بسم الله الرحمن الرحیم
عنوان
طراحی و ساخت سازه های کابلی
سال 95
فهرست
مقدمه 4
تاریخچه پل کابلی 5
پل کابلی و نحوه عملکرد آن 5
طبقه بندی پل های کابلی 6
مزایای و تفاوت های پل کابلی 6
مهار کابلی چگونه کار می کند؟ 7
پل کابلی و نحوه عملکرد آن 8
مزایای و تفاوت های پل کابلی 9
سازه های پارچه ای 10
شکل غشا در سازه های پارچه ای: 10
جنس غشا در سازه های پارچه ای : 10
سیستم های تکیه گاهی: 10
گسترش جانبی قاعده غشا 11
تحلیل واکنش سازه های پارچه ای در برابر بارهای وارده 11
مراحل تولید و ساخت 12
تعریف سازه کششی 12
انواع سازه کششی: 13
فرم های اصلی سازه های کششی 13
سطح زین اسبی 14
خیمه (Conic): 14
آرک (Arch): 14
دلایل استفاده از سازه کابلی 15
منحنی مضاعف 16
مزایای سازه های کابلی 16
رفتار سازه های کابلی 17
تحلیل استاتیکی قطعات و سیستم های سازه های کابلی 17
رانش در سازه های کابلی 18
سازه های معلق با فرم منحنی طنابی 18
ساز ه های با کابل مضاعف 18
سازه های با انحنای دوگانه 18
پل کابلی و نحوه عملکرد آن 19
طبقه بندی پل های کابلی 19
مقایسه پل کابلی ترکه ای و معلق و پل بازوئی 20
سیستم کابلی برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی 20
مزایای این سیستم 21
تاریخچه پل کابلی 22
الگوی یک پل کابلی 22
پل کابلی و نحوه عملکرد آن 22
طبقه بندی پل های کابلی 23
مزایای و تفاوت های پل کابلی 24
مهار کابلی چگونه کار می کند؟ 24
پلهای معلق 26
سازه های کابلی 26
سقف های کابلی : 27
معایب سقف های ساده کابلی 27
مزایای سازه کابلی 29
سقف زین اسبی کلگری: 29
افت کابل 37
کابل مضاعف 39
تاریخچه پل کابلی 41
پل کابلی و نحوه عملکرد آن 41
طبقه بندی پل های کابلی 42
مزایای و تفاوت های پل کابلی 42
مهار کابلی چگونه کار می کند؟ 43
طراحی سازه کابلی 47
پل کابلی و مزایا و معایب آن: 49
ازخواص کابل می توان به موارد زیر اشاره کرد: 54
تاریخچه پل کابلی: 54
طبقه بندی پل های کابلی: 55
تعریف سازه های چادری 57
تاریخچه سازه چادری 57
مزایای سازه های غشایی 58
تکیه گاه ها 58
منابع 59
مقدمه
سازه های کابلی سازه هایی هستند که تنش های داخلی فقط به صورت فشار و کشش مستقیم است . اگر بار دیگری به آن اضافه شود ، شکل بارگذاری تغییر کرده و به صورت سه بخش که هر یک قسمتی از بار را تحمل می کنند ، تقسیم می شود. بارهای اضافی دیگر تعداد تقسیمات را افزایش داده تا به فرم منحنی کامل که عمل توزیع را بر عهده دارد ، تبدیل نشود . در هر حال کابل فقط تحت کشش است. در این نوع سیستم اعضای اصلی که همان کابل ها هستند به صورت کششی عمل می کنند. این سازه ها برای طراحی پل ها ، پوشش دهانه های بزرگ ، سقف ها و … مورد استفاده قرار می گیرند . ساده ترین مثال از یک سازه کششی یک وزنه آویخته از یک کابل است ، وزنه دقیقاً در امتداد کابل ساکن می شود. در حالی که بین دو نقطه اتصال به صورت کشش در یک خط راست قرار می گیرد.
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!
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.
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.
سازه های پارچه ای
تعیین یک روش برای ایجاد پیش تنیدگی کارآمد اساساً یک طرح باید به گونه ای باشد که در عمل قابلیت پذیرش پیش تنیدگی را داشته باشد.سه مساله اجرایی وجود دارد که باید مد نظر باشد: شکل غشا، ماده غشا و سیستم های تکیه گاهی.
شکل غشا در سازه های پارچه ای:
انحنای بیش از حد پارچه می تواند معضلات تنش دهی ایجاد نماید و قبل ازنهایی شدن شکل غشا باید مشاوره کارشناسی به عمل آید .
جنس غشا در سازه های پارچه ای :
مشکلات عمل با پارچه فایبرگلاس بارویه(PTFE)،(که توزیع مجدد تنش اضافی موضعی در پارچه به دلیل سفتی بیش ازحد آن غیر ممکن است). بیشتر از پلی استر بارویه (PVC) می باشد. (که انعطاف پذیرتر بوده و برای توزیع مجدد تنش ها توانایی بیشتری دارد، و ماده ای پر طاقت است.)
سیستم های تکیه گاهی:
پارچه باید توسط مجموعه ای از قطعات به نحوی نگهداری شود که این قطعات بتوانند برای ایجاد تغییر شکل ضروری در پارچه در حد لازم حرکت نمایند.بدین منظور اساساً دو راه حل برای ایجاد پیش تنیدگی وجود دارد:
گسترش جانبی قاعده غشا
بالا کشیدن(یا پایین آوردن) تیزه غشا
تعیین جهت های بافت و درزهای غشا در سازه های پارچه ای
بعد از طراحی نیم رخ سایبان و تعیین جابه جایی هایی که توسط آن،پارچه پیش تنیده می شود،اکنون باید دقت نمود که جهت های بافت و جانمایی درزها دقیقاً نسبت به جهت های اصلی انحنا و جهت های پیش تنیدگی مکان یابی شوند .
دو موضوع در این زمینه حائز اهمیت است :
شکل ظاهری: سازه های پارچه ای از نوارهای پارچه ای تشکیل شده اند ومفاصل بین این نوارها الگویی مهم را تشکیل می دهند. بنابر این جهت و جانمایی درزها تنها یک مشکل فنی نبوده بلکه یک موضوع حیاتی از نقطه نظر طراحی بصری است.الگوی شعاعی فراگیر درزها تا حلقه مرکزی امتداد یافته و بر زیبایی و جذابیت سایبان بسیار می افزاید. الگوهای شعاعی معمولاًهمراه با اشکال مخروطی می باشند.
تبادل چین خوردگی:پارچه های بافته شده را معمولاً در جهت پود می کشند تا در جهت تار. اگر کشش در جهت آ آن گونه که در شکل۳۶آ نشان داده شده است، اعمال گردد، پارچه فقط در امتداد محور آ پیش تنیده می شود. اما در صورتی که کشش در امتداد بی اعمال شود، الیاف پود تا اندازه ای راست شده و با این عمل بخشی ازچین خود را به الیاف تار انتقال می دهند، بدین ترتیب الیاف تار کمی کوتاه تر می شوند. در این حالت پیش تنیدگی نه فقط در امتداد یک محور (محور بی) بلکه در طول هر دو محورآ و بی ایجاد می شود و این یک پدیده سودمند است.
تحلیل واکنش سازه های پارچه ای در برابر بارهای وارده
پس از دست یابی به طرحی مقدماتی، برای بررسی این که آیا طرح و پارچه انتخابی واقعاً قادر به تحمل نیروهای پیچیده ای که به وسیله پیش تنیدگی و بارهای خارجی ایجاد می شوند هست یا نه، باید تحلیل رایانه ای انجام گیرد. چنین محاسباتی به کارشناسان ویژه نیاز دارد و باید توسط مشاوران مجرب انجام شوند .
تعیین ابعاد قطعات برای ساخت سازه های پارچه ای
مرحله نهایی طراحی ، شامل اجرای الگوهای دقیق برش پارچه برای ساخت است. این کار معمولاً به عنوان قسمتی از مراحل مشروح در بخش قبل با انجام همان مشاوره ها انجام می گیرد.هدف از این مرحله تهیه یک سری از قطعات(مانند تکه های یک لباس ) است که :
از توپ های پارچه با عرض استاندارد، بدون تضییع کالا قابل بریدن باشند.
بتوانند برای ایجاد اشکال منحنی مضاعف تدوین شده در قسمت بالا، به سادگی با هم جفت و جور شوند.
امکان قرارگیری صحیح جهت های بافت وموقعیت درزها در رابطه با پیش تنیدگی میسر باشد.
ابعاد و در نتیجه تمام نقاط بحرانی باید دقیق باشند.
مراحل تولید و ساخت
خطاهای نسبتاٌ جزئی در تولید و ساخت ممکن است به پیش تنش دهی غیر دقیق منجر شود.(مانند غشایی که خیلی کوچک است یا قالب تکیه گاهی که اندکی بیش از حد بزرگ می باشد.) اغلب نمی توان سایبان ها را به منظور ارزیابی، از قبل در کارگاه برپا ساخت. جفت و جورکردن صدها قطعه در محل، اولین و آخرین فرصت برای کشف اشتباهات است.در این میان بهره گرفتن از طراحان وسازندگان مجرب، امری ضروری است.
تعریف سازه کششی:
بنایی است که مصالح آن بوسیله عناصر کششی نگه داشته شده اند. سازه های کششی مختلفی وجود دارند که اکثرا با طنابها و عناصری که نقش کشیدن این طنابها را دارند به وجود می آیند.سازه کابلی از نوع سازه های ناپایدار متعادل است و تحت تاثیر بار، تغییر شکل بزرگ می دهد.
سازه کششی به عنوان یک سازه ای که شکل و ترکیب کار آمد برای بدست آوردن ساختارهای متنوع و هدفهای خاص در فن معماری دارد،شناخته شده است .سازه کابلی رفتار خالص کششی دارد. از تمام مقاومت خود بهره می برند.
جز با سازه کابلی با سازه دیگری نمی توان از دهانه بیش از 1 کیلو متر عبور کرد.
-فرم آن خود به خود شکل گرفته و فرمی پر بازده است .
در کل هدف از ساختن با این سازه به دلیل است که:
وزن ساختمان به حداقل برسد که با این روش ما می توانیم وزن ساختمان را به طور محسوسی کاهش بدهیم.
انواع سازه کششی:
کابلی: متشکل از اعضاء تحت تنش تک محوری است.
غشایی(آنتی کلاسیک): متشکل از اعضاء تحت تنش دو محوری است.
