سقفها
سقف به قسمتی از ساختمان اطلاق میشود که برای پوشش و تقسیم طبقات ساختمان از هم ساخته میشود و در صورتی که حدفاصل بین ساختمان و هوا باشد آن را بام نامند.
سقفها را بطور کلی به سه دسته به شرح زیر تقسیم میکنند:
1- سقفهای مسطح مستوی یا مسطح
2- سقفهای شیبدار
3- سقفهای کاذب
هر کدام از انواع سقفهای فوق بر حسب آنکه با چه نوع مصالحی ساخته شوند دارای انواع مختلف میباشند که جداگانه مورد بررسی قرار میدهیم:
سقفهای مستوی یا مسطح
- سقفهای مستوی چوبی
سقفهای مستوی چوبی را بیشتر در ساختمانهای چوبی یا تودهای که نیروها به وسیله دیوارها به پی و زمین منتقل میشوند و همچنین در نقاطی که چوب ارزان و فراوان در دسترس باشد، ساخته میشوند.
سادهترین سقفهای مسطح چوبی آنهایی هستند که بیشتر در مناطق روستائی و بطور خیلی ساده ساخته میشوند.
پس از ساختن دیوارها، که غالباً از آجر یا سنگ و گاهی از خشت خام است. سقف را به کمک تیرهای چوبی گرد که دو سر آنها به فواصل معین بر روی دیوار قرار گرفته و روی آنها تختهکوبی میکنند، میسازند.
بهترین اجرای سقفهای فوق به این صورت است که پس از تیرریزی، روی آنها را با تختههای نسبتاً منظم و درزبندی شده پوشانده و سپس یک لایه حصیر یا نی بافته شده روی آن میکشند و سپس کفسازی میکنند. گاهی اگر تختههای پوشش قطور و نسبتاً طولانی باشند. همان را به عنوان سقف و کف استفاده میکنند.
برای ساختن یک سقف مستوی چوبی کامل و با استاندارد بالا باید پس از اتمام دیوارها روی آنها را با تیرهای چوبی که به صورت چهارتراشهای یک اندازه و دقیق بریده شدهاند تیرریزی نموده و سپس روی چهارتراشهای فوق را با چهارتراشهای کوچکتر یک اندازه که در جهت عمود به تیرهای اول نصب میشوند پوشش نمود آنگاه تختههای رنده شده با ابعاد مشخص و ضخامت معین را روی چهارتراشهای کوچکتر کوبید.
- سقفهای مستوی آجری
سادهترین سقفهای مستوی آجری سقف ضربی معمولی است که به کمک تیرآهنهای پوشش ساخته میشوند.
تیرآهنهای پوشش که بر حسب دهانه و بارهای وارده و همچنین فاصله آنها از یکدیگر محاسبه میشوند روی دیوارهای طرفین و یا به تیرآهنهای قویتر، که پل نامیده میشوند، اتصال و نصب میکنند. سپس بین آنها را با طاقهای ضربی آجری می پوشانند.
- سقفهای آجری مستوی توخالی با تیرآهن
گاهی به جای طاق ضربی معمولی از بلوکهای آجری توخالی که به اشکال مختلف ساخته میشوند استفاده میکنند و به کمک آجرهای توخالی فاصله بین تیرآهنها را پوشش مینمایند.
در ضمن نوع چیدن و ابعاد بلوکهای سفالی و یا سیمانی توخالی بستگی به نوع تیرآهنهای پوشش سقف دارد.
سقفهای آجری توخالی بدون کمک تیرآهن (سقفهای سفالی)
- سقفهای سفالی بدون تیرچههای پیشساخته شده
این سقفها را به کمک بلوکهای آجری توخالی نسبتاً بزرگ و با استفاده از میلگرد و بتن میسازند. ساخت سقفهای فوق بدین صورت میباشد که قبلاً قالبریزی لازم در ارتفاعی که باید آجرها و سقف قرار گیرند با تختههایی به عرض 20 تا 25 سانتیمتر و ضخامت 4 تا 5 سانتیمتر و طول بین 3 تا 5 متر را با کمک پایههای چوبی مستقر میکنند.
سپس بلوکهای سفالی را که در ارتفاع آنها بر حسب دهانه و وزن سقف فرق میکند روی قالب طوری قرار میدهند که لبههای کناری تقریباً در وسط قالب قرار گیرد. آنگاه میل گردهای لازم را نصب نموده و پس از تراز کردن سقف که به کمک گره های چوبی زیر پایه ها انجام می گیرد بتن ریزی می نمایند.
بلوکهای سفالی را طوری میسازند که فاصله لازم بین آنها وجود داشته باشد تا پس از بتنریزی و پر شدن آنها از قبل مانند تیرچههای بتنی عمل نمایند.
- سقفهای سفالی با تیرچههای پیشساخته
تیرچههای پیشساخته ممکن است به صورت تمام فولادی، تمام بتن مسلح ( پیش تنیده و یا ساده) و یا قالبهای سفالی ساخته شوند.
تیرچه های تمام فولادی از قطعات نبشی، سپری، تسمه و یا ورق خم شده تهیه میشوند.
تیرچههای فنری را که معمولاً از ورق خم شده تهیه میکنند از دو قسمت فوقانی و تحتانی تشکیل میگردد.
اتصال دو قسمت فوقانی و تحتانی با تسمه و یا از خم کردن ورق اصلی و با کمک جوش صورت میگیرد.
تیرچههای تمام بتن مسلح را ممکن است ساده و یا به صورت پیش فشرده تهیه کنند. تیرچههای تمام بتن مسلح ساده از بتن و میلگرد میسازند.
این تیرچهها از میلگرد خرپائیشکل، و یا در پارهای موارد از ورق فلزی، که در بالا و قسمت تحتانی محکم شده است ساخته میشوند.
تیرچههای با قالبهای سفالی که معمولترین نوع از انواع تیرچههای پیشساخته در ایران است را از بتن و میلگردهایی که معمولاً آجدارند و با استفاده از قالبهای سفالی میسازند.
