طراحی اولین سازه پوسته ای بزرگ بریتانیا در 25 سال گذشته

 (*سازه پوسته ای : سازه های پوسته ای ورقه های نازکی هستند که از مواد مختلفی ساخته می شوند و به عنوان ساختار بنا کاربرد دارند. ساختار منحنی در این سازه ها اهمیت زیادی دارد و کاملاً باید طبق اصول مشخصی ایجاد گردد تا بتوان روی آن به عنوان چارچوبی مطمئن حساب کرد. سازه های پوسته ای یک ساختارکاملاً سه بعدی است.)

هنگامی که با قطار به منچستر انگلستان سفر می کنید، نمی توان تلسکوپ باشکوه لاول را که بر فراز افق در رصدخانه جودرل بانک در محله لوور ویتینگتون  در چشایرِ انگلستان قرار دارد، نادیده گرفت. تلسکوپ لاول با قطر 76.2 متر،  در سال 1957 ساخته شد و در آن زمان بزرگترین بشقاب قابل هدایت در جهان بود. 

استفاده مجدد از مجموعه لوازم یدکیِ کشتی های جنگی مربوط به جنگ جهانی اول، خلاقیت و نبوغ خالق تلسکوپ، برنارد لاول را نشان می دهد. تلسکوپ لاول هنوز هم به طور منظم در حال استفاده است، و یکی از چهار تلسکوپ رادیویی در بانک جودرل است و مرکز عصبی مجموعه تلسکوپ‌هایی است که با نام "شبکه تداخل سنج پیوندی چند عنصری پیشرفته" یا "eMERLIN" شناخته می‌شوند. این شبکه از تلسکوپ‌ها با وسعت 217 کیلومتر در سراسر بریتانیا، یک تلسکوپ رادیویی غول پیکر را تشکیل می‌دهد.

(*غرفه نور: یک طرح مفهومی است که عمدتا با رنگ سفید کار می شود و یک قطعه خالص ارائه می دهد که نور را هنگام عبور تغییر می دهد و به هوا اجازه می دهد آزادانه حرکت کند.

شرکت معماری هاسل(Hassell) از شرکت مهندسی Atelier Oneخواست تا برای رقابت ساخت غرفه در جودرل بانک به تیم آنها بپیوندد. این شرکت ها مفتخرند که در پروژه ای با سابقه دستاوردهای علمی خیره کننده و توان مهندسی شرکت کرده اند. در نهایت،طرح ارسالی آنها در جولای 2016 توسط دانشگاه منچستر، که مالک و اداره کننده جودرل بانک است، انتخاب شد.

چالش ساخت غرفه ای بود که بتواند به‌صورت انعطاف‌پذیر نمایشگاهی را در خود جای دهد و داستان تلسکوپ را روایت کند. با این حال، ساختمان باید به اندازه کافی پایین می ماند تا از تداخل در عملکرد تلسکوپ جلوگیری شود، و باید به طور یکپارچه با درختکاری بسیار محبوب موجود در ملک این رصدخانه ، که در سال 2019 توسط یونسکو به عنوان میراث جهانی نامگذاری شد، ترکیب می شد.

پروژه حاصل که به عنوان غرفه نور اول شناخته می شود، اولین سازه پوسته ای در مقیاس بزرگ است که در 25 سال گذشته در بریتانیا ساخته شده است. (در نجوم، اصطلاح نور اول به اولین استفاده از تلسکوپ برای گرفتن یک تصویر نجومی اشاره دارد.)

ساخت پوسته گنبدی 

با همکاری شرکت معماری هاسل و شرکت طراحی داخلی کاسون مان(Casson Mann) انگلستان به عنوان طراح این نمایشگاه، گنبدی با قطر 76.2 متر برای مطابقت با قطر بشقاب تلسکوپ لاول ایجاد شد. این گنبد شامل پوسته ای به قطر 50 متر است که بر روی یک دیوار محیطی نصب شده است و یک سالن نمایشگاه مرکزی بدون ستون به ابعاد 36 متر در 20 متر، یک سالن همایش ، یک کافه و فضاهای اداری را در خود جای داده است. یک تپۀ خاکی در محیط اطراف ، این سازه را تکمیل می کند. بریدگی ها در پوسته ،دسترسی به ورودی اصلی، قسمت نشیمن کافه و انبار خدمات را تسهیل می کنند. در بریدگی یک قسمت نشیمن برای کافه در نظر گرفته شده است.گنبد پوشیده از چمن است تا با چشم انداز اطراف ادغام شود.

