میگردند.
۲-۲- سازههای فضاکار
عبارت سازههای فضاکار اشاره به سیستمهای سازهای دارد که هر سه بعد را در بر میگیرد. این عبارت، در مقابل سازههای مسطح مانند خرپای مسطح که بیش از دو بعد را در بر نمیگیرد، قرار دارد. در سازههای مسطح، بارهای خارجی به همراه نیروهای داخلی، همگی در یک صفحهی واحد اثر
میکنند و خود سازه نیز چه در حالت اولیه و چه در حالت تغییر شکل یافته، در این صفحه قرار دارد. در حالی که در سازههای فضاکار، ترکیب بافتار، بارهای خارجی، نیروهای داخلی و جابهجایی سازهای، همه در ورای یک صفحه قرار میگیرند. سازههای فضاکار را میتوان به سه گروه زیر تقسیمبندی کرد:
۱- سازههای فضاکار پیوسته که شامل عناصر میلهای مجزا میباشند.
۲- سازههای فضاکار پیوسته که شامل اجزایی مانند: دالها، پوستهها و پاشامیها میباشند.
۳- سازههای فضاکار دوگانه که شامل ترکیبی از بخشهای مجزا و پیوسته میباشند.
۲-۳- سازههای کشبستی
۲-۳-۱ – تاریخچه و تعاریف ارائه شده
اینکه اولین بار چه کسی سازههای کشبستی را مطرح کرد، خود موضوعی چالشبرانگیز است، Snelson در سال ۱۹۴۸ اولین نمونهی خود را که از قطعات x شکل از جنس چوب و نایلون ساخته شده بود، ارائه کرد (شکل ۲-۱). هنرمند روسی Viatcheslav Koleichuk ادعا کرد که ایدهی سیستمهای کشبستی، اولین بار توسط Karl Ioganson در سال ۱۹۲۱مطرح شده است و اولین نمونهی کشبستی را مطابق شکل ۲-۲، متشکل از سه عضو فشاری و نه کابل، ساخته است، این مدل به دلیل عدم پیشتنیدگی که جز یکی از ویژگیهای اصلی سیستمهای کشبستی است، به عنوان یک سیستم کشبستی تلقی نمیشود. از طرفی دیگر، میتوان Fuller را بهعنوان اولین کسی که این سازهها را از نقطه نظر مهندسی مورد بررسی قرار داد، نام برد. تعاریف مختلفی برای سیستمهای کشبستی ارائه شده است؛ که در اینجا به چند مورد مهم اشاره میشود:
طبق تعریف Fuller، کلمه کشبستی بیانگر ادغام مجموعهای از اعضای کششی است و سازه کشبستی به صورت ترکیبی از عناصر پیوستهی کششی و عناصر ناپیوستهی فشاری تعریف
میشود [۹]. Emmerich، این سیستمها را به صورت سازههای خودتنیده متشکل از میلهها و کابلها میداند که میلهها به صورت منفرد در یک مجموعهی پیوسته از کابلها قرار میگیرند [۱۰].
شکل ۲-۱: اولین نمونهی ساخته شده توسط Snelson[11] شکل ۲-۲: نمونهی ساخته شده توسطIoganson [2]
Pugh این سازهها را چنین تعریف میکند که سازهی کشبستی از اندرکنش یک مجموعهی ناپیوسته عناصر فشاری و یک مجموعهی پیوسته عناصر کششی ایجاد میشود که یک حجم پایدار را در فضا توصیف میکند [۱۲]. از طرفی دیگر Motro تعریف زیر را برای این سازهها ارائه کرده است:
سیستمهای کشبستی، سیستمهای مشبک فضاکاری هستند که سختی سازهای آنها به وسیلهی حالت خودتنیدگی ایجاد میشود. در این سیستمها، عناصر فشاری یک مجموعهی ناپیوسته و عناصر کششی یک مجموعه پیوسته را تشکیل میدهند و به هر گره، حداقل یک عضو فشاری و سه عضو کششی متصل میباشد. عناصر کششی و فشاری به ترتیب دارای صلبیت منحصراً کششی و فشاری میباشند [۱۳].
اخیراً Skelton تعریف جامعی از این سیستمها را بیان داشته است. بر طبق تعریف Skelton، یک سیستم کشبستی متشکل است از هر مجموعهی دلخواهی از اعضای کششی که به یک بافتار
کشبستی اعضای فشاری متصل شده باشد. منظور از بافتار کشبستی، بافتاری است که بتوان آن را توسط برخی مجموعهی اعضای کششی داخلی پایدار نمود. اگر برای پایدارسازی این بافتار، هیچ عضو کششی مورد نیاز نباشد، در آن صورت این بافتار، یک بافتار کشبستی نخواهد بود [۲]. Skelton قسمتهای فشاری یک سیستم کشبستی را به عنوان جسم صلب۱۰ و قسمتهای کششی یک سیستم کشبستی را به عنوان رشته۱۱ توصیف میکند.
