معرفی سازه‌های کابلی
سیستم‌های کابلی ازجمله پربازده‌ترین سیستم‌های سازه‌ای موجود هستند. از بسیاری جهات تنش کششی ساده‌ترین و شاید مهم‌ترین انواع تنش‌ها باشد. جریان نیروهای داخلی سیستم‌های کابلی به‌طور مستقیم قابل‌مشاهده است. به این دلیل سیستم‌های کابلی نقطۀ شروع مناسبی برای بررسی سیستم‌های ساختمانی هستند. تکیه‌گاه‌ها، روش‌های پایداری و آرایش سیستم‌های کابلی، مبنای طبقه‌بندی سیستم‌های کابلی هستند. انتخاب یک سیستم مناسب متناسب با عملکرد ساختمان است.
پیشینۀ تاریخی سازه‌های کابلی
بهترین نمونه‌های سیستم‌های کابلی تار عنکبوت است. هر شبکۀ تار عنکبوت در نوع خود منحصربه‌فرد بوده و پاسخگوی همان بارگذاری است. این شبکه در سه بعد پایدار بوده و به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای مقرون‌به‌صرفه، سبک و مقاوم است. بهره‌برداری انسان از این کابل‌سازان بزرگ حتی با ظهور فولاد، همچنان محدود است. در مقیاس کوچک، آلات موسیقی مانند چنگ و تجهیزات ورزشی زه‌دار مانند راکت تنیس برای طراحی سازه‌های کابلی نمونه‌های مناسبی هستند.
بیشتر اصطلاحات، نظریه‌های عملیاتی و دانش اولیه در مسیر تکامل سازه‌های کابلی بر پایۀ مجهزکردن کشتی‌های اولیه به بادبان بود. پل‌های اولیه، نردبان‌ها و مکانیزم بالابرها در دوران پیش از تاریخ همه از ریسمان با الیاف طبیعی ساخته شده بودند. بعدها در دوران صنعتی، سازه‌های کابلی فولادی برای ساخت پل‌ها در دهانه‌های بزرگ استفاده شدند، مانند پل کلیفتون در انگلستان که توسط برونل طراحی شد. یکی از قابل‌توجه‌ترین سازه‌های کابلی در دنیای قدیم چادرها و پوشش‌های موقت فضاهای عمومی و عبادی و نیز پوشش دور آمفی‌تئاترها در روم باستان بود. مثال‌های مدرن از سازه‌های کابلی عبارت‌اند از پل‌های معلق متعدد، فرودگاه‌های مانند فرودگاه جده، ساختمان‌های بلندمرتبۀ کابلی مانند بانک هنگ‌کنگ و نیز بانک فدرال ریزرو در امریکا.
کابل‌ها می‌توانند برای نگه‌داری سقف‌هایی متشکل از تیرهای اصلی و فرعی یا دال‌ها استفاده شوند. دال‌ها ممکن است شکل‌های گوناگونی داشته باشند که می‌توان با استفاده از تعداد کابل‌ها و تکیه‌گاه‌های مناسب آن‌ها را نگه داشت. اگر تکیه‌گاه کابل به‌شکل دیرک در مرکز قرار گرفته باشد، بهتر است این‌گونه دیرک‌ها در مرکز ثقل (مرکز جرم) دال قرار گیرند. کابل‌های نگه‌دارندۀ ثانویه هم می‌توانند در پایه‌ها از دکل‌ها ادامه پیدا کنند. در هرجا که تیرهای اصلی متکی بر کابل شوند، ممکن است کابل‌های تثبیت‌کننده آرایش‌های متفاوت داشته باشند.
به‌طورکلی می‌توان از فرم‌های متنوع برای کابل‌های تثبیت‌کنندۀ پیش‌تنیده استفاده کرد. در برخی آرایش‌ها جای کابل بالا و پایین عوض می‌شود و کابل بالایی به‌عنوان کابل اولیه و کابل پایین کابل تثبیت یا کابل مهار نامیده می‌شود. اگر اعضای بین این دو کابل تحت‌فشار باشند، به‌عنوان پخش‌کننده و اگر در کشش باشند، به‌عنوان معلق شناخته می‌شوند و استفاده از کابل‌های مورب بین آن‌ها امکان‌پذیر است. این اشکال به‌عنوان خرپاهای کابلی شناخته می‌شوند. پایداری خرپاهای کابلی بیشتر از سیستم دوبعدی با کابل‌های معلق موازی نیست.