این غرفه فرم گنبدی، ساختار مدفون در خاک، و دهانه های طولانی بدون ستون خود را مدیون استفاده از ساختار پوسته ای بتنی است. شرکت سازنده پس از بررسی یک نسخه فولادی جهت مقایسه با نسخه بتنی برای پوسته، متوجه شد که نسخه فولادی گران‌تر است و افزایش عمق ساختار، فضاهای کلیدی را به خطر انداخته است. به این دلایل، پوسته بتنی به تصویب رسید.

ضرورت پیگیری نمونه های این چنینی اندکی که وجود داشت

از آنجایی که غرفه نور اول، اولین سازه پوسته ای در مقیاس بزرگِ بریتانیا، در یک ربع قرن گذشته بود، شرکت سازنده نمونه های مدرن بسیار کمی برای پیروی کردن از آن داشت. بنابراین تمرین زیادی برای رسیدن به درکی کامل از پوسته های بتنی، از جمله مطالعه نمونه های تاریخی، انجام داد.

برای این منظور، شرکت سازنده به سراغ جان چیلتون، دکترای مهندسی عمران و استاد بازنشسته معماری و ساختمان در دانشگاه ناتینگهام و متخصص در زمینۀ سازه های پوسته‌ای، و نیز آثار هاینز ایسلر و فلیکس کاندلا، که هر دو معمار به خاطر طراحی های خود با پوسته های بتنی نازک مشهور هستند، رفت. چیلتون با تجربه خود به این شرکت کمک کرد تا درک بهتری داشته باشد و نکات کلیدی را برای بررسی در طراحی و ساخت پوسته بتنی به آنها توصیه کرد.

این گنبد که برای ادغام یکپارچه با باغ‌های جودرل بانک طراحی شده بود، فشارهای مرتبط با پیاده روی عمومیِ روی آن را در خود تحمل می کرد. اگر گنبد طوری طراحی می شد که که طبق دستورالعمل طراحی مشخص شده ، فشار 5 کیلونیوتن بر متر مربع ناشی از جمعیت را در کل سازه تحمل می کرد، این مقدار نیرو برابر با وزن 10،000 نفر بود.

شرکت سازنده متوجه شد که طراحی برای چنین شرایط سختی از فشار ، غیر ضروری و غیراقتصادی خواهد بود. بنابراین، تعداد بازدیدکنندگان واقعی را در نظر گرفت و با مشتری در مورد تحمل فشار کاهش یافته 1000 نفر در هر نیمه از گنبد به توافق رسید.این ارزیابی همچنین وضعیت "بدترین حالت" را در نظر گرفت که در آن 100 نفر در یک منطقه 20 متر مربعی از گنبد متمرکز شده باشند.

یک سازۀ گنبدی کم عمق مورد نیاز بود

عملکرد تلسکوپ ارتفاع سازه را محدود می‌کرد و منجر به یک گنبد کم عمق تر از حد معمول برای گنبدی شد که صرفا در فشار کار می کرد. هنگامی که گنبد فقط با در نظر گرفتن تکیه گاه پیرامونی تحلیل شد، نیروی رانشی بزرگی به سمت بیرون منجر به کشش های حلقه ای بزرگی در سطح مشترک سازه با دیوار پیرامونی شد. این تنش ها به سطوح تقویتی غیرقابل اجرا نیاز داشتند و همچنین منجر به تحمیل فشارهای زیادی به زمین می شدند. راه حل، استفاده از دیوار نگهدارندۀ مرکزی در بین فضای نمایشگاه و سالن به عنوان یک تکیه گاه ساختاری برای کاهش فشار به پوسته بود.

