اصفهان،شهرسازه هاي سنتي(2)

آناليزسازه ايِ سازه چوبيِ ستون دارعمارت عالي قاپو
 

تاريخچه ي بنا
 

عالي قاپو،که درضلع غربي ميدان نقش جهان قرار دارد،دراوايل قرن يازدهم هجري(78-1007هجري) ساخته شد [1]. ساختمان اصلي ازجنس مصالح بنايي ست. بخش چوبي شامل ستون ها و سقف مي باشد که بر روي پيش آمدگي سمت شرقي بنا قراردارد(شکل9).

توصيف سازه ي ستون دار چوبي
 

سازه ي ستون دارچوبي،ايوان شرقي ساختمان اصلي را مي پوشاند.اعضاي تشکيل دهنده ي سازه ستون دارچوبي عبارت اند ازستون ها،تيرهاي اصلي که با ستون ها درتماس اند،تيرهاي فرعي که در
بالاي تيرهاي اصلي يا درفاصله ي بين آنها واقع شده اند و اعضاي فشاريِ خرپايي که عمل انتقال باراز تيرهاي فرعي به تيرهاي اصلي را انجام مي دهند.قسمتي از بار وارد بر سازه به ديوارکناري که با تعدادي از تيرهاي اصلي و فرعي درتماس است، منتقل مي شود و براي جذب و انتقال نيروهاي جانبي يک سيستم مهاربندي افقي در سقف دردهانه هاي کناري بين تيرها وجود دارد.پوشش روي سازه شامل تعدادي تيرچه و تخته چوبي است که امکان رفت و آمد روي آن را فراهم مي کند و به منظور حفاظت ازبرف و باران يک پوشش فلزي شيبدار بر روي اين مجموعه قرار گرفته است. مجموعه ي تيرها،تيرچه ها،اعضاي خرپايي و مهاربندي افقي در فضاي بين پوشش چوبي قاب سازي زير تيرچه ها و تخته هاي روي آنها از ديد پنهان بوده و وجود شيرواني فضاي بسته ديگري را روي اين مجموعه ايجاد مي نمايد(شکلهاي10 و11).
18ستون (شکل هاي11 و12(ب)،ستون هاي aَ تاt ) به همراه ديوارکناري(شکل هاي12 و13(ب) قسمت هاشورخورده) وزن سقف چوبي را تحمل مي کنند.طول اين ستون ها 10/5m و مقطع آنها به شکل هشت ضلعي منتظم،درپائين به قطر 0/5m و دربالا به قطر 0/3m، به صورت باريک شونده،مي باشد و جنس آنها از چوب چنار است. تعدادي ازستون ها با برش طولي ستون چوبي به دو تکه و سپس خالي کردنِ قسمت ميانيِ دوتکه و قراردادن يک پروفيل فولادي-شکل بين آنها و نصب مجدد ستون چوبي-فولادي،تقويت شده اند.ستون ها روي يک کلاف چوبي قرارگرفته اند که در زمان مرمت بنا درداخل اين کلاف تيرآهن قرار داده شده است(شکل13(ج)).
دونمونه تيرباربراصلي در سازه وجود دارد: يک نمونه شش عدد تيربه طول 17/5m که يک سر آنها به اندازه 1/2m درديواردرگير است(شکل12،رديف هاي(1-1)، (2-2)، (3-3)، (4-4)، (5-5) و (6-6)،تيرهاي a7a10 تا f7f10). مقطع اين تيرها درقسمت ديوار(شکل12، رديف (A-A)، a10) دايره اي به قطر 40Cm و درطرف ميدان (شکل4،رديف (D-D)، a7) دايره اي به قطر55cm است.
تيرها ازتنه ي درخت چنار و يک تکه اند و هر تير به طورمستقيم به سه ستون متصل مي شود.نمونه ي ديگرسه عدد تيرچنار به طول 28m و به قطر 50cm است(شکل12،رديف هاي (C-C)، (B-B) و (D-D)، تيرهاي a8f8، a7f7 و a9f9). هرتيرمتشکل ازسه تکه ي مجزاست که به يکديگر متصل شده اند و اين تير روي شش ستون قرارمي گيرد.اين تيرها به تيرهاي اصلي 5/ 17متري متصل شده اند و آن تيرها هستند که با ستون ها درتماس اند(شکل10).به موازات تيرهاي اصلي5/ 17متري،10رديف تير فرعي باربر وجود دارد؛شش رديف تيرفرعي روي تيرهاي5/ 17متري رديف هاي(1-1) تا (6-6)(مانند تيرهاي a2a4، a1a2 و a4a6) و چهار رديف تير فرعي (7-7) تا (10-10) (مانند تيرهاي g2g3، g1g2 و g3g4).مقطع آنها نيم دايره اي به قطر 25cm بوده و فاصله ي آنها تا تيراصلي زيرشان درحدود 20cm درقسمت نزديک به ديواراست و درطرف ميدان با تير اصلي در تماس مي باشند. جنس تيرهاي فرعي از چوب چناراست.
24 خرپاي?شکل قسمتي از بار تيرهاي فرعي را به تيرهاي اصلي منتقل مي کنند و جنس آنها ازچوب چناراست(شکل11 و شکل12،اعضاي a9a5، a3a9، a8a3 و...).
تيره هايي ازجنس کبوده ي سپيدار با شکل مقطع دايره اي است و با قطر10 تا 15CM،برروي تيرهاي فرعي قرار گرفته اند.روي اين تيرچه ها،تخته هاي کبوده ي سپيدار باضخامت 3CM قرار دارد که تمام اعضاي سازه را در زير خود پنهان مي کند.
دورتادورسقف سازه در دهانه ي کناري، يک سيستم مهاربندي افقي متشکل از تيرهاي چوبي ازجنس چناربا مقطع مستطيلي cm10×15 به صورت ? يا × تيرهاي کناري را به تيرهاي مجاور متصل مي کند. اين مهاربندي عمل انتقال بار جانبي به ديوار را انجام مي دهد(شکل12، a7b8، a8b7 و...و شکل13(د)).درعمليات مرمت بنا يک کابل فولادي براي انتقال نيروي جانبي به سيستم فوق الذکراضافه شده است(شکل13(د)).

