پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
طراحی پل و انواع آن
پل سازه‌ای است که برای عبور از موانع فیزیکی از جمله رودخانه‌ها و دره‌ها استفاده میشود. پلهای متحرک نیز جهت عبور کشتی‌ها و قایق‌های بلند از زیر آنها ساخته شده است. ایجاد گذرگاه‌ها و پل‌ها برای عبور از دره‌ها و رودخانه‌ها از قدیمی‌ترین فعالیت‌های بشر است. پلهای قدیمی معمولاً از مصالح موجود در طبیعت مثل چوب و سنگ و الیاف گیاهی به صورت معلق یا با تیرهای حمال ساخته شده‌اند. پلهای معلق از کابل‌هایی از جنس الیاف گیاهی که از دو طرف به تخته سنگ‌ها و درخت‌ها بسته شده و پلهای با تیر حمال از تیرهای چوبی که روی آنها با مصالح سنگی پوشیده می‌شد، ساخته شده‌اند.
دسته بندی انواع پل‌ها
پل‌ها را از نقطه نظر مصالح تشکیل دهنده به شکل زیر طبقه بندی می‌کنند:
- پلهای چوبی
- پلهای سنگی
- پلهای بتنی
- پلهای بتن مسلح
- پلهای بتن پیش تنیده
- پلهای فلزی
پلهای چوبی
این پل‌ها معمولاً به شکل قوسی، با تیرهای مشبکو یا تیرهای حمال ساخته شده و در حال حاضر استفاده از آنها به صورت موقتی است.
پلهای سنگی
با توجه به مقاومت مناسب فشاری مصالح سنگی، بسیاری از پلهای طاقی از این مصالح ساخته شده‌اند. نظر به کمبود افراد سنگ کار و زمان نسبتاً طولانی لازم برای تهیه مصالح و اجرای سازه، امروزه استفاده از این پل‌ها محدود است.
پلهای بتنی
در بسیاری از پلهای طاقی شکل، در حال حاضر از بتن، با توجه به مقاومت فشاری مطلوب آن به جای سنگ استفاده میشود.
پلهای بتن مسلح
با توجه به روش اجرا و نحوه بتن ریزی، پلهای بتن مصلح را می‌وان از مقاطع مختلف و با اشکال دلخواه ساخت. با وجود این استفاده از مقاطع ساده در جهت کاهش بهای قالب‌بندی همواره مورد نظر است. در بعضی از حالات استفاده از سیستم پیش ساختگی باعث حذف اجزاء نگهدارنده قالب‌ها و در نتیجه صرفه جوئی قابل ملاحظه میشود.
پلهای بتن پیش تنیده
با پیشرفت این تکنیک، به تدریج در دامنه وسیعی از ابنیه فنی، پلهای بتن پیش تنیده جایگزین پلهای فلزی و پلهای بتن مسلح شده‌اند. بدین ترتیب باصرف هزینه کمتر، پلهای با دهانه بزرگ ساخته می‌شوند. از طرف دیگر استفاده از این مصالح امکان به کارگیری تکنیک‌های جدید پل سازی را می‌دهد.
پلهای فلزی
این پل‌ها به اشکال مختلف، با تیرهای حمال معمولی یا تیرهای مشبک فولادی، با قوس یا قالب‌های فلزی، نورد شده از ورق و المان‌های اتصالی ساخته شده‌اند. در ساخت این پل‌ها گاهی نیز از آلیاژهای سبک یا مقطع مرکب استفاده میشود.
از فولاد در ساخت پلهای فلزی از قرن گذشته شروع و با عنایت به مقاومت کششی و فشاری مطلوب این مصالح در سطح وسیع متداول شده است. با توجه به فزونی بهای تولید، معمولاً نیمرخ‌های فولادی دارای ضخامت ناچیز بوده و در نتیجه علاوه بر مسئله زنگ زدن و خوردگی، خطر بروز ناپایداریهای الاستیک نیز همواره موجود است. از طرف دیگر نظر به اینکه با افزایش طول دهانه وزن مرده پل‌ها به سرعت افزایش مییابد، با توجه به ناچیز بودن ابعاد و در نتیجه سبک بودن مقاطع فلزی، هنوز نیز برای ساختن پل‌ها استفاده میشود.
