سازه هوای فشرده

1. سازه هوایفشرده

2. تاریخچه سازه هوایفشرده از اوایل سالهای 70 میلادی بحث طراحی ، ساخت و بهره برداریاز سازه های هوا فشرده مورد توجه عام قرار گرفت. بر پایی نمایشگاه اکسپو در سال 1970 در اوزاکای ژاپن موجبات گردهمایی شرکتهای فعال در این زمینه را فراهم نمود. نمای جدید و زیبایی شگفت انگیز معماری ، نوع رفتار سازه ای ، کاربری هایگوناگون و متنوع این سازه ها ، سازگاری با محیط و پایداری معماری ، بازدیدکنندگانرا مجذوب خویش نمود . .

3. سازه هوا فشرده چیست؟ سازه های هوا فشرده بر اساس انتقال بارها از طریق پوسته هایی با تنظیم هوای داخل سازه استوار می گردد. این سازه ها مشابه کابل ها، نیروی کششی را از طریق سطح پوسته انتقال می دهند. دلیل فرم منحنی این سازه طراحی بر اساس تحمل بار بصورت مستقیم و بر اساس تنظیم هوای داخل سازه میباشد. به همین دلیل اغلب سازه های هوا فشرده شکل نیمکره دارند. شرایط بارگذاری این سازه ها مشابه سایر سازه های دیگر بر اساس بارهای زنده ( برف،باران،باد،بارهای وارده موقتی و ( ... و مرده ( وزن پوسته و بارهای دایمی معلق از پوسته مثل تجهیزات نورپردازی و ( ... مورد محاسبه قرار می گیرد. در طراحی این سازه ها علاوه بر موارد یاد شده ، سازه برای بارهای ناشی از فشار هوا که برای باقی ماندن پوسته در کشش ذخیره می گردند و موجب پایداری و نگهداری بارهای مرده و زنده می شوند نیز تحت بررسی قرار می گیرد. مواردی از قبیل بارهای ناشی از تجمع برف و بادهای شدید ، تغییرات ناگهانی فشار هوا و ... در این سازه ها پیش بینی و با روشهای علمی مهار گردیده است ، لذا هرگونه نگرانی دستگاه بهره بردار را مرتفع می سازد. برای مهار نیروهای رانشی حاصله از تقابل نیروهای کششی در سطح پوسته سازه تکیه گاه هایی تعبیه و طراحی می گردد و در برخی موارد، سازه های کوچکتر را در زمین مهار می کنند و در سازه های بزرگتر از بتن های مسلح درجا و یا پیش ساخته استفاده می شود. سازه های هوا فشرده با عمر مفید حداقل 30 سال با کاربری های ورزشی ، نظامی ، صنعتی ، کارگاهی و تفریحی ، تحول نوینی را در صنعت ساخت و ساز در اختیار بهره برداران قرار می دهد .

4. بیش از ده سال در تمام پروژه های مهم دنیا از غشاء ترکیبیFloutopt ( PVDF ) استفاده می شد. امروزه نسل دوم غشاهایFloutoptپاسخگوی نیاز طراحان و پیمانکاران در شروع هزاره جدید است. این همکاری استثنائی باعث پایداری و طول عمر بالا و همچنین حفظ زیبائی ظاهر و محافظت به همان حالتorginal، در طول عمر سازه می گردد.این لایه باعث ایجاد سطحی مقاوم در مقابل اشعه ماوراء بنفش و آلودگی های موجود در هوا می گردد .