در اتصال تيرها به ستون ها و اعضاي خرپايي و اعضاي مهاربندي افقي به تيرها از ميخ هاي قطوراستفاده شده است. اتصال ستون ها به کلاف چوبيِ زير آنها به صورت فاق و زبانه مي باشد.

نتايج حاصل ازآناليز و کنترل طراحي
 

براساس نتايج حاصل از آناليز و کنترل ظرفيت سازه مشخص مي شود که اعضاي اصلي سازه،يعني ستون ها و تيرهاي اصلي عموماً داراي ابعاد مناسب و کافي مي باشند.دومورد عدم کفايت يکي در ستون هاي دورحوض و يکي درتيرهاي بين اين ستون ها،باتوجه به ضرايب اطمينان بکار رفته درمحاسبات و اينکه اين عدم کفايت در بحراني ترين حالت عملکرد اتصال تير و ستون ظاهرشده است و با درنظرگرفتن عملکرد واقعي آن و کامل کردنِ سطح تماس ستون ها با سنگ تکيه گاهشان ازبين مي رود،قابل توجيه است.
تنها موارد اشکال اساسي سازه،يکي مربوط به تيرهاي فرعي و تيرچه هاي روي آنهاست که دليل بحراني بودنِ تنش ها در برخي ازتيرهاي فرعي و اکثر تيرچه ها، نامناسب و نايکنواخت بودن محلّ تماس تکيه گاههاي شيرواني سقف با اين اعضاء مي باشد که اين امرباعث تمرکز بارِبيش از حدّ معمول دراين محل ها مي شود(اين شيرواني درسالهاي اخير به سازه اضافه شده است)،و ديگري مربوط به ناقص بودنِ مهاربندي هاي سقف است(که تعدادي از آنها در جريان تعميرات اخير ازجاي خود کنده شده اند).
بررسي و مطالعه ي سازه ي ستون دار چوبي عمارت تاريخي عالي قاپو حاکي از مهارت و آشنايي مهندسان و معمارانِ سازنده ي آن با شيوه هاي صحيح ساختمان سازي است.ابعاد انتخاب شده براي ستون ها و تيرها،مناسب ترين ابعاد مي باشند. استفاده از سيستم خرپايي براي انتقال بار به سرستون ها و استفاده از سيستم مهاربندي درسقف براي انتقال بار جانبي، براي آگاهي سازندگانِ آن به سيستم هاي مختلف انتقال بار و چگونگي توزيع نيروها در اعضاي مختلف سازه دلالت مي کند. اين سازه يکي ازشاهکارهاي هنرساختمان سازي سنتي ايران مي باشد.

آناليزسازه اي منارهاي اصفهان
 

سيستم هاي سازه اي
 

به طورکلّي يک منار از سه قسمت پايه، بدنه و کلاهک يا تاج تشکيل شده است(شکل14).
شکل بدنه مي تواند به سه صورت باشد: استوانه اي (مناردرگلپايگان)،مخروطي (منارهاي ساربان و علي) يا منشوري(منار درمسجدجامع نايين).بدنه ي منار شامل ستون مرکزي،پلکان مارپيچي و پوسته بيروني مي باشد.بدنه منارممکن است از پايه تا تاج باريک شود.پوسته ي بيروني مي تواند ضخامت ثابتي داشته و يا باريک شود. ستون مرکزي باريک شونده شکل دايره اي يا چندضلعي دارد که گاه قطرآن به حدود 1/5m درپائين مي رسد.پلکان مارپيچي گرداگرد ستون مياني درخلاف جهت حرکت عقربه هاي ساعت چرخش مي کند(شکل15).تعداد کمي از منارها شبيه منارهايي که در گلپايگان (قرن ششم هجري)،مسجدجامع يزد (قرن هشتم هجري) و مدرسه ي خان درشيراز (قرن يازدهم هجري) هستند،دو پلکان مارپيچِ مستقل دارند.
تاج درقسمت بالا شبيه يک گل نيلوفر با ارتفاع تا 2 يا 3متر است. ارتفاع کلّي منار در بعضي موارد تا 50m مي باشد.
درشکل15 ابعاد بعضي از مهمترين منارهاي آجري منفرد در اصفهان، شهر منارها، نشان داده شده است. ارتفاع ازحدود 20m تا بيش از 50m تغيير مي کند. قطر خارجي در پايه بين حدود 2/5m تا m6، و در بالا بين 2m تا حدود m5 مي باشد.ضخامت پوسته بيروني از 0/4mتا 1/8m در پايه تا 0/4m تا 1m در بالا تغييرمي کند.قطرستون مرکزي از 0/3m تا 1/6m است [23].

آناليزسازه اي منارسين
 

منارسين يکي از قديمي ترين منارهاي تاريخ داردرايران،نزديک اصفهان است. يک کتيبه کوفي روي ساختمان نشان مي دهد که اين عمارت در526هجري ساخته شده است. منار برپايه ي هشت ضلعي بلندي بنا شده است. منار 27/7m ارتفاع دارد و مقطع آن دايره اي شکل است.قطرخارجي منار در پايه 2/65 است که در تاج به 2m کاهش مي يابد.ضخامت پوسته ي بيروني 0/4m است(شکل16).
نتايج حاصل ازآناليز سازه اي منار نشان مي دهند که تنش هاي ايجاد شده دراثر بارهاي مرده و باد،درهيچ جاي سازه ازتنش هاي مجاز تجاوزنمي کنند.بيشترين مقدار تنش نصف النهاري فشاري برابر93درصد مقدار مجاز در گره ي 1 (درپايه) و ناشي از بارگذاري باد است.حداکثر مقدار تنش مدراي فشاري برابر9درصد مقدارمجازدر همان گره و دراثرهمان بارگذاري است.
تنش هاي ايجاد شده دراثر زلزله به مراتب بزرگترازمقاديرمجازهستند.حداکثر مقادير کششي تنش نصف النهاري و تنش مداري به ترتيب49 /22 و 15 /2برابر مقادير مجازمي باشند.پنج مود شکل اول منار درشکل17 نشان داده شده اند.بنابراين، منار پايداري و مقاومت خود را دربرابر بارهاي مرده و باد حفظ مي کند، ولي دراثر زلزله فرو خواهد ريخت.
نتايج ذکر شده ي فوق درارتباط با گسيختگي به سبب اثرات ديناميکي بايد با يک مدل اصلاح شده،که درآن سختيِ پلکان مارپيچ درنظرگرفته مي شود،مورد تأييد قرار گيرد.احتمال دارد که مدل اصلاح شده رفتاررضايت بخش تري درمقابل زلزله از خود نشان دهد.

پل خواجو
 

پل خواجو،درسال1061هجري ساخته شده است [2](شکل(89)).اين پل از سنگ و آجر بنا شده و 132mطول، 12mعرض و تعداد 23دهانه دارد. اين پل همچنين مي تواند مانند يک سد عمل کند و آب را تا ارتفاع 6m بالا نگه دارد. اين پل، نمونه اي عالي از معماري، آميزه اي از زيبايي شناسي،مهندسي سازه و هيدروليک است. به لحاظ سازه اي مانند يک پل-سد قوسيِ چند دهانه با کانال هاي آب گير(با ارتفاع95 /1 يا 2/6m و شيب بستر 5 /1درصد)، يک سيستم اتلاف انرژي، پايه هايي با شکل آيروديناميکي و دريچه هاي تخليه،عمل مي کند. عرض کانال ها به شکل هارمونيک براساس نسبت زرين تغيير مي کند.اين پل احتمالاً کاملترين سازه هيدروليکيِ شناخته شده است [23].آناليزسازه ايِ آن نشان مي دهد که اين پل توانايي تحمل بارهاي وارده برخود را دارد.

نتيجه گيري
 

اصفهان به عنوان موزه معماري ايراني- اسلامي دربرگيرنده بخشي عظيم از ميراث معماري بشري است.بناهاي تاريخيِ موجود در اصفهان افزون بر ويژگي هاي معماري و تاريخي،داراي خصوصيات سازه ايِ منحصربه فردي نيز مي باشند. اين بناها مجموعه اي از پيشرفته ترين ويژگي هاي مهندسي سازه با بسياري رازهاي ناگشوده اند،که لازم است درراستاي شناخت و حفظ آنها کوششي شايسته به عمل آيد.
مراجع:
1.Pope, A. U., and Ackerman, P. (eds), A Survey of Persian Art: from Prehistoric Times to the Present, 6 vols., Oxford Univesity Press, London and New York, 1938, (and 3rd ed., 1965).
2.Pope, A. U., Persian Architecture, Thames and Hudson, London, 1965, (and Intriducing Persian Architecture, Oxfoed Univesity Press, London, 1969, and 4th printing, Soroush Press, Tehran, 1976).
3.Godard, A., Athar-e-Iran, Paris, 1946.
4.Goddard, A., L’Art de l’Iran, Arthaud, Paris, 1962.
5.Ghirshman, R., L’Iran des Origines a l’Islam, Paris, 1951, (and 3rd printing 1978, and Iran: from the Iran: from the Earliest Times to the Islamic Comquest, transl. from the French, Penguin, Harmondsworth, (1954)
6.Zander, G., Travaux de Restaruation de Monuments Hostoriques en Iran, Istituto Italiano per il Medio ed Estremo Oriente, IsMEO, Rome, 1968.
7.حجازي، مهرداد:«ايستايي و مقاومت عمارت ستون دارچوبي عالي قاپو»،رساله کارشناسي،دانشگاه صنعتي اصفهان، اصفهان،1366.
8.حجازي،مهرداد و ميرقادري، رسول: «بررسي ايستايي عمارت ستون دار عالي قاپو»،گزارش علمي، شماره108، دانشگاه صنعتي اصفهان، پاييز1367.
9.حجازي،مهرداد و ميرقادري،رسول: «عمارت ستون دارعالي قاپو»، مجموعه مقالات سومين کنفرانس مهندسي عمران، شيراز،1369.
10. Hejazi, M. M., and Mirghaderi, R., Maintenance Comments on a Historical Wooden Building, to be published.
11.زهرايي،محمد:«بررسي سيستم سازه اي تاق ها و گنبدهاي ايراني»،رساله کارشناسي ارشد،دانشگاه صنعتي شريف، تهران، 1368.
12.زهرايي،محمد و اکبر،حبيب الله: «بررسي سيستم سازه اي تاق ها و گنبدهاي ايراني»،مجموعه ي مقالات سومين کنفرانس مهندسي عمران،شيراز، 1369.
13.حجازي، مهرداد:«آناليز گنبدهاي ايراني و تحقيق درهنرسنتي»،رساله کارشناسي ارشد،دانشگاه صنعتي اصفهان، اصفهان، 1369.
14.Hejazi, M. M., and Mirghaderi, R., Introducing Histirical Buildings of Iran: Structural Analysis of the Sin Minatet, to be published.
