معماری خاک و سفال
سیستم ساخت با کیسهشن / اَبرخشت / اَبربلوک
مقاله فوق برگرفته از کتاب سرپناه کیسهشنی اضطراری است. اما این مقاله در اصل خلاصهای است از مطالب ارائه شده در کنفرانس بینالمللی استانداردهای ساختوساز که در سال 1998 برگزار شده است.
جهت سهولت در خوانایی متن تنها برخی از عناوین اضافه شدند.
نویسندگان
نادر خلیلی
مؤسسه Cal Earth
کالیفرنیا، هسپریا
و
فیل ویتور
مشاور مهندسی سازه
اِلنویس، تپههای آرلینگتون
لینک دانلود مقاله به زبان انگلیسی: https://www.greenhomebuilding.com/pdf/buildingstandards_calearth.pdf
زندگینامه و فعالیتهای نادر خلیلی
«خانههای سرامیکی»، و همچنین فناوریهای ساخت اَبرخشت است. او تحصیلات خود را در ایران، ترکیه و ایالات متحده آمریکا گذرانده و از سال ۱۹۷۰ دارای پروانهی رسمی معماری در ایالت کالیفرنیا میباشد. در سال ۱۹۷۵، پس از تعطیل کردن دفتر موفق خود در ایالات متحده و ایران که به طراحی برج میپرداخت، با موتور سیکلت به مدت پنج سال در کویرهای ایران سفر کرد؛ و در این مدت با همکاری نزدیک با روستاییان محلی، نمونههای اولیه معماری خاکی خود را توسعه داد. برداشتهای او از این سفرها در کتابی با عنوان «تنها دویدن» گردآوری شده است.
نقش بینالمللی و علمی
نادر خلیلی به عنوان مشاور سازمان ملل متحد فعالیت میکند و در پروژههای ناسا درباره فناوریهای ساختوساز برای ماه و مریخ مشارکت دارد. او بنیانگذار و مدیر مؤسسه Cal-Earth و بنیاد گلتافتان است؛ نهادهایی که به پژوهش و توسعه فناوریهای معماری خاکی و فضایی برای سکونت در ماه و مریخ اختصاص دارند.
اهمیت جهانی معماری خاک
تقریباً یکسوم مردم جهان در خانههایی زندگی میکنند که با خاک ساخته شدهاند، و دهها هزار شهر و روستا عملاً از زمینی که بر آن ایستادهاند، برپا شده است. امروزه، آگاهی جهانی نسبت به استفاده از منابع طبیعی و نگرش جدید به آییننامههای ساختمانی — به عنوان نگهبان نه تنها ایمنی فردی، بلکه تعادل سیاره — ما را به سوی هزارهای نو از زندگی پایدار هدایت میکند.
نقش معماری خاکی در سکونتگاههای فرازمینی
در سال ۱۹۸۴، نخستین سمپوزیوم ناسا درباره پایگاههای قمری و فعالیتهای فضایی قرن بیست و یکم، با اشتیاق از ارائههایی که به استفاده از منابع طبیعی موجود در محل برای ساخت سکونتگاههای آینده در ماه و مریخ میپرداختند، استقبال کرد. در این ارائهها، ادغام فناوریهای باستانی ساخت با خاک در تکنیکهای ساختوساز سیارهای با این جمله معرفی شد:
“دانش انباشتهی بشری دربارهی عناصر جهانشمول میتواند با فناوری عصر فضا ادغام شود تا در خدمت نیازهای انسان بر روی زمین قرار گیرد؛ مصالح پایدار و اصول جاودانهی آن همچنین میتواند به تحقق آرمان بشریت در ورای این سیاره کمک کند. دو حوزه از این دانش، معماری خاکی و سرامیک است که میتوانند پایهای برای تحولی بزرگ در مقیاسها، فرمها و عملکردها باشند…”
توسعه فناوری اَبرخشت و تأیید رسمی آن
فناوری کیسهشنی/اَبرخشتی/اَبربلوکی که در اینجا معرفی شده است (سازههای سرامیکی نیز بخشی از سامانههای معماری خاکی به شمار میآیند)، حاصل چندین ارائهی پیدرپی به جامعهی علمی فضا و سیارات از زمان نخستین سمپوزیوم در سال ۱۹۸۴ تاکنون میباشد.
