عکس نویسنده

بازدید :

تاریخ : سه شنبه 1392/09/05

ساخت پل ماکارونی - جلسه ششم

اهداف: شناخت پل قوسی و عملکرد آن

تعریف مفاهیم در پل های معلق

پل معلق، با کابل ها (یا طناب یا زنجیر) که در طول رودخانه کشیده اند و یک عرشه که از این کابل ها معلق است شناخته می شود. پل های معلق جدید، دارای 2 برج یا دکل بلند که کابل ها از آن ها کشیده شده است، هستند. بدین گونه، دکل ها مقدار زیادی از بار جاده را تحمل می کنند.

فشار:

نیروی فشاری بر روی عرشه پل معلق به سمت پایین اثر می کند، ولی به دلیل این که جاده یا عرشه معلق است، کابل ها نیروی فشاری را به برج ها انتقال می دهد، برج ها نیروی فشاری را به طور مستقیم به زمین انتقال می دهند. برج ها، محکم و سخت در زمین ثابت شده اند.

کشش:

کابل های تکیه گاهی، بین دو تکیه گاه قرار گرفته اند که به طور کامل گیرنده ی نیروهای کششی هستند. کابل ها به طور معمول، به خاطر وجود بار روی پل و بار ترافیک روی پل، در بین دو تکیه گاه کشیده می شوند. تکیه گاه ها نیز در کشش هستند، ولی همراه با آن ها، برج یا دکل ها نیز که در زمین ثابت شده اند، نیروهای کششی را انتقال داده و پخش می کنند.

علاوه بر کابل ها، در بیشتر پل های معلق، سیستم تکیه گاهی خرپایی در زیر عرشه پل وجود دارد (عرشه خرپایی). این عرشه خرپایی به سختی عرشه کمک می کند و تمایل جاده را به تاب خوردن و حرکت کردن موجدار کاهش می دهد.

انواع پل های معلق

پل های معلق دارای 2 نوع طراحی می باشند:

پل معلق، با شکل M کشیده و نوع دیگر که کمتر معروف است، طرح Cable-Stayed است که بیشتر شبیه حرف A است. نوع A شکل، به دو برج و 4 تکیه گاه احتیاج ندارد در حالی که نوع پل معلق M شکل به 2 برج و 4 تکیه گاه احتیاج دارد.

در عرض، کابل ها از عرشه به تنها برج موجود (در شکل پل A شکل) به صورت کاملاً محکم کشیده شده اند.

برج یا دکل در پل نوع A شکل، مانند دکل همانندش در نوع پل معلق M شکل، وظیفه ی جذب و توزیع نیروهای فشاری را دارد. در هر نوع پل، کابل ها تحت کشش هستند.

سازه های کابلی

بهترین مهندس در دنیای حیوانات عنکبوت است، تار عنکبوت مانند آب لطیف و همچون درخت قابل انعطاف است و سازه ای شگفت انگیز است که تمامی مهارت ها در آن به کار رفته است. «هورست برگر»

کابل های با فرم منحنی طنابی

زنجیرواره، فرمی از منحنی طنابی برای یک کابل بدون بارگذاری است که تحت تأثیر وزن کابل (و فقط وزن کابل) ایجاد می شود (باری که به طور یکنواخت در طول کابل وارد می شود). سهمی فرمی از منحنی طنابی یک کابل معلق با بارگذاری یکنواخت در طول افقی دهانه صرف نظر از وزن کابل می باشد. در جایی که نسبت دهانه به خیز بیشتر از 5 است، هر دو فرم به طور نزدیکی یکسان و شبیه هستند و با محاسبات ساده ی ریاضی می توان به تعیین فرم و تحلیل آن ها پرداخت.

تصویر 1-10: (الف) زنجیرواره برای بارهایی که در طول منحنی کابل یکنواخت هستند و (ب) سهمی برای بارهایی که به صورت یکنواخت در یک دهانه ی افقی وارد می شوند در جایی که نسبت دهانه به خیز در آن ها بیشتر است، شکل آن با حالت قبل یکسان می باشد.

در عمل عبارت زنجیرواره برای هر عضو معلق منحنی شکل که در طول آن بارگذاری شده صرف نظر از نحوه ی توزیع بارها به کار می رود. برای مثال کابل های اصلی یک پل معلق از نوع کابل های زنجیرواره هستند، گرچه شکل منحنی آنها نزدیک به یک سهمی است.

