سازه های ماکارونی

مقدمه :

دروس سازه اي كه در رشته مهندسي عمران در دانشگاه هاي ايران تدريس مي شود ، معمولا به طور كلي به صورت تئوريك تدريس مي گردد و دانشجويان كمتر اين دروس را به صورت عملي تجربه مي كنند ، بنابراين شايد فهم اين دروس به صورت عميق در حين دوران تحصيل ممكن نباشد .
ساخت سازه هايي توسط فولاد و يا بتن صرفا براي آموزش هم مقدور نمي باشد ، چرا كه هزينه تمام شده اين كار بسيار بالا است .

بنابرلين در سرتاسر دانشگاههاي معتبر دنيا ، سعي شده است ، تا بااستفاده از مصالح ارزان قيمت ( به جاي بتن وفولاد ) و مدل كردن سازه هاي واقعي توسط اين مصالح ، آموزش دروس سازه اي به صورت عملي ممكن شود .
ماكاروني يكي از اين مصالح جايگزين مي باشد . اين عنصر سازه اي جديد به دليل برخي از خصوصيات ويژه مثل ( سبكي ، دسترسي ساده و ارزان بودن ) بيشتر از ديگر مصالح مشابه مورد توجه قرار گرفته است .
سالانه در آمريكا مسابقات بزرگي در اين زمينه بين دانشجويان برگزار مي گردد و سازه هاي ساخته شده توسط ماكاروني به دليل طراحي بهينه
، به ركورد هاي غير قابل باوري دست پيدا مي كنند .
گروهSBG نيز از ابتداي سال ۱۳۸۱ پروژه تحقيقاتي را در اين زمينه آغاز نمود و توانست به تجربيات و موفقيت هاي قابل توجهي دست پيدا كند .
اين مجموعه شامل دانسته ها و تجربيات اين گروه ، در اين زمينه مي باشد ، كه اميدواريم مورد استفاده علاقمندان قرار گيرد .
در پايان وظيفه خود مي دانيم ، تا از اساتيد محترم ، دكتر هوشمند ، دكتر فيوض ، مهندس ماهيني ، مهندس صنعتي و بويژه خانم ناصري( معاونت فرهنگي – دانشجويي دانشگاه خليج فارس ) كه ما را در اين امر پژوهشي ياري نمودند ، نهايت تشكر و قدرداني را به جاي آوريم .

معرفي سازه ماكاروني :
سازه هاي ماكاروني به سازه هايي اطلاق مي شود ، كه مصالح استفاده شده در آنها تنها ماكاروني و چسب مي باشد . اين سازه ها در مقياس كوچكتر نسبت به سازه هاي واقعي طراحي و توسط ماكاروني و چسب ساخته مي شوند و پس از ساخ

ت مورد بارگذاري قرار مي گيرند .
در واقع اين سازه ها به عنوان ماكت ساخته نمي شوند و سازه اي كه بار بيشتري را تحمل مي كند ، موفق تر خواهد بود . پل ( تحت بارگذاري يكنواخت ، متمركز و متحرك ) ، Towercrain ، انواع قاب هاي ساختماني و ستون هاي فشاري از جمله رايج ترين سازه هاي ماكاروني مي باشند .
هر ساله در اين راستا مسابقات بزرگي در دانشگاه هاي معتبر دنيا بين دانشجويان رشته مهندسي عمران برگزار مي گردد . اين دانشگاه ها از سالها پيش در اين زمينه سرمايه گذاري كرده تا ذهن خلاق دانشجويان را فعال سازند و از طرحها و پژوهش هاي آنها در عمل استفاده كنند . طراحي و ساخت پل و ستون هاي فشاري رايج ترين رشته هاي اين مسابقات مي باشند

. بطور مثال طراحي و ساخت پل خرپايي تنها با استفاده از ۷۵۰ گرم ماكاروني ( معادل يك بسته ماكاروني ) كه مي تواند وزن زيادي را تحمل نمايد . طول دهانه پل يك متر و حداكثر ارتفاع پل نيم متر مي باشد . پل روي دو تكيه گاه كه از يكديگر يك متر فاصله دارند قرار مي گيرد و تكيه گاهها

