سازه های کابلی

در این نوع از سازه های کابلی یک دکل قائم یا مایل به صورت متقارن یا نا متقارن وظیفه مهار نیروها ی کششی کابل ها و تبدیل آنها به تنش فشاری و انتقال آن به پی را بر عهده دارد. یک ترکیب کاربردی تر، سازه ای کابلی مابین دو تکیه گاه برای تحمل باری معلق در وسط دهانه می باشد. در زیر چنین باری کابل از وسط خم می شود و هر تکیه گاه نیمی از وزن بار را تحمل می کند. با توجه به این که وزن کابل در برابر بار وارده ناچیز است، کابل شکل V به خود می گیرد. نیروی کششی در کابل از طریق بار وارده و شیب کابل محاسبه می شود. نیروی کشش در کابل معمولاً برابر برآیند مؤلفه های عمودی و افقی نیروی عکس العمل است. رانش در سازه هاي كششي: خيز يك سازه زنجير واره، رانش افقي ايجاد شده را تعيين مي كند: خيز كمتر، رانش بيشتر در بيشتر كابل هاي زنجير واره كه براي سازه سقف ساختمان ها به كار مي روند نسبت خيز به دهانه ۱:۸ تا ۱:۱۰ است. براي بار متمركز كه در وسط دهانه وارد مي شود ، خير مناسب در حدود ۵۰ در صد طول دهانه مي باشد. براي بار يكنواخت روي يك كابل سهمي شكل ، خير مناسب تقريبا ۳۳ در صد طول دهانه مي باشد. سازه هاي معلق با فرم منحني طنابي: . منحني داراي يك انحنا: سازه هاي با يك انحنا متشكل از دو يا چند كابل زنجيرواره موازي كه بين تكيه گاه هاي اصلي . سازه هاي با كابل مضاعف: شبيه به سازه هاي يك انحنا مي بلشند، كه كابل هاي تثبيت كننده در زير كابل هاي معلق اصلي براي مقاومت در برابر نيروي باد اضافه شده اند. اگر هر دو سوي كابل در يك سطح باشند ، تعدادي كابل اضافي براي تضمين ايستايي جانبي (عمود بر اين دهانه) بايد استفاده شود. . سازه هاي با انحناي دوگانه: از نوع آنتي كلاستيك (يكپارچه) هستند، به طوري كه كابل هاي معلق در يك جهت دهانه بين تكيه گاه ها و كابل هاي ثبيت كننده در جهت عمود بر آن براي مقاومت در برابر نيروي باد به سمت پايين كشيده مي شوند.

نمونه ايي از سازه هاي با يك انحنا: ساختمان ترمينال دالاس اين ساختمان شبيه به يك گهواره معلق در بين درختاني از بتن ، متشكل از ستون هاي با فرم منحني طنابي موازي از جنس كابل فولادي با قطر ۲۵ ميليمتر با فاصله ۳ متر از يكديگر و پانل هاي پيش ساخته بتني كه بين آن ها را پوشانده است مي باشد سقف به وسيله يك رديف از تير هاي اصلي بتني با فواصل ۱۲/۲ متر از يكديگر نگاه داشته مي شود. لبه بيروني بام از بتن در جا است كه به شكل يك تير انتهايي براي نگاهداري سه ستون از كابل هاي بين تيرها طراحي شده است.
مزیت سازه های کابلی
• سازه های کابلی خالص ترین رفتار سازه ای را دارند.
• سازه های کابلی دراری رفتار خالص کششی هستند.
• این سازه ها از تمام مقاومت خود بهره می برند.
• فرم این سازه ها خود به خود شکل گرفته وفرمی پر بازده است.
• جز با سازه کابلی، با هیچ سازه دیگری نمی توان از دهانه بیش از یک کیلومتر (و شاید ۵۰۰ متر) عبور کرد.
• فرم طبیعی که کابل در برابر بارها به خود می گیرد منحنی طنابی است.
• بار گسترده با فواصل افقی مساوی به کابل فرم سهمی،و بار گسترده با فواصل مساوی در طول کابل، به آن فرم بیضی می دهد.
• کابل بدون افت نمی تواند بار تحمل کند.
• طول کابل با افت کابل نسبت مستقیم دارد.
• نیروی کابل، مقطع کابل ونیروی رانش تکیه گاه ها با افت کابل رابطه معکوس دارد.

