مقاله تحلیلی: تاریخچه مهندسی سازه

قدمت تاریخ مهندسی سازه به حداقل ۲۷۰۰ سال قبل از میلاد و زمانی که هرم پلکانی برای فرعون جوزر توسط ایمهوتپ، اولین مهندس تاریخ ساخته شد بر می‌گردد. اهرام رایج‌ترین سازه‌های ساخته شده توسط تمدن‌های باستانی بودند، چرا که اهرام سازه‌هایی هستند که ذاتاً پایدارند و می‌توانند تقریباً به طور بی‌نهایت ادامه یابند (در تضاد با عمده اشکال سازه‌ای دیگر که ابعاد آن‌ها نمی‌توانند با افزایش بار به صورت خطی افزایش) شوند.

یکی دیگر از شاهکارهای مهندسی قابل توجه دوران باستان که امروزه هنوز استفاده می‌شود، سیستم مدیریت آب توسط قنات است. فناوری قنات در زمان مادها که از اجداد هخامنشیان (ایران امروزی که طولانی‌ترین و قدیمی‌ترین قنات (با قدمتی بیش از ۳۰۰۰ سال و به طول بیشتر از ۷۱ کیلومتر)) هستند، ابداع شد. این تکنولوژی بعدها به فرهنگ‌های دیگری که با ایرانی‌ها در ارتباط بودند انتقال یافت.

در طول تاریخ باستان و قرون وسطی اکثر طراحی‌های معماری و ساخت و ساز توسط صنعتگران، مانند سنگ تراش و نجاران انجام می‌شد. هیچ نظریه سازه‌ای وجود نداشته و درک اینکه سازه‌ها چگونه پابرجا هستند، بسیار محدود بود و تقریباً به طور کامل بر اساس شواهد تجربی این کار انجام می‌شد. این دانش توسط اصناف حفظ می‌شد و به ندرت با پیشرفت همراه می‌شد.

هیچ سابقه‌ای از اولین محاسبات مقاومت اعضای سازه‌ای و یا رفتار مواد سازه‌ای وجود ندارد ولی حرفه مهندسی سازه تنها با انقلاب صنعتی و اختراع دوباره بتن شکل گرفت (تاریخچه بتن را مطالعه کنید). علوم فیزیکی که زیربنای مهندسی سازه هستند در رنسانس مورد توجه قرار گرفتند و تا کنون در حال توسعه هستند.

تحولات ابتدایی مهندسی سازه

زمانی که از ارشمیدس خواسته شد نظر خود را در مورد اهرم بیان کند، وی اظهار داشت: «جایی برای ایستادن به من بدهید و من زمین را به حرکت در می‌آورم.»

تاریخ ثبت شده از مهندسی سازه با مصریان باستان شروع می‌شود. در قرن ۲۷  قبل از میلاد ایمهوتپ اولین مهندس سازه، اولین هرم پلکانی را در مصر ساخت. در قرن ۲۶ قبل از میلاد، هرم بزرگ گیزا در مصر ساخته شد. این سازه برای هزاران سال بزرگ‌ترین سازه ساخته شده به دست انسان باقی ماند و تا قرن ۱۹میلادی یک شاهکار بی‌نظیر در معماری شناخته می‌شد.

درک قوانین فیزیکی که زیر بنای مهندسی سازه است در جهان غرب به قرن ۳ قبل از میلاد بر می‌گردد که ارشمیدس نتیجه فعالیت‌های خود را در دو جلد کتاب تعادل صفحات منتشر کرد. در این کتاب قانون اهرم این گونه بیان شده است:

وزن‌های مساوی در فواصل مساوی در تعادل هستند و وزن‌های مساوی در فاصله‌های نامساوی در تعادل نیستند، به طوری که شیب به سمت وزنی است که در فاصله بیشتر است.

ارشمیدس از اصول مشتق گیری برای محاسبه مساحت و مراکز جرم اشکال مختلف هندسی از جمله مثلث، سهمی و نیمکره استفاده می‌کرد.

پون دو گار، فرانسه، قنات دوران روم، ۱۹ سال قبل از میلاد

رومیان باستان تحولات بزرگی در مهندسی سازه ایجاد کردند. آن‌ها از پیشگامان ساخت سازه‌های بزرگ بنایی و بتنی که بسیاری از آن‌ها امروزه هنوز هم پابرجا هستند، بودند. این سازه‌ها عبارت‌اند از قنات‌ها، ستون‌ها، فانوس‌های دریایی، دیوارهای دفاعی و بندرها. در قرن 25 قبل از میلاد بود که روش آن‌ها توسط ویتروویوس در کتاب De Architectura درج شد. یکی از دلایل موفقیت آن‌ها تکنیک‌های نقشه برداری دقیق آن‌ها است.