پوشش پلهای فلزی
پوشش پلهای فلزی را میتوان از چوب مصالح سنگی بتن مسلح و یا از ورق‌های فلزی انتخاب نمود. استفاده از چوب برای پوشش پل‌ها در زمان‌هایبسیار قدیم رایج بوده اما امروزه به ندرت مورد استفاده قرار می‌گیرد.
همچنین در طرح‌های جدید از پوشش مصالح سنگی نیز به علت وزن زیاد آن، کمتر استفاده میشود. در این راه حل، تیرهای حمال طولی پل بوسیلهقوس‌هائی از آجر و مصالح سنگی به هم متصل می‌شوند.
پوشش بتن مسلح
این پوشش از یک دال بتن مسلح که روی تیرچه‌های طولی و تیرهای عرضی پل تکیه نموده تشکیل یافته است. پوشش بتن مسلح مقاومت و صلبیتلازم را به سازه داده و از نظر اجرائی نیز آسان و بسیار متداول است.
پوشش فلزی
یک نوع از این پوشش‌ها از یک سری صفحات فلزی که به وسیله بتن مسلح پوشیده شده و روی بال فوقانی تیرچه طولی جوش شده‌اند، تشکیل شدهاست. ضخامت کل حاصله معمولاً ضعیف (بین ۱۰ تا ۲۰ سانتی متر) است. یکی دیگر از انواع پوشش‌های فلزی متداول دال ارتوتروپ است. این پوشش از یک صفحه فلزی که در جهت عمودی بوسیله ورق‌های ساده یا جعبهای تقویت شده تشکیل یافته است. صفحه فلزی نقش بال فوقانی تیرها را به عهده داشته و ضمن شرکت در مقاومت خمشی بارهای موضعی حاصل از چرخ وسائل نقلیه را نیز تحمل می‌کند.
ضخامت آن معمولاً حدود ۱۲ میلی متر (برای جان جعبهای) تا ۱۴ میلی متر(برای جان ساده) است. دال ارتوتروپ در مجموع روی اجزاء اصلی پل (تیرهای طولی و عرضی) تکیه نموده است.
طبقه بندی پلهای فلزی
پلهای فلزی را میتوان با توجه به نوع سیستم باربر به شرح زیر طبقه بندی نمود.
- پل با تیرهای حمال
- پل قوسی
- پل با کابل‌های باربر
- پل با تیرهای حمال
این پل‌ها از متداول‌ترین انواع مورد استفاده برای دهانه‌های متوسط (تا ۲۵۰ متر) هستند. تیرهای حمال معمولاً به صورت شبکه‌های فلزی مقاطع جعبهای یا تیرهای مرکب تو پر ساخته شده و تغییر شکل بسیار محدودی خواهند داشت. شبکه‌های فلزی معمولاً سبک بوده اما با توجه به خصوصیات ظاهری آنها، کمتر در مناطق شهری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حالت کلی این پل‌ها را نیز میتوان به شرح زیر تفکیک نمود.
پل با تیرهای حمال جانبی
در این حالت تیرهای حمال جانبی معمولاً از شبکه‌های فلزی تشکیل شده و اجزاء اصلی باربر تابلیه هستند. در شرایطی که عرض پل محدود باشد (کمتر از ۱۴ متر) میتوان از این سیستم استفاده نمود.
پل با تیرهای حمال تحتانی
در این حالت تیرهای حمال عموماً از نوع تیرهای مرکب با جان تو پر (که از چند ورق فلز با اتصال پیج پرچ یا جوش تشکیل شده‌اند) هستند. تیرهای حمال با ارتفاع ثابت یا متغیر ساخته شده و در نتیجه ضمن حصول منظره مناسب صرفه جوئی مهمی نیز در مصرف مصالح خواهد شد. همچنین در بعضی شرایط میتوان سیستم متشکل از تیرها یا حمال تحتانی را با یک مقطع جعبهای جایگزین نمود.
پل قوسی
پل قوسی، پلی است با تکیه گاه‌های انتهائی در هر طرف، که شکلی نیم دایره مانند دارد. پلی که از رشته‌ای از قوس‌ها تشکیل شده باشد، پل دره‌ای نامیده می شود. پل قوسی ابتدا توسط یونانی‌‌ها و از سنگ ساخته شد. بعدها، رومیان باستان از ملات در پلهای قوسی خود استفاده کردند.
