طراحی و ساخت سازه های ماکارونی - جلسه نهم

اهداف: معرفی پل و اصول پل و انواع پل، پل ماکارونی، معرفی انواع گرایش های پل ماکارونی

همان طور که در بخش قبل به توضیح مفهوم پل پرداختیم در ادامه به توضیح پل ماکارونی می پردازیم.

در واقع پل ماکارونی همان طور که در جلسات قبل ذکر کردیم نوعی از انواع سازه های ماکارونی می باشد که به دلیل اهمیت زیاد پل و پل سازی از دیگر انواع سازه های ماکارونی اهمیت و ارزش بیش تری پیدا کرده است.

پل ماکارونی همان پل است که در ابعاد کوچک تری نسبت به پل واقعی ساخته می شود و در واقع با بارگذاری آن می توان به ضعف ها و قوت های طرح آگاه شد.

پل ماکارونی در سه گرایش در مسابقات داخلی و خارج از کشور برگزار می شود که به این ترتیب است:

1- گرایش پل های سنگین 2- گرایش پل های سبک 3- گرایش آزاد

1-1: در این گرایش پل ها در ابعاد بزرگ تری نسبت به گرایش سبک ساخته می شود که معمولاً دهانه ی این پل 100 تا 120 cm می باشد و ارتفاع پل ها تقریباً حداکثر 50cm است و عرض پل که در واقع فاصله ی بین دو بعد پل می باشد حداکثر 15cm می باشد و حداقل آن را یک قانون ساده مشخص می کنند و آن هم به این صورت که باید از عرض پل مکعب 5 * 5 cm از آن عبور کند یعنی حداقل ارتفاع پل سنگین ماکارونی 5cm می توان باشد.

1-2: ارزیابی و رتبه بندی: در این ارزیابی و رتبه بندی به این شکل عمل می شود که بارگذاری پل سنگین انجام می شود بعد از بارگذاری آن قدر بار بر پل اعمال می شود تا المانی از سازه بشکند یا جدا شود بعد از این مرحله ضریب کارایی تعریف می شود که ملاکی است برای رتبه بندی پل ها ضریب کارایی به این شکل است

(پل بر شده اعمال وزن)/(پل وزن)=ضریب کارایی

کارایی هرچه این ضریب بالاتر باشد پل از امتیاز بالاتری برخوردار می شود.

2-1: در نمونه از گرایش یعنی گرایش سبک بر خلاف گرایش سنگین ابعاد سازه کوچک تر است و عموماً حداقل اندازه های معرفی شده در قوانین را به کار می گیرند چرا که طرز رتبه بندی و امتیازگری در این پل ها صورت متفاوتی دارد.

2-2: نحوه ارزیابی و رتبه بندی در این گرایش: در این گرایش به این صورت عمل می کنند که به عنوان مثال تمام پل های سبک باید وزنه 5/2 کیلوگرمی را به مدّت 3 دقیقه تحمل کنند. بعد از بارگذاری آن پل هایی که این مدّت زمان را بتوانند تحمل کنند هر کدام از پل ها که وزن سبک تری را داشته باشد امتیاز بیش تری را کسب می کند.

3-1: در این گرایش که متفاوت اثر دو گرایش شده است به این صورت عمل می کنیم که یک وزن را به عنوان وزن انتها یا حداکثر اعلام می کنند به عنوان مثال 850g یعنی شرکت کنندگان می توانند پل هایی تا وزن 850g بسازند و نحوه امتیازبندی نیز بسیار متفاوت تر است.

3-2: ارزیابی و رتبه بندی: در این گرایش یعنی گرایش آزاد هرکدام از پل هایی که بتواند بیش ترین وزن را تحمل کند به عنوان پل اول شناخته می شود.

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 راس 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.

پل خرپای

(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 بوسیله 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.

شکل 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 امریکا 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 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 بکار گرفته شده است.

شکل 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 به کار 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.

تکلیف: درباره قوانین سازه ماکارونی و تفاوت گرایش های آن تحقیق کنید.

محل بازدید/ اردو/ خرید: مسابقات سازه ماکارونی

مطالب مرتبط:

طراحی و ساخت سازه های ماکارونی - جلسه اول

طراحی و ساخت سازه های ماکارونی - جلسه دوم

طراحی و ساخت سازه های ماکارونی - جلسه سوم

طراحی و ساخت سازه های ماکارونی - جلسه چهارم

طراحی و ساخت سازه های ماکارونی - جلسه پنجم

طراحی و ساخت سازه های ماکارونی - جلسه ششم

طراحی و ساخت سازه های ماکارونی - جلسه هفتم

طراحی و ساخت سازه های ماکارونی - جلسه هشتم

طراحی و ساخت سازه های ماکارونی - جلسه دهم

طراحی و ساخت سازه های ماکارونی - جلسه یازدهم

طراحی و ساخت سازه های ماکارونی - جلسه دوازدهم

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان - تنظیم: فاطمه گودرزی