کارگاه عملی - آموزشی  هدراکریت hedracrete

 

اساتید:   مسعود اکبرزاده / مهراد مه‌نیاامیرحسین تبریزی /  رامتین طاهریان

تاریخ برگزاری:  20 تیرماه  تا  8 مهرماه ماه ماه 1395

دانشجویان:

مریم ملااسدلله  /  احسان حیدری زادی  /  پرهام قلی زاده /  نیلوفر ایمانی/ محمدحسین کریمی  /  مهرزاد اسماعیلی چرخاب  /  علیرضا بایرام وند /  فاطمه صالحی امیری  /  پوریا گچ پزان  /  مریم شهابی / مبین موسوی  /   سبحان سرابی  /  محمد ابراهیمی  /  آرمین شایان پور  /  نسترن سعیدی  /  پدرام کریمی  / سروش گریوانی  /  شهریار آباد  /  عطیه سادات فخرحسینی /  ستاره هوشمند  / سحر برزنی  /  نیلوفر نامدار/  سیدعلی میرزاده  /   آیه فتوت  /  کیمیا صفا خواه /  آناهید عطاران /  نعمت اله   صفری  / بنفشه توسلی   / سپهر فرزانه                                                                                                                 

 

توضیحات دوره:

ایستایی ترسیمی سه بعدی

روش های هندسی طراحی سازه یکی از تکنیک‌های طراحی و تولید فرم‌ می‌باشند که در دوره‌ی ماقبل ابزارهای دیجیتال بنیانگذاری شدند و استفاده از آنها تا به امروز ادامه دارد. یکی‌ از معروف ترین این روش ها استاتیک ترسیمی یا هندسی است که بر اساس وابستگی هندسی بین فرم سازه و نمودار نیروهای موجود در سیستم پایه‌ریزی شده است. در روش ایستایی ترسیمی، هندسه سازه با دیاگرام «فرم»، و تعادل و شدت نیروها با دیاگرام «نیرو» ارائه می‌شوند. هردوی این دیاگرام‌ها مشخصات خصوصیات هندسی خاصی دارند، بنابراین درک تعادل نیروها و کنترل هندسه سازه در مقایسه با سایر روش‌ها برای طراحانی که دانش سازه‌ای ندارند، ساده‌تر است. علاوه بر این، از آ‌نجایی که تغییر در هر دیاگرام اثرات مستقیم و قابل مشاهده در دیاگرام دیگر دارد، در این روش طراح کنترل بیشتری بر میزان و نحوه اثر نیروهای داخلی‌ و فرم نهایی سازه دارد. این خاصیت وابستگی دوگانه و رابطه رفت و برگشتی، ایستایی ترسیمی را به یکی‌ از محبوب‌ترین روش‌های طراحی بر اساس رفتار سازه‌ای در دنیا تبدیل کرده است. علاوه بر این، چون دیاگرام نیروها بر اساس اصول هندسی است، با بهینه کردن طول اعضا در دیاگرام نیرو، میزان نیرو در اعضای داخلی سازه و در نتیجه فرم هندسی سازه هم بهینه خواهد شد.

در این مرحله بیان دو نکته الزامی است:

1.ارتباط رفت و برگشتی بین دیاگرام فرم و دیاگرام نیرو

 مسیر حرکت طراحی سازه می‌تواند هم با طراحی دیاگرام فرم و هم با طراحی دیاگرام نیرو آغاز شود. با توجه به الگوریتمی که در نرم‌افزار راینو برای محاسبه‌ی این نوع سازه‌ها طراحی شده است، طراح با طراحی یکی از این دو دیاگرام می‌تواند دیاگرام دیگر را به دست آورد و رابطه‌ای زنده و رفت و برگشتی بین این دو برقرار است به گونه‌ای که ایجاد تغییرات در یکی، باعث ایجاد تغییرات آنی در دیاگرام دیگر می‌شود. و همواره هر چند وجهی بسته در دیاگرام نیرو با یک نقطه‌ی اتصال در دیاگرام فرم متناظر است و بالعکس. از سوی دیگر هر خط در دیاگرام فرم با یک صفحه از دیاگرام نیرو در ارتباط نظیر به نظیر قرار دارد.

