سازه‌های فضاکار چوبی

  • سه شنبه 5 آذر 1392 ساعت 14:13

مقالات => خانه های چوبی

سازه‌های فضاکار چوبی


دکتر سپهر گنجه‌ای
فوق دکترای مهندسی راه و ساختمان از سوئد و امریکا، متخصص خانه‌های چوبی و
سیستم‌های سبک ساختمانی، مشاور عالی مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی

چکیده:
      
       سازه‌های فضاکار را به عنوان برگی برگرفته از طبیعت دانسته‌اند زیرا که آنها مانند فرم‌های طبیعی از صلبیت بسیاری برخوردارند و در عین حال از حداقل مصالح برای بیشترین استفاده سازه‌ای بهره می‌گیرند و در جهت حداقل انرژی رفتار می‌کنند. در سازه‌های فضاکار چوبی علاوه بر الهام گرفتن از فرم‌های طبیعی، از مصالح طبیعی یعنی چوب و فرآورده‌های چوبی به درستی استفاده شده است. سازه‌های فضایی چوبی با اتصالات مفصلی فولادی، با عضوهای چوبی بهم پیوسته و با مکانیزم انتقال بار در حالت طبیعی سه بعدی از چوب و فرآورده‌های چوبی و بیشتر از چوب‌چسبGlue Laminated Timber)   (ساخته می‌شوند.
       سازه‌های فضایی چوبی بسیار سبک هستند و در آنها از چوب و فرآورده‌های چوبی به عنوان مصالح و به صورت بهینه استفاده می‌شود. به دلیل سبکی زیاد این سازه‌ها، بارهای مرده بسیار کوچک بوده و در نتیجه در ستون‌ها و عضوهای سازه‌ای صرفه جویی می‌شود. برای پوشش فضاهای بزرگ در دهانه‌های بزرگ، بدون ستون با کاربری‌های گوناگون، مانند تالارهای سخنرانی، سالن‌های اجتماع، سالن‌های ورزشی، آشیانه‌های هواپیما و... استفاده از سازه‌های فضاکار چوبی یک روش کاربردی و اقتصادی است.  سازه‌های فضاکار نیروها را در سه جهت گوناگون و بگونه‌ای سه بعدی انتقال می‌دهند و اعضای چوبی به صورت فشاری و یا کششی عمل می‌کنند. سازه‌های فضایی چوبی از مدولهای تکرار شونده یک شکل تشکیل شده‌اند که در برخی سازه‌ها می‌توانند خرپاهای دوبعدی باشند که در بعد سوم به یکدیگر متصل شده‌اند. اجزای ساختمانی این سازه‌ها همگی در کارخانه و بگونه‌ای پیش ساخته و مدوله شده آماده می‌شوند.
       سازه‌های فضایی چوبی تاریخچه‌ای قدیمی تر از آن دارد که در تاریخ معماری نوشته شده است. پیش از آنکه Zimmerman مهندس آلمانی در سال 1894 ساخت دهانه110 متری نمایشگاه لیون را به پایان برساند و یا Schwedler گنبدی فضایی طراحی کند، ما شاهد طراحی و ساخت گنبد بزرگ چوبی مسجد باسکارسیجا در ترکیه امروزی می‌باشیم. مسجد باسکارسیجا گنبدی تمام چوب داشته است که در آتش سوزی سال 1697 میلادی از بین رفت و با گنبد فعلی جایگزین گردید. ساخت گنبد چوبی کلیسای جامع Word of Mouth با روشی جدید در ایتالیا در سال 1420 به پایان رسید که در نوع خود بی نظیر است. گنبد قابل توجه ساختمان ایالتی مری‌لند که در سال 1772 میلادی آماده بهره برداری گردید، بزرگترین گنبد چوبی کشور امریکا است که بدون استفاده از میخ ساخته شده است. گنبد چوبی ساختمان ایالتی ماساچوست در سال 1802 با ورق‌های مسی، برای جلوگیری از نفوذ آب باران و زیبایی بیشتر پوشانده شد. گنبد چوبی کلیسای جامع ترینیتی در سال 1835 میلادی در سن پترزبورگ ساخته شد که رتبه دومین گنبد چوبی اروپا از نظر بزرگی را به خود اختصاص داده است و...
       در نیم‌قرن اخیر صنعت چوب‌ بری، عمل‌آوری چوب، تولید فرآورده‌های گوناگون چوبی و سیستم‌های ساختمانی چوبی در کشورهای صنعتی جهان مانند کانادا، ایالات متحده امریکا، استرالیا، روسیه و کشورهای اروپای شمالی از جمله کشورهای اسکاندیناوی پیشرفت فراوانی کرده است به‌گونه‌ای که امروز بیش از 95 درصد ساختمانهای مسکونی با ارتفاع شش طبقه به پایین این کشورها دارای سازه چوبی می‌باشند. با پیشرفت صنعت تولید مصالح و فرآورده‌های ساختمانی چوبی مانند تخته چندلا (Plywood) ، چوب چسب (Glued Laminated Timber) و چوب لامینیت شده (Cross Laminated Wood) طراحان و سازندگان را قادر ساخته است تا دهانه‌های بسیار وسیعی را با سازه‌های چوبی بپوشانند. این فراورده‌های چوبی در سازه کارخانه‌ها، پل‌ها و سالن‌های بزرگ ورزشی کاربرد فراوان داشته‌اند. با آنکه چوب ماده‌ای آلی است و می‌تواند به اجزای تشکیل دهنده خود تجزیه شود، ولی با نگهداری درست و طراحی و اجرای صحیح، می‌توان برای آن عمری بسیار طولانی در نظر گرفت. برای مثال، چوب کشتی‌های جنگی با کهنگی بیش از 2000 سال که در آب‌های سواحل یونان یافت شده و سازه چوبی ساختمان‌های 700 ساله سوئدی و کلیسای چوبی 910 ساله در شمال کشور نروژ، هنوز کامل و بدون عیب پابرجا مانده‌اند. با چوب ساختمان‌های عظیم و سازه‌های فضاکار بسیاری در سراسر جهان ساخته‌ شده است، مانند: ساختمان‌ عظیم فرودگاه‌های استکهلم و اسلو، پل چوبی لئوناردو داوینچی در کشور نروژ به طول 100 متر و دهانه آزاد 40 متر، پل فلیسا در نروژ به طول 181 متر با دهانه آزاد 70 متر.
       سازه‌های فضاکار و ساختمان‌های عظیم چوبی بسیاری تنها در کشور نروژ ساخته شده است. سازه بیشتر این ساختمان‌ها از چوب چسب، چوب چندلایه و یا الوارهای یکپارچه چوبی تشکیل شده است. در این سازه‌ها بیشتر از اتصالات مفصلی فولادی و یا ورق‌های فولادی استفاده شده است. سالن المپیک چوبی که نام کشتی وایکینگ بر روی آن نهاده‌اند با دهانه 4/96 متر و به طول 260 متر ساخته شده است. سالن المپیک زمستانی هوکان Håkan Hall با دهانه آزاد 8/85 و طول 127 متر، سالن فوتبال سورلند Sörlandshallen با دهانه 18 متر و طول 112 متر، سالن فرودگاه نروژ و بسیاری سالن های ورزشی چوبی دیگر در نقاط گوناگون کشور ساخته شده است. پل‌های چوبی فراوانی در کشور نروژ وجود دارد، از جمله پل Flisa با دهانه آزاد 70 متر و طول 181 متر، پل لئونارو داوینچی با دهانه آزاد 40 متر و طول 100 متر را می‌توان نام برد.  یکی از موارد مناسب برای کاربرد چوب در طاق طراحی شده بر روی ایوان مسجد مصلای امام خمینی در تهران است. بر طبق محاسبات انجام شده سازه ایوان تحمل وزن طاق بتنی طراحی شده و یا سازه فولادی را ندارد. از آنجایی که یک سازه فضایی چوبی کمتر از یک دهم سازه‌ برنامه ریزی شده وزن خواهد داشت، استفاده از یک طاق چوبی میتواند مشکل ایجاد شده را به آسانی حل نماید.

