سازه های ماکارونی2

مسابقه پل های ماكارونی در دانشگاه امیر كبیر

مقدمه :
دروس سازه ای كه در رشته مهندسی عمران در دانشگاه های ایران تدریس می شود ، معمولا به طور كلی به صورت تئوریك تدریس می گردد و دانشجویان كمتر این دروس را به صورت عملی تجربه می كنند ، بنابراین شاید فهم این دروس به صورت عمیق در حین دوران تحصیل ممكن نباشد . ساخت سازه هایی توسط فولاد و یا بتن صرفا برای آموزش هم مقدور نمی باشد ، چرا كه هزینه تمام شده این كار بسیار بالا است . بنابرلین در سرتاسر دانشگاههای معتبر دنیا ، سعی شده است ، تا بااستفاده از مصالح ارزان قیمت ( به جای بتن وفولاد ) و مدل كردن سازه های واقعی توسط این مصالح ، آموزش دروس سازه ای به صورت عملی ممكن شود . ماكارونی یكی از این مصالح جایگزین می باشد . این عنصر سازه ای جدید به دلیل برخی از خصوصیات ویژه مثل ( سبكی ، دسترسی ساده و ارزان بودن ) بیشتر از دیگر مصالح مشابه مورد توجه قرار گرفته است .
سالانه در آمریكا مسابقات بزرگی در این زمینه بین دانشجویان برگزار می گردد و سازه های ساخته شده توسط ماكارونی به دلیل طراحی بهینه ، به ركورد های غیر قابل باوری دست پیدا می كنند.

معرفی سازه ماكارونی :
سازه های ماكارونی به سازه هایی اطلاق می شود ، كه مصالح استفاده شده در آنها تنها ماكارونی و چسب می باشد . این سازه ها در مقیاس كوچكتر نسبت به سازه های واقعی طراحی و توسط ماكارونی و چسب ساخته می شوند و پس از ساخت مورد بارگذاری قرار می گیرند . در واقع این سازه ها به عنوان ماكت ساخته نمی شوند و سازه ای كه بار بیشتری را تحمل می كند ، موفق تر خواهد بود . پل ( تحت بارگذاری یكنواخت ، متمركز و متحرك ) ، Towercrain ، انواع قاب های ساختمانی و ستون های فشاری از جمله رایج ترین سازه های ماكارونی 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 كرده تا ذهن خلاق دانشجویان را فعال سازند و از طرحها و پژوهش های آنها در عمل استفاده كنند . 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 ماكارونی ( معادل یك بسته ماكارونی ) كه می تواند وزن زیادی را تحمل نماید .

طول دهانه پل یك متر و حداكثر ارتفاع پل نیم متر می باشد . پل روی دو تكیه گاه كه از یكدیگر یك متر فاصله دارند قرار می گیرد و تكیه گاهها فقط قادر به وارد كردن عكس العمل عمودی می باشند و هیچ عكس العمل افقی در تكیه گاهها بر پل وارد نمی شود . ركورد كسب شده در این رشته ( پل خرپایی ) معادل 176 كیلو گرم می باشد ، كه این ركورد تقریبا 230 برابر وزن خود سازه می باشد . همچنین طراحی و ساخت سازه های فشاری كه قادر به تحمل بار هایی بیش از نیم تن می باشند ، از دیگر نمونه های این سازه ها هستند . اینجا یك سئوال ممكن است مطرح می گردد ، آیا جنس ماكارونی در دست یافتن به ركورد های بالا موثر است ؟ در این زمینه تحقیقاتی روی محصول های مختلف شركت های ماكارونی دنیا انجام گرفته و ماكارونی شركت Rose ایتالیا به عنوان بهترین ماكارونی برای این هدف شناخته شده است . البته لازم به ذكر است كه قدرت و مهارت طراح در ارائه یك طرح موفق ، بسیار مهم تر از جنس ماكارونی در رسیدن به ركورد های بالا می باشد .

دانشجویان در حال ساخت پل

هدف از استفاده از ماكارونی به عنوان عنصر سازه ای

1- در واقع ماكارونی بر خلاف فولاد و بتن عنصر سازه ای ناشناخته ای می باشد . این بدان معنی است كه خصوصیات ماكارونی شامل حداكثر تنش كششی ، حداكثر تنش فشاری ، مدول الاستیسیته ، نحوه كمانش ماكارونی و دیگر خصوصیات ماكارونی كه 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- ماكارونی بر خلاف بتن و فولاد دارای ضعف های زیادی می باشد و این ضعف ها كار را برای طراح مشكل تر می كند می كنند و برای رسیدن به ركورد های بالا بهینه سازی سازه ها مطرح می گردد .

