استادیوم مدرن 428 میلیون دلاری Blue Jays تورنتو با ساختار هنری خاص خود در کنار برخورداری از بالاترین رکورد برد و باخت در لیگ آمریکایی بیسبال شهرت فراوانی دارد. بهره‌برداری از این سازه در سال 1989 شروع شد. سقف آن قابلیت جمع شدن را دارد. از زمان افتتاح تا کنون این توانایی امکان نفوذ نور به داخل در بعد از ظهر‌های آفتابی و جلوگیری از بارش باران در زمین بازی در روز‌های بارانی را فراهم کرده است.

سقف سهمی شکل ورزشگاه که 90 میلیون دلار از کل هزینه ساخت سازه را به خود اختصاص داده و در عریض‌ترین حالت 680 فوت پهنا دارد، توسط یک سیستم جابه‌جایی باز و بسته می‌شود. این سیستم تکنولوژی محدود و بدون انعطاف را با طراحی جذاب و نیازمند به کار در می‌آمیزد. سه لایه سقف به طور جداگانه سطح فوقانی ورزشگاه را در بر گرفته‌اند. سیستم مذکور باز و بسته شدن آن‌ها را امکان‌پذیر ساخته است. هر لایه از لحاظ اندازه و ارتفاع با دیگری تفاوت دارد. وقتی سقف باز می‌شود، چهار قسمت آن در نقطه‌ای در انتهای شمالی استادیوم جمع شده و با این کار تقریبا 90 درصد از فضای پنجاه و دو هزار ظرفیتی را برای بازی بیسبال در معرض نفوذ نور خورشید قرار می‌دهد. ظرفیت این سازه برای کنسرت‌ها 70000 نفر و برای مسابقات فوتبال 54000 نفر است.

بین باز یا بسته بودن سقف و رکورد برد و باخت‌ها در بازی ظاهرا هیچ ارتباط خاصی وجود ندارد. در اولین سال بهره‌برداری از Skydome بنا به گفته برخی از تماشاچیان دقیق بیسبال هنگام باز بودن سقف کسب امتیاز کار سختی بود. اما امروزه با توجه به اظهارات مایکل آلن، مهندس عمرانی که در ایجاد قابلیت باز و بسته شدن سقف ورزشگاه بسیار موثر بوده، می‌توان دریافت که این مشکل برطرف شده و کم بودن امتیاز در مقایسه با وضعیت سقف ارتباط نزدیک‌تری با کاهش ضربه‌های وارده به توپ دارد.

مکانیسم حرکت سقف‌ها توسط شرکت قدیمی Cart & Donald و شرکا طراحی شده و شرکت ساختمانی Dominion Bridge در تورنتو آن را ایجاد کرده است. این شرکت با استفاده از یک سری کنترل کننده‌های دقیق و با برخورداری از قابلیت برنامه‌ریزی اقدام به کنترل دو موتور یکی با قدرت پنج اسب بخار و دیگری ده اسب بخار کرده است. این کار در نهایت می‌تواند منجر به حرکت دادن بالن‌ها در مسیر‌های تعیین شده بشود. این بالن‌ها با استفاده از یک نوع تکنیک نیرو محرکه مشابه با روش به کار رفته در برخی قطار‌ها با ریل‌های سبک و جرثقیل مخصوص کشتی، اسکلت سقف‌ها را نگه داشته و حرکت می‌دهند. استفاده از این سیستم در پایان جابه‌جایی 7200 تن از وزن سقف را در پی دارد.

بالن‌ها از یک سری صفحات جوشکاری شده فولادی تشکیل شده‌اند که اجزای موثر در انتقال قدرت را در خود جای داده‌اند. این قطعات ترکیبی از موتور‌های dc با قدرت 240 ولت و جعبه دنده‌هایی با نسبت 274 به یک برای دو قطعه مرکزی و 160 به یک برای قطعه عقبی سازه در انتهای جنوبی استادیوم را تشکیل می‌دهند. قطر چرخ‌ها با توجه به موقعیت آن‌ها در سقف در اندازه‌های 18، 24، 27، 30 یا 36 اینچ متغیر است. در نهایت محور‌های چرخ‌ها نیز از اجزای مهم این صفحات به شمار می‌روند.

