بررسی مواد و مصالح کاربردی در سازه های غشایی و مقایسه ی ویژگی آن ها

موقعیت

برگ اصلی

مقاله

گوناگون

بررسی مواد و مصالح کاربردی در سازه های غشایی و مقایسه ی ویژگی آن ها

نوشته شده توسط الهام سركرده ای، محمدرضا مجاهدی پنجشنبه ، 7 خرداد 1388 ، 17:42

مقاله - گوناگون

بررسی مواد و مصالح کاربردی در سازه های غشایی و مقایسه ی ویژگی آن ها

چكیده
سازه های غشایی زیرمجموعه ای از سازه های فضایی هستند و به دلیل سبكی، شفافیت و انعطاف در خلق فرم های زیبا و بدیع، گسترش روزافزونی در ساخت بناهایی با عملكردهای مختلف تجاری، اداری ، ورزشی و... و یا به شكل سایه بان در فضاهای عمومی و شهری داشته اند.
ویژگی های مذكور ارتباط مستقیم با خواص مواد سازنده غشاهای این نوع سازه ها دارد. ساخت و تولید مواد كامپوزیت از الیاف و پلیمرها با طیف وسیعی از خواص فیزیكی، مكانیكی و سازه ای امكانات متعددی را پیش روی طراحان قرار داده است. این مواد دارای تفاوت هایی در اندازه، وزن و خواصی نظیر مقاومت گسیختگی، مقاومت در برابر ترك خمشی، انتشار آتش، گسترش پارگی و همینطور درجه شفافیت، دوام و ضمانتی كه كارخانه سازنده می دهد، می باشند؛ بنابر این شناخت این ویژگی ها و تفاوت ها جهت انتخاب ماده مناسب از سوی طراحان و مهندسین ، امری ضروری می نماید.
این مقاله ضمن معرفی انواع موادی كه در ساخت این غشاها به كار می رود، خواص و مزایای هر یك را با هم مقایسه كرده و مهمترین نكات مربوط به آنها را بیان می نماید.
-1 مقدمه
سازه های غشایی(membrane structures) نوعی از سازه ها هستند كه در آن یك ماده كشسان به منظور مسقف كردن یا پوشاندن یك سطح یا حجم به كار می رود . این سازه ها متعلق به خانواده سازه های پوسته ای نرم و زیر مجموعه ای از سازه های فضایی هستند(1)
استفاده از سازه های غشایی جدید در طی جنگ دوم جهانی آغاز شد ، زمانی كه ارتش آمریكا به دنبال نوعی از سازه بود كه بتواند آنتن های رادار را بدون اینكه سد راه پرتوهای الكترومغناطیس شود و مزاحم انتقال و دریافت آنها باشد، پنهان كند. این نیاز ، والتر برد(Walter Bird) را واداشت تا در سال 1942 اولین گنبدها را با سیستم هوای فشرده طراحی كند و در حال حاضر هر سال، صدها سازه غشایی كوچك و بزرگ در نقاط مختلف دنیا برپا می شود؛ فرم های سبك، معلق و شناور این سازه ها تركیبات بدیعی را بوجود می آورد كه تحسین هر بیننده ای را بر می انگیزد.
با این حال ، سازه های غشایی ابداع تازه ای نیستند . دریانوردان رومی ، برای مسقف كردن كولوسئوم در رم بادبانهای قایق را با مهارت به كار می بردند و به كمك این بادبانهای كرباسی كه به شكلی خاص طراحی و توسط طنابهایی كشیده می شد، برای تماشاچیان سایه ایجاد می كردند . اقوام بادیه نشین بدوی پوست بز را صدها سال برای پوشش چادر و تقسیم بندیهای داخل آن جهت جدا ساختن انسان از گوسفندان به كار برده اند(1)
-2 انواع غشاها
غشاها به سه دسته كلی تقسیم می گردند : پارچه ها،(woven fabrics) فیلم ها و فیلم های تقویت شده.(2)
1-2 - پارچه ها : این مواد از الیافی كه در كنار یكدیگر در زوایای مستقیم قرار می گیرند، ساخته می شوند. الیافی كه در هنگام بافته شدن پارچه در امتداد طول آن كشیده می شوند، تار(warp) و آنهایی كه درامتداد عرض پارچه و تحت كشش كمتر قرار می گیرند، پود (weft) نامیده می شوند. پارچه ها به طور عادیایزوتروپیك نیستند( در امتداد جهات تار و پود رفتارهای متفاوتی دارند). اما این تفاوت ها به كمك روش
بافت و تكنیك های روكش می تواند به حداقل رسیده یا حذف شوند.