3- ارزان بودن ماكارونی نسبت به مصالحی چون فولاد وبتن .

اهداف كلی طرح

1- این طرح در وهله اول به عنوان یك طرح آموزشی می تواند بسیار مفید و سودمند برای دانشجویان رشته مهندسی عمران ایفای نقش نماید ، زیرا این امكان را به دانشجویان می دهد كه ، با استفاده از مصالح ارزان ، سبك و قابل دسترس ( ماكارونی به جای بتن و فولاد ) دست به طراحی و ساخت سازه های مختلف زده و با این كار كلیه دروس فراگرفته در رشته سازه را به عمل تجربه نمایند .

2- دانشجویان می بایست با استفاده از مسائل تئوریك فرا گرفته در دروس مقاومت مصالح و آزمایشگاه های مربوط به آن تلاش نمایند تا خصوصیات عنصر سازه ای جدید را كشف نمایند.

3- دانشجویان می بایست با استفاده از تحلیل سازه ها و با بكارگیری نرم افزار های كامپیوتری به طراحی و آنالیز سازه مورد نظر بپردازند.

4- طراحی و ساخت یك سازه بهینه كه تحت عنوان بهینه سازی سازه ها مطرح است.

معرفی انواع مختلف سازه های ماكارونی
1-سازه های فشاری : نوعی پل با دهانه كوتاه ، كه اكثر اعضای آن در فشار می باشند . از مزیت های این رشته از مسابقات طراحی اعضای فشاری و بررسی پدیده كمانش در آنها می باشد .

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

3-پل با بار متمركز : این سازه از به هم پیوستن دو خرپای دوبعدی به وجود می آید و بارگذاری از وسط دهانه صورت می گیرد .

4-پل با بار گسترده : پل به شكل ظاهری خرپا می باشد ، كه بارگذاری به صورت گسترده و یكنواخت در تمام طول دهانه صورت می گیرد . در عمل می توان چنین فرض كرد كه تمام وسایل نقلیه به دلیل ترافیك به صورت ثابت بر روی پل قرار گرفته اند .

5-پل با بار متحرك : این نوع از سازه ماكارونی در واقع پیشرفته ترین و كامل ترین حالت از سازه ها می باشد ، كه در آن طراحان اقدام به طراحی یك پل واقعی می كنند . بار قرار گرفته بر روی پل به صورت متحرك می باشد ، كه این امر با عبور دادن یك وسیله نقلیه كوچك با سرعت معین ، كه بر روی آن وزنه قرار داده می شود ، صورت می گیرد .

چگونه شروع كنیم؟
برای وارد شدن به این رشته شما باید دارای خصوصیات اخلاقی چون كنجكاوی ، خلاقیت ، صبر ، همت و تلاش فراوانی باشید . این خصوصیان به این علت مطرح گردید كه در ساخت و طراحی یك سازه موفق علاوه بر آگاهی از علوم مهندسی به این ویژگی ها نیازمند هستید . چرا كه ممكن در طراحی و ساخت یك سازه شما روز ها و هفته ها تلاش نمایید ، ولی در نهایت به دلیل یك اشتباه كوچك در طراحی یا ساخت ، سازه شما به حداقل ركورد مورد نظر نرسد . هیجان انگیزترین بخش كار شما مربوط به زمان بارگذاری سازه می باشد ، كه سازه ای كه مدت زیادی برای طراحی و ساخت آن صرف كرده اید در نهایت در جلوی چشمان شما منهدم می گردد ، ولی آیا ركورد مورد نظر بدست می آید یا خیر ؟

بطور خلاصه برای ساخت یك سازه شما باید مراح زیر را در پیش گیرید :

1-كشف خصوصیات عنصر سازه ای جدید با انجام آزمایش های ساده ولی دقیق . این مرحله شامل آزمایشهایی برای رسیدن به خصوصیاتی چون حداكثر تنش كششی ، حداكثر تنش فشاری ، مدول الاستیسیته، حداكثر بار بحرانی در كمانش و غیره می باشد .