این مفاهیم از سال ۱۹۹۱ موضوع یک برنامهی پژوهشی فشرده و ساخت نمونههای اولیه بودهاند. پژوهش، توسعه، مهندسی و آزمایشهای این فناوری در مؤسسه Cal-Earth، تحت نظارت ادارهی ساختمان و ایمنی هسپیریا و با مشاورهی ICBO انجام شده است. پروانههای ساخت برای نقشههای آمادهی مدلهای مسکونی «Earth one» و همچنین موزه و مرکز طبیعت دریاچهی هسپیریا صادر شده است و فناوری ساخت با کیسهخاک/اَبرخشت/اَبربلوک به عنوان یک سامانهی ساختمانی به رسمیت شناخته شده است.
رویکردی نو به کیسهشن
کیسههای خاک معمولی و سیمخاردارهای اتصالی، همچنین کیسههای بلند به طول یک مایل، در اینجا با عنوان ساختوساز کیسهشنی، اَبرخشتی و/یا اَبربلوکی یاد شدهاند. قرنهاست که کیسههای خاک به عنوان عناصر ساخت موانع موقت و دیوارهای حفاظتی در مناطق جنگی و در کاربردهای جزئیتر به کار رفتهاند. پس از پایان یافتن کاربرد موقت سازه، کیسههای خاک معمولاً برداشته، خالی و دور انداخته میشوند.
فناوری ساخت با کیسهشن/اَبرخشت/اَبربلوک بر پایهی سه جنبهی بنیادی از کاربردهای تاریخی کیسه خاک بنا شده است و به یک سامانهی ساخت دائمی تبدیل شده است:
۱. افزایش توان کششی و پایداری ساختاری
مهمترین نقص در استفادهی پیشین از کیسههای خاک به عنوان یک عنصر سازهای این بود که کیسههای تَلنبار شده فاقد توان کششی بودند، که این امر باعث میشد ارتفاع سازهها بسیار محدود بماند. همچنین، ساخت سازههای قوسی، طاقی یا گنبدی بدون وجود مقاومت در برابر اصطکاک و کشش، غیرممکن بود. اَبرخشت با استفاده از سیمخاردار چهارخار (یا عنصری مشابه) میان لایههای کیسه خاک، امکان توسعهی قابلیتهای کششی و برشی را که پیشتر دستیافتنی نبودند، فراهم میکند. عنصر سیمخاردار، ضریب اصطکاک بین کیسهها را افزایش میدهد و مقاومت کششی را در دیوار یا عنصر سازهای ایجاد میکند. این یکی از جنبههای کلیدی اَبرخشت است که با استفاده از سیمخاردار به عنوان واسطی بین کیسهها، انتقال تنش برشی از یک کیسه به کیسهی دیگر را ممکن میسازد و بر مشکلات ناشی از ظرفیت پایین برشی در پرکنندهی خاکی غلبه میکند. ظرفیت افزایشیافتهی کیسههای خاک، که با استفاده از سیم خاردار حاصل شده است، امکان طراحی دیوارهای بلندتر و سطوح خمیده مانند دیوارهای باربر، قوسها، گنبدها و طاقها را فراهم میکند.
