معماری و عمران

تعادل و ایستایی استاتیکی حالتی است که در آن اجسام یا سازه‌های تحت تأثیر نیروهای خارجی- تغیر مکان نسبی نداده و در حالت ایستایی و سکون باقی بمانند.

در حالت تعادل ایستا که در علوم مهندسی به «تعادل استاتیکی» موسوم است، سیستم مورد نظر یا در حال سکون است یا می‌توان از نظر علمی (بخصوص با توجه به سکون نسبی نسبیت انیشتین) مرکز ثقل (گرانیگاه) آن را در یکی از دستگاه‌های سکون نسبی که با سرعت ثابت حرکت می‌کنند و لذا شتاب در آن صفر است، ساکن دانسته و تعریف نمود.

با استفاده از قانون دوم نیوتون به این نتیجه می‌رسیم که در یک سیستم نیرویی (یک جسم یا مجموعه‌ای از اجزای یک سازه که می‌تواند ساختمانی یا مکانیکی و ماشینی یا توربین‌های الکتریکال باشد.

یعنی مفهوم کلی وبار مهندسی واژهٔ «سازه» یا structure) زمانی می‌توان آن را در حال تعادل و ایستایی، دانست که جمع جبری گشتاور (ریاضی)ها یا لنگرها (moment) و کلیهٔ نیروهای وارده بر مراکز ثقل (گرانیگاه): جرم-سختی-اینرسی صفر شوند (اصل جمع یا اجماع نیروها در استاتیک مهندسی سازه)؛

یا بر اساس مکانیک نیوتونی می‌توان این تعریف را نیز ارائه داد:

در ازای هر نیرویی که بر یک جزء یا مؤلفه از سیستم استاتیکی سازه وارد می‌شود، نیرویی (عکس العمل یا “واکنشی”) به همان اندازه ولی در جهت مخالف به آن جزء اعمال می‌گردد.

این که نیروی خالص وارد بر سیستم سازه برابر با صفر باشد، به عنوان «شرط نخست» و این که لنگر یا گشتاور خالص وارد بر سامانه برابر با صفر باشد، شرط دوم تعادل به‌شمار می‌روند.

ایستایی‌شناسی از جملهٔ مباحثی است که در تجزیه و تحلیل سازه‌ها، مثلاً در مهندسی سازه، و نیز به هنگام مطالعات سیالات در حالت سکون مثل پایداری سدهای تحت فشارهای عظیم هیدرو استاتیکی (نیروها و لنگرهای وارده از حجم بالای آب مخزن دریا چه پشت سد) کاربرد بسیار دارد.

علوم مقاومت مصالح و مکانیک مواد و جامدات شاخه‌ای مرتبط با علم مکانیک مهندسی هستند که دانشجویان رشته‌های مهندسی قبل از انتخاب و مطالعهٔ آن‌ها باید استاتیک و ایستایی را به عنوان درس پیش‌فرض و پایه‌ای با موفقیت گذرانده باشند.

استاتیک و مقاومت مصالح در رشته‌های مهندسی معماری، مکانیک و عمران و برق وصنایع واحدهای اصلی دروس ترمی محسوب می‌شوند.

بنابراین به‌طور خلاصه دانشجویان رشته‌های مهندسی برق، مکانیک، عمران و صنعت و معدن قبل از ورود به ترم‌های دروس اختصاصی خود مکلف به گذراندن موفقیت آمیز این درس‌ها می‌باشند: ابتدا واحدهای درسی استاتیک و ایستایی و سپس مقاوت مصالح مواد و مصالح و اجسام هستند

کاربرد استاتیک در مهندسی عمران

در مهندسی معماری و عمران درس استاتیک اولین و مهمترین درس تخصصی دانشجویان می باشد چرا که قراره مفهوم نیروها و کرنش های وارده بر اعضای سازه ای و ماشینی را یاد بگیرند.

 

سرفصل های درس استاتیک

در این بخش مطالبی در رابطه با سرفصل های درس استاتیک ارائه می گردد.

تقریبا تمامی مدرسین و اساتید استاتیک در دانشگاههای مختلف کشور کم و بیش این سرفصل ها را درس می دهند.