5. میزان مقاومت سطح سازه نتیجه آزمایشات و تست های انجام شده بر روی این نوع غشا مقاومت آن را در مقابل هرگونه خسارات ناشی از عوامل جوی و طبیعی تایید می نماید. پس از تست های انجام شده بر روی پارچه های نو و نیز بر روی پارچه هایی که چندین سال مورد استفاده قرار گرفته ، هیچ گونه اثری از لایه لایه شدن مشاهده نگردیده است. نمونه آزمایش صورت گرفته: (1000 ساعت در آب50 درجه سانتیگراد فرو رفته است(

6. قابلیت عبور نور از سطح سازه کیفیت نور طبیعی یکی از فاکتور های مهم در انتخاب لایه است.Floutopt 2 نورطبیعی را با آسایش بسیار در فضای داخل فراهم می سازد. عبور نور از کل سطح سازه ( حتی دیواره ها ) ، استفاده از نور را در طول روز امکان پذیر می سازد و بهره بردار را از مصرف انرژی جهت روشنائی داخلی برحذر می دارد. صرفه جوئی در مصرف برق از مهمترین عوامل مثبت این سازه می باشد. مزایای غشای خارجی : 100% PVDF- - مقاوم در برابر اشعه UV - ضد حریق ( NFPA - 701 , DIN 4102 ) - ضد کپک

7. مزایای غشای داخلی : - بازتاب بالا برای نورپردازی بهتر 500- گرم در مترمربع 100%- عایق گذاری- بدون چگالش و جمع شدگی

8. سیستم تهویه و گرمایش ( Air Condition , Heating ) برای سیستم تهویه هوای داخل سازه و نیز مبحث مصرف انرژی از سه موتور صنعتی استفاده می شود : الف- موتور دمنده ی هواب- موتور تعادل فشار هوای داخل سازهج- موتور رزرو جهت قطع برق و شرایط اضطرار

9. موتور دمنده ی هوا جهت برپائی ابتدائی سازه و پایداری نهائی و دائمی آن بکار گرفته میشود مزایای آن شامل موارد ذیل میباشد : - مصرف کم انرژی- عدم ایجاد آلودگی صوتی- قابلیت فعالیت با سوختهای مختلف بر اساس نیاز منطقه یا بهره بردار-کاهش حجم فشار بالای هوا تا 75% -قابلیت ایجاد گرمایش داخلی به میزان حداقل 25 درجه سانتیگراد-عدم نیاز به فن پرصدا-فعالیت اتوماتیک در هنگام افت فشار در سازه

10. موتور تعادل فشار هوای سازه جهت کمک به حفظ تعادل و پایداری سازه در شرایط اضطراری مثل جبران پرت هوا و مواقعی که سازه دچار حوادث فیزیکی می شود ، مورد استفاده قرار می گیرد . درحقیقت این موتور همانند موتور دمنده هوا عمل می نماید ولی بصورت کمکی و در شرایط اضطرار مورد استفاده قرار می گیرد. موتور رزرو برق برای مواقع قطع برق و نوسانات شدید برای برپایی سازه و تعادل فشار هوای داخل و تامین اکسیژن و نور مورد نیاز استفاده می شود. ظرفیت هیتینگ سازه برای دمای 10- سانتیگراد بیرونی و دمای 10+ سانتیگراد داخلی محاسبه گردیده است ، در این حالت فشار داخل در حدودMpa 220 و سرعت باد m/s 4 خواهد بود.

11. چگونگی نور پردازی سازه های هوا فشرده ما به لحاظ جنس پوسته تشکیل دهنده سطح، 70% نور طبیعی را عبور می دهند. با انتخاب تکنولوژی PVDF امکان استفاده از80% نور مات و 20% نور نیمه مات برای استفاده کنندگان فراهم می شود. این تکنولوژی برای بهره وری از انرژی گرمایی خورشید در فصول سرما و گرما بسیار مفید و موثر واقع خواهد شد. به لحاظ نوع و جنس پوسته ها ، سیستم نورپردازی بیشتر جهت بهره برداری در شب و مواقعی که دسترسی به نور طبیعی به لحاظ شرایط آب و هوایی میسر نیست طراحی می شود. کلیه تجهیزات نورپردازی روی خود سازه و مخصوصا سقف نصب می شود و احتیاجی به نصب دکل و ... نمی باشد که با این روش استفاده از کل فضای زیر سازه امکان پذیر می گردد.

