المواد الهيكلية

يعتمد علم الهندسة الإنشائية على معرفة المواد وخصائصها، وذلك لفهم كيفية مقاومة المواد المختلفة للأحمال ودعمها.

من المواد الإنشائية الشائعة ما يلي:

يُستخدم الخرسانة على نطاق واسع للغاية في المباني والمنشآت الهندسية المدنية، وذلك لانخفاض تكلفتها ومرونتها ومتانتها وقوتها العالية. كما أنها تتمتع بمقاومة عالية للحريق.

الخرسانة مادة غير خطية، غير مرنة، وهشة. تتميز بمقاومة عالية للضغط وضعيفة جدًا للشد. تتصرف بشكل غير خطي في جميع الأوقات. ولأن مقاومتها للشد تكاد تكون معدومة، تُستخدم غالبًا كخرسانة مسلحة ، وهي مادة مركبة. تتكون الخرسانة من خليط من الرمل ، والحصى، والأسمنت، والماء. تُصب في قالب وهي سائلة، ثم تتصلب نتيجة تفاعل كيميائي بين الماء والأسمنت. تُسمى عملية تصلب الخرسانة بالترطيب. هذا التفاعل طارد للحرارة.

تزداد قوة الخرسانة باستمرار منذ يوم صبها. وبافتراض عدم صبها تحت الماء أو في رطوبة نسبية ثابتة تبلغ 100%، فإنها تنكمش بمرور الوقت مع جفافها، وتتشوه بمرور الوقت بسبب ظاهرة تُسمى الزحف . وتعتمد قوتها بشكل كبير على كيفية خلطها وصبها وتشكيلها ودمكها ومعالجتها (إبقائها رطبة أثناء التصلب)، وما إذا كانت قد استُخدمت أي إضافات في الخلطة أم لا. ويمكن صبها في أي شكل يُمكن صنع قالب له. ويعتمد لونها وجودتها وتشطيبها على مدى تعقيد الهيكل، والمادة المستخدمة في القالب، ومهارة العامل.

يتفاوت معامل المرونة للخرسانة بشكل كبير، ويعتمد على نوع الخلطة الخرسانية وعمرها وجودتها، بالإضافة إلى نوع ومدة التحميل الواقع عليها. ويُعتبر عادةً حوالي 25 جيجا باسكال للأحمال طويلة الأمد بعد أن تصل الخرسانة إلى أقصى قوتها (عادةً بعد 28 يومًا من الصب). أما للأحمال قصيرة الأمد جدًا، مثل خطوات الأقدام، فيُعتبر حوالي 38 جيجا باسكال .

يتمتع الخرسانة بخصائص ممتازة في مقاومة الحريق، إذ لا تتأثر به إلا عند بلوغها درجات حرارة عالية جدًا. كما أنها تتميز بكتلة عالية، مما يجعلها مثالية لعزل الصوت والاحتفاظ بالحرارة (مما يقلل من استهلاك الطاقة اللازمة لتدفئة المباني الخرسانية). إلا أن هذه الميزة تعوضها حقيقة أن إنتاج الخرسانة ونقلها يستهلكان كميات هائلة من الطاقة. ولدراسة سلوك هذه المادة، تم تطوير العديد من النماذج العددية، مثل نموذج المستوى المجهري لقوانين المواد التكوينية .

الألومنيوم معدن لين وخفيف الوزن وقابل للطرق. تبلغ مقاومة الخضوع للألومنيوم النقي 7-11 ميجا باسكال، بينما تتراوح مقاومة الخضوع لسبائك الألومنيوم بين 200 و600 ميجا باسكال. يتميز الألومنيوم بكثافة وصلابة تعادل ثلث كثافة وصلابة الفولاذ تقريبًا. وهو معدن مطاوع، سهل التشكيل والصب والبثق.

تتميز سبائك الألومنيوم بمقاومة ممتازة للتآكل بفضل طبقة رقيقة من أكسيد الألومنيوم تتشكل على سطح المعدن عند تعرضه للهواء، مما يمنع الأكسدة بشكل فعال. أما أقوى سبائك الألومنيوم فهي أقل مقاومة للتآكل نتيجة التفاعلات الجلفانية مع النحاس المضاف إليها.

يُستخدم الألومنيوم في بعض هياكل المباني (وخاصة في الواجهات) وعلى نطاق واسع في هندسة الطائرات نظرًا لنسبة قوته إلى وزنه الجيدة. وهو مادة باهظة الثمن نسبيًا.

في الطائرات، يتم استبدالها تدريجياً بمواد مركبة من الكربون.

تُستخدم المواد المركبة بشكل متزايد في هياكل المركبات والطائرات، وإلى حد ما في هياكل أخرى. كما يتزايد استخدامها في الجسور، لا سيما في ترميم الهياكل القديمة مثل جسر كولبورت المصنوع من الحديد الزهر والذي بُني عام ١٨١٨. غالبًا ما تكون المواد المركبة غير متجانسة الخواص (أي أنها تمتلك خصائص مادية مختلفة في اتجاهات مختلفة) نظرًا لإمكانية كونها موادًا صفائحية. وفي أغلب الأحيان، تتصرف هذه المواد بشكل غير خطي، وتتعرض للانهيار الهش عند تعرضها لأحمال زائدة.

