پل پاداما، طراحی برای زمین‌لرزه‌ ای شدید و آب‌شستگی بستر عمیق رودخانه

یکی از چالش‌های عظیم در مهندسی پل با دهنه‌های بزرگ، نیروهای طبیعت‌اند. بلایای فاجعه‌آمیز اخیر در سراسر دنیا این حقیقت را روایت می‌کند که طبیعت می‌تواند برای زیرساخت‌ها مخرب باشد. در محل پل پاداما واقع در بنگلادش، AECOM نوعی تکنولوژی هنری و راه‌حل‌های نوآورانه‌ای برای پیشگیری و کاهش فجایع جهت مقابله با برخی چالش‌های شدید بکار برد.

پل پاداما- به طول 15/6 کیلومتر دارای مسیر راه‌آهن عبوری از روی رودخانه

پل پاداما به دلیل داشتن طول 15/6 کیلومتری (8/3 مایلی)، سازه‌ای برجسته می‌باشد و یکی از طولانی‌ترین پل‌های عبوری از روی رودخانه به حساب می‌آید. رودخانه‌‌ی پاداما سومین رودخانه‌ی طولانی جهان هست که حجم زیادی رسوب را منتقل می‌کند.
رودخانه‌ی پاداما در طول فصل‌های باران‌های موسمی، خروشان می‌‌شود و به دلیل آب‌شستگی عمیق حساس می‌باشد و برای پایداری پل نیازمند اجرای پی به شکل شمع‌های عمیق است. همچنین محل ساخت پل پاداما در ناحیه‌ای با فعالیت‌های لرزه‌ای قابل ملاحظه‌ای واقع شده است که باعث اعمال نیروهای زلزله‌ قابل توجهی به پل می‌شود. این ترکیب به همراه سایر نیروهای طبیعت چالش منحصربه‌فردی را ایجاد کرده‌اند.
پروژه طراحی دقیق پلِ چند منظوره‌ی پاداما با موفقیت به پایان رسیده است. AECOM اشکال دیگری از عرشه‌های بتنی شامل پل بتنی خرپایی، پل شاه‌تیری بتنی و پل خرپایی فولادی را گسترش داد. در همه‌ی نمونه‌ها، سازه‌ها دوطبقه انتخاب شدند که نسبت به سازه‌های تک طبقه دارای مزیت مهمی‌اند. این تفکیک بزرگراه و راه‌آهن منجر به افزایش ایمنی، بهبود عملیات، بازرسی، نگهداری و فرایندهای تخلیه‌ی اضطراری می‌شود. با اجرای راه‌آهن در عرشه‌ی پایینی، عمق سازه‌ای زیر راه‌آهن کاهش می‌یابد که اجازه می‌دهد طول راه‌آهن جهت اتصال سواحل شمالی و جنوبی به حداقل برسد. با اجرای سازه‌ی دوطبقه هزینه‌ی ساخت کاهش می‌یابد و سازه را کاراتر می‌سازد.
مدل‌های تحلیلی برای هر یک از اشکال پل گسترش یافتند تا بتوان ابعاد اعضا و به‌ویژه وزن روسازی را محاسبه نمود. در نتیجه، پل خرپایی فولادی کارآمدترین نمونه با سبک‌ترین عرشه شد. جزئیات بیشتر برای این گزینه گسترش یافت تا بتوان فاصله‌ی دهنه‌ی بهینه را محاسبه کرد. کل بارهای پی و وزن عرشه برای دهنه‌های 120، 150 و 180 متری (به ترتیب 394، 492 و 591 فوتی) مقایسه شدند. از این داده‌ها هزینه‌ی ساخت‌و‌ساز برای هر طول دهنه‌ تخمین زده شد و دهنه‌ی بهینه150 متر شد. درنهایت اقتصادی‌ترین و مناسب‌ترین حالت پل، پل خرپایی فولادی با رفتار کامپوزیت با دال‌های بالایی بتنی به دست آمد.
پل چندمنظوره، همچنین دارای مزایای زیادی است که بر روی آن ساخته شده است از جمله خطوط لوله‌ی گاز، ارتباطات و خط انتقال برق ولتاژ قوی. بعلاوه پل در عرشه‌ی پایینی دارای نقاط دسترسی اورژانسی به منظور تسهیل در تخلیه‌‌ی قطار است.
مطالعه‌ی دقیقی از خطر لرزه‌ای سایت مربوطه برای محاسبه‌ی پارامترهای لرزه‌ای مناسب جهت استفاده در طراحی پل انجام گردید. در این بین دو سطح خطر لرزه‌ای اتخاذ گردید: زلزله‌ی سطح عملکردی و زلزله‌ی سطح احتمالاتی. زلزله‌ی سطح عملکردی دارای دوره‌ی بازگشت 100 ساله با احتمال 65% تجاوز از این دوره‌ی بازگشتی است. زلزله‌ی سطح احتمالاتی دارای دوره‌ی بازگشت 475 ساله با احتمال 20% تجاوز از عمر مفید 100 ساله‌ی پل می‌باشد. هر خسارت تحمیل شده مثلا از خسارت ناشی از زلزله به راحتی بدون جابجایی یا خرابی‌ اعضا، قابل شناسایی و مستعد تعمیر خواهد بود.
در رابطه با این تحقیقات، AECOM تحلیل دیگری برای طراحی بهینه‌ی پی انجام داد که در این میان دو نوع شمع مورد بررسی قرار گرفت؛ شمع‌های قطور (3 متری؛ 10 فوتی) لوله‌ای فولادی مورب و شمع‌های قطور بتنی درجای مدفون. شمع‌های مورب درمقابل بارهای جانبی ناشی از جنبش‌های زلزله خیلی کارآمد بودند. این نوع بار به صورت بار محوری در شمع‌های فولادی تحمل می‌گردند؛ در حالی که بار جانبی توسط ظرفیت خمشی شمع‌های بتنی مدفون تحمل می‌گردد. لنگر خمشی زیادی توسط رخدادهای لرزه‌ای تولید می‌شود که این بیانگر این است که ظرفیت خمشی نامناسبی توسط خود آرماتورها می‌تواند ایجاد گردد و پوشش فولادی دائم نیاز خواهد بود که ظرفیت تا عمق 10 متر (33 فوت) زیر بستر رودخانه افزایش دهد در نتیجه برای رخداد 100 ساله‌ی آب شستگی، PWDی 61 متری نیاز است. همچنین مهم می‌باشد که 15 شمع بتنی قائم به قطر 3 متر (10 فوت) داشته باشیم در مقایسه با هشت شمع لوله‌ای فولادی مورب. تعداد زیاد شمع‌ها، وزن کلاهک شمع و همچنین آب‌شستگی محلی را افزایش می‌دهد. همه‌ی این فاکتورها اثر ناسازگاری بر روی هزینه و قابلیت ساخت‌وساز پی‌ها دارند در نتیجه راه‌حل برگزیده، شمع‌های لوله‌ای فولادی مورب معرفی گردید.

