پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
سازه‌های ماکارونی سازه‌هایی که مصالح استفاده شده در آنها تنها ماکاورنی و چسب هستند. این سازه‌ها نسبت به سازه‌های واقعی در مقیاس کوچکتر طراحی و توسط ماکارونی و چسب ساخته و پس از ساخت مورد بارگذاری قرار می‌گیرند. در واقع این سازه‌ها به عنوان ماکت ساخته نمی‌شوند. سازه‌‌ی ماکارونی که بار بیشتری را تجمل کند، کاراتر خواهد بود.
انواع سازه‌ها
*سازه های سبک
* سازه‌های سنگین
کاربرد سازه‌های سبک
در طرح‌های کلان اجرایی، صرفه جویی اقنتصادی بسیار حائز اهمیت است. به جهت استفاده از مواد گران قیمت (فولاد و بتن) در ساخت پل‌ها، باید این نکته را مورد توجه قرار داد که کاهش مصالح مصرفی باعث کاهش بسیار زیاد قیمت تمام شده می‌شود. مثلاً اگر ۱۵٪ از وزن سازه کم شود این میزان کاهش را می‌توان در مورد هزینه‌ها نیز بر آورد کرد. و در یک پروژه که در حد میلیاردی هزینه دارد ۱۵٪ صرفه جویی بسیار قابل توجه است.
کاربرد سازه‌های سنگین
در پل‌های با دهانه زیاد که باید تاثیر بارهای مختلف بررسی شوند و پل باید از ظرفیت باربری نسبتاً بالایی برخوردار باشد، می‌توان از سازه‌های سنگین استفاده کرد که برای این نوع پل‌ها نیز، طرح‌ها باید بهینه شوند.به غیر از اعضای سازه، اتصالات نیز بسیار مهم است که باید آنها نیز به دقت طراحی شوند. به این دلیل که یکی از این نقاط ضعف سازه، اتصالات است و بیشترین خطاهای ساخت در این نقاط ایجاد می‌شوند. همچنین طراحی اتصالات باید با مقاومت بیشتری انجام شود که با این کار وزن سازه افزایش می‌یابد.
هدف از استفاده از ماکارونی به عنوان عنصر سازه‌ای
ماکارونی بر خلاف فولاد و بتن عنصر سازه‌ای ناشناخته‌ای است. این بدان معناست که خصوصیات مکانیکی ماکارونی شامل حداکثر مقاومت کششی، حداکثر مقاومت فشاری، مدول الاستیسیته، نحوه سازه ماکارونی و دیگر خصوصیاتی که جت طراحی سازه مورد نیاز است، ناشناخته است. راه شناخت این ویژگی‌ها و به دست آوردن مقادیر آنها انجام آزمایش‌های دقیق است.
ماکارونی بر خلاف بتن و فولاد دارای ضعف‌های زیادی است. این ضعف‌ها کار را برای طراح مشکل‌تر می‌کند.
ماکارونی نسبت به مصالحی چون فولاد و بتن ارزان است.
اهداف کلی طرح
این طرح می‌تواند به عنوان یک طرح آموزشی برای دانشجویان رشته مهندسی عمران ایفای نقش نماید. زیرا این مکان را به دانشجویان می‌دهد تا با استفاده از مصالح ارزان، سبک و قابل دسترس دست به طراحی و ساخت سازه‌های مختلف زده و با این کار تمامی دروس فرا گرفته در زمینه سازه را به عمل تجربه نمایند.
دانشجویان بایستی با استفاده از مسائل تئوریک فرار گرفته در دروس مقاومت مصالح و آزمایشگاه های مربوط به آن تلاش نمایند تا خصوصیات عنصر سازه‌ای جدید را کشف نمایند.
دانشجویان بایستی با تحلیل سازه‌ها و به کارگیری نرم افزارهای کامپیوتری به آنالیز و در نهایت طراحی سازه مورد نظر پیردازند.
طراحی و ساخت یک سازه بهینه که تحت عنوان بهینه سازی سازه‌ها مطرح است.
معرفی انواع مختلف سازه‌های ماکارونی
سازه‌های فشاری
- تاور کرین
- پل با بار متمرکز
- پل با بار گسترده
- پل با بار متمرکز متحرک
سازه‌های سبک
- سازه هدفمند
- سازه محافظ تخم مرغ
سازه‌های فشاری
نوعی پل، با دهانه کوتاه که اکثر اعضای آن در فشار هستند. از مزیت‌های این رشته از مسابقات، طراحی اعضای فشاری و بررسی پدیده کمانش در آنها است. این نوع پل هر سه نوع عضو فشاری، کششی و خمشی را دارا است. هدف از طراحی این سازه‌ها رسیدن با بالاترین بار تحمل شده در قبال کمترین وزن سازه است.
تاور کرین
در این نوع سازه‌های ماکارونی هدف طراحی جرثقیل‌هایی است که بر روی برج‌های بلند به کار گرفته می‌شوند. این سازه‌ها 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 دو بعدی به وجود می‌آید و بارگذاری از وسط دهانه صورت می‌گیرد.
پل با بار متمرکز
در این نوع سازه‌ها بار به صورت نقطه‌ای به گره وسط وارد می‌شود. از لحاظ رکوردگیری در این رشته دو نوع سازه معرفی می‌شود.
سازه سنگین رکورد محاسبه شده بر اساس وزن تحمل شده تقسیم بر وزن سازه (ضریب کارایی) است.
سازه آزاد
رکوردگیری فقط بر اساس وزن تحمل شده است.
پل با بار گسترده
پل به شکل ظاهری خرپا است. بارگذاری به صورت گسترده یکنواخت در تمام طول دهانه صورت می‌گیرد. در عمل می‌توان چنین فرض کرد که تمام وسایل نقلیه به دلیل ترافیک به صورت ثابت بر روی پل قرار گرفته‌اند.
پل با بار متمرکز متحرک
این نوع از سازه ماکارونی در واقع پیشرفته‌ترین و کامل‌ترین حالت از سازه‌ها است که در آن طراحان اقدام به طراحی یک پل واقعی می‌کنند. بار قرار گرفته بر روی پل به صورت متحرک است، که این امر با با عبور دادن یک وسیله نقلیه کوچک با سرعت معین که به بر روی آن وزنه قرار داده می‌شود، صورت می‌گیرد.
سازه‌های سبک
این نوع سازه باید وزن مشخصی را در مدت زمان معینی تحمل نماید. به عنوان مثال بسته به نوع آیین نامه وزنه ۲ یا ۳ کیلوگرمی را به مدت ۳ یا ۵ دقیقه تحمل نماید.
سازه‌های هدفمند
این نوع سازه باید وزنه ۲۵ کیلوگرمی را به مدت ۱ دقیقه تحمل نماید.
سازه محافظ تخم مرغ
این نوع سازه باید به صورت پوسته‌ای طراحی شده و از شکستن تخم مرغ که از ارتفاع مشخص پرتاب می‌شود جلوگیری کند. به عبارت دیگر این سازه باید در مقابل ضربه مقاوم باشد.
تکنیک‌های ساخت سازه ماکارونی
چسب
برای ایجاد اتصالات در اعضا، آنها را به صورت سر به سر قرار داده و سپس در محل گره‌ها از جسب استفاده می‌نمایید.
انواع اتصالات
اتصال مفصلی
برای به وجود آوردن چنین اتصالی باید از چسب حرارتی، چسب تفنگی استفاده نمود. زیرا این چسب علاوه بر جسباندن اعضا به یکدیگر آن قدر انعطاف پذیر است که به اعضا این اجازه را می‌دهد تا در محل گره‌ها تا اندازه‌ای دوران نمایند.
اتصال صلب
برای ایجاد اتصالات صلب می‌توان از دو چسب زیر استفاده نمود.
