به نام تنها معمار هستی
دانشگاه آزاد اسلامی واحد سقز
دانشجو: کمـال سعیدنژاد
استاد: جناب آقای مهندس ضیاء نعمانی
درس و عنوان: روشهای طراحی وتولید صنعتی(سازه های کابلی)
سال تحصیلی: بهار92
رشته تحصیلی: مهندسی معماری
سازه های کابلی خالص ترین رفتار سازه ای را دارند.
سازه های کابلی دراری رفتار خالص کششی هستند.
این سازه ها از تمام مقاومت خود بهره می برند.
فرم این سازه ها خود به خود شکل گرفته وفرمی پر بازده است.
جز با سازه کابلی، با هیچ سازه دیگری نمی توان از دهانه بیش از یک کیلومتر (وشاید ۵۰۰ متر) عبور کرد.
فرم طبیعی که کابل در برابر بارها به خود می گیرد منحنی طنابی است.
بار گسترده با فواصل افقی مساوی به کابل فرم سهمی،و بار گسترده با فواصل مساوی در طول کابل، به آن فرم بیضی می دهد.
کابل بدون افت نمی تواند بار تحمل کند.
طول کابل با افت کابل نسبت مستقیم دارد.
نیروی کابل، مقطع کابل ونیروی رانش تکیه گاه ها با افت کابل رابطه معکوس دارد.
تاریخچه پل کابلی
با اینکه به نظر می رسد پل های کابلی به آینده چشم دوخته اند، ایده آن ها مسیر طولانی را پیموده است. اولین طرح شناخته شده از یک پل کابلی در کتابی به نام "ماشین های نووا" – منتشر شده در سال 1595 – آورده شده ولی این ایده تا قرن حاضر که مهندسان شروع به استفاده از پل های کابلی نمودند؛ مورد استقبال واقع نشده بود. در جنگ جهانی دوم که فولاد کمیاب بود، این طرح برای بازسازی پل های بمباران شد که هنوز فوندانسیون هایشان پابرجاست، کامل بود. با اینکه از احداث پل های کابلی در آمریکا دیری نمی گذرد، واکنش ها در این مورد بسیار مثبت بوده است.
پل کابلی و نحوه عملکرد آن
یک پل کابلی نوعی، یک تیر حمال(عرشه پل) پیوسته با یک یا چند برج بنا شده بالای پایه های پل در وسط دهانه است. از این برج ها، کابل ها به صورت اریب به سمت پایین (معمولا هر دو طرف) کشیده شده و تیر حمال(عرشه پل) را نگه می دارد.
کابل های فولادی بی نهایت قوی و در عین حال بسیار انعطاف پذیر هستند. کابل ها بسیار مقرون به صرفه می باشند چون سبب ساخت سازه ای سبکتر و باریکتر شده که در عین حال قادر به پل زدن بین مصافت های بیشتری است.اگرچه تنها تعداد کمی از آن ها برای نگه داشتن کل پل قوی هستند، انعطاف پذیریشان آن ها را در مقابل نیرو هایی که به ندرت در نظر گرفته می شوند مانند باد؛ ضعیف می نماید.
برای پل های کابلی با دهانه های طولانی به خاطر تضمین ثبات و پایداری کابل ها و پل در مقابل باد، می بایست مطالعات دقیقی انجام شود. وزن سبکتر پل یک وضع نامساعد در بادهای سهمگین و یک مزیت در مقابل زلزله محسوب می شود. نشست غیر هم سطح فوندانسیون ها که به مرور زمان یا طی یک زلزله روی می دهد، می تواند پل کابلی را دچار آسیب کند. پس باید در طراحی فوندانسیون ها 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 کابل ها و به طور کلی سازه، طراحی پل را بسیار پیچیده مینماید. برای دهانه های طولانی تر، جایی که باد و نوسانات باید مورد توجه قرار گیرند؛ محاسبات بی نهایت پیچیده اند و عملا بدون کمک کامپیوتر و آنالیز کامپیوتری غیر ممکن می باشند. علاوه بر این ساخت پل کیده ای مشکل می باشد. اتصالات، برج ها، تیر های حمال و مسیر کابل ها سازه های پیچیده ای هستند که مستلزم ساخت دقیق می باشند.