با توجه به اصول مقاومت مصالح، شعاع قوس و ابعاد این پل‌ها را طوری انتخاب می‌کنند که بارهای قائم وارده تبدیل به یک نیروی فشاری در امتداد قوس شود. بنابراین در مناطقی با کیفیت خاک مناسب،میتوان دهانه‌های بزرگ (تا حدود ۵۰۰۰ متر) را با پلهای قوسی طی نمود.
پل ترکهای
در این پل‌ها، تابلیه به صورت یک صفحه صلب از یک طرف روی پایه‌های کناری (کوله‌ها) و دو پایه بلند میانی و از طرف دیگر به طور الاستیک روی کابل‌های مورب تکیه نموده است. این کابلها در تمام طول پل گسترش می‌یابند. بار وارده را به پایه‌های بلند میانی منتقل می‌‌نمایند. کابل‌های ذکر شده را میتوان در دو صفحه قائم و به طور موازی در دو طرف تابلیه قرار داده یا در جهت عرضی نیز به طور مورب و در امتداد محور طولی پل به پایه میانی متصل نمود.
پل معلق
پل معلق پلی است که توسط کابلها (یا ریسمان‌ها یا زنجیرها) در عرض رودخانه (یا در هر جایی که مانع وجود داشته باشد) کشیده شده‌اند و عرشه توسط این کابلها معلق مانده است. پلهای معلق مدرن دو برج در میان پل دارند که کابلها آن را می‌کشند. بنابراین برج‌ها بیشترین وزن جاده را تحمل می‌کنند.
نیروی فشاری
نیروی فشاری عرشه پل معلق را به سمت پایین متراکم می‌سازد در نتیجه این نیروی فشاری به برج‌ها وارد می‌‌آیند. اما از آنجا که این یک پل معلق است، کابلها این نیروی فشاری را از برج‌ها گرفته و آن را در بین خود پراکنده می‌کنند. و آن را به زمین منتقل می‌کنند، جایی که آنها محکم بسته شدند.
کشش
کابل‌هایی که میان دو لنگرگاه خود یعنی تکیه‌گاه‌ها قرار گرفته‌اند، دریافت کننده نیروی کششی هستند. وزن پل و حمل و نقل روی آن سبب میشود که این کابلها به شدت کشیده شوند. تکیه گاه‌ها نیز تحت کشش هستند ولی از آنجا که همانند برج‌ها، محکم به زمین بسته شده‌اند، کشش موجود در آنها پراکنده میشود.
تقریباً همه پلهای معلق به غیر از کابلها 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 میشود.
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 تکیه‌گاه ندارند. در عوض کابلها از سمت جاده به بالای برج محکم بسته شده‌اند. در هر دو نوع پل، کابلها تحت کشش هستند.
پل کابلی و نحوه عملکرد آن
پل کابلی، یک تیر حمال (عرشه پل) پیوسته با یک یا چند برج بنا شده بالای پایه‌های پل در وسط دهانه است. از این برج‌ها، کابلها به صورت اریب به سمت پایین (معمولاً هر دو طرف) کشیده شده و تیر حمال (عرشه پل) را نگه می‌دارد. کابل‌های فولادی بی‌نهایت قوی و در عین حال بسیار انعطاف پذیر هستند. کابلها بسیار مقرون به صرفه بوده چون سبب ساخت سازه‌ای سبکتر و باریکتر شده که در عین حال قادر به پل زدن بین مصافت‌های بیشتری است. اگر چه تنها تعداد کمی از آنها برای نگه داشتن کل پل قوی هستند، انعطاف پذیریشان آنها را در مقابل نیروهایی که به ندرت در نظر گرفته می‌شوند مانند باد، ضعیف می‌نماید.
برای پلهای کابلی با دهانه‌های طولانی به خاطر تضمین ثبات و پایداری کابلها و پل در مقابل باد، بایستی مطالعات دقیقی انجام شود. وزن سبکتر پل یک وضع نامساعد در بادهای سهمگین و یک مزیت در مقابل زلزله محسوب میشود. نشست غیر هم سطح فوندانسیون‌ها که به مرور زمان یا طی یک زلزله روی می‌دهد، می‌تواند پل کابلی را دچار آسیب کند. پس باید در طراحی فوندانسیون‌ها دقت به عمل آورد. ظاهر مدرن و در عین حال ساده پل کابلی آن را به یک شاخص واضح و جذاب تبدیل کرده است. خصوصیات منحصر به فرد کابلها و به طور کلی سازه، طراحی پل را بسیار پیچیده می‌نماید. برای دهانه‌های طولانی‌تر، جایی که باد و نوسانات باید مورد توجه قرار گیرند، محاسبات بی‌نهایت پیچیده‌اند. عملاً بدون کمک کامپیوتر و آنالیز کامپیوتری غیر ممکن است. علاوه بر این، ساخت پل کیده‌ای مشکل است. اتصالات، برج‌ها، تیرهای حمال و مسیر کابلها سازه‌های پیچیده‌ای هستند که مستلزم ساخت دقیق هستند.
