سازه های ماکارونی

[Mohamad]

این مطلب برای آشنایی دانشجویان عمران با سازه های ماکارونی ارائه می گردد. امیدواریم که بزودی شاهد شکوفایی علمی دانشجویان این رشته باشیم:

http://www.jhu.edu/virtlab/image/MVC-007X-thumb.jpg http://www.jhu.edu/virtlab/image/MVC-002X-thumb.jpg
دروس سازه ای که در رشته مهندسی عمران در دانشگاه های ایران تدریس می شود ، معمولا به طور کلی به صورت تئوریک تدریس می گردد و دانشجویان کمتر این دروس را به صورت عملی تجربه می کنند ، بنابراین شاید فهم این دروس به صورت عمیق در حین دوران تحصیل ممکن نباشد .
ساخت سازه هایی توسط فولاد و یا بتن صرفا برای آموزش هم مقدور نمی باشد ، چرا که هزینه تمام شده این کار بسیار بالا است . بنابرلین در سرتاسر دانشگاههای معتبر دنیا ، سعی شده است ، تا بااستفاده از مصالح ارزان قیمت ( به جای بتن وفولاد ) و مدل کردن سازه های واقعی توسط این مصالح ، آموزش دروس سازه ای به صورت عملی ممکن شود . ماکارونی یکی از این مصالح جایگزین می باشد . این عنصر سازه ای جدید به دلیل برخی از خصوصیات ویژه مثل ( سبکی ، دسترسی ساده و ارزان بودن ) بیشتر از دیگر مصالح مشابه مورد توجه قرار گرفته است .
سالانه در آمریکا مسابقات بزرگی در این زمینه بین دانشجویان برگزار می گردد و سازه های ساخته شده توسط ماکارونی به دلیل طراحی بهینه
، به رکورد های غیر قابل باوری دست پیدا می کنند .

http://www.aalog.net/VB0_0037%20copy.jpg


هدف از استفاده از ماکارونی به عنوان عنصر سازه ای
1. در واقع ماکارونی بر خلاف فولاد و بتن عنصر سازه ای ناشناخته ای می باشد . این بدان معنی است که خصوصیات ماکارونی شامل حداکثر تنش کششی ، حداکثر تنش فشاری ، مدول الاستیسیته ، نحوه کمانش ماکارونی و دیگر خصوصیات ماکارونی که مورد نیاز برای طراحی و تحلیل سازه می باشند ، ناشناخته می باشد و تنها راه بدست آوردن این ویژگیها ایجاد وابداع آزمایش های ساده و دقیق می باشد .
2. ماکارونی بر خلاف بتن و فولاد دارای ضعف های زیادی می باشد و این ضعف ها کار را برای طراح مشکل تر می کند و اینجاست که ابداعات و خلاقیت هنر نمایی می کنند و برای رسیدن به رکورد های بالا بهینه سازی سازه ها مطرح می گردد .
3. ارزان بودن ماکارونی نسبت به مصالحی چون فولاد وبتن .

اهداف کلی طرح
1. این طرح در وهله اول به عنوان یک طرح آموزشی می تواند بسیار مفید و سودمند برای دانشجویان رشته مهندسی عمران ایفای نقش نماید ، زیرا این امکان را به دانشجویان می دهد که ، با استفاده از مصالح ارزان ، سبک و قابل دسترس ( ماکارونی به جای بتن و فولاد ) دست به طراحی و ساخت سازه های مختلف زده و با این کار کلیه دروس فراگرفته در رشته سازه را به عمل تجربه نمایند .
2. دانشجویان می بایست با استفاده از مسائل تئوریک فرا گرفته در دروس مقاومت مصالح و آزمایشگاه های مربوط به آن تلاش نمایند تا خصوصیات عنصر سازه ای جدید را کشف نمایند .
3. دانشجویان می بایست با استفاده از تحلیل سازه ها و با بکارگیری نرم افزار های کامپیوتری به طراحی و آنالیز سازه مورد نظر بپردازند.
4. طراحی و ساخت یک سازه بهینه که تحت عنوان بهینه سازی سازه ها مطرح است .
http://www.hamedmonsef.com/images/papers/kharpa%20%284%29.gif
http://www.hamedmonsef.com/images/papers/kharpa%20%283%29.gif

[Mohamad]

