بارگذاری پل ها
بارگذاری پلها
۱ - ۲ بارهای وارد بر سازه پل
در طرح سازه پل با توجه به نوع و موقعیت آن کلیه نیروهایی را که احتمال وارد آمدن بر سازه پل می رود باید در نظر گرفته شود . بارهای وارد بر سازه بل عبارتند از:
1- بار مرده
بار مرده یک پل شامل وزن سازه به اضافه وزن هر وسیله متصل به آن می باشد ، ومضى از پلها جهت انتقال آب با انتقال سرویسهای موردنیاز عموم بکار برده می شوند که ممکن است وزن قابل ملاحظه ای را داشته باشند . در طرح اولیه لازم است که بار مرده برآورد گردد. وزن واقعی سازه پس از طرح را میتوان محاسبه کرد و با وزن برآورد شده مقایسه کرد. معمولا این دو وزن با یکدیگر توافق نخواهند کرد که در این صورت براساس بار مرده جدید دوره طرح تکرار می گردد . اگر در پایان دوره دوم طرح اندازه اعضا تغییر کند در این شرایط بار مرده باید مجدا" محاسبه گردد . اینگونه تکرر محاسبات باید آنقدر ادامه یابد تا بار مرده منظور شده در محاسبات عملا" برابر وزن سازه و متعلقات آن گردد . البته یک مهندس با تجربه ممکن است که در طی دو دوره طرح به مقدار واقعی بار مرده پرسد . ضمنا" اگر برنامه کامپیوتری برای این منظور مورد استفاده قرار گیرد، در این صورت در طی زمان کوتاهی با تکرار چند مرحله طرح میتوان به جواب نهایی رسید .
رسیدن به یک مقدار نهائی بار مرده یک قسمت از سازه قبل از اینکه قسمت تکیه گاهی آن طرح گردد امکان پذیر است و به عنوان مثال ، سیستم سقف را میتوان قبل از طرح تیرهای حمال اصلی یا خرپاها طرح کرد و وزن نهائی کل سازه رویه را می توان قبل از شروع به طرح ساره زیرین تعیین کرد. بنابراین تعیین بار مرده مقدماتی قسمتی از سازه چندان دشوار نمی باشد . بطور کلی مطالعه پلهای مشابه ساده ترین و مطمئن ترین روش برای تخمین بار مرده مقدماتی به شمار می آید .
در صورتیکه بتن مورد استفاده در برابر فرسایش مقاوم باشد، وسایل نقلیه می توانند مستقیما" از روی دال پنی عمور نمایند. در مناطقی که از لاستیک یخ شکن با زنجیر چرخ استفاده می شود پوشش جداگانه ای باید برای پل در نظر گرفته شود . اگر وزن روکشهایی که در آینده (احتمالا" ) روی پل قرار خواهند گرفت در بررسی اولیه پل در نظر گرفته شوند لزومی به بررسی و تجدید نظر در محاسبات، هنگامیکه پوشش اضافه می شود نخواهد بود .
2- بار زنده
طراحی پل های راه شوسه باید به نحوی صورت گیرد که پل برای کلیه وسایل نقلیه ای که احتمالا از روی آن عبور خواهند کرد مطمئن و ایمن باشد و چون طراح دقیقا" نمیداند
چه ماشین هایی در آینده از روی سازه عبور می کنند و همچنین عمر سرویس دهی نیز معلوم نیست و از این رو برای حصول اطمینان بیشتر مقاومت سازه کمی بیشتر در نظر گرفته میشود.
لازم به ذکر است که در بعضی حالات لازم است با وضع مقررات راهنمایی از عبور وسایل نقلیه بسیار سنگین از روی بعضی از پلها جلوگیری شود .