رفتار سازه‌ای سازه‌های کابلی
تنش‌ها
تحت بارگذاری، کابل‌ها فقط تنش کششی ساده‌ای را تحمل می‌کنند. خمش، برش و سایر تنش‌ها در این نوع سازه‌ها قابل‌توجه نیست. قبل از معرفی سیستم‌های کابلی، بهتر است ابتدا عملکرد یک کابل منفرد تحت بارگذاری‌های متنوع مطالعه شود. بارها در سیستم‌های کابلی در رشته‌های باریک کابل متمرکز شده و قابل‌مشاهده هستند. کابل‌ها در شکل‌دادن یک سقف یا ساخت یک پل بین تکیه‌گاه‌ها کشیده می‌شوند. مقداری که کابل به‌سمت پایین معلق می‌شود، خیز نام دارد. تکیه‌گاه‌ها در انتهای کابل‌ها به‌عنوان عکس‌العمل‌های آن شناخته می‌شوند. این عکس‌العمل‌ها مانند بردار عمل می‌کنند. آن قسمت از عکس‌العمل که رو به بالا کشیده می‌شود، مؤلفۀ عمودی نام دارد. درحالی‌که بخشی که سبب رانش می‌شود به‌عنوان مؤلفۀ افقى آن شناخته می‌شود.
واکنش به بارگذاری با تغییرشکل
نکتۀ مهم در سازه‌های کابلی این است که با کاهش خیز کابل، مؤلفۀ عمودی عکس‌العمل ثابت مانده و مؤلفه افقی افزایش می‌یابد. همچنین هنگامی‌که خیز در کابل زیاد می‌شود، تنش کششی در کابل کاهش می‌یابد. کشش فزاینده در هر دو انتهای کابل سبب می‌شود که خیز کم و شکل کابل به یک خط افقی نزدیک شود. دست‌یابی کامل به این شرایط هرگز در دنیای واقعی امکان‌پذیر نیست، زیرا کشش در کابل باید به بی‌نهایت برسد که درنتیجه کابل پاره خواهد شد. سیستم‌های کابلی به تغییرات در بارگذاری و عکس‌العمل ها با تغییرشکل پاسخ می‌دهند. بنابراین سازه‌های کابلی به‌طور ذاتی ناپایدارند. عواملی که بر شکل یک سیستم کابلی تحت بارگذاری تأثیر دارند عبارت‌اند از میزان و موقعیت بارهای وارده، خیز و کشش در کابل و بزرگی نیروهای عکس‌العمل.
هنگامی‌که کابل به‌طور یکنواخت بارگذاری شود، شکل یک زنجیرواره یا منحنی طنابی سهمی‌گون به‌خود می‌گیرد. این اشکال ایده‌آل کابل منحنی طنابی (به معنای طناب‌مانند) نامیده می‌شوند. هنگام بارگذاری یک کابل، منحنی مطلوب منحنی‌ای است که کمترین مصالح و کمترین هزینه را داشته باشد. حجم مصالح موردنیاز ناشی از دو عامل طول کابل و ضخامت کابل است. هنگامی‌که خیز کم می‌شود، طول کابل هم کاهش می‌یابد، هرچند، تنش کششی در کابل زیاد می‌شود. به‌عبارت‌دیگر با کاهش طول کابل قطر آن باید افزایش یابد.
حل مشکل ناپایداری کابل‌ها
ناپایداری سیستم‌های کابلی سبب می‌شود سازه‌های کابلی دربرابر باد ناپایدار باشند. کابل‌ها که سبک، نازک و قابل‌انعطاف هستند، در معرض حرکت رو به بالا، لرزش و حرکات جانبی هستند. به‌منظور پایداری سیستم‌های کابلی از پیش‌تنیدگی (ایجاد کشش اولیه در کابل) استفاده می‌شود. اگر بارگذاری روی کابل مناسب باشد، ممکن است همین بار وارده برای تأمین حداقل مقدار پایداری کافی باشد. پل‌ها اغلب کابل‌های معلق نامیده می‌شوند، زیرا کابل ها را به تیرهای اصلی، خرپاها یا مقاطع فولادی؛ که سطح پل را شکل می‌دهند، پیوند می‌دهند. دقت کنید که مقاطع فولادی سطح پل می‌توانند دربرابر پیچش هم مقاومت کنند. این تنش نقش قابل‌توجهی در فروریختن پل تاکوما ایفا کرد. کابل‌های تثبیت یا مهار نیز می‌توانند به‌صورت عمودی، موازی یا مسطح موازی باشند.
پیش‌تنیدگی
سازه‌های کششی اغلب شامل پوسته‌های منعطف و کابل‌هایی‌اند که نیروهای کششی را به‌طور کارایی تحمل می‌کنند، اما زیر فشار شل می‌شوند. بااین‌وجود، تحت شرایط خاصی از بارگذاری اعضای منعطف کششی تحمل نیروهای فشاری را خواهند داشت. پیش‌تنیدگی به اعضای منعطف امکان جذب تنش فشاری را بدون شل‌شدن؛ که سبب ناپایداری می‌شود؛ می‌دهد. پیش‌تنیدگی همچنین تغییرشکل را به نصف کاهش می‌دهد. این پدیده در یک ریسمان ساده هم قابل‌مشاهده است. ریسمانی عمودی را که در بالا و پایین محکم شده، درنظر بگیرید. اگر نیرویی به وسط کابل وارد شود، اتصال بالایی تمامی بار را جذب می‌کند و اتصال پایین ناپایدار می‌شود.
