مهندسی پل شامل فیزیک دقیق، منابع گسترده، فناوری پیشرفته و برنامه‌ریزی کامل قبل و حین ساخت است. تعریف و درک مفاهیم اساسی ساختاری مهندسی و نحوه بیان آنها در فیزیک و ریاضیات یک جنبه کلیدی برای دانشجویان آموزشگاه فنی است. این امر آنها را قادر می سازد تا با اعتماد به نفس وارد عرصه طراحی و توسعه سازه شوند. هدف از این راهنمای سریع ارائه یک توصیف عمومی و در عین حال مفید از مفاهیم مختلف سازه مهندسی است. لذا در طی این مطلب ابتدا انواع سازه ها را در تحلیل سازه توضح می دهیم، سپس عناصر سازنده پل را برای درک بیشتر ساختار یک پل تشریح می دهیم و در ادامه مبانی بار های استاتیک و دینامیکی را بررسی خواهیم کرد. با درک این پیش نیازها در انتها با مفاهیم و فرآیند طراحی یک پروژه پل سازی و چگونگی ترکیب اقسام بارها بر روی یل پل آشنا خواهیم شد.
تحلیل سازه
سازه سیستمی از اعضای به هم پیوسته است که برای تحمل بارهای خارجی استفاده می شود. تحلیل سازه پیش بینی پاسخ سازه ها به بارهای خارجی دلخواه مشخص شده است. در مرحله طراحی اولیه سازه، بار خارجی بالقوه سازه برآورد می شود و اندازه اعضای به هم پیوسته سازه بر اساس بارهای برآورد شده تعیین می شود. تجزیه و تحلیل سازه رابطه بین بار خارجی مورد انتظار یک عضو سازه و تنش ها و جابجایی های داخلی توسعه یافته متناظر سازه را که در هنگام سرویس در داخل عضو رخ می دهد، ایجاد می کند. این امر برای اطمینان از اینکه اعضای سازه ای از الزامات ایمنی و قابلیت سرویس مندرج در آیین نامه ساختمان محلی و مشخصات منطقه ای که سازه در آن قرار دارد را برآورده می کنند، ضروری است.
انواع سازه ها و اعضای ساختاری
انواع مختلفی از سازه های مهندسی عمران از جمله ساختمان ها، پروژه پل سازی، برج ها، طاق ها و کابل ها وجود دارد. اعضا یا اجزایی که یک سازه را تشکیل می دهند بسته به الزامات عملکردی می توانند اشکال یا اشکال مختلفی داشته باشند. اعضای سازه را می توان به عنوان تیر، ستون و سازه کششی، قاب و خرپا طبقه بندی کرد. ویژگی های این فرم ها در این قسمت به اختصار مورد بحث قرار خواهد گرفت.
- تیرها: تیرها اعضای سازه ای هستند که ابعاد طولی آنها به طور محسوسی از ابعاد جانبی آنها بیشتر است. مقطع تیر می تواند مستطیلی، دایره ای یا مثلثی باشد یا می تواند از مقاطع استاندارد باشد، مانند کانال ها، سه راهی ها، زاویه ها و مقاطع I. تیرها همیشه در جهت طولی بارگذاری می شوند.
- ستون ها و سازه های کششی: ستون ها اعضای ساختاری عمودی هستند که تحت فشار محوری قرار می گیرند. آنها همچنین به عنوان پایه ها یا پایه ها شناخته می شوند. ستون ها می توانند در مقطع خود دایره، مربع یا مستطیل باشند و همچنین می توانند از مقاطع استاندارد باشند. در برخی از کاربردهای مهندسی، که در آن استحکام تک عضوی ممکن است برای تحمل بار معین کافی نباشد، از ستون‌های ساخته شده استفاده می‌شود. یک ستون ساخته شده از دو یا چند بخش استاندارد تشکیل شده است. سازه های کششی شبیه به ستون ها هستند، با این تفاوت که تحت کشش محوری قرار می گیرند.