اجزای اصلی سازه های کابلی : همواره تحت تاثیر یکی از انواع تنش های محوری عمود بر سطح قرار دارند :

الف)تنش فشاری
ب)تنش کششی

کابل عضو کششی نازکی است که ضمن مقاومت کششی در مقابل نیرو های فشاری مقاومتی ندارد مانند: سیم فلزی – طناب کابل ها انعطاف پذیرند زیرا قطر ان ها در مقابل طولشان خیلی کوچک است انعطاف پذیری نمایانگر مقاومت خمشی محدود است زیرا انعطاف پذیری از تنش های نا مساوی حاصل از خمش جلوگیری میکند و بارهای کششی را به طور یکسان میان رشته های کابل تقسیم میکند این کار موجب میشود رشته های کابل تا حد مجازشان تحت تاثیر تنش واقع گردند
مقاومت کششی زیاد فولاد همراه با کارایی کشش ساده باعث میشود که کابل فولادی به عنوان یک عنصر سازه ای ایده آل برای پوشاندن دهانه های بزرگ به کار رود، زیبایی سازه های کششی به علت تناسبات عملکردی و زیبایی شناسانه آنهاست.

سیم های فلزی، رشته ها و میله های باریک مثال هایی از اعضای کششی هستند که رفتاری مانند کابل ها دارند.

یک ترکیب کاربردی تر، سازه ای کابلی مابین دو تکیه گاه برای تحمل باری معلق در وسط دهانه می باشد. در زیر چنین باری کابل از وسط خم می شود و هر تکیه گاه نیمی از وزن بار را تحمل می کند. با توجه به این که وزن کابل در برابر بار وارده ناچیز است، کابل شکل V به خود می گیرد. نیروی کششی در کابل از طریق بار وارده و شیب کابل محاسبه می شود.

نیروی کشش در کابل معمولاً برابر برآیند مؤلفه های عمودی و افقی نیروی عکس العمل است.

کابل هایی که بار یکنواخت بر طول آنها وارد می شود زنجیر وار نامیده می شوند.

کابل ها می توانند دارای تکیه گاه در وسط دهانه باشند و برای حمل بارهای وارد بر انتهای یک میله یا عضو کششی به کار روند. به طور معمول کابل های اضافی برای ایستایی هر یک از دو انتها به کار برده می شوند. در قایق های بادبانی، هدف اصلی ممانعت از واژگون شدن دکل و ایجاد یک تکیه گاه میانی (میله های رابط که پخش کننده نامیده می شوند) برای جلوگیری از کمانش است. در ساختمان ها، هدف مهار کردن سقف (به عنوان همان میله یا عضو خمشی) به وسیله کابل از بالای دکل نگهدارنده است.

ساختمان های مهار شده با کابل، دهانه های افقی را به وسیلۀ کابل های قطری که از یک تکیه گاه بلندتر آویزان هستند می پوشانند. به کار بردن اصطلاح کابل در این حالت به طور معمول شامل عناصر انعطاف پذیر (کابل) و صلب (میله) می گردد. (این سیستم ها از سازه های زنجیرواره مانند کابل ها در یک پل معلق متفاوت بوده و در بخش های بعدی مورد بحث قرار می گیرند). غالب سیستم های مهار شده با کابل به گونه ای طراحی می شوند که دکل های نگهدارنده آنها با اتصال صلب به پی متصل شده اند. برای ایجاد مقاومت جانبی اضافی در برابر رانش، کابل های اضافی در جهات مختلف کشیده می شوند. در سازه های بزرگ، اقتصادی ترین روش استفاده از مهارهای متقارن در اطراف دکل های قائم است. وجود تقارن بارهای افقی روی دکل را متعادل کرده و خمش را به حداقل می رساند.