همزمان با ارسال فرامین از کامپیوتر به موتور‌ها، قطعات سقف به ترتیب توسط بالن‌ها به حرکت در می‌آیند. قطعه عقبی سازه به وسیله 22 بالن که هر کدام به هشت چرخ مجهز هستند، حرکت کرده و جابه‌جایی قطعات مرکزی نیز توسط شانزده بالن و نود و شش چرخ مربوط به آن (هر کدام شش چرخ) صورت می‌پذیرد.

اندازه مناسب

در حالت بسته، استادیوم آن قدر بزرگ است که بتواند یک ساختمان سی و یک طبقه‌ را در خود جای دهد. اجرای چنین سیستم جابه‌جایی سقفی در ساختمانی با این ابعاد بیان‌گر چالش‌های عظیم مهندسی در این پروژه است. در وهله اول، برای ایجاد ساختار هندسی سازه نیاز به وجود یک شکل سهمی مانند از اسکلت سقف‌ها احساس می‌شود. به دلیل تنوع بالن‌های سقف در اندازه، حجم‌های متنوعی از فشار بر روی آن‌ها به وجود می‌آید. هر کدام از صفحات سقف نیز از برآمدگی خاص خود برخوردار بوده و به علت تکنیک جمع شدن به کار رفته در آن‌ها یک روش خاص و منحصر به فرد به حساب می‌آید. در مواقعی که سقف بسته است، درزگیری‌ها توسط پلی اورتان و لاستیک قابل انبساط فضای بین این قطعات را پر می‌کند. علاوه بر طراحی پیچیده سازه، قسمت عقبی سازه از یک نوع پایه نیم دایره‌ای شکل مشابه با قطعه ثابت موجود در آن سر دیگر استادیوم برخوردار است. به این ترتیب این قسمت عقبی نیاز به نوعی مکانیسم خاص متفاوت با مکانیسم دو قطعه متحرک دیگر دارد. آلن و روبی راهی را به وجود آوردند تا امکان حرکت این جزء پایه‌ای نیم دایره شکل در یک مسیر ویژه فراهم شود. وقتی سقف باز است، این قطعه 180 درجه دورتر از نقطه آغاز بی‌درنگ بر روی بخش ثابت بی‌حرکت می‌ماند.

ایجاد یک سقف ایمن برای تماشاگران از مهم‌ترین اصول مهندسی برای طراحان به شمار می‌رود. با توجه به این نکته، آن‌ها یک طرح کنترلی به وجود آورده‌اند که از خروج کامل یک قطعه یا یک طرف آن از مسیر تعیین شده جلوگیری می‌کند. چنانچه یک نوع حرکت غیر قابل قبول احساس شود، کلید‌های ایمنی سیستم را خاموش می‌کنند. در صورت وجود برف بر روی سقف نیز سازه بسته می‌ماند.

مفهوم خلاقیت

ایده ساخت یک سازه با قابلیت جمع شدن توسط آلن به وجود آمد. او کسی بود که با کمک یک معمار به نام "راد روبی" این مفهوم را تحقق بخشید. هر دو نفر از مدیران شرکت بین المللی "Ran" در تورنتو به شمار می‌رفتند. اساس این کمپانی را مشارکت بنگاه‌های متعهد به طراحی Sky dome و مرور ساختار آن تشکیل می‌داد. اگر چه انجام این کار روش جدیدی در زمینه امکان جمع شدن سقف به حساب می‌آمد، اما این ورزشگاه تنها استادیومی نیست که از این نوع معماری بهره می‌برد. برای نمونه، استادیوم المپیک مونترال که میزبانی بازی‌های المپیک تابستانی 1976 را بر عهده داشته و هم اکنون نیز به عنوان استادیوم خانگی تیم بیسبال لیگ ملی مونترال به حساب می‌آید، یک سقف پارچه‌ای دارد که می‌تواند در یک برج جمع شود. اما به علت برخی مشکلات موجود در زمینه جمع شدن آن، سقف هنوز بسته است.