- فریم ها: قاب ها سازه هایی هستند که از اعضای عمودی و افقی تشکیل شده اند. اعضای عمودی را ستون و اعضای افقی را تیر می نامند. فریم ها به دو دسته تاب دار یا بدون نوسان طبقه بندی می شوند. یک قاب نوسانی اجازه حرکت جانبی یا جانبی را می دهد، در حالی که یک قاب بدون نوسان اجازه حرکت در جهت افقی را نمی دهد. حرکت جانبی قاب‌های نوسانی در تحلیل آنها لحاظ شده است. فریم ها را می توان به عنوان سفت یا انعطاف پذیر نیز طبقه بندی کرد. اتصالات یک قاب صلب ثابت هستند، در حالی که اتصالات یک قاب انعطاف پذیر قابل حرکت هستند.
- خرپاها: خرپاها چارچوب های سازه ای هستند که از اعضای مستقیم متصل به اتصالات تشکیل شده اند. در آنالیز خرپاها، بارهایی در اتصالات اعمال می‌شود و فرض می‌شود که اعضا در اتصالات با استفاده از پین‌های بدون اصطکاک متصل می‌شوند.
طرح های پل
پل ها به گونه ای طراحی شده اند که با توجه به کاربرد و موقعیت مکانی، تنش و فشار را به طرق مختلف کنترل کنند. رایج ترین طرح های یک پروژه پل سازی عبارتند از:
- پل های معلق: کابل های آویزان شده از آویزهای عمودی از عرشه پل پشتیبانی می کنند در حالی که پایه ها فشار را متعادل می کنند.
- پل های خرپایی: روبنا از وترها یا تیرهای مورب تشکیل شده است که کشش و فشردگی را در سرتاسر سازه حمل می کنند.
- پل های قوسی: یک قوس فولادی، سنگی یا بتنی فشار را متعادل می کند و به عنوان بادگیر عمل می کند.
- پل های کنسولی: پل های کنسولی از مجموعه آکوردهای بالایی برای حمل کشش و از آکوردهای پایینی برای کنترل فشار استفاده می کنند.
- پل‌های تیری: این پل‌ها به پل‌های تیری نیز معروف هستند، از تیرهای افقی تشکیل شده‌اند که توسط ستون‌های عمودی یا پایه‌های ساخته شده از بتن مسلح یا فولاد پشتیبانی می‌شوند.
مهندسان زمان و منابع زیادی را صرف ساختن پلی می‌کنند که به هدف خود می‌رسد و با چالش‌های مشابهی روبرو می‌شود که در تلاش برای ساختن زیر آب هستند.
اگرچه انواع مختلفی از پل ها وجود دارد، اما همه آنها از اصول مهندسی استفاده می کنند تا به عنوان سازه های ایستاده ای عمل کنند که مردم هر روز از آنها برای حمل و نقل و رفت و آمد استفاده می کنند. پل ها هم از نظر هدف کاربردی و هم از نظر طراحی زیبا هستند و منعکس کننده هماهنگی هایی هستند که مهندسان و سازندگان برای رسیدن به آن تلاش می کنند.
عناصر ساختاری پل
هر پروژه پل سازی از عناصر ساختاری مختلفی تشکیل شده است که پل ها را برای استفاده طولانی مدت عملکردی و ایمن نگه می دارند. در حالی که هر پل یکسان ساخته نمی شود، این اجزای کلی یک ساختار پل اساسی را تشکیل می دهند.
- عرشه: عرشه سطح جاده پل است که وسایل نقلیه، عابران پیاده یا سایر اشکال ترافیکی در آن تردد می کنند.
- روبنا: روبنا به قسمتی از پل در بالای پایه ها یا تکیه گاه ها اطلاق می شود و شامل عرشه، تیرها، تیرها، طاق ها، خرپاها یا سایر عناصر باربر است که عرشه پل را نگه می دارند.
- زیرسازی: زیرسازی از اجزایی تشکیل شده است که از روبنا حمایت می کنند. شامل پایه ها، تکیه گاه ها، پایه ها و سایر عناصری است که بارها را از روسازه به زمین منتقل می کند.
- پایه ها: پایه ها سازه های پشتیبانی عمودی هستند که برای تحمل و توزیع بارهای عرشه پل و روبنا ساخته می شوند. آنها معمولاً در یک سری در طول پل ساخته می شوند تا پشتیبانی میانی را فراهم کنند.
