سازه‌های پوسته‌ای

[ll]

سازه‌های پوسته‌ای در بیشتر موارد با استفاده از بتن مسلح ساخته می‌شوند به همین دلیل سازه‌های بتن پوسته‌ای نیز نامیده می‌شوند.ضمن آن که پوسته‌ها در طبیعت از متنوع ترین فرم‌هایی هستند که در دنیای فیزیکی اطراف ما یافت می‌شوند. واژهٔ پوسته تداعی کنندهٔ اشکال موجود در طبیعت مانند تخم پرندگان، پوستهٔنرم تنان می‌باشد. این لغت یک نمود ذهنی با دو ویژگی ویژه را مجسم می‌سازد:

1. پوسته‌ها محکم و منحنی شکل اند
2. سطوح صاف و مسطح هرگز در بهترین حالت (یک سلول یا جعبه)، نمی‌توانند یک پوسته را تشکیل دهند.

عملکرد کلی پوسته‌هایک ورق کاغذ، به طور عادی در دست خم می‌شود و حتی توانایی تحمل وزن خود را هم ندارد، اما اگر به قسمت میانی کاغذ اندکی فشار وارد شود، به طوری که گوشه‌های آن کمی رو به بالا خم شوند، این فرم علاوه بر وزن خود، مقداری بار اضافی را نیز تحمل می‌کند. این افزایش ظرفیت تحمل بار توسط سازه، به دلیل استفاده از فرم مناسب است. انحنای رو به بالا، سختی و ظرفیت تحمل بار کاغذ را افزایش می‌دهد، زیرا این فرم موجب می‌شود مقداری از مصالح دور از مرکز ثقل جسم قرار بگیرد، بنابراین با خم کردن ورق کاغذمقاومت خمشی جسم افزایش می‌یابد.

انواع پوسته‌ها

پوسته‌ها بر اساس:

1. نوع شکل گیری
2. فرم
3. هندسه

طبقه بندی می‌شوند. در این تقسیم بندی هدف ارائه رفتار و عکس العمل‌های یکسان در گروه‌های مختلف پوسته هاست.
۱)تقسیم بندی از نظر نوع شکل گیریپوسته‌ها از نظر شکل گیری به پوسته‌های دورانی((چرخش (فیزیک))) و پوسته‌های انتقالی((Transational)) تقسیم می‌شوند. در پوسته‌های دورانی، شکل گیری پوسته ناشی از دوران یک منحنی حول یک محور و در پوسته‌های انتقالی ناشی از انتقال یک منحنی در طول یک خط یا یک منحنی است.
۲)تقسیم بندی از نظر فرمپوسته‌ها از نظر نوع انحنای پوسته به دو گروه پوسته‌های سین کلاستیک و پوسته‌های آنتی کلاستیک تقسیم می‌شوند. پوسته‌های سین کلاستیک دو منحنی دارند و خطوط انحنا در هر جهت آن‌ها یکسان است. پوسته‌های آنتی کلاستیک((زین اسبی))انحنای مضاعف و خطوط انحنا در جهت‌های مخالف دارند.
۳)تقسیم بندی از نظر هندسهبه

1. پوسته‌های قابل توسعه
2. پوسته‌های غیر قابل توسعه

تقسیم می‌شوند
۳-۱)پوسته‌های قابل توسعهپوسته‌هایی هستند که بتوان سطح هندسی آن‌ها را بدون ایجاد بریدگی، تنش یا تغییر شکل به شکل صفحهٔ مستوی در آورد. مانند پوسته‌های استوانه‌ای.پوسته‌های گهواره‌ای که فقط در یک جهت انحنا دارند و از دوران یک منحنی در طول مسیر مستقیم شکل می‌گیرند، پوسته‌های قابل توسعه‌اند. در این پوسته‌ها اغلب از اشکال نیم دایره و سهمی استفاده می‌شود و تکیه گاه‌ها فقط در گو شه‌ها هستندو در جهت طولی و در جهت انحنا دهانه را می‌پوشانند.
پوسته‌های قابل توسعه خود به چند بخش تقسیم می‌شوند:
الف) پوسته‌های استوانه‌ایکه این خود به

