از اهرم‌ها و چرخ‌ها مقاومت می‌کند.

این یک سیستم سازه‌ای رایج برای سازه‌های انسان ساخت می‌باشد؛ اما علم زیست‌شناسی مدرن دیگر این روش را مناسب نمی‌داند؛ اما بدن انسان در واقع بیستر شبیه یک بالن است. بالن یک سیستم تنسگریتی کلاسیک است. پوسته یک عضو کششی است، در مقابل کشش مقاومت می‌کند و هوا عضو فشاری است، در مقابل فشار مقاومت می‌کند. پوسته کشیده می‌شود تا زمانی که هوای فشرده شده را متعادل کند. همان طور که در تصویر می‌بینیم بدن شبیه بالن عمل می‌کند که به جای هوا از قطعه‌های چوبی که به هم پرچ شده‌اند و به جای پوسته از پوشش الاستیکی استفاده شده است.

اصول تنسگریتی در هر مقیاسی از بدن آدمی اعمال می‌شود. ۲۰۶ استخوانی که اسکلت ما را تشکیل می‌دهند، دربرابر نیروی گرانش زمین کشیده می‌شود و با کشش عضلات قابل انقباض، تاندون‌ها و… در یک شکل عمودی به پایداری می‌رسند مشابه کابل‌ها در مجسمه اسنلسن؛ به عبارت دیگر در ساختار تنسگریتی پیچیده درون هر کدام از ما، استخوان‌ها اعضای تحت فشار می‌باشند و ماهیچه هاو تاندون ها اعضای تحت کشش می‌باشند.

اصولاً از استخوان ها در بدن به عنوان عناصر فشاری یاد می‌شود نظیر اعضای فشاری سازه‌های تنسگریتی که به صورت غیر ممتد هستند و توسط اعضای فشاری ممتد به یکدیگر متصل می‌شوند؛ ارتباط بین این اعضای منقطع با دیگر اعضا یعنی سایر استخوان ها از طریق عناصر کششی یعنی عضلات و تاندون‌ها صورت می‌گیرد.

البته اختلافی که در اسکلت بدن با ساختار تنسگریتی وجود دارد اینست که عناصر کششی گاهی نقش فشاری نیز بازی می‌کنند. درستون فقرات که نقش آن پایداری وحفظ تعادل بدن است، مهره‌ها به طریقی بر روی یکدیگر قرار گرفته‌اند که هیچ گاه با یکدیگر برخورد نمی‌کنند. در واقع مهره‌ها که ثابت و غیر قابل جابجایی هستند اعضای فشاری محسوب می‌شوند و آن چه بین مهره‌ها قرار گرفته است که باعث انعطاف و تغییر شکل ستون فقرات می‌شود، عناصر کششی به حساب می‌آیند.

البته اگر میزان فشار وارده بر استخوان های بدن که روی یکدیگر قرار گرفته‌اند زیاد باشد، اجزای کششی بین دو عضو فشاری، متحمل فشار نیز می‌شوند. در مجموع این عناصر کششی و فشاری در بدن است که با خروج از حالت عادی خود امکان حرکت و تغییر حالات بدن را فراهم می‌سازد.

اجزای تنسگریتی

در این نمونه سازه‌ به دلیل هندسه پیچیده ی خود، سعی بر ساده سازی آن شده است؛ بنابراین از مدول های دو، سه، چهار و غیره برای ساخت چنین سازه هایی استفاده می شود. یکی از مدول پایه این نوع سازه ها که در بیشتر سازه های کش – بستی ساخته شده، مدول سه وجهی آن است که از سه عضو فشاری و ۹ عضو کششی تشکیل شده است.

از سازه‌های کش بستی با عنوان سازه‌های مقاوم در برابر زلزله یاد کرده اند. با این حال، این ویژگی سازه‌های کش بستی باید از طریق مطالعه رفتار لرزه‌ای این سازه‌ها اثبات شود. در سازه‌های فضاکار متداول، اعضای کششی بعد از ورود به ناحیه پلاستیک دارای رفتار سخت شدگی کرنشی هستند، بنابر‌این می‌توانند نیروهای اضافی را جذب کنند. از این روی اعضای فشاری نقش اصلی را در تحلیل خرابی این سازه‌ها ایفا می‌کنند؛ اما در سازه‌های کش بستی، اعضای کششی که به صورت کابل هستند، بعد از ناحیه تسلیم دارای سخت شدگی کرنشی نیستند. در نتیجه برای این سازه‌ها مکانیزم گسیختگی کششی نیز مطرح است.