- تکیه گاه ها: تکیه گاه ها سازه های تکیه گاهی هستند که در انتهای یک پل قرار دارند. آنها برای مقاومت در برابر نیروها و گشتاورهای افقی اعمال شده توسط روبنا و انتقال آن نیروها به زمین طراحی شده اند. تکیه گاه ها اغلب دارای دیوارهای حائل هستند تا زمین را نگه دارند و پایداری ایجاد کنند.
- بلبرینگ ها: بلبرینگ ها وسایلی هستند که بین روسازه و زیرسازه قرار دارند تا امکان حرکت و چرخش کنترل شده را فراهم کنند. آنها انبساط حرارتی، انقباض و سایر نیروهایی را که می توانند حرکات پل را القا کنند، در خود جای می دهند.
- تیرها: تیرها تیرهای افقی هستند که بین پایه ها یا تکیه گاه ها قرار گرفته و عرشه پل را نگه می دارند. آنها معمولاً از فولاد، بتن یا ترکیبی از هر دو ساخته می شوند.
- قوس: قوس یک عنصر ساختاری منحنی است که بارها را عمدتاً با فشار حمل می کند و به تکیه گاه ها یا پایه ها منتقل می کند. قوس ها را می توان از سنگ تراشی، بتن یا فولاد ساخت.
- خرپاها: خرپاها چارچوب هایی هستند که از اعضای به هم پیوسته ساخته شده اند که مثلث یا اشکال هندسی دیگر را تشکیل می دهند. آنها اغلب برای دهانه های طولانی تر استفاده می شوند و می توانند از فولاد یا چوب ساخته شوند.
- کابل ها: پل های کابلی از کابل ها به عنوان عناصر باربر اولیه استفاده می کنند. این کابل ها معمولاً از فولاد ساخته می شوند و می توانند در پیکربندی های مختلفی مانند پل های معلق یا کابلی چیده شوند.
مفاهیم ساختاری
مفاهیم ساختاری دوره عمران حول آن چیزی است که به عنوان تعادل ایستا یک جسم شناخته می شود. هنگامی که نیروهای عمل کننده و واکنش دهنده بر روی یک جسم سازه برابر هستند، این همان چیزی است که به عنوان حالت تعادل سازه شناخته می شود. سیستم‌های تثبیت‌کننده به پروژه پل سازی متحرک با استفاده از میراگرهای جرمی فنری کمک می‌کنند.
عناصر یا مواد پیش تنیده به ایجاد سازه هایی کمک می کنند که دارای مقاومت برشی بالاتر، کشش مورب کمتر و مقاومت در برابر جابجایی ناشی از نیروهای خارجی باشند. افراد مستقر در ساختمان ها مانند دمپرهای طبیعی عمل می کنند و تاثیر آنها در نظر گرفته می شود. به طور کلی مغاهیم را می توان در دو دسته استاتیکی و دینامیکی دسته بندی کرد:
مبانی بار استاتیک
- تعادل ایستا: هنگامی که جسمی در هیچ جهتی حرکت نمی کند، در حالی که در موقعیت اصلی خود قرار دارد، می گوییم که در حالت تعادل است. مهندسان مجموع نیروهای عامل و واکنش دهنده را بر روی یک جسم سازه محاسبه می کنند تا مجموع مجموع آنها را محاسبه کنند. اگر نتیجه برابر باشد به این معنی است که ساختار در حالت تعادل باقی خواهد ماند.
- مرکز جرم/گرانش: برای اهداف تخمین و تحلیل استاتیکی، برای مهندسان مهم است که بتوانند مرکز جرم/گرانش (یا مرکز) را تعیین کنند. این ممکن است برای یک شی یا عنصر ساختاری، یا مجموعه های متصل از آنها باشد. مرکز جرم تنها نقطه روی یک جسم صلب است که می توان از آن برای معلق کردن این جسم استفاده کرد. نقطه ای که در حالت تعادل باقی خواهد ماند. اگر بردار مرکز ثقل به مرکز زمین از قاعده سازه عبور نکند، سازه نمی تواند در حالت تعادل باشد زیرا نیروهای انحرافی دائماً بر روی آن وارد می شوند.