۲. استفاده از مصالح بادوام به عنوان پرکننده
مهمترین نقص در استفادهی پیشین از کیسههای خاک به عنوان یک عنصر سازهای این بود که کیسههای تَلنبار شده فاقد توان کششی بودند، که این امر باعث میشد ارتفاع سازهها بسیار محدود بماند. همچنین، ساخت سازههای قوسی، طاقی یا گنبدی بدون وجود مقاومت در برابر اصطکاک و کشش، غیرممکن بود. اَبرخشت با استفاده از سیمخاردار چهارخار (یا عنصری مشابه) میان لایههای کیسه خاک، امکان توسعهی قابلیتهای کششی و برشی را که پیشتر دستیافتنی نبودند، فراهم میکند. عنصر سیم خاردار، ضریب اصطکاک بین کیسهها را افزایش میدهد و مقاومت کششی را در دیوار یا عنصر سازهای ایجاد میکند. این یکی از جنبههای کلیدی اَبرخشت است که با استفاده از سیمخاردار به عنوان واسطی بین کیسهها، انتقال تنش برشی از یک کیسه به کیسهی دیگر را ممکن میسازد و بر مشکلات ناشی از ظرفیت پایین برشی در پرکنندهی خاکی غلبه میکند. ظرفیت افزایشیافتهی کیسههای خاک، که با استفاده از سیم خاردار حاصل شده است، امکان طراحی دیوارهای بلندتر و سطوح خمیده مانند دیوارهای باربر، قوسها، گنبدها و طاقها را فراهم میکند.
۳. پایداری و حفاظت در برابر عوامل طبیعی
در گذشته، امکان فرسایش کیسهها و تأثیر آن بر پایداری سازه، مانع از ساخت سازههای دائمی میشد. در ساختوساز با اَبرخشت، دیوارهای کیسهشنی با لایههای حفاظتی از عوامل طبیعی محافظت میشوند. علاوه بر این، مصالح پُرکننده پس از شکلگیری درون لولههای پارچهای، به بلوکی خودایستا تبدیل میشود. زمانی که مصالح پُرکننده به اندازهی کافی مقاوم باشند، دیگر نیازی به پوششهای بادوام خارجی نیست.
کاربرد گسترده در معماری خاک
سیستم کیسهشنی/اَبرخشتی/اَبربلوکی، که در نتیجهی این تغییرات بنیادی و طی هفت سال پژوهش فشرده توسعه یافته، در سازههای مرسوم برای پِیسازی (که درون قالبهای لولهای ریخته میشود)، دیوارهای باربر و دیوارهای جداکننده به همراه سیستم سقفسازی مرسوم که بارشان را بر روی کمربند متصلکننده (که خود توسط لولهی اَبرخشت شکل میگیرد) منتقل میکنند، مورد استفاده قرار میگیرد. با این حال، در این مقاله تمرکز بر سازههای قوسی مانند گنبدها و طاقهاست، چراکه دیگران در حال بررسی سامانههای سازهای متداول تیر و ستونی و دیوارهای باربر مستقیم برای ساختوساز با خاک هستند.
سیستم سازهای بدون تیر و ستون
فناوری اَبرخشت امکان ساخت سامانههای سازهای یکپارچه از خاک را در قالبهای خمیده فراهم میکند. کیسهشن به دلیل انعطافپذیری خود، اجازهی ساخت سطوح منحنی را میدهد. هنگام استفاده از پوستههای فشاری با خمیدگی ساده و دوگانه — قوس، طاق، گنبد، نیمگنبد — بخش عمدهای از سیستمهای مرسوم سقف حذف میشود.
در ساختوساز چوبی، این روش میتواند تا ۹۵ درصد از مصرف چوب را کاهش دهد، که نه تنها به استفادهی هوشمندانهتر از محصولات جنگلی کمک میکند، بلکه به ایجاد ساختمانهایی مقاوم در برابر آتش نیز میانجامد. با کار بر اساس اصل گرانش، این سازهها را میتوان بدون نیاز به قالببندی ویژه احداث کرد.
موفقیت نمونههای آزمایششده برای رعایت آییننامههای لرزهای کالیفرنیا و دریافت مجوزهای ساختمانی، بر پایهی اصول زیر بنا شده است:
نحوه انتقال تَنش
پوستههای فشاری با خمیدگی ساده و دوگانه، تنشهای خود را در امتداد سطح سازه منتقل میکنند و نه از عنصری به عنصر دیگر مانند ساختمانهای ستون و تیر.
در سازههای تیر و ستونی، اگر یکی از عناصر تحت بار بیش از حد دچار شکست شود، این شکست میتواند به صورت آبشاری به عناصر مجاور منتقل شده و باعث فروپاشی کلی سازه شود؛ همانگونه که در زلزلههای نورتریجِ کالیفرنیا و کوبهی ژاپن شاهد آن بودیم.