اگرچه انجام این کار نیروهای خمشی را به پوسته وارد می‌کند، اما می‌توان با افزایش آرماتور در نواحی پیرامونی در برابر نیروهای خمشی مقاومت کرد. ترکیب دوگانه بین پوسته فشاری و سطح فعال خمشی، تعادلی بین ضخامت پوسته، تقویت مورد نیاز و سطح نیروهای رانشی در محیط به دست آورد. نتیجه یک پوستۀ بتنی منحنی، به ضخامت 200 میلی متر است که نسبت دهانه به عمق قابل توجه 1:100 ای دارد.

برای تعیین میزانی که فرم گنبد عملکرد سازه را بهبود می بخشد، شرکت سازنده سقف را به عنوان یک دال مسطح با شرایط پشتیبانی یکسان مدل سازی کرد و با اطمینان، متوجه شد که فرم گنبدی در مقایسه با دال مسطح، انحراف را تا ضریب 40 کاهش می دهد.

 عنصر بتنی یکپارچه 

شرایط پی زمین ضعیف ، و دارای خاک نرم بود، بنابراین باید از ستون بندی اجتناب می شد. به همین دلیل شرکت سازنده، ساختمان را در یک *پی شناور توسعه داد تا فشار زمین را به حداقل برساند و تمام نیروهای رانشی از گنبد به جای اینکه به زمین منتقل شوند در داخل سازه حل شوند.

(*پِی شناور: یا فونداسیون جبرانی نوع خاصی از پِی های یکپارچه است که در عمقی قرار می‌گیرد که وزن خاک برداشته شده از حفاری، نزدیک به وزن ساختمان ساخته شده در بالا باشد.)

برای انجام این کار، تیم باید از ساختار یکپارچه بدون مفاصل حرکتی استفاده می کرد. بنابراین، ترک خوردگی انقباضی باید به طور دقیق در نظر گرفته می شد، و تمام آرماتورها مطابق با استاندارد منتشر شده توسط انجمن تحقیقات و اطلاعات صنعت ساختمان ، با عنوان CIRIA C766 ، بررسی می شد و ترک ناشی از تغییر شکل مهار شده در بتن کنترل می شد، و توالی ریخته گری باید برای به حداقل رساندن تنش های قفل شده تنظیم می شد.

یک چالش کلیدی، پیچیدگی مدل تحلیلی بود. کل ساختار به عنوان یک عنصر بتنی یکپارچه کار می کند. دیوار پیرامونی گنبد را می کشد و سپس ساختار کف، دیوار پیرامونی را می کشد. به همین دلیل هر تغییر نسبتاً جزئی در دیوار نگهدارنده در یک سازه بتنی معمولی می تواند پیامدهای قابل توجهی بر نیروهای سقف سازۀ یکپارچه داشته باشد و نیاز به تحلیل مجدد کامل دارد.

 به حداقل رساندن حجم بتن مورد استفاده، برای کاهش ردپای کربن غرفه ضروری بود. بنابراین ما به طور گسترده کار کردیم تا شکل غرفه را تا حد امکان کارآمد کنیم و اطمینان حاصل کنیم که تمام عناصر بتنی به شدت مورد استفاده قرار می گیرند.

به دلیل پوسته ترکیبی و عملکرد خمشی، تنش‌های داخل گنبد با تحلیل دستی قابل پیش‌بینی نبود. با توجه به پیچیدگی کار، برای تجزیه و تحلیل اجزای محدود استفاده همزمان از دو برنامه نرم افزاری ساختاریِ ربات تحلیل ساختاری (Robot Structural Analysis)، از شرکت اتودسک، وبرنامه midas FEA NX، از شرکت فناوری اطلاعات میداس، مناسب ارزیابی شدند. به این ترتیب، امکان بررسی فشارهای پوسته ای رخ داده فراهم شد. برای اطمینان از شبکه بندی صحیح مدل ها، قبل از وارد کردن آنها به هر یک از این نرم افزارها، شرکت هاسل باید آنها را به صورت دستی شبکه بندی می کرد.

