رفتار پارچه در سازه چادری ( بخش اول )

رفتار پارچه های روکش شده

درمعماری سازه چادری ، ساخت سازهای سبک با دهانه های بزرگ باید به این نکات توجه داشت که عناصر باربری خطی مانند کابلهای سیمی و تسمه ها  و مخصوصاً تمام صفحات منسوج مورد استفاده در این سازه های پارچه ای ،فقط عملکرد سازه ای ندارند بلکه آنها تحت تاثیر عواملی جدای از بارهای وارده همچون گذشت زمان ،طبیعت ،آب و هوا وجو قرار دارند که باید توان مقابله در برابر آنها را نیز داشته باشند.این مواد باید در مقابل شرایط جوی محافظت شده ،در مقابل تاثیرات شیمیایی و بیولوژیکی مقاومت کرده و در مقابل آتش نیز غیر قابل اشتغال باشند.در ضمن لازم است تا آزمایشات و اندازه گیریهای گوناگونی بر روی محصول تولیدی انجام شود تا از مقاومت کافی آن در مقابل تاثیرات مستقل از بار یا load independent effects می نامند.

1-خصوصیات مکانیکی

مهمترین عوامل تاثیرگذار بر روی خاصییت تغییر شکل پذیری سازه چادري روکش شده تحت بارگذار ی عبارتند از:رفتار مکانیکی این مواد در حین بارگذاری،زمان و دما.از آنجائیکه پارچه های روکش دار یک ساختار کامپوزیتی پلاستیکی دارند و برای  منظور و مصارف خاصی ساخته شده اند ،به راحتی نمی توان رفتار مکانیکی آنها را با رفتار  مکانیکی سایر مصالح متداول مقایسه نمود.نخهای پارچه وپوشش روی آن استحکام متفاوتی دارند(هر کدام به عنوان عنصری جداگانه دارای استحکامی متفاوت هستند)و تحت تاثیر تنشهای مختلفی که در نتیجه تغییر شکل های گوناگون ایجاد می شود،قرار می گیرند و همه این عناصر در کنار یکدیگریک سیستم استاتیکی نامعین را شکل می دهند.

در سازه های سنتی (با مصالح سخت و محکم متداول )،هر یک از عناصر باربر طوری طراحی می شوند تا تاب تحمل کافی در نقاطی که دارای بارهای نامساعد هستند را دارا باشند،ولی در اکثر اوقات علت مشکلات عملی بوجود آمده در حین تولید،مجبور هستیم تا این عناصر را در کل طولشان با مقطع و استحکامی یکسان تولید نمائیم ،اگر چه نیروهای وارده در تمام طول قطعه بحرانی نیست.اگر مقاومت خمشی قطعات خیلی پائین باشد ،این امر منجر به ایجاد خیزهای بیش از حد در سازه خواهد شد و ترکها و نقص های زیادی را بوجود خواهد آورد .لذا به منظور رعایت نکات ایمنی ،طراحی ها باید به گونه انجام می شود تا در اثر بار گذاری ،سازه پارچه اي مورد نظر تنها دچار خیزهای بسیار جزئی شده و بدین طریق  از آسیب های جدی مصون بماند.

از آنجائیکه نیروی وارده در سازه های پارچه ای که تحت کشش قرار دارند به صورت محوری انتقال پیدا می کند،امکان آن وجود دارد تا از موادی کارآمد تر بهره گرفته و سازه های چادری سبک وزن ساخت که، توانایی وتحمل  انتقال نیرو را داشته باشند.در چنین سازه هایی  بهتر است تا عناصر باربر تحت بارهای وارده تا حدی از خود انعطاف پذیری نشان دهند.از دیدگاه سازه ای ،این نوع سازه ها طوری طراحی شده اند که تحت بار گذاری کمتر قرار گرفته و بر آن اساس تغییر شکلها وخیز ها ی بوجود آمده نیز در حد قابل قبول  باشد.تغییر شکل در این اعضای انعطاف پذیر باعث خواهد شد تا حد تنش ماکزیمم در این نوع  مواد انعطاف پذیر تعدیل پیدا کند.هرچه انعطاف پذیری مواد بیشتر باشد ،انتظار می رود تا تغییر شکل های کلی سیستم  تحت شرایط خاص کمتر باشد.