طبقه بندی پل های کابلی
طبقه بندی واضحی برای پل های کابلی وجود ندارد. به هر حال آن ها می توانند توسط تعداد دهانه ها، برج ها و کابل ها و همچنین نوع تیر های حمال از یکدیگر تمیز داده شوند.
تنوع بسیاری در تعداد و نوع برج ها و همچنین تعداد و چینش کابل ها وجود دارد. برج های نوعی به صورت تکی، دوتایی، دروازه ای و یا حتی برج های A شکل استفاده شده اند.
علاوه بر این چینش کابل ها به طور عمده ای متفاوت می باشند. بعضی اقسام دارای چینش تکی، چنگی(موازی)، پنکه ای(شعاعی) و ستاره ای هستند. در بعضی موارد تنها کابل های یک طرف برج به عرشه وصل می شوند و طرف دیگر روی یک فندانسیون یا وزنه برابری لنگر می اندازند.
مزایای و تفاوت های پل کابلی
برای طول متوسط دهانه ها (150 تا 850 متر) پل کابلی سریعترین انتخاب مناسب برای یک پل می باشد. نتیجه یک پل مقرون به صرفه است که زیبایی آن غیر قابل انکار است. همچنین پل کابلی بهترین پل برای طول دهانه بین پلهای بازویی و معلق می باشد. در این محدوده طول دهانه، یک پل معلق مقدار بسیار بیشتری کابل نیاز خواهد داشت و این در حالی است که یک پل بازویی کامل، به طور قابل ملاحضه ای به مصالح بیشتر نیاز دارد که آن را به مقدار چشمگیری سنگین تر می نماید.
ممکن است به نظر برسد پل کابلی شبیه پل معلق است. با اینکه هر دو دارای عرشه هستند که از کابل ها آویزانند و هر دو دارای برج هستند؛ ولی این دو پل بار عرشه را به طرق بسیار متفاوتی نگه می دارند. این اختلافات در چگونگی اتصال کابل ها به برج می باشد. در پل معلق کابل ها آزادانه از این سر تا آن سر دو برج کشیده شده اند و انتقال بار به تکیه گاه های واقع در هر انتها صورت می گیرد. در پل کابلی، کابل ها در حالی که به برج ها متصلند به تنهایی بار را تحمل می کنند. در مقایسه با پل های معلق، پل کابلی به کابل کمتری نیاز دارد، می توان آن را از قطعات بتن پیش ساخته مشابه ساخت و همچنین احداث آن سریع تر است.
مهار کابلی چگونه کار می کند؟
بایستید و دستان خود را به صورت افقی در هر طرف دراز کنید. فرض کنید آن ها پل هستند و سرتان نیز برجی در وسط آن است. در این موقعیت ماهیچه های شما دستانتان را نگاه می دارد. سعی کنید یک مهار کابلی برای نگه داشتن دستانتان بسازید. یک تکه طناب به طول حدودی 150 سانتیمتر بردارید. از یک دستیار بخواهید هر یک از دو انتهای طناب را به هر یک از آرنج هایتان ببندد. سپس وسط طناب را روی سر خود قرار دهید. اینک طناب مانند یک مهار کابلی عمل می کند و آرنج هایتان را بالا نگه می دارد. از دستیارتان بخواهید تکه طناب دیگری به طول حدودی 180 سانتی متر را این بار به مچهایتان ببندد. طناب دوم را روی سرتا ن قرار دهید. حالا شما صاحب دو مهار کابلی هستید. فشردگی و فشار نیرو را در کجا احساس می کنید؟ ببینید مهار کابلی چگونه بار پل (دست هایتان) را به برج ( سر شما) منتقل می کند!
تحلیل استاتیکی قطعات و سیستمهای کابلی
درنیم قرن اخیر جستجو برای یافتن راه حلی مناسب واقتصادی برای پوشش دهانه های بزرگ مورد توجه مهندسان بوده
وتقاضای روز افزون برای این نوع سازه ها مطالعه وتحقیق در این زمینه را شدت بخشیده است.کابلهای فولادی یکی از مصالح
ساختمانی است که امروزه برای پوشش فضاهای وسیع از آنها استفاده می شود وبه شکل کنونی پدیده ای نسبتا جدید به شمار
می آید.
