مقاوم سازی پل های بتنی
خلاصه مقاله
پل ها سازه های حساسی هستند زیرا هر گونه صدمه به آنها باعث خسارات مالی و جانی در هنگام زلزله و بعد آن می شود. با توجه به وقوع زمین لرزه های متعدد و آسیب دیدگی سازه ها به ویژه شریان های حیاتی، به آارگیری انواع روش های مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای در چند دهه اخیر توسعه ای روز افزون یافته است. قبل از انجام مراحل مقاوم سازی، مطالعه بر روی سازه اهمیت بالایی دارد که در این بین پل ها به عنوان سازه هایی استراتژیک و مهم، اهمیتی دو چندان دارند. عدم تخریب پل و خارج نشدن از بهره برداری پس از یک زمین لرزه شدید از بسیاری تلفات جانی و اقتصادی پس از حادثه خواهد آاست. در این راستا و برای طراحی ایمنی پل ها لازم بود آه آسیب های پل و دلایل این آسیب ها شناخته شوند. این مقاله به بحث و بررسی پیرامون انواع پل ها، ساختارشان و همچنین روشهای جدید مقاوم سازی آنها پرداخته است.
تاریخچه پل
پل یک سازه است که برای عبور از موانع فیزیکی از جمله رودخانه ها و دره ها استفاده می شود. پلهای متحرک نیز جهت عبور کشتیها و قایق های بلند از زیر آنها ساخته شده است.
ایجاد گذرگاه ها و پل ها برای عبور از دره ها و رودخانه ها از قدیمی ترین فعالیتهای 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 سنگ ها و درخت ها بسته شده و پل های با تیر حمال از تیرهای چوبی که روی آنها با مصالح سنگی پوشیده می شد، ساخته شده اند. ساخت پل های سنگی به دوران قبل از رومی ها بر می گردد که در خاور میانه و چین پل های زیادی بدین شکل برپا شده است.
در اروپا نیز اولین پل های طاقی را ٨٠٠ سال قبل از میلاد مسیح، برای عبور از رودخانه ها از جنس مصالح سنگی ساخته اند. اغلب پل های ساخته شده توسط رومی ها از طاق های سنگی دایره شکل با پایه های ضخیم تشکیل یافته است. در ایران نیز ساختن پل های کوچک
وبزرگ از زمان های بسیار قدیم رواج داشته و پل هایی نظیر سی و سه پل، پل خواجو و پل کرخه بیش از ٤٠٠ سال عمر دارند. از قرن یازدهم به بعد روش های ساختن پل ها پیشرفت قابل توجهی نمود و به تدریج استفاده از دستگاه های فشاری از مصالح سنگی و آجر با ملات های مختلف و دستگاه های خمشی از چوب متداول گردیده و تا اوایل قرن بیستم ادامه یافت. شروع قرن بیستم همراه با استفاده وسیع از پل های فلزی و سپس پل های بتن مسلح می باشد. از
اوایل قرن نوزدهم ساخت پل های معلق، قوسی یا با تیر حمال از آهن آغاز شد. اولین پل معلق از آهن در سال ١٧٩٦ به دهانه ٢١ متر در آمریکا ساخته شد، همچنین در سال ١٨٥٠ یکی از مهمترین پل های با تیر حمال از جنس آهن متشکل از دو دهانه ١٤٠ متر و دو دهانه ٧٠ متری در انگلستان ساخته شد.
انواع پل
١ – پل های چوبی: این پلها معمولا" به شکل قوسی، با تیرهای مشبک و یا تیرهای حمال ساخته شده و در حال حاضر استفاده از آنهابه صورت موقتی می باشد.
٢ – پل های سنگی: با توجه به مقاومت مناسب فشاری مصالح سنگی، بسیاری از پلهای طاقی از این مصالح ساخته شده اند.نظر به کمبود افراد سنگ کار و زمان نسبتا طولانی لازم برای تهیه مصالح و اجرای سازه، امروزه استفاده از این پلها محدود می باشد.
٣ – پل های بتنی: در بسیاری از پلهای طاقی شکل، در حال حاضر از بتن، با توجه به مقاومت فشاری مطلوب آن به جای سنگ استفاده می شود.
١- پل های بتن مسلح: با توجه به روش اجرا و نحوه بتن ریزی، پلهای بتن مصلح را می توان از -٣ مقاطع مختلف و با اشکال دلخواه ساخت. با وجود این استفاده از مقاطع ساده در جهت کاهش بهای قالب بندی همواره مورد نظر است. در بعضی از حالات استفاده از سیستم پیش ساختگی باعث حذف اجزاء نگهدارنده قالبها و در نتیجه صرفه جوئی قابل ملاحظه می شود.