2.خطوط دیاگرام فرم در واقع نمایانگر تار خنثیِ سازه نهایی می‌باشند و مقطع مورد نظر می‌باید در اطراف آن‌ها به یک میزان گستره شود. با توجه به ارتباط نظیر به نظیر این خطوط با صفحات دیاگرام نیرو، مساحت صفحات بیانگر مساحت نسبی مقاطع می‌باشد. به بیان دیگر برای محاسبه‌ی مساحت مقطع هر یک از اعضا، ابتدا می‌باید مساحت هر یک از صفحات نیرو را محاسبه، و بر اساس مقاومت مصالح مورد استفاده ضخامت نهایی آن‌ها را محاسبه کرد.

نکته‌ی حائز اهمیت برای دستیابی به سازه‌ای تمام فشاری یا تمام کششی در این روش،‌ حفظ توپولوژی دیاگرام نیرو به گونه‌ایست که تمام چندوجهی‌های تشکیل دهنده و چندوجهی محاط بر دیاگرام نیرو، چندوجهی‌هایی بسته باشند. باز بودن هر یک از چندوجهی‌های فوق‌الذکر بیانگر غیر ایستا بودن سیستم بوده و می‌باید راه‌کاری برای تبدیل آن به چندوجهی بسته اتخاذ کرد.

روند طراحی تا رسیدن به فرم انتخابی

روند طراحی در دوره به صورت کارگروهی شرکت کنندگان و ارائه 5 طرح اولیه از جانب هر گروه برای شرکت در جلسه‌ی داوری و انتخاب یک طرح از بین ۵ طرح جهت ساخت یک به یک بوده است. مراحل طراحی تا شروع ساخت قطعات طرح را در مراحل زیر می‌توان خلاصه کرد، که در تمامی ۵ طرح ارائه شده مشترک بوده و در مورد طرح برگزیده به صورت دقیق‌تر مورد بررسی قرار گرفته است که به تفسیر در ادامه به آن پرداخته خواهد شد.

۱. طراحی دیاگرام فرم و نیرو بر اساس جنبه‌های پژوهشی و ویژگی های سایت پروژه

۲. انتخاب روش تبدیل خطوط دیاگرام فرم به حجم سازه ای 

۳. مشخص کردن بخش‌هایی از سازه که تحت نیروی کششی واقع شده و می‌بایست تحمل نیروی کششی را نیز داشته باشند.

۴. تقسیم‌بندی قطعات سازه از لحاظ تکنیک ساخت قالب

۵. طراحی اتصالات قطعات بتنی

۶. طراحی اتصالات تکیه‌گاهی

 

دیاگرام فرم و نیرو

طراحی دیاگرام فرم و نیروی پروژه بر گرفته از منطق فرکتال در سه بعد می‌باشد. در این مرحله هدف اصلی به حداقل رساندن تعداد تکیه‌گاهها و بیشترین پیچیدگی اجزای سازه ای از لحاظ زوایای اتصال بازوها و ترکیب فضایی قطعات تعیین شد. سازه‌ی مذکور در محل اتصال با زمین مثلثی به طول ضلع 6.5 متر را در بر می‌گیرد که این ابعاد در بالاترین نقطه ی سازه به 10 متر می‌رسد. هر تکیه‌گاه سه عضو دارد که در پایین‌ترین نقطه‌ی دیاگرام فرم به یکدیگر متصل می‌شوند. در مرحله‌ی طراحی حجمی به علت مسائل سازه‌ای برای کاهش نیروی برشی در تکیه‌گاهها خط اتصال با زمین بیست سانت بالاتر از نقطه ی تکیه‌گاهی دیاگرام نیرو در نظر گرفته شد تا هر عضو از اعضای سه‌گانه ی تکیه‌گاه‌ها به صورت جداگانه به صفحه‌ی فلزی پایه متصل شوند.