فقط قادر به وارد كردن عكس العمل عمودي مي باشند و هيچ عكس العمل افقي در تكيه گاهها بر پل وارد نمي شود . ركورد كسب شده در اين رشته ( پل خرپايي ) معادل ۱۷۶ كيلو گرم مي باشد ، كه اين ركورد تقريبا ۲۳۰ برابر وزن خود سازه مي باشد . همچنين طراحي و ساخت سازه هاي فشاري كه قادر به تحمل بار هايي بيش از نيم تن مي باشند ، از ديگر نمونه هاي اين سازه ها هستند . اينجا يك سئوال ممكن است مطرح مي گردد ، آيا جنس ماكاروني در دست يافتن به ركورد هاي بالا موثر است ؟
در اين زمينه تحقيقاتي روي محصول هاي مختلف شركت هاي ماكاروني دنيا انجام گرفته و ماكاروني شركت Rose ايتاليا به عنوان بهترين ماكاروني براي اين هدف شناخته شده است .
البته لازم به ذكر است كه قدرت و مهارت طراح در ارائه يك طرح موفق ، بسيار مهم تر از جنس ماكاروني در رسيدن به ركورد هاي بالا مي باشد .
هدف از استفاده از ماكاروني به عنوان عنصر سازه اي :
۱٫ در واقع ماكاروني بر خلاف فولاد و بتن عنصر سازه اي ناشناخته اي مي باشد . اين بدان معني است كه خصوصيات ماكاروني شامل حداكثر تنش كششي ، حداكثر تنش فشاري ، مدول الاستيسيته ، نحوه كمانش ماكاروني و ديگر خصوصيات ماكاروني كه مورد نياز براي طراحي و تحليل سازه مي باشند ، ناشناخته مي باشد و تنها راه بدست آوردن اين ويژگيها ايجاد وابداع آزمايش هاي ساده و دقيق مي باشد .
۲٫ ماكاروني بر خلاف بتن و فولاد داراي ضعف هاي زيادي مي باشد و اين ضعف ها كار را براي طراح مشكل تر مي كند و اينجاست كه ابداعات و خلاقيت هنر نمايي مي كنند و براي رسيد

ن به ركورد هاي بالا بهينه سازي سازه ها مطرح مي گردد .
۳٫ ارزان بودن ماكاروني نسبت به مصالحي چون فولاد وبتن .
اهداف كلي طرح :
۱٫ اين طرح در وهله اول به عنوان يك طرح آموزشي مي تواند بسيار مفيد و سودمند براي دانشجويان رشته مهندسي عمران ايفاي نقش نمايد ، زيرا اين امكان را به دانشجويان مي دهد كه ، با استفاده از مصالح ارزان ، سبك و قابل دسترس ( ماكاروني به جاي بتن و فولاد ) دست به طراحي و ساخت سازه هاي مختلف زده و با اين كار كليه دروس فراگرفته در رشته سازه را به عمل تجربه نمايند .
۲٫ دانشجويان مي بايست با استفاده از مسائل تئوريك فرا گرفته در دروس مقاومت مصالح و

آزمايشگاه هاي مربوط به آن تلاش نمايند تا خصوصيات عنصر سازه اي جديد را كشف نمايند .
۳٫ دانشجويان مي بايست با استفاده از تحليل سازه ها و با بكارگيري نرم افزار هاي كامپيوتري به طراحي و آناليز سازه مورد نظر بپردازند.
۴٫ طراحي و ساخت يك سازه بهينه كه تحت عنوان بهينه سازي سازه ها مطرح است .

معرفي انواع مختلف سازه هاي ماكاروني :
سازه هاي فشاري :
نوعي پل با دهانه كوتاه ، كه اكثر اعضاي آن در فشار مي باشند . از مزيت هاي اين رشته از مسابقات طراحي اعضاي فشاري و بررسي پديده كمانش در آنها مي باشد .
Tower Crain :
دراين نوع از سازه هاي ماكاروني ، هدف طراحي جرثقيلهايي است كه بر روي برجهاي بلند به كار گرفته مي شوند .
اين سازه ها بايد قادر باشند با داشتن ارتفاع معين شعاع خاصي را تحت پوشش قرار دهند .
پل با بار متمركز :
اين سازه از به هم پيوستن دو خرپاي دوبعدي به وجود مي آيد و بارگذاري از وسط دهانه صورت مي گيرد .
اين نوع پل هر سه نوع عضو فشاري ، كششي و خمشي را دارا مي باشد .
پل با بار گسترده :
پل به شكل ظاهري خرپا مي باشد ، كه بارگذاري به صورت گسترده و يكنواخت در تمام طول دهانه صورت مي گيرد . در عمل مي توان چنين فرض كرد كه تمام وسايل نقليه به دليل ترافيك به صورت ثابت بر روي پل قرار گرفته اند .

پل با بار متحرك :
اين نوع از سازه ماكاروني در واقع پيشرفته ترين و كامل ترين حالت از سازه ها مي باشد ، كه در آن طراحان اقدام به طراحي يك پل واقعي مي كنند .بار قرار گرفته بر روي پل به صورت متحرك مي باشد ، كه اين امر با عبور دادن يك وسيله نقليه كوچك با سرعت معين ، كه بر روي آن وزنه قرار داده مي شود ، صورت مي گيرد .