اکنون همان کابل را به‌صورت پیش‌تنیده درنظر بگیرید (برای مثال با بست قورباغه‌ای). همان مقدار نیرو هنگامی‌که به وسط کابل وارد می‌شود، نیمی توسط اتصال بالایی (با افزایش پیش‌تنیدگی) و نیمی توسط اتصال پایین کابل (با کاهش پیش‌تنیدگی) تحمل می‌شود. به این دلیل که هر دو اتصال فعال هستند، هرکدام فقط نیمی از بار را تحمل می‌کنند، که سبب کاهش تغییرشکل به نصف و مانع از شل‌شدن و ناپایداری اتصال پایین می‌شود. ازآنجاکه نیمی از بار توسط هر اتصال جذب می‌شود، وقتی بار وارده به دو برابر پیش‌تنیدگی یا بیش از آن برسد، اتصال پایین شل خواهد شد، درست مانند کابل پیش‌تنیده‌نشده. با اعمال شرایط مشابه در یک سازه، پیش‌تنیدگی باید حداقل به اندازۀ نیمی از بار محاسباتی باشد تا مانع از شل‌شدگی و عدم استحکام شود. همچنین ازبین‌رفتن پیش‌تنیدگی بر اثر خزش و تغییرات دمایی نیز باید درنظر گرفته شود.
تکیه‌گاه‌ها
کابل‌ها و شبکه‌های کابلی را می‌توان با روش‌های متنوعی به شرح زیر نگه داشت:
۱) متکی بر دکل
۲) متکی بر تیرهای کناری
۳) متکی بر پایه‌های جانبی
۴) متکی بر کابل‌های کناری
۵) متکی بر ستون مرکزی. دقت کنید که ستون‌ها می‌توانند اندکی پایداری جانبی برای سیستم کابلی تأمین کنند.
۶) لبه‌های صلب با فرم‌های متنوع به‌طور هم‌زمان می‌توانند تکیه‌گاه و پایداری را برای شبکۀ کابلی تأمین کنند.
آرایش کابل‌ها
سیستم‌های کابلی پایدار را می‌توان به‌صورت انتقالی یا دورانی شکل داد. سیستم‌های کابلی با آرایش انتقالی می‌توانند با کابل‌های مهار مسطح یا مسطح موازی پایدار شوند؛ اما هردو باید در محور عمودی با تمهیدات دیگری پایدار شوند. تیرهای پیش‌تنیده یکی از این روش‌هاست. کابل‌های مهار دوبعدی یا مسطح می‌توانند به‌صورت دورانی توسعه پیدا کنند. انواع مختلفی از آن‌ها وجود دارد، اما نوع خیزدار و نوع چرخ دوچرخه در زمرۀ متداول‌ترین آن‌ها هستند. سیستم‌های کابلی مدور در سه بعد پایدارتر از سیستم‌های کابلی انتقالی هستند.
گسیختگی
با اینکه ممکن است سیستم‌های کابلی با برداشتن مهارها گسیخته شوند، اما معمول‌ترین مشکل این نوع سیستم‌ها نوسان‌های هارمونیک است. فروریختن پل تاکوما مشهورترین مثال این‌گونه گسیختگی‌هاست. طراحی وزن مناسب و سخت‌کردن سازه پاسخی متداول برای حل این مشکل است.
مبانی طراحی سازه‌های کابلی
همان‌گونه که اشاره شد، سیستم‌های کششی شامل سازه‌های کابلی معلق و متکی بر کابل، خرپاهای کابلی، سازه‌های چادری و سازه‌های هوای فشرده است. هرچند فشار، خمش و برش نیز ممکن است در بعضی سازه‌های کششی وجود داشته باشد، اما کشش در آن‌ها مشهودتر است. برای مثال ممکن است در سیستم کابلی تیر یا تیرچه‌ای مقاوم دربرابر خمش باشد، اما این موارد نسبت به کابل‌ها یا کابل‌های اصلی، اهمیت کمتری دارند. در مقایسه با خمش و فشار، عناصر کششی مؤثرتر هستند و از تمامی ظرفیت مصالح مصرفی استفاده می‌کنند. عناصر خمشی فقط از نیمی از ظرفیت مصالح استفادۀ مؤثر می‌کنند؛ زیرا تنش خمشی از فشار تا کشش متغیر است، به‌علاوۀ تنش صفر در تار خنثی.
