ساخت پل کامپوزیتی به روش ساندویج پل - جلسه ی دوم

انواع نیروهای وارد بر یک پل
نیروی فشاری:نیرویی است که موجب فشرده شدن و یا کوتاه شدن چیزی که بر روی آن عمـل می­ کند، می ­شود.
نیروی کششی : نیرویی است که سبب افزایش طول و گستـرش چیـزی که بـر روی آن عمـل می کند، می ­شود.

- جهت درک بهتر این دو نیرو، می ­توان از فنر به عنوان یک مثال ساده نام برد. زمانـی که فنر روی زمیـن فشـار داده می­ شود و یا دو انتهای آن به هم نزدیک شود، در واقع فنر متراکم شود، این نیروی تراکم یا فشار موجب کوتاه شدن طول فنر می­ شود و نیز اگر دو سر فنر از یکدیگر دور شود، یک نیروی کششی به فنر اعمال شده که طول آن را افزایش داده است.

نیروی فشاری و کششی در همه پل ­ها وجود دارد و وظیفه طراح پل این است که اجازه ندهد این نیروها موجب شکستن آن شود. شکستن زمانی اتفاق می ­افتد که نیروی فشاری یا کششی وارد بر پل بر توانایی تحمل آن نیرو توسط پل، بیشتر شود. بهترین روش جهت مقابله با این نیروها، خنثی سازی، پخش و یا انتقال آن ­هاست.
- پخش کردن نیرو یعنی گسترش دادن نیرو به منطقه وسیع ­تر، یعنی به عنوان مثال به جای این که نیرویی فقط به یک نقطه وارد شود، به یک سطح گسترده وارد شود.
- انتقال نیرو به معنی حرکت نیرو از یک منطقه غیر محکم به منطقه مستحکم است. ناحیه ای که برای مقابله با نیرو طراحی و منظور شده است.
- یک پل قوسی مثال خوبی برای پراکندگی و پخش کردن نیرو است در حالی که پل معلق نمونه ای بارز از انتقال نیروست؛ که در ادامه در مورد پل قوسی توضیحاتی داده خواهد شد.

قسمت‌های اصلی تحمل کننده­ی بار در یک پل:
عرشه پل: که تحمل بار زنده سازه را تحمل می‌کند.
پایه‌های پل: پایه‌ها مسوول انتقال بار عرشه پل به فونداسیون پل می‌باشند.
فونداسیون پل: این جزء از سازه بار را از پایه‌های پل به زمین یا جای دیگر منتقل می‌کند.
عبورگاه پل معمولا از دال بتنی یا ترکیب دال و تیر فولادی یا تیر فولادی تنها که گاهی با مقطع ثابت و گاهی با مقطع متغیر طراحی می‌شود ساخته می‌شود.
حال مجدد انواع پل­ ها را با توجه به نیروهایی که یاد گرفتید، بررسی می­ شود:

- پل­ های تیری
یک پل تیری، اساساً یک سازه افقی مستحکم است که بر روی دو پایه نصب شده است و این پایه ­ها، هر یک در انتهای طرفین پل قرار دارند. وزن پل و هرگونه وزن اضافی دیگر که بر روی پل اعمال می ­شود، مستقیماً توسط پایه­ ها تحمل می شوند.

1- فشار
نیروی فشاری خود را در بالای عرشه پل یا جاده نمایان می ­سازد. این نیرو موجب می­ شود که بخش بالاییعرشه کوتاه­تر گردد.

2- کشش
برآیند نیرو فشاری در بخش بالایی عرشه به ایجاد نیروی کششی در بخش پایینی عرشه پل منجر می ­شود. این
کشش موجب افزایش طول در بخش پایینی پل می­ شود.