"Civic Arena" در پترزبورگ با ظرفیت 20000 تماشاگر همواره پذیرای مسابقات تنیس، فوتبال، چوگان، کنسرت‌ها و همایش‌های مختلف بوده است. سقف این استادیوم با استفاده از قابلیت خود در جمع شدن از سال 1961 تاکنون در شرایط مختلف باز یا بسته بوده است. وقتی سقف باز است، شش قسمت سقف هر یک به طور مجزا روی یک پایه سنجاقی شکل چرخیده و قبل از تکیه دادن به دو جزء ثابت و پایه در طول ریل‌های منحنی شکل غلت می‌خورند. این سیستم به وسیله یک سری سوییچ‌های الکتریکی فعال می‌شود. اما در مرحله بعد تصمیم‌گیری در خصوص باز بودن سقف بستگی به آب و هوا دارد. باز یا بسته شدن سقف بیست و یک تا بیست و دو دقیقه وقت می‌برد.

طرح‌های رقابتی

در سال 1985 میلادی، طرح قابلیت جمع شدن مجدد سقف از میان سه طرح دیگر برگزیده شد. در میان پیشنهاد‌های مطرح شده یک نمونه سقف مستطیلی شکل با قابلیت جمع شدن وجود داشت که استفاده از محیط بیرون زمین مسابقه را به تعویق می‌انداخت. سرانجام طرح ارائه شده از سوی آلن و روبی به عنوان طرح برگزیده انتخاب شد. به عقیده آن‌ها ارائه یک استدلال منطقی برای افزایش احتمال موفقیت در اجرای پروژه و تامین هزینه‌ها لازم و ضروری بود.

در راستای توسعه این ایده، مهندسان معمار و ساختمان دوباره به اصول و پایه کار رجوع کردند. آن‌ها می‌دانستند که استفاده از روش تا شدن از پشت در خصوص یک سقف مستطیلی شکل می‌تواند مفید باشد. در هر صورت، هندسه خاص استادیوم نیازمند آن بود که دو قطعه انتهایی نیم دایره‌ای شکل در محل نصب سقف بر روی دیوار‌های استادیوم وجود داشته باشند. یک چهارم سازه بی‌هیچ مشکلی ثابت می‌ماند. اما در خصوص آن یک چهارم دیگر که در مقابلش قرار داشت، یک مسیر دایره‌ای شکل ایجاد شده بود که امکان حرکت به دور آن را برای قطعه مورد نظر فراهم می‌کرد. پایه قطعه قسمتی از مسیر دایره‌ای شکل را شامل می‌شد.

شرکت آلن با عنوان "Adjeleian Allen Rubeli"، یک مدل محاسباتی از معادلات مختلف را ارائه کرد که ساختار هندسی سقف را توصیف کرده و در کنار یک طرح کامپیوتری برای ایجاد شکل سازه از آن استفاده می‌شد. از طریق توضیح محاسباتی شکل سقف و توسعه یک نوع نرمافزار کامپیوتری در راستای احداث راس‌هایی متناسب، طراحان قادر بودند تا در یک روز ساختار هندسی تمام اسکلت‌های سقف برای قطعات مرکزی را به وجود بیاورند.

دو قطعه دیگر نیز با استفاده از مدل‌های محاسباتی طراحی شدند. به علت پیچیدگی فراوان ساختار هندسی سازه، از CAD هم در توسعه ساختار هندسی و هم در تعریف مختصات استفاده زیادی شد. گرافیک‌های کامپیوتری با استفاده از سیستم طراحی جنرال و توسط شرکت "McDonnell Douglas" (سنت لوییس) ایجاد شد.

