ویژه دانش آموزان سال سوم راهنمایی

امتحان  ریاضی - علوم تجربی و زبان خارجه نوبت اول

 شماره 46

پروژه آموزشی ساخت سازه های ماکارونی

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.

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 .

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 آنهادر 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 750گرم 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 مترفاصله دارند قرار می گیرد و تکیه گاهها فقط قادر به وارد کردن عکس العمل عمودی می باشندو 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 خودسازه 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 .

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 عمرانو معماری 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 .



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 - 2

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 .

3-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 4

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 .



آئین نامه سازه های فشاری:

سازه های فشاری :

این نوع از سازه ها در واقع نوعی پل با دهانه کوتاه هستند ، با این تفاوت که اکثر اعضای سازه نیروی فشاری را تحمل می کنند . هدف از طراحی این سازه ها رسیدن به بالاترین بار تحمل شده در قبال کمترین وزن سازه می باشد.

هر گروه تنها قادر به ساخت یک سازه می باشد. هر گونه کوتاهی و قصور در مورد نحوه چسباندن اعضا به یکدیگر بر عهده خود شرکت کنندگان می باشد .

نوع مصالح :

تمام گروه های شرکت کننده ملزم به استفاده از یک نوع ماکارونی، با مقطع دایره ای، به قطر خارجی حداکثر 4 میلی متر می باشند ، که نوع ومارک شرکت تولید کننده متعاقبا اعلام خواهد شد. همچنین چسب به کار رفته در سازه می تواند از سه نوع چسب :

1.حرارتی

Epoxy 2. ( دوقلو )

Supper glow 3 .( قطره ای ) باشد.

ابعاد :

1. حداقل دهانه پل برابر 15 سانتی متر می باشد.

2. .عرض عرشه پل حداقل برابر 10 سانتی متر می باشد و سطح زیرین عرشه پل باید حداقل 5/7 سانتی متر بالاتر از سطح زمین باشد.

3. طول پل بین 15 تا 45 سانتی متر و عرض آن بین 10 تا 20 سانتی متر باشد.

4. حداقل ارتفاع تراز بالای عرشه پل تا سطح زمین 75/8 سانتی متر می باشد.



قوانین :

1. حداکثر تعداد اعضای گروه 3 نفر می باشد.

2. هرگونه تغییردر جنس ماکارونی از قبیل ( پرکردن ماکارونی با چسب یا مواد دیگر ، حرارت دادن ماکارونی و غیره ) پذیرفته نخواهد شد.همچنین شرکت کنندگان فقط از چسب در محل اتصالات می توانند استفاده نمایند.

3. بریدن ، قطع کردن و شکستن ماکارونی قانونی می باشد.

4. حداکثر وزن پل 450 گرم می باشد.

5. شرکت کنندگان حداکثر مجاز به چسباندن 2 رشته ماکارونی به یکدیگر و تشکیل پروفیل جدید هستند.

6. به کار بردن هر ماده دیگری به غیر از ماکارونی و چسب مجاز نمی باشد.

7. شرکت کنندگان قادر هستند از دیگر منابع برای کمک در طراحی سازه بهینه کمک بگیرند.

8 . قبل از بارگذاری تمام سازه ها چه از نظر نوع مصالح وچه از نظر ابعاد مورد بازبینی قرار می گیرند و هرگونه تخلف از قوانین به معنای عدم پذیرفته شدن سازه در مسابقات می باشد.

نحوه بارگذاری سازه ها :

1. پل ها روی سطوح صافی قرار می گیرند.

2. یک صفحه فلزی یا چوبی به ابعاد 10 در 15 سانتی متر روی عرشه پل قرار می گیرد.

3. بار به صورت مداوم روی صفحه فلزی یا چوبی که روی عرشه پل قرار دارد، اضافه می گردد، تا آنجا که پل بدون هرگونه شکستگی در کل یا قسمتی از آن قادر به تحمل بار باشد . همچنین در هنگام بارگذاری حداکثر خیز قابل قبول برای پل 2 سانتی متر می باشد.



عوامل موثر در گزینش بهترین سازه:

1.کارآمدی سازه:

حداکثر نسبت بار تحمل شده به وزن سازه.

2. ارائه مقاله:

ارائه مقاله در مورد چگونگی طراحی ، بهینه سازی و ساخت سازه فشاری توسط نرم افزار power point .


 

چگونه شروع کنیم ؟

برای وارد شدن به این رشته شما باید دارای خصوصیات اخلاقی چون کنجکاوی ، خلاقیت ، صبر ، همت و تلاش فراوانی باشید .

این خصوصیان به این علت مطرح گردید که در ساخت و طراحی یک سازه موفق علاوه بر آگاهی از علوم مهندسی به این ویژگی ها نیازمند هستید . چرا که ممکن در طراحی و ساخت یک سازه شما روز ها و هفته ها تلاش نمایید ، ولی در نهایت به دلیل یک اشتباه کوچک در طراحی یا ساخت ، سازه شما به حداقل رکورد مورد نظر نرسد .

