ساختار كار پلها

این مقاله به بحث و بررسی پیرامون انواع پل ها و ساختارشان پرداخته است. شما در این مقاله با انواع پل های تیری، پل های قوسی، پلهای زیرقوسی و پل های معلق آشنا خواهید شد. به علاوه این كه نیروهایی را كه بر پلها تاثیر می گذارند را خواهید شناخت.
این مقاله با زبانی ساده و قابل فهم به بررسی پلها می پردازد. امید است مورد رضایت شما قرار گیرد. بدون شك تا به حال پلی را دیده اید و یا به احتمال زیاد از روی یكی از آنها عبور كرده اید. حتی اگر شما تخته یا كنده درخت را برای جلوگیری از خیس شدن خود بر روی آب قرار دهید در واقع شما یك پل ساخته اید. حقیقتاً پل ها در همه جا وجود دارند و در واقع یك بخش طبیعی وبدیهی از زندگی روزمره ی ما را تشكیل می دهند. یك پل مسیری را بر روی مانع ایجاد می كند كه این موانع می تواند رودخانه، دره، جاده، خطوط راه آهن و ... باشد.در این مقاله ما سه نوع اصلی از پل ها را مورد مطالعه و بررسی قرار خواهیم داد كه شما می توانید بفهمید كه هركدام چگونه كار می كنند. نوع پل بكار رفته در یك مكان به نوع مانع موجود در آنجا بستگی دارد. معیار اصلی در تعیین نوع پل وسعت و گستردگی آن مانع می باشد. چه مسافتی میان طرفین مانع وجود دارد؟ این مسئله، فاكتور اصلی در تعیین نوع پلی است كه قرار است در آن محل احداث شود. با سپری شدن زمان و مطالعه ای مقاله علت آن را متوجه خواهید شد.
*** 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 اینكه آن ستون، دیوارهای دره یا پل باشد. طول پل تیری مدرن امروزه از 200 پا (60متر) تجاوز نمی كند. در حالی كه یك 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 كه یك پل قوسی بتواند درازای بیشتری نسبت به پل تیری داشته باشد؟ و یا یك معلق بتواند تقریباً تا 7 برابر طول پل قوسی را داشته باشد. جواب این سوال زمانی بدست می آید كه بدانیم چگونه انواع پلها از دو نیروی مهم فشاری و كششی تاثیر می پذیرند.
نیروی فشاری : نیرویی است كه موجب فشرده شدن و یا كوتاه شدن چیزی كه بر روی آن عمل می كند می شود.
نیروی كششی : نیرویی است كه سبب افزایش طول و گسترش چیزی كه بر روی آن عمل می كند، می گردد.
در این زمینه می توان از فنر به عنوان یك مثال ساده نام برد. زمانی كه آن را روی زمین فشار می دهیم و یا دو انتهای آن را به هم نزدیك می كنیم، در واقع ما آن را را متراكم می سازیم. این نیروی تراكم یا فشاری موجب كوتاه شدن طول فنر می شود. و نیز اگر دو سر فنر را از یكدیگر دور سازیم، نیروی كششی در فنر ایجادشده، طولفنر را افزایش می دهد.نیروی فشاری و كششی در همه پل ها وجود دارند و وظیفه طراح پل این است كه اجازه ندهد این نیروها موجب خمش و یا گسیختگی گردد. خمش زمانی اتفاق می افتد كه نیروی فشاری بر توانایی شئ در مقابله با فشردگی غلبه كند. بهترین روش در موقع رویارویی با این نیروها خنثی سازی،پخش و یا انتقال آنهاست. پخش كردن نیرو یعنی گسترش دادن نیرو به منطقه وسیع تری است چنانكه هیچ تك نقطه مجبور به متحمل شدن بخش عمده ی نیروی متمركز نباشد. انتقال نیرو به معنی حركت نیرو از یك منطقه غیر مستحكم به منطقه مستحكم است، ناحیه ای كه برای مقابله با نیرو طراحی شده و منظور گردیده است. یك پل قوسی مثال خوبی برای پراكندگی است حال آنكه پل معلق نمونه ای بارز از انتقال نیروست.
