دانلود مقاله سازه ماکارونی

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 .

گروهSBG نیز از ابتدای سال 1381 پروژه تحقیقاتی را در این زمینه آغاز نمود و توانست به تجربیات و موفقیت های قابل توجهی دست پیدا کند .

این مجموعه شامل دانسته ها و تجربیات این گروه ، در این زمینه می باشد ، که امیدواریم مورد استفاده علاقمندان قرار گیرد .

در پایان وظیفه خود می دانیم ، تا از اساتید محترم ، دکتر هوشمند ، دکتر فیوض ، مهندس ماهینی ، مهندس صنعتی و بویژه خانم ناصری( معاونت فرهنگی – دانشجویی دانشگاه خلیج فارس ) که ما را در این امر پژوهشی یاری نمودند ، نهایت تشکر و قدردانی را به جای آوریم .

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 .

هدف از استفاده از ماکارونی به عنوان عنصر سازه ای : 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 .

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 .

ارزان بودن ماکارونی نسبت به مصالحی چون فولاد وبتن .

اهداف کلی طرح : 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 .

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 .

دانشجویان می بایست با استفاده از تحلیل سازه ها و با بکارگیری نرم افزار های کامپیوتری به طراحی و آنالیز سازه مورد نظر بپردازند.

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 : دراین نوع از سازه های ماکارونی ، هدف طراحی جرثقیل هایی 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 به شکل ظاهری خرپا می باشد ، که بارگذاری به صورت گسترده و یکنواخت در تمام طول دهانه صورت می گیرد .

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 2.

Epoxy ( دوقلو ) 3.

Supper glow ( قطره ای ) باشد.

ابعاد : حداقل دهانه پل برابر 15 سانتی متر می باشد.

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.

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

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

قوانین : حداکثر تعداد اعضای گروه 3 نفر می باشد.

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.

بریدن ، قطع کردن و شکستن ماکارونی قانونی می باشد.

حداکثر وزن پل 450 گرم می باشد.

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

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

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

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: کارآمدی سازه: حداکثر نسبت بار تحمل شده به وزن سازه.

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

زیبایی طرح ارائه شده.

 در شکل بالا حداقل ابعاد نشان داده شده است .

آئین نامه پل خرپایی ( با بارگذاری متمرکز ) پل خرپایی : نوعی پل به شکل ظاهری خرپا می باشد ، که بارگذاری از وسط دهانه پل صورت می گیرد.

دراین نوع پل هر سه نوع عضو کششی ، خمشی و فشاری را دارا هستیم.هر گروه تنها مجاز به ساختن یک پل می باشد ، که مصالح بکاررفته در سازه تنها ماکارونی و چسب می باشد .

هدف از ساختن این نوع پل حداکثر بار تحمل شده در قبال کمترین وزن سازه است.

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 و مارک شرکت تولید کننده متعاقبا اعلام خواهد شد.

قوانین : دهانه پل به طول یک متر می باشد .

البته طول پل برابر 1/1 متر می باشد ، که از هر طرف 5 سانتی متر بر روی تکیه گاه ها قرار می گیرد.

پل بر روی تکیه گاه های ساده قرار می گیرد و تکیه گاه ها تنها قادر به وارد کردن عکس العمل عمودی می باشند.

مورد تائید می باشد .

مورد تائید نمی باشد .

حداکثر ارتفاع پل برابر 50 سانتی متر می باشد، که این ارتفاع از پایین ترین نقطه پل تا بالاترین نقطه آن اندازه گیری می شود.

حداکثر وزن پل برابر 750 گرم می باشد.

پل باید دارای یک عرشه از جنس ماکارونی به عرض حداقل 5 سانتی متر باشد که دو سر تکیه گاه ها را به هم متصل کرده و نقش نمادین جاده را ایفا می کند.

در این مورد باید به سه حالت زیر توجه کرد .

الف.

فضای خالی بین رشته های ماکارونی نباید از 2 میلیمتر تجاوز کند.

ب‌.

عرشه پل باید به گونه ای باشد که قابلیت عبور یک مکعب چوبی شکل به ابعاد (5*5*10 ) که نقش نمادین یک وسیله نقلیه را بازی می کند ، داشته باشد.

ت‌.