چنین سازهای تنها به اندازهی ضعیفترین عنصر خود مقاوم است. اما در گنبد — و تا حدی کمتر در طاق — اگر بار اضافی بر سطح اعمال شود، ابتدا یک شکست موضعی یا ترکخوردگی رخ میدهد. این امر باعث میشود بار اضافی تنها در همان نقطه تخلیه شود و آسیب در همان ناحیه محدود بماند. در عین حال تنشهای باقیمانده به صورت طبیعی در سطح سازه پخش شده و سایر بخشها به عملکرد خود ادامه میدهند.
۲. توزیع یکنواخت بار و کاهش خطر نشست یا یخزدگی
تنشهای ناشی از بار مرده و بار زنده در یک گنبد یا دیوار باربر، به صورت یکنواخت در پیرامون آن گسترش یافته و به زمین منتقل میشود. در مقابل، در سازههای تیر و ستونی، بارها به صورت متمرکز از طریق پیهای مجزا در زیر هر ستون منتقل میشوند. این تمرکز بار دو مشکل عمده را ایجاد میکند:
الف) نشست نامتقارن
ب) تورم ناشی از یخزدگی
این پدیدهها میتوانند منجر به تنشهای شدید موضعی، ترکخوردگی و آسیبهای سازهای شوند. از همین رو، در بسیاری از ساختمانها، پیها را تا عمق خط یخزدگی توسعه میدهند.
در گنبد یا طاق خاکی، این خطرات به حداقل میرسند. پایهی یک سازهی منحنی، بار را در سطح وسیعتری توزیع میکند. وجود نقاط نرم محلی در خاک زیرین باعث آسیب کلی نمیشود؛ زیرا فرورفتگیهای کوچک بهراحتی توسط سازه جبران میشوند. طراحی صحیح این سازهها اثر یخزدگی را تقریباً ناچیز میسازد.
۳. رفتار برتر در برابر زلزله
یکی از مهمترین مزایای ساختارهای دیوار باربر گنبدی یا طاقی، عملکرد استثنایی آنها در برابر زلزله است. طراحی سازههای مرسوم برای تحمل تنشهای لرزهای بسیار دشوار است. شکل این ساختمانها به گونهای است که وزن از بالا به پایین منتقل شده و گاهی وزن طبقات بالایی از پایینی بیشتر است. این ویژگی تمایل به واژگونی را افزایش میدهد.
در زلزله، پیهای سازههای مرسوم ممکن است از همگسیخته شوند و کل سازه فرو بریزد. در مقابل، گنبدهایی که مستقیم روی زمین قرار دارند، مرکز ثقل پایینی دارند و توزیع بار در آنها گسترده است. طراحیهای مدرن ضدزلزله مانند ایزولاسیون پایه گرچه مؤثرند، اما بسیار پرهزینه هستند.
فونداسیون شناور و مقاومت در برابر زلزله
یک گنبد یا دیوار باربر که روی فونداسیون شناور ساخته شده باشد، به طوری که پایهی آن با لایهای از شن یا ماسه از زمین جدا شده باشد، ساختاری ایدهآل برای مقاومت در برابر زلزله فراهم میکند. فونداسیون پیوسته یا حلقهای میتواند روی زمینی که در حال حرکت است لغزش داشته باشد، در حالی که بخش فوقانی سازه که جرم آن به صورت تصاعدی به سمت رأس کاهش مییابد، بهعنوان یک قطعهی یکنواخت و یکپارچه عمل میکند و از وقوع شکستهای موضعی در قسمتهای بالایی ساختمان جلوگیری میکند.
آزمایشهای سازهای در هسپریا
آزمایشهای سازهای که در طول پژوهشهای فشرده بر روی نمونههای اولیه در هسپریا انجام شد، هر دو نوع نیروی بار زنده و مرده، و نیز بارهای استاتیک و دینامیک را مورد بررسی قرار داد. طراحی سازهای و فرآیند آزمایشها توسط «فیلیپ ویتوره» از شرکت «P.J. Vittore, Ltd.» انجام شد. نتایج موفق این آزمایشها توسط آزمایشگاه تأییدشدهی ICBO، یعنی «بازرسی و آزمایش جنوبغربی» ثبت گردید.