معرفی سازه ماکارونی
سازه های ماکارونی به سازه هایی اطلاق می شود ، که مصالح استفاده شده در آنها تنها ماکارونی و چسب می باشد . این سازه ها در مقیاس کوچکتر نسبت به سازه های واقعی طراحی و توسط ماکارونی و چسب ساخته می شوند و پس از ساخت مورد بارگذاری قرار می گیرند .
در واقع این سازه ها به عنوان ماکت ساخته نمی شوند و سازه ای که بار بیشتری را تحمل می کند ، موفق تر خواهد بود . پل ( تحت بارگذاری یکنواخت ، متمرکز و متحرک ) ، Towercrain ، انواع قاب های ساختمانی و ستون های فشاری از جمله رایج ترین سازه های ماکارونی می باشند .
هر ساله در این راستا مسابقات بزرگی در دانشگاه های معتبر دنیا بین دانشجویان رشته مهندسی عمران برگزار می گردد . این دانشگاه ها از سالها پیش در این زمینه سرمایه گذاری کرده تا ذهن خلاق دانشجویان را فعال سازند و از طرحها و پژوهش های آنها در عمل استفاده کنند . طراحی و ساخت پل و ستون های فشاری رایج ترین رشته های این مسابقات می باشند . بطور مثال طراحی و ساخت پل خرپایی تنها با استفاده از 750 گرم ماکارونی ( معادل یک بسته ماکارونی ) که می تواند وزن زیادی را تحمل نماید . طول دهانه پل یک متر و حداکثر ارتفاع پل نیم متر می باشد . پل روی دو تکیه گاه که از یکدیگر یک متر فاصله دارند قرار می گیرد و تکیه گاهها فقط قادر به وارد کردن عکس العمل عمودی می باشند و هیچ عکس العمل افقی در تکیه گاهها بر پل وارد نمی شود . رکورد کسب شده در این رشته ( پل خرپایی ) معادل 176 کیلو گرم می باشد ، که این رکورد تقریبا 230 برابر وزن خود سازه می باشد . همچنین طراحی و ساخت سازه های فشاری که قادر به تحمل بار هایی بیش از نیم تن می باشند ، از دیگر نمونه های این سازه ها هستند . اینجا یک سئوال ممکن است مطرح می گردد ، آیا جنس ماکارونی در دست یافتن به رکورد های بالا موثر است ؟
در این زمینه تحقیقاتی روی محصول های مختلف شرکت های ماکارونی دنیا انجام گرفته و ماکارونی شرکت Rose ایتالیا به عنوان بهترین ماکارونی برای این هدف شناخته شده است .

البته لازم به ذکر است که قدرت و مهارت طراح در ارائه یک طرح موفق ، بسیار مهم تر از جنس ماکارونی در رسیدن به رکورد های بالا می باشد .



معرفی انواع مختلف سازه های ماکارونی

سازه های فشاری :
نوعی پل با دهانه کوتاه ، که اکثر اعضای آن در فشار می باشند . از مزیت های این رشته از مسابقات طراحی اعضای فشاری و بررسی پدیده کمانش در آنها می باشد .

Tower Crain :
دراین نوع از سازه های ماکارونی ، هدف طراحی جرثقیلهایی است که بر روی برجهای بلند به کار گرفته می شوند .این سازه ها باید قادر باشند با داشتن ارتفاع معین شعاع خاصی را تحت پوشش قرار دهند .

پل با بار متمرکز :
این سازه از به هم پیوستن دو خرپای دوبعدی به وجود می آید و بارگذاری از وسط دهانه صورت می گیرد .این نوع پل هر سه نوع عضو فشاری ، کششی و خمشی را دارا می باشد .

پل با بار گسترده :
پل به شکل ظاهری خرپا می باشد ، که بارگذاری به صورت گسترده و یکنواخت در تمام طول دهانه صورت می گیرد . در عمل می توان چنین فرض کرد که تمام وسایل نقلیه به دلیل ترافیک به صورت ثابت بر روی پل قرار گرفته اند .

پل با بار متحرک :
این نوع از سازه ماکارونی در واقع پیشرفته ترین و کامل ترین حالت از سازه ها می باشد ، که در آن طراحان اقدام به طراحی یک پل واقعی می کنند .بار قرار گرفته بر روی پل به صورت متحرک می باشد ، که این امر با عبور دادن یک وسیله نقلیه کوچک با سرعت معین ، که بر روی آن وزنه قرار داده می شود ، صورت می گیرد .

[Mohamad]

معرفي انواع مختلف سازه هاي ماكاروني :

سازه هاي فشاري :

نوعي پل با دهانه كوتاه ، كه اكثر اعضاي آن در فشار مي باشند . از مزيت هاي اين رشته از مسابقات طراحي اعضاي فشاري و بررسي پديده كمانش در آنها مي باشد .

