گنبد یکپارچه monolithic dome ، از واژه‌های یونانی “مونو“ به معنای “یک” و “لیتیک“ به معنای “سنگ”، یک ساختار پوسته‌ای نازک است که به صورت یکپارچه و در یک قالب ساخته میشود. این قالب ممکن است دائمی یا موقت باشد و می‌تواند بخشی از ساختار نهایی باشد یا پس از تکمیل سازه حذف شود.
گنبدهای یکپارچه به‌عنوان نمونه‌ای از معماری یکپارچه شناخته می‌شوند، که هدف آنها ایجاد ساختارهایی پایدار، کارآمد و مقاوم است.
این نوع سازه‌ها به دلیل ساختار یکنواخت خود، استحکام بالا و مقاومت در برابر بارهای محیطی مانند باد، زلزله و تغییرات دما بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. علاوه بر این، طراحی یکپارچه آنها باعث کاهش نیاز به اتصالات و در نتیجه افزایش طول عمر سازه میشود.
ایگلو ها تقریبا قدیمی‌ترین شکل گنبد یکپارچه است. اگرچه این گنبدها از بلوک‌های برف فشرده ساخته شده است، این بلوک‌ها ذوب شده و دوباره یخ می‌زنند تا یک ساختار قوی و همگن تشکیل دهند. شکل گنبدی ایگلو دو مزیت اصلی یک سازه گنبدی را نشان می‌دهد: استحکام زیاد و عایق‌بندی خوب.
استحکام ناشی از قدرت طبیعی قوس است و عایق‌بندی به دلیل مساحت سطحی حداقلی یک بخش کروی ایجاد میشود.
اولین گنبد یکپارچه مدرن در پرووو، یوتا ساخته شد و در سال 1963 به‌عنوان پیست اسکیت یخی افتتاح شد. این ساختمان پس از تبدیل به فروشگاه عمومی در سال 1967 توسط مالک جدید شد و تا سال 2006 که به‌دلیل ساخت‌وساز جدید تخریب شد، باقی ماند.
امروزه، گنبدهای یکپارچه در پروژه‌های مسکونی، تجاری و صنعتی متنوعی استفاده می‌شوند. به‌دلیل استحکام، دوام و صرفه‌جویی اقتصادی، از آنها برای ذخیره مقادیر زیادی از کالاهای مختلف در صنایع سیمان، کود، کشاورزی، انرژی و معدن استفاده میشود. به‌خاطر یکپارچگی ساختاری آنها، در برخی از نیروگاه‌های هسته‌ای به‌عنوان سازه‌های محصورکننده استفاده می‌شوند. قالب‌ها از تقریباً هر ماده ساختاری رایج ساخته شده‌اند، از جمله پارچه‌های پشتیبانی‌شده با فشار هوا.
این سیستم توسط سه برادر در آیداهو در آمریکا به نام‌های دیوید، بری و رندی ساوت توسعه داده شد. اولین گنبد ساخته شده با استفاده از این روش در آوریل 1976 در شلی، آیداهو ساخته شد.
مزایا
صرفه جویی در انرژی
صرفه‌جویی در انرژی از طریق ترکیب خاص بتن و فوم در ساخت گنبد یکپارچه حاصل میشود که به ایجاد یک سیستم خورشیدی طبیعی کمک میکند. برخلاف اکثر ساختمان‌های معمولی که عایق‌کاری از داخل انجام میشود، گنبد یکپارچه دارای لایه‌ای از فوم پلی‌اورتان است که بتن سازه‌ای ساختمان را از بیرون می‌پوشاند. این ویژگی به بتن گنبد اجازه می‌دهد تا مانند یک باتری حرارتی عمل کرده و انرژی گرمایی را ذخیره و منتشر کند.