- مقطع و لحظه دوم مساحت: گشتاور دوم مساحت یک ویژگی هندسی صفحه/مساحت است که نشان می‌دهد نقاط آن بر حسب یک محور دلخواه چگونه توزیع می‌شوند. این یک عنصر بسیار مهم در تمام مفاهیم ساختاری است. برای مهندسان ساختمان، این ویژگی هندسی مهم است. برای کمک به محاسبه انحراف یک تیر و در نتیجه تنشی که به آن وارد می شود استفاده می شود.
- خمش: همانطور که تیرهای سازه ای تحت بار قرار می گیرند، تمایل دارند در جهت خاصی خم شوند. این یک ویژگی مهم برای مهندسان است که به محاسبه تنش ها و انحراف تیر کمک می کند، که مفاهیم ساختاری بسیار مهمی برای درک هستند. به مهندسان این امکان را می دهد که بفهمند آیا خمش و انحرافات در محدوده هستند یا خیر، و بارها را به طور یکنواخت یا یکسان متعادل کنند تا خمش قابل قبول باشد.
- نیروهای برشی و پیچشی: نیروهای برشی بر روی دو نقطه مختلف از یک ماده اعمال می شود و بردارهای آنها دارای جهت مخالف هستند. این منجر به تنش برشی و شکستگی یا برش یا ترک خوردگی مواد می شود. به عنوان مثال، اگر در کف طبقه ای که به وسیله ستونی دور از این بار قرار دارد، بار زیادی وارد شود، کف تحت تنش برشی قرار می گیرد. نیروهای پیچشی در طرف دیگر آنهایی هستند که تمایل دارند یک عنصر ساختاری را بپیچانند. اینها معمولاً نتیجه تحلیل بار استاتیکی نامناسب و پیش‌بینی‌های بد هستند.
- توزیع تنش: توزیع تنش خود توضیح داده شده بخش کلیدی تحلیل تنش-کرنش یک سیستم معین است. محاسبه تنش های داخلی در سرتاسر عناصر متصل یک سیستم خاص بر اساس نیروهای خارجی اعمال شده. هدف، ایجاد تنظیماتی است که به افزایش سطح متقارن و همگنی این توزیع بار کمک می کند. خواه این مربوط به مجموعه‌ای از عناصر باشد، یا حتی توزیع بارهای یک ساختمان چند طبقه بر روی خاک زمین.
- بارهای انحرافی: بار تحمیلی می تواند منجر به جابجایی یک عنصر ساختاری شود که به آن بار انحرافی می گویند. جابجایی ممکن است در فاصله مطلق یا حتی زاویه اندازه گیری شود و معمولاً برای تیرها استفاده می شود. تیرها توسط نقاط پشتیبانی می شوند. انحراف متناسب با فاصله این نقاط است که به آن دهانه می گویند. این فاصله ای را تعیین می کند که در هنگام اصلاح طرح حیاتی است.
- سختی: سختی یک سازه یک معیار فیزیکی است که نشان می دهد چقدر می تواند در برابر نیروهای تغییر شکل مقاومت کند. این را نباید با خاصیت ارتجاعی اشتباه گرفت. سختی مشخصه ای است که نشان می دهد نیروهای داخلی چقدر خوب یا مؤثر بین عناصر ساختاری مختلف یک ساختمان منتقل می شوند. از نیروهای کششی و برشی گرفته تا بارهای فشاری و پیچشی، همه نیروهای داخلی در نظر گرفته می شوند. ما می خواهیم که اینها بین عناصر مختلف توزیع شود و در نهایت توسط هر چه بیشتر عناصر حمل شود. این بدان معنی است که هیچ تیر تکی مجبور نیست در مقابل نیروها مقاومت کند. مهندسان معمولاً از اعضای مهاربندی برای ایجاد مسیرهای انتقال نیرو و افزایش سختی ساختمان ها استفاده می کنند.