Tower Crain :

دراين نوع از سازه هاي ماكاروني ، هدف طراحي جرثقيلهايي است كه بر روي برجهاي بلند به كار گرفته مي شوند .

اين سازه ها بايد قادر باشند با داشتن ارتفاع معين شعاع خاصي را تحت پوشش قرار دهند .

پل با بار متمركز :

اين سازه از به هم پيوستن دو خرپاي دوبعدي به وجود مي آيد و بارگذاري از وسط دهانه صورت مي گيرد .

اين نوع پل هر سه نوع عضو فشاري ، كششي و خمشي را دارا مي باشد . ( فقط همین پل در ایران ساخته و بارگذاری میشه !)

پل با بار گسترده :

پل به شكل ظاهري خرپا مي باشد ، كه بارگذاري به صورت گسترده و يكنواخت در تمام طول دهانه صورت مي گيرد . در عمل مي توان چنين فرض كرد كه تمام وسايل نقليه به دليل ترافيك به صورت ثابت بر روي پل قرار گرفته اند . ( تو ایران نیست اما تو کشور های اروپایی هست)

پل با بار متحرك :

اين نوع از سازه ماكاروني در واقع پيشرفته ترين و كامل ترين حالت از سازه ها مي باشد ، كه در آن طراحان اقدام به طراحي يك پل واقعي مي كنند .بار قرار گرفته بر روي پل به صورت متحرك مي باشد ، كه اين امر با عبور دادن يك وسيله نقليه كوچك با سرعت معين ، كه بر روي آن وزنه قرار داده مي شود ، صورت مي گيرد . ( تو ایران نیست اما تو کشور های اروپایی هست)



هدف: در آشنایی با عملکرد پل های خرپایی و تشبیه به پل واقعی.

مهارت هایی که یاد خواهند گرفت:
مهارت های عملی تجربی در ساخت پل خرپایی با ماکارونی و نیز با مصالح دیگر مثل چوب(در صورت امکان) ،تشخیص اعضای کششی و فشاری در مدل از طریق تمرین در ساخت پل از طریق نحوه شکستن اعضا در بارگذاری و بر اساس میزان بار ، آشنایی با مفهوم تعادل از طریق نحوه شکستن اعضا در بارگذاری که با توجه به تقارن سازه و بار، شکستگی ها باید (تقریبا) متقارن باشد و نیز کارگروهی و همکاری

مفاهیم علمی پیش نیاز:
آشنایی با مفاهیم نیرو،بردار،مثلثات
مهارت های پیش نیاز:
آشنایی با مثلثات

مفاهیم آموزشی که خواهند آموخت:
آشنایی با سازه(خرپا) : عضو، مفصل، انواع تکیه گاه، شرایط خرپا ها...
انواع پل : پل خرپایی، پل قوسی، پل کابلی ( در این پروژه، پل خرپایی مورد بررسی است)
تحلیل مقدماتی سازه: تعیین نیروی اعضای خرپایی در پل از نظر مقدار و جهت

استوری بورد:
- جلسات ابتدایی: آشنایی با سازه(خرپا) : عضو، مفصل، انواع تکیه گاه، شرایط خرپا ها... تحلیل سازه، تعیین نیروی اعضای خرپایی در پل از نظر مقدار و جهت و حل مثال های متعدد
- آشنایی با انواع پل : پل خرپایی، پل قوسی، پل کابلی
- جلسات عملی: ساخت چند نمونه پل
- آشنایی با استاندارد های مسابقات پل ماکارونی

محصول نهایی:
پل ساخته شده از اسپاگتی(ماکارونی) با وزن مشخص و قدرت تحمل بار با وزن معلوم. میزان وزن و قدرت تحمل بار و طول و ارتفاع طبق استانداردهای مسابقات می باشد

[Mohamad]

چگونه سازه ماكاروني را بهينه كنيم ؟


براي بهينه كردن سازه بايد يك تابع هدف تعريف كنيم .
تابع هدف در مورد سازه هاي ماكاروني دو چيز است :


وزن سازه .
خمش موجود در اعضاء.