12. عايق حرارتي خلاء با سازه صلب شونده توسط هواي فشرده با افزايش هزينه انرژي و توجه بيشتر به مسائل زيستمحيطي,صرفه جويي در مصرف انرژي در سالهاي اخير اهميت بيشترييافته است. بخش قابل ملاحظه اي از اين صرفه جويي با عايق بنديبه منظور جلوگيري از هدر رفتن حرارت يا به عكس جلوگيري ازورود حرارت قابل دستيابي م يباشد. بلوكهاي فايبرگلاس, پشمشيشه يا پشم سنگ, فومهاي پلاستيكي و عايقهاي سلولزي ازعايقهاي متداول مي باشند. عايقهاي خلأ داراي مقاومت حرارتيبالاتر تا هفت برابر بهترين عايقهاي متداول مي باشند. به علتخصوصيات عايقهاي خلأ استفاده از آنها تا سالهاي اخير عليرغممقاومت حرارتي بسيار بالايي كه دارند در خيلي از موارد به دليلقيمت آنها غيراقتصادي بوده است. در سالهاي اخير افزايش هزينهانرژي و تصويب قوانين كنتر لكننده ميزان مصرف انرژي در اروپا وامريكا باعث رشد بسيار چشمگير تحقيقات در زمينه رقابتي كردنقيمت عايقهاي خلأ در مقايسه با قيمتهاي پايين تر عايقهاي مرسومشده است. فلاسكهاي خلأ و جايگزيني آنها با تمام انواع فلاسكهادر دهه اخير نمونه اي از رقابتي شدن و گسترش كاربرد عايقهايخلأ مي باشد. با استفاده از عايقهاي خلأ علاوه بر صرفه جويي فو قالعاده درمصرف انرژي، ضخامت عايق به نحو چشمگيري كاهش مييابد

13. لذا مقدار حجم دروني مورد استفاده بهينه مي گردد. عايق خلأ يكعايق حرارتي با فن آوري پيشرفته است كه بطور قابل ملاحظ هايعايق بندي مرسوم را تحت الشعاع قرار مي دهد. عايق اختراع و ثبتشده داراي خصوصيات قابل ملاحظه اي درراستاي طبقه بندي شدن به عنوان يك عايق خلأ مطلوب است. برخي مزاياي عايق مذكور به شرح زير مي ياشد: سبكي در مقايسه با عايقهاي خلأ موجود، كمي حجم در حالت غيرعملياتي، قابليت ساخت در اشكال مختلف دوبعدي و سه بعدي، قابليت تعمير در صورت آسيب ديدگي، عدم نياز به هسته داخلي به عنوان سازه نگهدارنده، پايين بودن هزينه مواد اوليه با توجه به عدم نياز به هسته، قابليت عملياتي كردن عايق در محل مورد استفاده، قابليت تنظيم مقدار مقاومت حرارتي با تغيير فشار هواي درون سازه، و امكان تخليه هواي وارد شده به محفظه خلأ. در مطالعه حاضر بر اساس تحليلهاي سازه اي و انتقال حرارتي قابليت عايق پيشنهاد شده به عنوان يك عايق مطلوب مورد ارزيابي قرار مي گيرد.