شمع‌های لوله‌ای مورب فولادی در تحمل بارهای بزرگ جانبی خیلی موثرند. تعدادی شمع 60 متری (197 فوتی)

از آنجایی که ارتفاع پل 120 متر (394 فوت) است؛ موقعی که اثرات آب شستگی، جرم زیاد روسازی، کلاهک شمع‌ها و خود شمع‌ها در نظر گرفته شود، رفتار پل پیچیده می‌شود. تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطیِ 3بعدی با استفاده از مدلِ Penzien‌ِ‌ِ ِ اصلاح‌شده، اتخاذ گردید که به 2 بخش تقسیم می‌گردد: سازه و خاک بدون سربار. اندرکنش بین سازه و زمین بدون سربار توسط فنرهای اتصال جانبی مدل‌سازی می‌شوند. به منظور محاسبه‌ی مدول برشی معادل و نسبت میرایی موثر بین لایه‌های خاک، تحلیل خاک بدون سربار قبل از برنامه‌ی تحلیل لرزش (Shake analysis program) انجام شد. متعاقباً، تحلیل دینامیکی سه‌بعدی به کمک مدول برشی معادل و میرایی مؤثر به صورت داده‌ی ورودی انجام شد.

مدل اندرکنش سازه و خاک بدون سربار محل

جنبش‌های زمین به مدل اعمال شد تا نمونه‌ی زلزله را شبیه‌سازی کند تا بارها در شمع‌ها و بالتبع در روسازه تولید شود. هر چند که ترکیب‌بارهای دیگر مثل ضربه‌ی کشتی و باد در نظر گرفته شد؛ این اثرات برای روسازه بحرانی نبوده و ترکیب‌بار لرزه‌ای به طراحی اعمال می‌شود.
مدل دیگری گسترش داده شد تا رفتار کلی پل بررسی گردد. پل به مدول 6 دهنه‌ که هر دهنه 150 متر (492 فوتی) طول دارند؛ تقسیم شد. بنابراین مدل کلی تحلیل، مدول 6 دهنه‌ای منحصربه‌فردی را بررسی کرد و سطوح مختلفی از آب‌شستگی را در هر پایه‌ی پل اعمال کرد. حفره‌ی آب‌شستگی ممکن است در اطراف یک پایه‌ی منحصر به فرد یا اطراف دو یا چند پایه شکل گیرد. مدل کلی به منظور محاسبه‌ی بارهای بحرانی محوری، برشی و خمشی پی‌های هر یک از پایه‌های پل، به ترکیبات‌بار مختلف نگاه می‌کند.