هیجان انگیزترین بخش کار شما مربوط به زمان بارگذاری سازه می باشد ، که سازه ای که مدت زیادی برای طراحی و ساخت آن صرف کرده اید در نهایت در جلوی چشمان شما منهدم می گردد ، ولی آیا رکورد مورد نظر بدست می آید یا خیر ؟

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

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

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

3- آشنایی با یک 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 ماکارونی و چسب .

 

تکنیک های ساخت سازه ماکارونی :

ماکارونی :

این عنصر سازه ای در برابر کشش و فشار ( اگر طول آن کوتاه باشد و دچار کمانش نگردد ) مقاومتی خوبی از خود نشان می دهد ، ولی مقاومت آن در برابر خمش بسیار کم است . به همین علت باید تا حد امکان سعی نمود ، تا سازه ها به گونه ای طرح شوند که اعضای آن کمترین خمش ممکن 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 ، که کمترین خمش در آنها به وجود آید و در عین حال با کمترین وزن بیشترین مقاومت را از خود نشان دهند .

یک نکته مهم در مورد سازه های ساخته شده توسط ماکارونی این است ، که در هنگام ساخت و یا بعد از آن نباید در مکانی که در آن رطوبت و گرمای هوا بالا است قرار گیرد ، زیرا در این صورت ماکارونی ترک 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 یکدیگر ، آنقدر انعطاف پذیر است ، که 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 کنید ، این چسب این قابلیت را دارد ، که فضای خالی بین اعضاء در محل گره ها را پر نموده و نیازی نیست که شما ماکارونی ها را تراش داده و در کنار هم قرار دهید . اما عیب این چسب این است ، که وزن تمام شده سازه بالا می رود.

ولی چنانچه از چسب قطره ای استفاده می کنید ، اعضاء در محل گره ها باید تراش مناسب داده شوند ، تا سطح تماس افزایش یابد ، چراکه اصولا این چسب فضاپرکن نمی باشد و فقط در سطوحی که اعضاء تماس مستقیم با هم دارند اتصال ایجاد می نماید . ولی در مقابل ، اگر از این چسب استفاده نمایید ، وزن تمام شده سازه کمتر خواهد شد .


 

چگونگی ساخت :

بعد از آنکه طراحی نهایی را انجام دادید ، می توانید برای ساخت ، طرح نهایی را در ابعاد واقعی بر روی یک کاغذ پوستی بکشید و سپس کاغذ را توسط چسب شیشه ای به یک سطح شیشه ای صاف بچسبانید . سپس اعضاء را طبق نقشه از ماکارونی تولید کرده و در روی نقشه روی خط مربوط به خود بگذارید و برای جلوگیری از لغزیدن ماکارونی می توانید از خمیر بازی برای محکم کردن عضو بر روی کاغذ پوستی استفاده نمایید . سپس در محل گره ها از چسب استفاده نمایید . بدین ترتیب می توانید ، آن قسمتهایی از سازه را که به صورت صفحه ای هستند ، را با دقت بالایی تولید نمایید.

بعد از آنکه قسمت های صفحه ای را بدین روش تولید کردید ، این قسمت ها را با دقت زیاد به هم متصل نمایید ، تا سازه نهایی آماده گردد.

عقیق(Aghat)

 تعریف کانی

کانی‌ عبارت از عنصر یا ترکیبات شیمیایی همگنی است که بطور طبیعی در زمین یافت می‌شود. ترکیب شیمیایی کانی‌ها معین است، و معمولا متبلورند. خواص فیزیکی کانی‌ها در حدود مشخص ممکن است تغییر کند. هر کانی دارای مشخصات ویژه و انحصاری مانند سیستم تبلور ، سختی ، کلیواژ ، جرم مخصوص ، رنگ و... می‌باشد. در بعضی از کانی‌ها ، اتم بعضی از عناصر ساختمان بلوری قابل تعویض با اتم‌های هم اندازه از عناصر دیگر می‌باشد. به عنوان مثال می‌توان جانشینی آهن و منیزیم بجای هم در پیروکسن‌ها را نام برد.

فتو ژئولوژی

-1 عکسهای هوایی و عکسهای ماهواره‌ای:

  عکسهایی که با هواپیما یا ماهواره از سطح زمین برداشته می‌شود به عکسهای هوایی و ماهواره‌ای معروف‌اند.

 استفاده از عکسهای هوایی به منظور:

کسب اطلاعات زمین‌شناسی، یعنی فتوژئولوژی،‌ در کشف مواد و منابع معدنی و سوختنی زمین

مطالعات زمین‌شناسی مهندسی

        تهیه نقشه‌های عمومی زمین‌شناسی، کشاورزی، هواشناسی، حفظ محیط زیست، امور نظامی

چرخه رسوبگذاری، چین خوردگی و فرسایش  

سنگهای رسوبی :

سنگهای که در اثر فشرده شدن و سیمانی شدن مواد حاصل از فرسایشو هوازدگی بوجود می ایند.   