14. بخشهاي اصلي عايقهاي حرارتي خلأ به طور كلي خلأ يك مقاومت در برابر عبور حرارت است و بنابراين براي بهبود خصوصيات عايقها سعي مي شود كه در آنها شرايط خلأ يا نسبتاَ خلأ ايجاد شود. نيروي ناشي از اعمال فشارمحيط تمايل به تغييرشكل محفظه و جمع كردن آن دارد. بنابراين جدارة محفظه بايد چنان مستحكم باشد كه در اثر اين فشار دچارتغييرشكل كمي شود يا اينكه با تعبيه كردن سازه اي درون محفظه از تغييرشكل آن جلوگيري گردد. مقدار مقاومت حرارتي علاوه برمقدار و گستره خلأ به سازه عايق مخصوصاً سازه بين دو سطح انتقال حرارت بستگي دارد، چرا كه اين بخش سازه خود باعث به وجود آمدن راهي براي انتقال حرارت مي گردد. هدف استفاده از سازه اي جديد براي تحمل نيروي اعمال شده بر سطوح عايق در اثر فشار هواي اتمسفرمي باشد. در اين طرح به منظور ايجاد خلأ در فاصله بين دو جداره عايق و غلبه بر نيروي ناشي از فشار هواي اعمال شده به سطوحخارجي از يك سازه صل بشونده توسط هواي فشرده استفاده مي شود. با اعمال هواي فشرده به داخل اين سازه, سازه از حالت انعطاف پذير به سازه اي صلب تبديل شده و قابليت مقاومت دربرابر نيروي ناشي از فشار اتمسفر را پيدا مي نمايد. در اثرتغييرشكل كل مجموعه در بعضي قسمتهاي عايق، خلأ به وجودمي آيد. طراحي خاص اين سازه باعث مي گردد كه كل عايق كه ازمواد انعطاف پذير (پوششهاي غيرقابل نفوذ توسط هوا) ساخته شده است, در هنگام اعمال فشار هوا به داخل سازه به صورت انعطاف ناپذير درآيد. طرح پيشنهادي براي سازه اصلي عايق خلأبه صورت شكل 1 مي باشد. اين شكل عايق برش خورده را درحالت عملياتي نشان مي دهد. در اين حالت روي سطوح خارجي فشار هواي اتمسفر عمل مي كند. در فضاي بين اين سطوح، سازه نگهدارنده و محفظه خلأ قرار دارد.

16. تحليل سازه اي عايق بخش اصلي سازه نگهدارنده برآمدگيهاي تخم مرغي شكل مي باشند. ميزان فشار اعمالي به داخل سازه تعيين كننده نسبت مساحت منطقه خلأ به كل عايق و در نتيجه معياري از مقاومت حرارتي قابل دستيابي مي باشد. به طور مثال در مسأله مورد بررسي كه نسبت مساحت منطقه خلأ به كل مساحت سه به چهار است ، فشار مورد نياز چهار برابر فشار هواي محيط است . با توجه به اينكه بخش اصلي سازه در تحليل تنشي، برآمدگي ها مي باشند، لذا مطلوب اين است كه تنش ماكزيمم كل عايق در اين ناحيه ايجاد گردد تا بتوان به حداك ثر نسبت فشار به تنش ماكزيمم در كل عايق رسيد. افزايش اين نسبت به مفهوم افزايش كارآيي خصوصيات سازه اي و در نتيجه خصوصيات انتقال حرارتي عايق است. به منظور تحليل تنشي طرح پيشنهاد شده تحت اثر فشاراستفاده شده است. ANSYS داخلي 4 اتمسفر از نرم افزارخصوصيات مكانيكي جنس مورد تحليل مشابه با خصوصيات يك پوشش مورد استفاده در ساخت عايقهاي خلأ با عنوان MYLAR" 350 SBL300"مي باشد. جنس مورد نظر انعطاف پذير بودهو داراي ضريب هدايت حرارتي پايين مي باشد. همچنين به علتوجود لايه بازتاب دهنده اين پوشش داراي مقاومت بالا در برابرانتقال حرارت تشعشي است. خصوصيات پوشش مذكور در ارتباط با تحليل تنشي عبارتند از: مدول يانگ 510 MPa : تنش تسليم 25 MPa :