در اصطلاح عامیانه، این بدان معناست که در هوای سرد، فضای داخلی گنبد را گرم میکند و بتن گرما را جذب و ذخیره میکند از طرفی در حالی که پلی اورتان از هدررفت گرما به بیرون جلوگیری میکند. گرمای ذخیره شده در بتن در سرتاسر سازه پخش میشود، نوسانات دما را به حداقل می رساند و در نهایت باعث صرفه جویی در هزینه صاحبان گنبد یکپارچه در هزینه انرژی می شود. در آب و هوای گرم هم همینطور است. بتن در داخل خنک میشود، پلی اورتان از آن در برابر دمای گرم بیرون محافظت می کند و هر گرمای تولید شده در داخل (از افراد خانه یا آشپزی و غیره) توسط بتن جذب میشود و فضای داخلی را خنک نگه می‌دارد.
مقاومت در برابر بلایا
گنبد یکپارچه می تواند در برابر گردباد، زلزله، طوفان و آتش مقاومت کند. این روش ساخت در آمریکا تایید شده از این لحاظ در این کشور این سیستم زیاد به کار گرفته میشود.
به گفته‌ی یکی از مهندسین برجستهShell structure آرنولد ویلسون در سال 2011، گنبد یکپارچه، به دلیل ماهیت خود، در صدر فهرست اقتصاد و استحکام برای مقاومت در برابر بارهای شدید قرار دارد.
استفاده از این سیستم ساخت در مناطق زلزله خیز بسیار جایز است.
عدم محدودیت طراحی
ماهیت دهانه آزاد گنبد یکپارچه آن را به ساختاری ایده آل برای آزادی طراحی تبدیل کرده است. توانایی پوسته گنبدی یکپارچه برای پشتیبانی از سازه‌های داخلی یک مزیت طراحی قابل توجه گنبد یکپارچه هم برای کاربردهای مسکونی و هم تجاری است. نمونه‌ها عبارتند از: طبقات دوم، بالکن‌ها، راه‌پله‌ها،لژ مطبوعاتی (در مسابقات)، گالری‌ها، اسکور بورد، شنوایی سنجی و بینایی سنجی و موارد دیگر. همه اینها را می‌توان مستقیماً به گنبد یکپارچه متصل کرد و از آن آویزان کرد و هزینه های ساخت و ساز را کاهش داد.
صرفه جویی در مقیاس
برای ساخت یک خانه گنبدی یکپارچه، هزینه آن برای مالک تقریباً برابر با ساخت یک سازه معمولی با اندازه مشابه است. این به این دلیل است که مصالح مورد استفاده در ساخت گنبد یکپارچه مصالح ساختمانی گران قیمت و باکیفیت هستند، اما شکل ساختمان امکان استفاده بهینه از این اجزای پرهزینه را فراهم میکند.
با این حال، با افزایش اندازه گنبد، در ساخت و ساز صرفه جویی می شود. گنبدهای یکپارچه ساخته شده برای مدارس، امکانات ورزشی، اتاق های امن جامعه، انبارها و موارد دیگر نشان می دهد که هزینه های ساخت اغلب به طور قابل توجهی کمتر خواهد بود.
فرآیند ساخت و ساز
گنبدهای یکپارچه اشکال و اندازه‌های مختلفی دارند. گنبدهای متعدد به هم جوش داده شده، گنبدهای بزرگ روی دیوارهای ساقه بلند، خانه‌های کوچک یک خوابه، و سالن‌های بزرگ. همه اینها فرآیند ساخت و ساز اولیه یکسانی دارند که در ابتدا توسط همان سه برادر ثبت شده بود.
صرفه‌جویی در انرژی از طریق ترکیب خاص بتن و فوم در ساخت گنبد یکپارچه حاصل میشود که به ایجاد یک سیستم خورشیدی طبیعی کمک میکند. برخلاف اکثر ساختمان‌های معمولی که عایق‌کاری از داخل انجام میشود، گنبد یکپارچه دارای لایه‌ای از فوم پلی‌اورتان است که بتن سازه‌ای ساختمان را از بیرون می‌پوشاند. این ویژگی به بتن گنبد اجازه می‌دهد تا مانند یک باتری حرارتی عمل کرده و انرژی گرمایی را ذخیره و منتشر کند.