سازه‌های فضاکار چوبی 
       سازه‌های فضاکار و ساختمان‌های عظیم چوبی در اشکال گوناگون در نیم‌قرن اخیر در سطح جهانی و بخصوص در کشورهای صنعتی دارای فناوری چوبی ساخته شده‌اند که ذکر آنان در این مختصر نمی‌گنجد. در اینجا تنها به شرح کوتاهی از بزرگ‌ترین و معروف‌ترین آنها پرداخته می‌شود. مهم ترین موارد تکامل سازه‌های فضاکار چوبی نقطه تماس بین ستون‌ها و سازه فوقانی بوده است. دو راه حل اساسی برای این‌گونه اتصال وجود دارد. نخست آنکه ستون‌های ساخته شده در دو قسمت ساختمان با زوایای گوناگون برپا می‌شوند، بگونه‌ای که یکی از آنان بصورت فشاری و دیگری بطور کششی عمل می‌نماید. دیگر آنکه اتصالات گیردار مورد نیاز از فولاد ساخته می‌شوند. عامل مهم دیگر حفاظت سازه چوبی در برابر آتش و پایداری آن در برابر نفوذ حشرات و رشد قارچ‌ها است، که با فناوری‌های نوین به آسانی امکان پذیر گشته ولی مرحله‌ای پرهزینه است.
       در ساخت این سازه‌ها بصورت یکپارچه و یا تلفیقی، بیشتر از هر فرآورده چوبی دیگر از چوب چسب استفاده شده است. اتصالات بطور کلی مفصلی و از جنس فولاد است. طراحان باید توجه بسیاری به نحوه قرار گرفتن فیبرهای چوبی داشته باشند، زیرا بیشترین مقاومت چوب در جهت فیبرهای آن است. با چوب چسب میتوان اجزای ساختمانی با سطح مقطع‌های بسیار متنوعی و با قوس‌های بسیار بزرگ تهیه کرد، ولی اقتصادی ترین دهانه‌ها برای پوشاندن با کمان‌های تهیه شده از چوب چسب، برای قاب‌ها 15 تا 60 متر و برای قوس‌ها 20 تا 100 متر می‌باشد.