17. يك برش جزيي از عايق پيشنهاد شده مطابق شكل انتخاب و با استفاده از المانهاي چهار وجهي المان بندي شده است. ابعاد هندسي اصلي مدل مذكور عبارتند از: 8 mm شعاع دايره پايه برآمدگ يها 5 mm حداقل شعاع دايره برآمدگ يها براي نسبت فشار چهار 10 mm ارتفاع برآمدگي ها 3 mm عرض كانالهاي ارتباطي برآمدگي ها 0,35 mm ضخامت لايه شامل برآمدگي ها 1 mm ضخامت لايه هاي مسطح عايق 17,7 mm فاصله مركز به مركز برآمدگي ها مدل المان بندي شده از نواحي داخلي برآمدگي ها و لوله هاي رابط تحت فشار 4 اتمسفر و در سطوح خارجي 1 اتمسفر قرار مي گيرد. تغييرشكل و توزيع تنش فون ميسر حاصل از تحليل استاتيكي مدل ارائه شده د ر شكل 2 نشان داده شده است . تنش ماكزيمم در حدود19 است (در نقطه اتصال برآمدگي به لايه مسطح مياني ). Mpa ،(25 MPa) بنابراين با توجه به تنش تسليم جنس مورد استفاده ضريب اطم ينان اين طرح براي اعمال فشار 4 اتمسفر برابر 1,3 مي باشد.

19. به طور كلي مقدار تنش ماكزيمم با شعاع برآمدگي ها و فشار اعمال شده رابطه مستقيم و با ضخامت پوشش رابطه معكوس دارد. بنابراين براي بهبود خصوصيات حرارتي در عين ثابت نگه داشتن تنش ماكزيمم، مي توان ابعاد هندسي برآمدگي ها را كاهش داد.

20. تحليل انتقال حرارتي عايق به منظور تحليل انتقال حرارتي عايق لازم است كه راههاي انتقال حرارت در عايق مورد بررسي قرار گرفته تا بتوان مسأله را به طريق مناسبي مدل سازي كرد . با درنظر گرفتن خلأ كامل در محفظه خلأ، راههاي اصلي انتقال حرارت بين سطوح بالايي و پاييني اين عايق و نحوه مقاومت در برابر آنها عبارتند از: - انتقال حرارت جابجايي توسط هواي داخل برآمدگي ها و كانالهاي رابط . از آنجا كه ابعاد هندسي اين برآمدگي ها كوچك مي باشد مي توان فرض كرد كه ميزان انتقال حرارت جابجايي توسط هواي محبوس در داخل برآمدگي ها ناچيز است. - انتقال حرارت هدايتي بين سطوح بالايي و پاييني توسط هواي داخل برآمدگي ها و همچنين توسط جداره اين برآمدگي ها انجام مي گيرد. اين انتقال حرارت هدايتي مهمترين بخش انتقال حرارت توسط عايق است . هندسه عايق ارائه شده، به واسطه پوشش و برآمدگي ها يك مسير غيرمستقيم بين دو سطح خارجي عايق ايجاد می کند . پوشش پیشنهاد شده برای استفاده در عايق به عنوان جداره داراي مقاومت حر ارتي هدايتي بالا است . ضريب انتقال حرارت هدايتي اين پوشش برابر با 0/155 مي باشد . ضريب انتقال حرارت هدايتي هوا برابر است با W/moC0/024 - شايان ذكر است كه تغيير فشارهوا در محدوده فشار كاري عايق ( 4 اتمسفر ) بر مقدار ضريب انتقال حرارت هدايتي هوا تأثير قابل ملاحظه اي نمي گذارد .