برای کاهش آرماتوربندی کلی، سقف را بر اساس نیروهای موجود به مناطق تقویتی تقسیم کردند. از آنجایی که اکثر سقف ها صرفاً در حالت فشرده سازی به عنوان یک پوسته عمل می کنند، حداقلِ تقویت مورد نیاز بود. نواحی نزدیک تکیه گاه ها و بریدگی ها، شاهد گشتاورهای خمشی و کشش های پیرامونی هستند، بنابراین تقویت بیشتری در این مکان ها مورد نیاز بود.

 ساخت و ساز و افتتاح

شرکت مهندسی سازه Atelier One، طراحی سازه ای پروژه را تا مرحله 4 یا همان مرحله طراحی فنی، از یک طرحِ کارِ هشت مرحله ای که توسط موسسه سلطنتی معماران بریتانیا برای فرآیند برنامه ریزی، طراحی، تحویل، نگهداری، بهره برداری و سازماندهی شده بود، تکمیل کرد. سپس شرکت گروه کیِر (Kier Group plc) برنده مناقصه برای تحویل غرفه ، در کنار پیمانکار متخصص بتن شرکت مهندسی عمران مایو (Mayo Civil Engineering Ltd) کار را در دست گرفتند . گنبد در یک روز بتن ریزی شد  و دو شیفت 10 ساعته کاری را کارگران صرف ریختن 381 متر مکعب بتن در نوارهایی به عرض 3-4 متر کردند.

غرفه 21.5 میلیون پوندی (26.8 میلیون دلاری) نور اول در ژوئن 2022 افتتاح شد. در طول مراسم افتتاحیه، جشن ها در داخل *آتریوم برگزار شد، جایی که قوس های متعادل دوقلو با ساختار بالاییِ پوسته برخورد می کنند. در این افتتاحیه سازه بتنی نه تنها به نمایش گذاشته شد، بلکه مورد تجلیل قرار گرفت. در ساعت 1:12 بعد از ظهر روز 4 ژوئن، مقامات بلندپایه گرد هم آمدند تا شاهد همسویی خورشید با روزنه ای باشند که جنوبی ترین نقطه سازه را مشخص می کند. حس هیجان محسوس بود.

(*آتریوم : به فضای بزرگ و باز میان ساختمان گفته می‌شود و بیشترین استفاده‌ را در خانه‌های روم باستان به منظور تعبیه نور لازم و تهویه داخلی داشته‌است.)

امید است همانطور که تلسکوپ لاول الهام بخش کار شرکت سازندۀ سازۀ پوسته ای شد، ترکیب منحصر به فرد علم، مهندسی و فناوری که در غرفۀ نور اول منعکس شده است، بتواند الهام بخش نسل آینده باشد.

نیل توماس ، عضو فرمان امپراتوری بریتانیا، عضو موسسه مهندسین سازه ، مهندس عمران، بنیانگذار و مدیر شرکت مهندسی سازه Atelier One است. کریس متیوز هم ، عضو موسسه مهندسین سازه بریتانیا و معاون این شرکت است .

مشخصات پروژه:

• مالک: دانشگاه منچستر
• معمار: شرکت معماری هاسل
• معمار اجرایی: jmarchitects
• طراح داخلی نمایشگاه: شرکت طراحی داخلی کاسون مان(Casson Mann)
• مهندس سازه: شرکت مهندسی سازه Atelier One
• معمار چشم انداز: Planit-IE
• مهندس خدمات و آکوستیک: مت مک دونالد
• مهندس هیدرولیک: Mayer Brown Ltd.
• مدیر پروژه: Buro Four
• نقشه بردار کمی: Simon Fenton Partnership LLP
• پیمانکار عمومی: Kier Group plc
• پیمانکار فرعی متخصص بتن: Mayo Civil Engineering Ltd

افراد دارای مهارت در این زمینه

در صورتی که در این زمینه تخصص یا مهارتی دارید، پس از ثبت نام در سایت و تکمیل فرم مشخصات شخصی ، پروفایل خود را به لیست زیر اضافه نمایید .