- سقفهای مستوی بتنی
سقفهای مستوی بتنی که غالباً به کمک میلگردهای تقویتی مسلح ساخته میشوند. بیشتر در ساختمانهای اسکلتی بتن آرمه مورد استفاده قرار میگیرند و دارای انواع مختلفی میباشند.
- سقفهای بتن مسلح صفحهای ساده
این نوع سقف را در مواقعی که دهانه سقف کوچک و در حدود سه متر بیشتر نباشد میتوان ساخت.
ضخامت این سقفها بستگی به دهانه و بارهای وارده داشته و ازcm 8 کمترcm 20 زیادتر نخواهد بود.
تکیهگاه این سقفها ممکن است دیوارهای آجری و یا تیرهای بتنی و یا پلهای فلزی باشد.
آهنبندی سقفهای صفحهای معمولاً بطور ساده و به صورت شبکهای انجام میشود، به این ترتیب که یک شبکه میلگرد در زیر و شبکهای دیگر در رو قرار میدهند و برای آنکه شبکههای بالا و پائین فاصله لازم از یکدیگر داشته باشند از میلگردهای خم شده به شکل U و یا گاهی آجر و یا تیرچوبی استفاده میکنند.
به این ترتیب که در موقع بتنریزی در زیر شبکه فوقانی میلگردهای مذکور یا آجر و غیره را قرار داده و همینکه بتنریزی به مجاورت آنها رسید را برداشته و در فاصلهای حدود یک تا دو متر از محل بتنریزی قرار میدهند و این عمل را تا خاتمه بتنریزی مرتب تکرار میکنند.
- سقفهای بتن مسلح دندانهای
اگر دهانه و بارهای وارده به سقف بیش از اندازهای باشد که نتوان سقف مسطح ساده بکار برد اجباراً از سقف مسلح دندانهای استفاده میشود.
در این حالت بین تیرهای اصلی به فواصل لازم و معین تیرچههای فرعی ساخته و بار سقف را به کمک تیرچهای مذکور به تیرهای اصلی منتقل میکنند.
اگر سقفی که به ترتیب فوق ساخته شده است از زیر نگاه کنیم ضخامت تیرچههإ؛ ظظ مشاهده میشود. به همین جهت آن را دندانهای نامند.
باید توجه نمود که بتنریزی سقف و تیر و تیرچهها حتیالمقدور با هم صورت گیرد و فاصله زیادی بین آنها بوجود نیاید و یا به عبارت دیگر بتنریزی سقف قطع نشود.
ولی اگر مجبور به قطع بتنریزی شویم باید سعی شود که بتن را در محل تیرها قطع نمائیم و حداقل آن را در فاصله4/1دهانه از وسط متوقف سازیم و در موقع شروع بتنریزی مجدد محل اتصال را با دوغاب غلیظ سیمان آغشته سازیم.
- سقفهای بتن مسلح مضاعف یا دوبل
گاهی برای جلوگیری از دیده شدن دندانهها در زیر و همچنین برای عبور لولههای آب و فاضلاب و نظائر آن ممکن است سقفهای بتن مسلح را بطور مضاعف بسازند.
ولی به علت اشکالات زیر تقریباً جز در موارد خاص و به منظورهای معین، از سقفهای بتنی مضاعف استفاده نمیشود.
قالببندی این سقفها به مراتب مشکلتر از قالببندی سقفهای دندانهای معمولی است و سطح زیادی را باید قالببندی کرده بعلاوه مقدار زیادی از قالبها در کار باقی مانده و به صورت قالب گمشده درمیآید.
بتنریزی سقفهای مضاعف باید در دو یا چند مرحله انجام شود، به این ترتیب که پس از آهنگذاری، قسمت زیر را بتنریزی نموده و سپس تیرها و تاوه بالا را بسته و آنگاه بتنریزی آنها را انجام داد.
- سقفهای بتن مسلح معکوس
اگر به عللی مجبور شویم که صفحه بتنی (تاوه) سقف را به جای آنکه در بالای تیرچهها و تیرها قرار دهیم در پائین آنها بسازیم در این صورت یک سقف بتن مسلح معکوس خواهیم داشت.
در حقیقت یک سقف بتن مسلح معکوس همان سقف دندانهای است که به صورت معکوس ساخته شده است.
در ضمن اجرای سقفهای معکوس به مراتب مشکلتر از سقفهای بتنی دندانهای است، زیرا امکان قالببندی تیرها و تاوه، و همچنین بتنریزی آنها، با هم وجود ندارد.
- سقفهای بتن مسلح قارچی
علت آنکه این نوع سقفها را قارچی گویند آن است که سقف به صورت قارچ درآمده و تیر و تیرچه و تاوه به صورت یک پارچه میشوند.
این سقفها ممکن به صورت پلکانی نیز ساخته شوند بطوریکه تیرها بتدریج به صورت پلکان به تاوه تبدیل شوند.
- سقفهای بتن مسلح با قالبهای توخالی
این سقفها که به اشکال مختلف ساخته میشوند از یک سری تیرچههای بتنی پیشساخته، و یا ساخته شده در محل، که به وسیله دال نازک بتنی، و یا به کمک بلوکهای توخالی بتنی، بهم وصل میشوند ساخته میشوند.
- سقفهای توخالی با قالبهای مخصوص
شکل کلی این سقفها که به صورت دوطرفه محاسبه شده و کار میکنند و از یک سری تیرچههای بتنی و تاوههای نازک که در محل ریخته میشوند، ساخته شده است.
قضاوت عمده این سقفها با سقفهای بتنی دندانهای این است که فاصله دندانههای و تیرچهها از هم در این نوع سقف به مراتب کمتر و در حدودcm 50 است و به همین علت ارتفاع آنها نیز به مراتب کمتر است.
گاهی برای آنکه دندانهای در زیر سقف ایجاد نشده و سقف به صورت صفحهای و یک پارچه مشاهده شود ممکن است از بلوکهای سیمانی به سفالی که در کار باقی میمانند استفاده کرد.