آنچه در ادامه میآید، ترتیب زمانی آزمایشهاست که شامل آزمونهای بارگذاری استاتیک و دینامیک بر روی نمونههای اولیهی سازههای کیسهشنی/اَبرخشتی/اَبربلوکی و مصالح بنایی است:
مدلهای آزمایش شده و تواریخ آزمایشهای کد ساختمانی
1- دو گنبد ساختهشده با کیسههای شنی استاندارد و سیمخاردار، پرشده از خاک و شن بیابانی خالص که از محل پروژه برداشت شده بود. در گنبد اول، خاک کاملاً خشک بود، در حالی که در گنبد دوم، خاک پیش از پر کردن کیسهها مرطوب شده بود.
2- یک ساختار طاقی متشکل از سه طاق به هم پیوسته که با خاک و شن بیابانی خالص برداشتشده از محل ساخته شد. دیوارها با کیسههای شنی استاندارد و سیمخاردار، همچنین با کیسههای لولهای بلند (ابرخشت/ابرآجر) که با خاک مرطوب پر شده بودند، بنا شدند. مادهی سقف برای دال ۴ اینچی (۱۰۲ میلیمتر) همان خاک تثبیتشده با ۷ تا ۱۰ درصد سیمان پُرتلند بود.
3- یک گنبد سوراخدار به ضخامت ۴ اینچ (۱۰۲ میلیمتر) ساخته شده از آجرهای رُسی پخته شده با ملات سیمانی، بدون هیچ گونه آرماتور.
ژوئن ۱۹۹۲
دو زمینلرزه در بیگبِر و لندرز کالیفرنیا، با قدرتهای 9/6 و 4/7 ریشتر، محل پروژهی موسسهی کال-ارث در هسپریا را تحت تاثیر قرار دادند. در این زمان، گنبد آجری تکمیل شده و گنبد کیسهشنی/اَبرخشتی/ابرآجری در حال ساخت بودند.
اکتبر ۱۹۹۲
نقشهها و طراحی مهندسی دو گنبد نمونهی اولیه از ابرخشت و مصالح بنایی به ادارهی ساختمان و ایمنی هسپریا ارائه و توسط این اداره با همکاری ICBO بررسی شد.
۲۴ تا ۲۷ سپتامبر ۱۹۹۳
دو زمینلرزه در بیگبِر و لندرز کالیفرنیا، با قدرتهای 9/6 و 4/7 ریشتر، محل پروژهی موسسهی کال-ارث در هسپریا را تحت تاثیر قرار دادند. در این زمان، گنبد آجری تکمیل شده و گنبد کیسهشنی/اَبرخشتی/ابرآجری در حال ساخت بودند.
۱۸ فوریه ۱۹۹۴
مجوز ساخت برای سازههای گروه M، بخش ۱ و گروه B، بخش ۲ طبق کد UBC در هسپریا به عنوان بخشی از برنامهی نمونهی اولیه صادر شد.
۲۷ اکتبر ۱۹۹۴
نقشهها و محاسبات مربوط به موزه و مرکز طبیعت هسپریا، که با استفاده از فناوری معماری خاکی و سرامیکی (ابربلوک/ابرخشت و مصالح بنایی/سرامیک) ساخته میشدند، به ادارهی ساختمان و ایمنی هسپریا ارائه و با همکاری ICBO بررسی شد.
۱۲ تا ۱۳ دسامبر ۱۹۹۵
آزمایشهای شبیهسازی شدهی بار دینامیک و استاتیک بر روی تمام نمونههای سازهای مرتبط با پروژه انجام شد تا ایمنی آنها برای تمام گروههای کاربری کد UBC تایید شود. این آزمایشها شامل گنبد اَبربلوکی/اَبرخشتی (پوستهی فشاری با دو انحنا)، طاق (پوستهی فشاری با یک انحنا) و گنبد بنایی بودند. پایش آزمایشها توسط آزمایشگاه Southwest Inspection and Testing انجام شد.
