در دل چشم‌ اندازهای معماری مدرن و سازه‌های مهندسی پیشرفته، گاه با ساختارهایی مواجه می‌شویم که نه‌تنها از نظر فنی چشمگیرند، بلکه با زیبایی‌ شناسی خاص خود، مفهومی نو از هماهنگی میان فرم و عملکرد را به نمایش می‌گذارند. سازه کابلی از جمله این شگفتی‌های معمارانه‌ است؛ ساختارهایی که با استفاده از نیروی کشش در کابل‌ها، تعادلی شگفت‌انگیز را میان سبکی، استحکام و انعطاف‌پذیری برقرار می‌کنند.

اما واقعاً این سازه‌ها چگونه طراحی می‌شوند و چه ویژگی‌هایی آن‌ها را از سایر سیستم‌های سازه‌ای متمایز می‌سازد؟ آیا می‌توان آن‌ها را در تمام پروژه‌ها به کار گرفت؟ این پرسش‌ها، سرآغاز سفری جذاب به دنیای سازه‌های کابلی‌ اند که در ادامه‌ی این مطلب به شکلی جامع به آن خواهیم پرداخت. همانطور که خواهید دید، سازه‌های کابلی با گونه‌های متنوعی چون سازه‌های معلق، تقویت‌ شده یا دارای منحنی دوگانه، بستری مناسب برای طراحی سازه‌هایی با دهانه‌های وسیع و فرم‌های منحصر به‌ فرد فراهم می‌کنند. در این صفحه از چیستی و انواع این سازه‌ها گرفته تا تحلیل دقیق رفتار آن‌ها در مقابل بارهای زنده، باد و زلزله به نکاتی خواهیم پرداخت که هم برای علاقه‌مندان تازه‌وارد و هم برای مهندسان باتجربه می‌تواند آموزنده باشد.

مطالعه ادامه‌ی این نوشتار شما را با ابعاد فنی، زیبایی‌شناختی، کاربردی و دیتیل سازه کابلی آشنا می‌سازد؛ پس همراه ما بمانید تا با یکی از پیشرفته‌ ترین ساختارهای معماری امروز یعنی سازه‌ کابلی به خوبی آشنایی پیدا کنید.

سازه کابلی چیست؟

سازه کابلی چیست؟ سازه های کابلی نوعی ساختار مهندسی به شمار می‌آیند که در آن نیروها و بارهای وارد شده به سازه، از طریق کابل‌هایی که عمدتاً تحت کشش قرار دارند، منتقل می‌شوند. خاص بودن طراحی سازه کابلی باعث  شده که آنها تحولی بزرگ در عرصه مهندسی و معماری ایجاد کنند. برای نمونه کابلی‌ها به طور عمده در پوشش‌دهی دهانه‌های بزرگ، ساخت پل‌ها و سقف‌های پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

این سازه‌ها، با استفاده از کشش کابل‌ها، قادر اند نیروی کششی را به طور یکنواخت توزیع نمایند و در عین حال، ساختارهایی مقاوم، سبک و زیبا به وجود آورند. به عبارتی دیگر در پاسخ به این که سازه های کابلی چیست؟ می توان گفت که این سازه‌ها به شکلی طراحی می‌شوند که بارهای مختلف را با کمترین نیاز به اجزای پشتیبانی اضافی تحمل نمایند.

معرفی پل های کابلی

پل‌ های کابلی نوعی سازه‌ اند که در آن عرشه با استفاده از کابل‌های فولادی به برج‌ها اتصال پیدا می‌کند. این کابل‌ها وظیفه تحمل نیروی وارده به پل را بر عهده دارند و به آن استحکام می‌بخشند. در این ساختار، برج‌ها به عنوان تکیه‌گاه عمل کرده و کابل‌ها به صورت اریب عرشه را پشتیبانی می‌کنند.

دلایل استفاده از سازه‌های کابلی

سازه‌های کابلی به‌ واسطه‌ی طراحی منحصر به فردشان به کاهش وزن سازه و صرفه‌جویی در مصرف منابع کمک شایانی می‌کنند. این کاهش وزن، علاوه بر کاهش فشار به شالوده‌ها و زیرساخت‌ها، موجب کاهش هزینه‌های اجرای پروژه و تسهیل در نصب اجزا خواهد شد. در ادامه به صورت مفصل به بررسی دلایل استفاده از سازه‌های کابلی خواهیم پرداخت.