بدلیل تغییرات زیادی که در وزن و فاصله محورهای وسایل نقلیه وجود دارد ، آئین نامه های پولسازی تعدادی بار استاندار به قرار زیر را برای طرح پلها پیشنهاد می کنند
- بار کامیون با کامیونهای استاندارد با وزن و ابعاد معلوم . - بار گسترده هموار همراه با یک یا دو بار متمرکز که در عمل پیانگر وضعیتی است که تمام دهانه پل در اثر ترافیک مملو از وسایل نقلیه معمولی گشته و احیانا" یک یا دو محور سنگین تر در میان آنها وجود داشته باشد. - بار تانک ارتشی استاندارد که به منظور احتمال عبور تانک ارتشی از روی پل درنظر گرفته می شود .
- بار چرخ منفرد با وزن معلوم که برای طرح موضعی قسمتهای نازک عبورگاه به کار برده می شود .
3- اثر دینامیکی چرخها (ضربه)
این موضوع کاملا" شناخته شده است که وسیله نقلیه در حال حرکت تنشهایی بیش از همان وسیله نقلیه ساکن ایجاد میکند. این افزایش را اثر دینامیکی مینامند. البته این پدیده در بین طراحان پل به " ضربه " موسوم است . این تعبیر از نظر علمی شاید صحیح نباشد زیرا مفهوم برخورد دو جسم را دارد ، که ناشی از افتادن چرخهای وسیله نقلیه در پستی و بلندیهای پول می باشد. اما منظور از ضربه در اینجا علاوه بر مورد ذکر شده، به اثرات ناشی از اعمال بار زنده در فاصله زمانی کوتاه نیز گفته می شود .
با انجام محاسبات ساده و استفاده از تئوری های دینامیک می توان نشان داد، باری که در زمان کوتاه به تیری وارد گردد تنشهائی دو برابر بار استاتیکی با همان مقدار ایجاد می کند . البته بار زنده برروی پل ها هیچوقت لحظه ای وارد نمی شود بلکه در مدت زمان محدودی اعمال می گردد . لازم به ذکر است که اثر دینامیکی ناشی از بارهای ناگهانی برای همه اعضای سازه ای پل یکسان نیست .
علاوه بر اثرات ضربه واقعی و بارهای ناگهانی اثر سومی نیز وجود دارد که ناشی از ارتعاش وسیله نقلیه بر روی فنرهایش می باشد که در راههای ناهموار بیشتر به چشم می خورد ارتعاش وسیله نقلیه برروی فنرهایش ، سازه را نیز دچار ارتعاش می کند و اندازه تنشهای بوجود آمده به نسبت جرمهای وسیله نقلیه و پل ، فرکانس طبیعی سازه و مشخصات استهلاکی پل مربوط است.
مطالعه مستقیم اثر دینامیکی یک وسیله نقلیه بخصوص بر روی یک پل معین چون احتیاج به اندازه گیریهایی در مورد خواص سازه دارد کاری مشکل و حتی غیر عملی است . به این دلیل در آئین نامه های پلسازی روش معمول برآنست که یک مقدار تقریبی برای اثر دینامیکی بار زنده منظور شده و بنام ضریب ضربه می باشد.
۴- نیروهای افقی
در هنگام ترمز گرفتن با شتاب گرفتن وسیله نقلیه روی پل ، نیروهای طولی از طریق چرخهای وسیله نقلیه به عرشه منتقل می گردند که مقدار آنها بستگی به مقدار شتاب افزاینده با کاهنده وسیله نقلیه دارد . حداکثر نیروی طولی از ترمز ناگهانی وسیله نقلیه ایجاد میگردد. در این حالت مقدار نیرو به وزن وسیله نقلیه، سرعت وسیله نقلیه درلحظه شروع ترمز و فاصله زمانی که به ایستادن کامل منجر می گردد، بستگی دارد . مقدار این نیرو از رابطه زیر محاسبه می گردد.
F=m∆v/∆t
m=w/g
w = وزن وسیله نقلیه
g= شتاب ثقل ۵۷: تغییر سرعت در زمان با
.
