خرپا مجموعه اي مثلثي شكل است كه بارها را به وسيلة تركيبي مثلثي شكل از اعضا با اتصال مفصلي به تكيه گاه ها منتقل مي كند. در اعضاي خرپا فقط فشار و كشش ( نه برش و خمش) ايجاد مي شود و تمامي نيروهاي رانشي به صورت داخلي در آن خنثي مي گردد. در عمل، ممكن است تنش خمشي در بين اتصالات به ميزان كمي در اثر اصطكاك آنها و بارهاي وارده و پخش شده در اعضا بوجود آيد: اين نيروها معمولاً با نيروي محوري يكجا در نظر گرفته شده و در عمل در تحليل ها ناديده گرفته مي شوند.

واحد هندسي اصلي خرپا مثلث است. مثلثث شكل ثابتي است كه فرم آن بدون تغيير طول اضلاع حتي با اتصالات مفصلي نيز تغيير نمي كند. اتصالات در بقية چند ضلعي ها (مانند مستطيل) غير پايدار هستند (تصوير ب – 1 – 4 ).

اگر كابلي بين دو نقطه كشيده شده باشد، نيروي افقي به وسيلة تكيه گاه ها (كه ثابت شده اند، تصوير الف-1-4) خنثي مي شود. اگر وضعيت به گونه اي تغيير كند كه يكي از تكيه گاه ها مفصلي و تكيه گاه ديگر غلتكي شوند، سيستم غيرپايدار مي گردد زيرا هر دو تكيه گاه مي توانند عكس العمل نيروي عمودي را تحمل نمايند ولي تكيه گاه غلتكي به وسيله نيروي افقي كابل به سمت مركز كشيده خواهد شد. اين مجموعه به عنوان يك خر پاي ساده با هندسه مثلثي و داراي اتصالات گيردار و مقاومت دروني عمل مي كند (تصوير ج-1-4).

اگر مجموعة خرپايي كه در تصوير ج-1-4 نشان داده شده است معكوس گردد، نيروهاي كششي و فشاري نيز معكوس خواهند گرديد. تصوير 2-4 سير تكامليي خرپاهاي پيچيده تري را نشان مي دهد. توجه كنيد كه در حالت واحد اصلي هندسي به شكل مثلث باقي مي ماند.

اعضاي بالا و پايين خرپا به ترتيب ميلة فوقاني و تحتاني خرپا ناميده مي شوند. تمامي اعضاي بين ميله هاي فوقاني و تحتاني اعضا جان خرپا هستند. در خرپاهاي مسطح تمامي اعضا در يك سطح قرار دارند،

در حالي كه خرپاهاي فضايي در سه بعد، اين اعضا را دارند. در هر دو نوع خرپاي ذكر ششده دهانه ها در يك جهت قرار گرفته اند (خصوصيات دهانه هاي غير هم جهت در بخش 5 به عنوان قاب هاي فضايي تحت يك سيستم مستقل مورد مطالعه قرار مي گيرند).

انواع خرپا

شكل محيطي اكثر خرپاهاي فضايي مثلث و مستطيل قوسي شكل (انحنا رو به بالا يا پايين) يا كوژ (با انحنا به سمت بالا و پايين) مي باششد. اين اشكال محيطي به مثلث هاي كوچكتر تقسيم مي شوند. تمامي اعضاي كششي و فشاري به وسيلة اتصالات مفصلي (مانند لولاي اجرا شده با پيچ) به يكديگر متصل مي باشند (نگاه كنيد به تصاوير 3-3 تا 10-4).

مطالعات موردي خرپا

مركز فرهنگي ژرژ پوميدو Centre George Pompidou

هدف ما قرار دادن سازه در بيرون ساختمان براي رسيدن به بيشترين انعطاف پذيري در فضاهاي ساختمان مي باشد، اگر چه ظاهراً به نظر مي رسد در اين حالت سازه عمر كوتاه تري نسبت به ساختمان دارد.

«ريچارد راجرز- در مركز فرهنگي ژرژ پوميدو»

به دليل نقش اين ساختمان به عنوان يك مركز ملي هنري، مركز فرهنگي ژرژ پوميدو (1977: پاريس، مهندس معمار: پيانو و راجرز، مهندس سازه: اوو آروپ و همكاران) حتي قبل از اتمام كار نيز به عنوان يك ماشين غير قابل انعطاف با اصول زيبايي شناسي مورد بحث قرار گرفت. تضادي مابين ساختماني جديد با منطقه اي تاريخي كه درون آن قرار گرفته است.

