الهندسة الإنشائية

• 1452-1519 قدم ليوناردو دافنشي العديد من المساهمات.
• 1638: نشر غاليليو غاليلي كتاب "علمان جديدان" الذي قام فيه بدراسة فشل الهياكل البسيطة.
• 1660: قانون هوك بقلم روبرت هوك .
• 1687: نشر إسحاق نيوتن كتابه Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ، الذي يحتوي على قوانينه للحركة .
• 1750: معادلة عارضة أويلر-بيرنولي .
• 1700–1782: قدم دانيال برنولي مبدأ العمل الافتراضي .
• 1707–1783: قام ليونارد أويلر بتطوير نظرية انبعاج الأعمدة.
• 1826: نشر كلود لويس نافييه أطروحة حول السلوك المرن للهياكل.
• في عام 1873، قدم كارلو ألبرتو كاستيليانو أطروحته بعنوان "حول الأنظمة المرنة"، والتي تضمنت نظريته لحساب الإزاحة كمشتق جزئي لطاقة الانفعال. وتشمل هذه النظرية طريقة "أقل شغل" كحالة خاصة.
• 1874: قام أوتو مور بصياغة فكرة البنية غير المحددة استاتيكياً.
• 1922: تيموشينكو يصحح معادلة عارضة أويلر-بيرنولي .
• 1936: نشر هاردي كروس لطريقة توزيع العزم، وهو ابتكار مهم في تصميم الإطارات المتصلة.
• 1941: قام ألكسندر هرينيكوف بحل مشكلة تجزئة المرونة المستوية باستخدام إطار شبكي.
• 1942: قام ريتشارد كوران بتقسيم منطقة إلى مناطق فرعية محدودة.
• 1956: قدم كل من جيه. تيرنر، آر دبليو كلوف، إتش سي مارتن، وإل جيه توب ورقة بحثية بعنوان "صلابة وانحراف الهياكل المعقدة" والتي قدمت اسم " طريقة العناصر المحدودة " وهي معترف بها على نطاق واسع باعتبارها أول معالجة شاملة للطريقة كما هي معروفة اليوم.

يشهد تاريخ الهندسة الإنشائية العديد من حالات الانهيار والفشل. ويعود ذلك أحيانًا إلى إهمال واضح، كما في حالة انهيار مدرسة بيتيون فيل ، حيث قام الأب فورتين أوغستين "بتشييد المبنى بنفسه، مدعيًا أنه لا يحتاج إلى مهندس لامتلاكه خبرة جيدة في البناء" بعد انهيار جزئي للمبنى المدرسي المكون من ثلاثة طوابق، مما دفع الجيران إلى الفرار. وأسفر الانهيار النهائي عن مقتل 94 شخصًا، معظمهم من الأطفال.

في حالات أخرى، تتطلب حالات الانهيار الإنشائي دراسة متأنية، وقد أسفرت نتائج هذه الدراسات عن تحسين الممارسات وفهم أعمق لعلم الهندسة الإنشائية. بعض هذه الدراسات هي نتاج تحقيقات هندسية جنائية، حيث يبدو أن المهندس الأصلي قد اتبع جميع الإجراءات وفقًا لأحدث الممارسات المهنية المقبولة، ومع ذلك وقع الانهيار. ومن الأمثلة الشهيرة على تطور المعرفة والممارسة الإنشائية بهذه الطريقة، سلسلة من حالات الانهيار التي شملت عوارض صندوقية انهارت في أستراليا خلال سبعينيات القرن الماضي.

تعتمد هندسة المباني الإنشائية بشكل أساسي على التلاعب الإبداعي بالمواد والأشكال، وعلى الأفكار الرياضية والعلمية الكامنة لتحقيق غاية تلبي متطلباتها الوظيفية وتكون آمنة إنشائيًا عند تعرضها لجميع الأحمال المتوقعة. وهذا يختلف اختلافًا طفيفًا عن التصميم المعماري، الذي يعتمد على التلاعب الإبداعي بالمواد والأشكال والكتلة والفراغ والحجم والملمس والضوء لتحقيق غاية جمالية ووظيفية، وغالبًا فنية.

يجب أن يضمن التصميم الإنشائي للمبنى قدرته على الصمود بأمان، والعمل بكفاءة دون انحرافات أو حركات مفرطة قد تُسبب إجهاد العناصر الإنشائية، أو تشققات، أو تلفًا في التجهيزات والتركيبات أو القواطع، أو إزعاجًا للساكنين. كما يجب أن يُراعي التصميم الحركات والقوى الناتجة عن تغيرات درجة الحرارة، والزحف ، والتشققات، والأحمال المفروضة. ويجب أن يضمن أيضًا إمكانية تنفيذ التصميم عمليًا ضمن حدود التفاوت المسموح بها في تصنيع المواد. ويجب أن يسمح التصميم الإنشائي بأداء وظيفته المعمارية، وتكامل خدمات المبنى ووظائفها (التكييف، والتهوية، وسحب الدخان، والكهرباء، والإضاءة، إلخ). قد يكون التصميم الإنشائي للمباني الحديثة معقدًا للغاية، وغالبًا ما يتطلب فريقًا كبيرًا لإنجازه.

تشمل تخصصات الهندسة الإنشائية للمباني ما يلي:

• هندسة الزلازل
• هندسة الواجهات
• هندسة مكافحة الحرائق
• هندسة الأسقف
• هندسة الأبراج
• هندسة الرياح

الهياكل الهندسية المقاومة للزلازل هي تلك المصممة لتحمل الزلازل .

تتمثل الأهداف الرئيسية لهندسة الزلازل في فهم تفاعل الهياكل مع الأرض المهتزة، والتنبؤ بعواقب الزلازل المحتملة، وتصميم وبناء الهياكل لتعمل أثناء الزلزال.

لا تكون الهياكل المقاومة للزلازل بالضرورة قوية للغاية مثل هرم إل كاستيلو في تشيتشن إيتزا الموضح أعلاه.

إحدى الأدوات المهمة في هندسة الزلازل هي عزل القاعدة ، والذي يسمح لقاعدة الهيكل بالتحرك بحرية مع الأرض.

يشمل هندسة الإنشاءات المدنية جميع أعمال الهندسة الإنشائية المتعلقة بالبيئة العمرانية. وتشمل:

يُعدّ مهندس الإنشاءات المصمم الرئيسي لهذه المنشآت، وغالبًا ما يكون المصمم الوحيد. وفي تصميم مثل هذه المنشآت، تُعتبر السلامة الإنشائية ذات أهمية قصوى (في المملكة المتحدة، يجب أن يُعتمد تصميم السدود ومحطات الطاقة النووية والجسور من قِبل مهندس معتمد ).

تتعرض المنشآت الهندسية المدنية في كثير من الأحيان لقوى شديدة للغاية، مثل التغيرات الكبيرة في درجات الحرارة، والأحمال الديناميكية كالأمواج أو حركة المرور، أو الضغوط العالية الناتجة عن الماء أو الغازات المضغوطة. كما أنها تُشيد في كثير من الأحيان في بيئات مُسببة للتآكل، مثل البحر، أو المنشآت الصناعية، أو تحت الأرض.

تتفاوت القوى التي تتعرض لها أجزاء الآلة بشكل كبير وسريع. فعلى سبيل المثال، تتفاوت القوى التي تتعرض لها القوارب والطائرات بشكل هائل، وتتكرر آلاف المرات خلال عمر الهيكل. لذا، يجب أن يضمن التصميم الإنشائي قدرة هذه الهياكل على تحمل هذه الأحمال طوال عمرها الافتراضي دون أي انهيار.

قد تتطلب هذه الأعمال هندسة إنشائية ميكانيكية:

• الغلايات وأوعية الضغط
• هياكل السيارات والعربات
• الرافعات
• المصاعد
• السلالم المتحركة
• السفن البحرية وهياكلها

تشمل أنواع هياكل صناعة الطيران والفضاء مركبات الإطلاق ( أطلس ، دلتا ، تيتان)، والصواريخ (ألكوم، هاربون)، والمركبات فائقة السرعة (مكوك الفضاء)، والطائرات العسكرية (إف-16، إف-18)، والطائرات التجارية ( بوينغ 777، إم دي-11). تتكون هياكل صناعة الطيران والفضاء عادةً من صفائح رقيقة مزودة بدعامات للأسطح الخارجية، وحواجز، وإطارات لدعم الشكل، ومثبتات مثل اللحام، والمسامير، والبراغي، والصواميل لربط المكونات معًا.