سازه مورد نظر را بايد طوري طراحي نماييم ، كه در قبال كمترين وزن بيشترين ركورد را بدست آوريم .
همچنين سازه بايد به گونه اي طراحي گردد ، كه خمش موجود در اعضاي آن به حداقل ممكن برسد . چراكه همانطور كه گفته شد ، ماكاروني در برابر خمش بسيار ضعيف مي باشد .
براي اينكه خمش موجود در اعضاء را به حداقل برسانيم بايد از روش تخم مرغ استفاده نماييم . در تخم مرغ وقتي آن را از بالا و پايين فشار مي دهيم نمي شكند . علت اين امر اين است ، كه نيروي فشاري وارد به خاطر انحناي موجود در تخم مرغ ، قسمت اعظم آن به صورت فشار انتقال پيدا مي كند و قسمت كمي از آن تبديل به خمش مي شود . كه همين اصل در واقعيت باعث بوجود آمدن پل هاي قوسي شده است .
http://www.geocities.com/sbg1381/optimum_files/image003.jpg

از آنجا كه تخم مرغ نيز مانند ماكاروني يك جسم ترد است، بنابراين مي توان با بوجود آوردن همين حالت در ماكاروني از بوجود آمدن خمش تا حد امكان در آن جلوگيري كرد.http://www.geocities.com/sbg1381/optimum_files/image005.gif
اگر همانند شكل 1 ، نيرو را به اعضاء انتقال دهيم ، قسمت اعظم آن به شكل نيروي فشاري انتقال مي يابد و فقط كمي از ان توسط خمش انتقال مي يابد ، در حالي كه در شكل 2 ، انتقال تمام نيرو توسط خمش مي باشد .
بنابراين ، با توجه به توضيحات بالا شكل 1 ، مورد تائيد است .







از طرف ديگر سازه بايد به گونه اي طراحي گردد ، كه تقريبا تمام اعضاي اصلي با تمام ظرفيت خود كار كنند . يعني اينكه در هنگام شكست سازه تمام اعضاي اصلي به حداكثر مقاومت خود رسيده باشند و تقريبا خراب شدن سازه در اثر شكست همزمان تمام اعضاي اصلي صورت گيرد . در اين صورت مي توان گفت كه، از تمام اعضاء به نحو احسن استفاده شده است .

[Mohamad]

چگونه شروع كنيم ؟

براي وارد شدن به اين رشته شما بايد داراي خصوصيات اخلاقي چون كنجكاوي ، خلاقيت ، صبر ، همت و تلاش فراواني باشيد .

اين خصوصيان به اين علت مطرح گرديد كه در ساخت و طراحي يك سازه موفق علاوه بر آگاهي از علوم مهندسي به اين ويژگي ها نيازمند هستيد . چرا كه ممكن در طراحي و ساخت يك سازه شما روز ها و هفته ها تلاش نماييد ، ولي در نهايت به دليل يك اشتباه كوچك در طراحي يا ساخت ، سازه شما به حداقل ركورد مورد نظر نرسد .

هيجان انگيزترين بخش كار شما مربوط به زمان بارگذاري سازه مي باشد ، كه سازه اي كه مدت زيادي براي طراحي و ساخت آن صرف كرده ايد در نهايت در جلوي چشمان شما منهدم مي گردد ، ولي آيا ركورد مورد نظر بدست مي آيد يا خير ؟

بطور خلاصه براي ساخت يك سازه شما بايد مراح زير را در پيش گيريد :

1-كشف خصوصيات عنصر سازه اي جديد با انجام آزمايش هاي ساده ولي دقيق . اين مرحله شامل آزمايشهايي براي رسيدن به خصوصياتي چون حداكثر تنش كششي ، حداكثر تنش فشاري ، مدول الاستيسيته، حداكثر بار بحراني در كمانش و غيره مي باشد .

2-كار بر روي خصوصيات عنصر سازه اي جديد (ماكاروني) و دست يافتن به نقاط ضعف و يا قدرت آن .

3- آشنايي با يك نرم افزار رايانه اي براي تحليل و طراحي سازه . (بطور مثال :SAP 2000 )

4- تحليل سازه هاي ساخته شده در گذشته و رسيدن به نقاط ضعف و يا قدرت آنها .

5- طراحي سازه با توجه به اطلاعات بدست آمده.

6- تلاش براي رسيدن به بهينه ترين طرح (بهينه سازي).

7 – ساخت سازه توسط ماكاروني و چسب .

تكنيك هاي ساخت سازه ماكاروني :

اكاروني :

اين عنصر سازه اي در برابر كشش و فشار ( اگر طول آن كوتاه باشد و دچار كمانش نگردد ) مقاومتي خوبي از خود نشان مي دهد ، ولي مقاومت آن در برابر خمش بسيار كم است . به همين علت بايد تا حد امكان سعي نمود ، تا سازه ها به گونه اي طرح شوند كه اعضاي آن كمترين خمش ممكن را تحمل نمايند .

در واقع تابع هدف در بهينه سازي سازه خمش و وزن سازه مي باشد . يعني سازه ها بايد به گونه اي طرح شوند ، كه كمترين خمش در آنها به وجود آيد و در عين حال با كمترين وزن بيشترين مقاومت را از خود نشان دهند .