به عنوان مثال اگر کامیونی به وزن ۴۵ تن و سرعت ۷۰ کیلومتر در ساعت بطور ناگهانی
ترمز کند، مقدار نیرویی که این وسیله را از آن سرعت به سرعت صفر می آورد در مدت زمان ۶ ثانیه به قرار زیر است :
F=70*1000/3600/6*45=145.8 KN
از آنجائی که ضریب اصطکاک لاستیک روی جاده خشک تقریبا" برابر 0.75 می باشد این نیروی افقی تقریبا" بطور کامل به پل منتقل می گردد . ضمنا" اگر تعدادی کامیون در یک جهت حرکت کنند و بطور همزمان ترمز کنند نیروی فوق چند برابر خواهد بود .
۵ - نیروی گریز از مرکز
این نیرو در پلهائی که در سطح افق انحنا دارند در اثر حرکت یک وسیله نقلیه بر روی پل بوجود می آید که در امتداد شعاع انحنای پل و عمود بر جهت حرکت وسیله نقلیه می باشد . مقدار این نیرو از رابطه زیر داده می شود : که
w = وزن وسیله نقلیه: شتاب ثقل
v= سرعت وسیله نقلیه
r= شعاع انحنای مسیر با پل
F=mv^2/r
۶- نیروهای باد
محاسبه نیروهای باد برروی سازه پل بسیار پیچیده است و این موضوع برای طراحان همیشه مطرح بوده است . نیروهای باد طبق آنچه که در آئین نامه آمده است ، برای هر سازه بطور تقریبی محاسبه می شود . مسئله باد برای یک سازه خاص بسیار پیچیده است زیرا عوامل زیادی چون شکل و اندازه پل ، زاویه وزش باد،اثرات جنس لایه های زمین و تغییرات سرعت باد برحسب زمان در محاسبه نیروی باد بسیار موثرند. باید توجه داشت که نیروی باد یک نیروی دینامیکی است زیرا ممکن است سرعت باد در مدت کوتاهی به مقدار حداکثر خود برسد و برای مدتی هم ادامه پیدا کند یا به سرعت قطع شود (تندباد ) . اگر مدت زمان به حداکثر رسیدن سرعمش، باد مساوی با بزرگتر از پریود طبیعی سازه باشد نیروی باد را میتوان به صورت یک شهروی استاتیکی به اندازه فشار حداکثر باد در نظر گرفت . این شرایط برای اکثر پلها صادق است .
۷ - نیروی زلزله ،
تا چندی پیش در طرح پلها اثرات ناشی از زلزله کمتر در نظر گرفته می شد و با اینکه فقط اثرات آن برروی پیها مطالعه می گردید، تا اینکه پلهای متعددی در اثر زلزله فروریختند. مطالعات مختلف نشان داده است که علت این خرابیها یکی از دلایل زیر بوده است :
١- لرزش قسمت فوقانی و در نتیجه سقوط سازه . ۲- شکست پایهها. ٣- واژگونی پرایدها در اثر حرکات بزرگ زمین . ۴- کم شدن مقاومت خاک زیر پیها در اثر ارتعاشات زمین .
مسئله مهم در طرح پلها پابرجا ماندن آنها بعد از بروز زلزله است تا وسایل نقلیه کمک رسانی از قبیل آمبولانس و ماشینهای آتش نشانی بتوانند وظایف خود را انجام دهند.
اثرات ناشی از یک زلزله برروی یک سازه بستگی به رفتار ارتجاعی آن سازه و نحوه توزیع نیروی وزن دارد . مطالعه دقیق رفتار سازه تحت نیروهای زلزله احتیاج به مطالعه رفتار دینامیکی سازه دارد که کار مشکلی است ، علاوه بر آن برای تحلیل دینامیکی سازه دراثر شهر وی دینامیکی زلزله لازم است که حرکات زمین در زیر بیها مشخص باشد. ولی عموما" برای در نظر گرفتن اثرات نیروی زلزله خیلی ساده فرض می شود که نیروی زلزله به صورت نیروهای جانبی در جهات مختلف در مرکز ثقل سازه أعمال شود و مقدار آن درصدی از وزن
کل سازه، و یا قسمتی از سازه تحت مطالعه باشد. سپس این نیروهای جانبی بصورت بارهای استاتیکی به سازه امسال میگردد و سرانجام تحلیل سازه بصورت استاتیکی انجام می شود .