قبه الصخره با گنبد چوبی داخلی
       قبه الصخره یکی از مهم‌ترین آثار معماری اسلامی بعد از مسجدالاقصی در بیت المقدس است. این مسجد تقدس خاصی نزد مسلمانان جهان داشته و یکی از قدیمی‌ترین نمونه‌های هنر معماری ارزشمند تمدن اسلامی است. بر خلاف دیگر مساجد جهان که بطور معمول مستطیل شکل هستند، قبه الصخره از یک هشت ضلعی منظم تشکیل گردیده که طول هر یک از اضلاع آن ۲۰/۱۹ متر و قطر آن ۸۶/۵۴ متر است. ساختمان دارای یک گنبد بزرگ می‌باشد که قطر آن ۷۷/۲۳ متر و ارتفاعش ۲۱ متر است. ارتفاع ساختمان از کف تا انتهای گنبد ۳۳ متر است. گنبد دو پوسته‌ای ساخته شده که پوسته داخلی آن چوبی است. بر روی دایره کوچکی که درون دایره فوق قرار دارد، چهار ستون بزرگ در چهارگوشه و بین آنها نیز در مجموع دوازده ستون کار گذاشته شده‌ که گنبد بر روی این ستون‌ها بگونه‌ای دایره‌وار بنا گردیده‌است. فواصل بین این ستون‌ها به کمک دیوارهای مشبک چوبی با بلندی بیش از یک متر پوشانده شده‌است.
       بنای گنبد را که بر روی صخره مسجد واقع شده‌است، به دستور خلیفه اموی عبدالملک بن مروان مابین سالهای (۶۹۱ - ۶۹۲) میلادی ساخته شده‌است. عبدالملک برای اینکه بتواند هزینه و مخارج این ساختمان را تأمین نماید، دستور داد خراج و مالیات هفت سال سرزمین مصر را به این کار اختصاص دهند. در سال ۱۰۹۹ میلادی، اشغالگران صلیبی این گنبد زیبا را به کلیسا تبدیل نمودند و بر روی صخره جایگاهی برای "قربانی" قرار دادند، اما صلاح الدین ایوبی، سردار کرد و مجاهد مسلمان، پس از فتح بیت المقدس آثار صلیبیون را از بین برد و گنبد را تزیین نمود و دیوارها را با سنگ مرمر پوشاند. در دوران پادشاهان ایوبی و حکمرانان مصر و خلفای عثمانی به تعمیر و مرمت ساختمان مسجد اهمیت فراوانی داده شد، بگونه‌ای که زیبایی‌های‏ هنر معماری اسلامی بدست هنرمندان ایرانی و مصری در مسجد به فراوانی دیده می‌شود.

گنبد دانشگاه میشیگان
       دومین گنبد بزرگ چوبی جهان با نام "گنبد برتر"Superior Dome  در سال 1991 میلادی در دانشگاه میشیگان شامل زمین فوتبال، اسکی روی یخ، رگبی و  فعالیت‌های گوناگون دانشگاهی ساخته شد. بلندی این گنبد به‌اندازه یک ساختمان چهارده طبقه (49 متر) با سطح اشتغال 21 هزار متر مربع و با گنجایش 16 هزار نفر است. قطر گنبد 164 متر با قابلیت تحمل 9/2 کیلوپاسکال بار برف و تحمل باد با سرعت 130 کیلومتر در ساعت است. با توجه به توفان‌های فصلی و بارندگی‌های ایالت میشیگان این گنبد برای چنین باری طراحی شده است.

 

شکل 1 - گنبد دانشگاه میشیگان به قطر 164 متر دومین گنبد بزرگ چوبی جهان

 


شکل 2 - گنبد دانشگاه میشیگان از داخل هنگام برگزاری مسابقات

       گنبد دانشگاه میشیگان با 781 تیر عظیم چوب چسب از تیره برگ سوزنی Douglas Fir بگونه‌ای طراحی شده است که بتواند بار سنگین برف و توفان‌های ایالت میشیگان را تحمل کند. مخارج ساخت این گنبد 9/23میلیون دلار است که با سرمایه ایالت میشیگان ساخته شده است.

گنبد اودات جوکایی
       پس از زمین لرزه هانشین (Hanshin) که در سال 1995 میلادی باعث مرک 6000 نفر و تخریب ساختمان‌های سنتی چوبی ژاپن گردید، ساخت ساختمان‌های مدرن چوبی در این کشور به سرعت در حال افزایش بوده است. علاوه بر ساختمان‌های قاب سبک چوبی که بیشتر کاربرد مسکونی دارند، سالانه بیش از 400 ساختمان عظیم چوبی در این کشور ساخته شده است. در سال 1987 میلادی آیین نامه‌های چوبی ژاپن بسیار سخت گیرانه گردید و سیستم ساختمان‌های سبک چوبی بر پایه آیین نامه‌های ساختمانی ایالات متحده امریکا تدوین گردید. ساخت گنبد تمام چوب Odate Jukai به شکل بیضی با ارتفاع 52 متر که قطر بزرگ آن 178 متر و قطر کوچک آن 157 متر می‌باشد، در سال 1997 میلادی ساخته شد. سطح زیربنای این گنبد تخم مرغی 23218 متر مربع است.

 
شکل 3 - گنبدچوبی Odate Jukai در حال ساخت. ارتفاع 52.1 متر و قطر 178 متر

 
شکل 4 - بزرگترین گنبد چوبی جهان در کشور ژاپن، از داخل

سالن ورزشی زیلینا
       سالن ورزشی تمام چوب Zilina در کشور Slovakia  به شکل گنبد با الوارهای قوسی 5/18 متری و با دهانه 105 متر در سال 1982 میلادی ساخته شده است. سیستم سازه باربر این گنبد تشکیل شده است از 44 عدد تیرهای خمیده (قوسی) از جنس چوب چسب که با اتصالات فولادی به پی متشکل از بتن مسلح متصل شده است. این قوس‌ها در بالا به دایره‌ای فولادی به قطر 5 متر متصل شده‌اند. پهنای قوس‌ها 24 سانتی‌متر و عمق آنها از 80 تا  190 سانتی‌متر متغییر  است. چوب چسب با لایه‌هایی از چوب‌های برگ سوزنی به ضخامت 32 میلیمتر با چسب مقاوم در برابر رطوبت به یکدیگر جسبانده شده‌اند.