عرشه پل نباید بالاتر یا پایین تر از 5 سانتی متر، نسبت به خطی باشد که دو سر تکیه گاهها را به هم متصل می کند.

پل باید دارای یک صفحه بارگذاری از جنس چوب به ابعاد (10 * 5 * 2 ) سانتی متر مکعب باشد.صفحه بارگذاری به وسط پل متصل می گردد و می تواند تا 2 سانتی متر بالاتر یا پایین تر از عرشه نمادین پل قرار گیرد.

این صفحه بارگذاری دارای یک قلاب U شکل می باشد ، که به مرکز صفحه بارگذاری متصل می شود .

در هنگام بار گذاری بار توسط یک قلاب S شکل ، به قلاب U شکل متصل می گردد.

البته لازم به ذکر است که عرض صفحه بارگذاری که در بالا 5 سانتی متر ذکر شده، مقدار حداقل می باشد و می تواند با توجه به عرض عرشه افزایش یابد .

نحوه بارگذاری پل : برای بارگذاری پل از یک میله بارگذاری خاص که توسط یک قلاب به صفحه بارگذاری متصل می گردد، استفاده می شود.

این میله بارگذاری دارای دو میله افقی است که وزنه ها در طرفین این دو میله قرار می گیرند.

وزنه ها با فاصله زمانی روی میله بارگذاری وصل می شودو انتخاب مقدار وزنه بر عهده خود شرکت کنندگان می باشد.

دستگاه بارگذاری نحوه گزینش بهترین پل: گزینش بهترین پل بر اساس عوامل زیر می باشد: کار آمدی پل: نسبت بار تحمل شده به وزن پل.

ارائه مقاله : ارائه مقاله در رابطه با چگونگی بدست آوردن خصوصیات ماکارونی ، طراحی ، بهینه سازی و ساخت پل خرپایی توسط نرم افزار (power point) زیبایی طرح ارائه شده.

چگونه سازه ماکارونی را بهینه کنیم ؟

برای بهینه کردن سازه باید یک تابع هدف تعریف کنیم .

تابع هدف در مورد سازه های ماکارونی دو چیز است : وزن سازه .

خمش موجود در اعضاء.

سازه مورد نظر را باید طوری طراحی نماییم ، که در قبال کمترین وزن بیشترین رکورد را بدست آوریم .

همچنین سازه باید به گونه ای طراحی گردد ، که خمش موجود در اعضای آن به حداقل ممکن برسد .

چراکه همانطور که گفته شد ، ماکارونی در برابر خمش بسیار ضعیف می باشد .

برای اینکه 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 شکند .

علت این امر این است ، که نیروی فشاری وارد به خاطر انحنای موجود در تخم مرغ ، قسمت اعظم آن به صورت فشار انتقال پیدا می کند و قسمت کمی از آن تبدیل به خمش می شود .

که همین اصل در واقعیت باعث بوجود آمدن پل های قوسی شده است .

از آنجا که تخم مرغ نیز مانند ماکارونی یک جسم ترد است، بنابراین می توان با بوجود آوردن همین حالت در ماکارونی از بوجود آمدن خمش تا حد امکان در آن جلوگیری کرد.

اگر همانند شکل 1 ، نیرو را به اعضاء انتقال دهیم ، قسمت اعظم آن به شکل نیروی فشاری انتقال می یابد و فقط کمی از ان توسط خمش انتقال می یابد ، در حالی که در شکل 2 ، انتقال تمام نیرو توسط خمش می باشد .

بنابراین ، با توجه به توضیحات بالا شکل 1 ، مورد تائید است .

از طرف دیگر سازه باید به گونه ای طراحی گردد ، که تقریبا تمام اعضای اصلی با تمام ظرفیت خود کار کنند .

یعنی اینکه در هنگام شکست سازه تمام اعضای اصلی به حداکثر مقاومت خود رسیده باشند و تقریبا خراب شدن سازه در اثر شکست همزمان تمام اعضای اصلی صورت گیرد .

در این صورت می توان گفت که، از تمام اعضاء به نحو احسن استفاده شده است .

آزمایشات ابداعی گروه SBGبرای دست یافتن به بعضی از خصوصیات ماکارونی .