- سقفهای کاذب
سقفهای کاذب به دستهای از سقفها اطلاق میشود که در صورت ظاهر نظیر سقفهای معمولی بوده ولی وظایف یک سقف را که تحمل نیروها و بارهای وارده و انتقال آنها به پایهها یا تیرهای حمال میباشد انجام نمیدهند.
سقفهای کاذب را بیشتر برای جلوگیری از دیده شدن لولههای آب و فاضلاب کانالهای تهویه و نظائر آنها ساخته میشوند. گاهی نیز سقفهای کاذب را به منظور زیبائی بیشتر و تزئینات در ساختمان بکار میبرند.
بر حسب آنکه سقفهای اصلی و کاذب از چه مصالحی ساخته میشوند نحوه اجرای کار تا اندازهای با هم متفاوت است که در ذیل روش کلی آنها شرح داده میشود.
- سقفهای کاذب آجری
مقصود از سقف کاذب آجری آن است که سقف کاذب را از آجر و به کمک تیرآهن، نبشی و یا سپری نظیر سقفهای آجری با طاق ضربی معمولی بسازیم. سقفهای کاذب آجری را در ساختمانهای کوچک آجری و در مواقعی که مقدار کار کم باشد میسازند.
برای ساختن سقف کاذب آجری معمولاً از تیرآهن و آجر، عیناً مانند سقفهای آجری معمولی، استفاده میشود فقط چون سقف مذکور معمولاً وزنی جز وزن خود را تحمل نمیکند نمره تیرآهن از سقف آجری معمولی نظیر خودش کمتر است و به همین جهت گاهی به جای تیرآهن میتوان اسپری یا نبشی هم استفاده کرد.
اگر دیوارهای طرفین نازک بوده و نتوانند وزنی را تحمل کنند در این صورت میتوان تیرآهنها یا سپریهای سقف کاذب آجری را به وسیله میلگرد به تیرآهنهای سقف اصلی اتصال داده و بار سقف کاذب را به سقف اصلی انتقال داد.
- سقف کاذب با رابیتس
غیر از سقف کاذب آجری که غالباً وزن خود را به دیوارها و یا پایههای مجاور منتقل میکند سایر سقفهای کاذب وزن خود را به سقف اصلی وارد و تحمل مینمایند، بدین معنی که سقف کاذب را به وسیلهای به سقف اصلی متصل و آویزان میسازند.
اگر سقف اصلی آجری باشد برای اتصال سقف کاذب باید پس از ساختن سقف اصلی میلگردهائی که قطر آنها بین 6 تا mm10 میباشد. به فواصل معین و به طول لازم، که بستگی به فاصلهای که سقف کاذب باید از سقف اصلی داشته باشد دارد، به تیرآهنهای سقف جوش داد و سپس شبکهای از میلگرد که به میلگردهای فوق وصل میشود ایجاد نمود.
محل برخورد میلگردهای شبکه به یکدیگر را با سیمهای گالوانیزه میبندند و اتصال شبکه به میلگردهائی که به سقف متصل شدهاند با قلاب کردن آنها به هم و بستن آنها با سیمهای گالوانیزه و یا با جوش صورت میگیرد.
شبکه میلگردی که برای بستن و نصب رابیتس به آنها درست میکنیم ممکن است از یک سری میلگردهای با قطر مساوی و یا با قطرهای متفاوت ساخته میشود.
اگر قطر میلگردها را مساوی بگیریم میتوان فاصله میلگردهای اتصال از سقف را کمتر و ابعاد شبکه میلگردها را بیشتر گرفت. باید سعی شود که در محل برخورد میلگردهای شبکه بهم حتیالمقدور یک میلگرد اتصال داشته باشیم.
اگر قطر میلگردها را متفاوت بگیریم بهتر است. بدین ترتیب که یک سری میلگرد قطورتر را به صورت موازی و به فاصله حدود یک متر از هم به میلگردهای اتصال وصل کرده و سپس در جهت عمود بر آنها میلگردهای نازک را به فاصله حدودcm 50 وصل میکنیم. به این ترتیب شبکهای در حدود cm 50 *100 خواهیم داشت که هم دارای استقامت بیشتری بوده و همارزانتر تمام میشود.
روش بهتر به این ترتیب است که به میلگردهای اتصال، سپریها را جوش کرده و شبکه میلگرد زیر را به سپریهای فوق وصل نمود.
اگر سقف با تیرچههای بتنی پیشساخته شده و بلوکهای سفالی یا بتنی ساخته شود برای نصب میلگردهای اتصال بهتر است میلگردها را در محل قرار گرفتن بلوکها روی تیرچهها قرار داد.
زیرا اگر میلگردها را در محل قرار گرفتن دو بلوک پهلوی هم در بالای سقف نصب شوند علاوه بر اینکه ضخامت میلگردها باعث میشود فاصلهای بین بلوکها ایجاد شده و در موقع بتنریزی مقدار بتن و یا شیره آن از بین برود طول آنها را نیز باید به اندازه ضخامت بلوکها زیادتر گرفت، بعلاوه گاهی به علت ضخامت کم بتن روی بلوکها قلابهای میلگردهای اتصال کاملاً در داخل بتن قرار نمیگیرند.
- سقف کاذب با صفحات اکوستیک
صفحات اکوستیک که غالباً از اجسام سبک و متخلخل نظیر چوبپنبه، مقوا و پلاستوفوم و نظائر آنها ساخته میشوند، به ابعاد و اشکال مختلف وجود دارند.
امروزه صفحات اکوستیک و یا ضد صوت را که برای ساختن سقفهای کاذب، به منظور جلوگیری از انعکاس و انتقال صوت و همچنین به منظور زیبائی و تزئینات ساختمان، بکار میبرند با اجسامی نظیر گچ ( به صورت صفحات نازک متخلخل یا ساده) و یا صفحات نازک آلومینیومی متخلخل نیز میسازند.