برای دیدن لیست مطالب داخل این پاورپوینت قسمت "اطلاعات بیشتر"راملاحظه نمائید.
فرم های اصلی سازه های کششی
نحوه باربری و محاسبات مهندسی سازه های پارچه ای کششی از پیچیدگی های بسیار بالایی برخوردار است. در کنار پیچیدگی های مهندسی استفاده از فرم های پیچیده معماری انجام محاسبات تنش و بار در پارچه های سازه چادری را بسیار پیچیده می کند. عدم دانش فنی مهندسان ایرانی و لزوم استفاده از نرم افزارهای پیچیده برای انجام محاسبات یکی از دلایل استفاده محدود از این سازه های پارچه ای در کشور ایران می باشد. دراین نوشتار انواع فرم های کلی قابل استفاده در سازه های کششی بررسی شده است و نحوه باربری هر یک از آنها به صورت کامل بیان شده است.
در سازه های کششی بر خلاف سازه های متداول بنایی انتقال باز از طریق یک پوسته غشایی (پارچه) انجام می گردد. با توجه به مقاومت پایین پوسته ها تحت نیروهای فشاری و برشی تنها شیوه باربری در این سازه ها از طریق کشش انجام می گیرد. از همین رو به سازه های پارچه ای سازه های کششی نیز گفته می شود.
برای انتقال نیروهای عمود بر سطح پارچه مانند بار باد به سمت بالا و بار برف به سمت پایین می بایست در سطح پارچه انحنا هایی عمود بر هم ایجاد کرد. در ریاضیات فضایی به سطوحی که در هر نقطه دو انحنای عمود بر هم داشته باشند سطوح آنتی کلاسیک گفته می شود. سطوح انتی کلاستیک انواع متفاوتی دارند که در ادامه به بررسی ۳ نوع از آنها که بیشتر در سازه های پارچه ای کاربرد دارد خواهیم پرداخت. به جرآت می توان ادعا کرد تمامی سازه های پارچه ای ایجاد شده در جهان ترکیبی از این سه نوع رویه کلی تشکیل شده اند.
سطح زین اسبی
در این نوع از سطوح بار وارده از طریق گوشه انتقال پیدا می کند. در این نوع سطوح دو گوشه به سمت پایین و دو گوشه به سمت بالا خواهد بود. گوشه های پایین نیروهایی به سمت بالا و گوشه های بالا نیروهایی به سمت پایین را انتقال خواهند داد. فرم های استاندارد سازه کششی شامل سایبان های با فرم شید، سایبان های با فرم کایت، پاگودا و قله دره می توان نام برد.
خیمه (Conic):
در این نوع از سطوح با استفاده از انحنا در سطح پارچه نیروها به دو سمت سطح انتفال پیدا می کند. این نوع از سطوح سال های زیادی است به عنوان سطوح باربر خیمه های موقت نیز کاربرد دارد. در این فرم تمامی بارها به سمت لبه پایینی و بالایی رویه انتقال پیدا کرده و در نهایت از طریق اتصال به زمین یا ستون های میانی رویه مهار می شود. فرم های وارون، خیمه و خیمه چند راس، پارادایس و تترا از فرم های سازه چادری هستند که دارای رویه به فرم خیمه می باشند.
آرک (Arch):
رویه آرک شباهت بسیار زیادی با زین اسبی دارد با این تفاوت که گوشه های بالا و پایین در کنار همدیگر قرار گرفته اند. این فرم از رویه در گذشته برای انتقال بار در سقف های سنتی طاق ضربی استفاده شده است. به دلیل استفاده زیاد از طاق ضربی به عنوان سقف راهرو ها در بناهای قدیمی این فرم با نمونه بنا های سنتی کشور تطابق بهتری خواهد داشت.
conic forms tensile structureدر اکثر پروژه های سازه کششی بزرگ دنیا با استفاده از ترکیب این رویه ها فرم های معماری بسیار پیچیده و جذابی ایجاد می کنند. ارائه طرح های معماری متناسب با فضا و انجام محاسبات مهندسی برای تنش چادر و ابعاد سازه از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. شرکت ساینا با در اختیار داشتن نرم افزارهای به روز مهندسی و همکاری با نیروهای مجرب متناسب با فضای کارفرما طرح های معماری و محاسبات مهندسی بهینه را ارائه می دهد. از نمونه پروژه های اجرا شده توسط این شرکت به فرم رویه خیمه به طرح سایبان روف گاردن یوسف آباد اشاره کرد.در این نوع از سازه های کابلی یک دکل قائم یا مایل به صورت متقارن یا نامتقارن وظیفه مهار نیروها ی کششی کابل ها و تبدیل آنها به تنش فشاری و انتقال آن به پی را بر عهده دارد. یک ترکیب کاربردی تر، سازه ای کابلی ما بین دو تکیه گاه برای تحمل باری معلق در وسط دهانه است. در زیر چنین باری کابل از وسط خم می شود و هر تکیه گاه نیمی از وزن بار را تحمل می کند. با توجه به این که وزن کابل در برابر بار وارده ناچیز است، کابل شکل V به خود می گیرد. نیروی کششی در کابل از طریق بار وارده و شیب کابل محاسبه می شود. نیروی کشش در کابل معمولاً برابر برآیند مولفه های عمودی و افقی نیروی عکس العمل است.
معمولاً نیروهای کابلی نسبت عکس با خیز دارند، به عبارت دیگر با کاهش طول کابل، قطر آن افزایش می یابد. یک کابل کوتاه با حداقل خیز به علت وجود نیروهای کششی بسیار بزرگ به قطر زیادی نیاز دارد. بر عکس این حالت یک کابل با خیز بسیار زیاد می تواند قطر کوچکی برای تحمل نیروهای کششی کم داشته باشد که کاملاً طولی عمل می کند.
دلایل استفاده از سازه کابلی
خالص ترین رفتار سازه ای را دارد ( فقط نیروی کششی را تحمل می کند ).
از تمام مقاومت خود بهره می برند.
فرم آن ها خود به خودی شکل گرفته و فرمی پر بازده است . ( فرم طبیعی)
انعطاف پذیرند و خود را با بار تطبیق می دهند .
تولید صنعتی فولاد
امکان ایجاد پوشش سبک روی دهانه های بزرگ ( در دهانه کوچک غیر اقتصادی هستند)
انواع سازه های کابلی
منحنی دارای یک انحنا
دو یا چند کابل زنجیره وار موازی که بین تکیه گاه های اصلی کشیده شده اند.
کابل مضاعف
این نوع شبیه کابل دارای یک انحنا است. با این تفاوت که کابل های تثبیت کننده در زیر کابل های معلق اصلی برای مقابله با نیروهای رو به بالای باد به آن اضافه شده است .
منحنی مضاعف
از نوع آنتی کلاسیک ( یکپارچه ) است. مثل زین اسب ، که انحنا در یک جهت مثبت و در جهت مخالف منفی است . در ضمن کابل های معلق در یک جهت دهانه بین تکیه گاه ها قرار گرفته اند و کابل تثبیت کننده، عمود بر آن، برای مقابله با باد به سمت پائین کشیده شده است .
پل های معلق با فرم منحنی طنابی ، نمونه هایی از سازه های یک انحنا هستند. در این نوع پل ها از دو طناب بلند به عنوان جان پناه استفاده می شود. پل های طنابی شامل یک کف و دو سطح جانبی که از تعدادی طناب به هم پیچیده هستند و فرمی U شکل شبیه یک گهواره طولانی را به خود می گیرند . مشکل اصلی در یک پل با چنین انعطافی آن است که با حرکت مسافران ، فرم آن در واکنش به بار متحرک وارده تغییر می کند.
پل های کابلی معلقی که در آمریکا و اروپا اجرا شده اند، نمونه های بارز سازه های منحنی یک انحنا هستند.
سازه های کابلی خالص ترین رفتار سازه ای را دارند. سازه های کابلی دارای رفتار خالص کششی هستند. این سازه ها از تمام مقاومت خود بهره می برند. فرم این سازه ها خود به خود شکل گرفته و فرمی پر بازده است. جز با سازه کابلی، با هیچ سازه دیگری نمی توان از دهانه بیش از یک کیلومتر (و شاید 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 بیضی می دهد.
مزایای سازه های کابلی
این نوع سازه ها معمولاً سبک وزن بوده و به آسانی می توان آنها را حمل ، نصب و تخریب کرد.
می توان آنها را در کارخانه در مقیاس انبوه ساخت ، هزینه نصب آنها اندک است و می توان 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 و الگوی بار را بهتر پذیرا باشند.
رفتار سازه های کابلی
کابل ها به سبب سختی اندک خود در مقابل تغییر مکان های بزرگ تحت اثر بارهای متمرکز و تاثیرات دینامیکی از خود ضعف نشان می دهند. پاسخ آنها بدون توجه به خطی بودن بارها یا رفتار مواد در مقابل نیروهای پیش تنیدگی یا بارهای کاری همواره غیرخطی است . نیروهای پیش تنیدگی به صورت عامل اصلی در تعادل استاتیکی سازه ایفای نقش کرده و باعث 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 و به وضعیت شروع کرنش می رسد . در مرحله پیش تنیدگی سیستم کابل تحت اثر نیروهایی از قبیل بار مرده ، فشار هوا یا دیگر بارهای ثابت به حالت تعادل اولیه می رسد . در مرحله سرویس دهی سیستم کابل کاملاً پیش تنیده در معرض بارهای زنده مختلف یا بارهای دینامیک نیز قرار می گیرد.
تحلیل استاتیکی قطعات و سیستم های سازه های کابلی
کابل های فولادی یکی از مصالح ساختمانی هستند که امروزه برای پوشش فضاهای وسیع از آنها استفاده می شود و پدیده ای نسبتاً جدید به شمار می آیند.
سازه های کششی به سبب سختی اندک خود در مقابل تغییر مکان های بزرگ تحت اثر بارهای متمرکز و تاثیرات دینامیکی از خود ضعف نشان می دهند. پاسخ آنها ، بدون توجه به خطی بودن بارها یا رفتار مواد، در مقابل نیروهای پیش تنیدگی و بارهای زنده وارده، همواره غیر خطی است. نیروهای پیش تنیدگی یکی از عوامل اصلی در تعادل استاتیکی سازه بوده و باعث تثبیت سازه و موجب سختی آن در مقابل خیز بیشتر می شوند.