استاتیک درس بسیاری مهمی میباشد و برای بسیاری از رشته های فنی مهندسی یک درس پایه ای به حساب می آید.

در ادامه در رابطه با مطالبی که در این درس خوانده می شود و سرفصل های آن توضیحاتی ارائه می گردد.

 

1- نیرو، گشتاور، نیروهای معادل و دیاگرام جسم آزاد: 

در درس استاتیک کمیت های برداری و از بین آنها نیرو بسیار اهمیت دارد. به هر حال از ابتدا تا انتهای این درس دانشجویان با نیروها و گشتاور سر و کار دارند.

در همین سایت ایران مدرس در رابطه با نحوه محاسبه گشتاور در درس استاتیک مطالب خوبی ارائه شده است.

به عنوان مقاله آموزش گشتاور در استاتیک را بخوانید. نیروهای معادل هم در این درس مطرح می گردد.

به این معنی که دانشجو باید بتواند به عنوان مثال سیستمی که متشکل از چند نیرو و گشتاور است را به یک سیستم نیروی ساده تر خلاصه کند. 

دیاگرام جسم آزاد هم در مبحث تعادل ذره و جسم صلب بسیار مهم است و به این شکل انجام می گردد که دانشجو جسم یا اجسامی که می خواهد بررسی را روی آن انجام دهد و معادلات تعادل را برای آن بنویسد را از محیط اطراف جدا کرده و نیروها و عکس العمل های تکیه گاهها را بر روی آن نمایش می دهد.

نحوه محاسبه گشتاور نیرو در درس استاتیک به زبان ساده قبل از نوشتن معادلات تعادل رسم نمودار جسم آزاد اهمیت زیادی دارد. 

 

2- تعادل نقطه، جسم در صفحه و فضا:

 از مباحث بسیار مهم در درس استاتیک و شاید بتوان گفت مهمترین مبحث همان مبحث تعادل ذره و جسم صلب است.

تمامی مباحثی که در فصل های بعدی مطرح می شود به تعادل بستگی دارد.

به عنوان مثال، در بحث خرپا وقتی از روش گره و یا مقطع زدن برای تحلیل نیروهای خرپا استفاده می شود باز هم ابزار کار دانشجویان همان معادلات تعادل است.

در بحث قاب ها و ماشین ها و بحث های دیگر هم از این معادلات استفاده می شود.

 

3- شناسایی سازه های پایدار، ناپایدار، معین و نامعین استاتیکی در صفحه و فضا: 

در حالت دو بعدی حداکثر 3 معادله تعادل برای هر نمودار جسم آزاد می توان نوشت و در حالت سه بعدی حداکثر 6 معادله تعادل را می توان نوشت.

در صورتیکه مجهولات مسئله در حالت دو بعدی از 3 مجهول و در حالت 3 بعدی از 6 مجهول بیشتر باشد به چنین مسائلی مسائل نامعین استاتیکی گفته می شود.

مسائل نامعین استاتیکی تنها با استفاده از معادلات تعادل استاتیک حل نمی شوند و باید یک یا چند شرط فیزیکی هم برای آن استفاده کرد.

در درس مقاومت مصالح تعدادی از این مسائل حل خواهد شد.

 

4- حل خرپاهای دوبعدی با استفاده از روش های تحلیل و ترسیمی – آشنایی با حل خرپاهای فضایی: 

خرپا یکی از مباحث مهم درس استاتیک است که همانطور که گفته شد با دو روش گره و مقطع زدن می توان آن را تحلیل کرد و مورد بررسی قرار داد.

برای خوب تحلیل کردن خرپا تسلط بر معادلات تعادل لازم و ضروری است. در حالت سه بعدی بلد بودن هندسه هم به میران زیادی لازم است و درک فضایی خوب می تواند کمک کننده باشد.

 

5- نیروهای داخلی در سازه های معین استاتیکی و روش تعیین معادلات مربوطه و ترسیم آنها: 

برای هر قطعه، جسم و یا برای تیرهایی که تحت بارگذاری محوری و یا عرضی قرار دارند می توان با در نظر گرفتن یک برش فرضی نیروهای داخلی را محاسبه کرد.