1. پوسته‌های استوانه‌ای کوتاه
2. پوسته‌های استوانه‌ای بلند

تقسیم می‌شود
ب) پوسته‌های متقاطعکه این خود به

1. پوسته‌های متقاطع دو بخشی
2. پوسته‌های متقاطع چند بخشی
3. مخروط‌ها و شبه مخروط‌ها

تقسیم می‌شود
تعریف

الف-۱-۳)پوسته‌های استوانه‌ایدر طبیعت به ندرت یافت می‌شود. می‌توان به فرم لوله‌ای ساقهٔ گیاهانی مانند بامبو اشاره کرد. جز اصلی تشکیل دهندهٔ استوانه، شکل کلی پوسته است. یک ورقهٔ کاغذ به طور طبیعی تقریباً قادر به هیچ گونه مقاومتی در مقابل خمش نیست، اما با لوله کردن مقاومت آن بیشتر می‌شود.
۱-الف-۱-۳)پوسته‌های استوانه‌ای کوتاهاین نوع پوسته‌ها اغلب در گوشه‌ها دارای تکیه گاه هستند و در یکی از دو جهت یا ترکیبی از هر دو جهت عمل می‌کنند. اولین مورد استفاده از این نوع پوسته‌ها، عملکرد پوسته به عنوان دال است که فاصلهٔ بین قوس‌ها را می پو شاند، در این حالت هر انتها را می‌توان به وسیلهٔ یک قوس سخت و مقاوم کرد. دومین روش برای آن که لبهٔ طولی پایین‌تر به وسیلهٔ یک تیر سخت شود، آن است مه از پوسته‌های نازک تر که مانند مجموعه‌ای از قوس‌های مجاور هم رفتار می‌کنند و فاصلهٔ بین تیرهای کناری را می پو شانند، استفاده کرد.
۲-الف-۱-۳)پوسته‌های استوانه‌ای بلنداین نوع پوسته‌ها اغلب در گوشه‌ها دارای تکیه گاه هستند و مانند تیرهای بزرگ در جهت طولی عمل می‌کنند، در نتیجه تنش‌ها در این گونه پوسته‌ها مشابه تنش‌های خمشی در یک تیر است. بخش بالایی در سر تا سر طول پوسته تحت فشار است در حالی که بخش پایینی تحت کشش می‌باشد.
۱-ب-۱-۳)پوسته‌های متقاطع دو بخشیتقاطع راست گوشهٔ پوسته‌های دو بخشی با مقطع دایره‌ای شکل نوعی تاق پهار بخشی را ایجاد می‌کند که قسمت مقعر ایجاد شده میان بخش‌های متقاطع با یک منحنی تا خورده قابل مقایسه است.
۲-ب-۱-۳)پوسته‌های متقاطع چند بخشیچندین تقاطع با بخش‌های بیشتراست. اگر تعداد بر آمدگی ها (خط الراس‌ها) از خط القعرها بیشتر باشد، نتیجه، ساختار گنبدی شکل خواهد بود.
۳-ب-۱-۳)مخروط‌ها و شبه مخروط‌هاسطوح مخروطی با حرکت یک خط صاف بر روی خط صاف دیگر و یک منحنی به دست می‌آیند. این حقیقت که مخروط‌ها انحنای دوگانه دارند و با استفاده از خطوط صاف ساخته می‌شوند به طور طبیعی آن‌ها را برای طراحی پوسته‌ها مناسب می‌سازد.
۳-۲) پوسته‌های غیر قابل توسعهمانند پوسته‌های کروی

http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B3%D8%A7%D8%B2%D9%87%E2%80%8C%D9%87%D8%A7%DB%8 C_%D8%A8%D8%AA%D9%86_%D9%BE%D9%88%D8%B3%D8%AA%D9%8 7%E2%80%8C%D8%A7%DB%8C

[ll]