قطعات سقف بر اساس روش حالت‌های حد پایه‌گذاری شد. این روش یک تکنیک طراحی ساختاری استاندارد است که به طور مجازی تمام بار وارد شده به سقف را شامل می‌شود. به عنوان مثال، طراحان ضمن محاسبه فاکتور‌هایی از قبیل فرسودگی، شکستگی، لغزش، ارتعاش و شکاف در قطعات، توانایی یک ساختار برای برخورداری از یک عملکرد مداوم را در نظر می‌گیرند. آن‌ها با استفاده از یک برنامه تحلیل عناصر محدود و با کاربرد کلی به نام Sap IV طرح‌های خود را تجزیه و تحلیل می‌کنند. این برنامه توسط دانشگاه کالیفرنیا در Berkeley ارائه شده است.

مکانیسم حرکت

نیرو‌های واکنشی ایجاد شده توسط اسکلت‌ها طی فرایند طراحی قطعات ایجاد شده و سپس به شرکت Carr & Donald واگذار ‌شد. این شرکت وظیفه طراحی سیستم حرکتی حمایت کننده در مقابل این فشار‌های وارده به سقف را بر عهده داشت. از همان ابتدا، شرکت لیستی از ملزومات طراحی در اختیار داشت که ایجاد یک مکانیسم حرکتی با توان باز یا بسته کردن سقف در طول بیست دقیقه با حداکثر سرعت باد چهل مایل در ساعت را شامل می‌شد. از دیگر موارد این لیست می‌توان به طراحی یک سقف با قابلیت باز شدن 200 بار در سال و ادامه این روند در صد سال آینده، امکان دسترسی آسان به اجزای سیستم از قبیل چرخ‌ها، موتور‌ها و گیربکس‌ها در صورت نیاز به تعمیر، استفاده از اجزای آزمایش شده در عرصه صنعت و تکنولوژی و توسعه سیستمی با توانایی مدیریت ساده و ایمن اشاره کرد.

این شرکت با تحقیق در خصوص امکان انجام واکنش‌های مختلف و تصورات متعدد در رابطه با فرایند بسته شدن سقف کار خود را شروع کرد. این کار منجر به ایجاد مکانیسم‌های گردانی شد که با استفاده از قدرت برق و هیدرولیک، چرخ‌های حرکت کننده به وسیله موتور الکتریکی، یک چنگک و چرخ دنده جناحی میله‌دار برقی و سیلندر‌های بادی و هیدرولیکی به کار رفته در یک سیستم متشکل از دو لوله الکترونی دارای جریان در دو جهت متضاد کار می‌کردند.

در راستای ابداع روشی در زمینه انجام مکانیسم جمع شدن مجدد سقف، این شرکت ابتدا برنامه‌ای تهیه کرد که به تجزیه و تحلیل واکنش‌های اسکلت آن می‌پرداخت. هزاران ترکیب مختلف از فشار‌های وارده از طریق میخ‌هایی منتقل می‌شوند که انتهای هر کدام از اسکلت‌ها را به یک جفت چرخ وصل می‌کنند. با استفاده از این نرم افزار، مهندسان تشخیص می‌دهند که این واکنش‌ها چگونه به چرخ‌های قرار داده شده بر روی ریل‌ها منتقل می‌شوند.