2-كار بر روی خصوصیات عنصر سازه ای جدید ( ماكارونی ) و دست یافتن به نقاط ضعف و یا قدرت آن .

3- آشنایی با یك نرم افزار رایانه ای برای تحلیل و طراحی سازه . ( بطور مثال : SAP 2000 )

4- تحلیل سازه های ساخته شده در گذشته و رسیدن به نقاط ضعف و یا قدرت آنها .

5- طراحی سازه با توجه به اطلاعات بدست آمده. 6- تلاش برای رسیدن به بهینه ترین طرح ( بهینه سازی ) . 7 ساخت سازه توسط ماكارونی و چسب .

تكنیك های ساخت سازه ماكارونی :
ماكارونی : این عنصر سازه ای در برابر كشش و فشار ( اگر طول آن كوتاه باشد و دچار كمانش نگردد ) مقاومتی خوبی از خود نشان می دهد ، ولی مقاومت آن در برابر خمش بسیار كم است . به همین علت باید تا حد امكان سعی نمود ، تا سازه ها به گونه ای طرح شوند كه اعضای آن كمترین خمش ممكن را تحمل نمایند . در واقع تابع هدف در بهینه سازی سازه خمش و وزن سازه می باشد . یعنی سازه ها باید به گونه ای طرح شوند ، كه كمترین خمش در آنها به وجود آید و در عین حال با كمترین وزن بیشترین مقاومت را از خود نشان دهند .

یك نكته مهم در مورد سازه های ساخته شده توسط ماكارونی این است ، كه در هنگام ساخت و یا بعد از آن نباید در مكانی كه در آن رطوبت و گرمای هوا بالا است قرار گیرد ، زیرا در این صورت ماكارونی ترك می خورد . چسب : برای ایجاد اتصالات در اعضاء ، آنها را به صورت سر به سر قرار داده و سپس در محل گره ها از چسب استفاده نماییم .

1- اتصال مفصلی : برای به وجود آوردن چنین اتصالی باید از چسب حرارتی ( چسب تفنگی ) استفاده نمود . زیرا این چسب علاوه بر چسباندن اعضاء به یكدیگر ، آنقدر انعطاف پذیر است ، كه به اعضاء این اجازه را می دهد تا در محل گره ها تا اندازه ای دوران نمایند .

2-اتصال صلب : برای ایجاد اتصالات صلب می توان از دو چسب : دوقلو (EPOXY ) قطره ای (SUPPER GLUE ) اگر از چسب دوقلو استفاده می كنید ، این چسب این قابلیت را دارد ، كه فضای خالی بین اعضاء در محل گره ها را پر نموده و نیازی نیست كه شما ماكارونی ها را تراش داده و در كنار هم قرار دهید . اما عیب این چسب این است ، كه وزن تمام شده سازه بالا می رود .
ولی چنانچه از چسب قطره ای استفاده می كنید ، اعضاء در محل گره ها باید تراش مناسب داده شوند ، تا سطح تماس افزایش یابد ، چراكه اصولا این چسب فضاپركن نمی باشد و فقط در سطوحی كه اعضاء تماس مستقیم با هم دارند اتصال ایجاد می نماید . ولی در مقابل ، اگر از این چسب استفاده نمایید ، وزن تمام شده سازه كمتر خواهد شد .

چگونگی ساخت : بعد از آنكه طراحی نهایی را انجام دادید ، می توانید برای ساخت ، طرح نهایی را در ابعاد واقعی بر روی یك كاغذ پوستی بكشید و سپس كاغذ را توسط چسب شیشه ای به یك سطح شیشه ای صاف بچسبانید . سپس اعضاء را طبق نقشه از ماكارونی تولید كرده و در روی نقشه روی خط مربوط به خود بگذارید و برای جلوگیری از لغزیدن ماكارونی می توانید از خمیر بازی برای محكم كردن عضو بر روی كاغذ پوستی استفاده نمایید . سپس در محل گره ها از چسب استفاده نمایید . بدین ترتیب می توانید ، آن قسمتهایی از سازه را كه به صورت صفحه ای هستند ، را با دقت بالایی تولید نمایید. بعد از آنكه قسمت های صفحه ای را بدین روش تولید كردید ، این قسمت ها را با دقت زیاد به هم متصل نمایید ، تا سازه نهایی آماده گردد.