Skelton و همکارانش، اصطلاح کلاس k را به منظور تشخیص انواع مختلف سازههایی که در این تعریف گسترده شامل میشود، معرفی کردند. بر طبق این دستهبندی، یک بافتار کشبستی که هیچ اتصالی بین اعضای صلب آن وجود ندارد، بهعنوان کلاس ۱ نامگذاری میشود و یک سیستم کشبستی با k تا عضو صلب متصل، به عنوان کلاس k نامگذاری میشود. در شکل ۲ -۳، نمونههای از کلاسهای مختلف یک سیستم کشبستی نشان داده شده است.
(الف)
(ب) (پ)
شکل ۲-۳: نمونههایی از کلاسهای مختلف یک سیستم کشبستی؛ الف- کلاس۱، ب- کلاس ۲، پ- کلاس۳ [۲].
۲-۳-۲- مزایای سازههای کشبستی
● کارایی۱۲: نشان داده شده است که مصالح سازهای تنها در مسیرهای بارگذاری، مورد نیاز است. پس سازههای کشبستی با قرار دادن دقیق اعضای فشاری قادر هستند نسبت مقاومت به وزن سازه را افزایش دهند. همچنین سازههای کشبستی از نظر انرژی، کارآمد هستند، چرا که اعضایشان انرژی را به شکل نیروی کششی یا فشاری ذخیره میکنند.
● قابلیت گسترشپذیری۱۳: سازههای سخت قابلیت تغییر شکلپذیری کمتری دارند اما آرایش اعضا در سازههای کشبستی باعث میشود که یک سازهی گسترشپذیر در حجم کوچکی ذخیره شود. این ویژگی مهم در کاربردهای فضایی از قبیل تیرکها و آنتنهای گسترشپذیر، کاربرد دارد.
● سادگی تنظیم کردن۱۴: وجود پیشتنش در اعضای سازهی کشبستی به طراح اجازه میدهد تا سختی را اصلاح کند. از اینرو، سازه به نحوی که نیروهای خارجی اعمال میشوند، رفتار میکند. همچنین فرکانس ارتعاش طبیعی سازه را به راحتی میتوان اصلاح نمود.
● سادگی مدل کردن۱۵: نیروهای اعمال شده به سازه تنها از طریق نیروهای محوری در اعضا (تنها
به صورت کششی یا فشاری) انتقال مییابند و مدل استفاده شده برای مشخص کردن رفتار سازه، قابل اعتماد میباشد، چرا که پدیدهی خمش در نظر گرفته نمیشود.
● قابلیت نسخهبرداری۱۶: به منظور جلوگیری از خرابی سیستم، سازههای کشبستی گروه خاصی از سازهها هستند که اعضای آن میتوانند به طور همزمان به عنوان سنسورها، عملگرها و اعضایی که بار را منتقل میکنند، عمل کنند. بنابراین ممکن است چند عضو با یک وظیفهی مشخص سروکار داشته باشند و در این حالت که یکی از آنها از کار بیفتد، دیگر اعضا نقش آن را بازی میکنند تا سازه به کار خود ادامه دهد.
● قابلیت مقیاسپذیری۱۷: از نظر ریاضی و فیزیکی هیچ محدودیتی برای اجرای سازههای کشبستی در مقیاس کوچک و بزرگ وجود ندارد.
۲-۳-۳- معایب سازههای کشبستی
● اکثر سیستمهای کشبستی به طور معمول صلب نیستند و معمولاً دارای مکانیزمهای بینهایت کوچک۱۸ هستند که به منظور مقابله با تغییر شکلهای ناشی از مکانیزم، بایستی تحت پیشتنش قرار بگیرند.
● سیستمهای کشبستی به دلیل مکانیزمهای بینهایت کوچک مستعد ارتعاش هستند و نسبت به آشفتگیهای خارجی حساس میباشند.
● در این سیستمها مختصات گرهها نمیتواند به طور دلخواه تعیین شود. از اینرو برخی از بافتارها نمیتواند یرای یک سیستم کشبستی انتخاب شود.
