اصفهان، شهرسازه هاي سنتي(1)
نويسنده: دکتر مهرداد حجازي(1)
چکيده
در اين مقاله،مروري کلّي به ويژگي هاي اساسي بناهاي تاريخي اصفهان با تأکيد بر خصوصيات سازه اي آنها ارائه خواهد شد.
کليد واژه ها: اصفهان، سازه هاي سنتي، گنبد، منار.
مقدمه
اصفهان در دوره هاي مختلف به عنوان مهد معماري ايراني شهرت داشته است. براي مثال،استادانه ترين نمونه هاي معماري خلق شده مربوط به دوره ي صفويان (1135-897 هجري)اصفهان است که داراي «162مسجد،48مدرسه، 182کاروانسرا و 173حمام» بود[2]. به لحاظ معماري، اصفهان نمونه ي غايي کاربرد شهرسازي، طراحي راه،کارهاي آبي، پل ها و مهندسي عمران بوده است[23].
دراين مقاله،نتايج حاصل از تحقيقات بر روي شماري از سازه هاي تاريخي اصفهان،به عنوان نگين ارزشمند مهندسي سازه درتمدن ايراني-اسلامي،ارائه مي گردد.
هنر و معماري سنتي
رفتار سازه اي
معيارهاي طراحي
آناليز لرزه اي گنبدهاي تاريخي اصفهان
توصيف گنبدهاي مورد مطالعه
گنبد تاج الملک(481هجري) ساختماني برجسته درسمت شماليِ مسجدجامع در اصفهان است.قطرخارجي آن در پايه 11/7m است.ارتفاع آن از ترازهاي پايه و زمين به ترتيب 6/3mو 20m است. ضخامت تک پوسته از0/36m در رأس تا 0/66m در پايه تغيير مي کند(شکل1). شکل مقطع قائمِ گنبد ترکيبي از دوقوس بيضي متقاطع است.
گنبد نظام الملک(85-465هجري) در سمت جنوبيِ مسجدجامع دراصفهان ساخته شده است.درپايه، قطرخارجي گنبد 16/6m است. ارتفاع آن از ترازهاي پايه و زمين به ترتيب 10/5m و 26m است. ضخامت تک پوسته از 0/45m در رأس تا 1m در پايه تغيير مي کند(شکل2). شکل مقطع قائمِ گنبد ازتقاطع دو قوس بيضي بدست مي آيد.
گنبد يک پوسته ي مسجد شيخ لطف الله (28-1011هجري) درسمت شرقيِ ميدان نقش جهان دراصفهان قرار دارد.قطر خارجي پايه آن 20/8m و ارتفاع آن از ترازهاي پايه و زمين به ترتيب 12m و 28/5mاست.ضخامت پوسته ي گنبد از 0/95m در رأس تا 1/3m در پايه تغيير مي کند(شکل3). مقطع قائم گنبد ازنوع قوس چهارپرگاره (پنج اوهفت کند)است.
گنبد دو پوسته ي تقويت شده ي مسجد امام (48-1020هجري) در سمت جنوبي ميدان نقش جهان دراصفهان قراردارد. گنبد داراي آوگون،يعني داراي پيش آمدگي اندکي نسبت به گريواست و برروي گريو بلند قرار گرفته است. قطرخارجي گريو 26/3m است.ارتفاع گريو 7m، و ضخامت آن در پايه و دربالا به ترتيب 1/7m و2/2m است. گريو داراي هشت عدد پنجره، به ارتفاع 3/3m و عرض 1/7m، است که در فواصل مساوي دورگريو قرار گرفته اند.ارتفاع پوسته هاي بالايي و پاييني از تراز پايه گريو به ترتيب 24/45m و 13/2m، و فاصله ي ميان دو پوسته 11/25m است.پوسته ي بالايي داراي ارتفاع 52m ازتراز زمين است.ضخامت پوسته پاييني از 0/22m تا 1/35m به سمت گريو تغيير مي کند، وتغييرات ضخامت پوسته بالايي از 0/3m تا 1/1m به سمت پايه است. پوسته ي بالايي شلغمي شکل است.24عدد ديوار (خشخاشي، تقويت کننده) آجري شعاعي يا نصف النهاري در فضاي دو پوسته وجود دارد که به دو پوسته متصل شده اند. ضخامت خشخاشي ها 0/45m است. خشخاشي ها داراي سه ارتفاع مختلف هستند.خشخاشي هاي بلند، متوسط و کوتاه به ترتيب داراي ارتفاع 10/7m، 12/6mو7/6m هستند. اين خشخاشي ها به ترتيب و به فواصل مساوي دورمحيط گنبد قرارگرفته اند(شکل4).مقطع قائم دوپوسته ازنوع قوس چهار پرگاره(پنج او هفت) مي باشد.
روش آناليز و فرضيات
گنبد تاج الملک
آناليزتنش
آناليزهندسي
گنبد تاج الملک علاقه ي بسياري از محققان را به خود جلب کرده است.پوپ [1] نخستين اروپايي بود که اهميت فراوانِ آن را درسال1317 مورد توجه قرار داد. به گفته ي او «اين گنبد ازلحاظ مکانيکي با ضرورت هاي رياضي گنبد ايده آل مطابقت دارد، و درنقاط حساس چنان دقتي بدست مي آيد که گنبد به مدل دقيق رياضي نزديک مي شود...اين گنبد يک پوسته [ي آجري]، که بدون ترک نزديک به 900سال در کشوري زلزله خيز برجاي مانده است، دليلي بر«علوم رياضي دقيق و مکانيزم بي نقص» آن است...اين گنبد «براي ابديت ساخته شده است» [2].
درسال1317،شرودر [1] توصيفي عالي از ساختمان ارائه داد:«[اين] زيباترين سازه درايران است...درهريک از جنبه ها [زيبايي شناسي،هندسه و مکانيک] بنا جالب توجه است.»او ويژگي هاي زيبايي شناسي و هندسيِ اين بناي تاريخي را به طور کامل تشريح کرد.او کاربرد استادانه ي نسبت زرين را،به طوري که قسمت کوچکتر در پائين است،درابعاد گنبد و گنبدخانه نشان داد.آناليزهندسي وي اثبات مي کند که معمار بنا يک پنج ضلعي را،که دربين اضلاع يک مثلث متساوي الساقين بزرگ که رأس آن نوک گنبد است رسم مي شود،به عنوان سمبولي براي نسبت اختيار نموده است؛ و تناسبات مقطع زرين ابعاد هرجزء در سازه نظير نوک گنبد،ارتفاع تمام ناحيه ي انتقال از پايه به گنبد،نوک قوس هشت ضلعي،نوک قوس اصلي پائيني،ارتفاع قوس هاي کناري پائيني و ارتفاع پنجره،را تعيين مي کند(شکل6(الف)).حائزاهميت است که طرح هاي اصلي درتزئينات آجري داخل گنبد يک مثلث و شکل لوزي است،که نقشي کليدي براي همه ي سيستم تطبيق هاي هندسي بازي مي کند.
درسال1376،حجازي [23] به طورمستقل نشان داد که قانون نسبت زرين،به گونه اي که قسمت کوچکتر دربالا باشد، قابل کاربرد به سازه است.او پيشنهاد مي کند که به عنوان شق ديگرِاندازه ي مستطيل زرين که مقطع عمودي گنبد درآن قرار مي گيرد، مي توانسته است به عنوان مدول توسط معمار مورد استفاده قرار گيرد.اين مستطيل زرين مشخص را مي توان به صورت تکراري از گنبد به سوي پايه و سپس به سوي ساير قسمت هاي بنا ترسيم نمود(شکل6(ب)).
شرودر [1] پس از توضيح کاربرد نسبت زرين درساختمان گنبد،گنبد تاج الملک را با خصوصيات گنبد ايده آل،که از دنيسون [46] گرفته شده اند،مقايسه کرد.نسبت ضخامت رأس به قطر در پايه،و نسبت ضخامت رأس به ضخامت در پايه درگنبد، مانند اين نسبت ها درگنبد ايده آل هستند. شيب گريو و تغييرضخامت گريو در سازه ي گنبد دقيقاً همان ها هستند که در گنبد ايده آل مي باشند.
درسال1355، فرشاد [47] نشان داد که براي بارگذاري،وزن ابعاد تاج الملک دقيقاً با روابط رياضي براي شکل منحني نصف النهاري و تغييرضخامت گنبدهاي با مصالح بنايي بدون تنش هاي کششي و نيروهاي خمشي تطبيق مي کند.
درنهايت درسال1369، حجازي و ميرقادري [13، 15، 31، 34] سازه ي گنبد را آناليزنمودند و نشان دادند که تنش هاي ايجاد شده دراثرسيستم نيروهاي خمشي درمقايسه با سيستم نيروهاي غشايي،نه تنها براي بار وزن،بلکه براي باد و مهمترازآن براي اثرات ديناميکي زلزله ناچيز هستند.
گنبد نظام الملک
دربارگذاري زلزله،حداکثر مقدار تنش مداري کششي ? Q برابر 49درصد تنش مجازدر 4/2m بالاي پايه است.اندازه هاي تنش هاي برشي و تغييرمکان کوچک هستند؛ حداکثر تغييرمکان برابر 0/000176m نزديک رأس درجهت افقي است.
پنج فرکانس اول گنبد به ترتيب برابر 859 /22، 476 /29، 833 /35، 710 /38 و 42/867Hz است.
گنبد شيخ لطف الله
پنج فرکانس نخستِ گنبد به ترتيب برابر 257 /17، 472/ 24، 808 /24، 674 /30 و 33/407Hz هستند.
پنج مود شکل اول گنبد در شکل7 نشان داده شده اند.
گنبد مسجد امام
1. پوسته ي بالايي + گريو
2. پوسته ي پائيني + گريو
3. پوسته ي بالايي + پوسته ي پائيني + گريو
4.پوسته ي بالايي + پوسته ي پائيني + تقويت کننده هاي نصف النهاري + گريو (همه ي سازه)
درحالت اول،اندازه ي ممان خمشيm? در بالاي محلّ اتصال پوسته بالايي و گريو به طورقابل ملاحظه اي بزرگ است و باعث ايجاد تنش مداري Q? کششي مي شود.بنابراين،قسمت پائيني پوسته ي بالايي، که آوگون است (10/3m بالاي پايه ي گريو)،ناحيه ي بحراني ست.درحالت دوم،تنش هاي ايجاد شده در پوسته ي پائيني و گريو کوچک هستند.درحالت سوم، آناليز دلالت براين دارد که براي سازه هاي گنبد بدون تقويت کننده هاي نصف النهاري قسمت هاي بحراني محلّ اتصال دوپوسته و گريو (دايره ي مداري 4/2M بالاي پايه گريو)، و قسمت آوگون هستند.نيروهاي زلزله تنش هايي بزرگتر از مقادير مجاز ايجاد مي کنند.درمحلّ اتصال، مقادير کششي و فشاري تنش نصف النهاري?Q به ترتيب 49 /4 و 37 /1برابر مقادير مجازهستند.درقسمت آوگون، تنش هاي مداري کششي Q? ايجاد شده 54/ 1برابر تنش مجازاست.مقاديرتنش هاي برشي و تغييرمکان ها کوچک هستند.
درحالت چهارم،آناليزنشان مي دهد که تنش هاي کششي و ممان هاي خمشي ايجاد شده به دليل وجود تقويت کننده هاي نصف النهاري کاهش مي يابند.هنوز محلّ اتصال پوسته ها و گريو ناحيه بحراني است.در سازه واقعي،ناحيه ي نزديک اتصال با مصالح بنايي پُرشده است؛درصورتي که اين مورد در مدل آناليزشده درنظر گرفته نشود،براي بار زلزله،اندازه ي Q? کششي درقسمت آوگون به 74درصد مقدارمجاز کاهش مي يابد.درمحلّ اتصال حداکثر مقادير کششي و فشاري ?Q ،که در زمانst=2/5 اتفاق مي افتد،(از 449درصد و 137درصد) به 284درصد و 92درصد مقاديرمجازکاهش مي يابد(شکل8). اگراين پُرشدگي به سازه ي مدل شده اضافه گردد،درمحلّ آوگون مقدارکششي Q? به 67درصد مقدارمجاز،و اندازه هاي کششي و فشاري به ترتيب به 98درصد و 79درصد مقاديرمجازکاهش مي يابد. مقادير تنش هاي برشي و تغييرمکان ها کوچک هستند؛حداکثرتغييرمکان برابر m 0/00126 درجهت افقي نزديک رأس مي باشد. پنج فرکانس اولِ سازه ي گنبد به ترتيب برابر 974/ 9، 436/ 10، 993 /10، 987 /15 و 17/283Hzهستند.
تفسيرنتايج
1.تنش هاي ايجاد شده در همه ي گنبدهاي مطالعه شده کمترازتنش هاي مجاز هستند.
2.ازمنظرکم بودنِ تنش ها،گنبد تاج الملک استثنايي است.اندازه ي تنش ها در اين گنبد به طورقابل توجهي کوچک،کمتر از 25درصد تنش هاي مجاز،هستند.
3.گنبد دوپوسته ي تقويت شده مسجد امام آسيب پذيرترين گنبد است؛تنش هاي ايجاد شده درپوسته ي بالايي نزديک محلّ اتصال دو پوسته و گريو،که آوگون است،بزرگ هستند.
4.تقويت کننده هاي نصف النهاري(خشخاشي ها) نقش اساسي درپايداري گنبد دوپوسته بازي مي کنند. پُرشدگي بين دو پوسته براي حفظ يکپارچگي همه سيستمِ تقويت شده ضروري است.
5.براي گنبدهاي امام و شيخ لطف الله که درآنها تنش هاي ايجاد شده نسبتاً بزرگ هستند،انجام يک آناليزغيرخطي براي فهم بهتررفتارديناميکي آنها توصيه مي شود.
6.رفتارسازه اي رضايت بخشِ گنبدهاي مطالعه شده دربرابراثرات زلزله، دلالت بر اين دارد که طراحي اين گنبدها ازنظر رفتارلرزه اي براساس يک بينش آگاهانه از اصول صحيح طراحي انجام گرفته است.
پينوشتها:
1. هسته سازه هاي سنتي،گروه عمران، دانشگاه اصفهان،عضو کميته ي علميِ بين المللي تحليل و مرمت سازه هاي ميراث معمارانه (ايکوموس جهاني).
/ج