در مقایسه با مواد سنتی و متداول ،پلاستیکهای مصنوعی  رفتار الاستیک بسیار بهتری از خود نشان می دهند،حال آنکه مواد ساختمانی متداول (بجز چند استثناء)،یک رابط تقریباًالاستیک را بین تنش و کرنش از خود به نمایش می گذارند.

به خاطر ترکیبات شیمیایی وساختار فیزیکی پلیمرها،تغییر شکل ایجاد شده در اثر بارگذاری سازه پارچه ای بسته به محدوده درجه حرارت اعمالی ،تا حدی خاصیت الاستیک (برگشت پذیری)و تا حدی خاصیت ویسکوز _پلاستیک(برگشت ناپذیر)از خود نشان می دهد.این بدان خاطر است که خصوصیات مکانیکی مهم در اینگونه مواد تنها به نوع بارگذاری و دما بستگی نداشته و بیش از هر چیز دیگری به مدت بارگذاری وسرعت بارگذاری وابسته است.اینگونه رفتارها که در اثر بارگذاریهای مکانیکی  و در طول زمان در مکان رخ می دهند(مثل خزش وریلکسیشن)،در پارچه های پلاستیکی بیش از سایر مواد قابل روئیت می باشند.در نتیجه می توان گفت هر توصیفی از خصوصیات مواد و مقدار آنها باید در برگیرنده مقیاس زمان نیز باشد چون مدت زمان بارگذاری از عوامل اصلی در ایجاد این خصوصیات در رفتار مواد به شمار می رود.

دانستن این حقیقت که تغییر شکل های ایجاد شده در پارچه ها به طرز  قرار گیری و آرایش یافتگی عناصر تشکیل دهنده پارچه بستگی دارد اهمیت زیادی داشته و تأثیر بسزایی بر روی رفتار پارچه بارگذاری شده ایفا خواهد نمود.البته شایان ذکر است که آرایش یافتگی وطرز قرار گیری نیز به جهت نیروهای طولی ،عرضی و قطری ،نسبت به جهت قرار گیری الیاف بستگی خواهد داشت.

اثر متقابل تمام این خصوصیات و رفتار مواد بر یکدیگر و اثرات دیگری همچون تاثیرات وابسته به دما و رفتار مربوط به گسترش پارگی ;فراتر از وسعت خصوصیات است که برای مصالح سنتی در نظر گرفته می شود.تمام خصوصیات سازه غشایی مربوط به پوسته های پارچه ای و تأثیرات وابسته به درجه حرارت یا گسترش پارگی وگسیختگی را می توان با گرفتن نمونه های از این پوسته ها مورد بررسی قرار داد .در حقیقت در حین استفاده از پوسته های پارچه ای درخواست می شودتا آنالیزهای سازه ای و هندسی کاملی را در قالب تستهای  تک محوری یا دو محوری و به صورت تستهای کوتاه مدت و دراز مدت بر روی نمونه ها انجام دهند.

مهمترین ویژگیهای یک ماده که برای توصیف خصوصیات فیزیکی و هندسی وانعطاف پذیری سازه ای آن تحت بارگذاری مکانیکی مورداستفاده قرار می گیرند عبارتند از:رفتار الاستیسیته،استحکام و سختی ،تمایل به گسترش  گسیختگی (پارگی)،مقاومت در برابر تاب (پیچ خوردگی )،خیزوریلکسیشن.

پارچه پلی استر پوشیده شده باpvc نسبت به سایر منسوجات از تولید بیشتری برخوردار می باشد.بنابراین از آنجا ئیکه این نوع ماده مصرف بیشتری در ساختمان دارد(نسبت به سایر مواد مشابه خود)،در این بخش سعی داریم تا فقط به بررسی بارگذاری ،زمان،دما و عوامل وابسته به خصوصیات مکانیکی مواد انعطاف پذیر در گروه پوسته های پلی استر با روکش pvc بپردازیم.

