مقاله کامل در مورد ساختار كار پلها

*** سه نوع اصلی از پلها موجودند:           پل تیری                   پل قوسی                      پل معلق

تفاوت عمده ی این سه پل در فاصله دهانه ی پل است. دهانه، فاصله ای است بین پایه های ابتدایی و انتهایی پل، اعم از اینکه آن ستون، دیوارهای دره یا پل باشد. طول پل تیری مدرن امروزه از  200  پا  (60متر) تجاوز نمی کند. در حالی که یک پل قوسی مدرن به  800  تا  1000  پا  (240  تا  300  متر) همو می رسد. پل معلق نیز تا  7000  پا طول دارد.چه عاملی سبب می شود که یک پل قوسی بتواند درازای بیشتری نسبت به پل تیری داشته باشد؟ و یا یک معلق بتواند تقریباً تا  7  برابر طول پل قوسی را داشته باشد. جواب این سوال زمانی بدست می آید که بدانیم چگونه انواع پلها از دو نیروی مهم فشاری و کششی تاثیر می پذیرند.

نیروی فشاری : نیرویی است که موجب فشرده شدن و یا کوتاه شدن چیزی که بر روی آن عمل می کند می شود.

نیروی کششی : نیرویی است که سبب افزایش طول و گسترش چیزی که بر روی آن عمل می کند، می گردد.

در این زمینه می توان از فنر به عنوان یک مثال ساده نام برد. زمانی که آن را روی زمین فشار می دهیم و یا دو انتهای آن را به هم نزدیک می کنیم، در واقع ما آن را را متراکم می سازیم. این نیروی تراکم یا فشاری موجب کوتاه شدن طول فنر می شود. و نیز اگر دو سر فنر را از یکدیگر دور سازیم، نیروی کششی در فنر ایجادشده، طول فنر را افزایش می دهد. نیروی فشاری و کششی در همه پل ها وجود دارند و وظیفه طراح پل این است که اجازه ندهد این نیروها موجب خمش و یا گسیختگی گردد. خمش زمانی اتفاق می افتد که نیروی فشاری بر توانایی شئ در مقابله با فشردگی غلبه کند. بهترین روش در موقع رویارویی با این نیروها خنثی سازی، پخش و یا انتقال آنهاست. پخش کردن نیرو یعنی گسترش دادن نیرو به منطقه وسیع تری است چنانکه هیچ تک نقطه مجبور به متحمل شدن بخش عمده ی نیروی متمرکز نباشد. انتقال نیرو به معنی حرکت نیرو از یک منطقه غیر مستحکم به منطقه مستحکم است، ناحیه ای که برای مقابله با نیرو طراحی شده و منظور گردیده است. یک پل قوسی مثال خوبی برای پراکندگی است حال آنکه پل معلق نمونه ای بارز از انتقال نیروست. 

پلهای 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.

فشار : نیروی فشاری خود را در بالای عرشه پل یا جاده نمایان می سازد. این نیرو موجب می شود که بخش بالایی عرشه کوتاه- تر گردد.

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.

پراکندگی : بسیاری از پلهای تیری که شما می توانید آنها را در بزرگراهها بیابید، برای تحمل بار  از تیرهای بتونی یا فولادی بهره می گیرند. اندازه تیر و بویژه 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 تیر های بلند از شبکه های فلزی یا خرپا بهره می گیرند. 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 آناندازه خرپا نیز می بایست افزایش یابد تا زمانی که خرپا به نقطه می رسد که دیگر نمی تواند وزن خود را تحمل کند.

 انواع پل های تیری : پل های تیری به سبک های بسیار زیادی ساخته  می شود. نوع طراحی، مکان و چگونگی ساخت یک خرپا، تعیین کننده نوع یک خرپاست. در بدو انقلاب صنعتی، احداث پلهای تیری در ایالات متحده با سرعت توسعه یافت. طراحان با طرحهای نوین و سازه های مختلف و متعدد این حرفه را رونق بخشیدند. پل های چوبی جای خود را به پلهای فلزی یا نیمه فلزی دادند. این نمونه های متنوع از خرپا ها گامهای موثری را در جهت پیشرفت در این زمینه برداشت. یکی از ابتدایی ترین و مشهور ترین آنها خرپای «هاو»  بود که در سال 1884 توسط «ویلیام هاو»  طراحی و ابداع شد. شهرت ابداع جدید وی در طرح خرپایش نبود، چرا که مشابه طرح king post  بود. چگونگی استفاده از تیرهای آهنی عمودی با مجموعه ای از تیر های چوبی مورب  طرح او بود که مورد توجه قرار گرفت. بسیاری از پلهای تیری امروزه هنوز از طرح هاو در خرپایشان استفاده می کنند.