15.حجازي،مهرداد و ميرقادري،رسول: «اثرات زلزله برگنبدهاي سنتي ايران»، مجموعه ي مقالات اولين کنفرانس بين المللي زلزله شناسي و مهندسي زلزله، تهران، 1370.
16.Hejazi, M. M., and Mirghaderi, R., Introducing Histirical Buildings of Iran: Structural Analysis of the Stiffened Double-Shell Dome of the Mosque in Isfahan, to be published.
17.Hejazi, M. M., and Mirghaderi, R., Introducing Histirical Buildings of Iran: Structural Analysis of the Taj-al-Mulk Dome, the Ideal Dome, to be published.
18.Hejazi, M. M., and Mirghaderi, R., Introducing Histirical Buildings of Iran: Structural Analysis of the Shakh-Lutf-Allah Dome, to be published.
19.Hejazi, M. M., and Mirghaderi, R., Introducing Histirical Buildings of Iran: Structural Analysis of the Nizam-al-Mulk Dome, to be published.
20.Hejazi, M. M., Introducing Histirical Buildings of Iran: Shaking Minarets, Culmination of Structural Dynamics, to be published.
21.Zolanwar, R., and Hejazi, M. M., Introducing Histirical Buildings of Iran: Study of Cisterns is Larestan Concerning Construction Materials and Conical Toof, to be published.
22.Hejazi, M. M., Khallaghi, F. M., Historical Development of the Art and Science of Irrigation, Bridge and Dam Construction in the Islamic World, Proceedings of the First International Comgress for the Advancement of Science and Technology in the Islamic World, Tehran, 1993.
23.Hejazi, M. M., Historical Buildings of Iran: their Srchitecture and Structure, Computional Mechanics Publications, Southampton, 1997.
24.حجازي،مهرداد:«ويژگي هاي معماري و سازه اي بناهاي تاريخي ايران»، مجموعه ي مقالات دومين کنگره ي تاريخ معماري و شهرسازي ايران، جلد3، صفحه ي 291-275، کرمان، 30-26 فروردين1378.
25.حجازي، مهرداد: «هنر بدون علم هيچ است:دانش درمعماري ايران»، مجموعه مقالات همايش فلسفه و ماهيت هنر، تهران، 22-21 ارديبهشت1378.
26.حجازي،مهرداد:«س سمبوليسم در معماري مسجد»،مجموعه ي مقالات دومين همايش بين المللي معماري مسجد: افق آينده،جلد1،صفحه ي244-231،کاشان، 22-20مهر1379.
27.حجازي،مهرداد،زرگر،اکبر،و زماني فرد،علي:«نگاهي به مرمت گنبد درايران»، مجله اثر،شماره43-33،صفحه277-227، 1381.
28.حجازي، مهرداد، مؤمني، مهدي، و طلايي، سارا: «تعيين انحراف قبله تعدادي از مساجد تاريخي اصفهان نسبت به قبله حقيقي»،مجموعه مقالات نهمين کنفرانس دانشجويي عمران، زاهدان، 4-1آبان1381.
29.حجازي، مهرداد و ميرقادري، رسول: «آناليزو کنترل طراحي سازه ستون دار چوبي عمارت تاريخي عالي قاپو»، مجله بين المللي علوم مهندسي دانشگاه علم و صنعت ايران،جلد14،شماره2، صفحه91-77، 1382.
30. حجازي، مهرداد، عزيزي،علي، و يزدخواستي،مريم:«فتوگرامتري برد کوتاه و نقش هاي هندسي درمعماري اسلامي و بحث در مفاهيم سمبوليکي»، مجموعه مقالات ششمين کنفرانس بين المللي مهندسي عمران،جلد5، صفحه586-579، اصفهان، 17-15 ارديبهشت 1382.
31.Hejazi, M., Seismic Vulnerability of Iranian Historical Domes, Proceedings of the Fourth International Conference on Earthquake Tesistant Engineering Structures (ERES 2003), pp. 157-65, Ancona, Italy, 22-24 September, 2003, WIT Press, Southampton, 2003.