- کمانش ستون: کمانش ستون شکست ساختاری یک ستون است – یک مفهوم سازه ای بسیار مهم. این زمانی اتفاق می‌افتد که در معرض مقدار زیادی تنش فشاری محوری قرار گیرد. منجر به تغییر شکل و انحراف جانبی آن می شود. این باعث می شود که ستون ها قادر به حمل بار نباشند، بنابراین معمولاً به طور کامل از کار می افتند. مشکل کمانش این است که می تواند با بارهایی که در محدوده نیروی فشاری محاسبه شده اند رخ دهد. متأسفانه خم شدن پیش بینی نشده ستون این حد را به کلی تغییر می دهد.
- عناصر یا مواد پیش تنیده: اغلب مهندسان از عناصر پیش تنیده یا حتی مصالحی مانند بتن پیش تنیده استفاده می کنند. آنها ساختارهایی ایجاد می کنند که بهتر می توانند در برابر جابجایی نیروهای خارجی مقاومت کنند. در نتیجه می توانند در برابر ترک خوردگی در اثر ضربه یا ضربه مقاومت کنند و طول عمر بهتری از خود نشان دهند. ایجاد مقاومت فشاری و کششی بسیار بالاتر و همچنین مقاومت بسیار بهتر در برابر ارتعاشات که منجر به ساختار ایمن تر می شود. عناصر پیش تنیده به طور کلی عبارتند از:
- بارهای عمودی و حرکت افقی: بارهای عمودی که منجر به حرکات افقی می شوند بسیار مهم هستند و باید از نظر تقارن و بزرگی آنها در نظر گرفته شود. بسیاری از مهندسان در گذشته اهمیت بارهای عمودی در سازه های سنتی را دست کم گرفته اند. در برخی موارد این می تواند منجر به فروریختن لبه های بیرونی و شکست کامل تکیه گاه ها شود. توزیع بار و هندسه سازه عناصر کلیدی در رابطه با تحلیل بارهای عمودی هستند و مفاهیم سازه ای بسیار مهم هستند.
مفاهیم بار دینامیکی
- حفظ انرژی و تکانه: برای مهندس سازه، مهم است که اصول بقای انرژی و تکانه را در نظر داشته باشد. این اغلب به پیش بینی رفتار یک ساختمان تحت بارهای باد و زلزله کمک می کند.
- سیستم های آونگ: در همین زمینه، ارزیابی ویژگی های آونگ سازه یک مفهوم سازه ای بسیار مهم است. این به ابداع سیستم های تثبیت کننده کمک می کند که ساختار را به حالت تعادل بازگرداند. در حالی که به آن قابلیت ارتجاعی کافی برای پذیرش و تحمل بارهای خارجی را می دهد. برای مثال، آسمان‌خراش‌ها یا پل‌ها می‌توانند پس از اصابت باد شدید شروع به چرخیدن به جلو و عقب کنند.
- ارتعاش آزاد: ارتعاش آزاد زمانی رخ می دهد که یک ساختمان از تعادل پایدار خود خارج شود. این ممکن است به دلیل وقوع یک زلزله یا رویداد طبیعی مشابه باشد. در نتیجه، ساختمان بدون هیچ گونه تداخل خارجی اضافی می لرزد یا وارد وضعیت آونگ می شود. بیان شده در چرخه های ارتعاش، با تعداد چرخه هایی که فرکانس طبیعی ساختمان را نشان می دهد، ارتعاش آزاد مهم است. کاهش و توقف کامل ارتعاش آزاد با استفاده از عناصر میرایی امکان پذیر است.
- رزونانس: هنگامی که ارتعاش یک ساختمان با تشدید طبیعی خود مواجه می شود، این منجر به وضعیت بسیار خطرناک ارتعاش در حداکثر بزرگی می شود. محاسبه، تعیین و در نظر گرفتن این امر برای مهندسان مهم است. در نتیجه آنها می توانند مداخلات طراحی را انجام دهند و از رزونانس در محدوده فرکانسی خاصی که نزدیک به فرکانس طبیعی سازه است اجتناب کنند. یا می توانند میرایی را افزایش دهند که به ساختمان اجازه می دهد در برابر چنین سناریویی مقاومت کند.
