هندسة الإنشاءات

الهندسة الإنشائية (بالإنجليزية: Structural engineering) هي فرع من فروع الهندسة المدنية حيث يتم تدريب المهندسين الإنشائيين على تصميم مكونات المنشئات الهندسية. يحتاج المهندسون الإنشائيون إلى فهم وحساب ثبات وقوة وصلابة الهياكل الإنشائية للمباني و المنشأة الهندسية لغير المباني. يتكامل عمل المصممين الإنشائيين مع تصميمات المصممين الآخرين مثل المهندسين المعماريين و مهندسي خدمات البناء وغالبا ما يشرف المهندسيين الإنشائيين على تنفيذ المقاولين لمشاريع التشييد في الموقع.  كما يمكن إشراكهم في تصميم الآلات والمعدات الطبية والمركبات حيث تؤثر النزاهة الإنشائية على الأداء والسلامة. انظر معجم الهندسة الإنشائية.
تعتمد نظرية الهندسة الإنشائية على القوانين الفيزيائية المطبقة و المعرفة التجريبية للأداء الإنشائي للمواد المختلفة و الإشكال الهندسية.كما يستخدم التصميم الهندسي الإنشائي عددًا من العناصر الإنشائية البسيطة نسبيًا لبناء أنظمة الإنشائية أكثر تعقيدا. المهندسون الإنشائيون مسؤولون عن استخدام خلاق وفاعل للمصادر المالية للمشاريع بالأضافة الي إيجاد حلول لعناصر إنشائية و مواد لتحقيق هذه الأهداف.

التاريخ

المقال الرئيسي: تاريخ الهندسة الإنشائية
الهندسة الإنشائية يعود تاريخها إلى 2700 قبل الميلاد. عندما تم بناء الهرم التدريجي للفرعون زوسر من قبل إمحوتب، و الذي يعتبر أول مهندس في التاريخ معروف بالاسم. حيث كانت الأهرامات أكثر الهياكل الرئيسية شيوعًا التي شيدتها الحضارات القديمة لأن الشكل الهيكلي للهرم مستقر بطبيعته ويمكن تقريبًا أن تبنى بأحجام لا نهائية الضخامة (و على عكس معظم الأشكال الهيكلية الأخرى ، و التي لا يمكن زيادتها خطيًا نتيجة لتناسب زيادة الحجم طرديا مع زيادة الأحمال).
يعتمد الاستقرار الإنشائي للهرم ، الذي اكتسب في المقام الأول من شكله ، أيضًا على قوة الحجر الذي يتم بناؤه منه ، وقدرته على دعم وزن الحجرالذي فوقه.  و غالبًا ما يتم أخذ كتل الحجر الجيري من محجر بالقرب من موقع البناء و لهذه الحجارة قوة انضغاط من 30 إلى 250 ميجا باسكال (الميجا باسكال = الباسكال * 10 ^ 6). ولذلك ، فإن القوة الهيكلية للهرم تنبع من الخواص المادية للحجارة التي بنيت عليها علاوة الشكل الهندسي الهرم.
على مدار التاريخ القديم والعصور الوسطى ، تم تنفيذ معظم التصاميم المعمارية والبناء من قبل الحرفيين ، مثل الحجارين والنجارين، مما يرتفع إلى دور البناء الرئيسي. حيث لم تكن هناك أي نظرية لهندسة الإنشاءات، كما أن فهم كيفية صمود و إستقرار الهياكل الإنشائية وقتها كان محدودة للغاية ، كما إستندت بشكل شبه كلي إلى دليل تجريبي على "ما كان يعمل من قبل". مما أبقى على المعرفة حصرا لدى النقابات و نادرا ما تحل محلها أي تطورات حديثة. و كنتيجة لذلك كانت المنشاءات مكررة، بينما إزدادت تدريجيا في الحجم.
لا توجد سجل للحسابات الأولى لقوة الأعضاء الإنشائية أو سلوك المادة الإنشائية ، لكن مهنة الهندسة الإنشائية لم تتشكل إلا مع الثورة الصناعية وإعادة اختراع الخرسانة (انظر تاريخ الخرسانة). حيث بدأت الهندسة الإنشائية الأساسية في عصر النهضة مع بدأ فهم المفاهيم الفيزيائية التي تدعمهما و منذ ذلك الحين الي الآن تطورت الهندسة الإنشاية مع ظهور تطبيقات حاسوبية رائدة في السبعينيات.

