بررسی رفتار دینامیکی پل کابلی و کاربردهای آن

در این پست تصمیم داریم در مورد عملکرد دینامیکی پل کابلی، انواع پل کابلی و کاربردهای آنها مطالبی را در اختیار شما بازدیدکنندگان قرار دهیم.

مقدمه

مسئله عبور از رودخانه و دره ها یکی از مشکلات مبتلا به بشر از ابتدا تاکنون بوده است. از این رو مسئله پل یکی از مسائل اساسی است که سابقه دیرینه دارد. انواع پل ها از چوب و مصالح بنایی یکی از راه حل هایی است که بشر از هزاران سال پیش بدان دست یافته و در چند قرن اخیر پل های فلزی و بتنی در مقیاس بسیار وسیعی جای پل های قدیمی را پر کرده است. می توان پل هایی با دهانه بیش از 1000 متر (پل های کابلی در روسیه چین و ژاپن) که خود دستاوردی در مهندسی سازه محسوب می شود، نام برد.

‌پل کابلی‌ ‌سازه ایی است 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 می‌کنند‌، تقسیم می‌شود. 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.

در این نوع از پل کابلی یک دکل قائم یا مایل به صورت متقارن یا نامتقارن وظیفه مهار نیروها‌ی کششی کابل ‌ها و تبدیل آن ها به تنش فشاری و انتقال آن به پی را بر عهده دارد. یک ترکیب کاربردی‌ تر، پل 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 مؤلفه 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 می‌یابد. 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 می‌تواند قطر کوچکی برای تحمل نیروهای کششی کم داشته باشد که کاملاً طولی عمل می‌ کند. در شکل 1 به طور نمونه یک پل کابلی نشان داده شده است.

شکل 1 . بررسی پل کابلی

دلایل استفاده از پل کابلی

1 .  خالص‌ترین رفتار سازه ‌ای را دارد‌ ( فقط نیروی کششی را تحمل می‌کند‌).

2 . از تمام مقاومت خود بهره می‌ برند.

3 . فرم آن ‌ها خود به خودی شکل گرفته و فرمی پر بازده است‌.

4 . انعطاف پذیرند و خود را با بار تطبیق می‌ دهند‌.

5 . تولید صنعتی فولاد

6 . امکان ایجاد پوشش سبک روی دهانه‌ های بزرگ (‌در دهانه کوچک غیر اقتصادی هستند)

انواع پل ‌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.

‌ مزایای پل کابلی

‌1 . این نوع سازه‌ها معمولاً سبک وزن بوده و به آسانی می‌توان آنها را حمل‌، نصب و تخریب کرد.

2 . می‌توان آن ها را در کارخانه در مقیاس انبوه ساخت‌، هزینه نصب آنها اندک است و می‌توان آنها را از جایی به جای دیگر انتقال داد.

3 . در سازه ‌های متکی به هوا‌، مکانیزم اصلی محل بار‌، همان محیط اطراف یعنی مخلوطی از گازهای تحت فشار است.

4 . بارهای محیطی به وسیله تنش مستقیم و بدون خمش حمل می‌شوند.

5 . عضوهای این نوع سازه‌ها تحت اثر بارهای وارده تغییر شکل می‌دهند تا تاثیرات مقدار و الگوی بار را بهتر پذیرا باشند.

پیشنهاد مطالعه : نحوه ساخت پل های کابلی و معلق و انواع آنها

تحلیل استاتیکی قطعات و سیستم ‌های  پل کابلی

‌ کابل ‌های فولادی یکی از مصالح ساختمانی هستند که امروزه برای پوشش فضاهای وسیع از آنها استفاده می‌شود و ‌پدیده‌ای نسبتاً جدید به شمار می ‌آیند. در شکل 2 یک نمونه پل کابلی نشان داده شده است.

شکل 2 . بررسی پل کابلی

‌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 آن ها‌، 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.

از اولین کسانی که تحقیق خود را در زمینه ی آنالیز استاتیکی غیر خطی پل های کابلی ارائه کرد فلمینگ بود. ایشان با تهیه یک برنامه کامپیوتری جهت تحلیل سازه، به نتایج دلخواه رسید. ایشان در این تحقیق حالات غیر خطی اعم از خیز کابل ها به علت وزن خودشان، اندرکنش بین بار محوری و لنگر خمشی در اعضای خمشی سازه و تغییر شکل بزرگ را مورد مطالعه قرار داد که نتایج تحقیقات وی به شرح زیر است :

 1 .  اثرات غیر خطی ناشی از تغییر در هندسه سازه سهم کوچکی از رفتار غیر خطی سازه را به خود اختصاص می دهد و برای بارهای معمولی می توان از آن صرفه نظر کرد.

 2 .  اثر اندرکنش بین بار محوری و لنگر خمشی در اعضای خمشی سازه قابل توجه نیست و برای سادگی در محاسبات می توان از آن صرفه نظر کرد.

کوماتسو و همکارانش در سال 1975 تحقیقات موردی را در مورد مشخصات دینامیکی پل های کابلی انجام دادند و نتایج عددی را با نتایج آزمایشگاهی مقایسه نمودند. در تحقیقات ایشان تاثیر عواملی مثل سختی کابل بر روی مشخصات ارتعاشی سازه و سرعت وسایل نقلیه بر روی ضریب تقویت دینامیکی بررسی شد.

سان بینگ و زانگ به صورت موردی تحلیل سه بعدی غیر خطی یک پل ترکیبی معلق – کابلی را جهت مطالعه پایداری دینامیکی آن با در نظر گرفتن برخی پارامترها همچون شکم دادگی کابل، طول بخش معلق و شکل عرشه انجام دادند و در انتها به این نتیجه رسیدند که پل ترکیبی معلق-کابلی نسبت به یک پل معلق با همان طول دهانه دارای برتری است. همچنین دریافتند که هر چه طول بخش معلق کوتاه تر باشد برای پل ترکیبی مفیدتر است. دیگر اینکه استفاده از عرشه مرکب روشی مناسب برای بهبود پایداری دینامیکی پل ترکیبی است. از طرفی ستون های فرعی در دهانه های کناری از نظر دینامیکی برای پل ترکیبی مناسب است.

عبدالقفار و همکارانش تحقیقات خود را در زمینه رفتار لرزه ای پل های کابلی سه بعدی ارائه کردند. در این تحقیق حرکات غیر یکنواخت و یکنواخت اعمال شده بر پایه های پل در نظر گرفته شد. حالت های غیر خطی (مانند تغییر هندسی ناشی از تغییر شکل های بزرگ و اندرکنش بین نیروی محوری و لنگر خمشی در برج و شاهتیر سخت کننده) در پل های کابلی نیز مورد توجه قرار گرفت. سپس روش تکرار با استفاده از ماتریس سختی مماسی برای مطالعه پاسخ لرزه ای غیر خطی مورد استفاده قرار گرفت و در نهایت مثال های عددی نیز برای مقایسه بین تحلیل پاسخ خطی و غیر خطی در مقابل زلزله با استفاده از روش نموی (گام به گام) ارائه شد.

پیشنهاد مطالعه : مدلسازی انواع پل در Sap با توضیحات مفهومی

منبع :

مقاله ی ارزیابی رفتار دینامیکی انواع پل های کابلی ایستا در برابر نیروی زلزله از علیرضا میرزا گل تبار روشن و همکاران