در مورد صفحات اکوستیک آلومینیومی علاوه بر متخلخل کردن آنها گاهی آنها را به صورت دولایه که در وسط آنها اجسامی مانند پشم شیشه قرار میدهند، و همچنین به رنگهای مختلف میسازند.
برای ساختن سقف کاذب با صفحات اکوستیک به طریق زیر عمل میکنند:
اتصال سقف کاذب به سقف اصلی نظیر آنچه در مورد سقفهای کاذب با رابیتس گفته شد میباشد، بدین معنی که قبلاً میلگردهای اتصال را به سقف اصلی محکم کرده و سپس سقف کاذب را به وسیله آنها به سقف اصلی متصل میکنند.
تنها تفاوتی که در مورد اتصال میلگردهای اتصال در این حالت وجود دارد آن است که چون ابعاد صفحات پوشش سقف کاذب معین و ثابت است فاصله میلگردهای اتصال از هم باید با دقت بیشتری تنظیم گردد.
اتصال صفحات سقف کاذب به میلگردهای اتصال بر حسب نوع صفحات به روشهای مختلف استفاده میشود.
اگر صفحات اکوستیک از نوع چوبپنبهای با پلاستوفوم و نظائر آن باشد، بطوریکه بتوان آنها را به کمک میخ یا چسب به چوب وصل نمود، قبلاً شبکهای چوبی به میلگردهای وصل نموده و آماده میسازند.
اگر صفحات پوششی از نوع صفحات نازک گچی و نظائر آن باشد که معمولاً وزن زیادتری نسبت به صفحات فوقالذکر دارند، در این صورت آنها را غالباً به کمک سپریهای آلومینیومی به میلگردهای سقف وصل میکنند، به این ترتیب که قبلاً سپریهای آلومینیومی را به میلگردهای اتصال به کمک قلابهای مخصوص وصل کرده و پس از تنظیم نمودن آنها صفحات اکوستیک گچی را در لبههای آنها قرار میدهند.
در صورتیکه صفحات از نوع فلزی که غالباً به صورت نوارهای نازک ساخته میشوند باشد در این صورت آنها را به صورت کشوئی در لبههای بالهای سپریهای فلزی مخصوص (معمولاً آلومینیومی) قرار میدهند.
سقفهای فولادی با دهانه بزرگ
امروزه سقفهائی با دهانه زیاد را با کمک روشهای نوین و تکنولوژیهای پیشرفته و با استفاده از مصالح مختلف به ویژه فولاد میتوان طراحی و اجرا نمود.
این سقفها که معمولاً برای پوشش سالنهای ورزشی، نمایشگاهها و نظائر آن ساخته و مورد استفاده قرار میگیرند غالباً به عنوان آخرین سقف و یا به عبارت دیگر بام طراحی و ساخته میشوند، این امر به ویژه اگر سقف از نوع پوستهای و قوسی باشد حتمی است.
یکی از مناسبترین سقفهای فولادی با دهانههای زیاد که برای نه فقط ساختمانهای خاص و سالنهای بزرگ کاربردی دارند بلکه در موارد نه چندان نیز قابل اجرا و استفادهاند سقفهای به اصطلاح لانهزنبوری است.
این سقفها فواصل ستونی آنها زیاد است و از یک قالب هرمی شکل و معکوس تشکیل شدهاند و حالت خاص و ساده از سقفهای فضائی میباشند.
سقف های پوسته ای
پوستهها (Shells) یکی از فراوانترین و متنوعترین انواع فرمهای ساختمانی هستند که در دنیای فیزیکی اطراف ما یافت میشوند. فرمهای پوستهای از لحاظ هندسی، سطوحیاند که حجمی از فضا را از تعبیه فضا جدا میکنند.
از نظر مکانیکی، ساختمانهای پوستهای، سازههائیاند که از عناصر باربرنده پوستهای شکل تشکیل میگردد. این ساختمانهای پوستهای از نظر مهندسی از عالیترین انواع سازهها بشمار میروند.
یکی از اقدامات اصلی مربوط به طرح سقفهای پوستهای انتخاب شکل هندسی و طرح سازمان انتقال نیرو توسط ساختمان پوستهای میباشد.
عواملی که در این تصمیمگیری مؤثرند عبارتند از:
نوع و هدف طرح ساختمان، شکل هندسی و ابعاد، شرایط تکیهگاهی و نیروئی و بالاخره شرایط اجرائی ساختمان.
یکی از ملاحظات مهم در طرح سقفهای پوستهای، توجه به کلیت ساختمان و چگونگی ارتباط پوسته اصلی با عناصر دیگر است.
این نکته از لحاظ رفتار تمامی ساختمان و تعادل و پایداری کلی آن و بویژه عملکرد ساختمان در مقابل نیروهای زلزله و باد اهمیت دارد.
سقفهای پوستهای، بارهای وارده را عمدتاً با مکانیسم غشایی تحمل و منتقل میکنند. میدان نیروهای داخلی در بیشتر نواحی پوسته، غشایی است و فقط در محلهای ناپیوستگی هندسی، نواحی تأثیر بارهای متمرکز و نواحی تکیهگاهی است که علاوه بر میدان غشایی، احتمالاً نیروهای خمشی و برشی نیز موجودیت مییابند. نکته مهم را که صرفنظر از جنس مصالح پوستهها باید در طرح پوستهها منظور داشت مسئله کمانش (Buckling) است.
پوستههای فلزی، بتنی و بتن مسلح را به علت کارآئی مکانیکی آنها و اینکه از لحاظ جریان و انتقال نیروها فرمهایی طبیعی و مطلوبند. میتوان با ضخامت بیشار کمتر از سایر فرمهای ساختمانی طسرح کرد ساخت.
- پوستههای بتن مسلح
استفاده از خاصیت شکلپذیری بتن امکان طرح و اجرای پوستههایبسیارمتنوعبامصالحبتنی رابوجودآورده است.
پوسته بتنی، در نواحی تنش غشایی فشاری، میتواند با ضخامت مناسب مقاومت فشاری لازم را تأمین کند.