چگونه ركورد را پیش بینی نماییم ؟

ابتدا باید با آزمایش های ساده و ابتكاری حداكثر مقاومت كششی‌ ، مقاومت فشاری ( برای طول مشخص ) ، مقاومت خمشی ، مقاومت برشی را برای ماكارونی مورد استفاده بدست آوریم ، سپس سازه مورد نظر خود را تحت حداكثر بار پیش بینی شده تحلیل كنیم ، اگر نیروهای كششی ، فشاری ، خمشی و برشی ناشی از تحلیل از مقاومت های بدست آمده در آزمایش بیشتر باشد ، آن سازه فرو خواهد ریخت . تحلیل را برای بارهای مختلف انجام می دهیم ، آن باری كه نیروهای بدست آمده از آن در اعضاء ناشی از تحلیل ، بیشترین نزدیكی را به حداكثر مقاومت های بدست آمده از آزمایش داشته باشد ، ركورد تئوریك خواهد بود . به علت وجود خطا در ساخت و یا دیگر خطاهای ممكن باید ركورد تئوریك بدست آمده را در یك ضریب اطمینان ( مثلا .75 - با توجه به نظر طراح ) ضرب كرد ، تا ركورد عملی بدست آید با این كار شما می توانید قبل از اینكه سازه مورد نظر را بارگذاری كنید ، حداكثر ركورد آن را حدس بزنید . چگونه سازه ماكارونی را بهینه كنیم ؟

برای بهینه كردن سازه باید یك تابع هدف تعریف كنیم . تابع هدف در مورد سازه های ماكارونی دو چیز است : 1- وزن سازه . 2- خمش موجود در اعضاء. سازه مورد نظر را باید طوری طراحی نماییم ، كه در قبال كمترین وزن بیشترین ركورد را بدست آوریم . همچنین سازه باید به گونه ای طراحی گردد ، كه خمش موجود در اعضای آن به حداقل ممكن برسد . چراكه همانطور كه گفته شد ، ماكارونی در برابر خمش بسیار ضعیف می باشد . برای اینكه خمش موجود در اعضاء را به حداقل برسانیم باید از روش تخم مرغ استفاده نماییم . در تخم مرغ وقتی آن را از بالا و پایین فشار می دهیم نمی شكند . علت این امر این است ، كه نیروی فشاری وارد به خاطر انحنای موجود ، انتقال پیدا می كند و قسمت كمی از آن تبدیل به خمش می شود . كه همین اصل در واقعیت باعث بوجود آمدن پل های قوسی شده است .

از آنجا كه تخم مرغ نیز مانند ماكارونی یك جسم ترد است، بنابراین می توان با بوجود آوردن همین حالت در ماكارونی از بوجود آمدن خمش تا حد امكان در آن جلوگیری كرد. از طرف دیگر سازه باید به گونه ای طراحی گردد ، كه تقریبا تمام اعضای اصلی با تمام ظرفیت خود كار كنند . یعنی اینكه در هنگام شكست سازه تمام اعضای اصلی به حداكثر مقاومت خود رسیده باشند و تقریبا خراب شدن سازه در اثر شكست همزمان تمام اعضای اصلی صورت گیرد . در این صورت می توان گفت كه، از تمام اعضاء به نحو احسن استفاده شده است .
بارگذاری باید به صورت تدریجی صورت گیرد ، بعد از گذاشتن هر وزنه حدود 15 ثانیه باید صبر كرد و سپس وزنه دیگر را قرار داد . این عمل را آنقدر ادامه می دهیم تا رشته ماكارونی گسیخته شود . مقاومت كششی حداكثر برابر است با مقدار وزنه های گذاشته شده ضرب در یك ضریب اطمینان ( ضریب كوچكتر از یك ، به طور مثال 9. ) .

آزمایش فشار : هدف از این آزمایش ،اطلاع از حداكثر مقاومت فشاری رشته ماكارونی با طول مشخص است . دستگاهی كه برای این آزمایش مورد نیاز است ، همانطور كه در شكل 4 ، می بینید از دو صفحه چوبی تشكیل شده است ، كه می تواند بر روی چهار میله فلزی بالا و پایین رود . در مركز صفحات چوبی بالا و پایین سوراخ هایی تعبیه شده است كه ، رشته ماكارونی از دو سر چسب خورده و در سوراخ ها به حالت گیردار قرار می گیرد و یا اینكه رشته ماكارونی بدون چسب به صورت دو سر مفصل در سوراخ ها قرار می گیرد . وزنه ها برای بارگذاری روی صفحه چوبی بالایی به آزمایشات برای دست یافتن به بعضی از خصوصیات ماكارونی .