21. - انتقال حرارت تشعشعي بين سطوح بالايي و پاييني . با توجه به اينكه پوشش پيشنهاد شده داراي سطوح براق و ضد تشعشع مي باشد، عايق مذكور در برابر انتقال حرارت تشعشعي نيز داراي مقاومت مطلوبي است. با توجه به اينكه راه اصلي انتقال حرارت در عايق پيشنهاد شده، هدايت از طريق جداره برآمدگي ها و هواي محبوس در آنها بوده و بقيه راههاي انتقال حرارت سهم اندكي در برابر اين بخش دارند لذا در تحليل انتقال حرارتي اين مجموعه تنها انتقال حرارت هدايتي مورد بررسي قرار مي گيرد. در تحليل حرارتي انجام شده،سطوح بالا و پايين، كانالهاي رابط و برآمدگي ها و هواي درون آنها به عنوان بخشهاي اصلي هدايت دهنده حرارت به شكل سه بعدي مدل سازي شد هاند. با توجه به اينكه جدار هها داراي ضريب هدايت بالاتر و حجم كمتر و هواي درون سازه داراي ضريب هدايت پايين تر و حجم بيشتر است براي ساده سازي تحليل، مجموع جداره ها و هوا به عنوان يك جسم با مقدار ضريب هدايتي معادل با ضرايب هدايتي جداره و هوا درنظر گرفته شده است. يك جزمساحت از عايق توسط المانهاي چهار وجهي المان بندي شده است . دماي سطح پايين ثابت و معادل با 25 درجه سانتيگراد W/mm درنظر گرفته مي شود. بر سطوح خارجي فلاكس حرارتي w/mm2 0.01, w/mm2 0.01- به عنوان شرايط مرزي اعمال شده ومسأله در حالت پايدار مورد تحليل قرار گرفته است. نتايج به دست آمده نشان مي دهد دماي سطح بالايي برابر 5- مي باشد. با توجه به اينكه در مدل تحليل شده مساحت برابر2mm3/78، ضخامت برابر2mm24/14 و اختلاف درجه حرارات سطوح 30 درجه سانتیگراد مي باشد مقدار ضريب هدايت حرارتي برابر با w/m˚c 0.001 محاسبه می گردد .

23. نتيجه گيري در مطالعه حاضر يك عايق حرارتي خلأ جديد ابداع شده و بر Ansys معرفي مي گردد. با استفاده از نر مافزاراساس روشهاي اجزا محدود، خصوصيات سازه اي و انتقال حرارتي عايق مورد ارزيابي قرار مي گيرد. نتايج محاسبات، قابليت عايق پيشنهاد شده به عنوان يك عايق مطلوب را نشان مي دهند.

24. برداشت و نظر گروه از آنچه گفته شد نتایج زیر در مورد سازه هوای فشرده حاصل می گردد : ايزوله بودن سازه / مقرون به صرفه با توجه به مدت زمان راه اندازي / عدم نياز به تعدد نيروي كار در مدت طولاني ( حذف هزينه هاي كارگري ) / كاهش خطاي انساني در ساخت و راه اندازي / بهره وري از انرژي در زمينه هاي مختلف / طول عمر بالا ( 30سال ) / نصب و مجهز نمودن به كليه عوامل جانبي اعم از تهويه، نورپردازي ... در كوتاهترين زمان / سازگاري با محيط / زيبايي سازه و حفظ تميزي به لحاظ استفاده از تكنولوژي / استفاده بهينه از حداكثر فضا هاي موجود داخل سازه حتي در گوشه هاي آن / عدم استفاده از مصالح ساختماني رايج / برخورداري از هواي مطبوع در تمام فصول سال / عدم بكارگيري و نصب سيستم تهويه مجزا / پر تابل بودن كل مجموعه در حداقل زمان / استفاده از نور طبيعي در تمام طول روز در كليه سطوح حتي ديواره سازه / مقاوم در برابر زلزله /امنيت / قابليت بكارگيري در هر شرايط آب و هوائي و اقليمي...

25. این موارد در کنار هم سازه هوای فشرده را در گروه سازه های منحصر به فرد قرار می دهد که صد البته استفده از آن ها در صورت موجود بودن تکنولوژی لازم در منطقه بسیار مفید خواهد بود . و نظر ما راجب به این سازه و استفاده از آن در ایران با توجه به نو بودن و کارایی آن کاملاً مثبت است .