در نواحی کششی پوستههای بتنی همانند سایر ساختمانهای بتنی، از میلههای فولادی جهت تقویت بتن و ایجاد مقاومت کششی استفاده میشود. در قسمتهای کششی پوستههای بتنی، که میدان غشایی در آنجا حکمفرماست. معمولاً فولادهای تقویتی را جداگانه و یا به صورت شبکهای در وسط ضخامت پوسته بتنی قرار میدهند.
از نظر اصولی، فولادهای کششی را مییابد در امتدادهای اصلی کششی قرار داد. معذالک در بعضی موارد به منظور ایجاد تسهیلات اجرائی فولاد کششی را در امتدادهای دیگر نیز جای میدهند.
پوستههای بتن مسلح را باید برای میدان خمشی، که غالباً زیر بارهای متمرکز در نواحی ناپیوستگی نواحی اتصال پوسته به قطعات دیگر و نیز در منطقه تکیهگاهی ایجاد میشود، نیز طرح نمود.
در این نواحی علاوه بر فولاد همگانی از فولادهای اضافی دیگری که بتواند میدان خمشی موضعی را جذب نماید در پوسته قرار میدهند.
سقفهای گنبدی
پوستههای دورانی (shells of revolution) از نظر هندسی سطوحیاند که از دوران یک منحنی حول یک محور بوجود می آیند.
این منحنی را منحنی کوهانی و محور مذکور را محور دوران مسطح مینامند.
راهنمای گزینش ابعاد گنبدهای بتنی
سقفهای گنبدیشکل از قدیمیترین انواع آسمانهها بشمار میروند. قبلاً گنبدها را بیشتر با مصالح بنائی میساختند. امروزه با وجود بتن و بتن مسلح و فولاد، طرح و اجرای گنبدها وارد دوره تازهای از مراحل تکامل خود شده است.
سقفهای گنبدی شکل به علت وجود انحناء دوجانبه و غیرقابل گسترش بودن، تاب مکانیکی بسیار زیادی در مقابل نیروهای استاتیکی و دینامیکی نظیر نیروهای زلزله دارند.
در سقفهای گنبدی همانند سایر پوستهها، تحت اثر بار گسترده خارجی، میدان نیروهای داخلی عمدتاً غشائی است و اثرات خمشی اگر هم تولید شود موضعی بوده و به نواحی اطراف بارهای متمرکز، ناپیوستگی فرمی پوسته و نواحی تکیهگاهی محدود خواهد بود.
گنبدهای بتنی عموماً به شکل پوستههای دورانیاند. فرم منحنی کوهانی گنبدها را بسته به نیاز طرح میتوان به شکل دایره، سهمی، خط مستقیم و غیره انتخاب نمود.
در بعضی موارد، به منظور تهویه و یا نورگیری قسمت بالای پوسته را باز میگذارند.
پوستههای گنبدی را میتوان مستقیماً بر روی پوستهای استوانهای شکل (به عنوان تکیهگاه) قرار داده و یا آنکه از حلقه تقویتی بدون استوانه و یا با آن نیز استفاده نمود.
حلقه تقویتی و یا مکانیسمهای دیگری که عمل آن را انجام دهند برای جذب نیروهای حلقوی در قسمت پائین گنبد ضروری میباشند. حلقه تقویتی، در منطقه تکیهگاه عکسالعمل افقی لازم را تأمین میکند و به پوسته سختی بیشتری میبخشد.
رفتار پوستههای گنبدی
رفتار غشایی گنبدها
میدان غشایی در پوستههای دورانی، از نیروئی در امتداد منحنی کوهانی، نیروئی در امتداد منحنی چنبری (مداری) و نیروئی برشی تشکیل مییابد. در پوستههای دورانی با بار متقارن نیروی غشایی برشی غایب است و نتیجتاً امتدادها و مقادیر نیروهای کوهانی و حلقهای همان امتدادها و مقادیر اصلی در پوستهاند.
تفاوت بین پوستههای دورانی و مجموعه قوسهای قاچیشکل، که پهلوی هم حول محور دوران چیده شده باشند. آن است که در پوستهها، بین دو امتداد کوهانی و چنبری اندرکنش وجود دارد در حالی که در قوسها چنین نیست و هر قوسی برای خودش عمل میکند.
تعادل نیروها را در پوستههای دورانی، همانند سایر پوستهها در حالتهای عادی (بارهای گسترده و شرایط تکیهگاهی مناسب) میتوان تنها با میدان غشایی تأمین کرد.
پوستههای دورانی تقریباً تحت اثر هر گونه باری (Funicular) در حالی که قوسی فقط برای بار خاصی (Funiciular) میباشد. و برای نیروهای دیگر در آن میدان خمشی ایجاد خواهد شد.
اگر پوستهای دورانی را تحت اثر باری متقارن مثل وزن یا برف در نظر بگیریم و ابتدا فرض کنیم که خیز پوسته زیاد نباشد. در این صورت نیروی وارده قوسهای کوهانی را خواهد فشرد و با آنها تغییر فرمی به طرف داخل پوسته خواهد داد. از طرف دیگر قوسهای چنبری (حلقوی) در مقابل این تغییر فرم مقاومت کرده و با فشرده شدن، تکیهگاهی داخلی برای قوسهای کوهانی ایجاد خواهند کرد.
چنانچه خیز پوسته زیاد باشد، در قسمت بالای پوسته تحت اثر بار فشاری گسترده (مثل نیروی وزن و یا برف) وضعیت بالا حکمفرما خواهد بود در حالی که در قسمت پائین پوسته بار وارده سعی خواهد کرد که پایه پوسته را از هم باز کند، و به عبارت دیگر با ایجاد فشار در قسمت پائین قوس کوهانی به آن تغییر فرمی به طرف خارج از پوسته بدهد. قوسهای مداری با کشیده شدن، که حاصل ایجاد نیروی کششی در آنهاست از این تغییر فرم تا حدی جلوگیری خواهند کرد و در این مورد نیز همکاری دوجانبه و فضایی بین دو امتداد پوسته برقرار خواهد بود.