مطالعات موردی
هنگامی که یک اتصال سازه ای قابل مشاهده است، بیان کنندۀ ویژگی ها و مشخصات سازندۀ آن می باشد. ‘رنزو پیانو’
پت سنتر (۱۹۸۶: پرینستون، نیوجرسی، مهندس معمار: ریچارد راجرز و همکاران، مهندس سازه: اوو آروپ و همکاران) مرکز تحقیقات در زمینۀ فن آوری P.A. است و با هدف ایجاد حداکثر انعطاف پذیری در ارتباطات داخلی، گردش فعالیت ها و استفاده از فضاها به عنوان دفاتر، آزمایشگاه ها و سرویس های خدماتی طراحی شده بود. چنین هدفی با استفاده از یک شبکۀ وسیع سازه ای از فضاهای آزاد بدون ستون تأمین گردید. طراح با ایجاد سازه ای که با تأکید بسیار بیان کنندۀ عملکرد سازه ای طرح در بخش خارجی ساختمان می باشد، در تضاد با فضای خشک و بی روح اطراف، وجود چنین مرکز تحقیقاتی را در اطراف پرینستون بخوبی مشخص می کند، ایدۀ اصلی طرح استفاده از یک ستون فقرات مرکزی و ایجاد مجموعه ای از سازه های A شکل با نمای شیشه ای می باشد. سیستم های تأسیساتی ساختمان به طور مستقیم روی قسمت مرکزی ساختمان و قاب های معلقی که از سازۀ اصلی ساختمان آویزان هستند، قرار گرفته اند. دو طرف این ستون فقرات ارتباط مرکزی ساختمان را تأمین می کند .برای ایجاد انعطاف پذیری لازم در بخش های تحقیقاتی، از یک سازۀ کابلی خاص (با اعضای کششی فولادی باریک ویژه) با زیبایی های بصری که دهانه های سقف را می پوشاند و فضاهای وسیع و عریضی را در بین ستون ها فراهم می کند، استفاده شده است. در سازۀ اصلی یک قاب فولادی مستطیل شکل که به عنوان پایه ای برای تیر A شکل لوله ای بلند به طول ۱۵ متر عمل می کند، استفاده شده است. این سیستم تکیه گاه عمودی اصلی برای کل ساختمان می باشد.

از قسمت بالای سازۀ A شکل، کابل های فولادی مجزا در هر طرف به صورت قطری کشیده شده است تا به یک عضو کششی فولادی که چهار کابل کوچکتر را نگه می دارد متصل گردد و بدین ترتیب سقف را در دو نقطه ی انتهایی و دو نقطه ی میانی تحمل نماید. اتصالات موجود در سازه یA شکل و بین اعضای کششی اصلی و فرعی بام با دقت بسیار و به شکل صفحه ای مدور و توخالی برای نگه داشتن کابل ها اجرا شده است.

کابل های عمودی متصل به پی در انتهای دهانه ها در برابر نیروی باد مقاومت می کند. برای حفظ وضوح بصری این سیستم، پایداری طولی نه تنها به وسیله ی مهار بندی های ضربدری، بلکه به وسیلۀ اتصالات صلب بین تیرهای نگهدارنده سیستم های تأسیساتی و سازه ی A شکل ساختمان تأمین شده است. در نتیجه دکل ها هر یک به طور مستقل رفتار می نمایند تا بدین وسیله انعطاف پذیری هر دهانه را مستقلاً فراهم نمایند.

تاریخچه پل کابلی
با اینکه به نظر می رسد پل های کابلی به آینده چشم دوخته اند، ایده آن ها مسیر طولانی را پیموده است. اولین طرح شناخته شده از یک پل کابلی در کتابی به نام “ماشین های نووا” – منتشر شده در سال ۱۵۹۵ – آورده شده ولی این ایده تا قرن حاضر که مهندسان شروع به استفاده از پل های کابلی نمودند؛ مورد استقبال واقع نشده بود. در جنگ جهانی دوم که فولاد کمیاب بود، این طرح برای بازسازی پل های بمباران شد که هنوز فوندانسیون هایشان پابرجاست، کامل بود. با اینکه از احداث پل های کابلی در آمریکا دیری نمی گذرد، واکنش ها در این مورد بسیار مثبت بوده است.

پل کابلی و نحوه عملکرد آن
یک پل کابلی نوعی، یک تیر حمال(عرشه پل) پیوسته با یک یا چند برج بنا شده بالای پایه های پل در وسط دهانه است. از این برج ها، کابل ها به صورت اریب به سمت پایین (معمولا هر دو طرف) کشیده شده و تیر حمال(عرشه پل) را نگه می دارد.

کابل های فولادی بی نهایت قوی و در عین حال بسیار انعطاف پذیر هستند. کابل ها بسیار مقرون به صرفه می باشند چون سبب ساخت سازه ای سبکتر و باریکتر شده که در عین حال قادر به پل زدن بین مصافت های بیشتری است.اگرچه تنها تعداد کمی از آن ها برای نگه داشتن کل پل قوی هستند، انعطاف پذیریشان آن ها را در مقابل نیرو هایی که به ندرت در نظر گرفته می شوند مانند باد؛ ضعیف می نماید.