از کتاب پل سازی به روش پیش رانی تدریجی(درآمدی بر طرح و اجرا)

تالیف:  سهیل آل رسول (آذر ماه 1389)

شاید از قدیمی ترین نمونه‌های شناخته شده پل‌ها که به وسیله متد پیشرانی تدریجی ساخته شده‌اند، پل‌های متحرکی باشند که توسط نیروهای نظامی متفقین در جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت. سیستم پل متحرک متشکل از سه قسمت اصلی (پانل‌های خرپا ـ کف تیرها و آویزهای عمودی) هستند.

هر واحد وقتی که مونتاژ شد یک قسمت به طول 5/3 متر با 65/3 متر عرض، یک خط عبوری را ایجاد می‌کند. پس از تکمیل شدن هر واحد معمولاً روی غلطک‌های پیشرانی روی کوله به جلو حرکت داده می‌شوند و بخش دیگر در پشت آن ساخته می‌شود. سپس آن دو به وسیله پین به سوراخ هایی که در گوشه و کنار پانل هست متصل می‌شود ظرفیت بار اضافی را می‌توان با اضافه کردن پانل‌های خرپا به سمت خارج و از انباشت عمودی و گاهی هر دو توسعه داد. تجهیزات این پل‌ها به اندازه کافی سبک بوده‌اند که توسط نیروهای انسانی در محل مونتاژ شوند و توسط کامیون یا وسیله نقلیه بکسل کننده هل داده شوند. (مک لافلین (2005)).

موفقیت های این سیستم به صورت عملی ثابت شده چرا که با گذشت بیش از 60 سال هنوز هم تعدادی از سیستم‌های موقتی که در حال حاضر در سراسر جهان در حال اجرا هستند همچنان و به شدت به مفهوم پل متحرک بدوی وابسته‌اند.

استفاده از پیشرانی تدریجی محدود به سازه‌های بزرگراهی نمی‌باشد. در واقع استفاده از این متد ساخت، ابتکاری برای کاهش زمان اجرا (زمان وقفه) برای نصب به صورت مشترک در صنعت راه‌آهن بوده است. در اکتبر 1907 راه‌آهن کانادایی اقیانوس آرام؛ دهانه 5/126متر را از طریق خرپا روی رودخانه فرانسوی نزدیک Sudbury، Ontario عبور دادند (1908Montserrat ). با توجه به وجود آبراهه عمیق در ساختگاه این پل تمام دهانه خرپا از سمت خاکریز شمالی بر روی 2 بلوک غلطک فولادی که هر کدام دارای 14 غلطک بودند حرکت داده شد تا به موقعیت نهایی خود برسد. این عملیات از طریق کابل‌های فولادی به قطر in 8/5 که از قرقره‌ها عبور داده شده و توسط موتور 32 اسب بخاری که قادر به کشیدن 6/3 تن پشتیبانی می‌شد. لازم به ذکر است که اگر چه تجهیزات به کار رفته برای ساخت این پل به طور قابل توجهی نسبت به قرن گذشته بهبود یافته ولی روش پیشرانی اولیه تغییر قابل توجهی نداشته است.

اولین و بزرگترین پل راه‌آهن با عرشه فولادی در امریکا از طریق متد پیشرانی تدریجی ساخته شده و در ژوئن 1971 مورد بهره‌برداری قرار گرفت. سازه پل متشکل از شاه تیرهای باکسی شکل سراسری با 9 دهانه بود که در حدود 52 تا 5/100 متر طول داشتند. عملیات پیشرانی پل از دو جهت صورت گرفت و در مرکز دهانه 5/100 متری به هم پیوست. مشخصات و طرح پل برای صندوقه فلزی بنا شد و از متد پیشرانی برای عملیات اجرا استفاده شد. در عین حال در طول آماده سازی سرمایه‌گذاری اولیه محدودیت زمان برای جزئیات خاص عملیات پیشرانی در نظر گرفته شد که ثابت شده برای پروژه هزینه بردار است. تجریبات ساخته این پل نشان داد که تکیه‌گاه‌های کشویی محدودیت‌هایی دارند که پیمانکار برای عملیات ساخت بعدی در آینده باید توجه بیشتری در استفاده از پشتیبانهای مفصلی غلطکی داشته باشد. زیرسازی راه موقت و ریل قطار پشت هر کوله محدودیت‌هایی را برای کامیون ها که قطعات شاه تیرها را برای نصب و پیشرانی حمل می‌کنند ایجاد می‌کند.