مرحله اول: تیر حلقه‌ای (Ring Beam)
اولین مرحله، ایجاد یک تیر حلقه‌ای از بتن و فولاد است. این تیر می‌تواند به صورت یک فونداسیون ساده و دایره‌ای، یک دال کف روی زمین با حلقه یکپارچه، یا یک دیوار پایه بلند باشد که تیر حلقه‌ای به صورت یکپارچه در نزدیکی بالای آن قرار دارد. میلگردهای عمودی فولادی (Rebar) در تیر حلقه‌ای تعبیه می‌شوند تا در مراحل بعدی به تقویت‌کننده‌های فولادی خود گنبد متصل شوند.
مرحله دوم: ایرفرم
ایرفرم (Airform) یک غشاء مقاوم از جنس پارچه‌ای با پوشش PVC است که به اندازه و شکل مورد نظر تولید میشود. این غشاء به تیر حلقه‌ای (Ring Beam) متصل میشود. سپس با استفاده از فن‌های دمنده، ایرفرم باد میشود تا شکل مورد نظر سازه ایجاد گردد. فن‌ها در طول فرآیند ساخت فعال باقی می‌مانند. غشاء ایرفرم پس از تکمیل گنبد به عنوان غشاء سقف عمل میکند.
مرحله سوم: فوم پلی اورتان
فوم پلی‌اورتان سلول بسته به سطح داخلی ایرفرم اعمال میشود. ورود به ساختار هوایی از طریق یک راهروی قفل هوا که دارای دو درب است انجام می‌گیرد که به حفظ فشار هوای ثابت در داخل کمک میکند. فوم به صورت لایه‌ای اعمال میشود و در این لایه‌ها، نگهدارنده‌های میلگرد (Rebar Hangers) در داخل فوم تعبیه می‌شوند. ضخامت فوم معمولاً حدود سه اینچ است اما بسته به نوع کاربرد ممکن است متفاوت باشد.
مرحله پنجم: شاتکریت
شاتکریت ترکیبی منحصر به فرد و قابل پاشیدن از بتن است. روی سطح داخلی گنبد یکپارچه اعمال میشود، به صورت لایه‌های روی هم اسپری میشود و روی ایرفرم ریخته نمی‌شود. گنبدهای کوچک معمولاً به سه اینچ شاتکریت نیاز دارند. مقدار بیشتر بسته به اندازه و بارها متفاوت است، اما در نهایت یک گنبد یکپارچه یک سازه بتنی با پوسته نازک است و مقادیر آن بسیار مقاوم است. پس از گیرش بتن و تکمیل گنبد یکپارچه، فن های دمنده خاموش می شوند.
فشار هوا، فوم، فولاد و بتن، یک گنبد بتنی یک تکه، یکپارچه پوسته نازک را تشکیل می دهند. گنبد یکپارچه، کم مصرف ترین، مقاوم در برابر بلایا و مقرون به صرفه ترین ساختمان امروزی است.
نتیجه‌گیری
از دهه ۱۹۳۰، زمانی که برخی از نخستین نمونه‌های سازه‌های ساخته‌شده با ایرفرم (Air-supported Structures)، ابداع شد، علاقه‌مندی به این رویکرد در ساخت سازه‌های بتنی پوسته نازک به طور مداوم وجود داشته است تا امروزه که به شکل پیشرفته تر اجرا میشود.
استفاده از این سیستم شاید در برخی از کاربری ها متحمل هزینه های سنگین شود اما مزایایی که ارائه می‌دهد در برابر این هزینه معقولانه است. این سیستم به خوبی دوام و استحکام مورد نیاز را فراهم میکند همچنین بهره وری از انرژی درجایی که این دو امر حائز اهمیت است را به بهترین نحو ارائه می‌دهد.
باید خاطر نشان کرد که همیشه هزینه در ساخت اولویت نیست بلکه ملاک های دیگری نیز وجود دارد که باید ابتدا به آنها توجه کرد. شکل و ساختار منحصر به فرد این سازه ها نیز یکی از ملاک ها و دلایل انتخابی مالکان و صاحبان پروژه است.