آئين نامه سازه هاي فشاري:
سازه هاي فشاري :
اين نوع از سازه ها در واقع نوعي پل با دهانه كوتاه هستند ، با اين تفاوت كه اكثر اعضاي سازه نيروي فشاري را تحمل مي كنند . هدف از طراحي اين سازه ها رسيدن به بالاترين بار تحمل شده در قبال كمترين وزن سازه مي باشد.
هر گروه تنها قادر به ساخت يك سازه مي باشد. هر گونه كوتاهي و قصور در مورد نحوه چسباندن اعضا به يكديگر بر عهده خود شركت كنندگان مي باشد .

نوع مصالح :

تمام گروه هاي شركت كننده ملزم به استفاده از يك نوع ماكاروني، با مقطع دايره اي، به قطر خارجي حداكثر ۴ ميلي متر مي باشند ، كه نوع ومارك شركت توليد كننده متعاقبا اعلام خواهد شد. همچنين چسب به كار رفته در سازه مي تواند از سه نوع چسب :
۱٫حرارتي
۲٫ Epoxy ( دوقلو )
۳٫ Supper glow ( قطره اي ) باشد.

ابعاد :
۱٫ حداقل دهانه پل برابر ۱۵ سانتي متر مي باشد.
۲٫ عرض عرشه پل حداقل برابر ۱۰ سانتي متر مي باشد و سطح زيرين عرشه پل بايد حداقل ۵/۷ سانتي متر بالاتر از سطح زمين باشد.
۳٫ طول پل بين ۱۵ تا ۴۵ سانتي متر و عرض آن بين ۱۰ تا ۲۰ سانتي متر باشد.
۴٫ حداقل ارتفاع تراز بالاي عرشه پل تا سطح زمين ۷۵/۸ سانتي متر مي باشد.
قوانين :
۱٫ حداكثر تعداد اعضاي گروه ۳ نفر مي باشد.
۲٫ هرگونه تغييردر جنس ماكاروني از قبيل ( پركردن ماكاروني با چسب يا مواد ديگر ، حرارت دادن ماكاروني و غيره ) پذيرفته نخواهد شد.همچنين شركت كنندگان فقط از چسب در محل اتصالات مي توانند استفاده نمايند.
۳٫ بريدن ، قطع كردن و شكستن ماكاروني قانوني مي باشد.
۴٫ حداكثر وزن پل ۴۵۰ گرم مي باشد.
۵٫ شركت كنندگان حداكثر مجاز به چسباندن ۲ رشته ماكاروني به يكديگر و تشكيل پروفيل جديد هستند.
۶٫ به كار بردن هر ماده ديگري به غير از ماكاروني و چسب مجاز نمي باشد.
۷٫ شركت كنندگان قادر هستند از ديگر منابع براي كمك در طراحي سازه بهينه كمك بگيرند.
۸٫ قبل از بارگذاري تمام سازه ها چه از نظر نوع مصالح وچه از نظر ابعاد مورد بازبيني قرار مي گيرند و هرگونه تخلف از قوانين به معناي عدم پذيرفته شدن سازه در مسابقات مي باشد.
نحوه بارگذاري سازه ها :
۱٫ پل ها روي سطوح صافي قرار مي گيرند.
۲٫ يك صفحه فلزي يا چوبي به ابعاد ۱۰ در ۱۵ سانتي متر روي عرشه پل قرار مي گيرد.
۳٫ بار به صورت مداوم روي صفحه فلزي يا چوبي كه روي عرشه پل قرار دارد، اضافه مي گردد، تا آنجا كه پل بدون هرگونه شكستگي در كل يا قسمتي از آن قادر به تحمل بار باشد . همچنين در هنگام بارگذاري حداكثر خيز قابل قبول براي پل ۲ سانتي متر مي باشد.

عوامل موثر در گزينش بهترين سازه:
I. كارآمدي سازه:
حداكثر نسبت بار تحمل شده به وزن سازه.
II. ارائه مقاله:
ارائه مقاله در مورد چگونگي طراحي ، بهينه سازي و ساخت سازه فشاري توسط نرم افزار power point ) ( .
1. زيبايي طرح ارائه شده.

