سازه‌های پوسته‌ای (پوسته بتنی)

از آنجا که پوسته‌ها می‌توانند فضاهای وسیعی را بپوشانند و به علاوه در آنها به گونه‌ای اقتصادی از مصالح ساختمانی استفاده می‌شود، لذا سازه‌های پوسته‌ای (پوسته بتنی) یا با‌م‌های فضایی پوستی نسبت به بام‌های مسطح برتری دارند‌. به کار گرفتن بام‌های فضایی قوسی باعث ٢۵ تا ۴٠ درصد کاهش در مصرف مصالح، نسبت به اجزای مسطح می‌شود.

برتری سازه‌ایی بام‌های پوسته‌ای نیز به این دلیل است که تمامی سطح مقطع تحت تنش یکنواخت ناشی از نیروهای مستقیم (‌درون صفحه‌ای‌) قرار گرفته و اثرات خمشی در آن‌ها ناچیز است. به این دلیل ضخامت پوسته‌ها معمولاً خیلی کم و در محدوده ٧۵ تا ١۵٠ میلیمتر قرار دارند.

از بام‌های پوسته‌ای معمولاً در آشیانه‌های هواپیما، تالا‌رهای اجتماعات، سالن ورزشی، سالن‌های فروشگاه‌ها، ساختمان‌های صنعتی، و انواع متنوعی از سازه‌های با دهانه زیاد‌، استفاده می‌شود. پوسته‌ها به لحاظ معماری بسیار برجسته و شاخص بوده و رومیان از آن‌ها برای ساختن گنبد‌ها استفاده می‌نمودند.

پیشرفت‌های اخیر تکنولوژی باعث ساخت سازه‌های پوسته‌ای، با استفاده از اجزای پوسته‌ای پیش ساخته شده است. امروزه پوسته‌های هذلولی دوار به طور گسترده در طراحی و ساخت برج‌های خنک کن بتنی کاربرد دارد. ضخامت، مقاومت مناسب و زیبایی از ویژگی‌های بارز این پوسته‌ها است. همچنین بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهند که شکل هذلولی، اقتصادی‌ترین شکل، برای پوسته‌های دارایی تقارن محوری هستند.

با گسترش روش‌های اجزای محدود، تحقیقات زیادی بر روی رفتار سازه‌های پوسته‌ای هذلولی انجام شده و موضوعاتی از قبیل اثرات استاتیکی و شبهدینامیکی باد و زلزله، آثار حرارتی، پایداری، آنالیزهای غیر خطی، پایایی، تکنیک‌های ساخت، نشست‌های تکیه گاهی و ایده‌آل سازی اعضای تکیه گاهی در طی چند دهه اخیر مورد توجه محققان قرار گرفته است. اما اکثر تحقیقات گسترده روی رفتار سازه‌های پوسته‌ای تحت بارگذاری‌های استاتیکی متمرکز بوده‌ و با رشد دانش دینامیک، روش‌های استاتیکی معادل متداول شده است.

استفاده از روش استاتیکی معادل برای بارهای دینامیکی باد و زلزله که وابسته به زمان هستند، آنالیز را ساده می‌نماید.

اصطلاحات مورد استفاده در پوسته‌ها

در مبحث سازه‌های پوسته‌ای عموماً از اصطلا‌حات IS‌ در آیین نامه ۲۲۱۰‌ استفاده می‌شود.

پوسته

پوسته یک سطح قوسی و منحنی است که ضخامت آن در مقایسه با شعاع و سایر ابعادش کوچک است.

پوسته‌های دورانی

این سطوح بر اثر دوران یک منحنی مسطحه حول محور تقارن آن به دست می‌‌آیند.

پوسته‌های انتقالی

پوسته‌های انتقالی بر اثر حرکت یک منحنی به موازات خودو در امتداد یک منحنی دیگر به وجود می‌آیند. صفحات منحنی مزبور ‌باید بر یکدیگر عمود باشند. نمونه متعارف این گونه پوسته‌ها، سهموی بیضی گون و سهموی هذلولی گون (‌پوسته‌ی زین اسبی‌) هستند.