مدل کلی 3بعدی مدول پل 6 دهنه

مطالعات اولیه‌ی پل بر مبنای عرشه‌ای که توسط تکیه‌گاه‌های غلتکی سنتی نگه‌داری می‌شود، به همراه نقطه‌ی پایداری مرکز پایه‌ی مدول 6 دهنه می‌باشد. برای جلوگیری از اینکه پایه‌ی تثبیت شده موقع رخدادهای لرزه‌ای در اثر حرکت انتقالی طولی تحت بار زیاد قرار نگیرد؛ واحد‌های انتقال شوک در پایه‌های بدون سربار در نظر گرفته شده‌اند تا از توزیع یکنواخت بار بین پایه‌ها اطمینان حاصل گردد. ولی به کمک این سیستم، بارهای اعمالی به پایه‌ها هنوز بزرگ‌ بودند به همین دلیل به عنوان بخشی از مهندسی ارزش، AECOM اشکال مختلفی از مفاصل را در نظر گرفت.
استراتژی اصلی در طراحی لرزه‌ای، اتلاف انرژی لرزه‌ای در بین مفاصل پلاستیک بالای پایه‌ها است. طراحی بهینه‌ی دیگری، مزیت‌های جداگرهای لرزه‌ای را شناسایی کرد که به سازه اجازه می‌دهد بدون خرابی، الاستیک رفتار کند. به کار بردن جداگرهای لرزه‌ای، تعداد شمع‌ها، ابعاد کلاهک شمع‌ها و اندازه‌ی روسازه‌ی فولادی را کاهش داده است؛ که این منجر به طراحی با هزینه‌ی موثرتر می‌گردد. تکیه‌گاه‌های جداگر لرزه‌ای در سراسر جهان استفاده شده است تا پاسخ لرزه‌ای را توسط جداسازی سازه‌ها از ورودی‌های لرزه‌ای، کم کند. جداگرها می‌تواند جابجایی‌های حرارتی را با حداقل مقاومت تطبیق دهند اما تحت تحریکات لرزه‌ای درگیر می‌شوند. در این استراتژی همه‌ی اعضای اولیه‌ی سازه‌ای بدون هیچ‌گونه خسارت یا تشکیل مفصل پلاستیک، الاستیک باقی می‌مانند.

اصول جداسازی لرزه‌ای پل پاداما

تکیه‌گاه‌های جداکننده دارای 3 المان کلیدی‌اند؛ یکی جهت مهیاسازی صلبیت و انعطاف‌پذیری جانبی تحت بارهای سرویس، یکی جهت مهیاسازی ظرفیت خودمحوری و دیگری برای مهیاسازی اتلاف انرژی. این المان‌های کلیدی بایستی به‌درستی طراحی شوند و برای دستیابی به رفتار لرزه‌ای بهینه، باید به خوبی تنظیم شوند.
تحلیل‌ها نشان می‌دهد که بارهای لرزه‌ای با جای‌گزینی تکیه‌گاه‌های گلدانی مرسوم با تکیه‌گاه‌های جداکننده می‌توانند به میزان زیادی کاهش یابند. تکیه‌گاه‌های آونگی اصطکاکی ویژگی‌های آونگ را برای افزایش پریود طبیعی سازه‌ی ایزوله شده بکار می‌برد تا نیروهای زلزله‌ی ورودی را کاهش دهد. از آنجایی که زلزله‌، جابجایی‌هایی را وا‌می‌دارد که ابتدا در تکیه‌گاه‌ها رخ می‌دهد؛ بارهای جانبی و جابجایی‌های لرزشی منتقله به سازه، به شدت کاهش می‌یابند.
بارگذاری لرزه‌ای کاهش یافته در بالای پایه‌های پل ایجاد می‌شوند که به طور قابل ملاحظه‌ای بارهای شمع را کاهش می‌دهد. با استفاده از طرح مرسوم تکیه‌گاه‌ها و واحدهای انتقال شوک، 8 شمع فولادی مورب برای هر پایه‌ی پل مورد نیاز می‌باشد. با جداگر لرزه‌ای این تعداد به 6 عدد کاهش یافته که باعث صرفه‌جویی بیش از 20% ِهزینه‌های پی می‌گردد.
سپس AECOM طراحی‌ای را با گنجاندن جداسازی لرزه‌ای، بیشتر گسترش داد. تأثیر طرح جداسازی لرزه‌ای به زیرسازه محدود نمی‌شود؛ کاهش بارگذاری لرزه‌ای باعث کاهش ابعاد اعضای خرپایی به همراه صرفه‌جویی بیش از 6% در قطعات خرپای فولادی می‌شود.

ترجمه شده توسط تیم خبری 808

منبع:+