اعضای فشاری با افزایش ضریب لاغری در معرض کمانش قرار می‌گیرند. به‌علاوه بعضی عناصر کششی، مانند کابل‌های فولادی مقاومت بیشتری نسبت به ستون‌ها یا تیرهای فولاد نرم دارند، زیرا طی ساخت برای افزایش مقاومت کشیده شده‌اند. کارایی کلی سازۀ کششی به مقدار زیادی بستگی به تکیه‌گاه‌ها دارد (مانند مهارشدن در زمین). اگر سازۀ کششی یکپارچگی ضعیفی داشته باشد، به هزینۀ زیادی برای مقاوم‌سازی نیاز خواهد داشت. بنابراین مهاربندی مناسب و کارآمد عامل مهمی در طراحی است. برای مثال استفاده از حلقه‌های فشاری با زیرسازه‌های خودایستا، برای مهار نیروهای کششی می‌تواند راهی مؤثر برای کاهش هزینه‌های نگه‌داری باشد.
عملکرد ساختمان
شبکه‌های کابلی انتقالی به‌شکل مستطیل گسترش پیدا می‌کنند. سیستم‌های کابلی مدور یک فضای عملکردی دایره‌ای‌شکل را در زیر پوشش می‌دهند. سازه‌های کابلی می‌توانند برای پوشش فضاهای بسیار نامنظم هم استفاده شوند. هنگامی‌که شبکۀ کابلی یک شبکۀ بسیارمتراکم می‌شود، به‌نوعی سازه‌های چادری را شکل می‌دهد. استادیوم المپیک مونیخ تحت عنوان سازه‌های چادری شناخته می‌شود، ولی می‌توان آن را سازۀ کابلی نیز درنظر گرفت.
محدودۀ دهانه
پوشش دهانه‌هایی با طول ۴۵ متر به بالا (در ساختمان‌ها حداکثر ۴۵۰ متر) با سازه‌های کابلی امکان‌پذیر است. نسبت مناسب خیز به دهانه حدود ۱:۳ است، هرچند این نسبت‌ها اغلب غیرعملی هستند. بنابراین نسبت خیز به دهانه نزدیک ۱:۱۵ بیشتر مورداستفاده است. به‌طور مثال سقف یک استادیوم با سازۀ کابلی به طول دهانۀ ۱۵۰ متر نیاز به یک کابل با خیز ۱۰ متر دارد. خطوط دید و زهکشی بام در این نوع سقف‌های منحنی مسئله‌ای مهم هستند.
مزایای استفاده از سازه‌های کابلی
سازه‌های کابلی از لحاظ استفاده از مصالح و هزینه‌های ساخت و نگه‌داری اقتصادی هستند و اتصالات آن‌ها ساده است. دهانه‌های بزرگی که سیستم‌های کابلی توانایی پوشش آن را دارند، اغلب این سازه‌ها را تنها انتخاب سازه‌ای طراح قرار می‌دهند. هر سازۀ کابلی یک فضای عملکردی وسیع، کاملاً آزاد از اعضای سازه‌ای مانند ستون در اختیار طراح قرار می‌دهد.
محدودیت‌های استفاده از سازه‌های کابلی
علاوه بر ناپایداری سیستم‌های کابلی، نمی‌توان آن‌ها را برای ایجاد کف مسطح استفاده کرد و اغلب فقط برای پوشش سقف نهایی ساختمان (بام) استفاده می‌شوند. دال‌های متکی بر کابل، تیرهای اصلی، خرپاها و تیرهای فرعی برای حل این مشکل استفاده می‌شوند. کابل‌ها دربرابر آتش بسیار آسیب‌پذیرند و ضدآتش‌کردن آن‌ها سخت است. خیز بزرگی که از نظر سازه‌ای مناسب است، به‌طور معمول از نظر عملکردی مناسب نیست، زیرا اگر محصور باشد به مقدار زیادی گرما، تهویه و تهویۀ مطبوع نیاز دارد. اگر راه‌رفتن روی پوشش نهایی بام برای تعمیر و نگه‌داری منظم ضروری است، سازه‌های کابلی برای این منظور مناسب نیستند.
روش‌های طراحی سازه‌های کابلی
تصمیم‌های اولیۀ طراحی برای این سیستم به میزان خیز، روش پایداری و مهارکردن مربوط می‌شود. سیستم‌های کابلی از نظر مفهومی در مقیاس مدل‌های مطالعاتی اغلب بهتر پاسخگو بوده‌اند. برای ساخت این‌گونه مدل‌ها از ریسمان، نوارهای لاستیکی، نئوپان، تخته با مغزی فوم و میخ‌های چوبی سبک استفاده می‌شود. این روش اغلب سریع است و اجازۀ ارزیابی سه‌بعدی مستقیم بارگذاری‌ها و فضای معماری را می‌دهد. چنین مدل‌هایی به‌نسبت برای ساخت آسان هستند و می‌توانند آگاهی لازم را درمورد مشکلات بالقوۀ ساخت‌وساز و پایداری در اختیار طراح قرار دهند.