رانش در سازه های کابلی
خیز یک سازه زنجیر واره، رانش افقی ایجاد شده را تعیین می کند. خیز کمتر، رانش بیشتر . در بیشتر کابل های زنجیر واره که برای سازه سقف ساختمان ها به کار می روند نسبت خیز به دهانه ۱:۸ تا ۱:۱۰ است. برای بار متمرکز که در وسط دهانه وارد می شود ، خیر مناسب در حدود ۵۰ در صد طول دهانه است. برای بار یکنواخت روی یک کابل سهمی شکل ، خیر مناسب تقریباً ۳۳ در صد طول دهانه است.
سازه های معلق با فرم منحنی طنابی
منحنی دارای یک انحنا
سازه های با یک انحنا متشکل از دو یا چند کابل زنجیر واره موازی که بین تکیه گاه های اصلی
ساز ه های با کابل مضاعف
شبیه به سازه های یک انحنا هستند، که کابل های تثبیت کننده در زیر کابل های معلق اصلی برای مقاومت در برابر نیروی باد اضافه شده اند. اگر هر دو سوی کابل در یک سطح باشند ، تعدادی کابل اضافی برای تضمین ایستایی جانبی (عمود بر این دهانه) باید استفاده شود.
سازه های با انحنای دوگانه
از نوع آنتی کلاستیک (یکپارچه) هستند، به طوری که کابل های معلق در یک جهت دهانه بین تکیه گاه ها و کابل های ثبیت کننده در جهت عمود بر آن برای مقاومت در برابر نیروی باد به سمت پایین کشیده می شوند.
پل کابلی و نحوه عملکرد آن
پل کابلی ، نوعی پل است که عرشه پل توسط کابل هایی به برج های پل وصل شده و نیروهای آن را تحمل می کنند. کابل ها به صورت اریب به سمت پایین (معمولاً 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 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 نیروهایی 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 می نماید. برای دهانه های طولانی تر، جایی که باد و نوسانات باید مورد توجه قرار گیرند، محاسبات بی نهایت پیچیده اند و عملاً بدون کمک کامپیوتر و آنالیز کامپیوتری غیر ممکن هستند.
طبقه بندی پل های کابلی
طبقه بندی واضحی برای پل های کابلی وجود ندارد. پل های کابلی می توانند توسط تعدادی دهانه ها، برج ها و کابل ها و همچنین نوع تیرهای 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 هستند. 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.
پل های کابلی عمدتاً به دو بخش ترکه ای و معلق تقسیم بندی می شود. پل های معلق در دهانه های خیلی بزرگ به کار می روند. ترکیب این پل ها عبارت است از دو عدد پایه بلند که در دو طرف دهانه قرار دارد و دو دسته کابل که با عبور از بالای پایه ها در دهانه آویزان است و دو انتهای کابل ها در تکیه گاه ثابتی که معمولاً بلوک های حجیم بتنی هستند مهار می شود و عرشه توسط تعدادی آویز قائم آویخته می شود. پل های معلق مدرن برای دهانه های بیش از ۳۰۰ متر اقتصادی بوده و اگر عرشه فلزی استفاده شود مقرون به صرفه تر است. پل های ترکه ای به علت سختی و زیبایی و اقتصاد طرح و سهولت اجرا رواج زیادی یافته است. اصل اساسی در بررسی رفتار پل های ترکه ای این است که توسط کابل های متعددی به یک پایه بلند نصب شده اند و دهانه پل در نقاط متعددی گرفته می شود . در این پل ها عرشه به صورت صلب از یک طرف روی کوله های پایه ها و از طرف دیگر با کابل ها مهار می شوند.
مقایسه پل کابلی ترکه ای و معلق و پل بازوئی
برای طول متوسط دهانه ها (۵۰۰ تا ۱۰۰۰ متر) پل کابلی ترکه ای (ایستا) سریعترین انتخاب مناسب برای یک پل است. پل کابلی ترکه ای بهترین پل برای طول دهانه بین پل های بازویی و کابلی معلق است. 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 بیشتری نیاز دارد که آن را به مقدار چشمگیری سنگین تر می نماید. ممکن است به نظر برسد پل کابلی شبیه پل معلق است ولی با اینکه هر دو دارای عرشه هستند که از کابل ها آویزانند و هر دو دارای برج هستند، 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 ترکه ای، کابل ها در حالی که به برج ها متصلند به تنهایی بار را تحمل می کنند. در مقایسه با پل های کابلی معلق، پل کابلی ترکه ای به کابل کمتری نیاز دارد، می توان آن را از قطعات بتن پیش ساخته مشابه ساخت و همچنین احداث آن سریع تر است.
سیستم کابلی برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی
سیستم های کابلی جهت مقاوم سازی ساختمان ها به کار می روند. این سیستم دو نوع هستند.
اولین سیستم،سیستم کابلی شامل کابل های پیش تنیده با اتصال لغزشی در کف طبقات میانی جهت افزایش سختی جانبی است. این سیستم به دلیل مقاومت کششی کابل، سهولت اجرا، مقرون به صرفه بودن و …. می تواند جایگزین سیستم های دیگر شده یا برای مقاوم سازی سازه های موجود استفاده شود. در این سیستم برای استهلاک انرژی در انتهای هر کابل یک میراگر فنری نصب می شود.
سیستم بعدی، یک سیستم ضربدری شامل کابل های پیش تنیده بوده که به صورت ضربدری در یک یا چند دهانه از قاب استفاده می شوند.
مزایای این سیستم
مقاومت کششی بالا که اجازه ی اعمال نیروهای پیش تنیدگی قابل توجهی را در کابل ها داده و سختی سیستم را هر چه بیشتر افزایش می دهد.
سطح مقطع کوچک و وزن کم کابل در مقابل اعضای مقاوم دیگر (دیوارهای برشی بتنی و فولادی و مهاربندی فلزی) که علاوه بر کاهش هزینه ی سازه نسبت به سایر سیستم های مقاوم سازی، به دلیل ارتباط نیروهای زلزله با وزن سازه، می تواند در کاهش نیروهای زلزله نیز موثر باشد.
سهولت و سرعت بالای اجرا به دلیل یکپارچه بودن کابل ها در طبقات .
عدم نیازبه نگهداری در مورد خود کابل و نگهداری راحت میراگرهای فنری با توجه به تعداد کم آنها در کل سازه.
عدم نیاز به تعمیر و یا تعمیر سریع آن بعد از زلزله .
افزایش ایمنی با افزایش قابل ملاحظه ی سختی جانبی .
ممانعت کمتر برای ملاحظات معماری در مقایسه با دیوارهای برشی و مهاربندها .
مقاومت بالای کابل در برابر خوردگی، سایش و خستگی .
نیروهای کششی به دلیل شکستگی امتداد کابل در محل عبور از کف طبقات مختلف و با توجه به زوایای کابل نسبت به افق در هر طبقه، مولفه های افقی متفاوتی خواهد داشت . برایند این مولفه ها در دو طبقه مجاور، نیرویی است که بر خلاف جهت نیروی زلزله به کف طبقه اعمال می شود و مانع تغییر مکان بیشتر آن میشود.
با توجه به توضیحات در مورد عملکرد سیستم، مطمئناً تعیین محل عبور کابل از کف هر طبقه و یا زوایای امتداد کابل نسبت به افق در هر طبقه، که یکی از پارامترهای تعیین کننده ی سختی جانبی کابل است، از اهمیت خاصی برخودار بوده و باید حالت بهینه ی آن پیدا شود. برای رسیدن به حالت بهینه می توان زوایای امتداد کابل نسبت به افق را طوری انتخاب کرد که سختی بیشتری به طبقات پایین تر برسد. در واقع در این حالت بیشترین مقادیر تغییر مکان جانبی نسبی در سیستم قاب خمشی، بیشترین کاهش را خواهند داشت و به این ترتیب تغییر مکان های جانبی نسبی طبقات یکنواخت تر خواهد شد.
پل کابلی
پل کابلی (به انگلیسی: Cable-stayed bridge)، نوعی پل است که عرشه پل توسط کابلهایی به برج های پل وصل شده و نیروهای آن را تحمل می کنند.
تاریخچه پل کابلی
الگوی یک 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 نوواً – منتشر شده در سال ۱۵۹۵ – 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 (معمولاً 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 نیروهایی 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 می نماید. برای دهانه های طولانی تر، جایی که باد و نوسانات باید مورد توجه قرار گیرند؛ محاسبات بی نهایت پیچیده اند و عملاً بدون کمک کامپیوتر و آنالیز کامپیوتری غیر ممکن می باشند. علاوه بر این ساخت پل کیده ای مشکل می باشد. اتصالات، برج ها، تیرهای 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 تیرهای 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 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.
الگوی یک پل کابلی با چینش چنگی(موازی)
الگوی یک پل کابلی با چینش پنکه ای(شعاعی)
پلهای کابلی عمدتاً به دو بخش ترکه ای و معلق تقسیم بندی می شود.پل های معلق در دهانه های خیلی بزرگ به کار می روندترکیب این پلها عبارت است از دو عددپایه بلند که در دو طرف دهانه قرار دارد و دو دسته کابل که با عبور از بالای پایه ها در دهانه آویزان است و دو انتهای کابل ها در تکیه گاه ثابتی که معمولاً بلوک های حجیم بتنی هستند مهار میشود و عرشه توسط تعدادی آویز قائم آویخته می شود.پل های معلق مدرن برای دهانه های بیش از 300متر اقتصادی بوده و اگر عرشه فلزی که سبکتر از نوع بتنی میباشد استفاده شود مقرون به صرفه تر است.پلهای ترکه ای به علت سختی وزیبایی و اقتصاد طرح و سهولت اجرا از سال 1950 میلادی رواج زیادی یافت .اصل اساسی در بررسی رفتار پلهای ترکه ای این است که توسط کابل های متعددی به یک پایه بلند نصب شده اند و دهانه پل در نقاط متعددی گرفته میشود .در این پلها عرشه به صورت صلب از یک طرف روی کوله های پایه ها و از طرف دیگر با کابلها مهار میشوند.پایه های میانی پل به شکل H A I بوده است پلهای ترکه ای با عرشه بتنی تا دهانه های 100ال 700 متر اقتصادی بوده است.
مزایای و تفاوت های پل کابلی
برای طول متوسط دهانه ها (۱۵۰ تا ۸۵۰ 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 ملاحظه 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 ۱۵۰ 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 ۱۸۰ 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!
سیستم سازه کابلی: در این نوع سیستم اعضای اصلی که همان کابل ها هستند به صورت کششی عمل سا زهای کابلی
در حدود 80 سال پیش از کابل برای پل ها استفاده می شده و در قدیم نیز در پل های دهنه بزرگ از سیستم طناب استفاده می کردند و در این سیستم سقف از کابل آویزان می شود.
