مقاله تحلیلی: عرشه کامپوزیت

گزینه‌های نوین و سبک وزن برای پل‌هایی با دهانه‌های طولانی

عموماً از عرشه‌های فولادی ناهمسانگرد (مواد ارتوتروپیک دارای دو یا سه محور تقارن عمود بر هم هستند و در حالت کلی، خواص مکانیکی ماده در طول هر کدام از این محورها با محور دیگر متفاوت است.) در پل‌هایی با دهانه‌های طولانی استفاده می‌شود تا بار مرده پل کاهش یابد و در نتیجه آن، ساخت دهانه‌ها در این‌گونه پل‌ها اصلاح شود و به نحو بهتری صورت بگیرد. معمولاً عرشه‌های فولادی ناهمسانگرد (OSD) با یک لایه آسفالت به ضخامت 2 تا 3 اینچ پوشانده می‌شود. تحت بارهای ترافیکی سنگین و چرخه‌ای، این عرشه‌های فولادی در معرض ترک‌های ناشی از خستگی هستند. این در حالی است که رویه آسفالتی در معرض مشکلات مربوط به ترک خوردگی و کشیدگی قرار دارد. هر دو مسئله از قابلیت‌های بهره بردای و پایداری عرشه پل ناشی می‌شوند.

در طول زمان، اقدامات متعددی برای مقابله با این مشکلات از جمله افزایش ضخامت ورق‌های عرشه، اصلاح جزئیات مربوط به در معرض خستگی بودن و افزایش کیفیت جوشکاری پیشنهاد شده است. با این حال کارآمدی بالای هیچ یک از این روش‌ها ثابت نشده است. دلیل این است که در هیچ کدام از این روش‌های ذکر شده مزیت افزایش سختی ورق‌های عرشه وجود ندارد. در سال‌های اخیر، Buitelaar و همکارانش در سال 2004، Murakoshi و همکارانش در سال 2007 و Dieng و همکارانش در سال 2013؛ استفاده از بتن مسلح با کارایی بالا (RHPC)، بتن تقویت شده با الیاف فولادی (SFRC) و یک لایه بتن با کارایی فوق العاده بالا که با الیاف تقویت شده است (UHPFRC) را به عنوان گزینه‌هایی برای افزایش سختی عرشه فولادی پیشنهاد کرده‌اند. با این حال، این تلاش‌ها نتایج رضایت بخشی به دنبال نداشت. ترک‌ها در RHPC و SFRC هنگامی رخ می‌دهند که بین فولاد و لایه UHPFRC لغزش به وجود آید. دلیل این است که بتن مقاومت کافی در برابر ترک خوردگی ندارد و یا لایه‌های بتن سازگاری مناسب و کافی با عرشه فولادی ندارد.

سیستم عرشه کامپوزیت سبک وزن متشکل از فولاد و بتن با کارایی فوق العاده بالا

برای مقابله اساسی با این مشکلات، گروه تحقیقاتی پروفسور Xudong Shao در دانشگاه هونان، استفاده از سیستم نوین و سبک وزن عرشه کامپوزیت (LWCD) را معرفی کردند. LWCD متشکل از یک عرشه فولادی ناهمسانگرد (OSD) معمولی و یک لایه UHPC به ضخامت 1.38 تا 2.36 اینچ (35 تا 60 میلی‌متر) می‌باشد (شکل 1). OSD و UHPC از طریق اِستادهایی (ستون‌های فولادی سبک وزن) به هم متصل می‌شوند تا از عملکرد مورد انتظار اتصال بین دو عضو سازه‌ای اطمینان حاصل شود. در LWCD، لایه UHPC عملکردی همانند یک عضو سازه‌ای خواهد داشت و به گونه‌ای طراحی می‌شوند که عمر خدمات دهی آن مشابه عمر خدمات دهی OSD باشد. برای اطمینان از مقدار مورد نظر مقاومت در برابر ترک خوردگی و عملکرد خستگی، UHPC با شبکه‌ای از فولاد همانند آنچه در شکل 1 نشان داده است، مقاوم سازی می‌شود.

در تحقیقات قابل توجهی که در شش سال گذشته انجام شده، رفتارهای مهمی از LWCD شامل خواص مواد UHPC، عملکرد برشی اِستادهای برشی و عملکرد خستگی و ایستای LWCD تحت بررسی قرار گرفته است. به برخی از این مطالعات در ادامه به صورت خلاصه اشاره می‌شود.

رفتار LWCD

پل Humen، یک پل معلق فهرست که دهانه اصلی آن طولی برابر با 2913 فوت (888 متر) دارد و در سال 1997 در شهر گوانگ دونگ کشور چین افتتاح شد. این پل برای تست بستر در ارزیابی عملکرد مطرح شده برای LWCD انتخاب شد. قطعات عرشه پل و قسمت‌های طولی عرشه در آزمایشگاه ساخته و سپس مورد آزمایش قرار گرفتند. آنالیز المان محدود نیز برای گسترش برنامه‌های آزمایشگاهی میدانی مورد استفاده قرار گرفت.

عملکرد ایستا

عملکرد LWCD تحت بارهای طراحی وسایل نقلیه مشخص شده در آیین‌نامه طراحی پل‌های بزرگ‌راهی و آبگذرهای کشور چین (MTC 2004) بر اساس آنالیز المان محدود و با استفاده از برنامه ANSYS مورد بررسی قرار گرفت. عملکرد یک OSD استاندارد فاقد لایه UPHC با هدف مقایسه، مورد مطالعه قرار گرفت. ابعاد اصلی مقطع به این صورت است (به شکل 1 نگاه کنید):

t= 0.47 in (12 mm)

b= 0.31 in (8 mm)

h= 10.31 in (262 mm)

s= 12.05 in (306 mm)

l= 12.36 in (314 mm)

ضخامت لایه UHPC، 1.77 اینچ (45 میلی‌متر) بود. میلگردهای فولادی با قطر 0.39 اینچ (10 میلی‌متر) در هر دو راستا و با فاصله مرکز تا مرکز 1.48 اینچ (37.5 میلی‌متر) قرار گرفتند. سطح تنش در 6 قسمت در معرض خستگی در عرشه فولادی مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. نتایج آنالیز در شکل 2 نشان داده شده است.