مدت‌ها بعد، در قرن ۱۵ و ۱۶ با وجود فقدان نظریه تیر و محاسبات، لئوناردو داوینچی طرح‌های مهندسی بسیاری بر اساس مشاهدات علمی و دقیق، از جمله طراحی یک پل بر روی خلیج شاخ طلایی طراحی کرد. هر چند این طرح در آن زمان رد شد، اما امروزه امکان پذیری و اعتبار سازه‌ای آن اثبات شده است.

پایه‌های مهندسی سازه مدرن در قرن ۱۷ توسط گالیله، رابرت هوک و اسحاق نیوتن با انتشار سه اثر بزرگ علمی بنیان گذاری شد. در سال ۱۶۳۸گالیله کتاب گفتگو در باب دو سامانه بزرگ جهان را در مورد مربوط علم مقاومت مصالح و حرکت اشیاء (در اصل تعریف گرانش به عنوان یک نیرو که شتاب ثابت را افزایش می‌دهد) منتشر نمود. این اولین موفقیت علمی در مهندسی سازه و اولین تلاش برای تعریف یک تئوری برای تیرها بود. این کتاب را می‌توان سرآغازی برای آنالیز سازه‌ای، راه حل‌های ریاضی و طراحی سازه‌ای ساختمان‌ها دانست.

پس از آن در سال ۱۶۷۶اولین تعریف از قانون هوک توسط رابرت هوک ارائه شد که یک درک علمی از الاستیسیته مواد و رفتار آن‌ها تحت بار در اختیار قرار می‌داد.

یازده سال بعد، در ۱۶۸۷، اسحاق نیوتن اصول ریاضی فلسفه طبیعی را منتشر کرد و قوانین حرکت خود را معرفی نمود که برای اولین بار درک درستی از قوانین بنیادی حاکم بر سازه‌ها را مهیا ساخت.

همچنین در قرن ۱۷، اسحاق نیوتن و گوتفرید لایبنیتس هر دو به طور مستقل قضیه اساسی حساب دیفرانسیل و انتگرال که یکی از مهم‌ترین ابزار ریاضی در مهندسی است را تعریف کردند.

پیشرفت‌های بیشتر در ریاضیات برای ممکن ساختن اعمال مفاهیم سازه ارائه شده توسط گالیله، هوک و نیوتن در قرن ۱۷ توسط مهندسین ضروری بود. این پیشرفت‌ها در قرن ۱۸ و زمانی که لئونارد اویلر پیشگام در ریاضیات و بسیاری از روش‌هایی که به مهندسین سازه امکان مدل‌سازی و آنالیز سازه‌ها را می‌دهد به دست آمد. او معادله تیر اویلر-برنولی را با دانیل برنولی (۱۷۰۰-۱۷۸۲) تعریف کرد.

دانیل برنولی، با یوهان (ژان) برنولی (۱۶۶۷-۱۷۴۸)، نیز منتصب نظریه کار مجازی را فرموله کردند تا با استفاده از آن و تعادل نیروها و سازگاری هندسه، مشکلات سازه‌ای حل شوند. در سال ۱۷۱۷ ژان برنولی به پیر وریگنون نامه‌ای نوشت و اصل کار مجازی را توضیح داد و در سال ۱۷۲۶ دانیل برنولی «ترکیب نیروها» را تعریف کرد.

در سال ۱۷۵۷ لئونارد اویلر در ادامه به استخراج فرمول کمانش اویلر دست زد که تا حد زیادی توانایی مهندسان را برای طراحی عناصر فشاری بهبود بخشید.

پیشرفت‌های جدید در مهندسی سازه

• تبدیل بسمر، انگلستان، شفیلد، موزه جزیره (۲۰۰۲)
• کارخانه بلپر شمالی (Belper North Mill)
• پل Forth 
• برج ایفل در حال ساخت در جولای سال ۱۸۸۸
• ساختار شبکه‌ای برج Shukhov در مسکو.

در طول اواخر قرن ۱۹ و اوایل قرن ۲۰، علوم مصالح و آنالیز سازه‌ای با سرعت فوق‌العاده‌ای توسعه یافتند.