کاهش وزن و صرفه‌جویی در منابع ساخت

سازه‌های کابلی به خاطر داشتن طراحی ویژه و استفاده از کابل‌هایی که عملکرد کششی دارند، به طور چشمگیری از وزن کلی سازه می‌کاهند. این سبک‌ سازی نه‌تنها سبب وارد آمدن فشار کمتری بر شالوده‌ها و زیرساخت‌های باربر می‌گردد، بلکه در فرایند اجرای پروژه نیز موجب کاهش چشمگیر در مصرف مصالح سنگین و پرهزینه خواهد شد.

چنین ویژگی‌ ای در پروژه‌های بزرگ، هم از منظر اقتصادی به صرفه است و هم موجب تسهیل در جابجایی و نصب اجزای سازه می‌شود، که در نهایت منجر به تسریع روند ساخت و ساز می‌گردد.

توزیع بهینه‌ ی نیروهای وارد بر سازه

در سازه‌های کابلی، کابل‌ها نقش اصلی در انتقال نیروهای کششی ایفا می‌کنند؛ بدین معنا که بارهای وارد شده بر سازه به‌طور یکنواخت در طول کابل‌ها پراکنده می‌شود و دیگر نیازی به استفاده از عناصر حجیم برای تحمل نیرو نیست. این نحوه‌ی انتقال نیرو باعث می‌گردد سازه‌ها از لحاظ مکانیکی، رفتاری بهینه و اقتصادی داشته باشند.

استفاده از چنین سازوکاری نه تنها هزینه‌های نهایی ساخت را کاهش می‌دهد، بلکه سبب افزایش بازدهی سیستم سازه‌ای در مواجهه با انواع نیروهای وارده نیز خواهد شد.

انعطاف‌ پذیری بالا در برابر شرایط متغیر محیطی

یکی از برجسته‌ترین عللی که مهندسان و طراحان به بهره‌گیری از سازه‌های کابلی روی می‌آورند، توانایی بالا این سازه‌ها در سازگاری با بارهای ناپایدار و شرایط محیطی گوناگون است. کابل‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند تغییرات بار ناشی از باد، بارهای زنده یا نوسانات دمایی را به‌ خوبی تحمل کنند و بدون ایجاد تنش‌های اضافی در سازه، به آن اجازه دهند شکل طبیعی خود را حفظ نماید. این خاصیت انطباق‌پذیری، سازه‌های کابلی را به گزینه‌ای مطلوب برای فضاهایی که با نوسانات اقلیمی یا بارهای پیش‌بینی‌ نشده مواجه هستند، تبدیل کرده و باید گفت که همین امر پایداری بلند مدت و دوام سازه را تضمین خواهد کرد.

مزایا و معایب سازه‌های کابلی

مزایای سازه‌های کابلی به طور کلی شامل مواردی است که در جدول زیر آورده‌ایم:

و از جمله معایب این سازه‌ها می‌توان به موارد موجود در جدول زیر اشاره نمود:

انواع سازه‌های کابلی

انواع سازه کابلی عبارتند از:

سازه‌های کابلی با انحنای یکتا

این نوع از سازه‌ها با انحنایی در یک جهت و ساختاری به ظاهر ساده، ولی عملکردی پیچیده طراحی می‌شوند. کابل‌ها در این گونه سازه‌ها میان دو نقطه نگهدارنده کشیده شده‌اند و به صورت طبیعی و با تبعیت از قوانین تعادل مکانیکی، به شکل قوس‌وار درآمده‌اند.

بارهایی که از سوی محیط بر سازه وارد می‌شوند، به طور مستقیم از طریق کابل‌ها به تکیه‌ گاه‌ها منتقل می‌گردند و همین ویژگی، موجب حذف نیاز به ستون‌ها و سازه‌های جانبی در بسیاری از پروژه‌ها می‌شود. این طراحی، اغلب در پل‌های معلق یا سقف‌هایی با دهانه‌های بزرگ و باز دیده می‌شود.