هنگامی‌که به ابعاد دقیق و محاسبات ریاضی در حین فرایند بعدی طراحی نیاز شد، باید از کامپیوتر به‌عنوان یک وسیلۀ طراحی استفاده کرد. فرای اوتو در کتاب خود با نام سازه‌های کششی بر استفاده از مدل‌های معلق منحنی طنابی تأکید می‌کند. هنگامی‌که طراحی مفهومی کامل شد، ممکن است یک مدل دقیق‌تر برای آزمایش تونل باد نیاز شود و مهندس سازه بخواهد طراحی را با مدل ریاضی با استفاده از کامپیوتر آزمایش کند.
جزئیات سازه‌ای
در جزئیات اتصالات سازه‌ای سازه‌های کابلی کمبودی وجود ندارد. موضوع مهم انبساط و انقباض حرارتی و نیاز به انطباق ضخامت کابل است، زیرا فولاد در اثر دما به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای تغییر اندازه می‌دهد و این مسئله در اعضای بلند مانند کابل‌ها شدیدتر می‌شود. به‌طور مشابه نه‌تنها تنظیم تنش کابل‌ها ضروری است، بلکه باید در محلی قرار داده شوند که بتوانند به‌سهولت اجرا شوند. بسیاری از طراحان و مجریان، سطح زمین را که کابل به پی مهاری متصل می‌شود، برای انجام این کار انتخاب می‌کنند. برای تنظیمات کوچک اغلب از یک قرقرۀ متحرک استفاده می‌شود.
پوشش
با اینکه عملکرد سازه‌ای سازه‌های کابلی به‌نسبت ساده است، اضافه‌کردن یک پوشش مقاوم دربرابر هوا به سازۀ کامل‌شده چالش مهمی است. بدون‌تردید کابل‌ها قابلیت ایجاد پوششی مقاوم دربرابر هوا را مانند پوسته‌ها و سازه‌های چادری ندارند. اگر پوشش یک بام صلب شبکۀ کابلی معلق باشد، از یک جزئیات خاص برای پوشاندن فاصلۀ بین کابل‌ها استفاده می‌شود.
ساخت و اجرای سازه‌های کابلی
ساخت در کارخانه
شاید برش کابل در محل آسان باشد اما به دقت کارخانه نیست. علاوه‌براین هزینۀ کارگر در محل ساخت به‌مراتب بیشتر از کارخانه است. به‌طورقطع تمامی اتصالات کابل‌ها به‌طور کاملاً پیش‌ساخته به محل حمل می‌شوند. نصب قطعات قاب سازه‌ای می‌تواند به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای سریع باشد، مرحلۀ سخت کار اضافه‌کردن پوشش به قاب است.
تکیه‌گاه هنگام ساخت
پایداری در سه بعد هنگام ساخت سازه اهمیت خاصی دارد. به‌طور معمول اتصالات در یک زمان ساخته می‌شوند. هنگامی‌که اتصال جدیدی ساخته می‌شود، شبکه اغلب تمایل به تغییرشکل و حرکت دارد. بنابراین باید از روش نصب ازپیش‌فکرشده استفاده کرد. در سازه‌های کوچک ممکن است اتصال کامل شبکه روی زمین امکان‌پذیر باشد و سپس ساخت دیرک‌ها، چیزی شبیه ساخت یک چادر سیرک انجام شود. در سازه‌های کابلی بزرگ‌تر بهتر است که شبکه را در محل در هوا بافت. در ساخت پل‌های معلق اولیه یک کابل منفرد از دهانه بر فراز کابل‌های دیگر عبور می‌کرد. چندین چالش اصلی در ساخت یک سازۀ کابلی وجود دارد.
به‌عنوان مثال به روشی که برای طراحی یک بام نوع منحنی (که به‌عنوان سقف کابلی یک‌لایه هم شناخته می‌شود) توجه کنید. به‌علاوۀ مسئلۀ پایداری مسئلۀ انحنا و کشش کابل هم وجود دارد. کابل‌ها برای اینکه درنهایت یک انحنا و کشش به‌دقت تعیین‌شده داشته باشند، طراحی شده‌اند. اما هنگام ساخت، با تغییر بارها، میزان خیز و کشش در کابل هم تغییر می‌کند. بدون وجود پانل‌های مقاوم دربرابر هوا، راستا و کشش کابل با زمانی‌که کابل درنهایت در محل است، متفاوت خواهد بود. بنابراین برخی روش‌های تعدیل و تنظیم نیاز خواهد شد. برای محدودکردن این مشکل، از کابل‌های پیش‌تنیده استفاده می‌شود. ابتدا حلقۀ فشاری خارجی در یک سیستم کابلی مدور قرار داده می‌شود، سپس حلقۀ کششی مرکزی نزدیک موقعیت نهایی (بالا روی داربست) قرار می‌گیرد. سپس کابل‌ها به ترتیبی که عدم تعادل موقت را محدود کنند، بین حلقۀ فشاری خارجی و حلقۀ کششی مرکزی قلاب می‌شوند و داربست برداشته می‌شود.
