پل های قوسی
تعریف پل
پل یک سازه است که برای عبور از موانع فیزیکی از جمله رودخانه ها و دره ها استفاده می شود.پل های متحرک نیز جهت عبور کشتی ها و قایق های بلند از زیر آنها ساخته شده است.
2
تاریخچه پل
ایجاد گذرگاه ها و پل ها برای عبور از دره ها و رودخانه ها از قدیمی ترین فعالیت های بشر است. پلهای قدیمی معمولا از مصالح موجود در طبیعت مثل چوب و سنگ و الیاف گیاهی به صورت معلق یا با تیرهای حمال ساخته شده اند.
پل های معلق از کابل هایی از جنس الیاف گیاهی که از دو طرف به تخته سنگها و در خت ها بسته شده و پل های با تیر حمال از تیرهای چوبی که روی آنها با مصالح سنگی پوشیده می شد، ساخته شده اند.
3
پل قوسی
نوعی پل است که در قسمت انتهایی دارای تکیه گاه هایی به شکل قوس منحنی است. پل قوسی، وزن خود پل و بارهای وارده به آن را به صورت نیروی افقی -که توسط تکیه گاه ها مهار شده اند- منتقل می کند.
4
پل قوسی
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. با زیاد شدن زاویه خمیدگی (بزرگتر شدن نیم دایره قوس) تاثیرات نیروی کششی نیز در آن افزایش می یابد.
5
پل قوسی یکی از ساده ترین پل هاست. زیرا اگر آن را در برابر سنگ سخت بسازیم، ما فقط به یک قوس نیاز داریم و به هیچ بخش دیگری جهت تولید پل نیاز نیست زیرا سنگ به عنوان تکیه گاه عمل می کند و سنگ باید به گونه ای برش داده شود که با افق زاویه تشکیل دهد و قوس روی سطح شیبدار سنگ (تکیه گاه) فرود می آید.
6
پل قوسی
در زمین هایی که زیاد مناسب نیستند، جهت پخش کردن بار وارده به زمین ممکن است نیاز به تکیه گاه های گسترده داشته باشیم. نیروهای رانشی که از زمین بر قوس وارد می شود بیشتر از وزن قوس است. زیرا این نیرو ترکیب شده است از مولفه های افقی و عمودی. که مولفه های عمودی، وزن قوس را خنثی می کنند و مولفه های افقی مانع ریزش و پخش شدن قوس می شوند.
وظیفه تکیه گاه ها این است که فشار را تا زمانی که به نقطه ای در روی زمین متمرکز شود و کاهش پیدا کند، خنثی کنند.
7
پل قوسی
چه چیزی مانع سقوط قوس ها می شود و نیروی رانشی یک طرفه چیست؟
ما می توانیم تصور کنیم که یک قوس از دو نیمه تشکیل شده که هر کدام از آنها به سمت نیمه دیگر خم شده است و به دیگری فشار وارد می آورد. بنابراین همین مسئله از سقوط آنها جلوگیری می نماید و از آنجایی که دو نیمه حرکت نمی کنند، طبق قانون دوم نیوتن باید دو نیروی هم اثر(مساوی) و معکوس بر هر کدام از دو نیمه وارد شود. و چون غیر از تکیه گاه ها، هیچ ارتباط دیگری با قوس وجود ندارد. در نتیجه نیروها باید از تکیه گاهها آمده باشند. در واقع می توان یک نیروی فرضی بین این دو نیمه فرض کرد.برای اینکه این نقطه شتابش صفر باشد و در تعادل باقی بماند، باید دو نیروی هم اندازه و معکوس به آن نقطه وارد شود.
8
9
چرا در یک قوس نیروی رانشی افقی وجود دارد؟
وزن (پیکان سبز رنگ) تمایل به تولید یک دوران ساعتگرد در اطراف تکیه گاه دارد. بنابراین ما به نیرویی برای خنثی کردن این اثر نیاز داریم (پیکان قرمز رنگ). بنابراین دو نیمه قوس، برای استوار نمودن سیستم، با نیروی کافی به یکدیگر فشار وارد می کنند. اما اگر فقط این دو نیرو به نیمه قوس وارد شوند، یک مشکل بوجود خواهد آمد. نیمه قوس در جهت بالا و به سمت راست شتاب خواهد گرفت.