۲۷ دسامبر ۱۹۹۵
گزارش آزمایشگاه Southwest Inspection and Testing به ICBO و ادارهی ساختمان و ایمنی هسپریا ارائه شد که نتیجهگیری کرد تمامی آزمایشها فراتر از الزامات ICBO و شهر هسپریا بوده است.
۷ مارس ۱۹۹۶
مجوز ساخت برای موزه و مرکز طبیعت هسپریا توسط ادارهی ساختمان و ایمنی این شهر صادر شد.
۸ ژانویه ۱۹۹۸
مجوز «انواع خانههای معماری خاکی-محیطزیستی: نقشههای خانهی اَبرخشتی برای مدلهای سه و چهار خوابه» توسط ادارهی ساختمان و ایمنی هسپریا صادر شد و به عنوان نقشههای آماده برای خانهی Earth One و مدلهای متنوع آن به ثبت رسید.
شرایط اقلیمی آزمایشی
در طول این دوره، تنشهای اقلیمی وارد بر سازههای پروتوتایپی زیر نظر قرار گرفت؛ این شرایط شامل سیلابهای ناگهانی، بارانهای سنگین، گرمای خشک تا ۱۱۵ درجهی فارنهایت (۴۶ درجهی سانتیگراد)، یخبندان و برف، و بادهای شدید بود.
کاربردهای جهانی
نرمافزارهای مدرن مهندسی اکنون امکان تحلیل طراحی سازهای را به صورت فردی فراهم کردهاند. همچنین این نرمافزارها امکان استفاده از سامانههای کیسهشنی/اَبرخشتی/ابربلوکی را در ساختوسازهای فضایی و سیارهای بر اساس برنامههای عملکردی مانند تحلیل المان محدود فراهم میآورند.
ساخت زیرساختها، ساختمانها و المانهای حفاظتی (مانند سپرهای حرارتی، تابشی یا ضربهای) بر روی ماه و مریخ، در غیر این صورت مستلزم حمل و نقل بسیار پرهزینهی مصالح ساختمانی به فضا میبود. بنابراین استفاده از مواد موجود در محل، با حداقل فرآوری، برای اکتشافات فضایی حیاتی است.
کنترل سیلاب؛ کنترل فرسایش؛ تثبیت سواحل رودخانهها، دامنههای کوه و خاکریزها؛ دیوارهای حائل، محوطهسازی و زیرساختها از جمله کاربردهایی هستند که سامانهی کیسهشنی/اَبرخشتی/ابربلوکی پتانسیل بالایی در آنها نشان داده است.
این سامانه بار دیگر به افراد این امکان را میدهد که بدون نیاز به ماشینآلات سنگین، با استفاده از مصالح بومی محل، خانههای خود را بسازند. تمامی مهارتهای لازم ساده هستند و هر فردی که بخواهد میتواند آنها را یاد بگیرد. سامانهی کیسهشنی/اَبرخشتی/اَبربلوکی میتواند از ماشینآلات موجود پیمانکاران، مانند پمپهای بتن و پاششی، برای مکانیزهکردن فرایند پر کردن کیسهها بهره ببرد.
سامانهی کیسهشنی/اَبرخشتی/ابربلوکی به صورت بینالمللی توسط سازمان ملل متحد برای نمونههای اولیهی مسکن اضطراری استفاده شده است و هماکنون به طور محدود در چندین قاره و در چندین ایالت آمریکا در حال ساخت است. مجوزهای بیشتری نیز از سایر حوزههای مسئول ساختمان و ایمنی در کالیفرنیا و جنوب غربی آمریکا در دست پیگیری است.
در صورتی که این سامانه در کد ساختمانی بینالمللی 2000 ادغام شود، میتواند به صورت جهانی برای انواع مختلف ساختمانها، از جمله ساخت مسکن اضطراری، مورد استفاده قرار گیرد و به طور گسترده در ایالات متحده برای ساخت مسکن استاندارد به کار رود.