با اینکه تا قبل از قرن نوزدهم الاستیسیته به خوبی در قالب نظریه ارائه شده بود اما تا سال ۱۸۲۱ که کلود لویی ناویر فرمولی برای این نظریه ارائه کرد، این کار انجام نشده بود. او در سال ۱۸۲۶ نظریه‌های سازه‌ای متفاوتی را بررسی کرد و اولین کسی بود که دریافت نقش یک مهندس سازه درک حالت نهایی و منهدم شده سازه نیست، بلکه جلوگیری از این شکست است. در سال ۱۸۲۶ او همچنین مدول الاستیسیته را به عنوان یک ویژگی از مصالح که مستقل از لنگر دوم سطح است معرفی نمود که برای اولین بار به مهندسان اجازه می‌داد تا رفتار و مصالح سازه‌ای را درک کنند.

در اواخر قرن ۱۹، در سال ۱۸۷۳، کارلو آلبرتو کاستیلیانو پایان نامه خود را با عنوان «Intorno ai sistemi elastici» ارائه داد که موضوع آن محاسبه جابجایی با مشتق گیری جزئی از انرژی کرنشی بود.

در سال ۱۸۲۴، مهندس ژوزف آسپدين سیمان پرتلند را با عنوان «a superior cement resembling Portland Stone» و شماره ثبت اختراع ۵۰۲۲ در بریتانیا ثبت کرد. با این حال اشکال مختلف سیمان تا قبل از این هم وجود داشت (سیمان پوزولانی توسط رومی‌ها از اوایل سده قبل از میلاد و حتی قبل از آن توسط تمدن کهن یونانی و چینی مورد استفاده قرار می‌گرفت) و به صورت متداول از سال ۱۷۵۰ در اروپا کاربرد داشت. در تهیه سیمان پرتلند معمولاً از مصالح در دسترس و ارزان استفاده می‌شد که ساخت سازه‌های بتنی را به‌ صورت مقرون به صرفه ممکن ساخت.

پیشرفت‌های بتن با ساخت یک قایق ساخته شده از ملات سیمان با توری سیمی (ferrocement) در ۱۸۴۸- نمونه‌های اولیه بتن مسلح مدرن- توسط جوزف لوئیس لمبوت ادامه یافت. او سیستم متشکل از شبکه آرماتور و بتن خود را در سال ۱۸۵۵ ثبت کرد، یک سال پس از آن و.ب. ویلکینسون نیز یک سیستم مشابه به ثبت رساند. این موارد در سال ۱۸۶۷ و زمانی که یک ظرف باغبانی به واسطه بتن مسلح توسط جوزف مونیر در پاریس ساخته و ثبت شد، ادامه یافت. این ظرف با استفاده از یک شبکه فولاد مشابه آنچه لمبوت و ویلکینسون استفاده کرد، ساخته شد. مونیر این ایده را رو به جلو برد و اختراعات متعددی از جمله دال و تیرهای بتنی ارائه کرد که در نهایت منجر به سیستم سازه‌های مسلح منیر شد. در این سیستم برای اولین از میلگرد تقویتی فولادی در ناحیه‌های تحت تنش در سازه استفاده شد.

ساخت و ساز فولادی برای اولین بار در دهه ۱۸۵۰ و زمانی که هنری بسمر فرآیند بسمر برای تولید فولاد معرفی کرد، آغاز شد. داد. او این فرآیند را در ساله‌ای ۱۸۵۵ و ۱۸۵۶ ثبت نمود و در سال ۱۸۵۸ موفق به تبدیل چدن به فولاد ریخته گری شد. در نهایت فولاد نرمه جایگزین دو مورد قبلی شد و به عنوان فلز مناسب برای ساخت و ساز انتخاب شد.

در اواخر قرن ۱۹، پیشرفت‌های زیادی در استفاده از چدن انجام گرفته بود و به تدریج جایگزین آهن چکش کاری شده به عنوان شد. ساختمان Ditherington Flax در شروزبری که توسط چارلز بیژ طراحی شده، اولین ساختمان در جهان است که در سال ۱۷۹۷ با قاب داخلی آهنی ساخته شد. در سال ۱۷۹۲ ویلیام استرات در پی ساخت یک کارخانه نسوز در شهرک بلپر در دربی (شهری است در انگلستان واقع در ناحیه میدلند شرقی)، با استفاده از ستون‌های چدنی و تیرهای چوبی در اعماق طاق‌های آجری تشکیل دهنده سقف بود. تیرهای نمایان سقف با گچ در برابر آتش سوزی محافظت می‌شدند. این کارخانه در بلپر اولین تلاش در جهان برای ساخت ساختمان نسوز بود و اولین نمونه از مهندسی آتش محسوب می‌شود. این امر بعدها با ساخت کارخانه بلپر شمالی بهبود یافت، این کارخانه با همکاری بین استرات و بیژ و با استفاده از یک قاب چدن کامل، به عنوان اولین ساختمان «مقاوم در برابر آتش» در جهان ساخته شد.