سازه پوسته ای

پوسته،سازه ای نازک با سطح منحنی می باشد که بارها را بصورت کشش، فشار و برش به تکیه گاه ها منتقل می نماید.سازه های پوسته ای مشابه طاقهای سنتی
می باشد با این تفاوت که سازه ی پوسته ای در برابر نیروهای کششی مقاوم می باشد.اغلب پوسته ها ی معماری از بتن مسلح ساخته شده اند همچنین از تخته ی چند لایی ،فلز پلاستیک های شیشه ای مسلح هم استفاده می شود.پوسته ها به علت شکل منحنی خود مقاومت خوبی در برابر بارهای گسترده ی یکنواخت در سازه هایی مانند سقف دارند اما مقاومت این نوع سازه به علت نازک بودن،در برابر خمش های ناحیه ای که ازطریق بارهای متمرکزتولید شده قابل توجه نمی باشد.

انواع پوسته

پوسته ها با توجه به شکلشان به چهار دسته (سین کلاستیک،آنتی کلاستیک،قابل توسعه،شکل آزاد)تقسیم می شوند.

1.اشکال سین کلاستیک(گنبد ها):دارای دو منحنی هستند که خطوط انحنای آن در جهت مشابه می باشد.

2.اشکال قابل توسعه(مخروط ،استوانه،استوانه ای):آنها در یک جهت دارای خطوط مستقیم و درجهت دیگر بصورت منحنی می باشند که از خمش در صفحه ی مسطح حاصل شده اند.

3.اشکال آنتی کلاستیک(اشکال زین اسبی شامل :مخروطی،سهموی_هذلولی شبه هذلولی)دارای انحنای مضاعف بوده که خطوط انحنا در جهت مخالف هم می باشند.

4.اشکال آزاد:دارای فرمهای آزادی هستند که از محاسبات ریاضی بدست نمی آیند.

[ll]

گنبد پوسته ای سین پلاستیک

از دوران یک خط منحنی حول یک محور گنبد بوجود می آید که شناخته ترین آن گنبدهایی به شکل کره می باشد که از دوران یک دایره حاصل شده است.
قسمتهای عمودی پوسته،خطوط قوسی طولی (نصف النهار)و قسمتهای افقی پوسته،بصورت دایره های موازی می باشد.
رفتار سازه:تنشهایی که در پوستهای گنبدی بوجود می آید از دو جهت می توان بررسی نمود.گنبدهای پوسته ای که زیر بار یکنواخت قرار می گیرند در طول قوسها(نصف النهار)درهر نقطه تحت فشار می باشند.

در گنبدهای نیم کره ای،به علت اینکه خطوط قوسی آن بصورت نیم دایره می باشد در قسمت بالایی خود پایداری آنچنانی ندارشته و در قسمتهای پایینی تمایل به خمش رو به بالا دارند.

در گنبدهای پوسته ای که در برابر کشش مقاوم می باشند،کمانش آنها توسط تنشهای کششی در طول خطوط حلقوی زیر زاویه ی 45درجه مهار می شود .

گنبدهای پوسته ای نازک:در قسمت تحتانی (زیر زاویه 45 درجه از مرکز)تحت تاثیر فشار حلقوی هستند.

گنبدهای پوسته ای عمیق :در قسمت تحتانی (زیر زاویه 45 درجه از مرکز)تحت تاثیر کشش های حلقوی و در قسمت فوقانی(بالای زاویه ی 45درجه از مرکز)تحت تاثیرکششهای حلقوی می باشند.البته این زوایا بسته به بارگذار متغییر است و در صورتی که فقط بار وزن گنبد وجود داشته باشداین زاویه به 38 درجه تقلیل پیدا می کند.گنبدهای بیضوی در بخشهای بالایی نسبت به بخشهای پایینی مسطح تر می باشد،در حین بارگذاری قسمت پایینی آن خمشی رو به بالا می گیرد که این خمش توسط حلقه های کششی مهار می شود.