رانش در سازه های کششی

برای یک بارگذاری معین، میزان خیز در یک سازه کششی از نوع زنجیرواره، مقدار رانش افقی ایجاد شده به سمت داخل را تعیین می کند، هرچه انحنا کمتر باشد رانش درونی بیشتر خواهد شد.

تصویر 2-10: عکس العمل های رانشی و فشاری نسبت عکس با عمق خیز کابل دارد

سازه های کابل های زنجیرواره قابلیت پوشاندن دهانه های متنوعی را دارند. در دهانه ها و شرایط بارگذاری معمولی، نسبت خیز به دهانه یکی از مسائل مهم در طراحی اولیه سازه است. نیروهای وارد بر کابل، طول و قطر آن کاملاً به این نسبت بستگی دارند. این نسبت ارتفاع ستون های اصلی، نیروهای فشاری و میانگین مقاومت داخلی فشاری که در کابل به وجود می آید را نیز تعیین می کند.

معمولاً نیروهای کابلی نسبت عکس با خیز دارند، به عبارت دیگر با کاهش طول کابل قطر آن باید افزایش یابد. این مسأله در به حداقل رساندن مجموع فولاد به کار رفته در کابل مورد استفاده قرار می گیرد. یک کابل کوتاه با حداقل خیز، به علت وجود نیروهای کششی بسیار بزرگ به قطر زیادی نیز نیاز دارد. برعکس این حالت، یک ابل با خیز بسیار زیاد می تواند قطر کوچکی برای تحمل نیروهای کششی کم داشته باشد که کاملاً طولی عمل می کند.

برای بار متمرکز که در وسط دهانه وارد می شود، خیز مناسب در حدود 50 درصد طول دهانه است، برای بار یکنواخت روی یک کابل سهمی شکل، خیز مناسب تقریباً 33 درصد طول دهانه می باشد. گرچه در عمل، دیگر عوامل فنی (ارتفاع مفید خیز و محل تکیه گاه عمودی) این نسبت را به طور قابل ملاحظه ای کاهش می دهد. در بیشتر کابل هایی که در سازه ی سقف ساختمان ها به کار می روند، نسبت ارتفاع به دهانه 1:8 تا 1:10 است. سازه های معلق با فرم منحنی طنابی به سه بخش تقسیم می شوند: منحنی دارای یک انحنا، کابل های مضاعف و منحنی های مضاعف.

تصویر3-10: انواع سازه های معلق - منحنی های مضاعف

سازه هایی با یک انحنا

سازه های با یک انحنا عبارتند از دو یا چند کابل زنجیرواره که بین تکیه گاه های اصلی کشیده شده اند. آن ها ممکن است یک سطح را به صورت مستقیم (منتج از سقف منحنی) یا به صورت غیر مستقیم (استفاده از کابل های عمودی ثانویه برای نگاه داشتن بام مسطح یا سطح پل) نگاه دارند.

پل های متعلق با فرم منحنی طنابی

پل های معلق با فرم منحنی طنابی (نمونه های اولیه ی آن در چین، هند و امریکای جنوبی شناسایی شده اند) نمونه هایی از سازه های با یک انحنا می باشند. نمونه ای موجود در بخش دورافتاده در هندوستان متشکل از یک طناب بافته شده از جنس بامبو است که دهانه ای به طول 660 فوت (200 متر) را می پوشاند. مسافران از حلقه ای پایین رفته و از سمت مخالف آن خود را به سمت بالا می کشند. در نمونه های دیگر از دو طناب بلند به عنوان جان پناه استفاده شده است. پل های پیشرفته بعدی شامل یک کف و دو سطح جانبی که از تعداد زیادی طناب به هم پیچیده تشکیل شده اند و فرمی U شکل شبیه یک گهواره طولانی را به خود می گیرند، می باشند.

تصویر 4-10: پل طنابی اولیه

سطح سخت شده فایندلی

مشکل اصلی در یک پل با چنین قابلیت انعطافی آن است که با حرکت مسافران، فرم آن در واکنش به بار متحرک وارده تغییر می کند. سطح سخت شده ی پل که در سال 1801 به وسیله ی جیمز فایندلی مورد استفاده قرار گرفت، کلید پیشرفت در سیر تکاملی پل های معلق است. طول دهانه در اولین پل فایندلی 200 فوت (61 متر) می باشد که بر روی رودخانه ژاکوب در یونیون تاون پنسیلوانیا ساخته شده است. سطح سخت شده از تغییر شکل در زیر بار متحرک با تکیه گاهی از جنس زنجیر آهنی به وسیله ی توزیع بارها روی یک بخش بزرگ از دهانه ممانعت به عمل می آورد. (براون، 1993).

تصویر 5-10: پل چین (1801: یونیون تاون، پنسیلوانیا، طراح: فایندلی) اولین نمونه برای یکی کردن یک سطح سخت شده برای توزیع بارها روی طول بزرگی از کابل های تکیه گاهی است و حرکت را به میزان زیادی کاهش می دهد.

پل فایندلی از همان هندسه ی اصلی که در تمام پل های معلق بعدی به کار برده شد، استفاده کرد. دو یا چند برج که یک جفت از کابل های معلق اصلی را نگاه می دارند و از آن ها هم کابل های ثانویه معلق که سطح پل را نگاه می دارند آویزان هستند. برای تعادل عکس العمل های جانبی در بالای برج ها، کابل های اصلی ادامه یافته و در هر انتها به پشت بندهای حجیم بتنی متصل شده اند. به علاوه به علت نیاز به سختی عمودی (به منظور توزیع بار) سطح پل باید برای مقاومت در برابر تغییر شکل در اثر نیروی باد سختی جانبی داشته باشد.

تصویر 6-10: نمودار مسیر بارگذاری در پل معلق

پس از اعلام نوآوری فایندلی در سال 1823، پل های معلق به سرعت ساخته شدند، که نمونه هایی از آن شامل پل منائی استریت توماس تلفورد {1826، ولز، طول دهانه 327 فوت (99 متر)}، پل جیمز روبلینگ در سینسیناتی {1866، طول دهانه 1057 فوت (322 متر)}، پل روبلینگ در بروکلین {1883، طول دهانه 1268 فوت (386 متر)} می باشد. با وجود گیرایی و جذابیت چنین نمونه هایی در قرن نوزدهم، دهانه های آن ها در مقایسه با نمونه های ساخته شده در قرن بیستم بسیار کوتاه تر می باشند.

تصویر 7-10: سیر تکاملی افزایش دهانه ها در پل های معلق:

(الف) پل زنجیرواره جیمز فایندلی، (ب) پل منائی استریت، (ج) پل معلق گراندپو، (د) پل ویلینگ، (ه) پل بروکلین، (و) پل جرج واشنگتن، (ز) پل گلدن گیت، (ح) پل هامبر، (ط) پل شرقی، (ی) پل آکاشی کائیکو.

با کم شدن محدودیت ها در طراحی، طول دهانه ها افزایش یافته و هر دو برج تکیه گاهی و سطوح پل به میزان قابل ملاحظه ای سبک تر شدند. هنگامی که سازه ابتکاری پل گلدن گیت در سال 1937 سطح خرپایی را برای سختی با نسبت ارتفاع به دهانه 1:168 به کار برد، "(که هنوز هم نسبت به نمونه ای قبلی کم ارتفاع تر می باشد.) یک حرکت جانبی موجی غیر قابل انتظار (حتی با وزش بادی ملایم) نیاز به 4700 تن (4262 تن متریک) مهاربندی جانبی اضافی در زیر تمامی طول پل را الزامی نمود. هنوز هم طراحان برای طرح پل هایی سبک تر تلاش می کنند. با هدف رسیدن به سبکی و زیبایی، در پل برونکس-وایت استون (1939، نیویورک، مهندس سازه: امان) نسبت عمق به دهانه تا میزان 1:209 کاهش یافت.

گالوپینگ گرتی

پل تاکومانرو "(1940: تاکوما، واشنگتن، مهندس سازه: ال، موی سیف) به باریک ترین سطح پل دست یافت. با وجود آن که طول دهانه 2800 فوتی (853 متر) آن طولانی تر از پل برونکس-وایت استون است، ولی برای ترافیک کمتری طراحی شده و فقط دو خط ماشین رو با یک پیاده رو دارد. صفحه ی تیرآهن سطح پل فقط 8 فوت (4/2 متر) ارتفاع دارد، در نتیجه نسبت ارتفاع به دهانه تنها 1:350 است. پل به زودی نام گالوپینگ گرتی به علت حرکت متناسب با نیروهای ملایم باد را به خود گرفت. پل به چپ و راست تکان می خورد و حرکت موجی را در طول خود افزایش می دهد. در 7 نوامبر 1940، بادی ملایم با سرعت 42 مایل در ساعت (68 کیلومتر در ساعت) موجب پیچش جانبی شدیدی در سطح پل شد و حرکت موجی در سطح آن ایجاد کرد. حرکت شدید سطح پل به سرعت باعث گسیختگی کابل های عمودی گردید، بار وارده روی باقیمانده پل بیشاز حد گردید و در یک حرکت عکس العملی تشدید شونده کابل های باقیمانده جدا شده و سطح بزرگی از دهانه مرکزی درون آب زیر پل ریخت. (براون، 1993).