-2-2 فیلم ها : این مواد، ورقه های همسانی از پلاستیك یا لاستیك هستند كه می توانند كاملا شفاف و یا مات باشند؛ بسیار انعطاف پذیرند و درحالت عادی ایزوتروپیك هستند ( یعنی در هر دو جهت طول و عرض، رفتار مشابهی دارند). اما ضعیف تر وكم دوام ترند و مقاومت گسیختگی كمتری نسبت به پارچه های بافته شده دارند. آنها به دلیل انعطاف پذیری زیاد و هزینه پایین مناسب ترین ماده برای سایه بان ها یا ساختمان های موقت جهت برگزاری مراسمی نظیر كنسرت موسیقی هستند.
-3-2 فیلم های تقویت شده : این مواد از یك پارچه كه بین دو لایه نازك فیلم چسبیده یا با حرارت جوش داده می شود، تشكیل شده اند. لایه های این نوع غشا، هم مقاومت و پایداری پارچه ها را دارند و هم نفوذپذیری فیلم ها را. این مواد نسبت به فیلم ها مقاومترند و برای سازه های دائمی تر مناسب خواهند بود. به دلیل این كه پارچه ها معمولترین و رایج ترین غشاها هستند بنابراین اجزای آنها و متداولترین پارچه های مورد استفاده در غشاها با جزئیات بیشتر شرح داده می شوند(2)
-3 اجزای غشاهای پارچه ای
این غشاها از خانواده كامپوزیت های انعطاف پذیر(ماتریس گرمانرم+ الیاف پلیمری) هستند(6) آنها از الیافی ساخته می شوند كه بتوانند در مقابل نیروهای كششی مقاومت كنند . الیاف به صورت هموار و مسطح در یك رزین توزیع می شوند كه این رزین به عنوان لایه پر كننده و نیز روكش محافظ الیاف عمل می كند .
-1-3 الیاف
الیاف به دو دسته طبیعی و شیمیایی تقسیم می شوند. الیاف طبیعی طول محدودی دارند و به شكل رشته هایی در می آیند كه الیاف نخریسی (spin fibre) نامیده می گردند. الیاف شیمیایی از نظر تئوری طول نامحدودی دارند و آنها را فیلامنت( filament) می نامند. مقطع عرضی الیاف طبیعی كمتر از 0,1 میلی متراست در حالی كه الیاف شیمیایی می توانند مقاطع عرضی بزرگتری داشته باشند. شكل این مقطع در الیاف طبیعی گرد است اما در الیاف شیمیایی می تواند به هر شكلی باشد. بهترین حالت در سازه های غشایی استفاده از الیاف با مقطع گرد است.
الیاف پشم
از الیاف طبیعی است كه در سازه های غشایی به كار می رود. فرای اتو( Frei Otto) از آن در نخستین سازه های خود استفاده كرد و امروزه هنوز در برخی چادرهای اجاره ای به كار می رود. به دلیل داشتن خصوصیات ارگانیك، این ماده در معرض قارچ و رطوبت است و عمر مفید مورد انتظار آن 4 سال می باشد.
پلی امید(نایلون)
الیاف نایلون در برابر اشعه فرا بنفش مقاومت كمی دارد؛ در اثر جذب رطوبت، در جهت طول دچار تورم می شود و به همین دلیل جهت مصارف معماری اهمیت كمی دارد اما به دلیل وزن كم و مقاومت زیاد در صنعت كشتیرانی به وفور استفاده گردیده است.
پلی استر
الیاف پلی استر همراه با الیاف شیشه معمولترین الیاف مورد استفاده در غشاها هستند و به عنوان مصالح استاندارد شناخته می شوند. این الیاف مقاومت كششی و خاصیت كشسانی خوبی دارند. خواص مكانیكی ماده در اثر نور خورشید افت می كند و جلوه ظاهری خود را از دست می دهد(3)
الیاف شیشه
الیاف شیشه به طور معمول از سیلیكا و اكسید كلسیم ، بروم ، سدیم ، آهن و آلومینیم ساخته می شوند .این الیاف به خاطر ساختار شیمیایی فضایی شیشه، ایزوتروپیك(دارای خواص برابر از هرسو) هستند، بنابراین در همه جهات دارای مدول الاستیسیته یكسان می باشند.هنگام استفاده از الیاف شیشه باید از اصطكاك و سایش بین الیاف مجاور حذر كرد. چنین اصطكاكی می تواند به الیاف، آسیب زده، سبب خرابی گردد. الیاف شیشه انواعی دارد، نظیر: شیشه E (الیاف با خواص الكتریكی)، شیشه C(الیاف با مقاومت خورندگی) و شیشه S (الیاف برای كاربردهای خاص).(1)
الیاف آرامید
این نوع جدید از خانواده الیاف به طور همزمان توسط اكزو(Akzo) با نام الیاف توارن (Twaron) و دو پونت(DuPont) با نام الیاف كولار(Kevlar) كشف گردید.این ماده مقاومت كششی زیادی دارد و از نظر شیمیایی مقاوم است. از ایرادهای آن كرنش كششی كم و مقاومت بد در برابر حرارت زیاد و اشعه فرابنفش است.(3)

