ما هو التصميم الإنشائي في الهندسة المدنية؟

على الرغم من الانضباط الواسع، يمكن تلخيص مفهوم التصميم الإنشائي في الهندسة المدنية على أنه ممارسة لجميع الأنشطة المتعلقة بالنمذجة الرياضية وتحليل الهياكل المدنية، مثل دعم خطوط الأنابيب والأساسات والمباني السكنية والجسور والمرافق الصناعية والطاقة والبنية التحتية البحرية.

تشهد الألفية الجديدة ظهور تكنولوجيا المعلومات كقوة دافعة وراء التقدم في الهندسة المدنية، لا سيما في مجال الحساب فيما يتعلق بالتصميم. التطور المتزايد لبرامج الكمبيوتر، توافرها وزيادة سرعة العمليات الحسابية وتكاليفها المتناقصة باستمرار كان لها بالفعل تأثير كبير على الهندسة المدنية، ويمكن اعتبار ذلك تغييرًا في النموذج.

من الجدير بالذكر أن كل واحد مما سبق قد يتطلب فهم مفاهيم رياضية وميكانيكية وهندسية مختلفة. في العديد من المناسبات، سيحتاج المصممون الإنشائيون إلى إنهاء العديد من الدراسات المتخصصة من أجل بناء نموذج مثالي.

في الواقع، ولأسباب عملية، يُطلب من المصممين الإنشائيين أيضًا تقديم مقادير المواد للتعامل مع مساحي البناء، ووضع ميزانية تقريبية والإشراف على بناء الهياكل. لذلك، إلى حد ما، يحتاجون إلى قدرات مختلفة بخلاف فهم نمذجة الهياكل من منظور رياضي وميكانيكي.

الأنشطة في وظيفة المهندس المصمم:

كما ذكرنا، فإن الأنشطة المنفذة لمصممي الهندسة المدنية متنوعة على نطاق واسع. يستخدمون بشكل أساسي الأدوات والبرامج لبناء هيكل مبسط. ومع ذلك، هناك طرق لحساب بعض نقاط القوة يدويًا في صلات الهياكل الأساسية.

تستخدم العديد من هذه البرامج طرق العناصر المحدودة لتحليل استجابة الهيكل لقوى مختلفة. اثنان من أكثر البرامج استخدامًا لتحليل الهياكل هما (ETABS) و(SAAP2000). للتحليل الديناميكي، وهو دراسة القوى التي تغير السرعة والقيمة بسرعة وبالتالي تحتاج إلى دراستها في فترة زمنية، يستخدم المهندسون المدنيون برامج مثل (CYPE CAD) أو (MIDAS).

يتعلق تحليل حساسية التصميم الإنشائي بالعلاقة بين متغيرات التصميم المتاحة لمهندس التصميم والاستجابات الهيكلية التي تحددها قوانين الميكانيكا. اعتماد تدابير الاستجابة مثل الإزاحة، الإجهاد، الضغط، التردد الطبيعي، حمل الالتواء، الاستجابة الصوتية، الاستجابة للتردد، وضوضاء الاهتزاز (NVH)، استجابة المرونة الحرارية، التحجيم، شكل المكون والتكوين يتم تعريف متغيرات التصميم ضمنيًا من خلال المعادلات الحاكمة للميكانيكا الإنشائية.

في هذا النص، يتم تقديم تحليلات حساسية التصميم من الدرجة الأولى والثانية للاستجابات الثابتة والديناميكية لكل من الأنظمة الهيكلية الخطية وغير الخطية، بما في ذلك مشاكل التلامس الاحتكاكي والبلاستيك.

عادة ما يُطلب من المصمم تقييم جدوى نموذج معماري. هذا يعني، ما هي المواد المطلوبة وما إذا كان الهيكل قابلاً للتطبيق من الناحية المالية إلى جانب السيناريوهات الصعبة المحتملة أثناء البناء من منظور التصميم. بالإضافة إلى ذلك، اعتمادًا على وجه المشروع – التخطيط والتصميم والعطاءات والبناء وما إلى ذلك – سيعقد المهندسون الإنشائيون اجتماعات لتوجيه وضمان تلبية جميع الشروط اللازمة لبناء الهيكل.

نظرة سريعة للتحليل الإنشائي:

لتبسيط الموضوع قليلاً، يأخذ التحليل البنيوي في الاعتبار تكوين الهيكل والقوى التي يتعرض لها لفهم التأثيرات والتنبؤ بسلوكه. كل هذا بهدف تحديد الحمل الأقصى الذي يمكن أن يستغرقه والعمر الافتراضي قبل الفشل.

على المستوى الأساسي، يأخذ التحليل الهيكلي في الاعتبار القوى المحددة مسبقًا: الجاذبية، والحمل الحي والميت والرياح والزلازل. هذه الأحمال لها تأثير خاص على العنصر أو العارضة أو العمود أو اللوح. يؤثر موضع الحمولة واتجاهها أيضًا على التأثير على الهيكل. قد تسبب بعض هذه القوى الزخم.