- میرایی در سازه ها و لرزشگیرها: عناصر میرایی سازه به کاهش جابجایی ناشی از ارتعاش آزاد کمک می کند. معمولاً این فقط برای مدت زمان کوتاهی (دقیقه) ادامه خواهد داشت. پس از تعیین ارتعاش آزاد، رزونانس و غیره، یک مهندس در مورد نسبت میرایی مورد نیاز برای ایجاد یک سازه ایمن تصمیم می گیرد. میراگرهای جرمی تنظیم شده / فنری (که به عنوان جاذب هارمونیک نیز شناخته می شوند) که در بالای سازه های بلند قرار می گیرند، بسیار مهم هستند. اینجاست که بزرگی ارتعاشات آزاد بیشترین و دمپرها بیشترین کاربرد را دارند.
فرآیند طراحی مهندسی پل
در یک پروژه پل سازی، فرآیند طراحی مهندسی شامل مراحل زیر است: 1) ایجاد درک کامل از مسئله، 2) تعیین بارهای بالقوه پل، 3) ترکیب این بارها برای تعیین بالاترین بار پتانسیل، و 4) محاسبه روابط ریاضی. برای تعیین اینکه چه مقدار از یک ماده خاص برای مقاومت در برابر بالاترین بار مورد نیاز است.
درک مسئله
یکی از مهمترین مراحل در فرآیند طراحی، درک مشکل است. در غیر این صورت، کار سخت طراحی ممکن است تبدیل به اتلاف شود. به عنوان مثال، در یک طراحی پروژه پل سازی با استفاده از آموزش اتوکد، اگر تیم طراحی مهندسی هدف پل را درک نکند، طراحی آنها می تواند کاملاً بی ربط به حل مشکل باشد. اگر به آنها گفته شود برای عبور از رودخانه، پل طراحی کنید، بدون اینکه بیشتر بدانند، می توانند پل را برای قطار طراحی کنند. اما، اگر قرار بود پل فقط برای عابران پیاده و دوچرخه سواران باشد، احتمالاً به شدت بیش از حد طراحی شده و غیرضروری گران خواهد بود (یا برعکس). بنابراین، برای اینکه یک طرح مناسب، کارآمد و اقتصادی باشد، ابتدا تیم طراحی باید قبل از هر اقدامی مشکل را کاملاً درک کند.
تعیین بار
تعیین بارها یا نیروهای بالقوه ای که پیش بینی می شود بر روی یک پل وارد شوند به مکان و هدف پروژه پل سازی مربوط می شود. مهندسان سه نوع اصلی بار را در نظر می گیرند: بارهای مرده، بارهای زنده و بارهای محیطی:
- بارهای مرده شامل وزن خود پل به علاوه هر شی دائمی دیگری که به پل چسبانده شده است، مانند باجه های عوارض، علائم بزرگراه، نرده های محافظ، دروازه ها یا سطح جاده بتنی است.
- بارهای زنده بارهای موقتی هستند که بر روی پل عمل می کنند، مانند اتومبیل، کامیون، قطار یا عابران پیاده.
- بارهای محیطی بارهای موقتی هستند که بر روی پل تأثیر می‌گذارند و به دلیل آب و هوا یا سایر تأثیرات محیطی مانند باد ناشی از طوفان، گردباد یا تندبادهای شدید ایجاد می‌شوند. برف؛ و زلزله ها اگر زهکشی مناسبی فراهم نشود، جمع آوری آب باران نیز ممکن است عاملی باشد.
مقادیر این بارها به کاربرد و مکان پل بستگی دارد. مثال‌ها: ستون‌ها و تیرهای یک پل چند سطحی که برای قطارها، وسایل نقلیه و عابران پیاده طراحی شده‌اند، باید بتوانند بار ترکیبی هر سه پل را به طور همزمان تحمل کنند. بار برف پیش بینی شده برای پل در کلرادو بسیار بیشتر از برف در جورجیا خواهد بود. یک پل در کارولینای جنوبی باید برای مقاومت در برابر بارهای زلزله و بارهای باد طوفانی طراحی شود، در حالی که همان پل در نبراسکا باید برای بارهای باد گردباد طراحی شود.