مثال:
یک تخته را بر روی جعبه خالی مثلاً جعبه شیر قرار دهید. هم اکنون شما یک پل تیری ساده ساخته ­اید. حال یک وزنه را در وسط آن قرار دهید. توجه کنید که چگونه تخته خم می ­شود. وجه بالایی تحت فشار و فشردگی و وجه پایینی تحت کشش است. اگر شما این افزایش وزن را ادامه دهید، سرانجام تخته خواهد شکست. یعنی قسمت بالایی خم شده و بخش پایینی آن ترک خورده و می ­شکند.
بسیاری از پل های تیری که شما می­ توانید آن­ها را در بزرگراه ­ها بیابید، برای تحمل بار از تیرهای بتونی یا فولادی بهره می­ گیرند. اندازه تیر و به­ ویژه ارتفاع تیر بر حسب مسافتی که تیر دارد محاسبه می ­شود.با افزایش ارتفاع تیر، به مقدار مصالح بیشتری برای پراکنده کردن کشش مورد نیاز است. طراحان پل برای ایجاد تیرهای بلند از شبکه­ های فلزی بهره می گیرند، که به آن خرپا می ­گویند. این خرپا به تیر استحکام داده و توانایی آن را در پخش کردن نیروی فشاری یا کششی افزایش می ­دهد. زمانی که تیر شروع به متراکم شدن می­ کند، این نیرو در میان خرپا پخش می ­شود. به غیر از خلاقیت موجود در خرپا، پل تیری در میزان طول خود محدود است. با افزایش طول آن اندازه خرپا نیز می ­بایست افزایش یابد تا زمانی که خرپا به نقطه می­ رسد که دیگر نمی­ تواند وزن خود را تحمل کند.
- پل­ های قوسی
یک پل قوسی سازه­ای است به شکل نیم دایره که در هر طرف آن نیم پایه (پایه های جناحی ) قراردارند . طراحی قوس به گونه ­ای است که به طور طبیعی وزن عرشه پل را به نیم پایه ­ها منتقل و منعطف می ­کند.

1- فشار: پل های قوسی همواره تحت فشار قرار گرفته اند . نیروی فشاری همواره در امتداد قوس و به سمت نیم پایه ها وارد می ­شود.
2- کشش: کشش در یک قوس ناچیز و قابل اغماض است. خاصیت طبیعی خمیدگی قوس و توانایی آن درپخش نیرو به بیرون، به طور قابل ملاحظه ­ای تأثیرات کشش را در قسمت زیرین قوس کاهش می­ دهد . هر چند با زیاد شدن زاویه خمیدگی ( بزرگ­تر شدن نیم دایره قوس ) تأثیرات نیروی کششی نیز در آن افزایش می ­یابد. همان طور که اشاره شد شکل قوس به تنهایی موجب می­ شود که وزن مرکز عرشه پل به پایه ­های جناحی منتقل شود. مشابه پل­ های تیری محدوده اندازه پل در مقاومت پل تأثیر گذاشته و اگر از میزانی بیشتر شود، باعث شکسته شدن آن می­ شود.

میزان مقاومت این پل ­ها به شکل هندسی آن­ها بستگی دارد. یک پل قوسی احتیاج به هیچ­گونه تکیه ­گاه یا کابل ندارد و قوس­ هایی که از سنگ ساخته شده ­است، حتی نیازی به ملاط نیز ندارد. در گذشته نیز رومیان باستان پل­ های قوسی ( پل آب بر ) ساخته­ اند که هنوز هم پابرجا هستند و سازه ­های آن­ها امروزه نیز با اهمیت به شمار می ­آید.

- پل ­های معلق
پل معلق پلی است که توسط کابل­ ها (یا ریسمان ­ها یا زنجیرها) در عرض رودخانه و ... کشیده شده­ اند و عرشه توسط این کابل ­ها معلق مانده است. پل ­های معلقِ مدرن، دو برج در میان پل دارند که کابل ­ها آن را می­ کشند. بنابراین به برج­ ها بیشترین وزن از جاده اعمال می ­شود و باید برج توانایی تحمل این نیروها را داشته باشد.
1- نیروی فشاری
نیروی فشاری عرشه پل معلق را به سمت پایین متراکم می­ سازد در نتیجه این نیروی فشاری از طریق طناب یا فلز و ... به برج ­ها وارد می ­آیند اما از آنجا که این یک پل معلق است، کابل­ ها این نیروی فشاری را از برج ­ها گرفته و آن را در بین خود پراکنده می­ کنند و آن را از طریق برج­ ها به زمین منتقل می ­کنند، جایی که آنها محکم بسته شدند.

2- کشش
کابل­ هایی که میان دو لنگرگاه خود یعنی تکیه گاه ­ها قرار گرفته­ اند، دریافت کننده نیروی کششی هستند. وزن پل و حمل و نقل روی آن سبب می ­شود که این کابل­ ها به شدت کشیده شوند. تکیه گاه­ ها نیز تحت کشش هستند ولی از آن­جا که همانند برج­ ها، محکم به زمین بسته شده­ اند کشش موجود در آن­ها پراکنده می­ شود. تقریباً همه پل­ های معلق به غیر از کابل­ ها از یک سامانه خرپا نیز برخوردارند که در زیر عرشه پل قرار گرفته است. این سامانه موجب استحکام بیشتر عرشه و کاهش تمایل سطح جاده به نوسان و مواج شدن می ­شود.
- نیروهای دیگر در پل­ ها
ما در مورد دو نیروی بزرگ و مهم فشاری و کششی در طراحی پل بسیار صحبت کردیم. تعداد بسیار زیاد دیگری از نیروها در پل وجود دارند که در طراحی پل باید مد نظر قرار گرفته شوند. این نیروها معمولاً به محل مشخصی بستگی داشته و یا به نوع پل مرتبط است.