سطح فوقانی سازه مجموعه‌ای از اعضای کاملا مسطح است که امکان بارگزاری های آتی و کاربرد سازه به عنوان عناصر انتقال نیروی یک بنای قابل سکونت را فراهم می‌کند. اعضای واقع در گوشه‌های کار در قسمت فوقانی به صورت طره در نظر گرفته شده‌اند تا امکانات این نوع سازه‌ها برای بخش‌های پیش آمده نیز بررسی شود.

در نهایت باید به این نکته اشاره کرد که سازه‌ی انتخاب شده به نسبت دیگر طرح‌های اولیه بیشترین تخلخل، کاهش تعداد قطعات در قسمت‌های تحتانی، بیشترین گستردگی در فضا و کمترین میزان قطعات و مصالح را به نسبت فضای اشغال شده دارا می‌باشد.

طراحی حجمی

طراحی حجمی که از آن با عنوان Volumetric Design یاد می‌شود یکی از پیچیده‌ترین بخش‌‌های پروژه‌هایی است که در آن می‌باید یک شبکه از خطوط فضایی تبدیل به حجم شوند. در این مرحله خطوط دیاگرام فرم می‌باید به اطراف حرکت می‌کردند به گونه‌ای که خطوط جدید متناظر نیز در فضای سه بعدی یکدیگر را قطع کنند و با اتصال این خطوط به یکدیگر حجم سازه به وجود آید. در مرحله‌ی اول برای یافتن تناظر بین اجزای سازه با یکدیگر از روش Convex Hull در نقاط اتصال بازوها به یکدیگر استفاده شد. در این روش ابتدا نقطه‌ای با فاصله ثابت از نقاط اتصال در هر یک از بازوها در ایجاد و با اتصال این نقاط به یکدیگر به روش Convex Hull یک چند وجهی در هر اتصال تولید شد. هر Convex Hull با اتصال وجه‌های آن به نقطه‌ی اتصال بازوها تبدیل به تعدادی هرم با قاعده‌ی مثلث شد که می‌توانست برای یافتن تناظر بین بازوها از آنها استفاده کرد. میزان فاصله خطوط جدید از خط اولیه بر اساس آنالیزهای سازه و تناسبات به دست آمده از مساحت صفحات دیاگرام نیرو محاسبه شد. 

آنالیز سازه

در این مرحله سازه ی طراحی شده با استفاده از یک نرم افزار تحلیل سازه‌ی المان (FEM) محدود به نام Karamba مورد آنالیز قرار گرفت تا از یک طرف ضخامت هر یک از بازوها محاسبه شود و از طرف دیگر عملکرد سازه‌ای سازه‌ی طراحی شده مورد آزمایش قرار گیرد. برای محاسبه‌ی ضخامت قطعات در این مرحله الگوریتمی نوشته شده است تا تناسب ابعاد مقطع قطعات را از دیاگرام نیرو استخراج کرده و بر اساس تحلیل عملکرد سازه ای و مقاومت مصالح انتخابی بهترین ضخامت برای هر یک از بازوها محاسبه شود. 

مقاومت مصالح

همزمان با انجام تحلیل سازه‌ای، بتن مورد استفاده در محصول نهایی برای انجام آزمایشات غیر مخرب به آزمایشگاه فرستاده شد. مقاومت بتن آزمایش شده طبق جدول مندرج در تصویر بالا حدود 230 مگاپاسکال می‌باشد که برای سازه‌ای با وزن زنده‌ی ناچیز بسیار ایده‌آل است.

قالب بازوها

پس از انجام مراحل طراحی حجمی سازه، در مرحله‌ی بعد باید قالب قطعات جهت ارسال به پیمانکاران مربوط به هر بخش آماده شود. برای صرفه‌جویی زمانی و اقتصادی، قطعات به دو دسته‌ی بازوها و اتصالات تقسیم‌بندی شدند. این تقسیم‌بندی بر اساس خانواده هندسی هر یک از اعضا صورت گرفت. بازوها از دسته‌ی احجام تک-قوسی می‌باشند که به نسبت اتصالات که احجامی دوقوسی هستند، از سطح پیچیدگی پایین‌تری برخوردارند. قالب بازو‌ها از دو بخش تشکیل شده‌اند که هر بخش پس از برش توسط دستگاه سی.ان.سی ۴ محوره سیم داغ ، در کنار هم قرار گرفته و قالب اصلی کار را می‌سازند. 