سازه های کششی سازه هایی هستندکه در آنها اعضای اصلی باربر، بارهای وارد را به شکل تنشهای کششی وبدون اعمال فشار
یا خمش به پی یا تکیه گاهها انتقال می دهند.ابعاد سطح مقطع وطرز ساخت قطعات تشکیل دهنده این گونه سازه ها چنان
است که صلابت برشی وخمشی و مقاومت کمانش آنها قابل اغماض است. بنابراین مکانیزم به کار رفته در مهار سازه های
کششی باید با این خاصیت مطابقت داشته باشد.
سازه های کششی به سبب سختی اندک خود در مقابل تغییر مکانهای بزرگ تحت اثر بارهای متمرکز و تاثیرات دینامیکی از
خود ضعف نشان می دهند . پاسخ آنها ، بدون توجه به خطی بودن بارها و یا رفتار مواد، در مقابل نیروهای پیش تنیدگی ویا
بارهای زنده وارده همواره غیر خطی است وبه دلیل غیر خطی بودن پاسخ سازه جمع آثار نیروهای مختلف سرویس معتبر
نیست. نیروهای پیش تنیدگی یکی از عوامل اصلی در تعادل استاتیکی سازه بوده وباعث تثبیت سازه وموجب سختی آن
درمقابل خیز بیشتر می شوند.
در این مقاله سعی بر آن است که روشهای تحلیل استاتیکی سازه های کششی – به ویژه سازه های کابلی – مورد بررسی قرار
گرفته وفرمولهای خلاصه شده وگویا و نمودارهای تقریبی حاصل ازفرضهای ممکن تهیه شود. وبه صورت خلاصه رفتار کابل
ابتدا در مقابل بارهای متمرکز و سپس در مقابل بارهای گسترده مورد بررسی قرار گیرد.
سازه های کششی سازه هایی هستند که در آنها اعضای اصلی باربر بارهای وارده را به شکل تنشهای کششی و بدون
اعمال فشار یا خمش به پی یا تکیه گاه ها انتقال می دهند .ابعاد سطح مقطع وطرز ساخت قطعات تشکیل دهنده
این گونه سازه ها چنان است که صلابت برش وخمش ومقاومت کمانش آنها قابل اغماض است .این نوع سازه ها
تحت اثر بارهای وارد تغییر شکل داده وبدین ترتیب از افزایش میزان تنش جلوگیری می کنند.سازه های کششی
برای تحمل بارهای گسترده بسیار مناسبندوبه همین سبب تعادل آنها تحت اثر بارهای مرده وزنده مطالعه می
شود.چون سختی سازه های کششی کم است درمقابل بارهای متمرکز وتاثیرات دینامیکی حساسیت زیادی ازخود
نشان می دهند ودر نتیجه تاثیرات بارهای دینامیکی مختلف را باید مطالعه کنیم.
٢-کاربرد سازه های کششی:
این نوع سازه ها برای حمل بارهای مرده وزنده گسترده ازقبیل باد ‘جریانهای دریایی ونیروی رانشی ناشی از امواج
بکار میروند.برخی از مزایای عضوهای کششی برای کاربرد به منزله قطعات سازه ای ازاین قرار است:
*این نوع سازه ها معمولا سبک وزن بوده وبه آسانی میتوان آنها را حمل ، نصب و تخریب کرد.
*می توان آنها را در کارخانه در مقیاس انبوه ساخت ، هزینه نصب آنها اندک است ومیتوان آنها را از جایی به جای
دیگر انتقال داد.
*در سازه های متکی به هوا ، مکانیزم اصلی محل بار ،همان محیط اطراف یعنی مخلوطی از گازهای تحت فشار
است.
*بارهای محیطی به وسیله تنش مستقیم و بدون خمش حمل می شوند.
*عضوهای این نوع سازه ها تحت اثر بارهای وارد تغییر شکل می دهند تا تاثیرات مقدار والگوی بار را بهتر پذیرا
باشند.
از کاربردهای زمینی این نوع سازه ها می توان به پناهگاهها وانباره ای موقتی ، چادرهای صحرایی ، سقفهای آویزان
وسیستمهای معلق اشاره کرد .و از کاربردهای دریایی به شناورها ،بویه های مهار شده ، خطوط انتقال ، شبکه های
توری ،بیمارستانهای شناور وسایر تجهیزات پشتیبانی،موج شکنها ،مخزنهای ذخیره شناور یا غوطه ور وسکوهای
شناور می توان اشاره نمود.