کابل عضو کششی نازکی است که ضمن مقاومت کششی در برابر نیروها ،در برابر فشار مقاومت ندارد. سیم فلزی ، طناب و میله باریک ، به عنوان کابل عمل می کنند.
اگر کابل باری را عمودی حمل کند ظرفیت آنرا می توان به سادگی با تقسیم وزن باربر مقطع کابل اندازه گرفت.
کابل ها انعطاف پذیرند ، این انعطاف پذیری به قدری است که آن عناصر نمی توانند لنگر خمشی و نیروی فشاری را تحمل نمایند و فقط نیروهای کششی را به خوبی تحمل می کنند و انتقال می دهند.
مهمترین مسایل مهندسی مربوط به کابل ها ، یافتن شکلی است که کابل تحت اثر نیروهای وارده ، به خود می گیرد و محاسبه نیروی کششی است که در کابل ایجاد می شود.
امروزه با پیشرفت تکنولوژی می توان کابل های بسیار قوی که قدرت کششی بسیاری را داشته باشند ، تولید نمود.
برای پوشش سقف می توان از کابل های منفرد استفاده نمود.
یکی دیگر از عواملی که در گذشته از سیستم سقفهای کابلی
استفاده نمیشد امکان محاسبه این سقفها با دست نبود وبا اختراع
کامپیوتراین مسئله میسرشد
همان طور که از اشکال بالا ملاحظه می شود هر چقدر خیز کابل افزایش یابد نیروی افقی کاهش مییابد
امروزه با استفاده از خرپا و کابل ، دهانه های بسیار بزرگی را می توان پوشش نمود.با توجه به وجود نرم افزارهای کامپیوتری مانند Etaps و Sap به آسانی می توان دهانه های بسیار بزرگ را بطور دقیق مورد محاسبه قرار داده ، تا در مقابل تمام نیروهای قایم و افقی و باد و زلزله کاملا مقاوم باشد.
پلهای معلق :
یکی از پلهای زیبا وبزرگ دنیا پل GOLDEN GATEاست این پل
عظیم در زمان خود یکی از شاهکار های زمان خویش بشمار میرود در زمانی
که کامپیو تر پیشرفت نکرده بود ومهندس محاسب مجبور بود محاسبات این
پل را با دست انجام دهد
سازه های کابلی
سازه های کابلی خالص ترین رفتار سازه ای را دارند ، آنها دارای رفتار خالص کششی هستند.اعضای اصلی همان کابل ها هستند.این سازه ها از تمام مقاومت خود بهره می برند.جز با سازه کابلی با هیچ سازه دیگری نمی توان از دهانه بیش از یک کیلومتر عبور کرد.
ساختمان های کابلی را از نقطه نظر نقشی که در انتقال نیروها دارند ،
می توان به دو گروه تقسیم کرد :
1.ساختمان های معلق:
فرم این سازه ها ، ساختمان آویزان از کابل خود به خود شکل گرفته و فرمی پر بازده است.در این سازه یک دکل قایم یا مایل به صورت متقارن (بار مستقیما به کابل وارد می شود) یا نامتقارن ، وظیفه مهار نیروهای کششی کابل ها و تبدیل آنها به تنش فشاری و انتقال آن به پی را بر عهده دارد.
2.ساختمان های مقاوم شده با کابل :
ساختمان هایی هستند که در آنها کابل ها نقش تقویت کننده ساختمان را بر عهده دارند.در این قبیل ساختمان ها بارها به اعضای اصلی دیگر وارد می آیند و نقش کابل ها ایجاد مهار بیشتر ساختمان و کمک به اعضای اصلی در تحمل و انتقال نیروها می باشد.
سقف های کابلی :
ساده ترین سقف کابلی از تعدادی کابل که به طور موازی روی سقف قرار داده شده که از ستون ها و پشتبندهایی با مقاومت خمشی مناسب آویزان شده اند و یا از روی عناصری با مقاومت فشاری عبور کرده ، به زمین مهار شده اند و برای جلوگیری از رانش ستون ها ، کابل ها به صورت مورب به ستون ها وصل شده اند و سپس این
کابل های مورب به پی متصل می شود.
معایب سقف های ساده کابلی
ـ مقاوم نبودن در برابر زلزله و باد است ، بنابراین برای دهانه های بزرگ مناسب نیستند.
طراحان برای جلوگیری از لرزش سازه های کابلی روش جدیدی را ابداع نموده اند ، در این سیستم از سقف های منحنی استفاده می شود
و در دو جهت عمود بر هم کابل هایی در سقف قرار می دهند.شکل این ستون های منحنی شبیه راکت تنیس است.
نمونه این سیستم نمایشگاه آویزونا استار است.باید توجه داشت که شکل منحنی نسبت به شکل صاف می تواند لنگر و بار بیشتری را تحمل نماید.
بهترین شکلی که می تواند در مقابل نیروهای قایم و افقی مانند باد و زلزله مقاومت خوبی را از خود نشان دهد ، سقف های زین اسبی است. به طور کلی این سقف ها نسبت به سقف های استوانه ای در مقابل باد
پایدارترند.برای پوشش سقف های زین اسبی می توان از ورقه های فلزی یا چادر استفاده نمود.
سیستم جدیدی از پوشش ، شامل کابل مضاعف است برای ایجاد یک خرپای محکمی که مقادیر بار مرده و زنده را کاهش می دهد.کابل های فوقانی و تحتانی بوسیله کابل های قطری به هم متصل می شوند ،
بنابراین این کابل ها مانند خرپا عمل می کنند و خرپا می تواند بار زیادی را تحمل نماید و ضمنا کابل های دوبل می توانند در مورد نیروی باد و زلزله مقاوم باشند.
نمونه دیگری از کابل های دوبل نمایشگاه است که در سال 1958
در کارولینای شمالی ساخته شده است.اسکلت این بنا از قوس بزرگی ساخته شده که تا زمین ادامه دارد و برای پوشش سقف در دو جهت عمود برهم کابل کار گذاشته شده است.کابل های اصلی دارای تقعر رو به بالا و جهت دیگر تقعر رو به پایین است.
به کار بردن این نوع سقف ها از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.
در این حالت پوشش سقف می تواند کاملا آویزان شود.
سیستم پوسته ای زین: اسبی(آنتی کلاسیک):
هندسه و مکانیزم تحمل بار پوسته های انتقالی:
نحوه شکل گیری یک سطح انتقالی بدین صورت است که یک منحنی مسطح(مولد) به موازات خودش و بر روی منحنی سطح دیگری(هادی) حرکت می کند.معمولا صفحه این دو منحنی برهم عمودند.
پارابولویید بیضوی:
سطح سین کلاسیک(انحنای خط هادی و مولد در یک جهت است)
بار از طریق مکانیزم قوسی ، در دو محور به قوس های لبه ای منتقل
می گردد.بنابراین لبه ها باید فشار نیروی قوس را دریافت کرده و آنرا
مهار کنند.اگر لبه پایینی پوسته افقی باشد ، لبه می بایست برایند نیروهای قوس هر دو محور را دریافت کند.به علت فرم بیضوی لبه که نیروی قوس های پوسته را به یکدیگر کی رساند ، بار مرده پوسته خنثی شده و خمش در لبه ایجاد نمی گردد.
سطح زین اسبی(آنتی کلاسیک)(انحنای خط هادی و مولد در دو جهت مخالف است
قوس در یک محور و مکانیزم آویز در محور دیگر ، به قوس های لبه ای منتقل می گردد و بنابراین لبه ها از یک محور فشار نیروی قوسی و از محور دیگر کشش نیروی آویز را دریافت می کنند.اگر لبه پایینی پوسته
افقی باشد ، لبه می بایست هر دو نیروی کشش و فشار را تحمل کند.به علت شکل قوسی لبه ، این نیروهای افقی بدون ایجاد خمشی به گوشه ها منتقل می گردد.
مزایای سازه کابلی:
ـ رفتار دو طرفه دارد(رفتاری که در دو جهت عمود برهم نیروها را منتقل می کند)
ـ می تواند مساحتی را بپوشاند که کنترل نوسانات و ارتجاعات را انجام می دهد.
ـ فرم های هندسی متنوعی می دهد.
ـ خطی و غیر ایستا
ـ مقاومت بالا در برابر کشش
ـ مقاومت بالا در برابر زلزله
ـ هزینه اجرای پایین
معایب سازه های کابلی:
ـ لرزش و ارتعاش(ارتعاش کامل سبب لرزش طولی و عرضی هرآنچه بدان متصل است می شود)
ـ آسیب پذیری در برابر باد
ـ عدم امکان استفاده در ساختمان های کوچک به سبب ناپایداری
ـ پیچیدگی فراوان در طراحی و اجرا
ـ مقاومت ناچیز در برابر فشار
سقف زین اسبی کلگری:
سقف این بنا ی زیبا و بزرگ منحنی است و از یک شبکه فولادی تشکیل
شده و یا به عبارت دیگر دور تا دور سقف از یک حلقه بتنی تشکیل شده
و روی این حلقه یک شبکه کابل ، و روی این شبکه پانل های پیش ساخته
پانل های پیش ساخته کار گذاشته شده است.شکل این پانل ها مربع است
و ابعاد آنها متر و ضخامت آن سانتی متر است و به وسیله سه کابل در هر
جهت نگه داشته می شود.
قسمت اصلی سقف از یک حلقه بتنی تشکیل شده که تکیه گاه این
حلقه ستون هایی است که در اطراف کار گذاشته شده اند.
برای پوشش سقف دو نوع کابل به کار برده شده است ، کابل های
معلق که جهت تقعر آنها رو به بالاست ، و کابل های تثبیت شده
که جهت تقعر آنها رو به پایین است.دهنه کابل ها با توجه به شکل
آن متغییر است و بیشترین دهنه این سازه متر است.
ساختمان پت سنتر PATCENTER (این بنا درسال 1986 بنا گردیده)
این ساختمان تاریخی توسط یکی از بزرگترین آرشیتکت های دنیا بنام
ریچارد راجرز بنا گردیده این بنائی زیبا امرزه یکی از مراکز تحقیقاتی
وفن آوری PA میباشد منظور از طراحی این فضا بوجود اوردن یک فضای
ازاد بدون ستون داخلی است برای دفاتروآزمایشگاه ها که بتوان فضای
داخلی را تغیر داد هدف اصلی آرشیتکت از این بنا نشان دادن عملکرد
سازه دز خارج بنا است
سازه : دراین ساختمان دکل ها ی فولادی بفواصل مساوی دروسط
ساختمان قرار گرفته وکابل های فولادی یک عضو کششی چهار کابل
کوچکتر را که در یک نقطه متصل هستند نگه میدارد .