پلهای تیری : یك پل تیری، اساساً یك سازه افقی مستحكم است كه بر روی دو پایه نصب شده است و این پایه ها، هر یك در انتهای طرفین پل قرار دارند. وزن پل و هرگونه وزن اضافی دیگر كه 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 كه بخش بالایی عرشه كوتاه- تر گردد.
كشش : برآیند نیرو فشاری در بخش بالایی عرشه به ایجاد نیروی كششی در بخش پایینی عرشه پل منجر می شود. این كشش موجب افزایش طول در بخش پایینی پل می شود.
پراكندگی : بسیاری از پلهای تیری كه 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 كه تیر دارد محاسبه می شود.با افزایش ارتفاع تیر، به مقدار مصالح بیشتری برای پراكنده كردن كشش مورد نیاز است. طراحان پل برای ایجاد تیر های بلند از شبكه های فلزی یا خرپا بهره می گیرند. این خرپا به تیر استحكام داده و توانایی آن را در پخش كردن نیروی فشاری یا كششی افزایش می دهد. زمانی كه تیر شروع به متراكم شدن می كند، 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 كه خرپا به نقطه می رسد كه دیگر نمی تواند وزن خود را تحمل كند.
انواع پل های تیری : پل های تیری به سبك های بسیار زیادی ساخته می شود. نوع طراحی، مكان و چگونگی ساخت یك خرپا، تعیین كننده نوع یك 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. یكی از ابتدایی ترین و مشهور ترین آنها خرپای «هاو»1 بود كه در سال ١8٨۴ توسط «ویلیام هاو»2 طراحی و ابداع شد.شهرت ابداع جدید وی در طرح خرپایش نبود، چرا كه مشابه طرح kingpost بود. چگونگی استفاده از تیرهای آهنی عمودی با مجموعه ای از تیر های چوبی مورب طرح او بود كه مورد توجه قرار گرفت. بسیاری از پلهای تیری امروزه هنوز از طرح هاو در خرپایشان استفاده می كنند.
مقاومت خرپا : یك تیر به تنهایی هرگونه فشردگی یا كشش را در بر خواهد گرفت. بیشترین فشردگی در بالاترین نقطه تیر و بیشترین كشش در در پایین ترین نقطه تیر است. در وسط تیر فشردگی و كشش كمتری وجود دارد.اگر تیر طوری طراحی شود كه بیشترین مقدار مصالح در بالا و پایین تیر و در وسط تیر مصالح كمتری مصرف شود، بهتر خواهد توانست نیروهای كششی یا فشاری را تحمل كند. ( در توضیح می توانیم بگوییم كه تیر های I شكل مستحكم تر از تیر های مستطیلی ساده است).مركز تیر از عضو های مورب خرپا تشكیل شده طوری كه بالا و پایین خرپا نشان دهنده بالا و پایین تیر است. با نگرش به خرپا به این شیوه ما قادریم ببینیم كه بالا و پایین تیر مصالح بیشتری نسبت به مركز آن مصرف می كند(به این دلیل كه مقوای چین دار خیلی مستحكم است).در اضافه به مطالب فوق در مورد تاثیرات خرپا، علت دیگری نیز وجود دارد دالّ براینكه چرا خرپا مستحكم تر از تیر است: یك خرپ توانایی پخش كردن نیرو را دارد. خرپا طوری طراحی شده است كه به دلیل داشتن تعداد زیادی از مثلث ها _كه به طور معمول در آن مورد استفاده قرار می گیرد_ هم می تواند یك سازه بسیار مستحكم ایجاد كند و هم كار انتقال نیرو را از یك نقطه به منطقه وسیعی انجام دهد.
پل قوسی : یك پل قوسی سازه ای است به شكل نیم دایره كه در هر طرف آن نیم پایه (پایه های جناحی) قرار دارد. طراحی قوس طوری است كه به طور طبیعی وزن عرشه پل را به نیم پایه ها منتقل و منعطف می كند.
فشار : پلهای قوسی همواره تحت فشار قرار گرفته اند. نیروی فشاری همواره در امتداد قوس و به سمت نیم پایه ها وارد می شود.