طبقه بندی پلهای کابلی
طبقه بندی واضحی برای پلهای کابلی وجود ندارد. به هر حال می‌توانند توسط تعداد دهانه‌ها، برج‌ها و کابلها و همچنین نوع تیرهای حمال از یکدیگر تمیز داده شوند. تنوع بسیاری در تعداد و نوع برج‌ها و همچنین تعداد و چینش کابلها وجود دارد. برج‌های نوعی به صورت تکی، دوتایی، دروازه‌ای و یا حتی برج‌های A شکل استفاده شده‌اند. علاوه بر این چینش کابلها به طور عمده‌ای متفاوت هستند. بعضی اقسام دارای چینش تکی، چنگی (موازی)، پنکه‌ای (شعاعی) و ستاره‌ای هستند. در بعضی موارد تنها کابل‌های یک طرف برج به عرشه وصل می‌شوند و طرف دیگر روی یک فندانسیون یا وزنه برابری لنگر می‌اندازند.
عوامل انتخاب نوع یک پل
- محل احداث یک پل
- کاربرد
- نوع فونداسیونی که برای سازه پل و تکیه گاه‌های آن
- نوع مصالح مصرفی در سازه‌ی پل
- نوع عبورگاه برای پل
- معماری و زیبایی دستگاه پل
- نگهداری پل
- تشدید
- آب و هوا
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.
کاربرد
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. ضمنا باید کاربری مسیر عبوری زیر پل نیز همچنان مورد تامین باقی بماند، به عنوان مثال اگر دستگاه پل از روی مسیر آبی عبور می‌کند باید همچنان مسیر عبور کشتی‌ها تأمین شود. اگر پل از روی اتوبان عبور می‌کند باید دهانه و ارتفاع پل مناسب بار ترافیکی اتوبان طراحی شود.
نوع فونداسیونی که برای سازه پل 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 است.
نوع مصالح مصرفی در سازه‌ی 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 طراحیی اشکال غیر منظم استفاده از بتن درجا آسان تر است.
نوع عبورگاه برای پل
هرچه طول مسیر عبور گاه پل افزایش یابد، هزینه ساخت عبور گاه بالا می‌رود ولی از تعداد پایه‌ها زیر آن کم میشود. برعکس هر چه مسیر عبور گاه کوتاه‌تر باشد، هزینه ساخت عبور گاه کاهش مییابد ولی تعداد پایه‌هایی دستگاه پل اضافه میشود.
معماری و زیبایی دستگاه پل
در طراحی پل فقط مسائل فنی نیستند که باید ملاحظه شوند بلکه مسائل هنری و زیبایی ظاهری در طراحی معماری پل نیز از اهمیت بالایی برخوردار هستند.
نگهداری پل
با توجه به مخارج سنگین انجام شده برای اجرای ابنیه بتنی، مسئله نگهداری دقیق این سازه‌ها در برابر آب، باد و یخبندان از اهمیت خاصی برخوردار است. در مناطقی که بستر رودخانه سست بوده و در اثر طغیان آب، امکان شسته شدن داشته باشد باید وضعیت آن را در اطراف پل بعد از طغیان‌های مختلف مورد برسی قرار داد تا با تدابیر مختلف از خالی شدن خاک اطراف پی‌ها و در نتیجه تخریب پایه‌ها جلوگیری شود. لایه عایق کاری و آسفالت کف جاده باید طوری انجام شود که از نفوذ و باقی ماندن آب در جسم پل جلوگیری شود.