۲-۴- مکانیزم، خودتنش و فرمیابی
سختی سیستمهای کشبستی، وابسته به پایداری مکانیزمهای بینهایت کوچک توسط یک حالت خودتنش است. این سختی تنها با هندسهای که با معیار تعادل استاتیکی پایدار شده است، ممکن است به وجود آید. به این دلیل، توضیح مفاهیم مربوط به مکانیزمها (مکانیزمهای محدود و مکانیزمهای بینهایت کوچک) و حالتهای خودتنش وابسته مهم میباشد. مکانیزمهای بینهایت کوچک، نقش مهمی را در پایداری اینگونه از سیستمها ایفا میکند.
۲-۴-۱- خودتنیدگی و پیشتنیدگی
خودتنیدگی حالتی از تنشهای داخلی است که به محض مونتاژ کردن عناصر در سیستم ایجاد
میشود. خودتنیدگی با کوتاه کردن کابلها و طویل کردن میلهها از یک هندسهی بدون تنش ایجاد میشود. لازم به ذکر است که تفاوت ظریفی بین خودتنیدگی و پیشتنیدگی وجود دارد، زمانی که در یک سیستم کابل و میلهای، فقط کوتاه نمودن طول کابلها برای ایجاد تنش در دیگر اعضا کافی باشد و نیازی به مقید کردن دیگر اعضا، برای ایجاد تنش اولیه نباشد، سیستم «خودتنیده» است و چنانچه برای ایجاد تنش در دیگر اعضا علاوه بر کوتاه کردن طول کابلها به تکیهگاه نیاز باشد، سیستم «پیشتنیده» است.
۲-۴-۲- فرمیابی۱۹
به فرآیند پیدا کردن یک هندسهی خودمتعادل پایدار، فرمیابی گفته میشود. در فرآیندهای فرمیابی، همزمان به دو مسئلهی شکل سازه و تعادل گرهها اندیشیده میشود. روشهای زیادی وجود دارند که در آنها ایدهی اصلی ارائهدهندهی آن، شکل سازه بوده و تعادل سازه را فقط با روش آزمون و خطا پیشنهاد نمودهاند. بنابراین به این روشها، روش «کنترل فرم» اطلاق میشود. از طرف دیگر، روشهای متعددی ارائه شده است که ایدهی اصلی ارائهدهندهی آن، فقط یافتن حالتهایی از خودتنیدگی است که تعادل گرهها حفظ شود. این روشها را روشهای «کنترل نیرو» مینامند.
۲-۴-۲-۱- انواع روشهای فرمیابی سازههای کشبستی
روشهای فرمیابی سازههای کشبستی به دو گروه عمدهی استاتیکی و سینماتیکی تقسیمبندی میشود که اخیراً از روشهای توپولوژیکی همانند روش الگوریتم ژنتیک برای فرمیابی این سازهها استفاده شده است.
روشهای سینماتیکی، روشهایی هستند که بیشتر برای به دست آوردن جزئیات مربوط به بافتار سازههای کشبستی، مناسب میباشد. اساس این روشها بر آزمون و خطا استوار است. ویژگی مهم این روشها این است که برای به دست آوردن یک بافتار خودمتعادل کشبستی، طول کابل، ثابت در نظر گرفته میشود، در حالی که طول دستک افزایش مییابد تا اینکه به یک مقدار حداکثر برسد که در آن حالت کابل تحت تنش قرار میگیرد. انتخاب دیگر این است که طول دستک ثابت در نظر گرفته شود و طول کابل کاهش یابد تا اینکه به یک مقدار حداقل برسد. این رویکرد درحقیقت از روشی که سازههای کشبستی در عمل ساخته میشوند، تقلید میکند.
مشخصهی کلی روشهای استاتیکی، ارتباط بین بافتار متعادل از یک سازه با هندسهی مشخص با نیروهای داخلی اعضا در سازه میباشد که این ارتباط، از طریق روشهای مختلف تحلیل
میشود.
۲-۴-۲-۲- رهاسازی دینامیکی
برای یک سازه با بافتار اولیهی مشخص که در معرض نیروهای خارجی قرار دارد، تعادل بافتار میتواند از طریق معادلات دینامیکی به صورت زیر محاسبه شود [۱۴]:
Md ̈ + Dd ̇ + Kd = f (2-1)
که در آن، K ماتریس سختی، M ماتریس جرم، D ماتریس میرایی، f بردار نیروهای خارجی و d ̈، d ̇ و d به صورت بردارهای شتاب، سرعت و جابهجایی میباشند. ماتریسهای M و D به صورت قطری در نظر گرفته میشوند. برای سادگی، سرعت و جابهجایی اولیه، صفر در نظر گرفته میشود. چندین راه برای انجام فرمیابی وجود دارد. برای مثال، با نوشتن رابطهی زیر

مطلب مرتبط :   منبع پایان نامه ارشد با موضوعطبقه بندی، اختلالات خواب، اختلالات روانی، فیزیولوژی
دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید