ساخت پل ماکارونی - جلسه چهارم
اهداف: آموزش مسائل مطرح در پل سازی
تعریف اصول پایه مربوط به پل
سه اصل بزرگ برای پل ها وجود دارد:
- پلی که از تیر ساخته می شود (Beam bridge) یا پل خرپایی
- پل قوسی (arch bridge)
- پل معلق (Saspension bridge)
تفاوت عمده بین این سه نوع پل، در میزان فاصله ای است که می توانند با یک دهانه پوشش دهند. دهانه، به فاصله بین دو تکیه گاه پل گفته می شود که این تکیه گاه ها در پل ها، می توانند ستون، پایه، برج (دکل) ، یا دیوار باشد. یک نوع از جدید از انواع پل هایی که با تیر ساخته می شود، فاصله ای بیش از 200 فوت (60 متر) را پوشش می دهد. در حالی که یک پل قوسی جدید مطمئنا، فاصله ای بیش از 800 تا 1000 فوت (240 تا 300 متر) را پوشش می دهد. در یک پل معلق، با تکنولوژی رأس پل، می توان فاصله ای تا 7000 فوت (2100 متر) را پوشش داد. حال این سوال پیش می آید که چه عاملی سبب می شود تا پل قوسی فاصله بزرگتری نسبت به پلی که با قید ساخته می شود را پوشش دهد و یا چرا یک پل معلق تا هفت برابر یک پل قوسی را پوشش می دهد. جواب این سوال به نحوه عملکرد هر پل با دو نیروی مهم یعنی کشش و فشار، بستگی دارد.
تعریف مفاهیم
• فشار: نیرویی است که سبب فشردگی یا کوتاه شدن جسمی می شود که نیرو بر روی آن اثر می کند.
یک نمونه همیشگی از کشش و فشار، فنر است. هنگامی که فنر را به سمت پایین فشار دهیم یا دو سر آن را به سمت یکدیگر فشار دهیم در آن فشار بوجود می آید، در واقع فنر فشرده می شود.
نیروی فشار فنر را کوتاه می کند. وقتی دو سر فنر رامی کشیم، درفنر نیروی کشش بوجود می آید. نیروی کشش طول فنر را زیاد می کند.
نیروی فشار و کشش در تمام پل ها وجود دارد و کار پل و طراحی پل، تعیین نحوه عملکرد این نیروهاست. به طوری که پل دچار کمانش یا گسیختگی نشود.
• کمانش: هنگامی اتفاق می افتد که نیروهای فشاری بیشتر از میزان مقاومت یا توان عنصر برای تحمل فشار، بر آن عضو وارد می شود.
• گسیختگی: هنگامی اتفاق می افتد که نیروی کشش بیشتر از مقاومت یا توان عضو برای تحمل کشش بر آن عضو وارد شود.
بهترین راه در برخورد با این نیروها، پخش کردن این نیروها و یا انتقال آن ها است. در پخش نیرو، منظور پخش نیرو بر روی مساحت بزرگتری است، بنابراین هیچ نقطه ای نباید فشار ناشی از نیروی متمرکز را تحمل کند. یعنی نیرو بر یک نقطه خاص وارد نشود بلکه بر روی یک سطح با شدت کمتری وارد شود.
در انتقال نیرو ، منظور انتقال نیرو از یک محل (مساحت) ضعیف به یک محل (مساحت) با مقاومت کافی که جهت تحمل آن نیرو طراحی شده است.
پل قوسی نمونه خوبی برای نشان دادن عملکرد پخش نیرو و پل معلق نمونه خوبی جهت انتقال نیرو است.
در ادامه با انواع این سه نوع پل، آشنا می شوید.
پل خرپایی
(پل هایی که با تیر ساخته می شود)
این نوع پل، اساسا یک سازه افقی صلب است که بر روی دو پایه، یکی در ابتدا و یکی در انتها قرار گرفته است. وزن پل و ترافیک روی آن به طور مستقیم به وسیله پایه ها تحمل می شود. کل وزن به طور مستقیم به سمت پایین انتقال می یابد.
فشار در پل خرپایی: نیروی فشار خود را در قسمت فوقانی عرشه پل ظاهر می کند. این امر سبب کوتاه شدن قسمت بالایی عرشه می شود.
