آشنایی با 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 .

 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 مراحل 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 در تخم مرغ ، قسمت اعظم آن به صورت فشار 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 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 .

--------------------------------------------------------------------------------------------

هدف از استفاده از ماكارونی به عنوان عنصر سازه ای :

Tower Crain - 2

-پل با بار گسترده 4