الفشل الإنشائي

المقالات الرئيسية: الفشل الإنشائي و قائمة الفشل الإنشائي والانهيارات
يحتوي تاريخ الهندسة الإنشائية على العديد من الانهيارات والفشل. ويرجع ذلك في بعض الأحيان إلى الإهمال الواضح ، كما هو الحال في انهيار مدرسة بيتون فايل ، حيث قام القس فورتين أوغستين "ببناء المبنى من تلقاء نفسه ، قائلاً إنه لم يكن بحاجة إلى مهندس حيث كان لديه معرفة جيدة بالبناء" و لقد أدى الإنهيار الجزئي للمدرسة المكونة من ثلاثة طوابق الي أرسال الجيران هاربين. كما قتل الانهيار النهائي 94 شخصا، معظمهم من الأطفال.
في حالات أخرى ، تتطلب حالات الفشل الهيكلي دراسة متأنية ، و قد أدت نتائج هذه الاستفسارات إلى تحسين الممارسات وزيادة فهم علم الهندسة الإنشائية. بعض هذه الدراسات هي نتيجة تحقيقات هندسية في مجال الهندسة الشرعية حيث يبدو أن المهندس الأصلي قد قام بكل شيء وفقا لحالة المهنة والممارسة المقبولة حتى الآن و مع ذلك فأن المنشاءة فشلت. و يمكن العثور على حالة مشهورة من المعرفة والممارسة الإنشائية التي تقدم سلسلة من الإخفاقات التي تنطوي على الصناديق المغلقة التي انهارت في أستراليا خلال السبعينيات.

المبادئ النظرية للهندسة الإنشائية

المقال الرئيسي: نظرية الهندسة الإنشائية
تعتمد الهندسة الإنشائية على معرفة تفصيلية بالميكانيكا التطبيقية وعلم المواد والرياضيات التطبيقية لفهم وتوقع كيفية دعم المنشاءات ومقاومة الوزن الذاتي والأحمال المفروضة. لتطبيق المعرفة بنجاح يتطلب المهندس الإنشائي معرفة تفصيلية بأكواد التصميم التجريبي والنظري ذات الصلة ، وتقنيات التحليل الإنشائي ، بالإضافة إلى بعض المعرفة بمقاومة التآكل للمواد و المنشاءة ، خاصة عندما تكون تلك المنشاءات معرضة لظروف البيئة الخارجية. منذ التسعينات ، أصبحت البرمجيات المتخصصة متاحة للمساعدة في تصميم الهياكل ، مع وظيفة للمساعدة في رسم وتحليل وتصميم الهياكل بأقصى قدر من الدقة ؛ وتشمل الأمثلة على ذلك الأتوكاد ، و StaadPro ، و الإيتابس ، و Prokon ، و Revit Structure ، و Inducta RCB ، وما إلى ذلك. وقد تأخذ هذه البرامج أيضًا في الاعتبار الأحمال البيئية ، مثل الزلازل والرياح.

التخصص

المقال الرئيسي: مهندس إنشائي
المهندسون الإنشائيون مسؤولون عن التصميم الهندسي والتحليل الإنشائي. يمكن للمهندسين الإنشائي المبتدئين تصميم العناصر الإنشائية الفردية للمنشاءة، مثل العوارض وأعمدة للمبنى. قد يكون المهندسون الأكثر خبرة مسئولين عن التصميم الإنشائي و سلامة المنشاءة بأكملها، في حالة منشاءات كالمبانى.
غالباً ما يتخصص المهندسون الإنشائيون في أنواع معينة من الهياكل ، مثل المباني والجسور وخطوط الأنابيب والصناعية والأنفاق والمركبات والسفن والطائرات والمركبات الفضائية. المهندسون الإنشائيون المتخصصون في المباني غالباً ما يتخصصون في مواد بناء معينة مثل الخرسانة والفولاذ والخشب والبناء والسبائك والمركبات ، وقد يركزون على أنواع معينة من المباني مثل المكاتب والمدارس والمستشفيات والمساكن وما إلى ذلك.
لقد وجدت مهنة الهندسة الإنشائية منذ أن بدأ البشر ببناء منشاءاتهم الخاصة. و أصبحت المهنة أكثر تحديداً و تم إضفاء الطابع الرسمي مع ظهور الهندسة المعمارية كمهنة متميزة عن الهندسة خلال الثورة الصناعية في أواخر القرن التاسع عشر. حتى ذلك الحين، حيث كان المهندس المعماري والمهندس الإنشائي عادةً قديما نفس الشيء - بما يعرف بالباني الرئيسي. و لكن مع تطور المعرفة المتخصصة في النظريات الأنشاءات التي ظهرت خلال القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، ظهر المهندسون الإنشائيون المحترفون.
يتضمن دور المهندس الإنشائي اليوم فهمًا مهمًا لكل من التحميل الساكن والديناميكي، و المنشاءات المتاحة لمقاومتها. مما يتطلب تعقيد الهياكل الحديثة في كثير من الأحيان قدرا كبيرا من الإبداع من المهندس من أجل ضمان دعم الهياكل ومقاومة الأحمال التي تتعرض لها. و عادة ما يكون لدى المهندس الإنشائي شهادة جامعية بعد الدراسة المتواصلة لمدة أربع أو خمس سنوات ، تليها ثلاث سنوات على الأقل من الممارسة المهنية قبل اعتباره مؤهلاً تمامًا. المهندسون الإنشائيون مرخصون أو معتمدون من قبل مختلف الجمعيات العلمية والهيئات التنظيمية في جميع أنحاء العالم (على سبيل المثال ، معهد المهندسين الإنشائيين في المملكة المتحدة). و إعتمادًا على الدورة الدراسية التي درسوها و / أو الاختصاص فأنهم يسعون للحصول على ترخيص له، فقد يكونون هنالك مهندسين معتمدين (أو مرخّصين) كمهندسين إنشائيين فقط ، أو كمهندسين مدنيين ، أو كمهندسين مدنيين و إنشائيين على حد سواء. و منظمة دولية أخرى هي IABSE (الرابطة الدولية للجسر والهندسة الإنشائية). الهدف من هذه الرابطة هو تبادل المعرفة والنهوض بممارسة الهندسة الإنشائية في جميع أنحاء العالم في خدمة المهنة والمجتمع.