32.Hejazi, M., Traditional Methods for Strengthening Historical Structures in Seismic Areas, Proceedings of International Course on Architectural and Structural Design of Masonry, pp. Hej-15-22, 7-18 Kecember. 2003, Dresden.
33.Hejazi, M., and Tahnemorfar, M., Synthetic Aperture Radar Interferometry Technique for the Evaluation of Earthquake Damages to Historical Structures, Proceedings of International Course on Architectural and Structural Design of Masonry, pp. Hej-1-13, 7-18 December, 2003, Dresden.
34. حجازي،مهرداد،و ميرقادري، رسول: «آناليز لرزه اي گنبدهاي تاريخي ايران»، مجله دانشکده فني، دانشگاه تهران، جلد38، شماره6،صفحه757-747، 1383.
35. Hejazi, M., Sacred Geometry in Nature and Persian Architecture, Proceedings of the Second International Conference on Design and Nature (DESIGN & NATURE 2004), pp. 25-34, Rhodes, Greece, 28-30 June, 2004, WIT Press, Southampton, 2004.
36. Hejazi, M., Geometry in Nature and Persian Atchitecture, Building and Environment, No. 40, pp. 1413-1427, 2005.
37. Hejazi, M., Maintenance Comments on a Persian Historical Wooden Building, Proceedings of the Ninth International Conference on Structural Studies, Tepaors and Maintenance of Heritage Architecture (STREMAH 2005), pp. 503-512, Malta, 22-24 June, 2005, WIT Press, Southampton, 2005.
38. Hejazi, M., Structural Analysis of the Wooden Structure of the Historical Building of Ali Qapu, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 132, No. 11, pp. 1801-1805, 1 November 2006.
39. Hejazi, M., Persian Architecture: Conformity with Nature in Hot-Dry Regions, International Journal of Design and Nature, Vol. 1, No. 2, pp. 1-11, 2007.
40.حجازي،مهرداد: «تأثيرقرارگيري آجرها در رفتار سازه اي قوس هاي نيم دايره اي»،مجموعه ي مقالات سومين کنگره ي ملّي مهندسي عمران،دانشگاه تبريز، 13-11 ارديبهشت1386.
41. حجازي،مهرداد: «شکل بهينه قوس هاي آجري تحت بار وزن»،مجموعه مقالات سومين کنگره ي ملّي مهندسي عمران،دانشگاه تبريز،13-11 ارديبهشت1386.
42.حجازي،مهرداد،فخاري تهراني، فرهاد، آيت الله زاده شيرازي،باقر، و خاتوني مقدم، نغمه: «مطالعات سازه ايِ اوليه برج32 ارگ بم»، مجموعه ي مقالات سومين کنگره ملّي مهندسي عمران، دانشگاه تبريز، 13-11 ارديبهشت1386.
43.حجازي،مهرداد،ظروفچي، صغري، کوشکي، علي: «بهبود روش هاي ساخت سنتي درمنطقه ي زاگرس»،مطالعه ي موردي:روستاي قصريان در سنندج، مجموعه مقالات اولين کنفرانس بين المللي سکونتگاههاي سنتي زاگرس، سنندج، دانشگاه کردستان، 14-12 ارديبهشت1387.
44.آئين نامه ي طراحي زلزله ساختمان ها شماره82،وزارت مسکن و شهرسازي، تهران، 1366.
45. استاندارد ايران شماره519، «حداقل بارها روي ساختمان ها»،چاپ نهم، مؤسسه استاندارد و تحقيقات صنعتي ايران، تهران، 1365.
46. Denison, E. B., On the mathematical theory of domes, Transaction of the Royal Institute of British Architects, Vol. 21, pp. 81-115, 1871.
47. Farshad, M., On the Shape of Momentless Tensionless Masonry Doms, Building and Environment, Vol. 12, pp. 81-85, 1977.
نشريه دانش نما ،شماره 162-161.