کابل‌ها کمی بیشتر از وسط خم می‌شوند و مقداری کشش پیدا می‌کنند. سپس پانل‌های سقف قرار داده می‌شود. انحنا و کشش یک‌بار دیگر زیاد می‌شود. سپس سقف با آجر یا سایر مصالح فاصلۀ بین کابل‌ها و پانل‌ها را می‌پوشاند. هنگامی‌که انحنا و کشش منطبق می‌شود، در فاصلۀ بین مصالح پوششی دوغاب ریخته می‌شود. سقف در انحنا و کشش مناسب و صحیح پیش‌تنیده می‌شود و وزنه‌ها برداشته می‌شود. اجرای یک بام از نوع چرخ دوچرخه هم به همین‌صورت انجام می‌شود، ولی ممکن است تا زمانی‌که همه‌چیز تثبیت شود، از جک‌ها هم استفاده کنند. سپس جک‌ها به‌تدریج جابه‌جا می‌شوند و با یک پخش‌کنندۀ لوله‌ای ثابت جایگزین می‌شوند. تمام سقف‌های کابلی مدور در پاسخ به تغییرات دما مقداری تغییر خواهند کرد، بنابراین این نوع سقف‌ها اغلب یک پنجرۀ سقفی نزدیک حلقۀ فشاری خارجی برای امکان ایجاد مقداری جابه‌جایی دارند.
الگوی توسعۀ سازه‌های کابلی
در برخی موارد ساختمان‌ها در طول عمر خود نیاز به توسعه دارند. برخی سیستم‌های سازه‌ای با سهولت بیشتری نسبت به بقیه توسعه پیدا می‌کنند. اگر لازم باشد یک سیستم کابلی توسعه یابد، اضافه‌کردن کابل‌های اضافی به دیرک موجود یا شبکۀ کابلی، ناگزیر موجب تغییرشکل سازۀ موجود می‌شود (سیستم‌های کابلی هنگام تغییر بارگذاری تغییرشکل می‌دهند)، برای تعادل نیروهای هر کابل جدید اضافه‌شده به سیستم موجود، باید وزنه‌های تعادل سه‌بعدی اضافه شوند. به این دلیل ممکن است یک سیستم جدید جداگانه مجاور سیستم قدیمی قرار داده شود. اگر لازم باشد، سیستم جدید باید در سطحی جدا، اما مشترک توسعه پیدا کند.
ویژگی‌های زیبایی‌شناسی سازه‌های کابلی
توجه مستقیم به زیبایی‌شناسی سیستم‌های کابلی مانند محاسبات سازه‌ای ضروری است. بخش زیبای سیستم‌های کابلی در تجسم مستقیم خطوط نیرو در داخل کابل‌هاست. انرژی که به‌طور مستقیم با کابل‌ها مجسم می‌شود، هنگامی‌که کابل‌ها همگرا و واگرا می‌شوند مشابه چیزی است که در ادوات موسیقی سیم‌دار مانند ویولون هم دیده می‌شود. همگرایی این خطوط به‌سوی دستۀ کابل‌ها و توزیع انرژی در آن در سطوح ضمنی، علاقه را در این نوع سازه به‌ارمغان می‌آورد.
سازه‌های کابلی به‌طور ذاتی اهمیت کیفیت سطوح مانند رنگ، شکل، ارزش، سختی و بافت را به حداقل می‌رسانند. این طرح خطوط است که در سازه‌های کابلی اهمیتی فوق‌العاده به خود می‌گیرد. باید به ابتدا و انتهای خطوط که با کابل‌ها در سیستم شکل گرفته است، توجه خاصی شود. مهارها و تکیه‌گاه‌های سازه‌های کابلی نه‌تنها باید از نظر سازه‌ای در انتهای کابل‌ها نیروهای بزرگی را تحمل کنند، بلکه باید به ضرورت زیبایی‌شناسی این تکیه‌گاه‌ها نیز توجه کنند. بهتر است که طرح خطوط سازه را در مقایسه با طرح خطوط محلی که باید قرار داده شود، بررسی کرد. به دلیل ضخامت کم کابل‌ها، عناصری مانند بام یک ساختمان ممکن است در میان هوا معلق به‌نظر برسند.