• در شكل بالا حداقل ابعاد نشان داده شده است .
آئين نامه پل خرپايي ( با بارگذاري متمركز )
پل خرپايي :
نوعي پل به شكل ظاهري خرپا مي باشد ، كه بارگذاري از وسط دهانه پل صورت مي گيرد. دراين نوع پل هر سه نوع عضو كششي ، خمشي و فشاري را دارا هستيم.هر گروه تنها مجاز به ساختن يك پل مي باشد ، كه مصالح بكاررفته در سازه تنها ماكاروني و چسب مي باشد . هدف از ساختن اين نوع پل حداكثر بار تحمل شده در قبال كمترين وزن سازه است.
نوع مصالح :
تمام گروه هاي شركت كننده ملزم به استفاده از يك نوع ماكاروني، با مقطع دايره اي، به قطر خارجي حداكثر ۴ ميلي متر مي باشند ، كه نوع و مارك شركت توليد كننده متعاقبا اعلام خواهد شد. همچنين چسب به كار رفته در سازه مي تواند از سه نوع چسب :
۱٫حرارتي
۲٫ Epoxy ( دوقلو )
۳٫ Supper glow ( قطره اي ) باشد.

قوانين :
۱٫ دهانه پل به طول يك متر مي باشد . البته طول پل برابر ۱/۱ متر مي باشد ، كه از هر طرف ۵ سانتي متر بر روي تكيه گاه ها قرار مي گيرد.
۲٫ پل بر روي تكيه گاه هاي ساده قرار مي گيرد و تكيه گاه ها تنها قادر به وارد كردن عكس العمل عمودي مي باشند.

مورد تائيد مي باشد .

مورد تائيد نمي باشد .
حداكثر ارتفاع پل برابر ۵۰ سانتي متر مي باشد، كه اين ارتفاع از پايين ترين نقطه پل تا بالاترين نقطه آن اندازه گيري مي شود.
۳٫ حداكثر وزن پل برابر ۷۵۰ گرم مي باشد.
۴٫ پل بايد داراي يك عرشه از جنس ماكاروني به عرض حداقل ۵ سانتي متر باشد كه دو سر تكيه گاه ها را به هم متصل كرده و نقش نمادين جاده را ايفا مي كند. در اين مورد بايد به سه حالت زير توجه كرد .
الف. فضاي خالي بين رشته هاي ماكاروني نبايد از ۲ ميليمتر تجاوز كند.
ب‌. عرشه پل بايد به گونه اي باشد كه قابليت عبور يك مكعب چوبي شكل به ابعاد (۵*۵*۱۰ ) كه نقش نمادين يك وسيله نقليه را بازي مي كند ، داشته باشد.
ت‌. عرشه پل نبايد بالاتر يا پايين تر از ۵ سانتي متر، نسبت به خطي باشد كه دو سر تكيه گاهها را به هم متصل مي كند.
۶٫ پل بايد داراي يك صفحه بارگذاري از جنس چوب به ابعاد (۱۰ * ۵ * ۲ ) سانتي متر مكعب باشد.صفحه بارگذاري به وسط پل متصل مي گردد و مي تواند تا ۲ سانتي متر بالاتر يا پايين تر از عرشه نمادين پل قرار گيرد. اين صفحه بارگذاري داراي يك قلاب U شكل مي باشد ، كه به مركز صفحه بارگذاري متصل مي شود . در هنگام بار گذاري بار توسط يك قلاب S شكل ، به قلاب U شكل متصل مي گردد. البته لازم به ذكر است كه عرض صفحه بارگذاري كه در بالا ۵ سانتي متر ذكر شده، مقدار حداقل مي باشد و مي تواند با توجه به عرض عرشه افزايش يابد .
نحوه بارگذاري پل :
براي بارگذاري پل از يك ميله بارگذاري خاص كه توسط يك قلاب به صفحه بارگذاري متصل مي گردد، استفاده مي شود. اين ميله بارگذاري داراي دو ميله افقي است كه وزنه ها در طرفين اين دو ميله قرار مي گيرند. وزنه ها با فاصله زماني روي ميله بارگذاري وصل مي شودو انتخاب مقدار وزنه بر عهده خود شركت كنندگان مي باشد.

دستگاه بارگذاري
نحوه گزينش بهترين پل:
گزينش بهترين پل بر اساس عوامل زير مي باشد:
I. كار آمدي پل:
نسبت بار تحمل شده به وزن پل.
II. ارائه مقاله :
ارائه مقاله در رابطه با چگونگي بدست آوردن خصوصيات ماكاروني ، طراحي ، بهينه سازي و ساخت پل خرپايي توسط نرم افزار (power point)
III. زيبايي طرح ارائه شده.
چگونه سازه ماكاروني را بهينه كنيم ؟

براي بهينه كردن سازه بايد يك تابع هدف تعريف كنيم .
تابع هدف در مورد سازه هاي ماكاروني دو چيز است :
• وزن سازه .