سنگهای رسوبی از نظر درصد حجمی نسبت به سنگهای آذرین و دگرگونی کمتر ولی از نظر گسترش سطحی فراوان تر است.

سنگهای رسوبی اکثرا لایه لایه است و ضخامت آنها کمتر از یک سانتی متر تا بیشتر از یک متر است. 

این سنگها غالبا دارای آثار فسیلی است ودر تعیین تاریخچه زمین دخالت دارند.

شواهد موجود در سنگها :

این شواهد به دو دسته است:

1- شواهد آلی 2- شواهد غیر آلی

این شواهد در تعیین زیر و روی لایه و برای تفسیر شرایط آب و هوائی و غیره دخالت دارند.      

این شواهد شامل فسیلها ، ترکهای گلی ، آثار موجودات ، ناپیوستگی ،گسلها و پیشروی و پسروی است.      

فسیلها :

آثار و بقایای موجودات گذشته که در سنگها به جای مانده اند ، فسیل نامیده میشود.

از فسیلها در تعیین سن ، تشخیص آب و هوای گذ شته و ارتباط بین لایه های رسوبی استفاده می شود.  

اثر خزیدن


اثر تغذیه

ناپیوستگی ها:

عبارتست از قطع شدگی در توالی لایه های سنگ ها از نظر چینه شناسی که بر اثر آن لایه های سنگ های جدید تر روی سنگ های قدیمی تر طوری قرار می گیرند که معرف توالی واقعی لایه ها نیست و منعکس کننده وقفه در رسوبگذاری است.

هیاتوس:

هیاتوس عبارتست از مدت زمان زمین شناسی که طی آن رسوبگذاری انجام نشده است.

گسل ها:

گسل نوعی شکستگی در سنگ هاست که بر اثر فشار یا کشش در آنها بوجود می آید. در یک گسل طرفین سطح شکستگی یا سطح گسل نسبت به هم جابجا می شوند.

ترکهای گلی:

رسوبات رسی تازه ته نشین شده اکر در معرض هوا قرار بگیرند روی سطح آنها در اثر از دست دادن آب ترک خوردگی مشاهده می شود، بدین ترکها اصطلاحا ترک گلی می نامند. 

جهت شیار ترکها سمت بالای لایه را نشان می دهد. پس از طریق ترکهای گلی میتوان بالا و پایین لایه را تشخیص داد.     

دولت ماد نخستین تجربه تشكیل دولت آریایی 

این دسته از آریاییان پس از ورود به سرزمین ایران مسیر خود را در نواحی غربی و شمال غرب تا جائیكه سلسله جبال زاگرس قرار دارد ادامه دادند و سپس به دلیل نوع معیشت یعنی رمه گردانی، نواحی كوهستانی غرب را برای زندگی برگزیدند. و بدین ترتیب با اقوام بومی ایران كه خود دارای تمدن بودند نظیر لولوبیها ، كاسی ها، گوتی ها و مانایی ها همسایه شدند. تقریباً همزمان با ورود مادها این منطقه صحنه تاخت و تاز اقوام ساكن بین النهرین (میان دو رود) كه همسایگان نزدیك ایران زمین محسوب شدند گردیده بود كه از مهمترین آنان آشوریان بودند كه بهترین تمدن ایرانی یعنی ایلام توسط آنان به نابودی كشیده شده بود.

سلسله هخامنشیان۵۵۹پ.م تا۳۳۰پ.م)(۲۲۹سال)

 در این سلسله که با شکوه ترین سلسله شاهنشاهی در تاریخ ایران و به زمان خود در جهان بود؛سیزده پادشاه در ۲۲۹ سال حکومت کردند.

دومین گروه از آریاییهایی كه وارد ایران زمین شدند. پارسیان بودند كه با توجه به لیاقت، كفایت، هوشمندی و توانایی بزرگ شاهانی همچون كوروش كبیر، داریوش بزرگ و دیگر شاهان موفق به تشكیل سلسله ای گردیدند كه نامشان به تنهایی در دوران باستان ما همچنان بر تارك تاریخ این مرز و بوم عزیز می درخشد. در سایه اقتدار این دولت كه بنا به نیای بزرگشان هخامنش به این نام مشهورند. نیمی از دنیای باستان در سیطره قدرت آنان قرار گرفت. و همچنین بدلیل فرهیختگی پادشاهان هخامنشی و به لطف توجه آنان چنان آرامش، رفاه و پیشرفتی در كشور پدیدار شد كه بزودی ایران را صاحب باشكوه ترین تمدن، غنی ترین فرهنگ و وسیع ترین مرزها نمود. اوج پیشرفت سیستم های مختلف كشور، از لحاظ اركان سیاسی، ‌اجتماعی، اقتصادی، فرهنگی ، نظامی و از همه زیباتر هنری در این زمان بوده است. به گونه ای كه به جرات می توان گفت كه شكوه و عظمتی كه آنان برای ایران، این عزیز سرزمین كهن به ارمغان آوردند، هیچ دولت دیگری در طول تاریخ برای كشور ما رقم نزده است. روحشان جاویدان و اندیشه پاكشان گرامی.