عناصر کابلی در سازه‌های کش بستی، برعکس عناصر کششی در سازه‌های متداول، به دلیل تغییر حالت (حالت شل و سفت) باعث رفتار غیرخطی سازه‌ها می‌شوند‌. این عوامل بیانگر اهمیت مطالعه رفتار لرزه‌ای سازه‌های کش بستی هستند. سازه‌های کش بستی به دلیل ظاهرشان مورد توجه بسیاری از طراحان معماری و محققین قرارگرفته‌اند.

با وجود این شبکه‌های فضایی پیشنهاد شده توسط محققینی که با اعضای کش بستی مونتاژ شده‌اند، معمولاً برای استفاده کاربردی ساخته نشده‌اند برای این که سیستم‌های کش بستی از حالت تئوری به صورت سیستم‌های سازه‌ای و معماری عملی دربیایند، مطالعات کامل و عمیقی روی رفتار سازه‌های این سیستم‌ها باید انجام گیرد.

از سازه‌های کش بستی با عنوان سازه‌های مقاوم در برابر زلزله یاد کرده اند. با این حال، این ویژگی سازه‌های کش بستی باید از طریق مطالعه رفتار لرزه‌ای این سازه‌ها اثبات شود. در سازه‌های فضاکار متداول، اعضای کششی بعد از ورود به ناحیه پلاستیک دارای رفتار سخت شدگی کرنشی هستند، بنابر‌این می‌توانند نیروهای اضافی را جذب کنند.

از این روی اعضای فشاری نقش اصلی را در تحلیل خرابی این سازه‌ها ایفا می‌کنند؛ اما در سازه‌های کش بستی، اعضای کششی که به صورت کابل هستند، بعد از ناحیه تسلیم دارای سخت شدگی کرنشی نیستند. در نتیجه برای این سازه‌ها مکانیزم گسیختگی کششی نیز مطرح است.

از معایب این سازه‌ها این است که انعطاف پذیر هستند و تغییر شکل‌های بزرگی در این سازه‌ها تحت بارگذاری مشاهده شده است‌. اگر چه متون علمی وسیعی راجع به رفتار لرزه‌ای سازه‌های فضاکار وجود دارد، اما هیچ کدام از آن ها برای سازه‌های کش بستی مناسب نیستند؛ زیرا سازه‌های کش بستی نوع خاصی از سازه‌های فضاکار هستند که در آن ها بایستی خودتنیدگی ایجاد شود و تحلیل این سازه‌ها بر اساس پیش-تنیدگی استوار است.

سیستم کش بستی

تحلیل کامل یک سیستم کش بستی شامل سه مرحله است.

1. مرحله اول فرم یابی
2. مرحله دوم انجام خودتنیدگی
3. مرحله سوم مطالعه رفتار تحت بارهای خارجی

با استفاده از روش‌های فرم یابی در‌ ‌واقع یک هندسه متعادل خود تنیده خنثی برای سیستم ایجاد می‌شود. خود تنیدگی معرفی شده ممکن است مکانیزم‌ها را که مکانیزم‌های بسیار کوچک هستند پایدار کند و یا پایدار نکند و باید این مورد کنترل شود‌. روش‌های فرم یابی به دو دسته کلی‌ روش‌های سینماتیکی و روش‌های استاتیکی تقسیم می‌شوند.

مطالعات تحلیلی که تا به حال روی سازه‌های کش بستی انجام گرفته را می‌توان به دو بخش استاتیکی و دینامیکی تقسیم نموده و نتایج حاصل از این تحلیل‌ها را مرور نمود. تحلیل‌های استاتیکی را می‌توان به دو خانواده خطی و غیر خطی تقسیم‌بندی نمود.

انواع سازه های کش بستی

•    خرپاها
•    سازه های فضاکار
•    گنبدهای ژئودزیک
•    گنبدهای کابلی
•    سقف چرخ دوچرخه ای

گنبدهای کش بستی

یکی از کاربردهای تنسگریتی درساخت گنبدهای تنسگریتی است. مزایای استفاده از گنبدهای تنسگریتی به اختصار در زیر خلاصه شده اند.