جدول ( 1) مقایسه خواص فیزیكی الیاف متداول مورد استفاده در ساخت غشاهای پارچه ای(4)

روكش
به منظور ایجاد دوام و آب بندی و هموار كردن سطح غشا و نیز جلوگیری از انباشت خاك، كثیفی و باكتری روی آن، لازم است دو طرف آن روكش شود . مواد روكش كننده معمول عبارتند از : پی وی سی، تفلون و سیلیكون.(1) و (3)
-4 انواع غشاهای پارچه ای
پلی استر با روكش پی وی سی(PVC-coated polyester)
این غشاها خیلی ارزان تر از الیاف شیشه با روكش تفلون یا سیلیكون هستند. پلی استر با روكش پی وی سی مطابق با شرایط محیطی گوناگون می تواند در طیف رنگی وسیعی تهیه شود. با این حال وینیل در معرض خزش سریع است. غشاهای ساخته شده از این ماده باید در دوران استفاده چند بار كشیده شوند تا از چین خوردن آنها جلوگیری گردد.
خاك بر روی وینیل انباشته می شود، بنابر این روكش سیلیكون بهتر است. دوره عمر پلی استر با روكش پی وی سی حدود 10 سال است. عیب دیگر وینیل این است كه هم در برابر نور شدید خورشید و هم در هوای سرد (زیر 10 درجه سانتی گراد) ترك بر می دارد. همچنین پس از 5 تا 7 سال، رنگ آن متمایل به زرد می شود(1) برای مقاومت بیشتر در برابر عوامل محیطی و افزایش دوام آن بر روی این ماده روكشهای دیگری نظیر PVDF،PVF،Acrylic استفاده می گردد و ماده ای مقاوم در برابر آتش محسوب می شود.
الیاف شیشه با روكش تفلون (PTFE-coated glass fibre)
الیاف شیشه مدول الاستیسیته بالایی دارند. به روش اكستروژن ساخته می شوند، در نتیجه امكان ساخت و تولید الیاف انعطاف پذیر ظریفی ( الیاف بتا) را می دهد كه مقاومت آن در برابر نیروهای كششی از فولاد نیز بیشتر است. تفلون ماده ای اینرتیك است و بخوبی با خاك و كثیفی مقابله می كند و ظاهری چشم نواز دارد.(1)
این پارچه، بادوام ترین غشاهاست؛ عمر مفید مورد انتظار از چنین غشایی بیش از 30 سال است. وزن آن 990 تا 1150 گرم بر مترمربع است.در زمره مواد غیر قابل احتراق محسوب می شود و در سراسر دنیا قوانین سختگیرانه ای بر آن اعمال می شود. برای سازه های دائمی مناسب است. انعطاف پذیری آن كم و دارای شفافیتی تا حدود 25 درصد می باشد. اولین بار در مركز دانشجویی دانشگاه لا ورن (La Verne) در کالیفرنیا استفاده شد و از معروفترین پروژه هایی كه این ماده مورد استفاده قرار گرفت، گنبد هزاره (Millennium Dome)را می توان نام برد.(3)
الیاف شیشه با روكش سیلیكون (Silicon-coated glass fibre)
این غشاها در معماری نسبتا جدید هستند(از سال 1981 استفاده شدند).سیلیكون به خاطر انعطاف پذیری و خاصیت كشسانی زیادش در طیف وسیعی از تغییرات دمایی، شهرت دارد. تركیب سیلیكون و الیاف شیشه ای سخت با هم، انعطاف پذیری پارچه را افزایش می دهد. این محصول از فایبر گلاس با روكش تفلون انعطاف پذیرتر است. از آنجا كه سیلیكون، الیاف را قادر می سازد در داخل ماتریس حركت كنند(تفلون چنین قابلیت حركتی را فراهم نمی كند) فشار وارده، بر روی سطح وسیع تری از غشا توزیع و امكان پارگی كمتر می شود.(1)
غشای فایبرگلاس با روكش سیلیكون امكان نفوذ نور را تا حد 90 درصد می دهد. این محصول برای غشاهایی كه به منظور عایق شدن در برابر گرما و صوت به صورت دولایه ساخته شده و داخل آنها هوا یا الیاف شفاف شیشه قرار می گیرد، مناسب است. مقاومت آن در برابر آتش از فایبرگلاس با روكش تفلون كمتر است.(3)
الیاف كولار روكش شده (Coated Kevlar fibres)
الیاف كولار می تواند با تفلون، یورتان، نئوپرن، وینیل یا هایپالون روكش شود. كولار 29 و كولار 49جدیدترند. یكی از مزایای كولار كاهش وزن خود غشا است (حدود 50 درصد). عمر مفید آن 20 سال است. حدود 5 برابر گران تر از پارچه های دیگر است اما مقاومت كششی و خاصیت كشسانی بهتر، وزن كمتر خود [ غشا، و طول عمر بیشتر از مزایای آن است(1)