هدف طراحان اين ساختمان، ايجاد بنايي «بدون ساخت» بوده است كه براي رسيدن به آن پرده اي شفاف در پشت سازه قرار داده شد كه مي توان فعاليت هاي مختلف و نمايشگاه ها را با حفظخصوصيات هر يك در آن برگزار كرد. اين ساختمان طرحي ابتكاري در سازه و جزئيات اجرايي دراد. حجم مكعب مستطيل شكل آن طولي برابر 551 فوت (168 متر) داشته و براي توسعة آينده و گسترش از بخش انتهايي آن نيز تدابيري صورت گرفته است. داكت هاي عمودي و ساير خدمات مكانيكي در نماي خيابان شرقي قرار گرفته و با رنگهاي روشن رنگ آميزي شده اند.

به علت اينكه پوشش فلزي ديوارها در پشت سازه نمايان آن قرار گرفته است، سيركولاسيون داخلي و خدمات مكانيكي، نمود بسيار كمي در نماي نهايي ساختمان دارند. (اورتون Orton، 1988، ساندكرواگن Sandker and Eggen، 1992) (تصاوير 11-4 و 12-4).

آنچه كه به ساختار بصري ساختمان اهميت مي بخشد و بافت نما، مقياس و جزئيات بصري را تعيين مي كند، قاب خرپايي سازة اصلي آن است كه بر روي سه عضو ديگر اثر مي گذارد. اتصالات گير دار به طور گسترده اي جهت ايجاد تأثير بصري مطلوب و پاسخي به بارگذاري مناسب مقياس بزرگ و حركت در اثر دما مورد استفاده قرار مي گيرند.

ساختمان از كل اجزاي سازه شامل اعضاء اتصالات و اسكلت حجيم فولادي كه تيرهايي از آن به وسيلة قلاب هايي آويزان است، استفاده مي كند، در نتيجه به سازه و كل ساختمان انرژي و پويايي مي بخشد. بخشي از سازه كه در بالاي زمين قرار گرفته متشكل از 14 قاب دو بعدي با دهانه هاي 157 فوتي (48 متر) و يك بخش الحاقي 25 فوتي (6/7 متر) در هر طرف (براي حركت افراد روي قسمت غربي و بخش خدمات مكانيكي در بخش شرقي) مي باشد. اين قاب ها شش طبقه بوده و ارتفاع هر طبقه برابر 23 فوت (7 متر) مي باشد. قاب ها به وسيله دال هاي كف به يكديگر متصل مي شوند و با استفاده از ميله هاي فولادي متقاطع در برابر نيروهاي جانبي مهاربندي مي شوند. قطر ستون هاي اصلي 34 اينچ (850 ميليمتر) بوده كه به عنوان پايه هاي اصلي و ستون هاي لوله اي شكل فولادي با ضخامت زياد كه براي محافظت در برابر آتش سوزي با آب پر شده اند،‌عمل مي نمايند. اين ستون ها با اتصالات قاب فولادي با ضخامت زياد كه براي محافظت در برابر آتش سوزي با آب پر شده اند، عمل مي نمايند. اين ستون ها با اتصالات قاب فولادي اصلي داراي اتصال گيردار مي باشند.

قلاب ها در بخش بيروني انتهاي محور اصلي به وسيلة يك ميلة عمودي 8 اينچي (200 ميليمتر) نگاه داشته مي شوند كه گوشه هاي داخلي خرپاي اصلي را نگاه مي دارد. هر يك از دهانه هاي خر پا، طولي برابر 147 فوت(8/44 متر) و ارتفاعي برابر 3/9 فوت (82/2 متر) دارند. ميلة فوقاني خرپا مضاعف بوده و قطر آن 16 اينچ (419 ميليمتر) و قطر ميلة تحتاني 9 اينچ (225 ميليمتر) مي باشد، لوله هايي به صورت تكي(فشار) يا توپر (كشش) اعضاي فشاري را به صورت متناوب كامل مي كنند، تمام اتصالات آنها به قالب فولادي و اعضاي متصل به آن به صورت جوش مي باشد.

تالار گاند Gund Hall

تالار گاند (1972: كمبريج، ماساچوست، مهندس معمار: جان اندروز) فارغ التحصيلان مدرسه طراحي هاروارد را با برنامه هايي در معماري، طراحي فضاي سبز و طراحي شهري در خود جاي مي دهد. مفهوم طراحي، فضايي وسيع در يك كارگاه كه ارتباطي بهتر بين دانشجويان رشته هاي مختلف را فراهم مي سازد.