در این نوع از سازه های کابلی یک دکل قائم یا مایل به صورت متقارن یا نامتقارن وظیفه مهار نیروها ی کششی کابل ها و تبدیل آنها به تنش فشاری و انتقال آن به پی را بر عهده دارد. یک ترکیب کاربردیتر، سازهای کابلی مابین دو تکیهگاه برای تحمل باری معلق در وسط دهانه میباشد. در زیر چنین باری کابل از وسط خم میشود و هر تکیهگاه نیمی از وزن بار را تحمل میکند. با توجه به این که وزن کابل در برابر بار وارده ناچیز است، کابل شکل V به خود میگیرد. نیروی کششی در کابل از طریق بار وارده و شیب کابل محاسبه میشود. نیروی کشش در کابل معمولاً برابر برآیند مولفههای عمودی و افقی نیروی عکسالعمل است. رانش در سازه های کششی: خیز یک سازه زنجیر واره، رانش افقی ایجاد شده را تعیین می کند: خیز کمتر، رانش بیشتر در بیشتر کابل های زنجیر واره که برای سازه سقف ساختمان ها به کار می روند نسبت خیز به دهانه ۱:۸ تا ۱:۱۰ است. برای بار متمرکز که در وسط دهانه وارد می شود ، خیر مناسب در حدود ۵۰ در صد طول دهانه می باشد. برای بار یکنواخت روی یک کابل سهمی شکل ، خیر مناسب تقریبا ۳۳ در صد طول دهانه می باشد. سازه های معلق با فرم منحنی طنابی: . منحنی دارای یک انحنا: سازه های با یک انحنا متشکل از دو یا چند کابل زنجیرواره موازی که بین تکیه گاه های اصلی . سازه های با کابل مضاعف: شبیه به سازه های یک انحنا می بلشند، که کابل های تثبیت کننده در زیر کابل های معلق اصلی برای مقاومت در برابر نیروی باد اضافه شده اند. اگر هر دو سوی کابل در یک سطح باشند ، تعدادی کابل اضافی برای تضمین ایستایی جانبی (عمود بر این دهانه) باید استفاده شود. . سازه های با انحنای دوگانه: از نوع آنتی کلاستیک (یکپارچه) هستند، به طوری که کابل های معلق در یک جهت دهانه بین تکیه گاه ها و کابل های ثبیت کننده در جهت عمود بر آن برای مقاومت در برابر نیروی باد به سمت پایین کشیده می شوند.
نمونه ایی از سازه های با یک انحنا: ساختمان ترمینال دالاس این ساختمان شبیه به یک گهواره معلق در بین درختانی از بتن ، متشکل از ستون های با فرم منحنی طنابی موازی از جنس کابل فولادی با قطر ۲۵ میلیمتر با فاصله ۳ متر از یکدیگر و پانل های پیش ساخته بتنی که بین آن ها را پوشانده است می باشد سقف به وسیله یک ردیف از تیر های اصلی بتنی با فواصل ۱۲/۲ متر از یکدیگر نگاه داشته می شود. لبه بیرونی بام از بتن در جا است که به شکل یک تیر انتهایی برای نگاهداری سه ستون از کابل های بین تیرها طراحی شده است.
نمونه ایی از سازه های با انحنای دو گانه
پل آلمیلو-دره لاکارتوجا-سویل دهانه این پل ۲۰۰ متر است ارتفاع دکل ۱۴۲متر و زاویه ۵۸ درجه مانند هرم خیوپس است. -تعداد کابل ها =۱۳ -نیروی وارده از کابل ها به وسیله ی وزن دکل های فولادی که با بتن پر شده اند خنثی گردیده است. -ستون فقرات اصلی سطح پل یک تیر فولادی جعبه ای با مقطع شش ظلعی است که به کابل های مهاری متصل شده است. -سطح پل که دارای سه خط ماشین رو در هر طرف میباشد در طرفین تیر اصلی به صورت طره ایی اجرا شده است.
پل میلائو
ارتفاع این پل از کف دره تارن به ۲۷۰ متر می رسد و حدود ۵/۲ کیلومتر طول دارد و در ساخت آن از بیش از ۳۶۰۰۰ تن فولاد استفاده شده و همچنین طول اجزاء نوارنگهدارنده آن (کابلهای حمایت کننده) حدود ۱۰۰۰ کیلومتر است.
مسافران با خودروهای خود می توانند از روی این پل مسافت پاریس به بارسلونا را طی کنند و در مسیر دریایی نیز دره تارن را به جنوب فرانسه پیوند می زند و زمان سفر را در یکی از معابر شلوغ اروپا کاهش می دهد.
سازه های با فرم منحنی طنابی ( شناخته نشده با عنوان فرم های فعال ) سازه هایی هستند که در برابر بارهای وارده از شکل و ترکیبی استفاده می کنند که تنش های داخلی حاصله فقط به صورت فشار و کشش مستقیم باشد . کابلی را در نظر بگیرید که بین دو تکیه گاه کشیده شده و باری را تحمل می کند ، کابل تحت باری که از پائین وارد می شود، شکل به خود می گیرد و فقط تحت کشش واقع می شود . اگر بار دیگری به آن اضافه شود ، شکل بارگذاری تغییر کرده و به صورت سه بخش که هریک قسمتی از بار را تحمل می کنند ، تقسیم می شود. بارهای اضافی دیگر تعداد تقسیمات را افزایش داده تا به فرم منحنی کامل که عمل توزیع را بر عهده دارد ، تبدیل نشود . در هر حال کابل فقط تحت کشش است.
سازه های کابلی در بین تمامی سازه های موجود گسترده ترین دهانه را با طول بیش از 500 متر پوشش می دهند. سازه های کابلی بخشی از سیستم های سازه با عملکرد کششی هستند .
این سازه برای طراحی پل ها ، پوشش دهانه های بزرگ ، سقف ها و … مورد استفاده قرار می گیرند . ساده ترین مثال از یک سازه کششی یک وزنه آویخته از یک کابل است ، وزنه دقیقاً در امتداد کابل ساکن می شود. در حالی که بین دو نقطه اتصال به صورت کشش در یک خط راست قرار می گیرد.
تحمل باری معلق در وسط یک دهانه ترکیبی کاربردی تر از سازه کابلی را نشان می دهد. در این حالت کابل از وسط خم می شود و هریک از دو تکیه گاه نیمی از بار را تحمل می کند.
سازه های کابل های زنجیره وار قابلیت پوشاندن دهانه های متنوعی را دارند. در دهانه هاو شرایط بارگذاری معمولی نسبت خیز به دهانه یکی از مسائل مهم در طراحی اولیه سازه است .
معمولاً نیروهای کابلی نسبت عکس با خیز دارند، به عبارت دیگر با کاهش طول کاب قطر آن افزایش می یابد. یک کابل کوتاه با حداقل خیز به علت وجود نیروهای کششی بسیار بزرگ به قطر زیادی نیاز دارد. بر عکس این حالت یک کابل با خیز بسیار زیاد می تواند قطر کوچکی برای تحمل نیروهای کششی کم داشته باشد که کاملاً طولی عمل می کند.
انواع سازه های معلق کابلی :
الف ) منحنی دارای یک انحنا: دو یا چند کابل زنجیره وار موازی که بین تکیه گاه های اصلی کشیده شده اند.
ب ) کابل مضاعف : این نوع شبیه کابل دارای یک انحنا می باشد. با این تفاوت که کابل های تثبیت کننده در زیر کابل های معلق اصلی برای مقابله با نیروهای رو به بالای باد به آن اضافه شده است .
ج ) منحنی مضاعف: از نوع آنتی کلاسیک ( یکپارچه ) می باشد . مثل زین اسب ، که انحنا در یک جهت مثبت و در جهت مخالف منفی است . در ضمن کابل های معلق در یک جهت دهانه بین تکیه گاه ها قرار گرفته اند و کابل تثبیت کننده عمود بر آن برای مقابله با باد به سمت پائین کشیده شده است .
پل های معلق با فرم منحنی طنابی ، نمونه هایی از سازه های یک انحنا می باشند. در این نوع پل ها از دوطناب بلند به عنوان جان پناه استفاده می شدو. پل های طنابی شامل یک کف و دو سطح جانبی که از تعدادی طناب به هم پیچیده تشکیل شده اند و فرمی U شکل شبیه یک گهواره طولانی را به خود می گیرند ، می باشند. مشکل اصلی دریک پل با چنین انعطافی آن است که با حرکت مسافران ، فرم آن در واکنش به بار متحرک وارده تغییر می کند.
سطح تخت شده پل در سال 1801 به وسیله جمیز فایندلی مورد استفاده قرار گرفت و این ایده باعث پیشرفت در مسیر تکامل پل های معلق کابلی عظیم در سراسر جهان شد.
سطح سخت شده از تغییر شکل در زیر بار متحرک با تکیه گاهی از جنس زنجیر آهنی به وسیله توزیع بارهاسوی یک بخش بزرگ از دهانه ممانعت به عمل می آورد
پل های کابلی معلقی که در آمریکا و اروپا اجرا شده اند، نمونه های بارز سازه های منحنی یک انحنا می باشند. همچنین کارخانه کاغذ سازی بورگو ایتالیا با سقفی شبیه پل ساخته شده و این سقف سطحی معادل 7992 مترمربع را پوشش می دهد.
تعریف کابل
اصطلاح کابل در بر گیرنده عناصر صلب ( میله ) و انعطاف پذیر ( کابل ) است .
کابل انعطاف پذیر است چون قطر آن در برابر طولش کم است .
انعطاف پذیری باعث می شود که نیرو های کششی به طور مساوی بین رشته های کابل توزیع می شود. )عدالت در توزیع تنش ) + مقاومت خمشی محدود است چون نیروهای نامساوی وجود ندارد
نیروی کششی در کابل برآیند نیروهای عکس العمل افقی و عمودی ناشی از بار وارده است
دلایل استفاده از سازه کابلی :
خالص ترین رفتار سازه ای را دارد .( فقط نیروی کششی را تحمل می کند )
از تمام مقاومت خود بهره می برند.
فرم آن ها خود به خودی شکل گرفته و فرمی پر بازده است . ( فرم طبیعی)
انعطاف پذیرند و خود را با بار تطبیق میدهند .