تصویر 8-10: پل تاکومانروز: (الف) چند ثانیه قبلاز فروریختن، سطح پل حرکت پیچشی را نشان می دهد که (ب) سرانجام باعث ریزش پل گردید.

از آنجایی که پل با قابلیت انعطاف محدودی طراحی شده بود، آن چه را که مهندسین در پیش بینی آن دچار اشتباه شدند، لرزش آئرودینامیکی پل بود که سرانجام باعث فروریختن آن شد. در شرایطی که سطح پل دارای تغییر شکل جانبی بود و تمایل به پیچش افقی داشت، سطح پل با حرکتی شبیه بالا رفتن بال پرندگان بالا و پایین می رفت تا آن که سطح پل شروع به پیچش در جهت عکس نمود و سبب فروریختن آن در آب گردید. به دلیل همراه شدن با حرکت عمودی ( و پیچشی) که به طور چشم گیری افزایش یافته است، آزمایش تونل باد مشخص کرد که وضعیت تیرآهن های اصلی پل سبب افزایش تأثیر نیروهای آئرودینامیکی (در مقایسه با خرپاهای باز که جریان باد را به جریان های کوچکتری تقسیم می کند) گردیده است.

پس از فرو ریختن پل تاکومانروز، رفتار آئرودینامیکی برای طراحان پل های معلق در سراسر جهان مورد توجه قرار گرفته است. بعضی از مهندسین قصد داشته اند با استفاده از خرپاهای باز لرزش آئرودینامیکی را کاهش دهند.

تصویر(9-10): پل فورث رود {1964، اسکاتلند، طول دهانه 3300 فوت (1006 متر)}: استفاده از خرپاهای آزاد برای به حداقل رساندن حرکت پل.

در حالی که بقیه مهندسین امروزه استفاده از آزمایش تونل باد در طراحی سطح پل برای رسیدن به نیروی رو به پایین و کاهش گرداب های تولیدی نوسانی شدید را ترجیح می دهند. نتیجه ی آن ساختمانی است که 50 درصد سبک تر از طرح های مشابه امریکایی آن می باشد.

تصویر 10-10: پل سورن ریور (1966: انگلستان، مهندس سازه: فرایمان، فاکس و همکاران) از فرم تونل هوا و صفحه نازک برای رسیدن به ایستایی آئرودینامیک استفاده کرده است. نسبت ارتفاع به دهانه 1:324 است، مشابه دهانه پل فرو ریخته تاکوما (1:350). (الف) سازه نشان دهنده ی مقطع صفحه بلند شده است. (ب) مقطع از درون صفحه که 10 فوت (3 متر) ارتفاع در مرکز دارد.

مطالعات موردی پل های معلق با یک انحنا

کارخانه کاغذسازی بورگو

این ساختمان با سقفی شبیه پل (1962: مانتوا، ایتالیا، مهندس معمار و مهندس سازه: سطحی معادل 86 هزار فوت مربع (7992 متر مربع) را پوشش می دهد و به عنوان کارخانه کاغذ سازی استفاده می شود. پوشش دهانه در جهت بلندتر (به طور معمول نسبت به جهت کوتاه تر اقتصادی تر است.) برای ایجاد فضایی مرکزی و بدون ستون جهت توسعه ی آتی برای خطوط تولید اضافی در نظر گرفته شده است.

تصویر 11-10: سقف معلق کارخانه کاغذ بورگو هنگام ساخت

طول دهانه ی مرکزی این ساختمان 535 فوت (163 متر) است که از چهار کابل اصلی معلق با کابل های ثانویه عمودی که سطح صاف فولادی بام را در زیر را نگاه می دارند، تشکیل شده است. در هر یک از آنها یک طره به طول 140 فوت (43 متر) طراحی شده است.

از بار مرده ی سطح بام برای خنثی کردن نیروهای رو به بالای باد استفاده شده است. تکیه گاه های بتنی با قاب صلب پایداری جانبی مورد نیاز را عمود بر دهانه ی اصلی فراهم می کنند. تمامی سازه اصلی روی چهار ستون بتنی به ارتفاع 164 فوت (50 متر) نگاه داشته شده است.