بعد از پایان ساختمان پل و قبل از تحت سرویس قرار گرفتن، المان‌های مختلف آن‌را باید به دقت مورد بازدید قرار داد تا مشخص شود تحت بارهای دائمی و دستگاه‌های ساخت، تغییر شکل‌ها و ترکهای پیش‌بینی نشده در آن ایجاد نشده باشد. همچنین بعد از آزمون بارگذاری که تحت شدیدترین بارگذاری ممکنه در طول دوره سرویس قرار می‌گیرد، باید کلیه تغییر شکل‌های ایجاد شده و فلش مقاطع بحرانی، ترکهای احتمالی، نشست پایه‌ها، تغییر فرم دستگاه‌های تکیه گاهی و اتصالات مختلف به دقت مورد برسی قرار گیرند.
در طول دوره بهره‌برداری نیز در زما‌ن‌های مشخص باید قسمت‌های مختلف پل مورد بازدید قرار گیرند. در پلهای فلزی که احتمال از بین رفتن اتصالات پیچ و جوش، زنگ زدن المان‌ها و خوردگی آنها و بروز ناپایداریهای الاسیتک موجود است. این بازدیدها باید به طور مداوم و حداقل هر پنج سال یکبار انجام شده و برای جلو گیری از تخریب قطعات، آنها را با مواد مناسب پوشانید. همجنین در مورد پلهای بتن پیش‌تنیده شده وضع دستگاه‌های مهارتی و کشش کابلها مورد بررسی قرار گرفته و با انجام عمل تزریق به نحو مناسب، از زنگ زدگی کابلها جلوگیری به عمل آید.
از عبور سربارهای غیر مجاز که در طرح و محاسبه قطعات پل در نظر گرفته نشده‌اند،اکیداً جلوگیری شود.
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 ملاحظه‌ای در پلهای معلق وجود دارد. شکل طبیعی قوس و خرپاهای موجود در پلهای تیری اثرات مخرب این نیرو را از بین می‌برد. پلهای معلق به دلیل معلق بودن در هموا (توسط کابلها) در برابر این نیروی گشتاوری بخصوص در هنگام وزش بادهای تند بسیار اسیب پذیر است.
همه‌ی پلهای معلق در عرشه‌ی خود از خرپا‌ها بهره می‌برند که همانند پلهای تیری تاثیرات نیروی گشتاوری را کاهش می‌دهد. ولی در پل‌هایی با طول زیاد، خرپای موجود در عرشه به تنهایی کافی نیست. آزمون تونل باد برای سنجش میزان مقاومت پل در برابر جنبش‌های چرخشی بر روی مدل آزمایش میشود. ایجاد خرپاهای آیرودینامیک در سازه‌ها و کابل‌های آویزان مورب از روش‌هایی هستند که برای تقلیل تاثیرات نیروهای گشتاوری به خدمت گرفته میشود.
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 افسار گسیخته است که می‌تواند بر روی پل اثرات مخربی بگذارد. امواج تشدید کننده از میان پل به صورت امواج عبور خواهد کرد.
به منظور مقابله با تاثیرات تشدید در یک پل، خیلی مهم است که در پل کاهنده‌های امواجی طراحی شود تا در این امواج تداخل ایجاد کرده و از شدت آن بکاهد. ایجاد تداخل یک روش موثر در برابر امواج مخرب است. تکنیک‌های 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 می‌تواند در امتداد پل حرکت کرده و منتقل شود. اگر جاده از تکه‌‌های مختلفی تشکیل شده باشد و صفحات آن همدیگر را همپوشانی کرده باشند آنگاه جنبش از یک بخش توسط صفحات به بخش دیگر منتقل میشود. از آنجا که آن صفحات بر روی یکدیگر قرار گرفته‌اند، اصطکاک نیز ایجاد میشود. این ترفند، اصطکاک کافی را برای تغییر فرکانس امواج مرتعش را تولید می‌کند. با تغییر فرکانس از ورود امواج مخرب به سازه جلوگیری میشود. تغییر بسامد به طرزی موثر دو نوع مختلف از موج را به وجود می‌آورد که موجب خنثی شدن یکدیگر می‌شوند.
آب و هوا
نیروی طبیعت به ویژه آب و هوا به گونه‌ای است که مبارزه با آن مشکل و حتی در برخی موارد امکان پذیر نیست. باران، یخبندان، طوفان و نمک هر کدام به تنهایی می‌توانند در فرو پاشی پل نقش بسزایی داشته و تحت یک مجموعه به احتمال بسیار قوی خواهند توانست پل را تخریب کنند.