10
پل قوسی
با توجه به اصول مقاومت مصالح، شعاع قوس و ابعاد این پل ها را طوری انتخاب می کنند که بارهای قائم وارده تبدیل به یک نیروی فشاری در امتداد قوس شود.
11
جنبه های مثبت
12
جنبه های منفی
13
این پل بلندترین پل قوسی دنیاست. طول کلی آن ۱۷۴۱ متر، طول دهانه آن ۵۵۲ متر و ارتفاع آن ۱۴۲ متر است. مصالح ساخت این پل قوسی فولاد و بتن می باشد و در سال ۲۰۰۹ عملیات ساخت آن در منطقه چونگ کینگ چین بر روی رودخانه یانگ تسه به اتمام رسیده است.
14
بلندترین پل های قوسی دنیا از لحاظ دهانه اصلی
۱- پل قوسی چاووتیانمن :(Chaotianmen Bridge)
2-پل قوسی لوپو (:(Lupu bridge
15
• طول پل ۳۹۰۰ متر
• طول دهانه پل ۵۵۰ متر
• ساخته شده از فولاد و بتن
• هزینه ساخت ۳۰۲ میلیون دلار
• بهره بررداری در سال ۲۰۰۳
این پل که تا سال ۲۰۰۹ به عنوان بزرگترین پل قوسی دنیا شناخته می شد، اکنون پس از پلChaotianmen و تنها با اختلاف ۲ متر به عنوان دومین پل قوسی طولانی در دنیا شناخته می شود.
این پل بر روی رود خانهhuangpu و به منظور ایجاد یک راه ارتباطی بین بافت قدیمی شهر شانگهای و بافت جدید این شهر ساخته شده است.
16
این پل با وزن حدود 4 هزارتن، 300 متر طول ، حدود 12 مترعرض دارد و از هزار و 212 قطعه تشکیل شده است.
این پل با 62 متر ارتفاع از سطح دریاچه سد و 270 متر از کف دریاچه، برقرار کننده ارتباط چهارمحال و بختیاری به خوزستان از روی سد کارون 4 است.
بزرگترین پل قوسی خاورمیانه در چهارمحال و بختیاری
17
http://civiltech.ir
http://icivil.ir/
http://enr.construction.com/infrastructure
منابع
بارگزاری پل های قوسی
چگونگی عملکرد پل قوسی
با توجه به اصول مقاومت مصالح، شعاع قوس وابعاد این پلها را طوری انتخاب می کنند که بارهای قائم وارده تبدیل به یکنیروی فشاری در امتداد قوس شود.
19
چگونگی عملکرد پل قوسی
که یک قوس از دو نیمه تشکیل شده که هر کدام از آنها به سمت نیمه دیگر خم شده است و به دیگری فشار وارد می آورد. بنابراین همین مسئله از سقوط آنها جلوگیری می نماید و از آنجایی که دو نیمه حرکت نمی کنند، طبق قانون دوم نیوتن باید دو نیروی هم اثر(مساوی) و معکوس بر هر کدام از دو نیمه وارد شود.
20
بارگذاری پل های قوسی
توسط بخش مهندسی ارتش امریکا در زمان جنگ جهانی دوم ارایه شد.
21
1) روش MEXE
Military Engineering Experimental Stablishment
از فرضیات اصلی در این روش به 3 مورد زیر اشاره می گردد:
22
شکل قوس پارابولیک است
نسبت دهانه به ارتفاع برابر 4 فرض می شود.
مواد پرکننده هیچ مقاومت سازه ای ندارند.
بارگذاری پل های قوسی
1) روش MEXE
l طول دهانه در مدل مفروض
23
بارگذاری پل های قوسی
a ارتفاع قوس در مرکز
d ضخامت قوس در تاج
f تنش فشاری مجاز برای مصالح سنگی
σ وزن مخصوص مصالح قوس و مواد پرکننده
h ضخامت مصالح پرکننده روی تاج قوس
با توجه به نحوه حقیقی پخش بار از سطح به قوس می توان فرض کرد که باری برابر wA=2w2 به قوس وارد شود.