1-1-رفتار الاستیسیته

رفتار غیر خطی و غیر الاستیک پارچه ها

اصولاً می توان رفتار تغییر شکل در یک پارچه مصنوعی را غیر خطی دانست زیرا نمی توان این رفتار را با استفاده از قانون هوک تشریح نمود.از اینرو هیچ رابطه خطی بین میزان  نیروی اعمال شده به پارچه و کرنش ایجاده شده در آن وجود ندارد.این موضوع  را می توان با استفاده از یک تست کششی تک محوری به وضوح درک کرد.البته  می توان رفتار پارچه در سازه چادري را، با استفاده از معادلات ریاضی غیر خطی توصیف نمود.

اگر یک تست محوری بر روی یک نوار پارچه (نمونه )انجام گیرد،تصدیق می شود که با افزایش اعمال نیرو مقاومت ماده در برابر تغییر شکل افزایش می یابد و منحنی ریلکسیشن  با منحنی بارگذاری متفاوت خواهد بود.حال اگر این تست را دوباره تکرار کنیم. متوجه خواهیم شد که منحنی بارگذاری و بار برداری  جدید با تمام نمودارهای بارگذاری و بار برداری قبلی متفاوت می باشد.علاوه بر این ،بعد از بارگذاری و باربرداری ،کرنشهایی به صورت پایدار در ماده باقی می مانند که میزان این کرنشهایی به صورت پایدار در ماده باقی می مانند که میزان این کرنش ها به مدت بارگذری بستگی خواهد داشت .بنابراین رفتار پارچه به مقدار ،سرعت ،زمان و تعداد سیکلهای بارگذاری بستگی دارد .البته با افزایش مدت زمان بارگذاری یا میزان بارگذاری ،مقاومت پارچه در برابر تغییر شکل افزایش می یابد.

در حین اعمال تنش کششی به پارچه ،می توان مدت زمان دقیقی را که این تنش باعث بوجود آمدن کرنش می شودرا مشاهده ،اندازه گیری و ثبت نمود.اگر تنشی به یک سازه پارچه ای وارد شود و در نتیجه این تنش یک کرنش آنی و ناگهانی (بدون وقفه زمانی) در پارچه بوجود آمد(البته نوع این کرنش دائمی نیست)،در این صورت این رفتار پارچه را رفتار غیر الاستیک یا inelastic می نامند. حال اگر مولفه های تغییر شکل الاستیک و غیر الاستیک خالص با یک مولفه پلاستیک (برگشت ناپذیر )همراه شوند در این صورت این رفتار راتغییر شکل ویسکوالاستیک(visco-elastic)می نامند.بدین معنی که در تغیی شکل ویسکوالاستیک،مقداری از تغییر شکل برگشت پذیر  و بخشی از آن برگشت ناپذیر خواهد بود.

رفتار ناهمسانگرد یا anisotropic

اگر با تغییر راستای نمونه مورد آزمایش نسبت به یک سیستم مختصات ،نتایج مکانیکی متفاوتی در جریان تست بدست بیاید،این حالت را خصوصیت مکانیکی آنیزوتروپیک گویند.

پارچه خام ساختار قرینه ای دارد و از نخهای به هم بافته شده ای تشکیل شده که به صورت تقریباً عمود بر هم قرار گرفته اند.به علت این ساختار ،خصوصیات مکانیکی پارچه در یک جهت نسبت به جهات دیگر سیستم مختصات برتری خواهد داشت و رفتار مواد آنها آنیزتروپیک قائمه(orthogonally  anisotropic)یا اورتوتروپیک(orthotropic)نامیده می شود.روابط بین  تنش و کرنش بسته به جهت اعمال نیرو به جهت اصلی نمونه پارچه ای متفاوت خواهد بود.