تولید صنعتی فولاد
امکان ایجاد پوشش سبک روی دهانه های بزرگ ( در دهانه کوچک غیر اقتصادی هستند)
افت کابل
کابل ها بدون افت نمی توانند بار تحمل کنند . ( زیرا یک مولفه عمودی ایجاد می شود )
نیروی کششی در یک کابل برابر است با مجموع نیروهای عمودی و افقی نیروی عکس العمل تکیه گاهها
افزایش افت کابل
افزایش طول کابل
کاهش نیروی رانش تکیه گاهها
کوچکتر شدن مقطع کابل
کاهش نیروی درونی کابل
نکته : در پایداری هر سازه کابلی ۳ عامل نقش مهمی دارند :
مقابله با نیروی باد ( سنگین کردن/کابل مضاعف/شبکه کابلی)
مقابله با نیروی رانش کابل ( آرایش متقارن / عوامل دیگر)
پایداری جانبی در برابر باد و زلزله
در بین تمامی سازه های موجود سازه های کابلی گسترده ترین دهانه را با طول بیش از 500 متر پوشش می دهد
سازه های کابلی بخشی از سیستم های سا زه با عملکرد کششی هستند
این سازه برای طراحی پل ها پوشش دهانه های بزرگ سقفها و …
مورد استفاده قرار می گیرد
این دسته از سازه ها ی انعطاف پذیر با اتصالات غیر صلب اند که در انها نیرو ها از طریق طراحی فرم ویژه و پایدار سازی فرم مشخصه توزیع میشوند اجزای اصلی سازه های کابلی همواره تحت تاثیر یکی از انواع تنشهای محوری عمود بر سطح قرار دارند :
الف)تنش فشاری
ب)تنش کششی
کابل عضوکششی نازکی است که ضمن مقاومت کششی در مقابل نیرو های
فشاری مقاومتی ندارد مانند: سیم فلزی – طناب
کابل ها انعطاف پذیرند زیرا قطر ان ها در مقابل طولشان خیلی کوچک است انعطاف پذیری نمایانگر مقاومت خمشی محدود است زیرا انعطاف پذیری از تنش های نا مساوی حاصل از خمش جلوگیری میکند و بارهای کششی را به طور یکسان میان رشته های کابل تقسیم میکند
این کار موجب میشود رشته های کابل تا حد مجازشان تحت تاثیر تنش واقع گردندمقاومت کششی زیاد فولاد همراه با کارایی کشش ساده باعث میشود
که کابل فولادی به عنوان یک عنصر سازه ای ایده ال برای پوشاندن دهانه های بزرگ به کاررود
ساده ترین مثال از یک سازه کششی یک وزنه اویخته از یک کابل است وزنه دقیقا در امتداد کابل ساکن میشود در حالی که بین دو نقطه اتصال به صورت کشش در یک خط راست قرار میگیرد
یک ترکیب کاربردی تر از سازه های کابلی برای تحمل باری معلق دروسط دهانه است در این حالت کابل از وسط خم میشود و هر یک از دو تکیه گاه نیمی از بار را تحمل میکند
سازه معلق با فرمهای منحنی طنابی به سه بخش تقسیم می شوند :
منحنی دارای یک انحنا موازی تخت
کابل مضاعف موازی فضا یی
منحنی مضاعف چرخشی تخت
منحنی دارای یک انحنا : دو یا چند کابل زنجیره واره موازی که بین تکیه گاههایاصلی کشیده شده اند
کابل مضاعف :
این نوع شبیه کابل دارای یک انحنا میباشند با این تفاوت که کابل های تثبیت کننده در زیرکابل معلق اصلی برای مقابله با نیروی رو به بالای باد به ان اضافه شده است .
منحنی مضاعف :
منحنی مضاعف از نوع انتی کلاسیک (یکپارچه) می با شدمثل زین اسب که انحنا در یک جهت مثبت و در جهت مخالف منفی است . در ضمن کابل های معلق در یک جهت دهانه بین تکیه گاه ها قرار گرفته اند وکابل تثبیت کننده عمود بر ان برای مقابله با باد به سمت پایین کشیده شده اند.
سازه ها ی کابلی امروزه به علت کارایی گسترده،سبکی،و علاوه بر این موارد زیبایی که بابت طراحی آنها ایجاد میشوند از جذابیت خاصی برخوردارند.
برای اجرای پل ها می توان از سیستم های سازه ای پل های کابلی استفاده کردکه نحوه استفاده از کابل هادر پل به دو گونه است :
-1 پل های با کابل کشیده 2
– پل های با کابل سهمی
پل های با کابل سهمی از دو عدد پایه بلند تشکیل می شوند که در دو طرف دهانه قرار می گیرند و دو دسته کابل که با عبور از بالای پایه ها، در دهانه آویزان است و عرش. پل به وسیل. تعدادی آویز قائم از کابل های نامبرده آویخته می شود یا مستقیماً بار وارده را تحمل می نماید.حال آنکه در پل های با کابل کشیده دهان. پل توسط کابل های متعددی که به یک پای. بلند نصب شدهاند در نقاط متعددی گرفته می شود.
با بررسی سیستم ها ی پل های کابلی اجرا شده به این نتیجه می رسیم که همواره در طراحی این سیستم ها به صورت کاملا خطی و دو بعدی نگاه شده است که در برابر نیرو های وارده در دو بعد نیرو را تحمل می کنند که این سبب می شود این نوع پل ها در برابر نیرو های دینامیکی جانبی مقاومت چندان خوبی نداشته باشند در صورتی که تحمل نیرو در سه بعد سبب افزایش مقاومت آنها می شود. همچنین استفاده از برج های نگهدارنده کابل در کنار دهانه پل هر چند سبب تحمل نیرو در برابر نیرو های جانبی میشود اما از حس تعلیق موجود در فضا می کاهد که مطلوب نیست .
سازه های کابلی دارای 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 فشاریا 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.
دراینجا سعی بر آن است که روشهای تحلیل استاتیکی سازه های کششی – به ویژه سازه های کابلی – مورد بررسی قرارگرفته 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 ازخودنشان 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 .
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.
وبعد از این مرحله یعنی پس ازحدکشسانی رابطه تنش -کرنش از حالت خطی بودن خارج می شود.
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.
طراحی سازه کابلی
طراحی سازه های کابلی به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:
1- سازه های متکی به کابل suport cable seystem
2- سازه های معلق suspended cable system
اگر در طراحی سازه های کابلی، از سیستم شبکه کابلی استفاده شود، بواسطه بوجود آمدن درجات نامعین بیشتر محاسبات از پیچیدگی بیشتری برخوردار هستند. تحلیل سازه های کابلی مستلزم تحلیل غیر خطی هندسی بواسطه حضور کابل است، زیرا هندسه کابل تحت بارهای وارده تغییر کرده و توزیع نیروهای نیز تغییر خواهند کرد، در صورتیکه یک قاب تحت بارگذاری هندسه اش تغییر نمی کند که تاثیر در توزیع نیروها بگذارد. (تغییر شکل های بزرگ مورد نظر است)
پل کابلی و مزایا و معایب آن
پل کابلی و مزایا و معایب آن:
یک پل کابلی، از یک عرشه پیوسته که بوسیه کابل هایی که به صورت اریب به سمت پایین کشیده شده و عرشه پل را به یک یا چند برج (پایلون) (که عموما به شکل A میباشند) که بالای پایه های پل بنا شده اند متصل می کنند، تشکیل شده است. کابل های فولادی بی نهایت قوی و در عین حال بسیار انعطاف پذیر و مقرون به صرفه می باشند چون سبب ساخت سازه ای سبکتر و باریکتر شده و در عین حال با کابل می توان دهانه ها با طول بیشتر (تا 1000 متر) را پوشش داد. اگرچه تنها تعداد کمی از آن ها برای نگه داشتن کل پل کافی هستند، انعطاف پذیری کابل ها آن ها را در مقابل نیروهایی مانند باد ضعیف می کند. 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 می نماید. برای دهانه های طولانی تر، جایی که باد و نوسانات باید مورد توجه قرار گیرند، محاسبات بی نهایت پیچیده می شوند و عملاً بدون کمک رایانه و آنالیز رایانه ای غیر ممکن می باشند. علاوه بر این ساخت پل کابلی مشکل است و اتصالات، برج ها، عرشه ها و مسیر کابل ها سازه های پیچیده ای هستند که مستلزم ساخت دقیق می باشند.
ازخواص کابل می توان 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 کابل وکنترل رشته های سیم بستگی دارد. مواد اولیه کابلها به تنها دربخشی از استحکام قابل استفاده خود رابطه تنش-کرنش خطی از خود نشان می دهند، و بعد از این مرحله یعنی پس ازحدکشسانی رابطه تنش-کرنش از حالت خطی بودن خارج می شود.
تاریخچه پل کابلی:
اولین طرح شناخته شده از یک پل کابلی در کتابی به نا "ماشین های نووا" منتشر شده در سال ۱۵۹۵ آورده شده و اولین پل کابلی معلق ساخته شده پل درابرگ اسکاتلند در سال 1817 می باشد. 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 پابرجا بود، مورد استقبال واقع شد.
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 عرشه از یکدیگر تمیز داده شوند. تنوع بسیاری در تعداد و نوع برج ها و همچنین تعداد و چینش کابل ها وجود دارد. برج ها به صورت تکی، دوتایی، دروازه ای و یا 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.
الگوی یک پل کابلی با چینش چنگی(موازی)
الگوی یک پل کابلی با چینش پنکه ای (شعاعی)
پلهای کابلی عمدتا به دو بخش ترکه ای و معلق تقسیم بندی می شود. پل های معلق در دهانه های خیلی بزرگ به کار می روند ترکیب این پلها عبارت است از دو عدد پایه بلند که در دو طرف دهانه قرار دارد و دو دسته کابل که با عبور از بالای پایه ها در دهانه آویزان است و دو انتهای کابل ها در تکیه گاه ثابتی که معمولا بلوک های حجیم بتنی هستند مهار می شود و عرشه توسط تعدادی آویز قائم آویخته می شود. پل های معلق مدرن برای دهانه های بیش از 300 متر اقتصادی بوده و اگر عرشه فلزی که سبکتر از نوع بتنی میباشد استفاده شود مقرون به صرفه تر است. پل های ترکه ای به علت سختی و زیبایی و اقتصاد طرح و سهولت اجرا از سال 1950 میلادی رواج زیادی یافت. اصل اساسی در بررسی رفتار پل های ترکه ای این است که توسط کابل های متعددی به یک پایه بلند نصب شده اند و دهانه پل در نقاط متعددی گرفته میشود. در این پل ها عرشه به صورت صلب از یک طرف روی کوله های پایه ها و از طرف دیگر با کابل ها مهار میشوند. پایه های میانی پل به شکل H ،A ،I بوده است پل های ترکه ای با عرشه بتنی تا دهانه های 100 الی 700 متر اقتصادی بوده است.
