مقاله تحلیلی: تعمیر پل با استفاده از FRP

در امتداد ساحل Puget Sound، پارک Howarth که یک پارک جنگلی در منطقه Everett در واشنگتن است، قرار دارد؛ مانند اکثر سواحل شرقی Puget Sound در شمال سیاتل، ساحل توسط خطوط ریلی شرکت BNSF از سرزمین‌های بالادست جداشده است. مردم باید از پل عابر پیاده‌روی خطوط راه‌آهن عبور کنند و برای رسیدن به ساحل از پله‌های چوبی پایین بیایند.

پل موجود

پل عابر پیاده موجود دارای 9 فوت ارتفاع، 8 فوت عرض، یک خرپای فولادی دو دهانه دارد یک دهانه 49 فوت طول از پایه‌های جانبی قرارگرفته در دامنه‌ی تپه تا برج تکیه‌گاه فولادی در مرکز آن و دهانه دیگر 80 فوت از ریل‌های BNSF فاصله دارد. این پل، در سال 1987 جایگزین پل چوبی قبلی شد و از مقاطع لوله‌ای فولادی خود حفاظ ساخته شد. پل را یک شرکت بزرگ ملی طراحی و سپس ساخت این شرکت برای هر چه بیشتر مقرون‌به‌صرفه تر شدن طرح از مقاطع سازه‌ای توخالی جدار نازک (HSS) استفاده کرد. بسیاری از اعضای خرپایی HSS دارای ضخامت 8/1 یا 16/3 بودند. از فولاد خود حفاظ برای محافظت از پل در مقابل شرایط آب و هوایی استفاده شد

فولاد خود حفاظ

فولاد خود حفاظ ساخته‌شده توسط شرکت فولاد US اغلب با نام تجاری Cor-Ten یا Corten شناخته می‌شود. مشخصات آن در استانداردهای مختلف ASTM مانند A588 و A847 (برای لوله و مجراها) در دسترس است و دارای ترکیب شیمیایی خاصی بوده که یک لایه‌ی زنگار ضد اکسید ایجاد می‌کند که باعث کاهش یا حذف نیاز به پوشش محافظ می‌شود.

در ابتدا، این لایه‌ی مشابه خوردگی فولاد کربن دار معمولی ایجاد می‌شود. وقتی این روکش تثبیت شد، مانعی متراکم بین فلز پایه و عناصر خارجی ایجاد می‌کند. خوردگی در طول عمر سازه هم کمی ادامه پیدا می‌کند اما سرعت آن بسیار پایین خواهد بود. پس این لایه از فولاد در برابر هوا محافظت می‌کند. استفاده موفقیت‌آمیز از فولاد خود حفاظ بستگی به عوامل مختلفی دارد، اما عامل کلیدی یک طراحی بحرانی است – فولاد بعد از هر بار مرطوب شدن باید کاملاً خشک شود. اگر فولاد در شرایطی باشد که به مدت طولانی مرطوب بماند، فرایند اکسید شدن ادامه پیداکرده و خوردگی مخرب اتفاق می‌افتد.

در زمان ساخت این پل، استفاده از فولاد خود حفاظ برای پل‌ها و دیگر سازه‌ها در کشور رایج بود. به‌هرحال، با مشاهده شدن بعضی مشکلات، در سال 1989، سازمان مدیریت بزرگ‌راه‌های فدرال یک نشریه فنی با نام فولاد خود حفاظ بدون پوشش در سازه‌ها که راهنمایی‌هایی برای استفاده درست از این فولاد بود، منتشر کرد. این سند، شرایط مختلفی که استفاده از فولاد خود حفاظ در آن توصیه نمی‌شود را نشان می‌دهد. متأسفانه، پل عابر پیاده پارک Howarth هم چند مورد از این شرایط را دارد. راهنمایی‌های FHWA شامل این موارد است: 1( فولاد خود حفاظ در آب و هوایی که به مدت طولانی مرطوب می‌ماند نباید استفاده شود؛ 2) فولاد خود حفاظ نباید در محیط دریایی استفاده شود؛ 3) فولاد خود حفاظ در شرایطی که امکان خشک شدن سریع وجود ندارد، یا آب روی سطوح فولادی جمع می‌شود، نباید استفاده گردد. همه این شرایط در محل این سازه وجود دارد.

شرایط موجود

مالک نگران شرایط پل بود، زیرا خوردگی زیادی در اعضای خرپا و در محل پایه‌های جانبی مشاهده‌شده بود. قسمت انتهایی پل به‌واسطه احاطه شدن با درختان،‌ از خشک شدن مانند آنچه در پایه‌های کناری رخ‌داده بود، محافظت شد. از شرکت مشاوره KPFF خواسته شد که یکپارچگی پل را ارزیابی کند. همچنین تصمیم گرفته شد که ضخامت باقی‌مانده اعضای شاخص در سازه انجام شود. این کار بر اساس مشاهدات اعضا و علم به اینکه ضخامت اولیه‌ی اعضای فولادی نازک بوده است، انجام شد. شرکت Mayes Testing Engineers آزمایش فراصوت ضخامت مقطع HSS اعضای انتخاب‌شده از همه‌ی قسمت‌های سازه پل را انجام داد.