تاثیر هندسه نخ بر روی رفتارکرنشی

بواسطه فرایند بافت،ساختار پارچه ای دارای نخهایی است که با فرو موج درون پارچه قرار گرفته اند.نخهای تار وپود دارای انحنا و فروموج هستند که این انحنا به نوع بافت ،بافندگی و فرایند  روکش دار کردن پارچه وابسته است.اگر یک نیروی کششی بر چنین پارچه ای اعمال شود،جایجایی هایی که در ساختار پارچه رخ خواهد داد باعث تغییر در شکل منحنی نخها و باز شدن موج آنها خواهد شد(البته تا حدی )و این امر اعث خواهد شد تا پارچه باز شده وفضای بیشتری را اشغال کند،که این عمل اصطلاحاً کرنش ساختاری (constructional strain) می نامند .به همین دلیل وقتی که پارچه روکش شده درسازه پارچه ای تحت کشش قرار بگیرد،کرنش به وجود آمده در پارچه تحت تاثیر خصوصیات کرنشی نخ بکار رفته در پارچه (که در بالا به آن اشاره شد)وهمچنین کرنشهای ناشی از موقعیت قرار گیری هندسی نخ در کامپوزیت قرار خواهد داشت .در ضمن ،خصوصیات کرنشی مواد پوششی (coating  material)بکار رفته نیز بر روی کرنش نهایی نخ تاثیر گذار خواهدبود.

مدل سازه ای ارائه شده توسط Blum خاصیت تکرار شونده و پریودیک شکل هندسی نخ را درون پارچه و در شرایط عادی و بدون تغییر شکل نشان می دهد. برای تشریح و محاسبه معادلات و توابع پارچه ،مدل ارائه شده به یک سری واحدهای مجزا که اصطلاحاًunit  cell  نامیده می شوند  تقسیم بندی می شود.

به خاطر فرایند بافت در کارخانه ،نخهای تار موجود در پارچه های معمولی که به عنوان منسوجات معماری مورد استفاده قرار می گیرند،دارای فرو موج و انحنای کمتری نسبت به نخهای پود هستنداختلاف هندسی موجود بین نخهای تار وپود باعث می شوند تا نخهایی که موج کمتری دارند (تارها )تحت نیروی کششی اعمالی ،میزان انحنای کمتری از نخهایی پیدا کنند که از اول موج بیشتر داشته اند(پودها).منظور از این جمله این است که نخهای تار به علت داشتن فر و موج کمتر وقتی که  تحت کشش قرار می گیرند تغییرات کمتری در موج آنها اعمال خواهد شد.در حقیقت همین انحنای بسیار زیاد نخهای پود دلیل اصلی کمتر بودن استحکام کرنشی پارچه در جهت پود می باشد.در جهت محور پارچه (جهت تار )موادی دارای مقاومت کششی بیشتری از جهت پود هستند،بنابرین در هنگام اعمال کشش و بارگذاریها ،جهت تار که سفت تر بوده و استحکام بیشتری نیز دارد،کمتر از جهت پود کش خواهد آمد.

اثر متقابل جهات مختلف پارچه بر هم

با تمام توضیحاتی که در قسمت های قبل داده شد،اگر این چنین پارچه ناهمسانگری(anisotropic)در جهت پود که ضعیف تر است دچار کرنش شود،در نتیجه این کرنش ،نخهای پود کشیده می شود و پارچه در جهت پود دچار ازدیاد طول می شود.

به خاطر عکس العملهایی که نخهای تار وپود در نقاط برخورد و در طول نخ بر هم اعمال می کنند،میزان انحنا و خمیدگی نخ تار  با کشیده شدن پارچه در جهت پود تغییر خواهد کرد و باعث بوجود آمدن انحنا در نخهای تار خواهد شد.این انحنای اضافی بوجود آمده در نخهای تار باعث کوتاه شدن (انقباض)پارچه در جهت تار خواهد شد.