پیش ساختگی و سرعت در اجرای سازه: زمان لازم برای اجرای یک سقف حدود یک پنجم زمان لازم برای اجرا با سایر سیستم‌های سازه‌ای می‌باشد. بهره‌گیری از تیرهای با طول یکسان و اتصال ساده در ساخت سازه موجب صرفه جویی در صرف زمان خواهد شد؛ زیرا مدول‌های فشاری دارای اندازه‌های یکسان و از پیش تعیین شده می‌باشد، کافیست که این اجزای فشاری در محل به یکدیگر نصب شوند. اتصال آن ها نیز اکثراً از طریق گوی‌های کروی به راحتی انجام می‌شود.

• افزایش سختی: به علت توزیع نیروها بین عناصر، گسیختگی و شکست بین اجزا به سادگی اتفاق نمی‌افتد. حتی در این صورت مسیر نیرو دوباره تشکیل شده و نیرو بین سایر اعضا تقسیم می‌شود.
• سبکی و کاهش بار مرده سازه: از آن جا که سیستم سازه‌ای شبیه سیستم پوسته‌های بتنی، خرپا و اسکلتی صلب و سنگین نمی‌باشد، بار مرده ناشی از وزن سازه و بار زنده استاتیکی تا حد امکان کاهش می‌یابد.
• قابلیت ارتجاء بسیار بالا: همان طور که از نام سیستم کش بستی پیداست، عناصر کششی بر اثر نیرو و فشار وارده از خود انعطاف نشان داده و مرتجع می‌شود تا از این طریق نیروها را تقسیم کند.
• کاهش هزینه‌های ساخت و هزینه تمام شده: می‌توان ساختار تنسگریتی را به عنوان سقف های غشایی در نظرگرفت.

سازه کش بستی یا تنسگریتی چیست؟

به تعبیر فولر که یکی از نخستین تعاریف را عرضه داشته، ساختار سازه کش بستی یا تنسگریتی جزایری از فشار در داخل دریایی از کشش هستند. تنسگریتی یک سیستم سازه‌ای است که به خاطر عناصر فشاری متمایز که داخل یک شبکه کششی شناور می‌باشد، شناخته شده است. این جذاب ترین گزاره در سیستم‌های پویاست، زیرا چنین ساختارهایی به طور خودکار، موقعیتی از تعادل پایدار را ایجاد می‌کنند، با یک پیکربندی که انرژی الاستیکی ذخیره شده را به حداقل می رساند.

سازه کش بستی یا تنسگریتی، امکان حرکت با حداقل هزینه ی انرژی، بدون از دست دادن پایداری و مقاومت را فراهم می‌نماید. در مقایسه با ساختارهای زیست شناختی نشان می‌دهد که هر دو خواص ارتجاعی و غیر خطی، با حرکت سیال مانند دارند که نتیجه ی یکپارچگی تمام اجزاست.

پایداری سازه های تنسگریتی

ساختارهای تنسگریتی به لحاظ مکانیکی پایدار هستند که این نه به دلیل قدرت تک تک اعضا که به خاطر شکل توزیع کل ساختار و تعادل ساختارهای یک دسته شامل گنبدهای ژئودزیک ابداعی باک مینستر فولر می‌شوند که اساساً از اعضایی ساخته شده‌اند که هر یک می‌توانند کشش یا فشار را تحمل نمایند.

اعضایی که قاب را شکل می‌دهند، به مثلث‌ها، پنج ضلعی‌ها، یا شش ضلعی‌هایی متصل می‌شوند که هر عضو طوری قرار گرفته است که هر اتصال به یک مکان ثابت محدود می‌شود و از این طریق پایداری کل سازه را تضمین می‌نمایند. دسته ی دیگر سازه‌های تنسگریتی، در بر گیرنده ی آن هایی می‌شوند که خود را به صورت پیش تنیده پایدار می‌سازند.

در مجسمه‌های باشکوه اسنلسن، مولفه‌های تشکیل دهنده که می‌توانند تنها کشش را تحمل نمایند، از آن هایی که تنها فشار را می‌توانند تحمل کنند متمایز هستند. این ویژگی باعث اطلاق این ساختارهای تنسگریتی به تنسگریتی کلاسیک شده است. در این ساختار حتی قبل از آن که یکی از اجزا در معرض یک نیروی بیرونی قرار گیرد، تمام اعضای ساختاری، آماده ی پذیرش کشش یا فشار می‌باشند. کشش ممتد و فشار غیر ممتد و استحکام، از مهم ترین ویژگی‌های سیستم سازه‌ای تنسگریتی است. مانند سیستم سازه کش بستی شرکت ساختمانی شگرد، بیشتر بر اساس کارامدی عناصر کششی و در درجه دوم، بر اساس کارامدی عناصر فشاری طراحی می‌گردد.