مقاومت خرپا  : یک تیر به تنهایی هرگونه فشردگی یا کشش را در بر خواهد گرفت. بیشترین فشردگی در بالاترین نقطه تیر و بیشترین کشش در در پایین ترین نقطه تیر است. در وسط تیر فشردگی و کشش کمتری وجود دارد.اگر تیر طوری طراحی شود که بیشترین مقدار مصالح در بالا و پایین تیر و در وسط تیر مصالح کمتری مصرف شود، بهتر خواهد توانست نیروهای کششی یا فشاری را تحمل کند. ( در توضیح می توانیم بگوییم که تیر های I  شکل مستحکم تر از تیر های مستطیلی ساده است).مرکز تیر از عضو های مورب خرپا تشکیل شده طوری که بالا و پایین خرپا نشان دهنده بالا و پایین تیر است. با نگرش به خرپا به این شیوه ما قادریم ببینیم که بالا و پایین تیر مصالح بیشتری نسبت به مرکز آن مصرف می کند(به این دلیل که مقوای چین دار خیلی مستحکم است).در اضافه به مطالب فوق در مورد تاثیرات خرپا، علت دیگری نیز وجود دارد دالّ براینکه چرا خرپا مستحکم تر از تیر است: یک خرپ توانایی پخش کردن نیرو را دارد. خرپا طوری طراحی شده است که به دلیل داشتن تعداد زیادی از مثلث ها _که به طور معمول در آن مورد استفاده قرار می گیرد_ هم می تواند یک سازه بسیار مستحکم ایجاد کند و هم کار انتقال نیرو را از یک نقطه به منطقه وسیعی انجام دهد.

 پل قوسی : یک پل قوسی سازه ای است به شکل نیم دایره که در هر طرف آن نیم پایه  (پایه های جناحی) قرار دارد. طراحی قوس طوری است که به طور طبیعی وزن عرشه پل را به نیم پایه ها منتقل و منعطف می کند.

فشار : پلهای قوسی همواره تحت فشار قرار گرفته اند. نیروی فشاری همواره در امتداد قوس و به سمت نیم پایه ها وارد می شود.

کشش : کشش در یک قوس ناچیز و قابل اغماض است. خاصیت طبیعی خمیدگی قوس و توانایی ان در پخش نیرو به بیرون، به طور قابل ملاحظه ای  تاثیرات کشش را در قسمت زیرین قمس کاهش می دهد. هرچند با زیاد شدن زاویه ی خمیدگی ( بزرگتر شدن نیمدایره قوس) تاثیرات نیروی کششی نیز در آن افزایش می یابد.همانطور که اشاره شد، شکل قوس به تنهایی موجب می شود که وزن مرکز عرشه پل به پایه های جناحی منتقل شود. مشابه پلهای تیری محدوده ی اندازه پل در مقاومت پل تاثیر گذاشته و در نهایت بر ان چیره خواهد گشت.

 انواع پلهای قوسی

پراکندگی : انواع قوس ها محدود هستند. امروزه قوس هایی مانند «رمان»  ، «باروک»  و «رنسانس»  وجود دارند که همه آنها از نظر معماری و ظاهری متمایز هستند ولی از نظر ساختار یکسانند. میزان مقاومت این پلها به شکل هندسی آنه بستگی دارد. یک پل قوسی احتیاج به هیچگونه تکیه گاه یا کابل ندارد. و قوسهایی که از سنگ ساخته شده است حتی نیازی به ساروج یا ملات نیز ندارد. در گذشته نیز رومیان باستان پلهای قوسی (پل آب بر) ساخته اند که هنوز هم پابرجا هستند و سازه های آنه امروزه نیز با اهمیت به شمار می آید.

پل معلق : پل معلق پلی است که توسط کابل ها (یا ریسمانها یا زنجیرها) در عرض رودخانه (یا در هر جایی که مانع وجود داشته باشد) کشیده شده اند و عرشه توسط این کابل ها معلق مانده است. پل های معلق مدرن دو برج در میان پل دارند که کابل ها آن را می کشند. بنابراین برج ها بیشترین وزن جاده را تحمل می کنند.

نیروی فشاری : نیروی فشاری عرشه پل معلق را به سمت پایین متراکم می سازد در نتیجه این نیروی فشاری به برجها وارد می آیند. اما از آنجا که این یک پل معلق است، کابلها این نیروی فشاری را از برجها گرفته و آن را در بین خود پراکنده می کنند. و آن را به زمین منتقل می کنند، جایی که آنها محکم بسته شدند.

کشش : کابلهایی که میان دو لنگرگاه خود یعنی تکیه گاهها 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 گاهها نیز تحت کشش هستند ولی از آنجا که همانند برجها، محکم به زمین بسته شده اند، کشش موجود در آنها پراکنده می شود. تقریباً همه پلهای معلق به غیر از کابل ها از یک سامانه خرپا نیز بر خوردارند که در زیر عرشه پل قرار گرفته است (Deck truss). این سامانه موجب استحکام بیشتر عرشه و کاهش تمایل سطح جاده به نوسان و مواج شدن می شود.

انواع پلهای معلق : پلهای معلق به دو شکل طراحی می شوند: پل معلقی که به شکل M  است و نوع کم کاربردتری که به صورت «کابل ایستاده»  طراحی شده که بیشتر شبیه A  است. پلهای کابل ایستاده دیگر مانند پلهای معلق معمولی  نیازی به دو برج و چهار تکیه گاه ندارند. در عوض کابلها از سمت جاده به بالای برج محکم بسته شده اند. در هر دو نوع پل، کابلها تحت کشش هستند.

نیروهای دیگر در پل : 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 نیرها معمولاً به محل مشخصی بستگی داشته و یا به نوع پل مرتبط است.

نیروی گشتاوری : نیروی گشتاوری نیروی چرخشی یا پیچشی و یکی از نیروهایی است که به طور موثر در پلهای قوسی و تیری وجود ندارد ولی به میزان قابل ملاحظه ای در پلهای معلق وجود دارد. شکل طبیعی قوس و خرپاهای موجود در پلهای تیری اثرات مخرب این نیرو را از بین می برد. پلهای معلق به دلیل معلق بودن همواره (توسط کابلها) در برابر این نیروی گشتاوری بخصوص در هنگام وزش بادهای تند بسیار اسیب پذیر است. همه ی پلهای معلق در عرشه ی خود از خرپا ها بهره می برند که همانند پلهای تیری تاثیرات نیروی گشتاوری را کاهش می دهد ولی در پلهایی 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 هاو کابلهای آویزان مورب از روش هایی هستند که برای تقلیل تاثیرات نیروهای گشتاوری به خدمت گرفته می شود.

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»8  است که در سال  1940  توسط بادی با سرعت  40  مایل در ساعت  (64  کیلومتر در ساعت) تخریب شد. بررسی های دقیق از محل نشان می دهد 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 " قدمرو" . با این کار، ریتم رژه ی آنها سبب ایجاد تشدید در پل می شود. اگر ارتش به اندازه کافی بزرگ باشد و آهنگ ارتعاشی لازم را داشته باشد در نهایت می تواند پل را فرو پاشد.به منظور مقابله با تاثیرات تشدید در یک پل، خیلی مهم است که در پل کاهندهای امواجی طراحی شود تا در این امواج تداخل ایجاد کرده و از شدت آن بکاهد. ایجاد تداخل یک روش موثر در برابر امواج مخرب می باشد. تکنیک های کاهش امواج معمولاً شامل اینرسی نیز هستند. اگر پلی، به عنوان مثال یک جاده با سطح پیوسته و یک تکه داشته باشد، یک موج قوی می تواند در امتداد پل حرکت کرده و منتقل شود. اگر جاده از تکه های مختلفی تشکیل شده باشد و صفحات آن همدیگر را همپوشانی کرده باشند آنگاه جنبش از یک بخش توسط صفحات به بخش دیگر منتقل می شود. از آنجا که آن صفحات بر روی یکدیگر قرار گرفته اند، اصطکاک نیز ایجاد می شود. این ترفند، اصطکاک کافی را برای تغییر فرکانس امواج مرتعش را تولید می کند. با تغییر فرکانس می توانیم از ورود امواج مخرب به سازه جلوگیری کنیم. تغییر بسامد به طرزی موثر دو نوع مختلف از موج را به وجود می آورد که موجب خنثی شدن یکدیگر می شوند.

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. بعد ها از بتون بطور گسترده در پلها بهره گرفتند. هر کدام از مواد و مصالح جدید و یا تکنیک های طراحی، ثمره درسهایی 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.