1- ساختمان:
ساختمان به مفهوم مهندسی عبارت است از مجموعه ای متشکل از عناصر مادی مرتبط می باشد. ساختمانهای مهندسی عموما برای هدف معینی طرح و ساخته می شوند. به ساختمانها نیروهای گوناگونی وارد می گردد و این دستگاهها باید بتوانند آن نیروها را بگونه ای مناسب تحمل و منتقل کنند. بعضی از ساختمانها و ماشین ها طبیعی هستند و بعضی دیگر بدست انسان ساخته می شوند. بدن خود انسان و جانوران و درختان از جمله ساختمانها و ماشین های طبیعی می باشند، در حالیکه یک بنای چند طبقه و یا یک اتومبیل در زمره ی دستگاههای مکانیکی مصنوعی بشمار می روند. شکل های (1-1) نمونه هایی چند از سازه های طبیعی و مصنوعی را نشان می دهند.
انواع سازه ها، و مصالحی که ساختمانها از آن ها ساخته می شوند، بستگی به هدفهائی دارد که مورد نظر پدید آورندگان آنها بوده است.
2- انواع ساختمان ها:
سازه ها را از دیدگاههای مختلف به انواع گوناگونی تقسیم می کنند. هر یک از این تقسیم بندیها دارای مبنای خاصی است و دارای فوائدی می باشد. در این قسمت چند گروه بندی از انواع ساختمانها را خواهیم آورد.
شکل (1-1)
الف- تقسیم بندی سازه ها بر حسب کاربرد آنها:
بناها : مقصود از بناها، در اینجا، انواع ساختمانهائی هستند که برای سکونت، کارهای اداری، اقتصادی و تاسیسات شهری دیگر ساخته می شوند. بناها ممکن است بصورت سازه های یک طبقه و یا چند طبقه باشند. مقصود اصلی از ساختن بناها ایجاد پناهگاه و یا پوشش ساختمانی است که اشخاص و یا اشیاء را در خود جای داده و آنها را از اثرات محیطی نامطلوب مثل زازله، باد، باران، برف، سرما و گرما و نظیر آن محفوظ دارد و انجام فعالیت هائی را ممکن سازد.
پل های ارتباطی : پلها سازه هائی هستند که برای گذراندن و عبور اشخاص و اشیاء بکار می روند. پل های عابر پیاده، گذرگاههای خودروها و قطارها، که بر روی رودخانه ها و دره ها ساخته می شوند، انواعی زا پل ها بشمار می آیند. گاهی نیز ممکن است برای گذراندن آب یا سایر مواد از روی موانعی بر روی آن موانع پل زده شود. آب باره هائی که بر روی جاده ها و یا رودخانه ها و دره ها ساخته می شوند نمونه ای از اینگونه پلها هستند. وسایل دیگر انتقال نیرو و سایر گذرگاهها و سازه های ارتباطی را نیز می توان در تعریف عمومی پل ها گنجانید. خطوط انتقال نیروی الکتریکی نمونه ای زا سازه های ارتباطی اند. نمونه ی عمده ی دیگر از سازه های ارتباطی راهها و خطوط آهن می باشند.
ساختمانهای صنعتی : سازه های صنعتی چنانکه از نامشان بر می آید، تاسیساتی اند که برای مقاصد صنعتی یعنی تبدیل ماده و انرژی و تولید محصولات و مواد گوناگون احداث می شوند. ساختمانهائی که بمنظور نگهداری اشیاء ساخته می شوند (مثل گاراژها، انبارها، آشیانه ی هواپیماها و نظیر آنها) را نیز می توان در زمره ی ساختمانهای صنعتی محسوب داشت. کارگاهها و تاسیسات تولید نیرو مثالهئی دیگر از ساختمانهای صنعتی می باشند. انواع مخازن مثل منابع تحت فشار و غیره را نیز می توان جزء تاسیسات صنعتی بشمار آورد.
تقسیم بندی سازه ها بر حسب شکل و رفتار آنها:
شکل هندسی و رفتار فیزیکی ساختمانهای مهندسی معمولا با هم مرتبط است بدین لحاظ، هر گونه تقسیم بندی که بر پایه ی اینگونه ملاحظات انجام می پذیرد بایستی در قالبی واحد، که شکل و رفتار را توماً شامل می شود، صورت گیرد. ساختمانها را براساس شکل و رفتار به گروههای زیر می توان تقسیم کرد:
ساختمانهای اسکلتی : سازه های اسکلتی ساختمانهائی اند که از یک یا چندین عنصر یک بعدی، که به یکدیگر متصل شده و شبکه ای را به وجود می آورند، تشکیل می یابند. عناصر یک بعدی ممکن است از نوع کش یا مهار، ستون، تیر، و یا قوس باشند. در ساختمانهای اسکلتی، پیوند عناصر ساختمانی با یکدیگر در محلهای مشخصی بنام گره یا اتصال صورت می گیرد. در شکل های (2-1) انواعی چند از ساختمانهای اسکلتی نشان داده شده اند.