[ll]

مقاومت رانشی گنبد پوسته ای سین پلاستیک

مانند قوسها تمام گنبدها دارای نیروی رانشی بیرونی می باشند.هرچند که گنبدهای مرتفع نیروی رانشی کمتری نسبت به گنبدهای کم ارتفاع با دهانه های مساوی دارند،اما در برابر همین مقدار جزئی باید مقاوم باشد.در گنبد مرتفع،مقاومت حلقوی کششی پوسته معمولا کافی می باشد،ولی در گنبدهای کم ارتفاع معمولا یک حلقه ی کششی به وسیله ی افزایش ضخامت گنبد در آن ایجاد می گردد(برای جای. دادن فولادهای کششی اضافی در پایه گنبد) از آنجایی که این حلقه های کششی در برابر رانش ذاتا مقاومت می نمایند به هیچگونه پشت بندی نیاز ندارند بنابراین گنبدها می توانند بر روی ساقه ی خود(یا حلقه ای از ستونها) بدون نیاز به دیوار حائل مقاوم بایستند.در حالتی که ستونها تکیه گاه ما باشند حلقه های کششی به عنوان تیرهای حلقوی می باشد که بین ستونها را پوشانده است.

[ll]

سالن سخنراني كرسگ

(1955:کمبریج،ماساچوست،مهندس معمار:ارو سارنین و همکاران،مهنس سازه:امان و ویتنی) دارای حجم یک هشتم کره می باشد که روی سه نقطه قرار گرفته است.شعاع گنبد 34متر متر می باشد که ضخامت پوسته ی بتنی مسلح سازه 8.7 سانتیمتر می باشد که در تکیه گاه ها به علت تمرکز تنشها تا 50 سانتیمتر افزایش می یابد.لایه ای از فایبر گلاس به ضخامت 50میلیمتر به عنوان عایق حرارتی روی پوسته ی بتنی به کار گرفته است با این حال با استاندارد های داخلی مطابقت ندارد.برای ایجاد شرایط مناسب با عملکرد غیر سازه ای و آکوستیک لایه ی دیگری به ضخامت 50میلیمتر گنبد را پوشانیده است بنابراین تاثیر سازه ی پوسته ای با ملاحضات غیر سازه ای خنثی شده.

[ll]

کلیسای ارتدیسک بشارت یونان

این کلیسا(1956:میلواکی،مهندی معمار:فرانک لوید رایت)یکی از آخرین کارهای رایت با ظرفیت 670 نفر محل نشستن در جایگاه اصلی می باشد.گنبد با
پوسته ی نازک بتن مسلح در پایه،قطری برابر 28.6 متر دارد و کاملا توخالی است.بخش منحنی با شعاع 60متر فقط 3.3متر ارتفاع در بالای پله دارد،ضخامت سازه ی پوسته از 75 تا 100میلیمتردر لبه ها افزایش یافته که برای مقاومت در برابر رانش بیرونی به عنوان حلقه ی کششی عمل می کند.گنبد با یک لایه ی 75میلیمتری که روی بتن پاشیده شده است.پوشش نهایی،کاشی آبی رنگ به ضخامت 50 میلیمتر است.کناره های پوسته روی یک ساقه ی کوتاه عمودی قرار می گیرد که با پنجره ی قوسی شکل برای دسترسی به نور طبیعی باز می شود،گوی های کره هایی شیشه ای و توپرهستند که درون ساقه ی بتنی سقف قالب گرفته شده اند.به دلیل فاصله ی کم مابین گوی ها،آنها بار وزن گنبد را به تکیه گاه ها توزیع می کنند.ساقه ی گنبد روی محیط یک گنبد ثانویه که کف تراس را شکل می دهد نگاه داشته می شود.این بخش در اطراف مسلح گردیده و مانند یک حلقه ی کششی عمل می نماید(هدف همان مقاومت در برابر نیروی رانش بیرونی است).این گنبد واژگون روی چهار دیوار باربر با منحنی مقعر وستون هایی تراز جایگاه در طبقه ی همکف را محصور کرده.

نمودار مسیر بارگذاری:

[ll]

پوسته ی قابل توسعه

پوسته ی گهواره ای قابل توسعه هستند از طریق یک خمیده شدن یک سطح شکل می گیرند،فقط در یک جهت دارای انحنا می باشند و از دوران یک خط منحنی در مقاومت کششی طول یک خط مستقیم شکل می گیرند.اشکال آنها عمدتا بصورت نیم دایره و سهمی می باشد،از ویژیگی های این نوع از پوسته داشتن داشتن مقاومت کششی می باشد که آن را از طاقهای قوسی متمایز می کند.این پوسته ها نیاز به تکیه گاهای ممتدد در طول هر پایه که در طاقهای قوسی مشاهده می شود ندارند، بنابراین می تواند فقط در گوشه دارای تکیه گاه باشد.