جدول (2) مقایسه خواص غیر سازه ای غشاهای پارچه ای متداول (5)

-5 ویژگی های سازه ای غشاها
دو دسته ویژگی های سازه ای وجود دارد كه برای طراح قابل توجه است:
ویژگی های سازه ای كوتاه مدت؛ اساسا توسط ماده غشا تعیین می شود اما در مورد پارچه ها، تحت تاثیر خواص روكش نیز قرار می گیرد.
ویژگی های سازه ای بلند مدت؛ چگونه ویژگی های فوق در طول زمان وتحت دوره بارگذاری حفظ می شود.
-1-5 ویژگی های سازه ای كوتاه مدت
مقاومت كششی (tensile strength)
مقاومت كششی باید به قدر كافی باشد تا پارچه را قادر سازد بارهای مورد انتظار را تحمل كند. هر دو محصول پلی استر با روكش PVC و فایبرگلاس با روكش PTFE را می توان با مقاومت تا 16 تن در متر پهنای پارچه تولید كرد.(2)
مدول كششی (tensile modulus)
هرچه مدول كششی بیشتر باشد، پارچه سخت تر به شكل نیمرخ تعیین شده برای آن در می آید و دقت در برش و نصب با حساسیت بیشتری انجام خواهد شد. پارچه های پلی استری مدول متوسطی دارند، به آسانی به كار برده می شوند و در حالت عادی، كش آمدن آنها مشكل سازه ای ایجاد نمی كند مگر در مواقعی كه ممكن است بارهای بزرگ ناشی از برف وجود داشته باشد. پارچه های شیشه ای مدول بالایی دارند و در صورتی كه پارچه دقیقا در نیمرخ های تعیین شده برای آن، جا نیفتاده باشد، ممكن است دچار چین و چروك شده و شكم بدهد(2)
مقاومت گسیختگی (tear strength)
سقف های پارچه ای بیشتر در معرض پارگی هستند تا خرابی حاصل از كشش مستقیم. بنابر این مقاومت گسیختگی و مقاومت در برابر گسترش پارگی دارای اهمیت حیاتی است. پلی استر با روكش PVC دارای مقاومت گسیختگی متوسط و فایبرگلاس با روكش PTFE دارای مقاومت زیاد است. فیلم های تقویت شده مقاومت كمتری نسبت به دو ماده فوق دارند و كمترین میزان مقاومت گسیختگی مربوط به فیلم هاست(2)
هنگامی كه پارچه پاره می شود ، می توان آنرا به یكی از دو روش زیر تعمیر كرد : با چسباندن یك تكه پارچه متناظر در بالا و اطراف ناحیه پاره شده (برای جلوگیری از نفوذ آب ، از سمت بیرون چسبانده شود) یا با تعویض واحد پاره شده با یك واحد جدید.(به طور معمول سازه های غشایی از چندین واحد مدولار ساخته می شوند)(1)
توزیع خواص (directionality)
در اینجا منظور این است كه آیا پارچه در تمام جهات رفتار مشابهی دارد ( ایزوتروپیك) یا در جهات مختلف رفتار متفاوتی دارد(غیر ایزوتروپیك). پارچه ها در حالت عادی غیر ایزوتروپیك هستند؛ در جهت تار سخت تر از جهت پود هستند اما در صورت نیاز با تكنیك های بافت و روكش كردن نوین، كاهش یا حذف چنین جهت گیری رفتاری میسر شده است. فیلم ها ایزوتروپیك هستند (2)
-2-5 ویژگی های سازه ای بلند مدت:
كشش ساختاری (construction stretch)
تمام پارچه ها ، متحمل كشش ساختاری غیر قابل بازیافتی می شوند كه در اثركشیدن چین ها به سمت بیرون در هنگام ساخت بوجود می آید. میزان كشش در جهت پودها بسیار بیشتر از تارها خواهد بود و این مساله باید مورد توجه قرار گیرد تا این كه در الگوی برش به طور مناسب جبران شود. این اطلاعات باید از كارخانه سازنده پارچه به دست آید.(2)
پایداری ابعادی (dimensional stability)
برای پارچه ها، پایداری ابعادی (مقاومت در برابر خزش، تغییرات دما و رطوبت) تحت شرایط بارگذاری بلند مدت بیشتر به ماده اصلی بستگی دارد تا به نوع بافت یا روكش؛ گر چه هر دو مورد اخیر تاثیر خواهند داشت. چنین حركاتی در سازه هایی كه به طور دائم تحت كشش هستند، نامطلوب است چرا كه سبب از دست دادن پیش تنیدگی می شوند. پارچه های پلی استری از نظر تغییرات دمایی و رطوبتی نسبتا پایدار هستند اما خزش بدین صورت است كه نیمی از پیش تنیدگی ممكن است در 10 روز نخستین از بین برود، نیمی از باقیمانده در طی 100 روز بعدی و نیم دیگر آن در طی هزار روز آینده از بین خواهد رفت. در نتیجه ممكن است بعد از یك دوره مشخص، كشش مجدد لازم باشد. در مقابل، الیاف شیشه ای پایداری ابعادی خوبی دارند.(2)

