7 هدف از سازه های ماکارونی به عنوان عنصر سازه ای1399
7 هدف از سازه های ماکارونی به عنوان عنصر سازه ای1399
سازه ماکارونی
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 پس از ساخت مورد بارگذاری قرار میگیرند.
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.
- 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 می بایست 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.
مزایای آموزشی
- تشخیص اعضای کششی و فشاری در مدل از طریق تمرین در ساخت پل از طریق نحوه شکستن اعضا در بارگذاری و بر اساس میزان بار.
- آشنایی با مفهوم تعادل از طریق نحوه شکستن اعضا در بارگذاری که با توجه به تقارن سازه و بار، شکستگی ها باید (تقریبا) متقارن باشد.
- آشنایی با مفاهیم نیرو، بردار، مثلثات.
- آشنایی با سازه (خرپا) : عضو، مفصل، انواع تکیه گاه، شرایط خرپا ها….
- آشنایی با انواع پل : پل خرپایی، پل قوسی، پل کابلی.
- تحلیل مقدماتی سازه: تعیین نیروی اعضای خرپایی در پل از نظر مقدار وجه.
معرفی انواع مختلف سازههای ماکارونی
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 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.
- سازه آزاد: رکوردگیری فقط بر اساس وزن تحمل شده است.
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.
- سازه 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 چسب استفاده می‌نمایند.
انواع اتصالات
- اتصال مفصلی: برای به وجود آوردن چنین اتصالی باید از چسب حرارتی، چسب تفنگی استفاده نمود. زیرا این چسب ها علاوه بر چسباندن اعضا به یکدیگر آنقدر 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:
- چسب دو قلو : 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.
- چسب قطره‌ای: 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
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 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.
آئین نامه سازههای فشاری:
-
نوع مصالح:
تمام گروههای شرکت کننده ملزم به استفاده از یک نوع ماکارونی، با مقطع دایره ای، به قطر خارجی حداکثر ۴ میلیمتر میباشند، که نوع ومارک شرکت تولیدکننده اعلام خواهد شد.
-
ابعاد:
- حداقل دهانه پل برابر ۱۵ سانتیمتر میباشد.
- عرض عرشه پل حداقل برابر ۱۰ سانتیمتر میباشد و سطح زیرین عرشه پل باید حداقل ۷.۵ سانتیمتر بالاتر از سطح زمین باشد.
- طول پل بین ۱۵ تا ۴۵ سانتیمتر و عرض آن بین۱۰ تا۲۰ سانتیمتر باشد.
- حداقل ارتفاع تراز بالای عرشه پل تا سطح زمین ۸.۷۵سانتیمتر میباشد.
-
قوانین:
- حداکثر تعداد اعضای گروه ۳ نفر میباشد.
- هرگونه تغییردر جنس ماکارونی از قبیل ( پرکردن ماکارونی با چسب یا مواد دیگر، حرارت دادن ماکارونی و غیره ) پذیرفته نخواهد شد. همچنین شرکتکنندگان فقط از چسب در محل اتصالات میتوانند استفاده نمایند.
- بریدن، قطع کردن و شکستن ماکارونی قانونی میباشد.
- حداکثر وزن پل ۴۵۰ گرم میباشد.
- شرکت کنندگان حداکثر مجاز به چسباندن ۲ رشته ماکارونی به یکدیگر و تشکیل پروفیل جدید هستند.
- به کار بردن هر ماده دیگری به غیر از ماکارونی و چسب مجاز نمیباشد.
- شرکت کنندگان قادر هستند از دیگر منابع برای کمک در طراحی سازه بهینه کمک بگیرند.
- قبل از بارگذاری تمام سازهها 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 میباشد.
-
نحوه بارگذاری سازهها:
- پل ها روی سطوح صافی قرار میگیرند.
- یک صفحه فلزی یا چوبی به ابعاد ۱۰ در ۱۵ سانتی متر روی عرشه پل قرار میگیرد.
- 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 ۲ سانتیمتر میباشد.
-
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).