از آنجا که نیروهای داخلی در پوستهها عموماً نیروهایی غشاییاند لذا معمولاً تغییر فرمهای قابل ملاحظه غیرغشایی در پوستهها ایجاد نمیشود. گفتنی است که مقدار تغییر فرمهای غشایی نیز در پوستهها بسیار ناچیز است.
رفتار خمشی پوستههای دورانی
نیروهای خمشی که در کنارههای پوستههای دورانی موجودیت مییابند، معمولاً دارای اثر موضعیاند، یعنی فقط در نواحی نزدیک تکیهگاهها و در کنارهها بر روی پوسته تأثیر خواهند داشت، و کاملاً به داخل پوسته و تا فواصل دور از تکیهگاه و کنارهها نفوذ خواهند کرد.
دلیل این امر آن است که نیروهای خمشی در حین خم کردن و تغییر فرم دادن به قوس کوهانی پوسته با مقاومت قوسهای حلقوی مواجه خواهند شد و از آنجا که مقاومت قوسهای چنبری در کشش و فشار زیاد است لذا آن قوسها از تغییر فرم نوارهای کوهانی تا حد زیادی جلوگیری میکنند.
این مقاومت، هر قدر که از کنارهها دور شویم افزایش مییابد، به گونهای که قدری دورتر از کنارهها اثر میدان خمشی کلاً از بین خواهد رفت.
یکی از عواملی که در پوسته میدان خمشی ایجاد میشود، قرار داشتن پوسته بر روی چند تکیهگاه مترکز به جای تکیهگاه پیوسته است. همچنین، وارد آمدن بارهای متمرکز به پوسته، در ناحیه اطراف بار متمرکز، شرایطی ایجاد میشود که میدان غشایی به تنهایی جوابگوی آن نیست و بایستی به نیروهای خمشی نیز در حل چنین مسئلهای توسل جست. در هر وضعیت، اثر میدان خمشی در درون پوسته موضعی خواهد بود.
شرایط حرارتی از جمله عوامل است که در ایجاد میدان خمشی در پوستهها کاملاً مؤثر است.
پوستهای که تحت تأثیر حرارت خورشید و یا هر منبع حرارتی دیگری قرار میگیرد به علت تغییرات حرارتی میل به تغییر فرم دارد. و مقدارها تنشهای حاصل از تغییر درجه حرارت در پوستهها گاهی بیشتر از تنش حاصله از بارهای مکانیکی است.
فولادگذاری گنبدهای بتن آرمه
فولادگذاری گنبدهای بتنی نیز مثل سایر پوستهها با توجه به میدان نیروی غشایی و اثرات موضعی خمشی انجام میگیرد. برای جذب تنشهای غشایی، در داخل سطح پوسته شبکهای فولادی قرار میدهند.
این شبکه فولادی را اصولاً بایستی در امتداد تنشهای اصلی قرار داد. ولی برای نیل به سهولت اجرا و نیز بنابراین واقعیت که شرایط نیرویی ممکن است عوض شده و در نتیجه جهات اصلی نیز تغییر کنند، در عمل فولادهای گنبدها را در امتداد منحنیهای کوهانی و چنبری پوسته جای میدهند.
در محل اتصال پوسته به حلقه کناری، مقدار لنگر خمشی ایجاد میشود. بدین لحاظ لازم است که در نواحی اتصال پوسته به حلقه، تنشهای خمشی نیز جذب گردند.
بدین منظور معمولاً ضخامت پوسته را در محل اتصال آن به حلقه کناری قدری افزایش میدهند و اضافه بر شبکه یک لایهای، که در تمام سطح پوسته جای داده شده، در داخل پوسته قرار میدهند.
در مورد پوستههایی که اتصال آنها با حلقه کناری یکپارچه است فولادهای پوسته را به فولادهای حلقه بتن مسلح میپیوندند تا آنکه اتصال پوسته و حلقه به گونهای مناسب تأمین گردد.
رفتار مکانیکی و طرح گنبدهای بنائی
رفتار عمومی گنبدهای بنائی، شبیه به سایر پوستههای گنبدی شکل است. در گنبد با مصالح بنائی، تحت اثر بارهای قائم جانبی، عمدتاً میدان غشایی به وجود میآید.
تحت اثر بارهای قائم (وزن)، نیروی نصفالنهاری (کوهانی) فشاری در گنبد تولید میشود.
مصالح بنائی با تاب فشاری کافی که دارد میتواند این نیروی کوهانی را تحمل کند.
نیروی غشائی حلقهای در گنبدهای کروی در حوزهای از پوسته که بین تارک و دایره مربوط به زاویه عمود بر سطح با قائم قرار دارد فشاری است و از آن پائینتر تبدیل به تنش کششی میشود.
در قسمت فشاری، مصالح بنائی میتواند تنش فشاری حلقهای را تحمل کند.
در قسمت کششی، این امکان وجود دارد که تاب مصالح بنائی پوسته برای جذب نیروی غشایی حلقهای کششی کافی نباشد.
گنبدهای با مصالح بنائی برای نیروهای عمده وزن، که در آنها تنشهای فشاری تولید میکنند، فرمهای مناسبی به شمار میروند. تاب فشاری مصالح بنائی برای تحمل نیروهای فشاری حاصله کافی است و فقط در مناطق خاصی از گنبد است که نیاز به تقویت احتمالی گنبد وجود دارد.
یک گنبد بنائی، با حلقه کناری، یک سیستم نیروئی نسبتاً بسته و یکپارچه میباشد و چنانچه تعادل قائم آن تأمین گردد میتواند به خوبی نیروهای جانبی مثل زلزله و باد را تحمل کند.
بسیاری از گنبدها و تاقهای بنائی با کلاف کشی مناسب در زلزلههای بسیار مخرب سالم باقی ماندهاند.
بررسی زلزلههای متعدد نشان میدهد که چنانچه دیوارهای باربرنده تاقها و گنبدها از استحکام کافی برخوردار بوده و در تاقی و گنبدی بنائی به عنوان یک ساختمان مقاوم در برابر زلزله اطمینان داشت.