طراحی انعطاف‌پذیر اجزای سقف به منظور باز و بسته شدن آن، متناسب با تغییرات متنوع آب و هوایی انجام شده است. درجه حرارت محیط از 95 درجه فارنهایت در فصل تابستان تا 45 درجه فارنهایت در پایان پاییز متفاوت است. سقف معمولا در زمستان بسته است. چرخ‌های جفتی به همان اندازه که ایستادگی در مقابل نیروی گرانش، برف و باد را تجربه می‌کنند، متحمل فشار‌های وارده از سوی نیرو‌های ارتعاشات لرزه‌ای و دینامیک ایجاد شده توسط قطعات نیز خواهد شد. علاوه بر این، ساختار سقف نیز فشار‌هایی را از جانب چرخ‌های جفتی تحمل می‌کند که نیرو‌های ناشی از شتاب و کاهش سرعت، عدم تنظیم مناسب به علت مقاومت در مقابل فشار یا پوشش، انبساط گرمایی عرضی اجزا و میزان متفاوت پس‌زدگی قطعه که دو سر مخالف یک قسمت از سقف را به بیرون از مسیر‌های موازی تعبیه شده هدایت می‌کند، را شامل می‌شود. سیستم جابه‌جایی به حرکت قطعات سقف از 1800 تن برای قطعات یک چهارم سازه تا 2600 و 2800 تن برای دو قطعه مرکزی نیاز دارد.

موارد جداگانه

در طراحی چرخ‌های جفتی از دو برنامه تحلیلی عناصر محدود شامل تصاویر 3D از شرکت نرم افزار "Celestial" (Berkeley, Calif.) و "Ansys" از شرکت سیستم‌های تحلیلی Swanson (Houston, Pa.) استفاده شده است. از همان ابتدا، قطعه یک چهارم سازه و دو قطعه مرکزی از لحاظ طراحی دو مفهوم جداگانه در نظر گرفته شدند. Carr & Donald تصمیم گرفتند تا از چرخ‌های موتوری همراه با قطعه یک چهارم سازه و از یک سنگ و چرخ‌دنده همراه با دو قطعه مرکزی استفاده کنند. اما به کارگیری سنگ و چرخ‌دنده سخت بود، بیشتر از آن جهت که در این صورت لزوم پوشش دادن درز‌های انبساط در دیوار‌های استادیوم احساس می‌شد. هنگام باز شدن سقف، مکانیسم باید مستقیما بر روی دیوار‌ها قرار می‌گرفت، به این ترتیب فشار به سنگ و چرخ‌دنده جناحی میله‌دار منتقل می‌شود.

هری چارالامبو، مهندس نقشه‌کشی ایده‌پرداز در طراحی سقف در گذشته و یکی از شرکای کنونی شرکت "Hatch" (Mississauga, Ontario) می‌گوید: "داده‌های طرح اولیه حاکی از آن بود که وجود بار ناکافی به سمت پایین، اصطکاکی میان چرخ‌های جفتی و ریل‌های فلزی ایجاد کرده است. از طرف دیگر، نصب یک سنگ و چرخ‌دنده پر هزینه است. علت این است که این کار تلرانس (فاصله مجاز) کم در ساخت و نصب را شامل می‌شود."

با دسترسی به داده‌های دریافتی از آزمایش تونل باد انجام شده توسط مهندس مشاور ویلیامز دیویس و شرکت "Irwin" (Guelph, Ontario)، امکان جلوگیری از وقوع این اتفاقات برای طراحان وجود دارد. شرکت به بررسی بار ایجاد شده توسط باد و برف بر روی قطعات سقف سازه پرداخت. در ادامه پیش‌بینی‌هایی در خصوص تاثیر ساختمان‌های مجاور بر روی ساختار سقف استادیوم صورت گرفت. نتایج آزمایشات حاکی از آن بود که چرخ‌های موتوری در کنار استفاده از قطعات مرکزی به طور غیرمنتظره‌ای خوب کار می‌کنند.

نیروهای واکنشی به وجود آمده در چرخ‌های جفتی یک چهارم سازه با چرخ‌های جفتی ایجاد شده در دو قطعه مرکزی تفاوت دارند. این بدان علت است که ساختار هندسی قطعات و مسیر‌ها با هم متفاوت است. قسمت‌های مرکزی سقف قاعده‌ای صاف و مستقیم داشته و به این ترتیب در طول یک خط مستقیم قرار داده شده‌اند. در نتیجه، چرخ‌های جفتی و مسیر‌های آنها از طرحی متفاوت با اجزای مشابه مورد استفاده در قطعات یک چهارم سازه برخوردار هستند.