منشاءات هندسة الزلازل

المقال الرئيسي: منشاءات هندسية للزلازل
هندسة الزلازل هي تلك الهندسة المهمة بخصوص الصمود الهندسة أمام الزلازل.
الأهداف الرئيسية لهندسة الزلزال هي فهم لتفاعل المنشاءات مع الاهتزاز ، و توقع عواقب الزلازل المحتملة ، و تصميم و بناء مكونات في المنشاءة لمقاومة الزلزال. إن الهياكل المقاومة للزلازل ليست قوية للغاية مثل هرم إلكاستيلو في تشيتشن إيتزا الموضحة أعلاه. إحدى الأدوات الهامة للهندسة الزلزالية هي عزل القاعدة ، والتي تسمح لقاعدة الهيكل بالتحرك بحرية مع الأرض.

هياكل الطيران

تشمل أنواع هياكل الفضاء الجوي مركبات الإطلاق ، (أطلس ، دلتا ، تيتان) ، الصواريخ (ALCM ، Harpoon) ، مركبات عالية السرعة (مكوك الفضاء) ، الطائرات العسكرية (F-16 ، F-18) والطائرات التجارية (Boeing 777، MD-11) ). تتكون هياكل الفضاء الجوي عادة من صفائح رفيعة ذات تقوية للأسطح الخارجية والحواجز والإطارات لدعم الشكل والمثبتات مثل اللحامات والمسامير والبراغي والمسامير لتثبيت المكونات معا.

هياكل النانو

البنى النانوية هي كائن ذو حجم وسيط بين الهياكل الجزيئية والمجهرية (حجم الميكرومتر). في وصف النانو، من الضروري التمييز بين عدد الأبعاد على المقياس النانوي. السطوح النانوية النانوية لها بعد واحد على المقياس النانوي ، أي أن سماكة سطح الجسم هي فقط بين 0.1 و 100 نانومتر. تحتوي الأنابيب النانوية على بعدين على المقياس النانوي ، أي أن قطر الأنبوب يتراوح بين 0.1 و 100 نانومتر؛ طوله يمكن أن يكون أكبر من ذلك بكثير. وأخيراً ، تحتوي الجسيمات النانوية الكروية على ثلاثة أبعاد على المقياس النانوي ، أي أن الجسيم يتراوح بين 0.1 و 100 نانومتر في كل بُعد مكاني. غالبًا ما تُستخدم مصطلحات جسيمات متناهية الصغر وجسيمات متناهية الصغر (UFP) بشكل مترادف بالرغم من أن UFP يمكن أن يصل إلى نطاق الميكرومتر. غالباً ما يستخدم مصطلح "البنية النانوية" عند الإشارة إلى التقنية المغناطيسية.

الهياكل المعدات الطبية

تم تصميم المعدات الطبية (المعروفة أيضا باسم armamentarium) للمساعدة في تشخيص ومراقبة أو علاج الحالات الطبية. هناك عدة أنواع أساسية: تشمل معدات التشخيص آلات التصوير الطبي ، التي تُستخدم للمساعدة في التشخيص ؛ وتشمل معدات ضخ ضخ ، ليزر الطبية والآلات الجراحية لاسيك. تسمح المراقبين الطبيين للموظفين الطبيين بقياس الحالة الطبية للمريض. قد تقيس الشاشات العلامات الحيوية للمريض وغيرها من المعلمات بما في ذلك تخطيط القلب الكهربائي ، و EEG ، وضغط الدم ، والغازات الذائبة في الدم ؛ كما يمكن استخدام الأجهزة الطبية التشخيصية في المنزل لأغراض معينة ، على سبيل المثال ، للسيطرة على مرض السكري. يعتبر فني معدات الطب الحيوي (BMET) عنصراً حيوياً في نظام تقديم الرعاية الصحية. يستخدم BMETs في المقام الأول من قبل المستشفيات ، وهو المسؤول عن الحفاظ على المعدات الطبية في المنشأة.