انواع ساختماهای اسکلتی از نظر رفتار مکانیکی با هم تفاوتهائی دارند مثلا ساختمانهای خرپائی و ساختمانهای قابی که هر دو جزء سازه های اسکلتی بشمار می آیند، از لحاظ رفتاری کاملا متفاوتند. در ساختمانهای خرپائی، که گونه ای از آن در شکل (3-1) نشان داده شده، عناصر ساختمان عمدتا در کشش و یا فشار کار می کنند. در این نوع از سازه ها، هر یک از میله ها با آنکه ممکن است با جوش یا برج به میله های دیگر اتصال یافته باشد معذالک اساسا یک جسم دو نیروئی است و بنابر این میدان نیروی داخلی در آن محوری است و بصورت کشش و با فشار ساده می باشد. از طرف دیگر، رد سازه های قابی، که دو مثال از آن در شکل های (4-1) نمایش داده شده، انتقال بار عمدتا از طریق خمش تیرها و ستونها صورت می گیرد. اتصالات اینگونه ساختمانها معمولا طوری اجرا می شوند که می توانند لنگر خمشی را زا عضوی به عضو دیگر منتقل نمایند. قابهائی را که دارای این خاصیت اند قابهای گیر دار می نامند.
شکل (3-1)
شکل (4-1)
ساختمانهای مرکب : ساختمانهای اسکلتی و پوسته ای به صورت خالص خود بندرت یافت و یا طرح می شوند. ساختمانهای مهندسی اغلب آمیزه ای از عناصر قابی، خرپائی و پوسته ای می باشند. بعنوان مثال، یک ساختمان قابی عموما دارای سقف و دیوارهائی است که به شکل تاوه و یا پوسته اند. همچنین، در ساختمانهای پوسته ای معمولا عناصری قاب مانند و یا اعضائی بشکل خرپا وجود دارد. شکل (7-1) نمونه ای از ساختمانهای مرکب را نشان می دهد.
الف) برآوردن احتیاج : پیدایش یک فرم ساختمانی زائیده نیازهائی است که به آن وجود داشته است. احتیاجات ممکن است جنبه ی حیاتی داشته و یا از نوع دیگر باشد. مثلا ساختن کشتی برای عبور از آب یک احتیاج حیاتی است، در حالیکه فرمهای ساختمانی تزئینی بعضی از احتیاجات ذهنی را برآورده می سازند.
شکل (7-1)
تعادل : ساختمانهای مهندسی، همانند سایر اجسام مادی، تابع قوانین مکانیک اند. قوانین مکانیک حرکت و تعادل اجسام مادی را تبیین می کنند. یکی از شرایطی که در طرح بعضی ساختمانها (مثلا بناها) مورد نظر قرار می گیرد آنست که جسم در حالت تعادل باقی بماند. منظور از این امر آنست که ساختمان و یا اعضای آن نباید حرکت کند. در اینصورت، چنانچه ضابطه ی تعادل ساختمانی ارضاء نشود طرح مردود خواهد بود. مثلا، حرکت عمده ی یک بنا یا پل موجب خرابی، و یا حرکت یک سد ساخته شده موجب بروز ضایعاتی است که مسلما کامل مغایر یا هدف ایجاد آن بوده است. باید متذکر شد که منظور از حرکت ساختمان در این مقوله، حرکات جسم بصورت یک جسم صلب است. این حرکات شامل تغییر مکانهای انتقالی جسم و همچنین تغییر مکانهای دورانی جسم صلب می باشد. البته، واضح است که اجسام تغییر فرم پذیر در اثر نیروهای وارده تغییر شکل جزئی می دهند. این تغییر شکل، از نقطه یا به نقطه ی دیگر جسم متفاوت می باشد و معمولا بسیار کوچک است. مثلا تیر یک سقف در اثر بارهای وارده بر آن مقداری خم می شود و خیز پیدا می کند بی آنکه تعادل کلی خود را زا دست بدهد. در این صورت، چنانچه خیز نامبرده از حدی تجاوز نکند حرکت جسم مجاز و طرح آن مورد قبول خواهد بود.