مقایسه پل کابلی ترکه ای و معلق و پل بازوئی:
برای طول متوسط دهانه ها (500 تا 1000 متر) پل کابلی ترکه ای (ایستا) 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 ترکه ای بهترین پل برای طول دهانه بین پل های بازویی و کابلی 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 ولی با اینکه هر دو دارای عرشه هستند که از کابل ها آویزانند و هر دو دارای برج هستند، 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 ترکه ای، کابل ها در حالی که به برج ها متصلند به تنهایی بار را تحمل می کنند. در مقایسه با پل های کابلی معلق، پل کابلی ترکه ای به کابل کمتری نیاز دارد، می توان آن را از قطعات بتن پیش ساخته مشابه ساخت و همچنین احداث آن سریع تر است
پل معلق
پل کابلی ترکه ای
بررسی بیست عدد از بلندترین پل های کابلی دنیا بر اساس دهانه اصلی پل:
1- پل کابلی راسکی (Russky Bridge) که دهانه اصلی آن 1104 متر است و در سال 2012 عملیات ساخت آن در منطقه ولدیوستاک (Vladivostok) روسیه به اتمام رسیده.
2- پل کابلی سوتانگ (Sutong Bridge) که دهانه اصلی آن 1088 متر است و در سال 2008 عملیات ساخت آن بین دو منطقه سوژو و نانتونگ (Suzhou-Nantong) چین به اتمام رسیده.
3- پل کابلی استون کاترز (Stonecutters Bridge) که دهانه اصلی آن 1018 متر است و در سال 2009 عملیات ساخت آن بین دو منطقه تسین ای و استون کاترز (Tsing Yi-Stonecutters Island) هنگ کنگ به اتمام رسیده.
4- پل کابلی ایدانگ (E'dong Bridge) که دهانه اصلی آن 926 متر است و در سال 2010 عملیات ساخت آن در منطقه هوانگشی (Huangshi) چین به اتمام رسیده.
5- پل کابلی تاتارا (Tatara Bridge) که دهانه اصلی آن 890 متر است و در سال 1999 عملیات ساخت آن به اتمام رسید. این پل در ژاپن و در 200 کیلومتری غرب کوبه (Kobe) در راه انوموجی-ایماباری ( Onomochi-Imabari) بین جزایر هونشو و شیکوکو قرار دارد.
6- پل کابلی پونت د نرماندی (Pont de Normandie) که دهانه اصلی آن 856 متر است و در سال 1995 عملیات ساخت آن بین دو منطقه لهوره و هنفلور (Le Havre-Honfleur) فرانسه به اتمام رسیده.
7- پل کابلی جیوجیانگ شاهراه فوین (Jiujiang Fuyin Expressway Bridge) که دهانه اصلی آن 818 متر است و در سال 2013 عملیات ساخت آن بین دو منطقه جوجیانگ و هوانگمی (Jiujiang-Huangmei) چین به اتمام رسیده.
8- پل کابلی جینگو (Jingyue Bridge) که دهانه اصلی آن 816 متر است و در سال 2010 عملیات ساخت آن بین دو منطقه جینگزو و یو ایانگ (Jingzhou-Yueyang) چین به اتمام رسیده.
9- پل کابلی اینچن (Incheon Bridge) که دهانه اصلی آن 800 متر است و در سال 2009 عملیات ساخت آن بین دو منطقه اینچن و یوآنجانگدو (Incheon-Yeongjongdo) کره جنوبی به اتمام رسیده.
10- پل کابلی شیامن ژانگژو (Xiamen Zhangzhou Bridge) که دهانه اصلی آن 780 متر است و در سال 2013 عملیات ساخت آن بین دو منطقه شیامن و ژانگژو (Zhangzhou-Xiamen) چین به اتمام رسیده.
11- پل کابلی زولوتوی ( Zolotoy Bridge) که دهانه اصلی آن 737 متر است و در سال 2011 عملیات ساخت آن در منطقه ویلادی وستک (Vladivostok) روسیه به اتمام رسیده.
12- پل کابلی شانگهای یانگ تسه (Shanghai Yangtze River Bridge) که دهانه اصلی آن 730 متر است و در سال 2009 عملیات ساخت آن بین دو منطقه شانگهای و کونمینگ (Shanghai-Chongming County) چین به اتمام رسیده.
13- پل کابلی مینپو (Minpu Bridge) که دهانه اصلی آن 708 متر است و در سال 2009 عملیات ساخت آن در منطقه شانگهای (Shanghai) چین به اتمام رسیده .
14- پل کابلی زیانگشان (Xiangshan Port Bridge) که دهانه اصلی آن 688 متر است و در سال 2012 عملیات ساخت آن بین دو منطقه نینگبو و زیانگشان (Ningbo-Xiangshan County) چین به اتمام رسیده.
15- پل کابلی لانگی مین ( Langqi Min River Bridge) که دهانه اصلی آن 680 متر است و در سال 2013 عملیات ساخت آن در منطقه فوژو (Fuzhou) چین به اتمام رسیده.
16- سومین پل کابلی نانجینگ یانگ تسه (Third Nanjing Yangtze Bridge) که دهانه اصلی آن 648 متر است و در سال 2005 عملیات ساخت آن در منطقه نانجینگ (Nanjing) چین به اتمام رسیده.
17-دومین پل کابلی نانجینگ یانگ تسه (Second Nanjing Yangtze Bridge) که دهانه اصلی آن 628 متر است و در سال 2001 عملیات ساخت آن در منطقه نانجینگ (Nanjing) چین به اتمام رسیده.
18- پل کابلی جینتانگ (Jintang Bridge) که دهانه اصلی آن 620 متر است و در سال 2009 عملیات ساخت آن بین دو منطقه نینگبو و جینتانگ (Ningbo-Jintang Island) چین به اتمام رسیده.
19- پل کابلی بیشزهو (Baishazhou Bridge) که دهانه اصلی آن 618 متر است و در سال 2000 عملیات ساخت آن در منطقه ووهان ( Wuhan) چین به اتمام رسیده.
20- پل کابلی ارکی یانگ تسه (Erqi Yangtze River Bridge) که دهانه اصلی آن 616 متر است و در سال 2011 عملیات ساخت آن در منطقه ووهان ( Wuhan) چین به اتمام رسیده.گفتنی است بلندترین پل کابلی دنیا (از لحاظ طول کلی پل) پل جیاکزینگ-شاوزینگ (Jiaxing-Shaoxing) میباشد که پس از هفت سال کار در سال 2013 و در شهر شاوزینگ چین به پایان رسید. این پل با طول 10138 متر بلندترین پل کابلی جهان شناخته شده. دهانه اصلی آن 428 متر و ارتفاع آن 227 متری از سطح زمین می رسد.
پل های کابلی ساخته شده در ایران:
1- پل کابلی الغدیر اهواز:
پل الغدیر اهواز
پل غدیر هشتمین پل درون شهری اهواز است. سازه این پل از نوع کابلی ترکه ای است و طول آن ۱۰۱۴ متر و عرض آن ۲۲ متر است. این پل منطقه امانیه و خیابان تخت سلیمان در غرب رود کارون را به خیابان زند در شرق این رودخانه متصل می کند
پروژه احداث این پل در بهمن ماه ۱۳۸۴ آغاز و در اسفند ۱۳۹۰ به پایان رسید. هزینه ساخت این پل ۴۰ میلیارد تومان اعلام شده است.
2- پل کابلی میدان امام حسین (ع) مشهد
پل کابلی میدان امام حسین (ع) مشهد پل کابلی از نوع ایستا (ترکه ای) با عـرض حـدود 25 متر و با 2 عـدد پیلـون بتنی به ارتفاع 37 متر با معمـاری ویـژه که دهانه وسط در حدود 100 متر و با طول کلی 800 متر می باشد. از جمله ویژگیهـای مهم این پروژه اجرای پیلونهای پل با استفاده از فناوری قفسه های پیش سـاخته و اتصالات تـزریقی NMB بوده که باعث اجرای پایلونها با سرعت فوق العاده شده است. همچنین از دیگر ویژگیهای این پل اجرای کامل عرشه بدون ایجاد محدودیت تـرافیکی در زیرگـذر می باشد.
در این پل 48 کـابـل آویـز هـرکدام با 25 رشته پـرمقـاومت وظیفه انتقـال نیروهـا از عـرشه بـر پیلـون را بـرعهده دارند. عملیـات نصب و کـشش کـابلهـای ایـن پــروژه بـطور کـامـل تـوسـط متخصصـان گروه مهندسی پردیسان انجام گردیده است.
پل کابلی و مزایا و معایب آن:
یک پل کابلی، از یک عرشه پیوسته که بوسیه کابل هایی که به صورت اریب به سمت پایین کشیده شده و عرشه پل را به یک یا چند برج (پایلون) (که عموما به شکل A میباشند) که بالای پایه های پل بنا شده اند متصل می کنند، تشکیل شده است. کابل های فولادی بی نهایت قوی و در عین حال بسیار انعطاف پذیر و مقرون به صرفه می باشند چون سبب ساخت سازه ای سبکتر و باریکتر شده و در عین حال با کابل می توان دهانه ها با طول بیشتر (تا ۱۰۰۰ متر) را پوشش داد. اگرچه تنها تعداد کمی از آن ها برای نگه داشتن کل پل کافی هستند، انعطاف پذیری کابل ها آن ها را در مقابل نیروهایی مانند باد ضعیف می کند. 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 می نماید. برای دهانه های طولانی تر، جایی که باد و نوسانات باید مورد توجه قرار گیرند، محاسبات بی نهایت پیچیده می شوند و عملاً بدون کمک رایانه و آنالیز رایانه ای غیر ممکن می باشند. علاوه بر این ساخت پل کابلی مشکل است و اتصالات، برج ها، عرشه ها و مسیر کابل ها سازه های پیچیده ای هستند که مستلزم ساخت دقیق می باشند.
ازخواص کابل می توان 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 کابل وکنترل رشته های سیم بستگی دارد. مواد اولیه کابلها به تنها دربخشی از استحکام قابل استفاده خود رابطه تنش-کرنش خطی از خود نشان می دهند، و بعد از این مرحله یعنی پس ازحدکشسانی رابطه تنش-کرنش از حالت خطی بودن خارج می شود.