کشش در پل خرپایی: فشار ایجاد شده در قسمت بالایی عرشه سبب ایجاد کشش در قسمت تحتانی عرضه می شود. این کشش سبب بلند شدن (اضافه طول) در پایین ترین قسمت عرشه پل می شود.
عکس 4-1
پخش بار: بسیاری از پل ها ی خرپایی که در طول بزرگراه ها می بینید، از تیرهای بتنی یا فولادی برای تحمل بار استفاده می کنند. اندازه تیرها و به ویژه ارتفاع تیرها، میزان مسافتی که تیر پوشش می دهد را تعیین می کند. با زیاد کردن ارتفاع تیر، تیر دارای مصالح بیشتری جهت پخش نیرو می باشد. برای ساختن تیرهای بسیار بلند، طراحان پل، تکیه گاه های شبکه ای یا خرپا به این نوع پل می افزایند. خرپای تکیه گاهی که به صورت صلب به تیرهای موجود اضافه می شود، قابلیت پل را جهت پخش نیروهای فشاری و کششی زیاد می کند.
لحظه ای که تیر فشرده می شود، نیرو درون خرپا پخش می شود. با اضافه کردن مبتکرانه خرپا برای پخش بار، این نوع پل هنوز در میزان فاصله ای که می تواند پوشش دهد، دارای محدودیت است. با اضافه شدن فاصله، اندازه خرپا نیز بایستی بزرگتر شود، تا جایی که وزن خود پل به میزانی زیاد شود که خرپا نتواند آن را تحمل کند.
انواع پل های خرپایی
این پل دارای 12 نوع مختلف است. طراحی مکان و وضعیت خرپاها، نوع پل را تعیین می کند. در ابتدای انقلاب صنعتی، ساخت و ساز این نوع پل در آمریکا به سرعت شروع شد. طراحان انواع مختلف و زیادی از خرپاها را طراحی و ترکیب کردند. پل های چوبی با پل های ترکیبی آهن و چوب جایگزین شدند.
مدل های مختلف خرپا، گام های بزرگی در این دوره ایجاد کردند. یکی از مشهورترین پل های اخیر، پل Howe truss است که بوسیله William Howe در سال 1840 طراحی شده است.
شکل 4-2
ابتکار او در مدل خرپا نبود، خرپای استفاده شده او مشابه مدل King post که در آن زمان موجود بود، است. بلکه ابتکار او در به کار بردن تکیه گاه های آهنی عمودی همراه با تکیه گاه های چوبی مورب بود. امروزه در بسیاری از پل ها، مدل Howe در خرپاها به کار گرفته شده است.
شکل 4-3
مقاومت خرپا
یک تیر با هر فاصله ای که پوشش داده است، فشار و کشش را تجربه می کند. بالاترین قسمت های تیر، بیشتر فشار و پایین ترین قسمت های تیر، کشش را تجربه می کند.
در وسط تیر نیز مقدار کمی فشار یا کشش وجود دارد.
اگر تیر طوری ساخته شود که در قسمت بالایی و پایینی میزان بیشتری مصالح بکار رفته باشد و میزان کمتری در وسط تیر، این تیر در فشار و کشش بهتر عمل می کند. (به همین دلیل تیرهای I شکل، محکم تر از تیرهای مستطیلی ساده هستند.)
یک طرف پل خرپایی را به عنوان یک تیر فرض کنید. مرکز تیر، از عضوهای مورب خرپا تشکیل شده، در حالی که قسمت بالا و پایین خرپا، نقش بالا و پایین تیر را دارند. با فرض خرپا به این صورت، می توان درک کرد که قسمت های بالا و پایین تیر شامل میزان بیشتری مصالح می باشند نسبت به وسط تیر.
(محکم و سخت بودن مقوای موجود به همین دلیل است.) همراه با اثر ذکر شده در بالا در سیستم خرپایی، دلیل دیگری برای محکم تر و سخت تر بودن خرپا نسبت به یک تیر وجود دارد. خرپا قابلیت پخش بار به وسیله عملکرد خرپایی را دارد. طراحی خرپا که همواره به صورت مثلث های گوناگون است، سبب ایجاد یک ساختار بسیار صلب و محکم می شود و نیز سبب انتقال بار از یک نقطه به یک مساحت بزرگتر می شود.
منابع مطالعه: برای مطالعه ی بیشتر می توانید فایل زیر را دانلود کنید.
مطالب مرتبط:
