تشدید در پل ها

تشدید در پل ها
دانلود مقاله

پل ها چگونه کار میکنند؟
از زمانها بسیار قدیم بشر در پی عبور از موانع بود. این موانع میتوانند آب رودخانه, دره بین دو بلندی و یا حتی مسیر صعب العبوری باشند. مطمئنا پیشرفت بسیار چشمگیری نیز در این صنعت داشته ایم. طوری که امروزه امکان ساخت پل خلیج Jiaozhou با طول ۴۲٫۵ کیلومتر به کمک تکنولوژی های روز فراهم شده است.
 
مصالحی که برای ساخت پلها استفاده میشود شامل فولاد – بتن – چوب – سنگ و حتی در برخی موارد گیاهان زنده (پلهای ۵۰۰ ساله هندی که از ریشه درختان در حال رشد ساخته شده اند) هستند. با وجود اینکه ایده اولیه پلها به سادگی قرار دادن یک تنه درخت بریده شده بر روی دره کوچکی است اما برای ساخت پلهای امروزی محاسبات و اقدامات بسیار پیچیده و دقیقی لازم است.
بطور کلی برای ساخت یک پل به اجزاء زیر نیاز است: تیرها – قوسها – خرپاها و سیستمهای تعلیق. ترکیبات مختلف از این ۴ جزء به ما امکان ساخت پلهای متعددی را میدهد. مثلا: پلهای ساده تیری – پلهای قوسی – پلهای خرپایی – پلهای معلق و حتی پلهای پیشرفته تری همچون پلهای کابلی جانبی.
تفاوت اصلی انواع سیستم پلها در طول بزرگترین دهانه ای است که میتوانند تامین کنند یعنی فاصله بین دو پایه پل. پایه های پلها میتوانند به شکل ستون – برج و یا حتی دیوار باشند.
پلهای تیری مدرن و امروزی میتوانند دهانه ای تا ۶۰ متر را پشتیبانی کنند در حالی که این رقم برای پلهای قوسی در حدود ۲۴۰ تا ۳۰۰ متر است. و اما بیشترین طول دهانه مربوط به پلهای معلق با دهانه ای بین ۶۰۰ تا ۲۱۳۴ متر است.
بدون توجه به نوع پل, هر پل باید در مقابل دو نیروی بسیار مهم مقاومت کند: نیروی کششی و نیروی فشاری. در واقع دلیل اینکه پلهای معلق میتوانند نسبت به پلهای قوسی و دیگر انواع پلها دهانه بزرگتری داشته باشند نوع رفتاری است که آنها در مقابل این نیروها از خود نشان میدهند.
معمولا در پلها نیروی کششی و فشاری همانند شکل زیر ایجاد میشود. یعنی در بالای دهانه فشار خواهیم داشت و در پایین آن کشش. این دو نیرو در همه پلها وجود دارد و اگر رفتار سازه برای تحمل آنها مناسب نباشد باعث از بین رفتن پل میشوند. (شکسته شدن و یا کمانش پل)
 
نیروهای فشاری و کششی در پل
کمانش زمانی رخ میدهد که نیروی فشاری بیش از مقاومت پل باشد و شکسته شدن زمانی است که نیروی کششی بیشتر از مقاومت پل شود.
بهترین روش برای تحمل این دو نیرو این است که یا استهلاک و یا منتقل شوند. در استهلاک, طرح پل طوری است که این نیروها در یک مساحت وسیع بطور متوازن پخش شوند بطوری که به هیچ نقطه ای از پل نیروی بیشتر از مقاومتش وارد نشود. در انتقال, طرح پل طوری است که نیروها از قسمتهای با مقاومت و سختی کمتر به قسمتها با مقاومت و سختی بیشتر انتقال یابند.

پلهای ساده تیر – ستونی
ساخت این نوع پلها جزو ساده ترین روشهای پلسازی تلقی میشود. تنها چیزی که شما نیاز دارید تیر (دهانه) با مقاومت کافی است و دو ستون در دو طرف آن که وزن دهانه را به زمین منتقل کنند.
 

یک پل ساده تیر - ستونی
با این وجود باید دقت شود در این نوع پلها بر روی دهانه هم نیروی کششی و هم نیروی فشاری زیادی وارد میشود. برای درک بهتر این موضوع یک تکه مقوا را بردارید و بر روی دو قوطی نوشابه قرار دهید. سپس وسط این تکه مقوا را به آرامی فشار دهید. خواهید دید این تکه مقوا از وسط قوس پیدا کرده تا زمانی که این نیرو زیاد شود و باعث شکست تکه مقوا شود. در تکه مقوا مشاهده میشود در بالای آن فشار وارد میشود و در پایین آن کشش. به طوری که ابتدا از پایین پاره میشود.
بیشتر پلهای تیری ساده از بتن و فولاد ساخته میشوند. ابعاد تیر (دهانه) و در واقع ضخامت آن تعیین کننده طول ماکزیمم دهانه است. با افزایش ضخامت میتوان دهانه های بزرگتری داشته باشیم. برای آنکه بتوان ضخامت دهانه (عرشه) را افزایش داد مهندسین در داخل عرشه خرپاهایی طراحی میکنند که باعث سختی بیشتر آن میشوند. و با افزایش سختی امکان استهلاک و انتقال نیروهای مخرب بزرگتر فراهم میشود. با وجود اینکه استفاده از خرپاها باعث افزایش دهانه این نوع پلها میشود اما باز هم برای دهانه های بزرگ مجبور به استفاده از خرپاهای خیلی بزرگ میشویم که در نهایت ضخامت پل آنقدر زیاد میشود که حتی نمیتواند وزن خودش را تحمل کند.

پلهای خرپایی:
در واقع این نوع پلها هم خانواده با پلهای تیری ساده هستند. اما برای اینکه بتوان طول دهانه را بیشتر کرد از یک خرپا در آنها استفاده میشود. این خرپا میتواند یا در بالای پل قرار بگیرد و عبور و مرور وسایل نقلیه از داخل آن باشد و یا در زیر پل قرار بگیرد. دقت کنید که بالاترین نقطه دهانه بیشترین فشار را تحمل میکند (طبق مقاومت مصالح که هر چه فاصله از محور خنثی بیشتر باشد نیرو بیشتر میشود) و به همین ترتیب پایین ترین نقطه دهانه بیشتر کشش را تحمل میکند. و در وسط ضخامت دهانه که محور خنثی قرار میگیرد, کشش و فشار بسیار کم خواهد بود. این موضوع باعث شده است در کارهای ساختمانی بیشتر از تیرهای I شکل استفاده شود تا مصالح بیشتری در دو قسمتی که نیروی بیشتری وارد میشود وجود داشته باشد.
 
 
 
پل خرپایی - خرپا در زیر عرشه عبوری قرار  میگیرد
.
 
پل خرپایی - خرپا در بالای عرشه قرار میگیرد

پل قوسی:
پلهای قوسی بیش از ۲۰۰۰ سال است که مورد استفاده بشر قرار میگیرند و هنوز هم به دلیل نحوه انتقال نیرویی که دارند بسیار مورد توجه هستند. یک اصل جالب در پلهای قوسی وجود دارد و آن هم این است که این پلها طوری طراحی میشوند تا به دهانه آنها بیشتر نیروی فشاری وارد شود و نیروی کششی بسیار کمی در آنها ایجاد شود. در واقع این اصل به دلیل قوسی است که در آنها ایجاد میشود. درست مثل سدهای قوسی. اما باید دقت کرد حتی این اصل هم نمیتواند باعث شود پلهای قوسی بر قوانین فیزیکی غلبه کنند و با ایجاد قوسهای بسیار بزرگ (دهانه های بزرگ) اثر نیروی کششی بیشتر و بیشتر میشود تا جایی که باعث عدم پایداری پل میشود. با وجود تغییرات ظاهری و کوچک در این نوع پلها, اما پلهای قوسی تقریبا همگی عملکردی مشابه دارند. یک نمونه بسیار جالب از پلهای قوسی پل ورسک است.
مصالح امروزی همچون فولاد و بتنهای پس تنیده به ما امکان ساخت پلهای قوسی بسیار بزرگتر و زیباتری را نسبت به پلهای قدیمی میدهند.

 پل معلق:
همانطور که از اسمش معلوم است, پلهای معلق پلهایی هستند که دهانه های آنها بصورت معلق و آویزان شده توسط کابل یا زنجیرهای متصل به دو برج پل میباشند. همانند پل گلدن گیت و پل بروکلین.
 
 
پل معلق و اجزاء آن :
در این پلها نیروی فشاری وارد به دهانه پل توسط کابلها به برجها منتقل شده و از برجها به صورت مستقیم به زمین وارد میشود. همچنین کابلهای پشتیبان (کابلهای اصلی که کابلهای باریکتر از آنها آویزان میشوند) نیروی کششی پل را متحمل میشوند. این کابلها بین دو نقطه لنگر شده پل و در وسط در بالای برجها قرار میگیرند. لنگر کردن کابلها امری بسیار مهم است به همین دلیل برای اینکار از بلوکهای سنگی و یا سیمانی بسیار بزرگ استفاده میشود. علاوه بر کابلها, تقریبا در همه پلهای معلق خرپای دهانه قرار در نظر گرفته میشود. این خرپا که در زیر عرشه پل ساخته میشود نقش مقاوم کردن دهانه و کاهش جابجایی و لرزش دهانه را دارد.
طول دهانه پلهای معلق معمولا بین ۶۱۰ متر تا ۲۱۳۴ متر است. که این طول دهانه زیاد باعث میشود دیگر پلها نتوانند با آن از لحاظ طول دهانه آزاد رقابت کنند. البته با توجه به مصالح استفاده شده و همچنین تکنولوژی ساخت معمولا پلهای گرانی هستند.
گفتنی است اولین پلهای معلق از گیاهان به هم بافته شده توسط امپراطوری اینکان بودند. جالب است بدانید زمانی که اسپانیایی ها به پرو رفتند, این امپراطوری را دیدند که توسط صدها پل معلق گیاهی به یکدیگر متصل شده بودند. طول این پلها گاها به بیش از ۴۶ متر میرسید!
  
پل معلق گلدن گیت - سانفرانسیسکو

 
پل کابلی:
در نگاه اول شاید تصور کنید پلهای کابلی هم خانواده پلهای معلق هستند, اما اجازه ندهید شکل ظاهری برج و کابلهای آن شما را به اشتباه بیندازد! تفاوت اصلی پلهای کابلی با معلق در این است که اولا نیازی به لنگر کابل در ابتدا و انتهای پل ندارند و ثانیا اینکه نیازی به داشتن دو برج ندارند! در واقع کابلها بر روی خود دهانه لنگر شده و به برج متصل میشوند. و همه نیروهای وارده توسط این برج به زمین منتقل خواهد شد.
امروزه استفاده از پلهای کابلی بسیار رایج شده است زیرا تقریبا تمامی مزیتهای پلهای معلق را دارند (البته در مقیاس کوچکتر مثلا برای دهانه های ۱۵۰ متری تا ۸۵۰ متری) ولی هزینه بسیار کمتری دارند. همچنین زمان ساخت آنها بسیار کوتاهتر است.

  
Millau Bridge - پل میلائو - فرانسه
 
پل آراسموس هلند




نیروهای دیگر وارد بر پلها:
تا به حال ما دو نیروی فشاری و کششی وارد بر پل را معرفی کردیم. اما در واقع چندین نیروی مهم دیگر در نحوه عملکرد پل موثرند.
پیچش: بیشتر در پلهای معلق باید در نظر گرفته شود. زمانی ایجاد میشود که باد باعث پیچ خوردن دهانه معلق پل شود. به عنوان مثال پل تاکوما واشنگتن که بر اثر پیچش آسیب دید. و خود این پیچش به دلیل تشدید ایجاد شد که در ادامه مقاله درباره آن توضیح داده میشود.
شکل طبیعی پلهای قوسی و سازه های خرپایی آنها را در مقابل این نیرو مقاوم میکند. اما در پلهای معلق برای کنترل پیچش از خرپاهای سخت کننده عرشه استفاده میشود.
اما حتی اینکار در پلهای معلق با طول دهانه زیاد کافی نبوده. با آزمایش مدلهای مختلف در تونل باد مهندسین دریافتند به کمک سازه های خرپایی ایرودینامیک و کابلهای مورب میتوانند پیچش را بهتر کنترل کنند.
برش: تنش برشی زمانی رخ میدهد که دو سازه به هم متصل شده ( و یا دو قسمت یک سازه ) به دو جهت مخالف هم فشار داده شوند. اگر تنش برشی در نظر گرفته نشود, میتواند باعث بریده شدن دو قسمت پل شود. یک مثال ساده از تنش برشی این است که خط کشی را تا نصف به داخل زمین فرو کنید و سپس به بالای آن نیروی افقی وارد کنید. اگر نیرو کافی وارد شود, خط کش از وسط نصف خواهد شد.