جدول (3) مقایسه خصوصیات سازه ای دو تا از معمولترین مواد مورد استفاده در سازه های غشایی (2)

-6 جمع بندی
در این مقاله ابتدا تعریف و تاریخچه مختصری از سازه های غشایی ارائه گردید و در ادامه مواد مورد استفاده در تولید غشاها معرفی شد. به دلیل كاربرد بیشتر پارچه ها در ساخت غشاها كه در واقع كامپوزیت هایی از الیاف و پلیمرها هستند، انواع آنها و خواصشان با جزئیات بیشتر بررسی و مقایسه گردید.
در میان این مواد، دو ماده پلی استر با روكش پی وی سی و فایبرگلاس (الیاف شیشه) با روكش تفلون گسترده ترین كاربرد را در سازه های غشایی دارند.
پلی استر با روكش پی وی سی به دلیل انعطاف پذیری زیاد، سهولت حمل و نقل و نصب، ارزانی نسبی و حضور نسبتا فراوان سازندگان با تجربه، رایجترین محصول است؛ برای سایه بان ها و سازه های معمول بسیار مناسب و عمر مفید آن بسته به نوع روكش بین 10 تا 15 سال است. فایبرگلاس با روكش تفلون بادوام تر و مقاومتر است و زیبایی ظاهر خود را مدتی طولانی حفظ می كند؛ عمر مفید آن به بیش از سی سال هم می رسد.اما انعطاف پذیری آن كمتر، حمل ونقل و نصب آن سخت تر و نسبت به سایر محصولات گران تر است.
از این ماده هر جا كه طول عمر و دوام بیش از هزینه كم و سهولت نصب اهمیت داشته باشد نظیر سایه بان ها و سقف های مكان های ورزشی استفاده می گردد.
طراحان همواره باید به خاطر داشته باشند كه در مواجهه با طیف وسیع مواد موجود باید هم شناخت كافی از نیازهای طرح داشته باشند و هم به خواص و مشخصات انواع غشاهای موجود اشراف داشته باشند تا بتوانند بهترین گزینه را انتخاب كرده و از خطاهای احتمالی و زیانهای آتی جلوگیری نمایند.

منابع :

[1] Eyal Karni: “ Membrane for Spatial Structures” ،International Journal of Space
Structures ،Vol. 9 No. 1،page 39-45
[2] Martiz Venderberg: “Soft Canopies”،Academy Edition ،London ،1996 ،page 6-10 ،13-
15،18 ،21 ،23-30 ،59
[3] R.Houtman ،M.Orpana: “Materials for Membrane Structures”،Revised version of the
proceedings of the workshop”Textile Roofs 2000” 22 to 24 june at TU Berlin
[4] Wermer Sobek ،Martin Speth: “Von der Faser zum Gewebe” page 74-81 DB nr 9 sept.
1993
[5] Rogier Houtman: “From computer model to realised structure”،TU Delft،1996

وارسته پور، حمید، كاربرد مواد كامپوزیت پیشرفته در مهندسی ساختمان، سازمان سازندگی و آموزش وزارت نیرو، تهران،1378 ، ص. 78(6)