دو قلو
قطره‌ای
اگر از چسب دو قلو استفاده می‌کنید این چسب این قابلیت را دارد که فضای خالی بین اعضا در محل گره‌ها را پر نموده و نیازی نیست که شما ماکارورنی را تراش داده و در کنار هم قرار دهید. اما عیب این چسب این است که وزن تمام شده سازه بالا می‌رود.
ولی چنانچه از چسب قطره‌ای استفاده می‌کنید، اعضا در محل گره‌ها باید تراش مناسب داده شوند. تا سطح تماس افزایش یابد چرا که اصولاً این چسب فضا پر کن نیست و فقط در سطوحی که اعضا تماس مستقیم با هم دارند اتصال ایجاد می‌نماید. ولی در مقابل اگر از این چسب استفاده نمایید، وزن تمام شده سازه کمتر خواهد شد.
بهینه سازی سازه ماکارونی
برای بهینه کردن سازه باید یک تابع هدف تعریف کرد. تابع هدف در مورد سازه‌های ماکارونی دو چیز است.
- وزن سازه
- خمش موجود در اعضا
سازه مورد نظر را باید طوری طراحی کرد که در قبال کمترین وزن بیشترین رکورد را به دست آورد.
همچنین سازه باید به گونه‌ای طراحی شود که خمش موجود در اعضای آن به حداقل ممکن برسد. چرا که ماکارونی در برابر خمش بسیار ضعیف است.
راهکار حذف خمش
برای اینکه خمش موجود در اعضا را به حداقل رساند باید از روش تخم مرغ استفاده کنید. در تخم مرغ وقتی آن را از بالا و پایین فشار می‌دهید، نمی‌شکند.
علت این امر این است که قسمت اعظم نیروی فشاری وارد به خاطر انحنای موجود در تخم مرغ به صورت فشار انتقال پیدا می‌کند و قسمت کمی از آن تبدیل به خمش می‌شود. که همین اصل در واقعیت باعث به وجود آمدن پل‌های قوسی شده است.
از آن جا که تخم مرغ نیز مانند ماکارونی یک جسم ترد است بنابراین می‌توان با به وجود آوردن همین حالت در ماکارونی از به وجود آمدن خمش تا حد امکان در آن جلوگیری کرد.
از طرف دیگر سازه باید به گونه‌ای طراحی شود که تقریباً تمام اعضای اصلی با تمام ظرفیت خود کار کنند. یعنی این که در هنگام شکست سازه تمام اعضای اصلی به حداکثر مقاومت خود رسیده باشند و تقریباً خراب شدن سازه در اثر شکست همزمان تمام اعضای اصلی صورت گیرد. در این صورت می‌توان گفت که از ظرفیت تمام اعضا به نحو احسن استفاده شده است.
انواع نیروها
انواع پل‌ها از دو نیروی مهم فشاری و کششی تاثیر می‌پذیرند.
نیروی فشاری
نیرویی است که موجب فشرده شدن یا کوتاه شدن چیزی که بر روی آن عمل می‌کند، می‌شود.
نیروی کششی
نیرویی است که سبب افزایش طول و گسترش چیزی که بر روی آن عمل می‌کند، می‌شود.
نیروهای فشاری و کششی در همه پل‌ها وجود دارند و وظیفه طراح پل این است که اجازه ندهد این نیروها موجب خمش و یا گسیختگی شود. خمش زمانی اتفاق می‌افتد که نیروی فشاری بر توانایی شی در مقابله با فشردگی غلبه کند. بهترین روش در موقع رویارویی با این نیروها خنثی سازی، پخش یا انتقال آنها است. پخش کردن نیرو یعنی گسترش دادن نیرو به منطقه وسیع تر چنانکه هیچ تک نقطه مجبور به متحمل شدن بخش عمده نیروی متمرکز نباشد. انتقال نیرو به معنی حرکت نیرو از یک منطقه غیر مستحکم به منطقه مستحکم است. ناحیه‌ای که باری مقابله با نیرو طراحی شده و منظور شده است. یک پل قوسی مثال خوبی برای پراکندگی است. حال ان که پل معلق نمونه‌ای بارز از انتقال نیرو است.