كشش : كشش در یك قوس ناچیز و قابل اغماض است. خاصیت طبیعی خمیدگی قوس و توانایی ان در پخش نیرو به بیرون، به طور قابل ملاحظه ای تاثیرات كشش را در قسمت زیرین قمس كاهش می دهد. هرچند با زیاد شدن زاویه ی خمیدگی ( بزرگتر شدن نیمدایره قوس) تاثیرات نیروی كششی نیز در آن افزایش می یابد.همانطور كه اشاره شد، شكل قوس به تنهایی موجب می شود كه وزن مركز 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
پراكندگی : انواع قوس ها محدود هستند. امروزه قوس هایی مانند «رمان»3 ، «باروك»۴ و «رنسانس»۵ وجود دارند كه همه آنها از نظر معماری و ظاهری متمایز هستند ولی از نظر ساختار یكسانند. میزان مقاومت این پلها به شكل هندسی آنه بستگی دارد. یك پل قوسی احتیاج به هیچگونه تكیه گاه یا كابل ندارد. و قوسهایی كه از سنگ ساخته شده است حتی نیازی به ساروج یا ملاط نیز ندارد. در گذشته نیز رومیان باستان پلهای قوسی (پل آب بر) ساخته اند كه هنوز هم پابرجا هستند و سازه های آنه امروزه نیز با اهمیت به شمار می آید.
پل معلق : پل معلق پلی است كه توسط كابل ها (یا ریسمانها یا زنجیرها) در عرض رودخانه (یا در هر جایی كه مانع وجود داشته باشد) كشیده شده اند و عرشه توسط این كابل ها معلق مانده است. پل های معلق مدرن دو برج در میان پل دارند كه كابل ها آن را می كشند. بنابراین برج ها بیشترین وزن جاده را تحمل می كنند.
نیروی فشاری : نیروی فشاری عرشه پل معلق را به سمت پایین متراكم می سازد در نتیجه این نیروی فشاری به برجها وارد می آیند. اما از آنجا كه این یك پل معلق است، كابلها این نیروی فشاری را از برجها گرفته و آن را در بین خود پراكنده می كنند. و آن را به زمین منتقل می كنند، جایی كه آنها محكم بسته شدند.
كشش : كابلهایی كه میان دو لنگرگاه خود یعنی تكیه گاهها قرار گرفته اند، دریافت كننده نیروی كششی هستند. وزن پل و حمل و نقل روی آن سبب می شود كه این كابل ها به شدت كشیده شوند. تكیه گاهها نیز تحت كشش هستند ولی از آنجا كه همانند برجها، محكم به زمین بسته شده اند، كشش موجود در آنها پراكنده می شود. تقریباً همه پلهای معلق به غیر از كابل ها از یك سامانه خرپا نیز بر خوردارند كه در زیر عرشه پل قرار گرفته است (Deck truss). این سامانه موجب استحكام بیشتر عرشه و كاهش تمایل سطح جاده به نوسان و مواج شدن می شود.
انواع پلهای معلق : پلهای معلق به دو شكل طراحی می شوند: پل معلقی كه به شكل M است و نوع كم كاربردتری كه به صورت «كابل ایستاده»6 طراحی شده كه بیشتر شبیه A است. پلهای كابل ایستاده دیگر مانند پلهای معلق معمولی نیازی به دو برج و چهار تكیه گاه ندارند. در عوض كابلها از سمت جاده به بالای برج محكم بسته شده اند. در هر دو نوع پل، كابلها تحت كشش هستند.
نیروهای دیگر در پل : ما در مورد دو نیروی بزرگ و مهم فشاری و كششی در طراحی پل بسیار صحبت كردیم. تعداد بسیار زیاد دیگری از نیروها در پل وجود دارند كه 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 یكی از نیروهایی است كه به طور موثر در پلهای قوسی و تیری وجود ندارد ولی به میزان قابل ملاحظه ای در پلهای معلق وجود دارد. شكل طبیعی قوس و خرپاهای موجود در پلهای تیری اثرات مخرب این نیرو را از بین می برد. پلهای معلق به دلیل معلق بودن در هموا (توسط كابلها) 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 كه همانند پلهای تیری تاثیرات نیروی گشتاوری را كاهش می دهد ولی در پلهایی با طول زیاد، خرپای موجود در عرشه به تنهایی كافی نیست. آزمون « تونل باد»7 برای سنجش میزان مقاومت پل در برابر جنبش های چرخشی بر روی مدل آزمایش می شود. ایجاد خرپاهای آیرودینامیك در سازه هاو كابلهای آویزان مورب از روش هایی هستند كه برای تقلیل تاثیرات نیروهای گشتاوری به خدمت گرفته می شود.