 
شکل 5 - گنبد چوبی ورزشگاه زیلینا Zilina در کشور اسلواکیاSlovakia  به قطر 105 متر

گنبد تاکوما
       گنبد چوبی تاکوما Tacoma یکی از بزرگترین گنبدهای چوبی است که در سال 1983 بعنوان سالن ورزشی در کشور ایالات متحده امریکا آماده بهره برداری گردید. قطر این گنبد 160 متر و ارتفاع آن 46 متر است که با چوب چسب ساخته شده است. سیستم هندسی این گنبد تلفیقی از گنبد شش ضلعی و مثلثی است. سیستم سازه‌ای این گنبد تشکیل شده است از شبکه خرپایی چوب چسب. در دورترین قسمت خارجی گنبد، برای پوشاندن نامنظمی گنبد شش ضلعی، از سیستم مثلثی با میله‌های چوبی موازی در سه جهت گوناگون استفاده شده است. قطعات چوب چسب از جنس صنوبر Douglas Fir  به عمق 75 سانتی‌متر و عرض 17 تا 22 سانتی‌متر می‌باشند. اتصالات از نوع تخته‌های فولادی است که با پیچ‌های فولادی به سازه متصل شده است. پوشش گنبد از تخته‌های چوبی از همان جنس با ضخامت 5 سانتی‌متر تشکیل شده است که به شکل زبانه‌ای به یکدیگر متصل شده‌اند. سقف گنبد با اجزای پیش ساخته در مدت زمان دو ماه برپا گردید. مخارج ساخت این گنبد 44 میلیون دلار است و گنجایش 23 هزار تماشاچی در هنگام برگزاری مسابقات را دارد.

 
شکل 6 - گنبد چوبی تاکوما Tacoma با قطر 160 متر در ایالات متحده امریکا

 
شکل 7 - سازه باربر گنبد چوبی تاکوما Tacoma در هنگام ساخت

 
شکل 8 - داخل گنبد تاکوما در هنگام بهره برداری با کاربری سالن ورزشی

شهر بازی تگزاس
       ساختمان Texas Giant در شهربازی Six Flags  واقع در شهر دالاس در ایالت تگزاس یکی از ساختمان‌های عظیم چوبی است که در دوران حاضر ساخته شده است. این سازه با 300 هزار متر اجزای چوبی، 10 تن پیچ و میخ و 81370 اتصالات فولادی و مهره ساخته شده است. ارتفاع این سازه که بر روی آن قطارهایی با سرعت بیش از 100 کیلومتر در ساعت حرکت می‌کنند، به اندازه یک ساختمان 14 طبقه (47 متر) می‌باشد.  این ساختمان در سال 1990 میلادی ساخته شده و بزرگترین ریل بازی چوبی در جهان است که پس از 20 سال کارکرد در شرایط غیر متعارفی بدون عیب و حادثه پابرجا مانده است.

شکل 9 - سازه فضایی چوبی شهربازی تگزاس به ارتفاع 47 متر

سالن نمایشگاه سیدنی
       ساخت گنبد چوبی سیدنی برای بازی‌های دوستداران محیط زیست در سال 2000  میلادی انتخاب مناسبی بود. این گنبد بزرگ به قطر 97 متر و ارتفاع 42 متر با سه سالن چوبی متصل به آن در مجموع 14400 متر مربع مساحت دارد. برای پاسخگویی به انتظارات انجمن‌های طرفداری از محیط زیست، در طراحی و ساخت از مناسب ترین مصالح ساختمانی طبیعی استفاده شده است. سازه متشکل از چوب چسب و ورق‌های پوششی و معماری داخلی با مصالح ساختمانی از فرآورده‌های چوبی مناسب به دقت طراحی و اجرا گردید. در المپیک برگزار شده تیم‌های فوتبال، بسکتبال، والیبال، ژیمناستیک و... شرکت نمودند. چوب بکار برده شده در چوب چسب، ورق‌های پوششی و اجزای ساختمانی از نوع برگ سوزنی که در جنگلداری‌های جنوب استرالیا می‌رویند (Radiata Pine)، تهیه شده است. برای تحمل ازدیاد بار بطرف پی، سطح مقطع چوب به تدریج از 80 در 3 سانتی‌متر در نوک گنبد تا 80 در 23 سانتی‌متر در محل اتصال با پی تغییر کرده است.  تکمیل کننده سازه چوبی اتصالات فولادی و برخی وادارهای فولادی است. کابل‌های فولادی با اتصالات کروی و با چسب‌های اپوکسی در سازه مهار شده‌اند. سالن‌ها با دیوارهای جداکننده قابل انتقال چوبی از یکدیگر جدا شده‌اند.

 
شکل 10 - گنبد نمایشگاه سیدنی به قطر 97 و ارتفاع 42 متر

 
شکل 11 - سالن نمایشگاه سیدنی از داخل

گنبد Walkup Skydome
       این گنبد چوبی در سال 1997 در ایالت آریزونا واقع در کشور ایالات متحده امریکا به قطر 153 متر و ارتفاع 44 متر آماده بهره برداری گردید. سازه گنبد از چوب چسب تهیه شده از چوب درختان برگ سوزنی از تیره  Southern Yellow Pine ساخته شده است. گنبد از نوع کروی است که با شعاع‌های مشبک مثلثی، لوزی و شش گوش از چوب چسب ساخته شده است. سطح داخل گنبد 18400 متر مربع است.