سازه‌های کابلی تقویت‌ شده (مضاعف)

سازه‌هایی با طراحی مضاعف، به نوعی نسخه پیشرفته و مقاوم‌ سازی‌ شده از گونه تک‌ انحنا به شمار می‌روند. در این سیستم‌ها، افزون بر کابل‌های اصلی معلق، کابل‌هایی برای پایدارسازی و مقابله با نیروهای جانبی مثل باد یا زلزله، در زیر یا اطراف کابل‌های اصلی نصب می‌شوند.

به واسطه این طراحی، سازه از ایستایی بیشتری برخوردار می گردد و در برابر تغییرات ناگهانی محیطی، تاب‌آوری بالاتری از خود نشان می‌دهد. سازه‌های مضاعف، انتخابی عالی برای فضاهای بزرگ روباز و مناطقی با شرایط آب‌وهوایی متغیر هستند.

سازه‌های کابلی با منحنی دوگانه (منحنی مضاعف)

این نوع سازه‌ها با ساختاری منحصر به فرد و ترکیب دو نوع انحنا، یکی در راستای طولی و دیگری در جهت عرضی، تعادل پیشرفته‌تری از لحاظ نیروهای وارده برقرار می‌کنند.

در این سیستم‌ها، کابل‌ها در یک جهت معلق‌ اند و در جهت دیگر، با کابل‌هایی که آن‌ها را به سمت پایین می‌کشند، ترکیب شده‌اند. این طراحی، نه‌ تنها سبب کاهش لرزش و افزایش مقاومت می‌گردد، بلکه زیبایی خاصی به سازه می‌بخشد که در طرح‌های معماری نوگرا نیز بسیار محبوب است.

استفاده از این نوع سازه به طور کلی در سقف‌های مدرن، نمایشگاه‌های بزرگ و استادیوم‌ها رایج است.

کاربردهای سازه کابلی

سازه‌های کابلی به خاطر ویژگی‌های منحصر به فردشان در تحمل بار و پایداری در شرایط مختلف، در پروژه‌های بزرگی مورد استفاده قرار می‌گیرند. کاربردهای این سازه‌ها شامل موارد زیر می‌باشند:

• پل‌های معلق: از برجسته‌ترین کاربردهای سازه کابلی معلق، ساخت پل‌های معلق می باشد به طوری که به دلیل توانایی در تحمل بارهای سنگین با تعداد پایه کم در عبور از رودخانه‌ها و دره‌های عمیق به‌ کار گرفته می‌شوند. نمونه‌هایی چون پل گلدن‌ گیت آمریکا یا پل میلائو در چین، شواهدی بارز و نمونه سازه های کابلی بر این استفاده اند.
• سقف‌های استادیوم‌ها: در طراحی استادیوم‌های ورزشی، به ویژه آن‌هایی که نیاز به دهانه باز و بدون ستون دارند، سازه‌های کابلی انتخابی مناسب محسوب می‌شوند. این سیستم‌ها فضای داخلی بدون مانع ایجاد کرده و تماشای مسابقات را برای تماشاگران آسان‌تر می‌سازند.
• مراکز خرید و سالن‌های نمایشگاه: در طراحی مراکز تجاری بزرگ، سازه‌های کابلی به دلیل کاهش نیاز به ستون‌های داخلی و افزایش فضای آزاد، به طراحان اجازه می‌دهند تا فضاهای وسیع و منعطفی ایجاد نمایند که هم زیبا باشد و هم کارآمد.
• برج‌ها و سازه‌های بلند: به خاطر توان کششی بالای کابل‌ها، در ساخت برج‌های بلند، از سازه‌های کابلی برای افزایش پایداری و کاهش ارتعاش بهره گرفته می‌شود. برج ایفل یا برج CN از جمله نمونه موردی سازه های کابلی هستند که به نوعی از این فناوری سود برده‌اند.

در کل می‌توان گفت که سازه‌های کابلی به انعطاف پذیری و استحکام عالی که دارند در طراحی پروژه‌های عظیم و چالش‌برانگیز همچون پل‌ها، استادیوم‌ها و برج‌ها نقشی اساسی ایفا می‌کنند.