منظور از بار‌های ساختاری ایجاد شده توسط دو بخش مرکزی این است که چرخ‌های جفتی باید به صورت قطعات جداگانه با زاویه 50 و 55 درجه از سطح‌ تراز شیبی ملایم داشته باشند. علاوه بر این، پایه‌ها در سه جهت مورد حمایت قرار می‌گیرند. در نتیجه، هر چرخ جفتی از چهار چرخ اصلی ساخته می‌شود که ضربه وارده از سوی بار‌ها را تحمل می‌کنند. از دیگر اجزای آن می‌توان به دو چرخ سگدست اشاره کرد که امکان هدایت و جذب یا نگهداری بار به صورت افقی را فراهم می‌کند.

یک چهارم سازه، از طرف دیگر، به حمایت یک چرخ جفتی در چهار جهت نیاز دارد. هر چرخ جفتی هشت چرخ دارد؛ هر دو عدد چرخ مخصوص یک جهت است.

امتیاز ویژه

سیگنال‌های کنترل و قدرت از طریق یک نوع قرقره‌های سیمی ایجاد می‌شود. این سیم‌ها به دور یک سری دستگیره‌های خاص می‌چرخند که از قبل بر روی هر کدام از سه قطعه متحرک نصب شده است. علاوه بر این سیم‌های دیگر به صورت جداگانه همزمان با هر قطعه از پیچ‌خوردگی درآمده و باز می‌شوند.

حرکت قطعات سقف با استفاده از تجهیزات الکترونیکی موجود در دفتر مرکزی واقع در طبقه اول ورزشگاه به طور کامپیوتری کنترل می‌شود. این کنترل کننده‌ها بر روی هر یک از قطعات سقف قرار گرفته اند.

حرکت چرخ‌های جفتی نیازمند استفاده از یک سری موتور‌های 240 ولت جریان مستقیم ساخته شده توسط شرکت جنرال الکتریک است. فرامین و دستورات به این موتور‌ها منتقل می‌شوند. قدرت موتور‌ها از پنج اسب بخار برای قطعه یک چهارم تا حداکثر 10 اسب بخار برای قطعات مرکزی تغییر می‌کند. استفاده از گیربکس‌های ساخته شده توسط دو شرکت "Machine Hamilton Gear" و "Wilson Machine" منجر به کاهش سرعت هر یک از چرخ‌های جفتی می‌شود.

همزمان با قطع برق منبع نیرو، موتور‌های چرخ جفتی نقش ژنراتور را ایفا می‌کنند. حین تولید برق توسط موتورها، به جای به جلو راندن قطعات، آن‌ها به عنوان ترمز نقشی بازدارنده را اجرا می‌کنند. با هدف پشتیبانی از سیستم حرکت سقف، ترمز‌های الکترومکانیکی نیز فعال شده و به طور مستقیم در صورت قطع برق یا توقف حرکت سقف به عنوان دسته (بدنه) موتور به کار می‌روند.

سیستم حرکتی، شکل سقف و تکنیک خاص جمع شدن "Skydome"، این سازه را در میان رقبای خود منحصر به فرد کرده است. در شرایطی که "Blue Jays" سعی می‌کند تا جوایز جهانی را نصیب خود کند، این استادیوم و سقف تاشو آن پیش از این یک جایزه بزرگ را از آن خود کرده است. این جایزه از سوی سازمان ثبت اختراع و علایم تجاری آمریکا به آن اعطا شده است. به گفته مایکل آلن این اتفاق بسیار عجیبی است که یک سازه جایزه‌ای را از آن خود کند، اما به علت شکل و عملکرد منحصر به فرد "Skydome" این کار به درستی انجام گرفته است.