 
شکل 12-  سالن ورزشی گنبد Walkup Skydome  به قطر 153 متر و ارتفاع 44 متر

گنبد المپیک ریچموند
       گنبد بیضی شکل ریچموند Richmond Olympic Oval  برای المپیک سال 2010 میلادی و مسابقات ورزش‌های زمستانی ساخته شد. این ساختمان نمونه بارزی از مزایای طراحی و مهندسی ساختمان‌های چوبی است. این ساختمان قابلیت‌ها و فناوری نوین ساخت ساختمان‌های چوبی و امکانات کارخانجات تولید قطعات پیش ساخته ساختمانی ایالت بریتیش کلمبیای کشور کانادا را به نمایش گزاشته است. این ساختمان در سه طبقه طراحی و اجرا شده است. یک زیرزمین که بعنوان پارکینگ از آن استفاده می‌شود، طبقه ورودی با رستوران و خدمات برای مراجعین و سالن ورزشی در طبقه سوم. این ساختمان گنجایش 8000 میهمان را دارد که پس از برگزاری مسابقات به ساختمان چند منظوره ورزشی تبدیل می‌شود. طراحی گنبد المپیک ریچموند از تصورات شاعرانه ملی و جغرافیایی ایالت ریچموند سرچشمه گرفته است. برای مثال ساختمان به شکل مرغ ماهیخوار که سمبلی ایالتی است طراحی شده است. عملیات ساختمانی در سال 2005 میلادی آغاز گردید و در آخرین ماه سال 2008 میلادی به موقع و بدون کسر بودجه به اتمام رسید. مساحت زیربنای ساختمان 47000 متر مربع و مساحت سالن ورزشی آن 25000 متر مربع می‌باشد. سقف سالن المپیک با قوس‌های کامپوزیت چوب چسب و فولاد بر روی دهانه آزاد 100 متر اجرا شده است. مقطع قوس‌های کامپوزیت درنوع خود بی نظیر است. دو قوس با عمق 6/1 متر  در قاب نازک فولادی به یکدیگر وصل شده که در پایین، جایی که قاب‌ها به‌ هم می‌رسند، فولاد نمایان گردیده و تیغه اتصالی را تشکیل داده است. پوشش سقف از مدول‌های پیش ساخته چوب چسب تشکیل شده است.

 
شکل 13 - گنبد المپیک سال 2010 ریچموند با طراحی به شکل مرغ ماهیخوار

 
شکل 14 - سالن ورزشهای زمستانی گنبد المپیک ریچموند با دهانه آزاد 100 متر و مساحت 25000 متر مربع

 

شکل 15 - سالن ورزشهای زمستانی گنبد المپیک ریچموند، نحوه اتصال قوس‌های چوب چسب به پی

اتصالات متداول در سازه‌های فضاکار چوبی
       رمز موفقیت سازه‌های چوبی در طراحی و انتخاب صحیح اتصالات آنها است. در سازه‌های نوین چوبی بیش از هرچیز از اتصالات فولادی استفاده می‌شود. اتصالات سازه‌های چوبی به گونه مفصلی طراحی می‌شوند و اتصالات گیردار کاربرد محدودی داشته‌اند. اتصالات سازه‌های فضایی چوبی بسیار متنوع می‌باشند ولی متداول ترین آنها از قرار زیر است:

 
 شکل 16 - الف: اتصال توپی (ساچمه‌ای) متداول ترین اتصال گنبدهای چوبی    ب: اتصال ستون یا قوس چوبی به پی بتنی

   
شکل 17 - الف: اتصال گره‌ای برای سقف     ب: اتصال ثابت سنجاقی برای نوک قوس‌ها
  

شکل 18 -  الف: اتصال میخ پرچی با واشر گرد         ب : اتصال گره‌ای متداول در سازه‌های عظیم فضاکار

شکل 19- الف: اتصال با ورق و سنجاق فولادی، خرپایی     ب: اتصال ورق فولادی میخ‌دار با بیشترین کاربرد در خرپاها


مقاومت چوب 
       مقاومت چوب بستگی فراوانی به نوع چوب، چگالی، رطوبت، درجه حرارت و جهت‌های سه‌گانه چوب دارد. چوب نسبت به وزن خود از مقاومت بالایی برخوردار است. مقاومت کششی چوب ساختمانی در حدود kg/cm2 1200، مقاومت خمشی آن در حدود kg/cm2 850 و مقاومت فشاری آن در حدود kg/cm2 480 در جهت الیاف می‌باشد. در جهت عمود بر الیاف (فیبرها) مقاومت فشاری به حدود یک دهم و مقاومت کششی به یک سی‌ام تقلیل می‌یابد. مقاومت کششی آلومینیوم حدود 20% بیشتر از چوب و مقاومت آهن معمولی حدود چهار برابر آن است. چگالی چوب بستگی به نوع چوب و شرایط آب و هوایی محیط رشد درخت دارد و از 170 تا 1230 کیلوگرم بر متر مکعب متغیر است. چگالی چوب ساختمانی بین 400 تا 750 کیلوگرم بر متر مکعب می‌باشد. چوب نسبت به وزن مخصوص خود از مقاومت بسیار بالایی برخوردار است، بگونه ای که مقاومت نسبی آن 6/3 برابر مقاومت نسبی فولاد، 1/4 برابر مقاومت نسبی آلومینیوم و 4/6 برابر مقاومت نسبی بتن است و در نتیجه میتوان در ابعاد ستون‌ها و اجزای تشکیل دهنده سازه و وزن ساختمان صرفه جویی قابل ملاحظه‌ای کرد.
       با چوب چسب، تخته چندلا یا چوب لامینیت شده می‌توان دهانه‌های بسیار وسیعی را پوشاند. این فراورده چوبی در ساختمان سازه کارخانه‌ها، پل‌ها و سالن‌های بزرگ کار برد فراوان دارد.