اعضای اصلی خرپای جعبه‌ای – یال‌ها، تیرهای قطری و تیرهای عرضی- همگی کمترین کاهش مقطع را تجربه کرده بودند. به نظر می‌رسد لایه زنگار محافظ عملکرد موردنظر را داشته است. سطح پیاده‌روی پل از قطعات چوبی به ابعاد 3*12 تشکیل‌شده که این قطعات روی سه تیر طولی HSS به ابعاد 4*3*8/1 قرار دارند. این سه تیر نیز روی تیرهای عرضی HSS به ابعاد 5*3*16/3 قرار گرفته‌اند. زمانی که تعدادی از تیرهای چوبی برای تست تیرهای طولی HSS برداشته شد، مشخص شد که تعداد زیادی از آن‌ها به‌شدت دچار خوردگی شده‌اند، به‌طوری‌که سوراخ‌های بزرگی در وجه بالای آن‌ها دیده می‌شد. این خوردگی ناشی از جزئیاتی در طراحی بود که باعث می‌شد اعضای چوبی از خشک شدن سطح فولادی جلوگیری کنند. هم‌چنین، الوارها به تیرهای طولی پیچ شده بودند و پیچ‌ها در داخل مقطع فرورفته بودند. همین باعث شده بود که آب به داخل لوله‌ها راه پیدا کند و باعث خوردگی آن‌ها از داخل شود. علاوه بر این، مقدار زیادی ماسه در درزهای بین اعضای سطح پیاده‌روی چوبی قرار داشت. ترافیک رفت‌وآمد از ساحل، دائماً ماسه پرکلرید ساحلی را به سطح فولادی منتقل می‌کرد. با کشف این موضوع، فوراً پل بسته شد و طراحی برای جایگزینی اعضای خراب‌شده شروع شد.

طرح تعمیر

مختلفی برای جایگزینی الوارهای چوبی بررسی شد، پلاستیک تقویت‌شده با فایبرگلاس (FRP) به دلیل مقاومت در برابر فرسایش، عدم خوردگی و وزن سبک، به‌عنوان بهترین گزینه تعیین شد. مقطع عرضی باز باعث ورود جریان هوا به داخل اعضای فولادی خرپا می‌شد. در ابتدا، هدف جایگزینی تیرهای اصلی خورده شده با مقاطع HSS فولادی خود محافظ جدید بود. سپس مشخص شد که استفاده از اعضای سازه‌ای FRP به‌عنوان تیرهای اصلی، در درازمدت راه‌حل بهتری خواهد بود. سه تیر اصلی HSS 4*3 با چهار تیر اصلی 6 اینچی با FRP دوبل 8/3 اینچی C-شکل، جایگزین شدند. ورق‌های فولاد خود حفاظ جدید به بالای تیرهای عرضی موجود جوش داده‌شده و قسمت C شکل اعضای FRP هم به آن‌ها پیچ شد.

تعداد کمی از اعضای قطری یال پایین و تیرهای عرضی در نزدیکی پایه‌های جناحی پل عابر پیاده، با اعضای فولادی خود محافظ جایگزین شدند. این اعضا، همانند قسمت‌های حساس سازه فولادی موجود که احتمال رطوبت پیوسته در آن وجود داشت، رنگ شدند.

کف‌پوش FRP انتخابی دارای مقطع T شکل با حفره‌های کوچک در سطح پیاده‌رو بود. این شکل اغلب در نزدیکی استخرها و دیگر مناطقی که مردم با پای برهنه رفت‌وآمد می‌کنند، استفاده می‌شود. در پروژه پل Howath، استفاده از این حالت برای کاهش احتمال سقوط اشیاء کوچکِ عابرهای پیاده از بین شیارها به خطوط ریلی که در زیر پل قرار داشت،‌ انتخاب شد. برای کاهش تجمع ماسه بر روی تیرهای عرضی فولادی و یال‌های زیر عرشه، صفحات مسطح 4/1 اینچی FRP بالای این اعضا به‌صورت شیب‌دار نصب شد تا ماسه را از خود عبور دهند.

مزیت دیگر استفاده از اعضای FRP به‌جای اعضای موجود، سبک بودن آن است که عامل مهمی برای سازه موجود با ظرفیت کم به‌حساب می‌آید. روش تعمیر به‌کاررفته باعث کاهش بار روی سازه و جرم لرزه‌ای آن شد.

نتیجه‌گیری

در مدت 30 ساله عمر پل، بیشتر اعضای فولادی خود حفاظ پل عابر پیاده پارک Howarth، باوجود قرار گرفتن در محیط دریایی، ازنظر جلوگیری از خوردگی عملکردی مطابق انتظار داشتند. تنها در جاهایی که پوشش طبیعی پل مانع از خشک شدن فولاد شده بود، خوردگی فولاد تا حد خطرناک پیش رفته بود. برای استفاده از فولاد خود حفاظ، طراحی و جزئیات مناسب برای تأمین جریان هوا و چرخه‌ای برای خشک شدن ضروری است. انتخاب جایگزین کردن اعضای فولادی خود محافظ با اعضای FRP امکان طراحی و ساخت کارآمد را فراهم کرد. معمولاً FRP در مناطق خورنده مانند کارخانه‌های مواد شیمیایی یا در مجاورت آب‌های شور استفاده می‌شود.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

 فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.