پوستههای استوانهای (سقفهای گهوارهای)
پوستههای استوانهای بتن مسلح در پوشش سقف گاراژها، انبارها، کارخانهها، آشیانههای هواپیماها، ایستگاههای اتوبوس و قطار، سالن اجتماعات و سالنهای ورزشی کاربرد فراوان دارند.
سقفهای پوستهای شکلی ساده (استوانهای بتن مسلح) دارند و قالببندی و فولادگذاری در این سقفها به سهولت انجام میشود.
سقفهای استوانهای، علاوه بر پوسته اصلی که عنصر مهم باربر سقف است اغلب دارای اعضای دیگری نیز میباشند. بعضی از این اعضا نقش تقویت پوسته و برخی دیگر عمل انتقال نیروها از پوسته به تکیهگاهها را بر عهده دارند. از جمله، پوستههای استوانهای اکثراً دارای عناصری به نام تیرهای کناری (edge beams) و قوسهای عرضی (Iransverse Arches) میباشند.
وجود این عناصر لبهای برای تقویت پوسته و انتقال نیروها ضروری است.
پوستههای استوانهای سقفها را به گونهای مختلف میتوان عناصر کناری و به تکیهگاههایشان متصل ساخت.
در این پوسته بارهای وارده به وسیله پوسته از طریق قوسهای میانی به تکیهگاههای زمینی منتقل میشوند.
طول قسمتهایی از پوسته که بین آن قوسها قرار میگیرند معمولاً بین4/1 تا 3/1 دهانه اختیار میگردد.
چنین پوستههایی، بنابراین در زمره پوستههای کوتاه محسوب میشوند.
ایجاد پوستههای بتن مسلح به طول حدود 30 متر معمول است و مناسب است که برای طولهای بیشتر از آن بتن مسلح را پیش تنیده کرد.
رفتار غشایی سقفهای استوانهای
رفتار غشایی سقفهای گهوارهای را میتوان مرکب از دو عملکرد دانست، یکی رفتار تیری (Beam Action) پوسته در امتداد طولی است که به موجب آن پوسته مانند یک تیر عمل میکند. رفتار دیگر پوسته در جهت عرض آن که یک عملکرد قوسی (Arch Action) است و با وضعیت نیرو در قوسهای( Funicular) ارتباط دارد. هر قدر پوسته طویلتر باشد اثر مکانیسم (تیر) در آن بیشتر است.
سقفهای طویل استوانهای در واقع همان سقفهای گهوارهای (شبکهای) میباشند، که این تاقها در پوشاندن فضاها مورد استفاده فراوان دارند. اگر طول تاق زیاد باشد مکانیسم تیری تأثیر عمدهای خواهد داشت.
و چنانچه هر قدر از طول پوسته کاسته شود از تأثیر مکانیسم خمشی طول کاسته شده و بر تأثیر مکانیسم قوسهای عرضی افزوده میشود. در پوستههای استوانهای کوتاه نیروی غشایی طولی کاملاً با پوستههای طویل متفاوت است.
پوستههای طویل، بار وارد شده را با مکانیسم نیروی غشایی طولی به تکیهگاههای دو انتهای پوسته منتقل میشود. چنانچه به جای تکیهگاههای انتهایی، پوسته بر روی تکیهگاههای طولی واقع در پایههای قوسی پوسته قرار داشته باشد آنگاه بخشی از بار پوسته ابتدا به صورت نیروی برشی به این تکیهگاهها منتقل میگردد.
رفتار خمشی پوستههای استوانهای
همانطور که در قسمت رفتار غشایهای پوستههای استوانهای گفته شده در صورت وجود تکیهگاههای انتهایی، بار پوسته با مکانیسم تیری و میدان غشایی طولی به تکیهگاهها منتقل میشود و در این شرایط در اثر فشارهای جانبی، قوسهای عرضی قدری فشرده خواهند شد و از طرف دیگر در قسمتهای میانی پوسته، برای هر گونه تغییر فرم قوسهای عرضی آزادی عمل وجود دارد. در نتیجه امر میدان غشایی در ناحیه انتهایی پوسته با میدان خمشی ترکیب خواهد گشت.
از نظر محاسبات، منطقه نفوذ میدان خمشی از انتهاها به داخل پوسته با جذر نسبت ضخامت به شعاع پوسته متناسب است.
بنابراین هر قدر ضخامت پوسته زیادتر باشد فاصله نفوذ میدان خمشی نیز در آن بیشتر خواهد شد. و در پوستههای طویل با تکیهگاههای انتهایی، اثر میدان خمشی انتهایی موضعی است و فقط در انتهاها محسوس میباشد و در پوستههای کوتاه میدان خمشی انتهایی در تمام طول قوس پوسته نفوذ میکند، و از آنجائیکه مکانیسم رفتار کلی تیر در مورد پوستههای کوتاه ضعیف است در نوارهای طولی تنشهای خمشی بوجود خواهد آمد.
طراحی سقفهای استوانهای
تیرهای طولی پوسته سختی پوسته را افزایش میدهند. نوع و ابعاد تیر کناری یک پوسته استوانهای با توجه به نکات معماری و ترکیب پوستهها و نیازهای ساختمان تعیین میشود. در کل تیرهای کناری در پوستههای طویل نقش مؤثرتری دارند.
اگر پوستههای با تیرهای کناری افقی و پوستههای با تیرهای کناری قائم را با هم مقایسه کنیم میتوان گفت تیرهای کناری افقی به پوسته در صفحه افقی سختی میبخشد در حالی که تیرهای کناری قائم سختی پوسته را در صفحات قائم افزایش میدهند.
تیرهای کناری قائم برای پوستههای طویل مناسب هستند و همچنین تیرهای کناری افقی برای پوستههای کوتاه که اثر قوسی و رانشی آنها قوی است مناسبترند.