البنية النانوية هي جسم ذو حجم متوسط ​​بين البنى الجزيئية والبنى المجهرية (بحجم الميكرومتر). عند وصف البنى النانوية، من الضروري التمييز بين عدد الأبعاد على المقياس النانوي. فالأسطح ذات النسيج النانوي لها بُعد واحد فقط على المقياس النانوي، أي أن سُمك سطح الجسم يتراوح بين 0.1 و100  نانومتر. أما الأنابيب النانوية فلها بُعدان على المقياس النانوي، أي أن قطر الأنبوب يتراوح بين 0.1 و100  نانومتر، بينما قد يكون طوله أكبر بكثير. وأخيرًا، الجسيمات النانوية الكروية لها ثلاثة أبعاد على المقياس النانوي، أي أن حجم الجسيم يتراوح بين 0.1 و100  نانومتر في كل بُعد مكاني. غالبًا ما يُستخدم مصطلحا "الجسيمات النانوية" و"الجسيمات فائقة الدقة" (UFP) بشكل مترادف، على الرغم من أن حجم الجسيمات فائقة الدقة قد يصل إلى نطاق الميكرومتر. ويُستخدم مصطلح "البنية النانوية" عادةً عند الإشارة إلى التكنولوجيا المغناطيسية.

صُممت المعدات الطبية (المعروفة أيضًا باسم الترسانة الطبية) للمساعدة في تشخيص الحالات الطبية ومراقبتها وعلاجها. وتشمل أنواعها الأساسية ما يلي: معدات التشخيص ، التي تتضمن أجهزة التصوير الطبي المستخدمة للمساعدة في التشخيص؛ ومعدات أخرى، مثل مضخات التسريب، وأجهزة الليزر الطبية، وأجهزة جراحة الليزك ؛ وأجهزة المراقبة الطبية التي تُمكّن الطاقم الطبي من قياس الحالة الصحية للمريض. وقد تقيس هذه الأجهزة العلامات الحيوية للمريض، بالإضافة إلى مؤشرات أخرى مثل تخطيط كهربية القلب (ECG) ، وتخطيط كهربية الدماغ (EEG) ، وضغط الدم، والغازات المذابة في الدم؛ كما يمكن استخدام معدات التشخيص الطبية في المنزل لأغراض محددة، مثل مراقبة مرض السكري. ويُعد فنيو المعدات الطبية الحيوية (BMET) عنصرًا أساسيًا في نظام تقديم الرعاية الصحية. ويعمل هؤلاء الفنيون بشكل أساسي في المستشفيات، وهم المسؤولون عن صيانة المعدات الطبية في المنشأة.

الأعمدة عناصر تتحمل قوة محورية فقط (ضغط) أو قوة محورية وانحناء معًا (ويُطلق عليها تقنيًا اسم عمود-جائز، ولكن عمليًا تُسمى عمودًا فقط). يجب أن يُراعي تصميم العمود قدرة التحمل المحورية وقدرة تحمل الانبعاج.

قدرة الانبعاج هي قدرة العنصر على مقاومة ميله للانبعاج. وتعتمد هذه القدرة على هندسته ومادته وطوله الفعال، الذي يعتمد بدوره على ظروف التقييد في أعلى العمود وأسفله. الطول الفعال هو${\displaystyle K*l}$أين${\displaystyle l}$يمثل الطول الحقيقي للعمود، و K هو العامل الذي يعتمد على شروط التقييد.

تعتمد قدرة العمود على تحمل الحمل المحوري على درجة الانحناء التي يتعرض لها، والعكس صحيح. ويتم تمثيل ذلك في مخطط تفاعلي، وهو علاقة معقدة غير خطية.