تتميز هذه المواد بنسبة قوة إلى وزن ممتازة، ولكنها باهظة الثمن. ولا توفر عمليات تصنيعها، التي غالباً ما تعتمد على البثق، المرونة الاقتصادية التي يوفرها الخرسانة أو الفولاذ. وتُعدّ المواد البلاستيكية المقواة بالألياف الزجاجية الأكثر شيوعاً في التطبيقات الإنشائية .

استُخدم البناء بالحجارة في تشييد المباني لآلاف السنين، ويمكن أن يتخذ شكل الحجر أو الطوب أو البلوك. يتميز البناء بالحجارة بقوته العالية في مقاومة الضغط، ولكنه لا يتحمل الشد (لأن الملاط بين الطوب أو البلوك لا يتحمل الشد). ولأنه لا يتحمل الشد الإنشائي، فإنه لا يتحمل الانحناء أيضًا، ولذلك تصبح جدران البناء بالحجارة غير مستقرة عند الارتفاعات المنخفضة نسبيًا. تتطلب المباني العالية المصنوعة من الحجارة تثبيتًا ضد الأحمال الجانبية باستخدام الدعامات (كما هو الحال مع الدعامات الطائرة الموجودة في العديد من الكنائس الأوروبية التي تعود للعصور الوسطى) أو باستخدام أعمدة مقاومة للرياح .

تاريخياً، كان البناء بالحجارة يتم بدون استخدام الملاط أو باستخدام الملاط الجيري. أما في العصر الحديث، فيُستخدم الملاط الأسمنتي. يعمل الملاط على لصق الكتل الحجرية معاً، كما يُنعّم السطح الفاصل بينها، مما يمنع تمركز الأحمال التي قد تؤدي إلى التشققات.

منذ انتشار استخدام الخرسانة، نادراً ما يُستخدم الحجر كمادة بناء أساسية، وغالباً ما يقتصر استخدامه على التكسية الخارجية، وذلك بسبب تكلفته العالية والمهارات العالية اللازمة لإنتاجه. وقد حلّت محله الطوب والكتل الخرسانية.

تتمتع مواد البناء، مثل الخرسانة، بخصائص عزل صوتي جيدة وكتلة حرارية عالية، ولكنها عموماً أقل استهلاكاً للطاقة في إنتاجها. ويستهلك نقلها نفس القدر من الطاقة التي تستهلكها الخرسانة.

يُعدّ الخشب أقدم مواد البناء، ورغم أنه حلّ محله في الغالب الفولاذ والبناء بالطوب والخرسانة، إلا أنه لا يزال يُستخدم في عدد كبير من المباني. وتتسم خصائص الخشب بعدم الخطية والتغير الكبير، تبعًا لجودته ومعالجته ونوعه. ويعتمد تصميم المنشآت الخشبية بشكل كبير على الأدلة التجريبية.

يتميز الخشب بمقاومته العالية للشد والضغط، ولكنه قد يكون ضعيفًا في الانحناء نظرًا لبنيته الليفية. ويُعدّ الخشب مادة جيدة نسبيًا في النار، إذ يتفحم، مما يوفر للخشب الموجود في مركز النار بعض الحماية، ويسمح للهيكل بالحفاظ على بعض قوته لفترة معقولة.

• أدوبي
• سبيكة
• الخيزران
• ألياف الكربون
• البلاستيك المقوى بالألياف
• الطوب اللبن
• مواد التسقيف

• بلانك، آلان؛ ماك إيفوي، مايكل؛ بلانك، روجر (1993). العمارة والإنشاءات الفولاذية . تايلور وفرانسيس. ISBN 0-419-17660-8.
• هيوسون، نايجل ر. (2003). الجسور الخرسانية مسبقة الإجهاد: التصميم والإنشاء . توماس تيلفورد. ISBN 0-7277-2774-5.
• هوسفرود، ويليام ف. (2005). السلوك الميكانيكي للمواد . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 0-521-84670-6.
• هوغنبوم، بي سي جيه، "العناصر المنفصلة واللاخطية في تصميم الجدران الخرسانية الإنشائية"، القسم 1.3: لمحة تاريخية عن نمذجة الخرسانة الإنشائية، أغسطس 1998، رقم ISBN 90-901184-3-8.
• ليونهاردت، أ. (1964). Vom Caementum zum Spannbeton، النطاق الثالث (من الأسمنت إلى الخرسانة سابقة الإجهاد) . شركة بوفيرلاغ المحدودة.
• مورش، إي. (شتوتغارت، 1908). Der Eisenbetonbau, seine Theorie und Anwendun، (البناء الخرساني المسلح، النظرية والتطبيق) . كونراد فيتوير، الطبعة الثالثة.
• نيلسون، آرثر هـ.؛ داروين، ديفيد؛ دولان، تشارلز و. (2004). تصميم المنشآت الخرسانية . ماكجرو هيل بروفيشنال. ISBN 0-07-248305-9.
• برنتيس، جون إي. (1990). جيولوجيا مواد البناء . سبرينغر. ISBN 0-412-29740-X.
• شلايش، ج.، ك. شيفر، م. جينوين (1987). "نحو تصميم متسق للخرسانة الإنشائية". مجلة معهد الخرسانة الإنشائية ، تقرير خاص، المجلد 32، العدد 3.
• سوانك، جيمس مور (1965). تاريخ صناعة الحديد في جميع العصور . دار نشر آير. رقم ISBN 0-8337-3463-6.