پوسته‌های استوانه‌ای‌

این پوسته‌ها زمانی ایجاد می‌شوند که منحنی مولد (‌منحنی متحرک) و یا منحنی هادی (‌منحنی ثابت) خط مستقیم باشد. منحنی‌های معمول برای ایجاد پوسته‌های استوانه‌ای شامل قوسی از یک دایره‌، نیم بیضی، سهمی،‌ یا منحنی گهواره‌ای هستند. اجزای مختلف یک پوسته استوانه‌ای شامل پوسته نازک، تیر لبه، ‌قاب انتهایی یا تیر عرضی است.

پوسته‌های استوانه‌ای چند قوسی

یک رشته پوسته استوانه‌ای موازی که در امتداد عرضی به صورت یکسره هستند، به عنوان پوسته‌های استوانه‌ای چند قوسی نامیده می‌شوند. از‌ این پوسته‌ها عموماً برای آشیانه‌های هواپیما‌، انبارها، کارگاه‌هاو کارخانه‌ها استفاده می‌شود.

پوسته‌های استوانه‌ای یک‌سره

پوسته‌های استوانه‌ای که در قسمت تیر‌های عرضی به یکدیگر چسبیده و در امتداد طولی به صورت یکسره هستند، به عنوان پوسته‌های استوانه‌ای یک سره نامیده می‌شوند که در بام سالن فروشگاه‌ها و انبارها به کار می‌روند. پوسته‌های استوانه‌ای که نسبت به تاج پوسته تقارن دارند، پوسته‌های بشکه‌ای نامیده می‌شوند.

اجزای پوسته

دهانه پوسته، فاصله بین دو قاب و یا تیر عرضی انتهایی مجاور را دهانه پوسته می‌نامند.

عرض وتر قوس، تصویر افقی قوس پوسته به عرض وتر قوس موسوم است.

خیز، فاصله قایم بین راس منحنی و پا طاق آن را خیز می‌گویند.

قاب‌ها یا تیر‌های عرضی انتهایی، قاب‌هایی هستند که به منظور نگهداری و حفظ شکل هندسی پوسته در دو انتهای آن در نظر گرفته شده‌اند.

تیر لبه، تیر افقی که بر روی ستون‌ها قرار گرفته و لبه‌های طولی پوسته را نگه می‌دارد.

طبقه بندی پوسته‌ها

پوسته‌ها را به طور کلی به دو گروه اصلی به شرح زیر طبقه بندی می‌کنند.

پوسته‌های دارای انحنای یک طرفه که قابل گسترش هستند.

پوسته‌های دارای انحنای دو طرفه که قابل گسترش نیستند.

پوسته‌های مخروطی و استوانه‌ای جز پوسته‌های با انحنای یک طرفه هستند. گنبد‌های مستدیر، سهموی، بیضوی، سهموی هذلولی گون ‌و سهموی بیضی گون را می‌توان به عنوان مثال‌های مرسوم پوسته‌های با انحنای دوطرفه بر شمرد.

پوسته‌ها را عموماً به سه رده به صورت زیر نیز تقسیم بندی می‌‌کنند.

پوسته‌های دورانی

پوسته‌های انتقالی

سطوح خطی

پوسته‌ها را همچنین می‌توان به پوسته‌های نازک و ضخیم تقسیم بندی نمود. اگر نسبت شعاع به ضخامت پوسته بزرگتر از ٢٠ باشد آن را می‌توان به عنوان پوسته نازک در نظر گرفت. در حالت کلی بیشتر پوسته‌هایی را که در عمل مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌توان در رده پوسته‌های نازک جای داد.
‌پوسته‌های استوانه‌ای نازک در حالت کلی به دو گروه زیر تقسیم بندی می‌شوند‌.

پوسته‌های بلند

پوسته‌های کوتاه

مشخصات عمومی پوسته‌ها

ضخامت

ضخامت کل یک پوسته بتن آرمه نباید در پوسته‌های دارای ‌انحنای یک طرفه کمتر از ۵٠ میلی متر، در پوسته‌های دارای انحنای دو طرفه کمتر‌ از ۴٠ میلیمتر و در پوسته‌های پیش ساخته کمتر از ٢۵ میلیمتر است. با توجه به ملا‌حضات اجرایی ضخامت اکثر پوسته‌ها را عموماً بین ٨٠تا ١٢٠ میلیمتر در نظر می‌گیرند.