سازه های کششی به دو دسته عمده پوسته ها وکابلها تقسیم می شوند که دراین مقاله بر روی مقوله کابلها بحث
خواهیم نمود.
٣-رفتارسازه های کابلی:
کابلها به سبب سختی اندک خود در مقابل تغییر مکانهای بزرگ تحت اثر بارهای متمرکز وتاثیرات دینامیکی از
خودضعف نشان می دهندوپاسخ آنها بدون توجه به خطی بودن بارها و یا رفتار مواد در مقابل نیروهای پیش تنیدگی
ویا بارهای کاری همواره غیرخطی است .نیروهای پیش تنیدگی به صورت عامل اصلی در تعادل استاتیکی سازه
ایفای نقش کرده وباعث تثبیت سازه می شوند و موجبات سختی آن را در مقابل خیز بیشتر فراهم می سازند.
رفتار فیزیکی هر سازه کششی در حین اعمال بار را می توان به سه مرحله اصلی تقسیم نمود.
-مرحله گسترش
-مرحله پیش تنیدگی
-مرحله سرویس دهی
مرحله گسترش که در آن سیستم کابل از حالت فشرده اولیه باز شده وبه وضعیت شروع کرنش می رسد . .در مرحله
پیش تنیدگی سیستم کابل تحت اثر نیروهایی از قبیل بار مرده ،فشار هوا ویا دیگر بارهای ثابت به حالت تعادل اولیه
می رسد .ودر مرحله سرویس دهی سیستم کابل کاملا پیش تنیده در معرض بارهای زنده مختلف ویا بارهای
( دینامیک نیز قرار می گیرد.
۴-مصالح ساخت کابل:
فایبر گلاس وپولیستر ساخته می شوند .طنابها و رشته های سازه ای عموما ،(Kevlar) کابلها عموما از فولاد ،کولار
به عنوان کابل به کار می روند .هر رشته ازسیمهای فولادی تشکیل می شود که به شکل مارپیچ در اطراف یک سیم
نسبتا ضخیم مرکزی به صورت لایه های متقار ن بافته شده اند .طناب از چندین رشته تشکیل می شود که در اطراف
ازخواص طناب سیمی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
-استحکام کششی بالا
-سطح مقطع کوچک
-وزن کم
-عمر خستگی طولانی
-مقاومت در برابر خوردگی وسایش
-انعطاف پذیری زیاد
-رفتار کششی وچرخشی خوب
البته این خواص به شیوه تولید طناب وکنترل رشته های سیم بستگی دارد.
مواداولیه کابلها به تنها دربخشی از استحکام قابل استفاده خود رابطه تنش- کرنش خطی از خود نشان می دهند.
J ) ( وبعد از این مرحله یعنی پس ازحدکشسانی رابطه تنش –کرنش از حالت خطی بودن خارج می شود.(نمودار ١
( ١٩٨٣ Gimsing
نمودار ١ : نمودار تنش- کشسان برای یک کابل
بازده استحکام گسیختگی ، نسبت استحکام کابل به مجموع استحکام تک تک رشته هاست واین نسبت برای طنابها
وبرخی از کابلهای رشته ای بزرگتر است. البته با افزایش تعداد سیمها در هر رشته بازده استحکام گسیختگی کابل
کاهش می یابد.
نمونه هایی از پل های کابلی
این پل طولانی ترین پل کنونی جهان است که طولی معادل ۳۹۱۱متر دارد.
این پل در سال ۱۹۹۱ در ژاپن افتتاح گردید.
نکته جالب توجه این پل فراهم آمدن امکان حرکت در ۲ سطح می باشد.
معمار پل کالاتراوا بوده ومکان آن در کشور اسپانیا می باشد.
پل به فرم قوسی است که کابل ها نگه دارنده آن هستند.
فرم نا متقارن پلُ بارزترین ویژگی پل می باشد.
اتصالات در این پل در همه اجزا بسیار حساب شده ودقیق است.
بر سر در معبد علم نوشته اند:
هر آنکــس که به درون گام می نهد
باید ایـــمـــــان داشته باشد
(ماکس پلانک)
با تشکر از استاد محترم