بخش مهندسی ارتش امریکا به این نتیجه رسید که می تواند رابطه 1 برای مقادیر معلوم σ وf را به خوبی با یک نموگرام شامل طول دهانه l و عمق کل (h + d ) در تاج بیان کند بنابر این مقدار WA می تواند به راحتی از نموگرام زیرخوانده شود.
24
بارگذاری پل های قوسی
همچنین این مقدار می تواند از فرمول زیر نیز محاسبه شود:
2) روش مکانیسم
بارگذاری پل های قوسی
روش مکانیسم توسطHEYMAN برای ارزیابی ظرفیت باربری پل های قوسی با مصالح سنگی ارائه شده است
25
این روش باری که باعث می شود قوس به مکانیسم 4مفصلی تبدیل شود محاسبه می شود. فرض بر آن است که مفاصل بر روی سطح درونی و یا بیرونی قوس ها شکل می گیرد.
فرضیات اساسی در این روش عبارتند از:
شکست برشی اتفاق نمی افتد.
فرض می شود که اصطکاک بین قطعات سنگی در قوس به اندازه کافی زیاد است و قطعات سنگی به نحو مناسبی در هم قفل می شود و بنابراین هیچ سنگی نمی تواند نسبت به سنگ کناری لغزش داشته باشد.
مصالح مصرفی هیچ مقاومت کششی ندارند.
اگر چه سنگ دارای مقاومت کششی مشخصی است ولی درزهای بین قطعات سنگ که با ملات پر شده (یا بدون ملات می باشند ) قادر به تحمل کشش مشخصی نیستند.
26
2) روش مکانیسم
بارگذاری پل های قوسی
مصالح مصرفی دارای مقاومت فشاری بسیار بالا هستند.
این فرض بدان معناست که تنش های موجود در سازه بنایی ما آن قدر کم است که مواد مصرفی شکسته نمی شوند (البته این فرض در خلاف جهت اطمینان است ، ولی در واقعیت عموما صحیح است.) قوس با تشکیل 3 مفصل به یک سازه معین تبدیل می شود و با تشکیل چهارمین مفصل مکانیسم ایجاد شده و سازه فرو می ریزد.
27
2) روش مکانیسم
بارگذاری پل های قوسی
جمع بندی تحقیقات انجام شده در سال های اخیر، محققین را در نگاه اول به دو دسته تقسیم می کند:
گروه اول گروهی هستند که رفتار پلهای قوسی را تحت بارهای سرویس خطی می دانند.
گروه دوم محققینی که بر رفتار غیرخطی پلهای قوسی تاکید دارند.
28
3) روش اجزای محدود
بارگذاری پل های قوسی
فرضیات اساسی در این روش عبارتند از:
شکست برشی اتفاق نمی افتد.
فرض می شود که اصطکاک بین قطعات سنگی در قوس به اندازه کافی زیاد است و قطعات سنگی به نحو مناسبی در هم قفل می شود و بنابراین هیچ
سنگی نمی تواند نسبت به سنگ کناری لغزش داشته باشد
مصالح مصرفی هیچ مقاومت کششی ندارند.
اگر چه سنگ دارای مقاومت کششی مشخصی است ولی درزهای بین قطعات سنگ که با ملات پر شده (یا بدون ملات می باشند ) قادر به تحمل کشش
مشخصی نیستند.
مصالح مصرفی دارای مقاومت فشاری بسیار بالا هستند.
29
3) روش اجزای محدود
بارگذاری پل های قوسی
30
مهدی تیکنی، محمدتقی احمدی مدلسازی موثر رفتار پلهای قوسی بنایی تحت بارهای عادی و غیر عادی دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت مدرس
LOAD RATING OF MASONRY AND CONCRETE ARCH BRIDGES , Thomas E. Boothby
آشنایی با مهندسی پل – علی نصیرزاده
محمد صادق معرفت , مهدی یزدانی ,شروان عطایی برآورد مقاومت نهایی یک پل قوسی بتنی غیرمسلح بر پایه نتایج محدود از آزمایش بارگذاری
منابع