در طول راه‌اندازی اولیه، اعوجاج جانبی شاهتیر به دلیل گرمای خورشید باعث ایجاد مشکلات قابل توجهی شد. تجربه نشان داد اختلاف جانبی محور تا 15 سانتیمتر را به راحتی می‌توان با کشش جانبی دماغه پیشرانی برطرف کرد. انحناهای عمودی شاهتیر در زمان پیشرانی نزدیک به متغیرهای محاسبه شده می‌باشد. محاسبات جزئیات نصب شامل بررسی هر دو وضعیت نهایی طره و همچنین وضعیت تیر پیوسته پشت قسمت طره‌ای است.

تحلیل و مدل‌سازی

موضوع مهم در مورد پیشرانی شاهتیرهای فولادی مربوط به ظرفیت حمل بار به علت نیروهای متمرکز شده است. بار وارد شده بر شاهتیرها منحصر به فرد است چرا که برای ممان خمشی، بار متمرکز به وجود می‌آید که از طریق یاتاقان غلطکی موقتی اعمال می‌شود. بار متمرکز، همچنین موسوم به بار وصله از لبه پایینی شاهتیر به ورق جان منتقل می‌شود. واکنش تکیه‌گاه‌ها به گونه‌ای است که هر بار که بخش‌های پیشرانی از روی یاتاقان غلطکی عبور می‌کند در طول شاهتیر حرکت می‌کند. خیلی مهم است که بار وصله باعث تغییر شکل یا صدمه دیدن جان شاه تیر نشود. اثرات بار وصله در طراحی ضخامت جان شاه تیر باید در نظر گرفته شود. حتی افزایش کوچک در ضخامت جان تیر نیز می‌تواند وزن و هزینه‌های اضافی را به وجود آورد. به منظور درک بهتر پدیده بار وصله، مدل های المان روی 3 نوع طرح باید ارائه شود: عادی ـ بلند و باریک ـ کوتاه(Granath 2000).

شاهتیرها با ممان‌های خمشی مختلف با بارهای متمرکز برای تعیین ظرفیت بار نهایی هر مقطع شاهتیر مدل می‌شوند. نتایج نشان داد که وقتی هیچ لنگر خمشی در انتهای شاهتیر اعمال نشود، شاهتیر ممکن است بر اثر بارگذاری وصله در سطوح 59 تا 68 درصد از ظرفیت نهایی بار صدمه ببیند. با این حال در سطوح 42 تا 49 درصد ظرفیت نهایی بار با پیکربندی مشابه نیز صدمه‌هایی رخ داده است. تغییر شکل ماندگار وصله‌ها از طریق کم کردن ظرفیت بار حمل شده کاهش می‌یابد.

برای جلوگیری از صدمه دیدن و کاهش ظرفیت، بررسی‌ها نشان داده است که حد و مرز قابل تعمیر طبق ضوابط و شرایط تنش به دست آمده و میزان کرنش صفحه فلزی جان تیر تعیین می‌شود. تجزیه و تحلیل نیز نشان داد که شاهتیرها در صورت انباشته شدن، تغییر شکل پلاستیک در سطوح بالای بارگذاری را تجربه می‌کنند.

مؤلفان AASHTO توصیه می‌کنند در تحلیل المان نهایی که برای تعیین تنش توزیع شده روی غلطک‌های پیشرانی برای هر حرکت واحد انجام می‌شود هیچ فشاری روی صفحه فلزی جان تیر جایز نیست چرا که ممکن است باعث تغییر شکل آنها شده و به طور بالقوه‌ای مضر باشد.

گرانات (2000 Granath,) اشاره به ایجاد ضوابط سطوح بارگذاری بهره‌برداری برای صفحه‌های فلزی جان تیر نمود که از طریق توسعه آسان و نزدیک به روش طراحی برای ارزیابی شاهتیرهای فولادی به عنوان بارگذاری وصله است بدست می‌آید. این روش براساس این فرض است که هیچ فشاری روی صفحه فلزی جان تیر مجاز نمی‌باشد. فرمول ارائه شده در مطالعات با استفاده از روش المان نهایی و تحلیل رگرسیون توسعه داده شده‌اند.

گرانات (1998Granath,) نیز توزیع واکنش‌های تکیه‌گاهی در برابر شاهتیر فولادی روی کفشک پیشرانی را ارزیابی کرده است. در پژوهش‌ها و نتایج آزمایشگاهی، تجزیه و تحلیل المان نهایی و محاسبات تحلیلی گزارش شده که سه روش ارزیابی زیر تمرکز بر توزیع نیروی واکنش دارد: وقتی که شاهتیر فولادی روی کفشک پیشرانی با غلطک‌های کشویی قرار می‌گیرد، یا وقتی شاهتیر روی کفشک پلی اتیلن قرار می‌گیرد و محاسبات طراحی برای بار مربوطه با معادلات معتبر برای توزیع یکنواخت تنش انجام می‌شود.

نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که واکنش تکیه‌گاه‌ها یکنواخت توزیع نمی‌شوند اما توزیع فشار را می‌توان با مدل تحلیلی و مدل ممان نهایی آن شرح داد.

روزیگنولی (Rosignoli, 2002) بحث بسیار دقیقی از تنش‌های پیشرانی و ناپایداری در پل‌های شاهتیر فولادی ارائه داده است. مورد بحث مؤلف عواملی است که منجر به حالت تنش پیچشی بال زیرین شاهتیر فولادی در پل‌های پیشرانی می‌شود. این عوامل شامل حرکت شاهتیر فولادی روی یاتاقآن‌های پیشران، افت حرارت در سازه فولادی، پیچ خوردگی و اعوجاج ناشی از خروج از مرکزیت در محور یاتاقان‌های پیشران، تنش فشاری جان تیر که از پراکندگی واکنش تکیه‌گاه‌ها در جآن‌های شاهتیر است، اصطکاک ناشی از پیشرانی و افت سطح تراز پیشران می‌باشد.

روزیگنولی در نظریه خود درباره پانل بدون سخت کننده یا قابل ارتجاع جان تیر که واکنش تکیه‌گاه‌های متمرکز به بال زیرین آنها اعمال می‌شود را بسط داده و تحت تأثیر سه حالت گسیختگی که به شدت بار و ضخامت پانل جان تیر بستگی دارد بحث می‌کند.

این حالات در جان تیر که به طور مستقیم از بالا بار فشاری وارد می‌کند و پیچش در قسمت زیرین جان تیر برای ارتفاع عمودی تا تقریباً 50 برابر ضخامت ورق و پیچش کلی جان تیر که درپانل جان تیر ایجاد می‌شود وارد می‌شود. مؤلف نشان می‌دهد که تعدادی از معادلات برای چک کردن کفایت بخش‌های شاهتیر به بارگذاری یاتاقان پیشران بستگی دارد.

روزیگنولی همچنین پیشنهاد می‌کند که طراحی واکنش تکیه‌گاه‌ها حداقل باید 30 درصد بالاتر از حداکثر واکنش تکیه‌گاهی محاسباتی باشد. به دلیل اهمیت این موضوع انحنا محور یاتاقآن‌های پیشران و بی نظمی های هندسی در بال پایین که به علت ساخت و مونتاژ به وجود می‌آید مورد توجه است.

شکل 2 ـ 2 ـ پیشرانی پل فولادی [1]

 مطالعات فرآیند ساخت و ساز

مارزوک (marzouk, 2007) شبیه سازی رایانه ای برای تکرار عملیات پیشرانی تدریجی پل را انجام داد و نشان داد شبیه سازی رایانه ای یک ابزار مفید برای درک بهتر فرآیند برنامه ریزی و عملیات ILM است. همچنین این تحلیل می‌تواند به پیمانکار برای درک بهتر از تأخیر زمان ناشی از منابع محدود، ضعف تجهیزات، رابطه کار و مسائل محیط زیستی کمک کند.

امروزه اجرای پل به وسیله روش پیشرانی تدریجی در حال متداول شدن هستند، دلیل این مهم دقت بالای این روش ساخت پل می‌باشد.

همچنین دو روش مختلف پیشرانی با شبیه سازی کامپیوتری مدل شده‌اند، پیشرانی به صورت منفرد و پیشرانی به صورت چندگانه.

پیشرانی تدریجی به صورت منفرد به عنوان متداول ترین روش پیشرانی روندی است که در آن قطعات در یک ایستگاه ساخته می‌شوند سپس عملیات پیشرانی آغاز می‌شود. در روش پیشرانی چندگانه از 2 ایستگاه جداگانه بهره‌برداری می‌شود. در روش پیشرانی چندگانه، بیش از یک بخش را همزمان می‌توان ساخت که این کار باعث تسریع عملیات ساخت می‌شود. در یک پروژه پل سازی در قاهره مصر از روش چندگانه جهت مطالعه و بررسی مدل عملیات پیشرانی تدریجی استفاده شده است.هرچند پل به صورت منفرد ساخته شده بود. اما شبیه سازی کامپیوتری با هر دو شکل منفرد و چندگانه انجام شد. رایانه پیش بینی کرده بود که عملیات اجرای پل 397 روز با استفاده از روش منفرد طول خواهد کشید. لیکن شبیه سازی دوباره پروژه با روش چندگانه که عملیات ساخت را به 374 روز کاهش می‌دهد.