 جدول 1 - مقاومت چوب نسبت به وزن آن در مقایسه با مصالح ساختمانی دیگر

  

دوام سازه‌های چوبی
       با آنکه چوب یک ماده آلی است و در شرایط خاص می‌تواند به اجزای اصلی تشکیل‌دهنده خود تجزیه شود، ولی با نگهداری درست و رعایت اصول طراحی و اجرای سیستم ساختمان‌های چوبی، می‌توان برای آن عمری بسیار طولانی در نظر گرفت. برای مثال، چوب کشتی‌های جنگی با کهنگی بیش از 2000 سال که در آب‌های سواحل یونان به دست آمده، سازه چوبی ساختمان‌های 700 ساله سوئدی و کلیساهای چوبی 900 ساله نروژی هنوز کامل و بدون عیب پابرجا مانده‌اند. اگر بتوان یکی از سه عامل رطوبت، حرارت و اکسیژن را از سازه چوبی به دور نگاه داشت، می‌توان از فساد و تجزیه آن جلوگیری به‌عمل آورد. در پژوهش‌هایی که نگارنده بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی چوب‌های ساختمان‌های 600 تا 700 ساله شهر قدیمی استکهلم به‌انجام رسانید، به نتیجه‌های قابل توجهی دست یافت [2]. مقاومت و مدول الاستیسیته چوب‌هایی که به خوبی درون ساختمان محفوظ مانده‌اند، بین ده تا بیست درصد از چوب‌های تازه با چگالی و نوع یکسان بیشتر است. درصد جذب آب چوب کهنه و تغییرات ابعادی آن در هنگام جذب آب و در مجموع تأثیر پذیری آن در برابر عوامل محیط، از چوب تازه کمتر است. خزش تحت تأثیر بار و تغییرات رطوبتی هوا، در چوب کهنه به مراتب کمتر از چوب تازه است. به‌طور کلی، می‌توان گفت که در صورت رعایت اصول سیستم ساختمان‌های چوبی، و آگاهی از نحوه برخورد چوب با عوامل محیط، می‌توان عمر مفید ساختمان‌های این سیستم را بی‌گمان به بیش از صد سال رسانید، ولی در صورت سهل انگاری و یا عدم رعایت این اصول، ساختمان‌های چوبی به شدت آسیب‌پذیر خواهند بود.


مقاومت در برابر آتش
       از آنجایی که چوب یک ماده قابل اشتعال است، تمامی سازه با مصالح نسوز پوشانده شده و یا با مواد شیمیایی مناسب کند سوز می‌شود. در اکثر موارد، تخته‌های گچی به عنوان لایه محافظ در برابر آتش مورد استفاده قرار می‌گیرند. گچ به واسطه آب تبلور (21 درصد) پایداری زیادی در برابر آتش دارد و به‌گونه‌ای گسترده به عنوان یک ماده عایق حرارت جهت حفاظت ستونها و اجزای ساختمانی فلزی و چوبی در هنگام آتش سوزی مورد استفاده قرار می‌گیرد. چوب با آنکه بار آتش زیادی دارد به راحتی مشتعل نمی‌شود بطوری که آتش سوزی‌ها با مصالح دیگری آغاز می‌شوند.
       چوب مشتعل شده به‌راحتی می‌سوزد ولی ذغال ایجاد شده در سطح چوب به واسطه خاصیت عایقکاری حرارتی خود از سرعت نفوذ آتش به درون چوب می‌کاهد و باعث پایداری بیشتر آن می‌گردد. بواسطه همین پدیده تیرهای چوبی قطور در آتش سوزیها مقاومت بمراتب بیشتری از خود نسبت به فولاد نشان داده اند. در نتیجه با تداوم آتش ضخامت لایه ذغال بیشتر شده و باعث افزایش زمان مقاومت چوب در برابر آتش می‌گردد. مقاومت باقی مانده یک عضو چوبی سازه در هنگام آتش‌سوزی برابر است با مقاومت سطح مقطع قسمتی از آن که هنوز ذغال نشده است؛ بر خلاف سازه فولادی که به شدت مقاومت خود را با ازدیاد حرارت از دست می‌دهد.
       دما در درون  لایه زغال در حدود 100 تا 300 درجه سلسیوس فرض می‌شود. به دلیل هدایت حرارتی کم چوب، دما در فاصله حدود 6 میلی‌متر از سطح لایه زغال به طرف داخل، حدود 180 درجه سلسیوس است. این شیب تند دما در قسمت زغال نشده به معنای این است که قسمت بزرگی از عضو چوبی در دمای پایین باقی ‌‌مانده و همچنان می‌تواند به تحمل بار ادامه دهد. با پیشرفت لایه زغال، رطوبت به درون لایه‌های داخلی رانده می‌شود. حداکثر نفوذ دمای چوب حدود oC 100 است و در فاصله حدود 13 میلی‌متری از مرز زغال، رخ می‌دهد.
       سازه چوب سنگین مقاومت بسیار خوبی در برابر آتش از خود نشان داده است. مثال‌های مستند بسیاری از این سازه‌ها که در معرض آتش‌سوزی شدید قرار گرفته‌ ولی ویران نشده‌اند، در مراجع معتبر فنی موجود است.
مقاومت در برابر آتش‌سوزی اعضای سازه‌ای چوب چندلا (چوب چسب)، همچون طاق‌ها،  تیرها و ستون‌ها به طور کلی با مقاومت اعضای ساخته شده از چوب توپر یک‌تکه، برابر است. اطلاعات موجود در مراجع فنی، نشان می‌دهد که مقاومت در برابر آتش‌سوزی تمامی اعضای ساختمانی ساخته شده با چوب چندلا که با چسب‌های فنلی یا ملامین چسبیده شده باشند، برابر است با مقاومت در برابر آتش‌سوزی همان عضو ساختمانی که با چوب یک‌تکه ساخته شده است. رفتار خوب سازه‌ای اجزای چوبی در آزمون‌های آتش ناشی از یکنواختی مقاومت مکانیکی چوب در کل جرم چوب است.  بنابراین، قسمت سوخته نشده جزء چوبی کماکان دارای مقاومت بالایی است و ظرفیت باربری آن، فقط به نسبتی که سطح مقطع در اثر سوختن کاهش یافته است، کم می‌شود.
       برای بهبود عملکرد چوب در برابر آتش، می‌توان از مواد شیمیایی تحت‌ نام‌های کندسوز کننده، محافظت‌کننده در برابر آتش و یا تأخیر دهنده اشتعال استفاده نمود. تأثیر این مواد در عملکرد چوب در برابر آتش، بیشتر در هنگام شروع آتش‌سوزی و یا در جهت محدود کردن گسترش آتش است.
       علاوه بر مواد شیمیایی می‌توان از لاک و رنگ‌های مقاوم در برابر آتش بر روی چوب و فرآورده‌های چوبی استفاده کرد. این رنگ‌ها مقاومت‌های متوسط (حدود 30 تا 60 دقیقه) در برابر آتش به دست می‌دهند ولی مقاومت چندانی در برابر عوامل فرسایش و هوازدگی ندارند و در نتیجه بیشتر برای استفاده در سقف‌ها و داخل ساختمان مناسب می‌باشند. برخی از انواع رنگ‌ها در هنگام آتش سوزی منبسط شده و یک لایه ضخیم عایق حرارتی بر روی چوب تشکیل می‌دهند.