تؤدي عناصر الانحناء لبعض المواد إلى زيادة تعرض العمر الافتراضي للخطر. مثال على ذلك عناصر مصنوعة من الخرسانة، تتمتع هذه المادة بسلوك ممتاز عند تعرضها للضغط ولكن ليس للتوتر.

من وجهة نظر ميكانيكية، هناك خمسة أنواع من القوى: الضغط، القص، الانحناء، التواء والشد. تتم دراسة هذه الأحمال من خلال أربعة أنواع من التحليل: ديناميكي، ثابت، استقرار واهتزاز. اختيار أي منهما يعتمد على الظروف البيئية والاستخدام الممنوح للهيكل.

نتيجة للتصميم والتحليل الهيكلي، يحتاج المحترفون المدنيون إلى تحديد ما إذا كانت ترقية المواد ضرورية لضمان التوازن والسلامة والمتانة للمبنى. في الحالات القصوى، أو خلال المراحل الأولى من البناء، يعقدون اجتماعات مع المهندسين المعماريين لتغيير الأبعاد أو إعادة تحديد موضع العناصر.

بعض المجالات التي يمكن أن يعمل المصمم الإنشائي فيها:

من التخطيط إلى الإنشاءات، يمكن للمصممين الاختيار من بين مجموعة واسعة من الأنشطة:

هندسة البناء:

التصميم والبناء المستدامان:

يستخدم المصممون الذين يعملون في البناء المستدام أحدث التقنيات لتحسين التأثير البيئي والاجتماعي للتصاميم المدنية. يتطلب البناء المستدام وضع الحفاظ على الحيوانات والنباتات في المقام الأول، بالإضافة إلى رفاهية الإنسان على تكاليف المبنى.

التقييم والتفتيش على البناء:

في المراحل الأخيرة من البناء، يُطلب من المصممين أحيانًا مراجعة التقارير المقدمة من المهندسين الميدانيين والذهاب إلى موقع البناء. في هذه التقارير، سيجدون المواد والأبعاد والتعزيزات من بين تفاصيل أخرى. يجب عليهم التحقق من أن كل شيء يطابق الخطط التي تم تسليمها خلال مرحلة التصميم.

على الرغم من أن هذه ليست مهمة شائعة، إلا أنها ضرورية للغاية في مرحلة ما. يجب على المصممين العاملين في البناء الصناعي أن يذهبوا إلى الميدان للإشراف.

البنية التحتية للمياه:

البنية التحتية الصحية والهيدروليكية:

الهياكل الصحية والهيدروليكية ليست هي نفسها. بينما تجمع أنابيب الصرف الصحي النفايات للتخلص منها في الأماكن التي لا تتضرر فيها صحة الإنسان، فإن التصاميم الهيدروليكية لها غرض مختلف تمامًا. تهدف التصميمات الهيدروليكية الإنشائية إلى تغيير تدفق المسطحات المائية، فيمكن أن تكون مجاري أو سدود، وكلاهما مصنوع لنقل المياه. الهيكل الهيدروليكي الواضح هو السد، يجمع هذا السد بين مبادئ الحفاظ على الطاقة لتوليد الطاقة عن طريق استخدام هيكل مدني.

التصميم الإنشائي الصناعي:

الهياكل المستخدمة للأغراض الصناعية هي المطارات والمستودعات والطرق السريعة والسدود والمصنوعات ومحطات الطاقة وغيرها. كقاعدة عامة، تُبنى البنية التحتية الصناعية عادةً لتقديم منتج أو خدمة مباشرة. تتميز البنى التحتية الصناعية بالحجم الهائل والحاجة إلى استثمار مبالغ كبيرة من المال. يلعب التصميم الإنشائي لبناء المباني الصناعية دورًا رئيسيًا في المجتمعات والاقتصادات، يجب أن يكون المصمم على دراية بالعوامل خارج البيئة ولكن أيضًا التأثير الاجتماعي.

لنضع مثالًا لمستودع كبير لتخزين الآلات الثقيلة. من حيث المبدأ، يجب أن يكون هذا بناء سهل. ومع ذلك، يجب على المصممين اتباع مجموعة من القواعد مثل درجة حرارة الموقع والظروف البيئية الأخرى لاختيار المواد. يتطلب الحل المقدم أحيانًا النظر في سيناريوهات مأساوية مثل ما إذا اصطدمت الآلة بعمود.

يجب أن يأخذ جزء من تحليل التصميم في الاعتبار مواقف مثل هذه والتأكد من عدم انهيار الهيكل بأكمله، على الأقل ليس على الفور.

الإسكان:

هذا هو أحد الحقول الأكثر شيوعًا. يتبع التصميم الإنشائي للإسكان مجموعة من اللوائح التي تتغير اعتمادًا على الدولة، والظروف الجوية وما إلى ذلك. يتم حساب المتغيرات مثل الزلازل، الحمل والثلوج والمطر مسبقًا اعتمادًا على الموقع الجغرافي للمنزل.