دهانه و عرض وتر قوس

به منظور آن که ابعاد تیرهای لبه و آرماتور‌بندی آن در محدوده قابل اجرا قرار داشته باشد، دهانه پوسته‌های بتن آرمه نباید بیشتر از ٣٠ متر باشد. برای دهانه‌های بزرگتر می‌توان از تیرهای لبه پیش تنیده استفاده نمود. عرض عضو لبه به ٢ تا ٣ برابر ضخامت پوسته محدود می‌شود. در پوسته‌هایی که عرض وتر قوس آن‌ها از دهانه‌شان بزرگتر است ترجیح می‌باید عرض وتر قوس ٣ تا ۶ برابر قوس باشد.

نیم زاویه مرکزی (نصف زاویه مرکزی)، نیم زاویه مرکزی باید بین ٣٠ تا ‌۴۵ درجه باشد. اگر این زاویه از ۴۵ درجه کمتر باشد، می‌توان از تاثیر بار باد چشم پوشی کرد. برای زوایای بزرگتر با شیب تند ممکن است در قالب بندی به قالب پشت گیر نیاز داشته باشید.

آرماتور گذاری پوسته‌

در پوسته‌های با ضخامت ۵٠ میلی متر قطر میلگرد‌ها نباید از ١٠ میلیمتر بیشتر باشد. این قطر در پوسته‌های با ضخامت ۶۵ میلی متر نباید از ١٢٢ میلیمتر و در پوسته‌های دارای ضخامت بیش از ۶۵ میلی متر نباید از ١۶ میلیمتر بیشتر باشد. در نواحی اتصال یعنی در جاهایی که ضخامت پوسته بیشتر می‌شود، استفاده از میلگردهای با قطر بیشتر مجاز است. فاصله بین میلگردها نباید از ۵ برابر ضخامت پوسته بیشتر باشد. پوشش بتن روی میلگرد ‌باید حداقل برابر ١٢ میلی متر و یا برابر بعد اسمی آرماتور باشد. ‌به طور کلی در سازه‌های پوسته‌ای، پوسته نازک حداقل آرماتور به میزان ۰/۱۵ ‌درصد سطح مقطع ناخالص در جهت اصلی توصیه می‌شود.

تعبیه درز در پوسته‌ها‌

در پوسته‌هایی که طول آن‌ها از ۴٠ متر تجاوز کند، تعبیه در‌زهای انبساط ضروری است. در امتداد طول‌های خمیده پوسته یعنی در جاهایی که نیروی برش حداقل باشند، درزهای اجرایی در نظر گرفته می‌شوند.

قبل از برداشتن داربست پوسته‌ها ‌باید آن‌ها را حداقل به مدت ٢ هفته به خوبی به عمل آورد. تیر‌ها و دیافراگم‌های انتهایی نیز‌ باید بین ٣ تا ۴ هفته به خوبی مراقبت شده و پس از آن اقدام به برداشتن قالب‌ها و داربست‌های آن‌ها شود.

تحلیل پوسته‌ها‌

تئوری غشایی

تئوری تیر

تئوری غشایی‌

تئوری غشایی که به وسیله دیشینگر فرمول بندی شده است مبتنی بر این فرضیه است که پوسته دارای ابعاد نا‌محدود بوده و به صورت یک غشای کاملاً انعطاف پذیر عمل می‌کند. فقط نیروهای مستقیم (‌نیروهای محوری‌) درون صفحه‌اش را انتقال می‌دهد. اگر یک منطقه محدود با فاصله کافی نسبت به مرزهای پوسته را در نظر بگیرید، توزیع تنش‌ها در دال پوسته به طور استاتیکی معین بوده و می‌توان آن‌ها را به وسیله تئوری غشایی پیدا کرد. این روش را در پوسته‌‌هایی که نسبت دهانه به شعاع آن‌ها کمتر از ۰/۵ ‌میلیمتر است، به کار می‌رود.

تئوری تیر

در تئوری تیر که به وسیله ‌لوندگرن‌ تحلیل شد، پوسته به عنوان یک تیر، تحلیل می‌شود. این تیر دارای سطح مقطع منحنی بوده و دهانه بین قاب‌ها یا
تیرهای عرضی انتهایی را می‌پوشاند.‌ در پوسته‌های بلند مولفه‌های طولی نیرو غالب بوده و بنابراین تحلیل آنها با استفاده از تئوری تیر ایده آل و‌ مناسب است.