حال اگر جهت تار در سازه های غشایی تحت کشش باشد ،با اعمال کشش در جهت پود ،نخ تار در مقابل این کشش از خود مقاومت نشان می دهد .این امر نشان می دهدکه تغییر در انحنای نخ موجود در پارچه فقط به میزان بار وارده بستگی ندارد بلکه به روابط بین نیرروهای موجود بین تارو پود نیز بستگی خواهد داشت.با اعمال یک نیروی کشش،هر جسم الاستیکی افزایش طول پیدا خواهد کرد.این افزایش طول باعث ایجاد انقباض در جهت عمود بر راستای اعمال نیروی کششی خواهد داشت که به این امر کرنش عرضی(transverse  strain) یا انقباض عرضی (transverse  contraction)می گویند.

کرنشهای عرضی ،نسبت به کرنشهای طولی تاثیر بیشتری بر روی پارچه خواهد داشت .هنگامی که یک تنش کششی (F)Ơ به پارچه اعمال شود،علاوه بر ایجاد کرنش اولیه ε₁(در جهت اعمال کشش)،منجر به ایجاد یک جمع شدگی در جهت عمود بر راستای اعمال تنش خواهد شد.که ε₂نامیده می شود.رابط بین کرنش محوری و عرضی ایجاد شده در پارچه ،نسبتی بین ε₁و ε₂خواهد داشت که یه ضریب پواسون(µ) معروف است.

در مصالح متداول مصرفی در ساختمان ،انقباض عرضی بسته به تنش اولیه ومدول الاستیسیته مواد ثابت است.اما در سازه های پارچه های ضریب پواسون ثابت نیست بلکه به میزان بار وارده بستگی داشته و معمولاً از طریق آزمایش های عملی تنش بر روی هر دو جهت اصلی پارچه تعیین می شود.میزان انقباض عرضی نیز بر اساس نحوه آرایش و قرار گیری نخ در پارچه ومدول یانگ(young s moduli )تعیین می شود.اختلاف استحکام و سختی موجود بین نخهای تار و پوددر این مورد منجر به ایجاد جمع شدگیهای مختلف خواهد شد.در پارچه ها با خصوصیات کرنشی متفاوت،تأثیر متقابل نخهایی که در جهات مختلف قرار دارند ،می تواند حتی منجر به ایجاد شرایطی شود که در اثر اعمال نیروهای شدید در جهت پود ،جهت تار دچار کرنش منفی(negativ  strain)شود.علاوه بر این ،انقباض عرضی را می توان بر اساس نوع جزئیات دیتیل لبه سطح پوسته نیز تعیین نمود .به منظور نگهداشتن پارچه در طول لبه های آن ،نیروهای مخالف وارده از طریق لبه به پارچه ،باید مانع از ایجاد کرنش عرضی شده و یا حتی الامکان  این کرنش را محدود سازد.

این امر می تواند در طول هر دو نوع لبه انعطاف پذیر ویا صلب سازه چادري به وقوع بپیوندد.در هر دوی این موارد،انقباض عرضی باعث اعمال نیروهای عرضی به لبه های پوسته خواهد شد.روابط میان تنشهای موضعی موجود در بین جهت های تار وپود،میزان تنش و میزان انعطاف پذیری وانقباض عرضی را تعیین خواهد کرد .در حین طراحی سازه پارچه ای دانستن این مطلب که عملکرد نیرو در یکی ازجهات پارچه به چه میزان بر روی نیروها و کرنشها  در سمت دیگر پارچه تاثیر می گذارد بسیار مهم می باشد.میزان و نحوه تاثیر انقباض عرضی بر روی عملکرد تار و پود بر یکدیگر را می توان از طریق تستهای دو محوری تعیین نمود.

انطباق تمام این کنشها و اثرات متقابلی که نخ ها در دو جهت پارچه  بر یکدیگر اعمال می کنند و همچنین تغییر شکل های برگشت ناپذیر در آنها ،باعث بوجود آمدن رفتار بسیار پیچیده ای در پارچه شده است که باید با استفاده از مدل های ریاضی مورد مطالعه و بررسی قرار گیرد و به همین خاطر و با توجه به نوع کاربرد در سازه هاي پارچه اي ،برای طراحی آنها به شاخص های بسیار دقیقی نیاز خواهیم داشت.