       
شکل 20 - گسترش حرارت در سطح مقطع چوب در هنگام آتش‌سوزی

مقاومت در برابر قارچ‌ها و حشرات 
       برای حفاظت چوب در برابر قارچ‌ها، آن را با مواد شیمیایی گوناگون مقاوم می‌سازند. نحوه اعمال مواد محافظت‌کننده به دو گونه اشباع عمقی و آغشتگی سطحی تقسیم می‌شوند. در آغشتگی سطحی، چوب را در محلول ماده محافظت‌کننده فرو می‌برند، با قلم مو بر روی آن پخش می‌کنند و یا با پمپ می‌پاشند. در این روش ماده محافظت‌کننده بر روی سطح چوب باقی مانده و یا یکی دو میلی‌متر به داخل آن رسوخ می‌کند. برای ایجاد مقاومت پایدار روش اشباع عمقی پیشنهاد می‌شود. در این روش چوب را داخل استوانه‌ای بسته قرار داده و مواد شیمیایی را تحت خلاء و فشار، به داخل آن وارد می‌کنند. مواد شیمیایی مناسب می‌توانند چوب را برای مدت بسیار زیادی در برابر حمله موریانه، حشرات موذی و پوسیدگی ناشی از فعالیت قارچ‌ها حفاظت کنند.
       در مناطق گرمسیر، موریانه خطری جدی برای سازه چوبی محسوب می‌شود، که با دو روش شیمیایی و فیزیکی می‌توان از تخریب‌ ناشی از آن جلوگیری کرد. روش شیمیایی عبارت است از اشباع عمقی چوب با مواد سمی مانند. در روش فیزیکی از ورود موریانه به داخل سازه چوبی جلوگیری می‌شود. از جمله روش‌های متداول قرار دادن ورق‌های فلزی، که به طور معمول از جنس آهن گالوانیزه و یا مس است، بر روی دیوار بتنی شالوده، بر روی لبه خارجی پی و در مکان‌هایی که خطر صعود موریانه وجود دارد، از نفوذ این حشره به داخل ساختمان جلوگیری به عمل می‌آید. روش‌ فیزیکی دیگر عبارت است از اجرای مش فولادی زنگ نزن بر روی سطح خارجی دیوار فونداسیون، در زیر پی گسترده، در اطراف لوله‌های تاسیساتی که از درون پی عبور می‌کنند و در مدخل هواکش‌ها. شبکه مش فولادی باید کوچک‌تر از آن باشد که موریانه و حشرات دیگر بتوانند از آن عبور کنند و از طرفی سخت تر از آن باشد که بتوانند آن‌را پاره کنند.  یک روش موثر فیزیکی دیگر، عبارت است از قرار دادن سنگ خورد شده با دانه‌هایی به اندازه کافی ریز که موریانه نتواند از میان آنها عبور کند و به اندازه کافی درشت که موریانه نتواند آنرا جابجا کند، در زیر پی، در اطراف فونداسیون و لوله‌های تاسیساتی که از درون پی عبور می‌کنند. اندازه دانه‌های سنگ خرد شده باید بین 4/1 و 8/2 میلی‌متر باشد.

مقاومت در برابر زمین لرزه
       زمین‌لرزه‌های فراوانی که در گوشه و کنار جهان به وقوع پیوسته است، نشان داده‌اند که ساختمان‌های با سازه چوبی مقاومت بی نظیری در برابر زمین‌لرزه دارند. در ایالت کالیفرنیا واقع در ایالات متحده امریکا مساحت مدارس دولتی بیش از چهارصد میلیون متر مربع است که بیش از هشتاد درصد آنها دارای سازه چوبی هستند. در زمین‌لرزه نورتریج (1994) هیچ کدام از سازه‌های چوبی این مدارس دچار آسیب جدی نگردیدند. تخریب جدی تنها در میان اجزای غیر چوبی این ساختمانها به وقوع پیوست. در سال 2002 دولت ایالتی کالیفرنیا تصمیم گرفت که در ساختمان سازه‌های بتنی و آجری مدارس کالیفرنیا تجدیدنظر بعمل آورد زیرا که ساختمان‌های با سازه چوبی بهترین مقاومت را در برابر زلزله از خود نشان داده بودند. در بسیاری از خانه های چوبی پی بتنی نتوانسته است در برابر زمین لرزه مقاومت نماید ولی سازه چوبی بدون آسیب زیاد پابرجا مانده است. در زمین لرزه هوگوکن نامبو که در سال 1995 در کوبه ژاپن بوقوع پیوست 6800 کشته از خود برجای گذاشت که همگی در خانه های بدون سازه چوبی بودند. زمین لرزه های دیگری که در کشور ایالات متحده امریکا و در گوشه و کنار دنیا به وقوع پیوسته است آمار مشابهی بدست میدهند.  در سال 2003 میلادی زلزله بم به قدرت 6/6 ریشتر باعث مرگ در حدود 50 هزارنفر یعنی یک چهارم جمعیت شهر گردید. در سال 1994 میلادی در منطقه نورتریج ایالت کالیفرنیا زمین لرزه‌ای با قدرت 7/6 ریشتر بوقوع پیوست و 40 بیلیون دلار خسارت به بار آورد و باعث مرگ تنها 57 نفر گردید. تمامی این افراد در خانه های غیر چوبی بودند بجز 16 نفر که در اثر سرنگونی دیوار و دودکش آجری در یک خانه چوبی جان سپردند. دلیل اساسی کمی تلفات در این زمین لرزه در مقایسه با زلزله بم، وجود 99 درصدی خانه های چوبی مسکونی در منطقه نورتریج است.