يك نكته مهم در مورد سازه هاي ساخته شده توسط ماكاروني اين است ، كه در هنگام ساخت و يا بعد از آن نبايد در مكاني كه در آن رطوبت و گرماي هوا بالا است قرار گيرد ، زيرا در اين صورت ماكاروني ترك مي خورد .

چسب :

براي ايجاد اتصالات در اعضاء ، آنها را به صورت سر به سر قرار داده و سپس در محل گره ها از چسب استفاده نماييم .

1- اتصال مفصلي :

براي به وجود آوردن چنين اتصالي بايد از چسب حرارتي ( چسب تفنگي ) استفاده نمود . زيرا اين چسب علاوه بر چسباندن اعضاء به يكديگر ، آنقدر انعطاف پذير است ، كه به اعضاء اين اجازه را مي دهد تا در محل گره ها تا اندازه اي دوران نمايند .

2-اتصال صلب :

براي ايجاد اتصالات صلب مي توان از دو چسب :

دوقلو (EPOXY )

قطره اي (SUPPER GLUE )

اگر از چسب دوقلو استفاده مي كنيد ، اين چسب اين قابليت را دارد ، كه فضاي خالي بين اعضاء در محل گره ها را پر نموده و نيازي نيست كه شما ماكاروني ها را تراش داده و در كنار هم قرار دهيد . اما عيب اين چسب اين است ، كه وزن تمام شده سازه بالا مي رود.

ولي چنانچه از چسب قطره اي استفاده مي كنيد ، اعضاء در محل گره ها بايد تراش مناسب داده شوند ، تا سطح تماس افزايش يابد ، چراكه اصولا اين چسب فضاپركن نمي باشد و فقط در سطوحي كه اعضاء تماس مستقيم با هم دارند اتصال ايجاد مي نمايد . ولي در مقابل ، اگر از اين چسب استفاده نماييد ، وزن تمام شده سازه كمتر خواهد شد .

چگونگي ساخت :

بعد از آنكه طراحي نهايي را انجام داديد ، مي توانيد براي ساخت ، طرح نهايي را در ابعاد واقعي بر روي يك كاغذ پوستي بكشيد و سپس كاغذ را توسط چسب شيشه اي به يك سطح شيشه اي صاف بچسبانيد . سپس اعضاء را طبق نقشه از ماكاروني توليد كرده و در روي نقشه روي خط مربوط به خود بگذاريد و براي جلوگيري از لغزيدن ماكاروني مي توانيد از خمير بازي براي محكم كردن عضو بر روي كاغذ پوستي استفاده نماييد . سپس در محل گره ها از چسب استفاده نماييد . بدين ترتيب مي توانيد ، آن قسمتهايي از سازه را كه به صورت صفحه اي هستند ، را با دقت بالايي توليد نماييد.

بعد از آنكه قسمت هاي صفحه اي را بدين روش توليد كرديد ، اين قسمت ها را با دقت زياد به هم متصل نماييد ، تا سازه نهايي آماده گردد.


چگونه ركورد را پيش بيني نماييم ؟

ابتدا بايد با آزمايش هاي ساده و ابتكاري حداكثر مقاومت كششي‌ ، مقاومت فشاري ( براي طول مشخص ) ، مقاومت خمشي ، مقاومت برشي را براي ماكاروني مورد استفاده بدست آوريم ، سپس سازه مورد نظر خود را تحت حداكثر بار پيش بيني شده تحليل كنيم ، اگر نيروهاي كششي ، فشاري ، خمشي و برشي ناشي از تحليل از مقاومت هاي بدست آمده در آزمايش بيشتر باشد ، آن سازه فرو خواهد ريخت .

تحليل را براي بارهاي مختلف انجام مي دهيم ، آن باري كه نيروهاي بدست آمده از آن در اعضاء ناشي از تحليل ، بيشترين نزديكي را به حداكثر مقاومت هاي بدست آمده از آزمايش داشته باشد ، ركورد تئوريك خواهد بود .
به علت وجود خطا در ساخت و يا ديگر خطاهاي ممكن بايد ركورد تئوريك بدست آمده را در يك ضريب اطمينان ( مثلا .75 - با توجه به نظر طراح ) ضرب كرد ، تا ركورد عملي بدست آيد با اين كار شما مي توانيد قبل از اينكه سازه مورد نظر را بارگذاري كنيد ، حداكثر ركورد آن را حدس بزنيد .

منابع:
civil-tech
sames