در حالت بارگذاری عرضی نیروهای داخلی شامل نیروی محوری، نیروی برشی و گشتاور خمشی است.

در این فصل نحوه بدست آوردن نیروهای داخلی و رسم نمودارهای نیروی برشی و گشتاور خمشی مورد بررسی قرار می گیرد.

در ضمن دانشجو باید بتواند مقاطع بحرانی را تشخیص دهد و نیروی برشی ماکزییم و گشتاور خمشی ماکزیمم را هم محاسبه کند. 

 

6- خواص هندسی منحنی ها، سطوح و احجام (مرکز شکل، مرکز ثقل، قضایای گلدن و پاپیوس …):

 این فصل از درس استاتیک به صورت کلی متفاوت از فصل های قبل است و با معادلات تعادل سر و کاری ندارد.

البته به عنوان مثال وقتی می خواهید یک بار گسترده را تبدیل به بار متمرکز کنید، بار متمرکز معادل باید در مرکز سطح بار گسترده قرار گیرد و بعد از آن می توانید معادلات تعادل را برای جسم بنویسید.

در این فصل دانشجویان نحوه محاسبه مرکز سطح برای منحنی های با معادلات مختلف و همچنین نحوه محاسبه مرکز سطح برای شکل های مرکب و ممان اینرسی و گشتاور دوم سطح و … را آموزش می بینند.

 

7- تئوری کار مجازی و کاربرد آن در حل مسائل تعادل:

 برای حل بسیاری از مسائل استاتیک، علاوه بر حل متداول آن با استفاده از همان معادلات تعادل می توان از روش کار مجازی هم استفاده کرد.

در این روش یک جابه جایی کوچک فرضی که متناسب با شرایط مرزی است و محدودیت های مرزها را نقض نمی کند به سازه اعمال می کنیم و کار تمام نیروها را بر اثر این جابه جایی محاسبه می کنیم.

در ادامه اثبات می شود که مجموع کل کارهای مجازی بدست آمده باید برابر صفر باشد و این خودش معادل با معادلات تعادل خواهد بود. تعدادی از مسائل با این روش راحت تر از نوشتن معادلات تعادل حل می شوند.

 

8- شناخت نیروی اصطکاک و کاربرد قوانین آن در استاتیک: 

دانشجویان با مبحث اصطکاک کم و بیش از درس فیزیک آشنا هستند.

در بسیاری از مسائل استاتیک وقتی اصطکاک در نظر گرفته می شود نحوه برخورد با مسئله متفاوت خواهد شد. در این فصل ممکن است همان تمریناتی که در فصل های قبل حل شده است یک بار دیگر با در نظر گرفتن اصطکاک مورد بررسی قرار گیرد.

دانشجویان باید دقت کنند تا زمانی که حرکت اتفاق نیافتاده است نیروی اصطکاک با نیروی وارد بر جسم برابر است و ماکزیمم نیروی اصطکاک ایستایی از رابطه مربوط به آن بدست خواهد آمد.

 

9- تحلیل کابل ها (کابل زیر اثر بارهای متمرکز و گسترده – کابل سهمی و زنجیره ای):

 در فصل پایانی درس استاتیک مبحث کابل ها مورد بررسی قرار می گیرد.

 

 اهمیت ایستایی در بناهای معماری

برسی و شکل گیری و محاسبات سازه پروزه های معماری از مهمترین قسمتهای هر بنای معمارانه به حساب می آید،مهندسین معمار و محاسب عمران در کنار هم این بخش از پروژه های شما را طراحی میکنند ،در مورد این بخش طراحی باید بسیار حساس و هوشیار باشید و از تیمهای مهندسی مجرب و پیمانکاران حرفه ای بهره ببرید زیرا سازه متناسب با بنای شما همانند اسکلت بدن شما میباشد که از بدن شما در برابر بارهای مختلف محافظت میکند.

 

ما در گروه معماری رستادیزاین با گروه مهندسین مجرب آماده خدمات رسانی به شما عزیران هسیم.