برای اینکه بیشتر به مفهوم تعادل مکانیکی و شرایط تامین آن پی ببریم لازم است که سخن بالا را در قابل نیروها بگنجانیم. بنا بر قوانین مکانیک، چنانچه به جسم ساکنی نیروئی وارد نیاید آن جسم هیچگاه حرکتی نخواهد داشت. اثر ینرو موجب حرکت جسم می شود. از سوی دیگر، حرکت کلی هر جسم را می توان به حرکات انتقالی و دورانی آن تجزیه نمود. بنابراین، شرایط تعادل به این صورت بیان یم گردد که برآیند کلیه ی نیروهای وارده به جسم باید صفر باشد و همچنین برآیند لنگر کلیه ی نیروهای وارده به جسم (نسبت به هر نقطه ی اختیاری) باید صفر باشد. این ضوابط، که مجموعا معادلات تعادل را بدست یم دهند، در طرح فرمهای ساختمانی مبنای کار قرار می گیرند. اگر بخواهیم بصورت دیگری این ضوابط را بیان کنیم باید بگوئیم که برای ایجاد و حفظ تعادل مکانیکی جمع کل نیروها و جمع کل لنگرهای وارد به جسم در هر امتداد دلخواه باید مساوی صفر باشد. بایستی متذکر شویم که برای ایجاد تعادل کلی جسم هر دو نوع تعادل انتقالی و دورانی لازم است : یعنی، جسمی در حالت تعادل که هر ذره ی مادی از آن در حالت تعادل انتقالی و دورانی باشد و روابط تعادل را ارضاء کند.
تعادلی که در این جا از آن سخن رفته، تعادل جسم بصورت حفظ حالت سکون آن است. ممکن است حالاتی پیش بیاید که تعادل دینامیکی مورد نظر باشد. مثلا در طرح بعضی از سازه ها منظور ایجاد ساختمانی است که بتواند برای هدفی ارتعاش کند. ارتعاش، یک پدیده ی دینامیکی است و ضمن آن نقاط مادی جسم بر حسب زمان تغییر مکان یم دهند. البته قوانین مکانیک حاکم بر چنین حالاتی نیز می باشند. در اینگونه موارد، تعادل بمعنی سکون جسم و ذرات آن مفهوم ندارد و باید که شرایط تعادل را تعمیم داد و بجای سکون، از تعادل دینامیکی ساختمان نام برد.
مقاومت : انتظاری که معمولا از ساختمانهای مهندسی داریم آنست که آنها مقاوم، مستحکم و بادوام باشند. مقاومت و استحکام را به زبان فنی می توان صلبیت و قابلیت جسم به حفظ شکل و جنس خود نامید. سدی که در مقابل نیروهای وارده تغییر فرم زیادی، که زیان آور باشد، نمی دهد و یا ساختمانهائی که در مقابل نیروهای ضربتی خرد نشده و خواص مکانیکی و هندسی خود را حفظ می کنند، را می توان ساختمانهائی مقاوم و مستحکم نامید. دوام مکانیکی، حفظ قابلیت فوق در طول زمان است. شکی نیست که مفاهیم پیش گفته همگی نسبی اند. در طرح مکانیکی سازه ها با در نظر گرفتن احتیاجات و ضوابط دیگر حدودی برای مقاومت، استحکام و دوام جسم موردنظر مشخص می گردد. این حدود بصورت آئین نامه ها و یا قوانینی، که حاکم بر طرحهای مختلف اند، دئر اختیار طراح قرار می گیرند.
باید در نظر داشت که همیشه صلبیت و قابلیت تغییر شکل ناپذیری جسم مطلوب نیست و در بعضی موارد انتظار طرح مخالف چنین وضعیتی است. بعنوان مثال، در بعضی از ساختمانها چنانچه طرح طوری انجام گیرد که در ساختمان قابلیت تغییر شکل پذیری وجود داشته باشد، ممکن است این امر به پایداری آن در مقابل چنان اثراتی کمک کند.