تاریخچه پل کابلی:
اولین طرح شناخته شده از یک پل کابلی در کتابی به نا "ماشین های نووا" منتشر شده در سال ۱۵۹۵ آورده شده و اولین پل کابلی معلق ساخته شده پل درابرگ اسکاتلند در سال ۱۸۱۷ می باشد. 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 پابرجا بود، مورد استقبال واقع شد.
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 عرشه از یکدیگر تمیز داده شوند. تنوع بسیاری در تعداد و نوع برج ها و همچنین تعداد و چینش کابل ها وجود دارد. برج ها به صورت تکی، دوتایی، دروازه ای و یا 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.
الگوی یک پل کابلی با چینش چنگی(موازی(
الگوی یک پل کابلی با چینش پنکه ای (شعاعی(
پلهای کابلی عمدتا به دو بخش ترکه ای و معلق تقسیم بندی می شود. پل های معلق در دهانه های خیلی بزرگ به کار می روند ترکیب این پلها عبارت است از دو عدد پایه بلند که در دو طرف دهانه قرار دارد و دو دسته کابل که با عبور از بالای پایه ها در دهانه آویزان است و دو انتهای کابل ها در تکیه گاه ثابتی که معمولا بلوک های حجیم بتنی هستند مهار می شود و عرشه توسط تعدادی آویز قائم آویخته می شود. پل های معلق مدرن برای دهانه های بیش از ۳۰۰ متر اقتصادی بوده و اگر عرشه فلزی که سبکتر از نوع بتنی میباشد استفاده شود مقرون به صرفه تر است. پل های ترکه ای به علت سختی و زیبایی و اقتصاد طرح و سهولت اجرا از سال ۱۹۵۰ میلادی رواج زیادی یافت. اصل اساسی در بررسی رفتار پل های ترکه ای این است که توسط کابل های متعددی به یک پایه بلند نصب شده اند و دهانه پل در نقاط متعددی گرفته میشود. در این پل ها عرشه به صورت صلب از یک طرف روی کوله های پایه ها و از طرف دیگر با کابل ها مهار میشوند. پایه های میانی پل به شکل H ،A ،I بوده است پل های ترکه ای با عرشه بتنی تا دهانه های ۱۰۰ الی ۷۰۰ متر اقتصادی بوده است.
مقایسه پل کابلی ترکه ای و معلق و پل بازوئی:
برای طول متوسط دهانه ها (۵۰۰ تا ۱۰۰۰ متر) پل کابلی ترکه ای (ایستا) 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 ترکه ای بهترین پل برای طول دهانه بین پل های بازویی و کابلی 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 ولی با اینکه هر دو دارای عرشه هستند که از کابل ها آویزانند و هر دو دارای برج هستند، 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 ترکه ای، کابل ها در حالی که به برج ها متصلند به تنهایی بار را تحمل می کنند. در مقایسه با پل های کابلی معلق، پل کابلی ترکه ای به کابل کمتری نیاز دارد، می توان آن را از قطعات بتن پیش ساخته مشابه ساخت و همچنین احداث آن سریع تر است
پل معلق
پل کابلی ترکه ای
سازه های غشایی که سازه چادری یا سازه پارچه ای نیز نامیده می شود، زیرمجموعه ای از سازه های فضایی هستند و به دلیل سبکی، شفافیت و انعطاف در خلق فرم های زیبا و بدیع، گسترش روزافزونی در ساخت بناهایی با عملکردهای مختلف تجاری، اداری، ورزشی و… یا به شکل سایه بان در فضاهای عمومی و شهری داشته اند.
ویژگی های مذکور ارتباط مستقیم با خواص مواد سازنده غشاهای این نوع سازه ها دارد. ساخت و تولید مواد کامپوزیت از الیاف و پلیمرها با طیف وسیعی از خواص فیزیکی، مکانیکی و سازه ای امکانات متعددی را پیش روی طراحان قرار داده است. این مواد دارای تفاوت هایی در اندازه، وزن و خواصی نظیر مقاومت گسیختگی، مقاومت در برابر ترک خمشی، انتشار آتش، گسترش پارگی و همینطور درجه شفافیت، دوام و ضمانتی که کارخانه سازنده می دهد، می باشند؛ بنابر این شناخت این ویژگی ها و تفاوت ها جهت انتخاب ماده مناسب از سوی طراحان و مهندسین، امری ضروری می نماید
تعریف سازه های چادری
غشا ورقه ای نازک ازماده است که تنها دربرابر کشش مقاومت دارد و دربرابر فشاروخمش هیچ مقاومتی ندارد، پارچه را می توان بهترین نمونه ازغشاهاوسازه چادری نام برد سازه چادری از دو جزء تشکیل شده است؛
پارچه:پوسته کششی نازکی است که نیروی کششی را انتقال می دهد.
عناصر فشاری:قوس ها و ستون ها که نیروی فشاری را انتقال می دهند. لبهٔ چادر همواره تمایل به لرزیدن درمقابل نیروهای باد وسایرنیروهارا دارد، به همین علت معمولاً لبه چادررابه صورت مقعر می سازند که همواره درکشش باقی بماند واز پارگی آن جلوگیری شود.
تاریخچه سازه چادری
اولین بنای واقعی معماری با این نوع سازه توسط ولادیمر شوخوف طراحی شدکه وی تمامی محاسبات کاربردی تنش ها وتغییر شکل های حاصل از تنش ها راتوسعه داد وپس از آن آنتونیوگائودی با معکوس کردن یک ساختار فشاری یک ساختار معلق کششی به دست آورد که درکلیسای ساگرافمیلیا ازآن استفاده کرد. وپس ازآن فرای اتو ازاین سازه در سقف استادیوم المپیک مونیخ۱۹۷۲ استفاده کرد
طراحی سازه های چادری
طراحی ساختمان با سازه چادری باطراحی ساختمان های ساده بسیار متفاوت می باشد درطراحی این سازه ها نمی توان ابتدا پلان بنارا کشید وسپس آن را اجرا کرد. دراین نوع سازه ها، ادرگام اول طرح اولیه ای متناسب با عملکرد ارائه می شود، درگام بعدی با ساخت ماکتی شکل کلی آن را پیدا می کنند وسپس به تحلیل کلی سازه می پردازند ودرنهایت تمامی جزئیات سازه را طراحی می کنند
مزایای سازه های غشایی
دوام وطول عمربالا در شرایط جوی مختلف، برای متریال های مرغوب پارچه تا 35 سال
در هنگام آتش سوزی، باعث کاهش گسترش آتش سوزی می شود
می توان آن را متناسب با شرایط جوی هراقلیم طراحی کرد
سرعت اجرا بالا
وزن متوسط
دارای سطحی براق وصیقلی مناسب برای انعکاس اشعه های آفتاب وسایه اندازی خوب
رفتارسازه ای
سازه چادری ازجمله سازه هایی است که فرم سازه دقیقاً منطبق با عملکرد سازه می باشد. با طراحی این سازه ها به صورت یک سازه کابلی با انحنای مضاعف توانایی باربری وطول عمر این سازه هابسیار بالا می رود
تکیه گاه ها
درحالت کلی دراین نوع سازه ها غالباً چادرتوسط ستون مرکزی نگاه داشته می شود.(در این حالت برای جلوگیری از پارگی درپارچه ستون بصورت قارچی اجرا می شود). درحالت های دیگر از قوس ها، کابل های زنجیرواره، ترکیب سیستم فشاری وکابل های زنجیرواره نیز دیده می شود
آمفی تئاتر بوستان جوانمردان
آمفی تئاتر بوستان جوانمردان این آمفی تئاتر که یکی از پروژه های شرکت تنسافرم ترکیه در ایران می باشد ، به زیربنایی بالغ بر 1500 مترمربع و پوشش پارچه ای 2600 متر مربع با استفاده از سازه های چادری در بوستان جوانمردان ایران در حاشیه اتوبان همت تهران در سال 2011 احداث گردید . از مشخصات بارز این سازه زیبا ، می توان دهانه های بلند و بدون ستون میانی با استفاده از سازه های خرپایی در کنار زیبایی منحصر بفرد فرم آن نام برد.
ترمینال حجاج جده
طراحان هتگام بازدید ازاین منطقه به این مسئله پی بردند که انسان های بدوی ساکن دراین منطقه آموخته بودند که زندگی درزیر سایه چتر درگرمای عربستان بهترازماندن در ساختمانی محصور وداغ می باشد وهمچنین به عقیده طراحان تهویه مکانیکی هوا ونورپردازی ساختمان موردنیاز ترمینال باتوجه به اوج استفاده دریک دوره کوتاه بسیارگرانقیمت می باشد. تمامی این دلایل معماران رابرآن داشت تا ازیک سقف پارچه ای نیمه شفاف وپخش کننده نور برای ترمینال استفاده کنند. این فرم طبیعی چادر، در شب باعث انعکاس نورها به بالا می شود ومانع از ایجاد خیره گی درشب می شود و فرم وارتفاع چادرهاازجریان طبیعی هوا برای ایجادسرما ازطریق تهویه بیرون ودرون از طریق بازشوهای مرکزی درتابستان بهره می برند. این چادرها سطحی بیش از ۴۳۰هزارمترمربع راپوشش می دهند. مدول اصلی یک پوسته چادری مربع شکل به ضلع ۳۹٫۴مترمی باشد
منابع
http://karaneh-me.com/
مقالات سازه چادری و دیتیل های اجرای سازه های چادری
الهام سرکرده ئی. بررسی مواد مورد استفاده در سازه های غشایی و مقایسه خواص آنها،
سرکرده ئی. بررسی مواد مورد استفاده در سازه های غشایی و مقایسه خواص آنها. کرمان،1389
سالوادوری، ماریو، ترجمه دکترمحمود گلابچی، سازه در معماری، 1385
مور، فولر،" درک ورفتارسازه"، ترجمه دکترمحمودگلابچی،1387
http://www.mohammadi-co.com
مظفری ترش ریزی، حسن، مقاله سازه های غشایی، 1372
http://www.tebyan-zn.ir/science_technology.html
مجتبی فاطمی، ایستایی وفن ساختمان، 1388
مور، فولر،"درک ورفتارسازه ها"، ترجمه محمودگلابچی، 1387
کتاب درک سازه های نو استاد حسین سوداگر
کتاب درک سازه های نو استاد محمود گلابچی
کتاب جزئیات اجرای ساختمان استاد سوداگر
طراحی و ساخت سازه های کابلی
9