پس از رد طرح اصلی توماس بوش و ریزش پل راه آهن Tay، پل Forth توسط بنیامین بیکر، سر جان فاولر و ویلیام ارول در سال ۱۸۸۹ از فولاد ساخته شد. پل Forth یکی از اولین کاربردهای مهم فولاد و نقطه عطفی در طراحی پل بود. همچنین در سال ۱۸۸۹، برج ایفل از جنس آهن چکش کاری شده توسط گوستاو ایفل و موریس کوچلین ساخته شد.

در اواخر قرن ۱۹ ولادیمیر شوخوف مهندس سازه روسی روشی برای تجزیه و تحلیل سازه‌های کششی، سازه‌های پوسته‌ای نازک، سازه‌های پوسته‌ای مشبک و هندسه سازه‌ای جدید مانند سازه هذلولی‌وار ارائه کرد. در اواخر قرن ۱۹ ولادیمیر شوخوف و شرکت برانوبل از پیشگامان در زمینه خط لوله محسوب می‌شدند.

با پیشرفت دوباره بتن مسلح، از سال ۱۸۹۲ به بعد شرکت فرانسوا هنبيک (François Hennebique's) استفاده از سیستم بتن مسلح اختراعی خود را برای ساخت هزاران سازه در سراسر اروپا بکار گرفت.  تادئوس هایت در ایالات متحده و شرکت wayss & Freitag در آلمان نیز سیستم‌هایی را به ثبت رساندند. شرکت AG für Monierbauten بین سال‌های ۱۸۹۰ و ۱۸۹۷، ۲۰۰ پل در آلمان ساختند. با این حال شاهد کاربردهای پیشگامانه¬ای از بتن مسلح در طول یک سوم اول قرن ۲۰ هستیم که نشات گرفته از درک درست رفتار بتن مسلح توسط رابرت میلارت و دیگر افراد می‌باشد. میلارت پس از آن که دریافت بسیاری از سازه‌های بتنی پل‌ها به طور قابل توجهی دچار ترک خوردگی شده‌اند، تصمیم گرفت ناحیه‌های دچار ترک شده را از طراحی بعدی خود حذف کند- او براین باور بود که ترک خوردگی بتن اثری بر مقاومت ندارد. این باور منجر به طراحی انقلابی پل Salginatobel شد. ویلهلم ریتر نظریه خرپا را برای طراحی برشی تیرهای بتنی مسلح در سال ۱۸۹۹ فرموله نمود و امیل مورچ آن را در سال ۱۹۰۲. اصلاح کرد. او در ادامه نشان داد که فرض اینکه بتن در فشار به عنوان یک ماده الاستیک خطی رفتار می‌کند، تقریب محافظه‌ای کار از رفتار بتن است. طراحی و تجزیه و تحلیل بتن از آن زمان با توسعه روش‌های تحلیل مانند تئوری خط تسلیم بر اساس آنالیز پلاستیک بتن (بر خلاف الاستیک خطی) و بسیاری از تغییرات مختلف بر روی مدل توزیع تنش در بتن تحت فشار در حال پیشرفت بوده است.

بتن پیش تنیده، توسط اوژن فریسینت در سال ۱۹۲۸ اختراع شد و یک رویکرد جدید در غلبه بر ضعف سازه‌های بتنی در تنش ارائه کرد. فریسینت یک قوس پیش تنیده آزمایشی در سال ۱۹۰۸ ساخت و بعد از این فن آوری به شکل محدود در پل Plougastel در فرانسه در سال ۱۹۳۰ استفاده کرد. او در ادامه با ساخت شش پل بتنی پیش تنیده در سراسر رودخانه مارن این تکنولوژی را تثبیت کرد.

تئوری مهندسی سازه دوباره در سال ۱۹۳۰ هنگامی که استاد هاردی کراس روش توزیع لنگر خود را ارائه کرد، اصلاح شد. این روش محاسبه تقریبی تنش واقعی بسیاری از ساختارهای پیچیده با سرعت و دقت را امکان‌پذیر ساخت.

در اواسط قرن ۲۰ جان فلیتوود بیکر تئوری پلاستیسیته سازه‌ها را ارائه کرد که یک ابزار قدرتمند برای طراحی ایمن سازه‌های فلزی محسوب می‌شد.