1- نیروی گشتاوری
نیروی گشتاوری نیروی چرخشی یا پیچشی و یکی از نیروهایی است که به طور موثر در پل­ های قوسی و تیری وجود ندارد ولی به میزان قابل ملاحظه­ ای در پل های معلق وجود دارد. شکل طبیعی قوس و خرپاهای موجود در پل­ های تیری اثرات مخرب این نیرو را از بین می ­برد. پل­ های معلق به دلیل معلق بودن در هموا (توسط کابل­ ها) در برابر این نیروی گشتاوری بخصوص در هنگام وزش بادهای تند بسیار آسیب پذیر است. همه­ ی پل­ های معلق در عرشه ­ی خود از خرپاها بهره می­ برند که همانند پل­ های تیری تاثیرات نیروی گشتاوری را کاهش می­ دهد ولی در پل ­هایی با طول زیاد، خرپای موجود در عرشه به تنهایی کافی نیست. آزمون تونل باد برای سنجش میزان مقاومت پل در برابر جنبش ­های چرخشی بر روی مدل آزمایش می ­شود. ایجاد خرپاهای آیرودینامیک در سازه ها و کابل­ های آویزان مورب از روش هایی هستند که برای تقلیل تاثیرات نیروهای گشتاوری به خدمت گرفته می­ شود.

2- تشدید
تشدید (ارتعاش در چیزی که توسط نیروی خارجی به وجود آمده و با ارتعاش طبیعی اصل آن چیز، هماهنگ و هم موج است) نوعی نیرویی است، افسار گسیخته که می­ تواند بر روی پل اثرات مخربی بگذارد. امواج تشدید کننده از میان پل به صورت امواج عبور خواهد کرد. یک نمونه مشهور از قدرت تخریب این امواج مرتعش پل تاکوما ناروز است که در سال ۱۹۴۰ توسط بادی با سرعت ۴۰ مایل در ساعت (۶۴ کیلومتر در ساعت) تخریب شد. بررسی ­های دقیق از محل نشان می­دهد که خرپای عرشه ناکارآمد بوده ولی با این حال عامل اصلی فرو ریزی پل نبوده. در آن روز باد با سرعت به پل ضربه زده و با برخورد قائم به پل باعث ایجاد ارتعاش شده است. این باد های متوالی لرزش و ارتعاش را افزایش داده تا آنجا که این امواج توانستند پل را فرو ریزند.

زمانی که یک ارتش بر روی پل رژه می رود، اغلب به سربازان گفته می شود قدم رو. با این کار، ریتم رژه­ی آن­ها سبب ایجاد تشدید در پل می ­شود. اگر ارتش به اندازه کافی بزرگ باشد و ارتعاش و لرزش لازم را داشته باشد در نهایت می­تواند پل را فرو بپاشد. به منظور مقابله با تاثیرات تشدید در یک پل، خیلی مهم است که در پل کاهنده ­های امواجی طراحی شود تا در این امواج تداخل ایجاد کرده و از شدت آن بکاهد. معمولا در اتومبیل­ هایی که زیاد کار کرده­ اند دقت کرده­اید که لرزش موتور خودرو، باعث تکان خوردن کل بدنه می­ شود. این به دلیل پدیده­ ی تشدید کوچکی هست که وقتی دو جسم از لحاظ خواص ارتعاشی شبیه هم بشوند اتفاق می ­افتد.