تشدید:
میتوان تشدید را همانند گلوله برفی در نظر گرفت که با پایین آمدن از کوه تبدیل به یک بهمن بزرگ میشود. شروع تشدید از یک محرک متناوب نسبتا کوچک سیستم مکانیکی میباشد. همانند بادی که بر یک پل وارد شده و باعث لرزش خفیف آن میشود. با وجود اینکه این لرزش خفیف به خودی خود اصلا باعث آسیب پل نمیشود اما اگر با دوره تناوب طبیعی پل یکی شود میتواند باعث تشدید شده و نیروی مخربی را ایجاد نماید. درست مثل اینکه فردی بر تابی سوار باشد و فرد دیگری با همان دوره تناوب وی را هل دهد. به مرور زمان تاب بیشتر و بیشتر بالا میرود. در پلهای معلق این تشدید در قالب موجهایی پیچشی در طول عرشه پل دیده میشود.
یکی از قابل توجه ترین مثال تشدید در پلها, در سال ۱۹۴۰ بر روی پل تاکوما رخ داد (Tacoma Bridge). که در نهایت این تشدید باعث تخریب کامل پل شد. سرعت باد در زمان فاجعه تنها ۴۰ مایل بر ساعت معادل ۶۴ کیلومتر بر ساعت بود. این در حالی است که پل تاکوما به گونه ای طراحی شده بود که بتواند بادهایی تا سرعت ۱۲۰ مایل بر ساعت معادل ۱۹۳ کیلومتر بر ساعت را تحمل کند.

 
فاجعه پل تاکوما - واشنگتن ایالات متحده آمریکا - ۷ نوامبر ۱۹۴۰

با بررسی مهندسین پس از وقوع فاجعه تشخیص داده شد  سختی عرشه پل برای این دهانه کم بوده اما تنها این مشکل نمیتوانسته باعث تخریب پل شود. با مطالعات بیشتر معلوم شد سرعت باد در آن روز دقیقا به اندازه ای بود که باعث ایجاد پدیده تشدید شود. علاوه بر سرعت باد, زاویه وارد شدن آن به پل نیز به وقوع چنین حادثه ای کمک کرده بود. با ادامه یافتن باد, لرزش ها تقویت شده و باعث ایجاد موجهای کاملا مشهودی در آن شدند (اگر فیلم این واقعه را دیده باشید پل تاکوما در زمان حادثه درست مثل طنابی که در آن موج ایجاد میشود میماند)
تشدید تنها به دلیل وزش باد ایجاد نمیشود و هر نیروی متناوب دیگری نیز میتواند باعث آن شود. مثلا رژه یک لشکر را در نظر بگیرید. با کوبیده شدن پای سربازها به صورت هماهنگ به پل, امکان تشدید وجود دارد.
برای اینکه از پدیده تشدید در پلها جلوگیری شود, مهندسین میراگرهای هماهنگی برای پلها در نظر گرفتند که با مداخله در دوره تناوب باعث جلوگیری از تشدید نیرو میشوند.
یکی دیگر از راه های کنترل تشدید این است که امکان جابجایی کمتری به پل داده شود. اگر عرشه یک پل به صورت یکپارچه ساخته شود, موجهای ناشی از تشدید به راحتی در طول آن جابجا میشوند اما اگر عرشه پل از قسمتهای مختلفی تشکیل شده باشد که در وسط آنها استهلک کننده هایی در نظر گرفته شده باشد, با رسیدن موج به این استهلاک کننده ها, فرکانس آن تغییر کرده و از تشدید جلوگیری میشود.
 
شرایط آب و هوایی:
درباره تاثیر باد بر روی پل توضیحات مختصری داده شد, اما شرایط آب و هوایی نامناسب در کل میتواند هر پلی را که بشر بسازد از بین ببرد. منظور از شرایط آب و هوایی باران – برف و یخبندان – باد – نمک موجود در آب و خاک و … است.
 
ریزش دو پل در نزدیکی Biloxi به دلیل طوفان کاترینا - ۱۱ سپتامبر ۲۰۰۵


مهندسان با عبرت گرفتن از اشتباهات گذشته پلهای جدید خود را طراحی میکنند. آهن جایگزین چوب شد و فولاد جایگزین آهن. بتنهای پیش فشرده نقش بسیار حیاتی را در پلهای با عرشه بزرگراهی اجرا میکنند. هر یک از مصالح و تکنولوژی های جدید برای جبران نقصهای گذشته بوجود می آیند. پیچش – تشدید و طراحیهای با ایرودینامیک ضعیف باعث تخریب پلها شده اند که امروزه برای آنها تدابیر زیادی در نظر گرفته شده است.
با این وجود تخریب پلها بر اساس شرایط آب و هوایی بسیار نگران کننده تر است. زیرا تا به امروز هیچ تکنولوژی ۱۰۰% قابل اطمینانی برای جلوگیری از این موضوع پیدا نشده است. به هر حال ما درباره نیروی صحبت میکنیم که باعث تغییر شکل کوهها و صخره های عظیم میشود, که پلهای ساخته شده بدست بشر در مقابل آنها بسیار آسیب پذیرتر هستند. تا به امروز تنها راه مقابله با این نیرو, تعمیرات مرتب پل است.


منبع : سیویلتکت


مرجع مقاله : گروه آموزشی ساختمان استان قزوین