یکی از مسائل مهمی که در طراحی پل ها در رابطه با اثرات زلزله باید در نظر گرفته شود اثرات آب بر روی پایه های پل دراشنای زمین لزره می باشد. مطالعاتی که بر روی هر جنهای غوطه ور در آب انجام شده است نشان میدهد که برای مطالعه نیروهای زلزله باید یک جرم اضافی علاوه بر وزن پایه ها در نظر گرفته شود. مقدار این جرم اضافی به نسبت شعاع ستون بهارتفاع آب بستگی دارد و مقدار آن برابر جرم آب جابجا شده توسط پایه ها می باشد. بطور کلی در مناطق فعال زلزله و مخصوصا" هنگامی که پایه ها در آب غوطه ور باشند باید یک مطالعه دقیق دینامیکی صورت گیرد .
۸- فشار جریان آب
در مناطقی که جریان آب وجود دارد بیها باید بتوانند در مقابل فشار آب مقاومت کنند . این فشار میتواند باعث لغزش و یا واژگونی پایه ها شود. علاوه بر آن جریان آب قادر است تحت شرایطی باعث شسته شدن اطراف پایه ها شود که بسیار مهم است و باید در نظر گرفته شود . بطور کلی برای طرح پلهایی که از زیر آنها جریان آب میگذرد مطالعات دقیقی در باره سرعت جریان آب بسیار ضروری است . این قبیل اطلاعات برای رودهای بزرگ در کشورهای پیشرفته تهیه شده اند و از روی آنها سرعت هایی را که رود های مختلف می توانند داشته باشند بدست می آید. در صورتیکه این اطلاعات بدلایل گوناگون در دسترس نباشند، باید سعی شود که به کمک اطلاعات موجود بهترین تخمین در رابطه با سرعت جریان آب زده شود .
فشار آب وارد بر یک سطح صلب را میتوان از رابطه زیر تعیین کرد :
P=Kv^2
که م: واحد فشار
v: حداکثر سرعت ممکنه آب K= ثابتی است که بستگی به وزن آب و شکل پایه دارد که توسط آئین نامه تعیین می گردد.
هر چند که فشار آب متناسب با عمق آب میباشد اما بصورت تقریبی میتوان فشار را در عمق آب ثابت فرض کرد.
9- فشار یخ شناور
در مناطق سرد سیر یخهای شناور می توانند نیروهای زیادی را به پایه های پل وارد سازند. بعضی از پلها در اثر فشار یخ کاملا" فرور ریخته اند.
۱۰ نیروی ناشی از تغییرات درجه حرارت
انبساط و انقباض حاصل از تغییرات درجه حرارت باعث ایجاد حرکات و یا تنشهای قابل توجهی در سازه پل میگردد که باید در طرح پل مورد بررسی قرار بگیرد . نیروهای داخلی حاصل از تغییرات درجه حرارت مخصوصا" در سازه های نامعین از اهمیت بیشتری برخوردار می باشد.
۱۱- نشست و یا چرخش تکیه گاهها
در مناطقی که زمین زیر پایه ها از مقاومت یکسانی برخوردار نباشد نشست نامتقارن با چرخش تکیه گاهها ایجاد خواهد شد که در سازه نامعین نیروهای داخلی قابل توجهی را ایجاد خواهند کرد.
۱۲- فشار خاک
اثر فشار جانبی خاک و در صورت لزوم فشار وسایط نقلیه قبل از رسیدن به پل یا پس از عبور از آن بصورت رانش افقی بر پایه های کناری پل باید در محاسبات منظور گردد.
۱۳ - نیروی غوطه وری
هرگاه قسمتی از سازه پل در آب بحالت شناور در آید ، اثر نیروی غوطه وری باید در طرح پل در نظر گرفته شود.
۱۴ - بارهای موقت
تمام نیروهای موقتی که در زمان ساخت و اجرای پل به اعضای سازه وارد می گردد در محاسبات طرح پل باید منظور گردند.
۱۵- نیروهای برخورد
در صورتیکه ستونها و قطعاتی از پل در معرض برخورد وسایط نقلیه باشند این نیروها