تعداد کل قطعات بازوها 84 عدد بود که با توجه به تقارن مرکزی سازه‌ی طراحی شده و تشابه قطعات در هر یک از سه بخش اصلی سازه، به ازای هر سه قطعه یک قالب از فوم پلی استایرن چگالی 25 ساخته شد. برای امکان استفاده مجدد از قالب‌ها در بتن‌ریزی‌های متمادی، سطح خارجی قطعات با سه لایه رزین اپوکسی پوشانده شد تا مقاومت قالب‌ها افزایش پیدا کند.

 

قالب اتصالات

قطعات اتصالی که در محل تقاطع بازوها قرار می‌گیرند و نقش قطعه‌ی واسط و تعیین کننده‌ی زاویه‌ی فضای آن‌ها را ایفا می‌کردند، به علت دو قوسی بودن از پیچیدگی بیشتری برخوردار می‌باشند. برای ساخت این قالب‌ها از مصالح فوم پلی‌استایرن مشابه استفاده شد با این تفاوت که تکنیک ساخت مورد استفاده در این اعضا  تراشکاری با ماشین سی.ان.سی ۳ بوده تا امکان ساخت پیچیدگی قالب‌ها فراهم شود. 

اتصالات قطعات بتنی میانی

با توجه به عملکرد فشاری سازه، اتصال بین قطعات می‌باید به صورت خشک باشد. در نتیجه برای اتصال بین قطعات از اتصالات نر و ماده لوله‌ای استفاده شده است، بدین صورت که قطعه داخل بازوها نری از لوله فلزی قطر 20 میلی‌متر و مادگی داخل قطعات واسط لوله‌ی به قطر 25 میلی‌متر در نظر گرفته شد. برای درگیری بیشتر بین لوله‌های فلزی و قطعات بتنی، میلگردهایی به طول حدود 10 سانتیمتر به بخش داخلی لوله‌های نری و مادگی جوش داده شد تا استحکام قطعات افزایش پیدا کند.

 

اتصالات قطعات کششی فوقانی

در قسمت فوقانی سازه، قطعات در کنار نیروی فشاری ‌باید نیروی کششی را هم تحمل کنند. چرا که در فقدان وجود نیروی خارجی، و برای شبیه‌سازی این نیرو که در دیاگرام‌های نیرو و فرم در نظر گرفته شده است، می‌باید نیرویی خلاف جهت آن در سازه در نظر گرفته شود. این قطعات به صورتی طراحی شده‌اند که در داخل هر کدام یک میلگرد شماره 10 قرار داده شده است. هر دو سر این میلگردها رزوه شده تا با اتصال خشک به صفحه‌ی فلزی قطعات بتنی متصل شوند.

اتصالات تکیه‌گاهی

اتصالات تکیه‌گاهی به صورت یک ورق ۱۵ میلی‌متر و سه قطعه‌ی فلزی خم خورده برای هر پایه طراحی و ساخته شده‌اند. قطعات هر پایه ابتدا از ورق ۵ میلیمتری آهن با دستگاه برش لیزر بریده شده، با دستگاه خم سی.ان.سی خم خورده و سپس به یکدیگر متصل شده‌اند. اتصال قطعات بتنی به پایه‌ها به صورت نر و ماده و خشکه می‌باشد. برای جلوگیری از نیروی رانشی که میزان آن بر اساس مولفه‌ی افقی بردار عکس‌العمل تکیه‌گاهی در دیاگرام تعریف شده است، هر یک از سه تکیه‌گاه به وسیله‌ی قوطی‌های فلزی به دو تکیه‌گاه دیگر متصل شده است.