٢- پل های بتن پیش تنیده: با پیشرفت این تکنیک، به تدریج در دامنه وسیعی از ابنیه فنی، پل -٣ های بتن پیش تنیده جایگزین پلهای فلزی و پلهای بتن مسلح شده اند. بدین ترتیب با صرف هزینه کمتر، پلهای با دهانه بزرگ ساخته می شوند. از طرف دیگر استفاده از این مصالح امکان به کارگیری تکنیک های جدید پل سازی را می دهد.
٤ - پلهای فلزی: این پلها به اشکال مختلف، با تیرهای حمال معمولی یا تیرهای مشبک فولادی، با قوس یا قالبهای فلزی، نورد شده از ورق و المانهای اتصالی ساخته شده اند. در ساخت این پل ها گاهی نیز از آلیاژهای سبک یا مقطع مرکب استفاده می گردد. استفاده از فولاد در ساخت پلهای فلزی از قرن گذشته شروع و با عنایت به مقاومت کششی و فشاری مطلوب این مصالح در سطح وسیع متداول گردید.باتوجه به فزونی بهای تولید، معمولاً نیمرخ های فولادی دارای ضخامت ناچیز بوده و در نتیجه علاوه بر مسئله زنگ زدن و خوردگی، خطر بروز ناپایداری های الاستیک نیز همواره موجود می باشد. پلهای فلزی را می توان با توجه به نوع سیستم باربر به شرح زیرطبقه بندی نمود: پل با تیرهای حمال، پل قوسی، پل با کابل های باربر.
١- پل با تیرهای حمال: این پلها از متداول ترین انواع مورد استفاده برای دهانه های متوسط -٤ (تا ٢٥٠ متر) می باشند . تیرهای حمال معمولا به صورت شبکه های فلزی مقاطع جعبه ای یا تیرهای مرکب تو پر ساخته شده و تغییر شکل بسیار محدودی خواهند داشت. شبکه های فلزی معمولآ سبک بوده اما با توجه به خصوصیات ظاهری آنها ،کمتر در مناطق شهری مورد استفاده قرار می گیرند.در حالت کلی این پلها را نیز می توان به شرح زیر تفکیک نمود:
٢- پل با تیرهای حمال جانبی: در این حالت تیرهای حمال جانبی معمولآ از شبکه های فلزی -٤ تشکیل شده و اجزاء اصلی باربر تابلیه می باشند. در شرایطی که عرض پل محدود باشد (کمتر از ١٤ متر) می توان از این سیتستم استفاده نمود.
٣- پل با تیر های حمال تحتانی: در این حالت تیرهای حمال عمومآاز نوع تیرهای مرکب با جان -٤ تو پر (که از چند ورق فلز با اتصال پیج پرچ یا جوش تشکیل شده اند) می باشند. تیرهای حمال با ارتفاع ثابت یا متغیر ساخته شده و در نتیجه ضمن حصول منظره مناسب صرفه جوئی مهمی نیز در مصرف مصالح خواهد شد. همچنین در بعضی شرایط می توان سبستم متشکل از تیرها یا حمال تحتانی را با یک مقطع جعبه ای جایگزین نمود.
٥ - پل قوسی: پل قوسی پلی است با تکیه گاه های انتهائی در هر طرف که شکلی نیم دایره مانند دارد. پلی که از رشته ای از قوسها تشکیل شده باشد، پل دره ای نامیده می شود. پل قوسی ابتدا توسط یونانی ها و از سنگ ساخته شد. بعدها، رومیان باستان از ملات در پل های قوسی خود استفاده کردند. با توجه به اصول مقاومت مصالح، شعاع قوس و ابعاد این پلها را طوری انتخاب می کنند که بارهای قائم وارده تبدیل به یک نیروی فشاری در امتداد قوس شود.
بنا براین در مناطقی با کیفیت خاک مناسب،می توان دهانه های بزرگ (تا حدود ٥٠٠ متر) را با پلهای قوسی طی نمود.
٦- پل ترکه ای: در این پلها،تابلیه به صورت یک صفحه صلب از یک طرف روی پایه های کناری (کوله ها) و دو پایه بلند میانی و از طرف دیگر به طور الاستیک روی کابلهای مورب تکیه نموده است. این کابلها در تمام طول پل گسترش می بابند بار وارده را به پایه های بلند میانی منتقل می نمایند. کابلهای ذکر شده را می توان در دو صفحه قائم و به طور موازی در دو طرف تابلیه قرار داده و یا در جهت عرضی نیز به طور مورب و در امتداد محورطولی پل به پایه میانی متصل نمود.
همچنین در بعضی شرایط می توان از یک مجموعه کابل که در امتداد محور طولی پل قرار می طرح شده و معمولآ از فولاد یا بتن H یا A ،I گیرند استفاده نمود. پایه های میانی پل به شکل مسلح می باشد،پلهای ترکه ای به تعداد زیاد و تا دهانه ٥٠٠ متر ساخته شده اند.
٧ - پل معلق: در این پلها نیز تابلیه به صورت یک صفحه صلب روی پایه های کناری و میانی تکیه نموده است .
نگهداری پل
با توجه به مخارج سنگین انجام شده برای اجرای ابنیه بتنی،مسئله نگهداری دقیق این سازه ها در برابر آب و باد دو یخبندان از اهمیت خاصی بر خوردار است. در مناطقی که بستر رودخانه سست بوده و در اثر طغیان آب امکان شسته شدن داشته باشد باید وضعیت آن را در اطراف پل بعد از طغیانهای مختلف مورد برسی قرار داد تا با تدابیر مختلف از خالی شدن خاک اطراف پی ها و در نتیجه تخریب پایه ها جلوگیری شود. لایه عایق کاری و آسفالت کف جاده باید طوری انجام شود که از نفوذ و باقی ماندن آب در جسم پل جلوگیری شود. بعد از پایان ساختمان پل و قبل از تحت سرویس قرار گرفتن،المانهای مختلف آنرا باید به دقت مورد بازدید قرار داد تا مشخص شود
تحت بارهای دائمی و دستگاههای ساخت،تغییر شکل ها و ترک های پیش بینی نشده در آن ایجاد نشده باشد، همچنین بعد از آزمون بار گذاری که تحت شدید ترین بارگذاری ممکنه در طول دوره سرویس قرار می گیرد، باید کلیه تغییر شکلهای ایجاد شده و فلش مقاطع بحرانی، ترک های احتمالی، نشست پایه ها، تغییر فرم دستگاههای تکیه گاهی و اتصالات مختلف به دقت مورد برسی قرار گیرند. در طول دوره بهره برداری نیز در زمانهای مشخص باید قسمتهای مختلف پل مورد بازدید قرار گیرند به عنوان مثال:در پلهای فلزی که احتمال از بین رفتن اتصالات پیچ و جوش، زنگ زدن المانها و خوردگی آنها و بروز ناپایداریهای الاسیتک موجود است. این بازدیدها
باید به طور مداوم و حداقل هر پنج سال یکبار انجام شده و برای جلو گیری از تخریب قطعات، آنها را با مواد مناسب پوشانید. همجنین در مورد پلهای بتن پیش تنیده شده وضع دستگاههای مهارتی و کشش کابلها مورد بررسی قرار گرفته و با انجام عمل تزریق به نحو مناسب، از زنگ زدگی کابلها جلوگیری به عمل آید.
تعیین طول پلها
به دلیل ملاحظات اقتصادی وسازه ای تاحد ممکن طول پلها را کوتاه در نظر می گیرند اما باید دانست که شکل هندسی شرایط جریان در رودخانه پیوسته در حال تغییر است و کوتاه شده طول پل باعث تمرکز تنش جریان در محدوده احداث پل گردیده وموجب آبشستگی کف و کناره ها می گردد این موضوع در هنگام وقوع سیلاب به حالت بحرانی می رسد و ممکن است باعث تخریب پل گردد بنابر این طول پل باید طوری انتخاب شود که پایداری رودخانه در محدوده احداث پل حفظ گردد بر اساس تحقیقات انجام شده بازه های پایدار رودخانه، بازه هایی هستند که تغییرات چندانی در طول یک یا چند سال نداشته باشند از مفهوم بازه پایدار برای تعیین عرض تعادل رودخانه ها استفاده می گردد عرض تعادل با استفاده از مفاهیم روابط تجربی رژیم روش نیروی برکنش و مفهوم توان جریان استخراج می گردد. روابط رژیم بر اساس معادلات تجربی بین دبی جریان آب و رسوب عمق عرض و شیب رودخانه ها با بستر شنی نشان می دهد.
تعیین ارتفاع پل ها
محدودیت های سازه ای و اقتصادی خاکریزهاو جاده های طرفین مسائل کشتیرانی و قایقهای تفریحی و ظرفیت آبگذری مهمترین عوامل تعیین کننده ارتفاع پل می باشند ظرفیت آبگذری پل به حداکثر دبی جریان گفته می شود که پل با اطمینان از خود عبور می دهد این مقدار جریان به هندسه مقطع پل و تکیه گاه ها شکل پایه های پل عرض تنگ شده رودخانه و ارتفاع پل بستگی دارد. با تعیین عرض تعادل رودخانه (یا همان طول پل ) دبی سیلاب طراحی برای محل و شکل مقطع پل و پایه های آن و ارتفاع پل محاسبه می گردد دبی سیلاب طراحی بر اساس اهمیت
سازه از نظر ارتباطات تجارت و همچنین ریسک شکست و وارد آمدن خسارت انتخاب می گردد.
اغلب دبی طراحی عبور سیلاب برای پلها را با دوره برگشت ٥٠ ساله بطور خلاصه می توان گفت برای شرایطی که سطح شالوده بالای بستر باشد، سرعت و اندازه گردابها بستگی به ابعاد و ارتفاع و عرض نسبی پایه نسبت به شالوده دارد یعنی اینکه در این حالت شالوده به عنوان یک عامل بازدارنده، خود باعث تشکیل گردابهای قویتری می گردد که با گرداب حاصل از پایه ترکیب شده و آبشستگی را تشدید می نماید. در حالت دوم (سطح قانونی شالوده داخل حفره آبشستگی است) سیستم گردابهای ایجاد شده ضعیفتر از حالت اول می باشد و حتی در زماینکه سطح فوقانی شالوده به اندازه کافی به سمت بالا دست گسترش می یابد، گرداب ایجاد شده توسط پایه بر روی سطح شالوده هیچگونه تاثیری در سیستم ایجاد شده توسط پایه
ندارد. انتخاب عمق شالوده پایه ها و به همین ترتیب برای تکیه گاه ها با در نظر گرفتن حداکثر آبشستگی و موارد فوق الذکر در مورد پایه های مستطیلی صورت می گیرد.
شیوه های نوین مقاوم سازی
برای مقاوم سازی قطعات تیرهایی که در معرض بارگذاری مضاعف قرار دارند و یا برای تقویت عملکرد قطعات مقاوم سازی نشده می توان به جای استفاده از سیستم های معمولی مقاوم استفاده TYFO سازی مانند اتصال ورقه فلزی و شاتکریت از سیستم های نوینی مانند سیستم کرد. تیرهایی که در معرض آسیب دیدگی قرار دارند به واسطه فرسایش یا اثر تخریبی دیگر می توانند با این سیستم مرمت سازی شوند. زمانی که به واسطه تقویت خمشی تیرک مقاوم سازی می شود، برای معرفی شکل جدید برش و جلوگیری از شکست برش ترد شدگی دقت
زیادی باید صورت گیرد. تطابق پذیری این امکان را فراهم می سازد تا تیرک ها برای در اختیار داشتن توان برشی افزوده و انعطاف پذیری بیشتر دورپیچی شوند، در برخی موارد برای اضافه نمودن سختی و کاهش انحراف ها این سیستم ها می توانند موثر واقع شوند. سیستم های تا به امروز روی سازه های زیادی نصب شده اند. مهاربندی (انکوریج) مکانیکی برای حصول TYFO اطمینان از انعطاف پذیری بلند مدت قطعات اتصالی بسیار مهم است. انکورهای سیستم نقش انتقال فشارهای کششی بین سطح و ورق کامپوزیتی را دارند بدین ترتیب انعطاف پذیری بلند مدت قطعه تضمین می شود. استفاده از انکوریج (مهاربندی) مقدار درخواست اتصال یشتر وبرای ارزیابی ASTM توان کششی بتن را کاهش می دهد. از دستورالعمل های آزمایش خصوصیات اتصال سطح بتن قبل از بهره گیری از سیستم کامپوزیتی می توان استفاده کرد. این سیستم باعث افزایش توان برشی و انعطاف پذیری گونه های مختلف قطعات ساختمانی می شوند.
شیوه های نصب
.TYFO - آماده سازی سطح برای اتصال استفاده از لایه رویی اپوکسی
- نصب الیاف یا انکورهای معمولی در محل های بحرانی.
در پروژه. Fib wrap - استفاده از کامپوزیت
.TYFO - استفاده از سیستم نهایی
موارد استفاده از تیرک
.SEH - مقاوم سازی و تعمیر تیر سر آزاد اسکله ها با کامپوزیت شیشه ای
. SEH و کامپوزیت های شیشه ای SEH شکل آسیب دیده با کامپوزیت کربن I - مرمت سازی تیر
- استفاده از کامپوزیت در محل های اتصال ستون - تیر.
موارد استفاده در کلاهک پوششی ستون اسکله TYFO SEH در حدود هزار پروژه اتصال تیر-ستون در کالیفرنیا اجرا شد که در آن از سیستم استفاده شده است. بر اساس طراحی انجام شده این کار هم سبب افزایش ظرفیت برشی می شود و هم اتصال را محصور می کند. به عنوان بخشی از طراحی بولتهای میانی استفاده مقاوم سازی در برابر آتش) به عنوان سیستمی برای بدست )TYFO FCF شد، به عبارت دیگر آوردن نسبت مقاومت لازم در مقابل آتش برای الیاف استفاده گردید
