سازه‌های کابلی
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.
- ۰۰/۰۸/۰۵