مطالعات موردی
سالن نمایشگاه مک‌کورمیک، شیکاگو (۱۹۸۷)
مهندس معمار: اسکیدمور، اوینگز و مریل
مهندس سازه: نایت و همکاران
وسعت سالن نمایشگاه مک‌کورمیک که روی مسیر راه‌آهن موجود قرار دارد، نیازمند یک سقف با دهانۀ بزرگ بود که فضای نمایشگاه را بدون ستون بپوشاند؛ طوری‌که مسیر ریل مختل نشود. سیستم‌های مهاری زیادی قبل از انتخاب سقف بررسی شد. سقف که از دوازده ستون بتنی آویزان است؛ فضایی ۱۲۰×۲۴۰ متر را می‌پوشاند. به‌علاوه سقف ۳۷ متر کنسول از هر طرف دارد. ستون‌ها تا ۱۸متر بالای سقف امتداد دارند. ارتفاع خالص داخلی ۱۲متر است. کابل‌های مهاری سیم‌هایی بافته‌شده از فولاد گالوانیزه به قطر ۹۵ میلی‌متر است که با پی‌وی‌سی ضدخوردگی پوشیده شده و با فرم چنگی‌شکل به‌طور موازی و تحت زاویۀ ۲۵ درجه طراحی شده است.
پایه‌ها، خرپای فولادی و خرپای فولادی نیز، خرپای ثانویه‌ای را نگه می‌دارند که هرکدام ۴٫۶ متر ارتفاع دارند و از داخل نمایان هستند. ستون‌های بتنی طوری طراحی شده‌اند که داکت‌های تأسیسات مکانیکی را که هوای مطبوع را از زیر همکف می‌آورند و هوا را از بالای سقف تخلیه می‌کنند؛ در خود جای دهند، بدون اینکه تجهیزات تهویه روی سقف نمایان باشند. لبۀ خرپاهای سقف روی سالن اصلی محکم شده تا دربرابر بار نامتقارن مقاومت داشته باشد. در ترکیب با خرپاهای عریض، کابل‌ها به اندازۀ کافی قید اضافی دارند، به‌طوری‌که می‌توانند بدون تأثیر بر یکپارچگی سازه تعویض شوند. یک نوار شیشه‌ای در سرتاسر نما، زیر خرپاها و نورگیرهای سقفی نور طبیعی را تأمین می‌کند.
پت‌سنتر، امریکا (۱۹۸۶)
مهندس معمار: ریچارد راجرز
مهندس سازه: اوه آروپ و رابرت سیلمان
پت‌سنتر یک مؤسسۀ تحقیقاتی است. سقف با سازۀ کابلی برای تأمین فضای کار بدون ستون و القای تکنولوژی به زبان معماری، مطابق نظر کارفرما انتخاب شد. یکی از ملاک‌های طراحی مقاومت در مقابل بار نیروی رو به بالای باد بدون بار مردۀ اضافه‌شده به سقف بود. براساس مدول ۹×۴٫۵ متری، ساختمان یک‌طبقه ابعادی معادل ۵۴×۷۲ متر دارد. فرم کلی پلان مانند سازه و تأسیسات در طول یک ستون فقرات مرکزی سازمان‌دهی شده است، که ۹ متر عرض دارد و در طرفین آن دو فضای وسیع کاری به عرض ۲۲٫۵ متر قرار دارد. سقف از نه ستون مثلثی آویزان است که در فواصل ۹متری در امتداد ستون فقرات قرار گرفته‌اند و توسط قاب‌های خمشی نگه داشته می‌شوند. کابل‌های مهاری فولادی در دو طرف دکل‌ها شاخه‌شاخه می‌شوند تا سقف را نگه دارند.
اتصالات تقاطع‌ها در شاخه‌ها شامل صفحه‌های فولادی مدوری است که کابل‌ها به‌وسیلۀ اتصالات استاندارد به آن متصل می‌شوند. انتخاب کابل‌های فولادی به‌عنوان کابل‌های مهاری برای تأمین استحکام بیشتر و امکان رنگ‌آمیزی بوده است. دو مهار داخلی دستک‌های فشاری برای مقاومت دربرابر نیروی رو به بالای باد هستند و مهارهای بیرونی استحکام خود را از ستون‌های متصل به پی می‌گیرند. سقف روی تیرچه‌هایی قرار می‌گیرد که در ارتفاع ۴٫۵ متر دهانۀ ۹متری بین تیرهای آویزان از دکل را می‌پوشاند. تیرها در تمام طول بال ادامه می‌یابند. سکوی مخصوص تجهیزات مکانیکی توسط کابل‌های آویزان است که برای تأمین مقاومت جانبی دکل‌ها در امتداد طول فرم‌های مثلثی می‌سازند. در جهت عرض، مقاومت جانبی توسط ستون‌های مثلثی و قاب‌های خمشی در طول ستون فقرات مرکزی تأمین می‌شود.