رفتار سازه‌های کابلی

درک صحیح و جامع رفتار  و اتصالات سازه کابلی در مراحل مختلف عملکرد آن‌ها برای طراحی دقیق و اجرای موفق و ایمن این سازه‌ها، امری بسیار ضروری و حیاتی است. تحلیل مهندسی این نوع سازه‌ها بر اساس اصولی همچون کشش، تعادل نیروها و واکنش به بارهای استاتیکی و دینامیکی شکل می‌گیرد. در ادامه مراحل مختلف رفتار این سازه‌ها را شرح می دهیم. در مرحله ابتدایی که گسترش نامیده می‌شود، کابل‌ها از وضعیت آزاد و بدون کشش به وضعیت کشیده و تنیده درمی‌آیند. این مرحله با اعمال نیروهای اولیه و ابتدایی همراه است که موجب شکل‌گیری فرم کلی سازه می گردد. تنظیم دقیق و تدریجی کابل‌ها در این مرحله از اهمیت بسیاری برخوردار است، زیرا این فرآیند، مبنای عملکرد صحیح سازه در مراحل بعدی را فراهم می‌آورد.

پس از گذر از مرحله گسترش، نوبت به پیش‌ تنیدگی می‌رسد. در این مرحله، کابل‌ها به‌صورت مهندسی‌ شده و با بهره‌گیری از ابزارهایی همچون جک‌های هیدرولیکی، تحت کشش کنترل‌ شده قرار می‌گیرند. این فرآیند پیش‌دتنیدگی موجب می‌شود که سازه پیش از وارد شدن بارهای اصلی به تعادل نسبی برسد. تنش اولیه اعمال‌ شده در این مرحله نقش حیاتی در مقاومت سازه در برابر نیروهای لرزه‌ای و باد دارد.

پس از آن مرحله سرویس‌دهی آغاز می‌شود؛ مرحله‌ای که سازه تحت بارهای واقعی مانند بار زنده، نیروهای متناوب و تغییرات دمایی قرار می‌گیرد. رفتار واقعی سازه کابلی در ساختمان در این مرحله، عملکرد نهایی و قابلیت اعتماد آن را در طولانی‌مدت نشان می‌دهد.

 سؤالات متداول درباره سازه‌های کابلی

1. سازه کابلی چیست و چه تفاوتی با سایر سیستم‌های سازه‌ای دارد؟

سازه‌های کابلی، سیستم‌هایی هستند که انتقال بار در آن‌ها از طریق کابل‌های تحت کشش صورت می‌گیرد. در مقایسه با سازه‌های سنتی، این سیستم‌ها سبک‌تر، منعطف‌تر و مناسب برای دهانه‌های وسیع‌تر هستند.

2. آیا می‌توان سازه‌های کابلی را در همه پروژه‌ها به کار برد؟

خیر. این نوع سازه بیشتر در پروژه‌هایی با دهانه بزرگ یا نیاز به فرم‌های آزاد معماری استفاده می‌شود. برای پروژه‌های کوچک یا دارای محدودیت بودجه، گزینه‌های ساده‌تر ممکن است مقرون‌به‌صرفه‌تر باشند.

3. مهم‌ترین مزایای سازه‌های کابلی چیست؟

کاهش وزن کلی سازه، صرفه‌جویی در مصرف مصالح، انعطاف‌پذیری بالا، توزیع یکنواخت نیروها، و ایجاد فرم‌های معماری مدرن و چشم‌نواز.

4. چه معایبی در استفاده از سازه‌های کابلی وجود دارد؟

نیاز به نگهداری و نظافت دوره‌ای کابل‌ها، آسیب‌پذیری در برابر زنگ‌زدگی، هزینه‌های اجرایی بالا و نیاز به نیروی انسانی متخصص از جمله چالش‌های رایج هستند.

5. انواع سازه‌های کابلی کدام‌اند؟

این سازه‌ها به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند:

• با انحنای یکتا (تک‌قوس)

• تقویت‌شده با کابل‌های مضاعف

• با منحنی دوگانه برای تعادل نیروهای پیشرفته