آزمایش کشش : هدف از این آزمایش ، اطلاع از حداکثر مقاومت کششی ماکارونی با قطر معین است .

دستگاهی که برای این آزمایش مورد نیاز است ، همانطور که در شکل 3 ، می بینید ، از دو قطعه چوب استوانه ای تشکیل شده ، که در سر هر یک از این قطعات یک قلاب فلزی قرار گرفته است .

در مرکزهر یک از این قطعات چوبی یک سوراخ به قطر خارجی ماکارونی مورد نظر تعبیه شده ، که ماکارونی از دو سر چسب خورده و در آن سوراخ ها فرو می رود .

برای بارگذاری ، بدین صورت عمل می کنیم که، یکی از قلاب ها را به یک تکیه گاه ثابت آویزان می کنیم و از قلاب دیگر وزنه ها را آویزان می کنیم .

عمل اضافه کردن وزنه باید به صورت تدریجی صورت گیرد ، بعد از گذاشتن هر وزنه حدود 15 ثانیه باید صبر کرد و سپس وزنه دیگر را قرار داد .

این عمل را آنقدر ادامه می دهیم تا رشته ماکارونی گسیخته شود .

مقاومت کششی حداکثر برابر است با مقدار وزنه های گذاشته شده ضرب در یک ضریب اطمینان ( ضریب کوچکتر از یک ، به طور مثال .9: ) .

آزمایش فشار : هدف از این آزمایش ،اطلاع از حداکثر مقاومت فشاری رشته ماکارونی با طول مشخص است .

دستگاهی که برای این آزمایش مورد نیاز است ، همانطور که در شکل 4 ، می بینید از دو صفحه چوبی تشکیل شده است ، که می تواند بر روی چهار میله فلزی بالا و پایین رود .

در مرکز صفحات چوبی بالا و پایین سوراخ هایی تعبیه شده است که ، رشته ماکارونی از دو سر چسب خورده و در سوراخ ها به حالت گیردار قرار می گیرد و یا اینکه رشته ماکارونی 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 ماکارونی تحت فشار بشکند.

حداکثر مقاومت فشاری برابر است با وزن قرار گرفته بر روی صفحه بالایی تا لحظه شکستن ماکارونی ضرب در یک ضریب اطمینان .

البته لازم به ذکر است که حداکثر مقاومت فشاری به قطر ماکارونی و طول آن وابسته است .

آزمایش خمش : هدف از این آزمایش ، اندازه گیری حداکثر خمش قابل تحمل بر اساس قطر و طول ماکارونی می باشد .

در این آزمایش رشته ماکارونی به صورت افقی بر روی تکیه گاه های گیر دار و ساده قرار می گیرد و از وسط تحت بار متمرکز قرار می گیرد .

در این آزمایش ، همانطور که در شکل 5 ، نشان داده شده است ، بار از وسط دهانه به صورت تدریجی تا لحظه شکست ماکارونی اضافه می گردد .

اگر حداکثر بار تحمل شده تا لحظه شکست ماکارونی pباشد ، طبق رابطه : M = p l / 8 حداکثر لنگر خمشی قابل تحمل توسط ماکارونی با طول و قطر معین بدست می آید .

آزمایش تعیین ضریب الاستیسیته : هدف از این آزمایش بدست آوردن یک مقدار تقریبی برای ضریب الاستیسیته ماکارونی می باشد .

در این آزمایش یک رشته ماکارونی با قطر و طول معین ، بر روی دو تکیه گاه ساده قرار می گیرد .

سپس تحت یک بار مشخص که ، از وسط دهانه آویزان می شود ، مقدار تغییر شکل وسط دهانه ( Deflection ) ، توسط یک خط کش دقیق اندازه گیری می شود .

سپس طبق رابطه زیر که برای تیر دو سر مفصل نوشته می شود : D = p l^3/ (48 E I ) مقدار ضریب الاستیسیته( E ) تعیین می شود .

I : ممان اینرسی ماکارونی که بر اساس قطر ماکارونی تعیین می شود .

P : مقدار بار آویزان شده از وسط دهانه .

L : طول دهانه .

D : میزان تغییر قائم وسط دهانه .

البته تعیین مقدار دقیق ضریب الاستیسیته کار دشواری می باشد .