ترکیبات بار پل
در طول طراحی یک پروژه پل سازی، ترکیب بارها برای یک پل خاص یک مرحله مهم است. مهندسان از چندین روش برای انجام این کار استفاده می کنند. دو روش محبوب، روش های UBC و ASCE هستند.
کد یکنواخت ساختمان (UBC)، استاندارد آیین نامه ساختمانی که توسط بسیاری از ایالت ها پذیرفته شده است، پنج ترکیب بار مختلف را تعریف می کند. با این روش از ترکیب باری که بیشترین بار یا بحرانی ترین اثر را ایجاد می کند برای برنامه ریزی طراحی استفاده می شود. پنج ترکیب بار UBC عبارتند از:
- بار مرده + بار زنده + بار برف
- بار مرده + بار زنده + بار باد (یا بار زلزله)
- بار مرده + بار زنده + بار باد + (بار برف ÷ 2)
- بار مرده + بار زنده + بار برف + (بار باد ÷ 2)
- بار مرده + بار زنده + بار برف + بار زلزله
انجمن مهندسین عمران آمریکا (ASCE) شش ترکیب بار مختلف را تعریف می کند. همانند روش UBC، ترکیب باری که بیشترین بار یا بحرانی ترین اثر را ایجاد می کند برای برنامه ریزی طراحی استفاده می شود. با این حال، محاسبات بار برای ASCE پیچیده تر از محاسبات UBC هستند. برای اهداف این درس و فعالیت مرتبط Load It Up!، از پنج ترکیب بار UBC استفاده خواهیم کرد.
تعیین اندازه اعضا
پس از اینکه یک مهندس بالاترین یا بحرانی ترین ترکیب بار را تعیین کرد، اندازه اعضا را تعیین می کند. عضو پل هر قطعه اصلی منفرد سازه پل است، مانند ستون ها (پایه ها) یا تیرها (تیرها). اندازه ستون و تیر به طور مستقل محاسبه می شود.
برای حل اندازه یک ستون، مهندسان محاسباتی را با استفاده از استحکام موادی که از طریق آزمایش از قبل تعیین شده اند انجام می دهند. برای محاسبه باری اعمالی بر روی یک ستون، بحرانی ترین ترکیب بار روی سطح مقطع ستون محاسبه می شود.
تنش ناشی از این بار σ = Force ÷ Area است. بنابراین، استفاده از مقاومت کششی و فشاری ماده برای اندازه گیری عضو استفاده می شود و معادله Force = Fy × Area می شود که در آن Force بحرانی ترین ترکیب بار است. Fy می تواند مقاومت کششی یا مقاومت فشاری ماده باشد. برای فولاد ساختمانی معمولی، این مقدار معمولاً 50000 پوند بر اینچ است. تنش فشاری برای بتن مقدار معمولاً در محدوده 3500 lb/in2 تا 5000 lb/in2 است. مقاومت کششی بتن به طور معمول صفر در نظر گرفته می شود. بنابراین، نیرو بر حسب پوند (پوند) و Fy بر حسب پوند بر اینچ مربع (lb/in2) اندازه گیری و مساحت به راحتی در اینچ مربع (in2) حل می شود.
برای حل اندازه یک تیر، مهندسان محاسبات بیشتری انجام می دهند. بار بحرانی، ترکیب بار است که در میانه دهانه بالای تیر اعمال می شود. معمولاً نیروهای فشاری در بالای تیر و نیروهای کششی به دلیل این بارگذاری خاص در قسمت پایین تیر وارد می شوند. هر شکل تیر محاسبات سطح مقطع خود را دارد. بیشتر تیرها در واقع دارای مقطع مستطیل شکل در ساختمانهای بتونی مسلح هستند ، اما بهترین طراحی مقطع I شکل برای یک جهت خمش (بالا و پایین) است. برای دو جهت حرکت، یک تیر مستطیلی توخالی به خوبی کار می کند.
منابع:
https://www.teachengineering.org/lessons/view/cub_brid_lesson02
https://www.bigrentz.com/blog/how-are-bridges-built