 با اینکه ساخت و سازهای بلند مرتبه از اواخر قرن ۱۹ به بعد آغاز شده بود اما پیشرفت چشمگیر آن در نیمه دوم قرن ۲۰ اتفاق افتاد. فضلور خان سیستم‌های سازه‌ای طراحی نمود که برای بسیاری از سازه‌های بلند مدرن حیاتی بود. او این سیستم‌ها را در طراحی‌های سازه‌ای مرکز جان هنکاک در سال ۱۹۶۹ و برج سیرز در سال ۱۹۷۳ به کار برد. نوآوری اصلی او در طراحی و ساخت آسمان خراش‌ها، ایده «لوله» و «لوله‌های گروهی» به عنوان سیستم سازه‌ای ساختمان‌های بلند بود. او ساختار لوله قابی را به عنوان یک سازه فضایی سه بعدی متشکل از سه، چهار، یا احتمالاً تعداد بیشتری از قاب‌ها، قاب‌های مهاربندی شده یا دیوار برشی بیشتر که در نزدیکی لبه‌های خود به هم متصل شده بودند تعریف می‌کرد که قادر به تحمل نیروهای جانبی هر جهت را توسط رفتار طره‌ای نسبت به فونداسیون بود. ستون‌های خارجی که فاصله کمی از هم دارند، لوله‌ها را تشکیل می‌دهند. بارهای افقی مثل باد توسط کل سازه پشتیبانی می‌شوند. حدود نیمی از سطح بیرونی برای تعبیه پنجره در دسترس است. لوله قابی استفاده از ستون‌های داخلی کمتر و به همین ترتیب فضای قابل استفاده بیشتری را در طبقات ممکن می‌کنند. این سیستم سازه‌ای همچنین موجب کوچک‌تر شدن ستون‌های داخلی و آزاد شدن فضای مرکزی ساختمان از مهاربندی و یا دیوار برشی که فضای ارزشمندی را به هدر می‌دهند، می‌شود. در مواردی که دهانه‌های بزرگ‌تر مانند درب گاراژ مورد نیاز است، قاب لوله‌ای باید با تیرهای انتقال که برای حفظ تمامیت ساختاری استفاده می‌شود، قطع شوند. اولین ساختمان که از ساخت و ساز لوله قابی استفاده کرد آپارتمان DeWitt-Chestnut در شیکاگو بود که توسط خان طراحی و در سال ۱۹۶۳ تکمیل شد. این زمینه‌ای را برای استفاده از سازه‌های لوله قابی در ساخت مرکز تجارت جهانی فراهم نمود.

یکی دیگر از نوآوری که فضلور خان توسعه داد مفهوم مهاربند ضربدری بود که با انتقال بار به ستون‌های بیرونی بار جانبی وارده به یک ساختمان را کاهش می‌دهد. کاهش نیازهای وارده به ستون‌های داخلی موجب مهیا شدن فضای داخلی قابل استفاده بیشتری می‌شود. این موضوع را می‌توان در مرکز جان هنکاک دید. اولین لابی آسانسور نیز در سال ۱۹۶۹ توسط خان برای مرکز جان هنکاک طراحی شد. ساختمان‌های بعدی دارای لابی آسانسور عبارت‌اند از مرکز تجارت جهانی، برج‌های دوقلوی پتروناس و تایپه ۱۰۱.

در سال ۱۹۸۷یورگ و کورت شیفر نقطه عطفی در نتیجه تقریباً ده سال کار بر روی آنالیز بتن به روش مدل‌های خرپایی یا STM- یک ابزار برای طراحی سازه‌ها با ناپیوستگی‌هایی در گوشه‌ها و مفاصل- ایجاد کردند که یک ابزار قدرتمند دیگر برای تجزیه و تحلیل هندسه پیچیده بتنی بود.

در اواخر قرن ۲۰ و اوایل قرن ۲۱ با ظهور کامپیوترهای قدرتمند آنالیز المان محدود به یک ابزار مهم برای تحلیل و طراحی تبدیل شد. توسعه برنامه‌های المان محدود به توانایی پیش بینی دقیق تنش در سازه‌های پیچیده منجر شد و پیشرفت‌های بزرگی را در طراحی مهندسی سازه و معماری ممکن ساخت. در دهه‌های ۱۹۶۶۰ و ۱۹۷۰ آنالیز محاسباتی برای اولین بار و صورت جدی در طراحی سقف خانه اپرای سیدنی استفاده شد. بسیاری از ساختمان‌های مدرن بدون استفاده از آنالیز محاسباتی قابل درک و طراحی نبودند.

تحولات چشمگیری در درک رفتار مصالح و سازه در بخش دوم قرن ۲۰ با درک دقیق موضوعاتی مانند مکانیک شکست، مهندسی زلزله، مواد کامپوزیت، اثرات دما بر مواد، دینامیک و کنترل ارتعاش، خستگی خزش و دیگر موارد رخ داد.

 منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.