ابعاد مناسب تیرهای کناری بر حسب خیز کل پوسته محاسبه میشود و پهنای تیرهای کناری بایستی به قدری باشد که ضمن تأمین سختی لازم بتواند فولادهای کششی را در خود جای دهد. پهنایی معادل دو یا سه برابر ضخامت پوسته را که از 15 سانتیمتر کمتر نباشد را در طرح تیر کناری در نظر گرفت.
زاویه مرکزی و شعاع انحناء
شعاع انحناء پوستههای استوانهای بر اساس ملاحظات صوتی و دیگر جنبهها تعیین میگردد. از لحاظ جنبههای صوتی باید سعی شود انحناء حتیالمقدور در سطح کار واقع نشود.
معمولاً نیمزاویه مرکزی بین 30 درجه تا 40 درجه اختیار میشود. چنانچه مقدار نیمزاویه مرکزی از حدود 45 درجه تجاوز کند، ممکن است به علت ایجاد شیب نسبتاً تند بتنریزی روی پوسته مشکل شده و نیاز به استفاده از قالبهای دوتایی پیش آید.
ضخامت پوسته
از نظر مقاومت ضخامت پوسته باید طوری انتخاب شود که در نقاط فشاری امکان کمانش پدید نیاید. ضخامت پوسته بایستی آنقدر باشد که بتوان در آن لایههای مختلف فولاد را جای داد و ضمناً پوشش کافی از دو طرف برای فولادها تأمین نمود. در آئیننامههای مختلف پوستهها، هر کدام حداقل ضخامتی را برای پوستهها تجویز میکنند. که معمولاً مقادیر حدود 7 یا cm8 است.
انواع دیگر سقفهای پوستهای
امروزه کاربرد مصالحی شکلپذیر چون بتن مسلح و فروسیمان و نیز استفاده از روشهای ابداعی ساختمان و تکنیکهای تقویتی مانند پیش تنیدگی و پس فشردگی امکان بهرهگیری از فرمهای پوستهای را افزایش داده است.
دو گونه خاص از فرمهای پوستهای یعنی پوستههای دورانی و پوستههای استوانهای انواع معمولی و شناخته شده سقفهای پوستهای هستند. البته با همان دو فرم ساده شکلهای ترکیبی و بسیار بدیهی را میتوان بوجود آورد.
بطور مثال، با تقاطع سطوح دورانی به وسیله صفحات قائم پوستههای زیبا و در عین حال کارآمدی پدید میآیند و سطوح استوانهای را میتوان به صورت ترکیبات دو و یا چندتایی درآورد.
- پوستههای زیناسبی (هذلولی) (هیپربولیک پارابولوئید)
یکی از انواع پوستههای با انحناء دوجانبه که در آن جهت دو انحناء اصلی مخالف یکدیگر میباشد پوسته مرسوم پوسته هذلولی میباشد. یک پوسته هذلولی را میتوان با لغزاندن یک منحنی سهمی بر روی یک منحنی سهمی دیگر واقع در صفحه عمود بر آن بدست آورد.
در واقع این نوع پوسته از انواع سطوح خطی بشمار میرود. این سطح خاصیت آن را داراست که مدارها و هادیهای آن خطوطی مستقیماند. این نوع پوسته در پوشش سقفها کاربرد فراوانی یافته است، زیرا که به علت مستقیم بودن خطوط مولد، قالببندی آن بسیار آسان و نسبتاً ارزان است.
یکی از انواع معمول پوستههای هذلولی، سقف پوستهای از نوع چتری رو به بالاست.
- سقفهای پوستهای مخروطهای (کونوئید) (conoid)
یک سطح مخروطهای، از لغزاندن خطی مستقیم، با طول متغیر، بر روی دو منحنی انتهایی به گونهای که آن خط همواره به موازات صفحهای باقی بماند ایجاد میگردد. صفحه نامبرده را صفحه مدیر و منحنیهای مزبور را منحنیهای هادی میخوانند یکی از انواع مشهور مخروطه هنگامی پدید میآید که یکی از دو منحنی هادی خطی مستقیم باشد.
از ویژگیهای پوستههای مخروطهای آن است که سطوح آن را، چنانکه تعریف شد با خطی مستقیم و در عمل با قالببندی تولید میتوان کرد. و پوستههای خطی از محله سطوح خطی بشمار میآیند.
شکل هندسی پوستههای مخروطهای طوری است که با اجرای آن میتوان از نور طبیعی استفاده کرد.
- سقفهای گنبدی با قاعده چهارگوش
یکی از انواع سقفهای پوستهای سقفهای گنبدی با قاعده چهارگوش است که با انحناء همجهت دوجانبه میباشد. از لحاظ هندسی، در هر یک از دو جهت، منحنیهای گوناگونی را میتون برای مقاطع قائم این گونه پوستهها در نظر گرفت.
پوسته گنبدی شکل با قاعده چهارگوش، چنانچه خوب طرح و اجرا شود، جزء مقاومترین و پایدارترین سقفهای پوستهای است.
میتوان شکل هندسی این نوع سقف را طوری اختیار کرد که برای بارهای وارده (Funicular) باشد. یعنی در آن فقط میدان غشایی آن هم از نوع فشارهای خالص تحقق یابد.
- سقفهای تاوهای چیندار
تاوهای چیندار چنانکه از نامشان معلوم است سازههایی هستند که از اتصال چند تاوه ساده مایل با زوایایی نسبت به سطح افقی تشکیل مییابند.
تاوههای چیندار در پوشانیدن سقفها، به عنوان دیوارههای حائل و عناصر ساختمانی قوطیشکل، و نیز در انواع مخازن و سیلوها مورد مصرف دارند.
تاوههای چینداری که خطوط تقاطع تاوههای ساده متشکله در آنها به موازات امتداد خاصی است.
تاوههای چیندار منشوری خوانده میشوند. بقیه انواع تاوههای چیندار که دارای این خاصیت نیستند طبعاً جز تاوههای غیرمنشور طبقهبندی میگردند.
تاوههای چیندار را میتوان عضوی از خانواده سازههای پوستهای بشمار آورد.