اندروز چنين توضيح مي دهد: يك كارگاه بزرگ با فضاهايي كوچكتر كه براي فعاليتهاي بخصوصي به هم پيوسته اند. براي ايجاد فضاي لازم مورد نياز، كارگاه ها شبيه سيني هايي روي هم رديف گشته و به وسيلة يك سطح شيب دار پوشيده شده اند. (تيلور و اندروز Taylor and ANDREWS، 1982).

هدف طراح از سيستم هاي مكانيكي و سازة بام به عنوان ابزار آ‚وزش بوده است ( تصاوير 13-4 تا 15 –4). عدد خرپاي مسطح كه در مركز، فضايي برابر 24 فوت (3/7 متر) را اضغال كرده اند، دهانه اي برابر 134 فوت (41 متر و ارتفاعي برابر 11 فوت (4/3 متر) دارند.

قطر ميلة فوقاني خرپا 12 اينچ ( 300 ميليمتر) و داراي ميلة تحتاني باريك تر و اعضا جان مي باشد. خرپا به وسيلة يك اتصال گير دار در بالا و يك اتصال ساده در پايين ( امكان حركت در اثر انبساط حرارتي و ديييگر حركات ضمني ) نگاه داششته مي شود. اعضاي لوله اي شكل براي امكان ساخت ساده تر( در مقايسه با اعضا بال شهن) و سهولت كاربري انتخاب شدند. روي لوله ها با يك لايه رنگ ضد آتش به ضخامت 125/0 اينچ (3 ميليمتر) پوشانده شده است. مقاومت جانبي به وسيله گره هاي متقاطع در هر دو انتهاي دهانه فراهم شده است.

ميلة فوقاني خر پا از درون سقفي كه براي استفاده از نور روز در نماي غربي به صورت پله اي طراحي شده عبور مي كند. چنين نورهايي از شيشه هاي پلاستيكي شفاف و تقويت شده عبور مي نمايند و در زير سقف اعضاي خرپا نمايان هستند. ] در انتخاب بام پله اي نماي غربي، طراح بيشتر جنبه فرمال آن را مد نظر داشته است تا جنبه هاي تكنيكي. انرژي گرمايي به دست آمده از طريق شيشه هاي بدون سايه بيش از اندازه مورد نياز است و سيستم گرمايش و سرمايش تهويه مطبوع (HVAC) به عنوان طراحي اصلي مكانيكي جهت ايجاد آسايش در نظر گرفته شده است [.

مركز سنزبري Sainsbury Center

عملكرد اصلي اين ساختمان (1978 : نورويچ، انگلستان، معمار: فوستر و همكاران، مهندس سازه: هانت و همكاران) ببه عنوان گالري هنري بوده است ولي بك سوم ساختمان براي كي مدرسة هنري، اتاق چند منظوره و يك رستوران استفاده مي شود ( تصاوير 16-4 تا 18-4). فرم ساختمان به صورت يك مكعب ساده با دو وجه كاملاً شفاف است. اين بخش ها با جزئيات بسيار دقيق به منظور حفظ سادگي فرم و سطح در نظر گرفته شده اند. نور روز تحت كنترل بوده و با پنجره هاي كركره اي پخش مي شود. به علت وسعت زياد ساختمان كه مربوط به كيفيت بالاي آن به عنوان يك شي مي گردد، طراحي بسيار مهم است. اجزاي ساختمان به صورت پيش ساخته با دقت زياد براي ايجاد نماي مناسب، بخصوص خرپاهاي فضايي و تطبيق با ستون هاي خرپايي، طراحي شده اند (اورتون، 1988).

سازة ساختمان بر اساس 37 عدد خرپا ( در مقطع به شكل مستطيل) در طول 431 فوتي (4/131 متر) ساختمان با دهانه هاي 113 فوتي (4/34متر)شمل گرفته است. هر خرپا 2/8 فوت (5/2 متر) ارتفاع و 9/5 فوت (8/1 متر) عرض دارد. هر يك با اتصال گيردار در بالاي هر ستون خرپايي كه از زمين طره شده اند، متصل هستند. (خرپاهايي كه در قسمت انتهاي ديوارهاي شفاف قرار دارند سخت كننده هاي اضافي براي جلوگيري از ريزش تقسيمات شيشه دارند، اتصالات گير دار به پايين خرپا براي ايجاد رفتار قاب صلب با ستون ها و خرپا اضافه شده اند). روكش فلزي نهايي، تركيبي از آلومينيم توپر، مشبك و عايق يا پانل هاي شفاف كه به يك شبكة مدولار با درزبندهاي نئوپرن به ابعاد 9/5 * 9/3 فوت (8/1 * 2/1 متر) متصل شده اند، مي باشد.