پایداری : ساختمانها و فرمهای ساختمانی در بعضی موارد تعادل و پایداری خود را از دست می دهند. این حوادث معمولا در مواقعی پیش می آیند که در جهات اعمال نیروها، مقادیر آنها، خود ساختمان و یا در شرایط محیطی تغییراتی حاصل شود. این عدم تعادل و یا ناپایداری بصورتهای مختلف امکان پذیر است. مثلا کمانش ستونها وقتی که بار آنها از حدی تجاوز نماید، و نیز کمانش قوسها و پوسته ها تحت اثر بار فشاری، مثالهائی از ناپایداری تعادل اند. این گونه ناپایداری ها به ناپایداری ارتجاعی موسوم می باشند، زیرا با اینکه هنوز خواص مادی این جسم در حدی است که زوال جسم از آن طریق حاصل نمی شود، ولی به علل ذکر شده در آنها ناپایداری هندسی، یعنی ازدیاد تغییر فرمهای زیاد و خارج از محدوده ی مورد قبول، پیش می آید. لایه های سنگ و یا خاکی که در تپه ها و کوهها روی یکدیگر میلغزند و یا ساختمانهائیکه بعلت نشست های نامساوی تعادل انتقالی و دورانی خود را از دست می دهند نمونه های دیگر از ناپایداری مکانیکی اند، تعادل و پایداری ممکن است از طریق دینامیکی نیز از دست برود. از دست دادن تعادل دورانی کشتی و یا هواپیما و ارتعاشات مخرب پلهای معلق از جمله انواع ناپایداری دینامیکی می باشند. از نظر طرح و ارزیابی ساختمانهای مختلف، اطلاع از انواع ناپایداریهایی که ممکن است در جسم به وجود آید ضروریست و از این اطلاعات می توان استفاده نمود و این پدیده ها را بصورت عوامل مطلوب و یا غیر مطلوب در طرح و سنجش ساختمانها دخالت داد.
اصول و روشهای طرح و آنالیز ساختمانها :
یکی از ملاحظات بسیار عمده ای که از قدیم در طرح و اجرای ساختمانها منظور می شده ایجاد ساختمانی بوده است که از زوال و خرابی بدور مانده ساختمانهای سنگی و بنائی که در قدیم ساخته می شده اند دارای ابعادی بیش از آنچه که برای مقاومت بدان نیاز داشتند، بودند. زوال ساختمانهائی از این قبیل عمدتاً بعلت نشت های غیر یک نواخت و یا نا پایداری کلی ساختمان ایجاد می گردید بنابراین، ساختمانهای سنگی و بنائی در قدیم طوری طرح و ساخته می شدند که حتی المقدور در مقابل لغزش و نشست های نسبی پایدار باشند. البته در دوران قدیم روشهای نظری آنالیز ساختمانها که امروزه معمول است بکار نمی رفت، و طرح سازه ها بر اساس تجربه و با خطا و آزمون عملی صورت می گرفته است.
ساختمانهای فولادی و بتنی که از قرن نوزدهم میلادی ب بعد با مقیاس بسیار وسیع تری ساخته شده اند از همان ابتدا مسائل نوینی را برای طراحان ساختمان مطرح نموده اند. از جمله، بعلت مقاومت زیادی که فولاد دارد، ساختمانهای فولادی و ساختمان های بتن سطح را می توان با ابعادی بسیار کوچک تر از ابعاد ساختمانهای سنگی و مصالح بنائی طرح نمود. در نتیجه، ساختمانهای فولادی و بتن مسلح با اعضائی نسبتاً باریک و نازک از کاردر می آیند. باین ترتیب، علاوه بر مسئله ی مقاومت مصالح، که از قبل مطرح بوده، مسئله ی کمانش اعضا ساختمانی نیز مطرح می گردد و حالت جدید زوال موسوم به زوال کمانشی در جسم تعریف و شناخته می شود.
استفاده از انواع مصالح فولادی و مصالح بتن مسلح در ساختمانهای مهندسی مسئله ی تغییر فرم ساختمان را نیز پیش می آورد. تغیییر فرم ارتجاعی ساختمانها در مواردی ممکن است از حدود مجاز بیشتر باشد. مثلاً تیرهای سقف یک ساختمان، با وجود آنکه دارای مقاومت مکانیکی کافی اند، ممکن است سختی خمشی لازم را نداشته باشند و در نتیجه، بعلت خیز بیشتر از حد مجاز، روکش گچی سقف ترک بخورد و یا اصولاً تغییر فرم خمشی نا مطلوبی در ساختمان ایجاد گردد.
بعنوان مثال، یک ساختمان چند طبقه ی فولادی، که دارای مقاومت کافی در برابر نیروهای قائم و جانبی است، ممکن است صلبیت و دوام لازم را در مقابل نیروهای جانبی مثل باد و زلزله نداشته باشد. چنین ساختمانی در اثر نیروهای جانبی تغییر فرمهائی خواهد داد که احتمالاً از حدود مجاز بیشتر بوده و مطلوب نمی باشند. به این ترتیب مسئله تغییر فرم ساختمان در اثر نیروها مسئله ی جدیدی را در طرح ساختمانها مطرح می سازد.
13