رفتار سازه ای

رفتارسازه ای طاقهای استوانه ای بطور قابل توجهی با تغییر طول نسبی آنها تغییر می کند.در پوسته های استوانه ای کوتاه،ابعاد پلان در جهت محور طولی کوتاه تر می باشد،در حالی که در پوسته استوانه ای بلند،ابعاد پلان در همان جهت بیشتر می باشد.

پوسته استوانه ای کوتاه

این نوع از پوسته ها معمولا در گوشه ها،دارای تکیه گاه می باشند و در یکی از دو جهت عمل می کنند(یا ترکیبی از هر دو جهت).اولین روش آن است با پوسته ای که به عنوان دال عمل کرده و فاصله بین قوس ها را می پوشاند هر انتهارا می توان توسط یک قوس،سخت و مقاوم نمود.دومین روش برای آنکه لبه ی طولیپایین تر بوسیله ی یک تیر سخت شود،آن است که از پوسته ی نازکتر که مانند مجموعه ای از قوسهای مجاورهم رفتار کرده و فاصله ی بین تیرهای کناری را می پوشانند،استفاده نمود.به علت حداقل ضخامت لازم برای اجرا و ساخت (و تامین دستورالعل لازم)پوسته ای گهواره ای کوتاه به علت نیازهای سازه ای غالبا تحت شرایط مختلف کارا نبوده و بندرت مورد استفاده قرار می گیرند.

پوسته های استوانهای کوتاه که به عنوانالف)فاصله بین قوسها با دال پوشانده شده است،(ب)مجموعهای از قوسهای مجاور هم که فاصله ی بین تیرها ی کناری را پوشانده اند.مقایسه این دو با (ج)طاق استوانه ای که باید در طول پایه،تکیه گاه ممتد داشته باشد،رفتار کند.

[ll]

پوسته های استوانه ای بلند

این نوع پوسته معمولا در گوشها دارای تکیه گاه است و مانند تیرهای بزرگ در جهت طولی عمل می کند.تنش خمشی در این نوع از پوسته ها مانند تیرها می باشدبه گونه ای که بخش بالایی در سرتاسر طول پوسته تحت فشار و بخش پایینی تحت کشش است.

پوسته ی استوانه ای بلند مانند تیری که فاصله ی بین دو تکیه گاه را می پوشاند رفتار می کند.افزایش تنش فشاری در بالا و تنش کششی پوسته در پایین پوسته اتفاق می افتد.

نسبت دهانه به ارتفاع در پوسته های استوانه ای بر روی مقدار تنش تاثیر داشته و آن را افزایش میدهد. همچنین افزایش این نسبتها میزان پوشش در دهانه ی بزرگ را افزایش می دهد.اگر ارتفاع از دهانه در این پوسته بیشتر باشد ارتفاع فشار تحتانی کاهش پیدا کرده و نیروی کششی در بالا امکان ایجاد پوسته ی با ضخامت کمتر را فراهم می کند. در تئوری بهترین نسبت دهانه به ارتفاع در حدود 2 می باشد،که حداقل حجم بتن و فولاد مصرفی را نیاز دارد.در عمل از نسبت های 6 تا 10به سبب ملاحظات فنی و حداقل ضخامت مورد نیاز و با توجه به قوانین ساختمانی یا ساختمانهای ساخته شده،معمول تر است.

شرایط لبه ها

سختی پوسته در دو انتهای و لبه ی طولی با مقاومت در برابر رانش بیرونی در نظر گرفته می شود.


نمودار تنش براي پوسته های استوانه ای بلند،همانطور که مشاهده می کنید تنشهای فشاری و کششی بر هم عمودند فاصله ی بین خطوط تنش اشاره به تمرکز تنش در آن ناحیه دارند.