مزیت استفاده از شبیه سازی کامپیوتری این است که می‌توان فاکتورها را برای شبیه سازی مختلف تغییر داد. دو برابر کردن نیروهای اجرایی 37 روز کاهش زمان اجرا را به‌همراه داشت به علاوه اگر خدمه دو برابر می‌شد عملیات ساخت در 14/330 روز به اتمام می رسید.

کلیات در طرح و اجرا

تعداد قابل توجهی از پل‌های فولادی در اروپا ساخته شده‌اند که از روش پیشرانی تدریجی استفاده شده است. اسونسن (Svensson 2001) اشاره می‌کند که ممان طره در حین پیشرانی می‌تواند 6 برابر بزرگتر از ممانهای تکیه‌گاهی روی سازه سراسری باشد و حداکثر واکنش طره می‌تواند بزرگتر از 2 برابر واکنش تکیه‌گاهی معمولی بعد از ساخت باشد.

برای جلوگیری از لهیدگی جان شاهتیر تحت فشار بار لازم بود تا از 8 غلطک سنگین استفاده شود (مشابه غلطکی که در آلمان استفاده شد). این غلطک‌های کشویی با بهره گیری از صفحات نئوپرن با پوشش تفلون ساخته شده بودند.

اسونسن مجموعه ای از نمونه‌های پلهای فولادی که به طور موفقیت آمیز پیشرانی شده‌اند را جمع آوری نمود که شامل؛ سیستم‌های تیر I شکل، سیستم‌های شاهتیرهای صندوقه‌ای و در بعضی موارد دهانه‌های فولادی قوس دار هستند که تمام آنها از انواع مختلف سیستم‌های تکیه‌گاهی استفاده می‌کنند.

بیشتر از 20 سال است که پیشرانی تدریجی پل­ها توسط پیمانکارهای روسی انجام می­شود. (ژوراوف 1996) (Zhuravov1996). متداول ترین روش پیشرانی در روسیه، استفاده از جک برای حرکت دادن پل به صورت افقی روی تکیه‌گاه‌های مخصوص کشویی واقع بر پایه‌ها جهت کاهش نیروی اصطکاک است. دستگاه فشار متشکل از جک‌های هیدرولیک و گیره است. سازه، اول با مجموعه ای از صفحه‌های فولادی به هم بسته می­شود. سپس جک‌ها با کمک گیره‌ها پیشرانی می‌شود. وقتی چرخه کامل می‌شود، گیره‌ها آزاد و دوباره به موقعیت اولیه خود وصل می‌شوند.

یک چرخه فشار می‌تواند تا 5/1 متر طول داشته باشد و در زمان تقریبی 20 ـ 10 دقیقه به پل اعمال گردد. دستگاه‌های کشویی نیروهای اصطکاک روی پل فولادی در زمان عبور از تکیه‌گاه‌ها را کاهش می‌دهند.

تکیه‌گاه‌های کشویی از غلطک­های الاستومری متداول ساخته شده‌اند که با ورق فولاد ضد زنگ و پانل‌های کشویی از تخته سه لا با ماده PTFE ضد اصطکاک پوشیده شده است.

پانل‌های تخته سه لا مابین شاهتیر پل و ورق فولادی ضد زنگ قرار می­گیرند. غلطک­ها برای پخش تنش در سراسر تیر استفاده می‌شوند تا عملیات پیشرانی شبیه سازی شده کامپیوتری نزدیک تر به واقعیت باشد. عملیات پیشرانی پایش می‌شود تا در هیچ مقطعی تنش‌ها و تغییر شکل‌ها از حدود مجاز تجاوز نکند.

همانگونه که پیشتر نیز اشاره شد، پل‌ها را می‌توان از یک یا 2 کوله پیشرانی کرد. هنگامی که عملیات پیشرانی در 2 کوله انجام گرفت، دو بخش پل پس از به‌هم رسیدن جوش با نفوذ کامل به‌هم متصل می‌شوند و سپس سازه روی جک‌ها بالا برده می‌شود و تکیه‌گاه‌های (نئوپرن‌های دائمی) جایگزین دستگاه‌های کشویی می‌شوند و سازه روی موقعیت نهایی خود پایین آورده می‌شود.

Soheil.alerasoul@gmail.com