يمكن تعريف الكمرة بأنها عنصر يكون فيه أحد الأبعاد أكبر بكثير من البعدين الآخرين، وتكون الأحمال المطبقة عادةً عمودية على المحور الرئيسي للعنصر. تُسمى الكمرات والأعمدة بالعناصر الخطية، وغالبًا ما تُمثل بخطوط بسيطة في النمذجة الإنشائية.

• ناتئ (مدعوم من طرف واحد فقط بوصلة ثابتة)
• مدعوم ببساطة (مثبت ضد الإزاحة الرأسية عند كل طرف والإزاحة الأفقية عند طرف واحد فقط، وقادر على الدوران عند الدعامات)
• ثابت (مدعوم في جميع الاتجاهات للحركة الانتقالية والدورانية عند كل طرف)
• مستمر (مدعوم بثلاث دعامات أو أكثر)
• مزيج مما سبق (مثال: مدعوم من أحد الطرفين وفي المنتصف)

العوارض عناصر لا تتعرض إلا للانحناء. يؤدي الانحناء إلى انضغاط جزء من مقطع العارضة (المقسم على طولها) وشد الجزء الآخر. يجب تصميم الجزء المنضغط لمقاومة الانبعاج والتهشم، بينما يجب أن يكون الجزء المشدود قادرًا على مقاومة الشد بشكل كافٍ.

الجملون هو هيكل يتألف من عناصر ونقاط اتصال أو عُقد. عند توصيل العناصر عند العُقد وتطبيق القوى عليها، يمكن أن تعمل العناصر تحت تأثير الشد أو الضغط. تُسمى العناصر التي تعمل تحت تأثير الضغط بعناصر الضغط أو الدعامات ، بينما تُسمى العناصر التي تعمل تحت تأثير الشد بعناصر الشد أو الروابط . تستخدم معظم الجمالونات صفائح وصل لتوصيل العناصر المتقاطعة. تتميز صفائح الوصل بمرونتها النسبية وعدم قدرتها على نقل عزوم الانحناء . عادةً ما يتم ترتيب الوصلة بحيث تتطابق خطوط القوة في العناصر عند المفصل، مما يسمح لعناصر الجملون بالعمل تحت تأثير الشد أو الضغط فقط.

تُستخدم الجمالونات عادةً في الهياكل ذات الامتدادات الكبيرة، حيث يكون استخدام العوارض الصلبة غير اقتصادي.

تتحمل الصفائح الانحناء في اتجاهين. تُعدّ البلاطة الخرسانية المسطحة مثالاً على الصفيحة. يعتمد سلوك الصفائح على ميكانيكا الأوساط المتصلة . ونظرًا لتعقيدها، غالبًا ما تُحلل باستخدام تحليل العناصر المحدودة.

يمكن أيضًا تصميمها باستخدام نظرية خطوط الخضوع، حيث يتم تحليل آلية انهيار مفترضة لتحديد حد أعلى لحمل الانهيار. تُستخدم هذه التقنية عمليًا ^{[ 8 ]،} ولكن نظرًا لأن هذه الطريقة تُقدم حدًا أعلى (أي تنبؤًا غير آمن لحمل الانهيار) لآليات انهيار غير دقيقة التصميم، فمن الضروري توخي الحذر الشديد لضمان واقعية آلية الانهيار المفترضة. ^{[ 9 ]}

تستمد الأصداف قوتها من شكلها، وتتحمل قوى الضغط في اتجاهين. القبة مثال على الصدفة. يمكن تصميمها عن طريق صنع نموذج سلسلة معلقة، تعمل كسلسلة في حالة شد محض، ثم عكس الشكل لتحقيق ضغط محض.

تتحمل الأقواس قوى الضغط في اتجاه واحد فقط، ولذلك يُفضل بناؤها من الحجر. ويتم تصميمها بحيث يبقى خط قوة الدفع ضمن عمق القوس. ويُستخدم هذا النوع من الأقواس بشكل أساسي لزيادة متانة أي بناء.

تستمدّ السلاسل قوتها من شكلها، وتتحمل قوى عرضية في شدٍّ محض عن طريق الانحراف (تمامًا كما يترهل الحبل المشدود عند المشي عليه). وهي في الغالب هياكل من الكابلات أو الأقمشة. ويعمل الهيكل القماشي كسلسلة في اتجاهين.