تشدید : تشدید ( ارتعاش در چیزی كه توسط نیروی خارجی به وجود آمده و با ارتعاش طبیعی اصل آن چیز، هماهنگ و هم موج است) نوعی نیرویی است، افسار گسیخته كه می تواند بر روی پل اثرات مخربی بگذارد. امواج تشدید كننده از میان پل به صورت امواج عبور خواهد كرد. یك نمونه مشهور از قدرت تخریب این امواج مرتعش پل «تاكوما ناروز»8 است كه در سال 1940 توسط بادی با سرعت 40 مایل در ساعت (64 كیلومتر در ساعت) تخریب شد. بررسی های دقیق از محل نشان می دهد كه خرپای عرشه ناكارآمد 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 كه این امواج توانستند پل را فرو ریزند. زمانی كه یك ارتش بر روی پل رژه می رود، اغلب به سربازان گفته می شود " قدمرو" . با این كار، ریتم رژه ی آنها سبب ایجاد تشدید در پل می شود. اگر ارتش به اندازه كافی بزرگ باشد و آهنگ ارتعاشی لازم را داشته باشد در نهایت می تواند پل را فرو پاشد.به منظور مقابله با تاثیرات تشدید در یك پل، خیلی مهم است كه در پل كاهندهای امواجی طراحی شود تا در این امواج تداخل ایجاد كرده و از شدت آن بكاهد. ایجاد تداخل یك روش موثر در برابر امواج مخرب می باشد. تكنیك های كاهش امواج معمولاً شامل اینرسی نیز هستند. اگر پلی، به عنوان مثال یك جاده با سطح پیوسته و یك تكه داشته باشد، یك موج قوی می تواند در امتداد پل حركت كرده و منتقل شود. اگر جاده از تكه های مختلفی تشكیل شده باشد و صفحات آن همدیگر را همپوشانی كرده باشند آنگاه جنبش از یك بخش توسط صفحات به بخش دیگر منتقل می شود. از آنجا كه آن صفحات بر روی یكدیگر قرار گرفته اند، اصطكاك نیز ایجاد می شود. این ترفند، اصطكاك كافی را برای تغییر فركانس امواج مرتعش را تولید می كند. با تغییر فركانس می توانیم از ورود امواج مخرب به سازه جلوگیری كنیم. تغییر بسامد به طرزی موثر دو نوع مختلف از موج را به وجود می آورد كه موجب خنثی شدن یكدیگر می شوند.
آب و هوا : نیروی طبیعت به ویژه آب و هوا به گونه ایست كه مبارزه با آن مشكل و حتی در برخی موارد امكان پذیر نیست. باران، یخبندان، طوفان و نمك هر كدام به تنهایی می توانند در فرو پاشی پل نقش بسزایی داشته و تحت یك مجموعه به احتمال بسیار قوی خواهند توانست پل را تخریب كنند. طراحان پل با مطالعه و بررسی شكست های گذشته حرفه ی خود را بدرستی آموخته اند. آنان آهن را به چوب عوض كردند و سپس فولاد را جایگزین آهن كردند. بعد ها از بتون بطور گسترده در پلها بهره گرفتند. هر كدام از مواد و مصالح جدید و یا تكنیك های طراحی، ثمره درسهایی است كه در گذشته آموخته اند. با دانستن نیروی گشتاوری، تشدید و آیرودینامیك ( بعد از چند شكست بزرگ ) طراحی های بهتر نیز شكل گرفت.تا آنجاكه توانستند بر مسئله آب و هوا غلبه كنند. تعداد شكست های مرتبط با آب و هوا و شرایط جوی بسیار فراتر از تعداد شكست ها در زمینه طراحی بوده است. این شكست ها به ما آموخته است كه همواره به دنبال راه حلبهتری باشیم.