برای مقابله با نیروی رانشی بیرونی در پوسته های استوانه ای بلند،در محل اتصال قوسها پوسته ضخیم ترمی شودو از دیوار برشی و میل مهار همانطور که در تصویر مشاهده می کنید استفاده می گردد.لبه های بیرونی پوسته به عنوان یک تیر نازک برای انتقال رانش به تکیه گاه های انتهایی عمل می نمایند و برای ممانعت از خمیدگی سخت می گردند.در نقطه ی بر خورد پوسته های همجوار،هیچگونه سخت کننده ی عرضی نیاز نیست زیرا نیروهای رانشی در هر یک بوسیله ی بقیه ی موازنه می شود.

انواع پوسته های استوانه ای:

پوسته های استوانه ای را به اشکال استوانه ای و مخروطی می توان قالب گرفت(با انحنا در یک جهت)به علاوه طاقها متقاطع هم ممکن است مورد استفاده قرار گیرد.

[ll]

موزه ی کیمبل

این موزه (1972:فورث ورث،تگزاس،مهندس معمار لویی کان،مهندس سازه:آ کامدانت)مجموعه ای با استفاده از سازه ی استوانه ای و کوششی برای پخش نور جهت ایجاد یک اثر واضح و روشن و بی انتهای معماری است.
سازه ی سقف متشکل از 14پوسته ی استوانه ای است که دهانه ای به ابعاد7*30.5 متر را می پوشاند.ضخامت پوسته 10سانتی متر و از مقطع به شکل منحنی شبه دایره است.اکثر پوسته ها دارای پنجره ی سقفی به عرض 9.14سانتی متر در مرکز پوسته ی بریده شده است.

[ll]

پوسته های زین اسبی(آنتی کلاستیک)

پوسته های آنتی کلاستیک فرمهای زین اسبی با انحنای متفاوت در هر جهت می باشند .آنها شامل اشکال مخروطی ، سهموی ، هذلولی و شبه هذلولی می باشند.همچنین دارای فرم های گونیایی نیز هستند ، زیرا خطوط مستقیم می توانند روی سطح خود ادامه یابند.
به طور عکس با حرکت یک خط مستقیم می توان یک سطح ایجاد کرد. تناقض آشکار در یک سطح با انحنای مضاعف که بوسیله خطوط مستقیم ایجاد شده است،پوسته های زین اسبی را از نظر بصری جالب و برای قالب گیری آسان می سازد.

ایجاد سطح
مخروط بوسیله حرکت رفت و برگشت یک طرف خط مستقیم در طول یک مسیر منحنی بوجود می آید (معمولا یک قوس مدور یا یک سهمی ) و حرکت رفت وبرگشت انتهای دیگر در طول یک خط مستقیم یا یک منحنی با خیز بیشتر ، شبه هذلولی ها (هایپار )با حرکت رفت و برگشت سهمی محدب در طول یک سهمی مقعر با همان انحنا بوجود می آیند .همان سطح میتواند با حرکت رفت و برگشت یک خط مستقیم در یک مسیر مستقیم در یک سمت و خط مستقیم دیگر (نسبت به خط اول مایل) ایجاد شود .هذلولی سهموی ها با چرخش یک خط مستقیم (مورب تحت یک زاویه ) حول یک محور عمودی ساخته می شوند. بخش عمودی عبور کننده از این محور ، یک هذلولی - سهموی است .

سطح تولید شدهه از مخروط بوسیله ی حرکت یک خط مستقیم در طول مسیر منحنی و دیگر انتها در طول خط مستقیم،توجه کنید که مقاطع بصورت قطری بریده شده اندو به خطوط مستقیم تولید شده
(خط چین)منحنی شده و فرم زین اسبی کم ارتفاعی را ایجاد کرده.

دو شیوه برای ایجاد یک سهمی هذلولی

رفتار سازه ای

به طور معمول تنش در پوسته های زین اسبی متناسب با جهت انحنا میباشند . برای سقفهای پوسته ای تنش های فشاری منتج از منحنی محدب میباشند .(عملکرد قوسی)،در حالی که تنشهای کششی منتج از منحنی مقعر میباشند(عملکرد آویز)