کلیسای مارتین مقدس، آلمان (۱۹۸۱)
مهندس معمار: همپل و براند
مهندس سازه: سیلر و استفان
یک سقف شیروانی ساده روی یک پلان مستطیلی فضای این کلیسا را شکل داده است. سازۀ چوبی نمایان گرمای طبیعی و حس توازن را می‌افزاید. شش تیر دوقلوی سه‌مفصلی چندلایه به ابعاد ۲۵×۲۰ سانتی‌متر دهانۀ ۲۰متری را در طول شبستان کلیسا می‌پوشانند. تیرهای دوقلو روی پایه‌های بتنی که از پی‌ها طره شده‌اند و دربرابر بار ثقلی، بار جانبی باد و رانش خارجی سقف مقاومت می‌کنند قرار می‌گیرند. تیرهای پرلین خرپای سقف که دهانۀ بین تیرهای اصلی را می‌پوشانند؛ اتصالات کام و زبانه‌ای با الگوهای قطری را نگه می‌دارند. الگوهای قطری، سقف را دربرابر بار جانبی باد مقاوم می‌کنند.
آشیانۀ هواپیمای لوفت‌هانزا، آلمان (۱۹۶۸-۱۹۷۲)
مهندس معمار: معماران ABB
مهندس سازه: هلموت بومهارد
این آشیانۀ هواپیما به ابعاد ۱۰۰×۲۷۰ متر، شش هواپیمای جت ۷۴۷ را در خود جای می‌دهد. درهای بزرگ آن به سقفی احتیاج داشتند که دهانه‌ای طولانی را با یک تیر اصلی بتنی روی دو ستون در وسط دهانه پوشش بدهد. ستون‌های تورفته پیش‌آمدگی‌هایی را در بالای ستون برای کاهش لنگر خمشی تیر اصلی ایجاد می‌کنند. سقف شامل ده دال بتنی پیش‌تنیدۀ معلق است، که به‌وسیلۀ نورگیرهای سقفی مثلثی‌شکل از هم جدا می‌شوند. برای تأمین ارتفاع خارجی ۳۴متری به‌منظور امنیت ترافیک هوایی و ارتفاع داخلی ۲۴متری برای حفظ نسبت دهانه به ارتفاع ۱۳٫۵ بین تکیه‌گاه‌ها، ارتفاع سازۀ سقف به ۱۰ متر محدود بود.
در هر دو طرف، سقف معلق روی تکیه‌گاه‌های شیب‌دار با وزنۀ تعادل قرار دارد تا دربرابر رانش جانبی مقاومت کند. محفظه‌های منشوری‌شکل فولادی که با بتن پر شده‌اند، کار وزنه‌های تعادل را انجام می‌دهند. کابل‌های کششی افقی دربرابر جابه‌جایی تکیه‌گاه بیرونی تحت نیروی رو به بالای باد مقاومت می‌کنند. نیروی ثقل، وزنه‌های تعادل را مهار کرده و به پایداری کلی کمک می‌کند. دستک‌های عمودی برای ایجاد پایداری دربرابر چرخش، دال‌های معلق را به هم وصل می‌کنند. سقف خمیده نور طبیعی را از خود عبور داده و فضای داخلی را در تضاد با بتن به‌عنوان مصالحی سنگین، شناور نشان می‌دهد.
ورزشگاه ملی ورشو، لهستان (۲۰۱۱-۲۰۰۸)
مهندس معمار: گروه معماری جی‌اس‌کی
مهندس سازه: برگمن و همکاران
طراحی استادیوم ورزشی ورشو برای مسابقات جام ملت‌های اروپا در سال ۲۰۱۲ در کشور لهستان در شهر ورشو در سال ۲۰۰۸ شروع شد و در سال ۲۰۱۱ به‌اتمام رسید. گنجایش این ورزشگاه که بیشتر برای برگزاری مسابقات فوتبال از آن استفاده می‌شود، حدود ۵۸۵۰۰ نفر است، که بزرگ‌ترین ورزشگاه در لهستان به‌شمار می‌رود. سقف این استادیوم به‌دلیل توانایی در باز و بسته شدن در شرایط مختلف جوی و استفاده از مصالح نوین دو جایزۀ کنگرۀ ورزشگاه‌های سال ۲۰۱۲ را کسب کرد. سقف این ورزشگاه از ۶۰ کابل تشکیل شده است که پوشش نهایی ورزشگاه را نگه می‌دارد. جنس این پوشش از پشم شیشه با پوشش تفلون است که نیمه‌شفاف بوده و دربرابر عوامل نامساعد جوی بسیار مقاوم است. زمان باز و بسته شدن حدود ۲۰ دقیقه طول می‌کشد. در مرکز سقف چهار صفحه نمایش LCD وجود دارد که مساحت هریک حدود ۲۰۰ مترمربع است.
منبع: سیستم‌های ساختمانی، محمود گلابچی، کتایون تقی‌زاده و محمدرضا گلابچی، انتشارات دانشگاه پارس، ۱۳۹۲