3- آب و هوا
نیروی طبیعت به ویژه آب و هوا به گونه ایست که مبارزه با آن مشکل و حتی در برخی موارد امکان پذیر نیست. باران، یخبندان، طوفان و نمک هر کدام به تنهایی می­ توانند در فرو پاشی پل نقش بسزایی داشته و تحت یک مجموعه به احتمال بسیار قوی خواهند توانست پل را تخریب کنند. طراحان پل با مطالعه و بررسی شکست ­های گذشته حرفه­ ی خود را بدرستی آموخته اند. آنان آهن را به چوب عوض کردند و سپس فولاد را جایگزین آهن کردند. بعد­ها از بتون بطور گسترده در پل­ ها بهره گرفتند. هر کدام از مواد و مصالح جدید و یا تکنیک ­های طراحی، ثمره درس هایی است که در گذشته آموخته ­اند. با دانستن نیروی گشتاوری, تشدید و آیرودینامیک ( بعد از چند شکست بزرگ ) طراحی ­های بهتر نیز شکل گرفت. تا آنجاکه توانستند بر مسئله آب و هوا غلبه کنند. تعداد شکست ­های مرتبط با آب و هوا و شرایط جوی بسیار فراتر از تعداد شکست ­ها در زمینه طراحی بوده است. این شکست ها به ما آموخته است که همواره به دنبال راه حل بهتری باشیم.

مطالب مرتبط با نیروهای موجود در پل، چیستی پل و موضوعاتی ازین دست بسیار فراوان است و وجود دارد، در سایت تبیان در بخش پل ماکارونی این بخش توضیح مفصلی وجود دارد. در اینجا قصد براین بود که توضیحات کلی مورد نیاز داده شود و به مباحث خاص مرتبط با پل کامپوزیتی پرداخته شود.

جمع ­بندی مباحث بالا را می­ شود در دو شکل زیر دید:
به طور کلی به چند نوع پل اشاره شد که مدل اول و دوم(تیر و قوسی) مدل مدنظر در مسابقه پل کامپوزیتی می ­باشد.

- عوامل انتخاب نوع یک پل:
1- محل احداث یک پل: در این حوزه دو روش عمل وجود دارد، روش اول تعریف محدوده تقریبی برای دستگاه پل است اما در روش دوم تعیین محل مناسب برای پل و تعریف کردن مسیر عبور راه بر این اساس.

2- کاربردی که برای آن تعریف می‌شود: کاربردی که برای پل تعریف می‌شود معرف نوع سازه پل است، اینکه این پل آیا برای عابر پیاده یا وسایل نقلیه یا برای عبور قطار و یا حتی انتقال آب باشد بسیار حائز اهمیت است، ضمناً باید کاربری مسیر عبوری زیر پل نیز همچنان مورد تامین باقی بماند، به عنوان مثال اگر دستگاه پل از روی مسیر آبی عبور می ­کند باید همچنان مسیر عبور کشتی‌ها تأمین شود یا اگر پل از روی اتوبان عبور می ­کند باید دهانه و ارتفاع پل مناسب بار ترافیکی اتوبان طراحی شود.

3- نوع فونداسیونی که برای سازه پل طراحی می‌شود و تکیه گاه‌های آن: نوع فونداسیون به مقاومت فشاری زمین محل احداث فونداسیون ارتباط دارد، اگر مقاومت فشاری زمین کم باشد نمی‌توان از پل قوسی استفاده کرد، یا مثلاً برای طراحی فونداسیون پل با دهانه ساده پی گسترده مقرون به صرفه ­تر از استفاده از شمع‌ها می‌باشد.

4- نوع مصالح مصرفی در سازه ی پل: به شرایط محیطی دستگاه پل ربط دارد، اگر محل احداث پل دارای رطوبت هوای بالا باشد استفاده از پل بتنی توصیه می‌شود، می‌توان برای پل‌های بتنی از بتن پیش ساخته استفاده کرد ولی بتن در جا مقرون به صرفته تر و برای طراحی اشکال غیر منظم استفاده از بتن درجا آسان­تر است.

5- نوع عبورگاهی که برای پل طراحی می‌شود: هرچه طول مسیر عبورگاه پل افزایش یابد هزینه ساخت عبورگاه بالا می‌رود ولی از تعداد پایه‌ها زیر آن کم می‌شود و برعکس هرچه مسیر عبورگاه کوتاه تر باشد هزینه ساخت عبورگاه کاهش می‌یابد ولی تعداد پایه‌های دستگاه پل اضافه می‌شود.

6- عوامل اقتصادی: با در نظر گرفتن ضریب اطمینان در طراحی پل هرچه تعداد اعضا و مصالح بکار رفته کاهش یابد مقرون به صرفه تر است.

7- معماری و زیبایی دستگاه پل: در طراحی پل فقط مسائل فنی نیستند که باید ملاحظه شوند بلکه مسائل هنری و زیبایی ظاهری درطراحی معماری پل نیز از اهمیت بالایی برخوردار هستند. و از اواخر قرن 19 تا کنون شاهد پل‌هایی مستحکم با زیبایی معماری هستیم.