علاوه بر اضافه کردن UHPC به عرشه فولادی، محدوده تنش در مناطق در معرض خستگی OSD به طور چشمگیری کاهش یافت. محدوده تنش کمتر از مقادیر دامنه ثابت محدوده خستگی مشخص شده در آیین‌نامه طراحی پل است و این نشان می‌دهد که این مناطق به لحاظ تئوری دارای مشکلات مربوط به خستگی در طول عمر سرویس دهی نمی‌باشند.

عملکرد اِستادها

اِستادهای استفاده شده در LWCD، ارتفاعی برابر با 1.38 اینچ (35 میلی‌متر) و قطری برابر با 0.51 اینچ (13 میلی‌متر) دارد و در نتیجه نسبت ارتفاع به قطر آن برابر با 2.7 می‌باشد. آزمایش کشش بدین منظور انجام شد که رفتار استادهای قرار داده شده در UHPC بررسی شود. نتایج آزمایش نشان می‌دهد که وقتی بار تا مقدار مشخصی افزایش یابد، اِستادها دچار شکست برشی از ناحیه ورق‌های فولادی می‌شود در حالی که لایه UHPC بدون آسیب و بدون مشاهده هیچ‌گونه ترکی باقی ماند. این مشاهدات حاکی از آن است که حتی با نسبت کم ارتفاع به قطر، 2.7، اُستادها ممکن است هنوز هم مقاومت برشی خود را به طور کامل در LWCD حفظ کند.

عملکرد در قسمتی با لنگر خمشی منفی

تحت بارهای ترافیکی، تنش‌های کششی در قسمتی با لنگر خمشی منفی (مثلاً در قسمت دیافراگم) در لایه UHPC ایجاد می‌شود. برای نشان دادن رفتار لایه UHPC تحت لنگر خمشی منفی، آزمایش بار استاتیکی روی یک نمونه تیر کامپوزیت متشکل از فولاد و UHPC انجام شد (شکل 3). در این آزمایش، بار به تدریج تا جایی که نمونه دچار شکست شود، افزایش یابد.

نتایج نشان می‌دهند که وقتی در بال پایینی OSD تسلیم شدگی به دلیل فشار بیش از حد شروع شد، هیچ ترک قابل رؤیتی در سطح UHPC مشاهده نشد. زمانی که بار کمانشی در این قسمت از OSD به حداکثر مقدار برسد، ترک‌هایی با حداکثر عرض 0.01 اینچ (0.3 میلی‌متر) مشاهده شد. این مشاهدات به وضوح نشان می‌دهند که OSD قبل از UHPC دچار شکست می‌شود.

عملکرد خستگی

از دیگر آزمایش‌های انجام شده روی نمونه LWCD، تست خستگی بود. با وجود تقویت­کننده‌های متراکم در داخل، مقاومت در برابر ترک خوردگی در UHPC استفاده شده در این مطالعه، به مقدار 6.19 ksi (42.7 مگا پاسکال) در مقایسه با 1.16 ksi (8 تا 10 مگا پاسکال) در حالت بدون تقویت‌کننده رسید. بار خستگی اعمال شد تا تنشی برابر با 3.09 ksi (21.3 مگا پاسکال) ایجاد شود. این مقدار برابر با نیمی از مقدار مقاومت در برابر ترک خوردگی در حساس‌ترین قسمت لایه UHPC بود.

نتایج آزمایش نشان می‌دهد که در لایه UHPC پس از تکرار 3.1 میلیون چرخه در این سطح از تنش، هیچ ترک ناشی از خستگی ایجاد نشد. بر اساس آنالیز المان محدود، بار طراحی به تنهایی سبب بیشترین تنش به اندازه 1.45 ksi (10 مگا پاسکال) در لایه UHPC شد که این مورد حاکی از آن است که لایه UHPC می‌تواند الزامات طراحی را با توجه به ایمنی مربوط به خستگی ارضا کند.

کاربرد در پل‌ها

تا به امروز از LWCD در چهار پل در کشور چین استفاده شده است که در میان انحا اولین پروژه آزمایشی مربوط به پل Mafang است که در سال 1984 ساخته شده است. این پل چهارده دهانه 210 فوتی (64 متری) با تکیه‌گاه‌های ساده دارد. به دلیل ترافیک سنگین، پیاده‌رو این پل در معرض زوال شدید و ترک خوردگی بود. این موارد در OSD نیز مشاهده شده بود. در سال 2011 یک بهسازی اساسی در مورد پوشش آسفالتی انجام شد. از پنج طرح مختلف برای بهسازی با استفاده از پوشش‌های مختلف برای دهانه‌های مختلف بهره گرفته شد. برای بررسی ترک‌های ایجاد شده در لایه UHPC، 177 فوت (54 متر) ابتدایی از دهانه یازدهم به وسیله یک لایه UHPC با ضخامت 1.97 اینچ (5 سانتی‌متر) و یک پوشش آسفالتی به ضخامت 1.18 اینچ (30 میلی‌متر) در بالا پوشانده شد. 33 فوت (10 متر) باقی مانده از طول دهانه به وسیله یک لایه UHPC با ضخامت 3.15 اینچ (8 سانتی‌متر) و بدون پوشش آسفالتی پوشانده شد.