آزمایش كشش : هدف از این آزمایش ، اطلاع از حداكثر مقاومت كششی ماكارونی با قطر معین است . دستگاهی كه برای این آزمایش مورد نیاز است ، همانطور كه در شكل 3 ، می بینید ، از دو قطعه چوب استوانه ای تشكیل شده ، كه در سر هر یك از این قطعات یك قلاب فلزی قرار گرفته است . در مركزهر یك از این قطعات چوبی یك سوراخ به قطر خارجی ماكارونی مورد نظر تعبیه شده ، كه ماكارونی از دو سر چسب خورده و در آن سوراخ ها فرو می رود . برای بارگذاری ، بدین صورت عمل می كنیم كه، یكی از قلاب ها را به یك تكیه گاه ثابت آویزان می كنیم و از قلاب دیگر وزنه ها را آویزان می كنیم . عمل اضافه كردن وزنه باید به صورت تدریجی صورت گیرد ، بعد از گذاشتن هر وزنه حدود 15 ثانیه باید صبر كرد و سپس وزنه دیگر را قرار داد . این عمل را آنقدر ادامه می دهیم تا رشته ماكارونی گسیخته شود . مقاومت كششی حداكثر برابر است با مقدار وزنه های گذاشته شده ضرب در یك ضریب اطمینان ( ضریب كوچكتر از یك ، به طور مثال 9. ) .

آزمایش فشار : هدف از این آزمایش ،اطلاع از حداكثر مقاومت فشاری رشته ماكارونی با طول مشخص است . دستگاهی كه برای این آزمایش مورد نیاز است ، همانطور كه در شكل 4 ، می بینید از دو صفحه چوبی تشكیل شده است ، كه می تواند بر روی چهار میله فلزی بالا و پایین رود . در مركز صفحات چوبی بالا و پایین سوراخ هایی تعبیه شده است كه ، رشته ماكارونی از دو سر چسب خورده و در سوراخ ها به حالت گیردار قرار می گیرد و یا اینكه رشته ماكارونی بدون چسب به صورت دو سر مفصل در سوراخ ها قرار می گیرد . وزنه ها برای بارگذاری روی صفحه چوبی بالایی به تدریج قرار می گیرند تا ، رشته ماكارونی تحت فشار بشكند. حداكثر مقاومت فشاری برابر است با وزن قرار گرفته بر روی صفحه بالایی تا لحظه شكستن ماكارونی ضرب در یك ضریب اطمینان . البته لازم به ذكر است كه حداكثر مقاومت فشاری به قطر ماكارونی و طول آن وابسته است .

آزمایش خمش : هدف از این آزمایش ، اندازه گیری حداكثر خمش قابل تحمل بر اساس قطر و طول ماكارونی می باشد . در این آزمایش رشته ماكارونی به صورت افقی بر روی تكیه گاه های گیر دار و ساده قرار می گیرد و از وسط تحت بار متمركز قرار می گیرد . در این آزمایش ، همانطور كه در شكل 5 ، نشان داده شده است ، بار از وسط دهانه به صورت تدریجی تا لحظه شكست ماكارونی اضافه می گردد . اگر حداكثر بار تحمل شده تا لحظه شكست ماكارونی pباشد ، طبق رابطه : M = p l / 8 حداكثر لنگر خمشی قابل تحمل توسط ماكارونی با طول و قطر معین بدست می آید.

آزمایش تعیین ضریب الاستیسیته : هدف از این آزمایش بدست آوردن یك مقدار تقریبی برای ضریب الاستیسیته ماكارونی می باشد . در این آزمایش یك رشته ماكارونی با قطر و طول معین ، بر روی دو تكیه گاه ساده قرار می گیرد . سپس تحت یك بار مشخص كه ، از وسط دهانه آویزان می شود ، مقدار تغییر شكل وسط دهانه Deflection، توسط یك خط كش دقیق اندازه گیری می شود . سپس طبق رابطه زیر كه برای تیر دو سر مفصل نوشته می شود : D = p l^3/ (48 E I) I مقدار ضریب الاستیسیته (E) تعیین شود .