نتیجه گیری
       هرگاه محافظت سازه چوبی در برابر آتش، قارچ‌ها و حشرات مخرب مانند موریانه به درستی انجام شود، از خواص بی‌نظیر چوب می‌توان در ساخت سازه‌های بزرگ بهره گیری کرد. چوب در سازه‌های فضاکار و معماری اکسپوز به دلایل زیر کاربرد فراوانی داشته است.
• تطبیق پذیری در طراحی: فرآورده‌های چوبی برای کاربرد در سازه‌های با دهانه‌های کوچک و یا دهانه‌های بزرگ‌تر از 100 متر در انواع گوناگون وجود دارد. سازه‌های چوبی برای تنوع در معماری فضا و اختیار دادن به طراح در ایجاد طرح‌های گوناگون قابلیت بالایی دارند.
• سهولت ساخت: اتصالات و روش‌های گوناگون نصب برای سازه‌های گوناگون چوبی در دو قرن گذشته تکامل بسیاری یافته است. چوب یک مصالح ساختمان سبک است که کار با آن به مراتب از مصالح ساختمانی دیگر آسان تر است و سهولت اجرای دهانه‌های متنوع و تغییر ارتفاع را به خوبی تامین می‌کند.
• سبکی و مقاومت بالا در برابر زمین لرزه.
• مقاومت زیاد نسبت به وزن خود.
• خواص خوب آکوستیکی برای جذب صدا و ضریب انتقال حرارت پایین.
• زیبایی و هم‌آهنگی با طبیعت و محیط زیست با قابلیت بازیافت و تولید در طبیعت.
• از نظر زیست‌محیطی، این سیستم‌های ساختمانی در زمره سیستم‌هایی می‌باشند که انرژی اندکی برای ساخت اجزای آنها مصرف می‌شود و تمام مصالح آن از طبیعت گرفته شده و در نتیجه در کشورهای صنعتی از مالیات‌های مربوط به آلودگی محیط زیست معاف گردیده‌اند.
• سازه‌های چوبی در زمان کمی برپا می‌شوند، و سرعت اجرا نسبت به شیوه‌های سنتی و حتی صنعتی سنگین بسیار بالاتر است.


مراجع:

1. دکتر سپهر گنجه‌ای، "بررسی و ارزیابی چند سیستم مطرح در پروژه‌های انبوه سازی ساختمان‌های مسکونی.  سیستم خانه‌های اسکلت سبک چوبی". مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن.  تهران 1389.
2. Sepehr Gangei, "A Study of Creep of Wood. Taking into Account the Influence of Constant as well as cyclically varying relative humidity". Doctoral Dissertation Thesis, Institute of Building Materials, The Royale Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 1987.
3. Sepehr Gangei, T. Toratti, "Long Term Bending Creep of Wood in Cyclic Relative Humidity". Wood Science and Technology, Springer Verlag 27:49-59.1993.
4. Wood Handbook, "Wood as an Engineering Material". Technical Report, Forest Products Laboratory. USA, 2006.
5. Thelandersson, S. and Larssen, H.J. "Timber Engineering", John Wiley & Sons Ltd, England, 2003.
6. Treteknisk og TreFokus AS; Fokus på tre Nr. 27, Oslo, Norge 2007.
7. Herzog, "Timber Construction Manual", Birkhäuser, Publisher for Architecture, Basel, ISBN 3-7643-7025-4, 2004.
8. Mettem, C.J., Gordon, J.A. and Bedding, B. Structural Timber Composites Design Guide, TRADA Technology, DG1, 1996.
9. BS EN 14080, Timber Structures – Glued Laminated Timber – Requirements, British Standards Institution, 2005.
10. Girod. Glued in Rods for Timber Structures, Bengtsson, C. Ed. Swedish National Testing & Research Institute, Sweden 2002.
11. Richmond Olympic Oval, World-Class Sport Facility, Forestry Innovation Investment Ltd. Vancouver, BC, Canada August 2009.
12. G. G. Schierle. Architectural Structures Excerpts. University of Sothern California, Custom Publishing. United States Geological Survey, courtesy USGS. Los Angeles California 2006.

 

ارسال نظر

ارسال

فرم درخواست استعلام خدمات 

این فرم در راستای ارایه هر چه بهتر و دقیق تر مشاوره و اجرای پروژه های ساختمانی برای بازدید کنندگان سایت چوبین سازه در نظر گرفته شده، شایان ذکر است تیم های فنی و اجرایی ما بهترین پیشنهاد ها را در اسرع وقت و طبق نیازهای مطرح شده به شما ارایه خواهند کرد.

 

 

:
:
:
: