دانلود مقالات تخصصي در زمينه مهندسي پل

پلهای بتن پیش تنیده
صفحه اصلی: http://omransaz.blogfa.com/

استفاده از بتن پیش تنیده در ایجاد پلها و ساختمان ها از حدود 50 سال پیش تا کنون در سطح وسیع متداول شده است. با توجه به عیوب مختلف فولاد ( نا پایداری الاستیک نیمرخ های فلزی، خوردگی و زنگ زدگی، فزونی بهای تولید...) امروزه اغلب پلهای بزرگ از بتن پیش تنیده ساخته می شوند، اما برخلاف حالت بتن مسلح مصالح مصرفی جهت این پلها باید از کیفیت بسیار خوبی برخوردار باشند در بتن پیش تنیده نیز مانند بتن مسلح از بتن که دارای مقاومت بسیار خوب فشاری است و فولاد استفاد می شود اما:

بتن مسلح ترکیبی از بتن و فولاد است که در آن بتن در مقابل فشار و فولاد در مقابل کشش مقاومت می کند در حالی که در بتن پیش تنیده با انجام یک عمل مکانیکی بتن به تنهایی تنشهای کششی و فشاری ایجاد شده را تحمل می نماید.

برای طرح محاسبه قطعات پیش تنیده روش و ترتیب اجرای سازه باید دقیقا مشخص باشد زیرا مقادیر تنش های ایجاد شده در قطعات در حین اجرای سازه بسیار مهم و گاهی تعیین کننده می باشند.

همچنین برخلاف حالت بتن مسلح بعد از بررسی پایداری سازه تغییر شکلهای کوتاه مدت و دراز مدت بتن و فولاد نیز باید به دقت مورد مطالعه قرار گیرند.

مشخصات مصالح مصرفی در بتن پیش تنیده:

مصالح مصرفی در سازه های بتن پیش تنیده باید از کیفیت عالی برخوردار بوده و با دقت نیز مورد استفاده قرار گیرند با توجه به این که بتن در سن کم که مقاومت نسبتاً ضعیفی داشته و قابل تغییر شکل نیز می باشد تحت فشار فوق العاده زیادی قرار می گیرد باید کیفیت آن به مراتب از کیفیت بتن مصرفی در سازه های بتن مسلح بالاتر باشد همچنین فولاد نیز با توجه به اینکه تحت کشش فوق العاده زیادی قرار می گیرد (100تا 180 کیلو گرم بر میلی متر مربع ) باید مقاومت مناسبی داشته باشد بنابر این در زمان اجرای سازه مصالح مصرفی در بتن پیش تنیده تحت تنش های فوق العاده مهمی قرار می گیرند که عمل تنیدن آزمایش مناسبی برای کنترل کیفیت مصالح به کار رفته است

استفاده از بتن پیش تنیده در ایجاد پلها و ساختمان ها از حدود 50 سال پیش تا کنون در سطح وسیع متداول شده است. با توجه به عیوب مختلف فولاد ( نا پایداری الاستیک نیمرخ های فلزی، خوردگی و زنگ زدگی، فزونی بهای تولید...) امروزه اغلب پلهای بزرگ از بتن پیش تنیده ساخته می شوند، اما برخلاف حالت بتن مسلح مصالح مصرفی جهت این پلها باید از کیفیت بسیار خوبی برخوردار باشند در بتن پیش تنیده نیز مانند بتن مسلح از بتن که دارای مقاومت بسیار خوب فشاری است و فولاد استفاد می شود اما:

بتن مسلح ترکیبی از بتن و فولاد است که در آن بتن در مقابل فشار و فولاد در مقابل کشش مقاومت می کند در حالی که در بتن پیش تنیده با انجام یک عمل مکانیکی بتن به تنهایی تنشهای کششی و فشاری ایجاد شده را تحمل می نماید.

برای طرح محاسبه قطعات پیش تنیده روش و ترتیب اجرای سازه باید دقیقا مشخص باشد زیرا مقادیر تنش های ایجاد شده در قطعات در حین اجرای سازه بسیار مهم و گاهی تعیین کننده می باشند.

همچنین برخلاف حالت بتن مسلح بعد از بررسی پایداری سازه تغییر شکلهای کوتاه مدت و دراز مدت بتن و فولاد نیز باید به دقت مورد مطالعه قرار گیرند.

مشخصات مصالح مصرفی در بتن پیش تنیده:

مصالح مصرفی در سازه های بتن پیش تنیده باید از کیفیت عالی برخوردار بوده و با دقت نیز مورد استفاده قرار گیرند با توجه به این که بتن در سن کم که مقاومت نسبتاً ضعیفی داشته و قابل تغییر شکل نیز می باشد تحت فشار فوق العاده زیادی قرار می گیرد باید کیفیت آن به مراتب از کیفیت بتن مصرفی در سازه های بتن مسلح بالاتر باشد همچنین فولاد نیز با توجه به اینکه تحت کشش فوق العاده زیادی قرار می گیرد (100تا 180 کیلو گرم بر میلی متر مربع ) باید مقاومت مناسبی داشته باشد بنابر این در زمان اجرای سازه مصالح مصرفی در بتن پیش تنیده تحت تنش های فوق العاده مهمی قرار می گیرند که عمل تنیدن آزمایش مناسبی برای کنترل کیفیت مصالح به کار رفته است

استفاده از بتن پیش تنیده در ایجاد پلها و ساختمان ها از حدود 50 سال پیش تا کنون در سطح وسیع متداول شده است. با توجه به عیوب مختلف فولاد ( نا پایداری الاستیک نیمرخ های فلزی، خوردگی و زنگ زدگی، فزونی بهای تولید...) امروزه اغلب پلهای بزرگ از بتن پیش تنیده ساخته می شوند، اما برخلاف حالت بتن مسلح مصالح مصرفی جهت این پلها باید از کیفیت بسیار خوبی برخوردار باشند در بتن پیش تنیده نیز مانند بتن مسلح از بتن که دارای مقاومت بسیار خوب فشاری است و فولاد استفاد می شود اما:

بتن مسلح ترکیبی از بتن و فولاد است که در آن بتن در مقابل فشار و فولاد در مقابل کشش مقاومت می کند در حالی که در بتن پیش تنیده با انجام یک عمل مکانیکی بتن به تنهایی تنشهای کششی و فشاری ایجاد شده را تحمل می نماید.

برای طرح محاسبه قطعات پیش تنیده روش و ترتیب اجرای سازه باید دقیقا مشخص باشد زیرا مقادیر تنش های ایجاد شده در قطعات در حین اجرای سازه بسیار مهم و گاهی تعیین کننده می باشند.

همچنین برخلاف حالت بتن مسلح بعد از بررسی پایداری سازه تغییر شکلهای کوتاه مدت و دراز مدت بتن و فولاد نیز باید به دقت مورد مطالعه قرار گیرند.

مشخصات مصالح مصرفی در بتن پیش تنیده:

مصالح مصرفی در سازه های بتن پیش تنیده باید از کیفیت عالی برخوردار بوده و با دقت نیز مورد استفاده قرار گیرند با توجه به این که بتن در سن کم که مقاومت نسبتاً ضعیفی داشته و قابل تغییر شکل نیز می باشد تحت فشار فوق العاده زیادی قرار می گیرد باید کیفیت آن به مراتب از کیفیت بتن مصرفی در سازه های بتن مسلح بالاتر باشد همچنین فولاد نیز با توجه به اینکه تحت کشش فوق العاده زیادی قرار می گیرد (100تا 180 کیلو گرم بر میلی متر مربع ) باید مقاومت مناسبی داشته باشد بنابر این در زمان اجرای سازه مصالح مصرفی در بتن پیش تنیده تحت تنش های فوق العاده مهمی قرار می گیرند که عمل تنیدن آزمایش مناسبی برای کنترل کیفیت مصالح به کار رفته است

Rehabilitation and Retrofication of Iranian Bridges; Lessons Learned from the Minneapolis Bridge Col
The 3rd international conference on integrated natural disaster management

Ali Mirchi,Soheil Alerasoul

Rahab Consulting Engineers, Tehran, Iran

صفحه اصلی: http://payamomran.blogfa.com/post-22.aspx

Abstract

Regular inspection of bridges to safeguard their secure structural performance is an issue of paramount importance in the area of integrated bridge management. Structural failure of bridges can bring about enormous amount of fatal casualties and economic loss due to the unique function of bridges in passing the traffic over rivers, flood ways, and reducing of traffic jam in congested urban and rural crossings. Additionally, maintaining the functionality of bridges becomes extremely crucial both in the course and aftermath of natural disasters when rescue and relief operations need to take place at the highest speed possible. As addressed in this paper, the catastrophic collapse of I-35W Bridge in Minnesota, the U.S.A, was an artifact of neglecting the results of inspections and technical reports on the bridge's structural vulnerability. Recent studies on possible structural deficiency due to fatigue cracking failed to initiate rehabilitation and/or retrofication of the bridge. The paper outlines how this technological disaster expedited the process of inspection, rehabilitation, and retrofication of American bridges and triggered conducting of more accurate cost estimation as well as cost/benefit analysis of such projects. More interestingly, an overall evaluation of various types of urban and rural bridges of Iran is performed based on the experience and information gained from the I-35W Bridge collapse, analysis of the recent statistics on the Iranian bridges, and average cost of rehabilitation and reconstruction of bridges. As a final point, an estimation of total potential budget needed for retrofication of Iranian bridges is given utilizing information from a number of undergoing bridge retrofication projects.

Keywords: Bridge inspection; Fatigue; I-35W Bridge; Rehabilitation; Retrofication; Structural deficiency; Urban/Rural bridges; Vulnerability.

1.Introduction

Speaking of rehabilitation/retrofication of road and/or railroad structures, especially, bridges versus natural disasters and service loads, attention is mainly focused on bridge inspection and technical reports on bridges’ structural vulnerability. Although bridge inspection and data gathering is the primary step in integrated bridge management, in practice, this stage is utterly variable depending on maintenance strategies and objectives set. In other words, integrated bridge management calls for application of various inspection methods based on the stipulated safety criteria. Examples of this approach can be recognized in the area of information management in which uniformity/consistency of data is crucially important and/or in the case of data gathering/processing for infrastructural networks where accounting for interrelationships between one type of network and the other is of utmost importance ]1[.

The need for rehabilitation/retrofication of bridges can be momentous from two aspects. First, the financial value of structures in the road and railroad networks and, second, functionality of lifelines in the course and aftermath of natural disasters and/or military operations. Hence, collecting, assembling and proper data analysis is a key means at hands of disaster managers.

Considering the importance of rehabilitation/retrofication of bridges and insufficiency of sole inspection and bridge data analysis bridge maintenance strategies are described in the second section of this paper. Afterwards an analysis of the catastrophic collapse of the I- 35W Bridge is presented as an evidence of the vulnerability of the breakdown–maintenance strategy in bridge management. The technological disaster was an artifact of neglecting the results of inspections and technical reports on the bridge’s structural vulnerability. Finally, an estimate of the cost of standard maintenance of the Iranian bridges is presented through comparing the recent official bridge statistics with actual figures obtained from a couple of undergoing bridge rehabilitation/retrofication projects.

2.Maintenance strategy in bridge management

Although, formulating a practical maintenance strategy is one of the several stages of bridge management, it substantially influences subsequent stages of the process. Among various bridge management stages, e.g. document collection, database management, bridge inspection, data processing, financing, and maintenance, inspection has a conspicuous mutual relation with maintenance strategy. Technically, results of bridge inspection lead to a an enhanced understanding of the bridges’ overall condition and thus formulation of a better maintenance strategy which in turn specifies scope, frequency, and method of future inspections.

Two principle strategies of “breakdown maintenance” and “systematic inspection” are defined to satisfy the DECD 1976 safety requirements. The former strategy is regarded as an emergency-based measure. This strategy encompasses inspection of main structural components only and has a narrow scope. The latter, on the other hand, is a preventive strategy and pinpoints structural performance of bridges through performing more frequent inspections [2].

While it’s not an easy task to economically justify the benefits of proper bridge management and maintenance gained out of lower future costs, favorable performance during emergencies (natural disasters and military acts), reducing of road accidents, employing the breakdown strategy will impose a great risk on the bridge users. To ground and enhance interactions between bridge management officials and stakeholders and address the importance of applying preventive strategies, more sophisticated bridge management methods can be employed. In such methods application of "what-if" scenarios helps determine the potential consequences of structural failure of bridges during emergencies. Decision-makers could be encouraged to use preventive strategies through performing estimates on reconstruction timing, political impacts, and financial and human resource losses caused by bridges’ structural failure.

The bridge management system will be effective only if all partners involved are obliged to do their tasks clearly as assigned. Technical experts and bridge management officials should be transparent in reporting the inspection results. Also, relevant officials must be committed to allocating the necessary financial resources and utilizing protective measures in a timely manner.

To boost effectiveness of the bridge management systems all required data should be input to the Bridge Management System (BMS) to yield a concrete output comprising a defined time framework. The specified timing is in fact the obligation to apply maintenance methods as planned. Based on the outputs structurally deficient bridges are categorized and maintenance scenarios ranging form no-action to total demolition and reconstruction are proposed.

As mentioned earlier on the output, i.e. maintenance strategy is in close relationship with bridge inspection. One of the important issues when conducting the bridge inspection is provision of all necessary data to help select a suitable maintenance strategy and accurately determine location of potential structural deficiency. The bridge inspection results should be clear-cut for the sake of simplifying the data assessment [2].

Bridge management is the cornerstone in utilizing the processed inspection data and employing the appropriate rehabilitative measures through exercising a formulated algorithm which is inclusive of financial considerations and a long term bridge maintenance strategy. This issue depends upon specifications of individual bridges along with several other influential factors emphasizing the role of inspection team’s engineering judgment and decision-makers in prioritizing rehabilitation/retrofication projects. Figure 1 shows a schematic of an integrated bridge management system.

Figure1- Schematic of an integrated bridge management system

3.The I- 35W Bridge

Construction of the I- 35W Bridge across Mississippi River in Minnesota commenced in 1964 and cost a total budget of $ 5 269 002. The bridge’s steel truss consisted of 3 parts; deck, superstructure, and substructure. The bridge was opened to traffic in 1967 with three lanes in each direction. In 1988, another lane was added to the bridge in each direction to accommodate the increased traffic due to road network development on the two sides of the bridge. For this reason a longitudinal joint formed in the deck in each direction parallel to the movement of traffic [6].

The 14-span bridge was 581m in length and 34m in width. The south approach spans (Spans #1-#5) were steel multi-beam. The main spans (Spans #6-# Cool

consisted of a steel deck truss. The north approach spans included steel multi-beam (Spans #9-#11) and concrete slab span (Spans #12-#14). The bridge’s deck with an approximate surface area of 19754 m2 comprised 8 lanes (4 lanes in each direction) and the deck’s low chord was about 19.6m high from the water stage level of the Mississippi River [4]. According to the statistics published by Minnesota Department of Transportation, on average, 141000 vehicles a day passed over the bridge.

Traffic loads were transferred to two steel trusses along the direction of passage of traffic. These two symmetrical trusses were 81m long in the spans 6 and 8. One of the unique aspects of the I- 35W Bridge was the application of 140m long steel arches in the 7th span. The trusses of this span were cast of welded elements and were approximately 18.5m high at the river bank. The two parallel trusses were interconnected through 3.7m high lateral trusses together with 85cm long vertical steel stringers of the superstructure. These parallel vertical stringers transferred the deck load as well as the traffic loads to the trusses of north and south approach spans [4, 5]. This structural system was employed to maintain the functionality of Mississippi as a major waterway for transporting goods [6].

The whole length of I- 35W Bridge collapsed into the Mississippi river at 6:05pm, Aug. 1, 2007. At the time of collapse the superstructure’s asphalt maintenance was undergoing and two bridge lanes were closed to traffic. Complete rehabilitation of the bridge was planned to take place in 2020-2025. Southern part of the bridge behaved differently during the collapse. This part shifted some 15m eastward while other parts collapsed in place [3].

4. The bridge’s inspection record

In 2001, after emergence of signs of fatigue mainly due to unanticipated out-of-plane distortion of girders, research on fatigue cracking was performed by the Minnesota State University. Concerns regarding fatigue in the main truss system made the experts study all cracks of the structural system. The calculated stress ranges for many structural components namely longitudinal welded stiffeners and welded attachments at the interior of tension members exceeded the allowable stress ranges given in the AASHTO while results of computer simulation of the bridge’s structural behavior did not indicate fatigue cracking of the truss system [4].

Surprisingly, the fact that the calculated stress ranges were in excess of the AASHTO’s allowable limits was simply neglected based on the grounds that the stress ranges stipulated in the AASHTO might rarely occur during the structure’s service life. Also, the actual stress ranges measured by strain gages were far less than the AASHTO’s live load fatigue threshold suggesting that the reliability of the conducted measurements can be questionable. Additionally, in the time of collapse the bridge was under an exceptional load combination owing to bumper to bumper traffic passing over the bridge only through two lanes in each direction due to the undergoing asphalt maintenance project.

It is worthwhile to know that the mentioned fatigue cracking study of the bridge was carried out based on traffic loads from an Average Daily Traffic (ADT) of 15000 vehicles. The reports recommended that the I- 35W Bridge should have been inspected for fatigue cracking at the intervals of 6 months.

In 2006, the bridge was fully inspected once more. The Minnesota Department of Transportation signed a contract with U.R.S to perform a comprehensive fatigue analysis of the bridge. The fatigue analysis suggested that reinforcing steel plates should have been applied to 52 truss elements that were deemed vulnerable against fatigue. Furthermore, the reports recommended regular visual inspection of the weld details and elimination of potential deficiencies. The results of this study revealed many fatigue cracks at the approach spans. Similarly, in other parts of the bridge many cracks and structural deficiencies were identified among which were defective welding of structural elements and reducing of the surface of internal trusses due to corrosion [5].

According to the U.S. Secretary of Transportation the I- 35W Bridge scored of 50 out of a possible 120 indicating that the structure was worn out and needed rehabilitation. Nevertheless, such a disaster was never predicted. The low score of the I- 35W Bridge can be attributed to: a) the corrosion occurring at the surfaces where coating of the structural components was poor; b) defective welding of structural elements of the truss system; c) immobility of the bearings as originally designed; and d) the need for maintaining and rehabilitating the bridge for fatigue cracking of the floor’s lateral trusses and approach spans.

After this catastrophe the officials decided to immediately revise the regulations regarding structural safely of bridges to put more stringent regulations in effect if needed.

5.Bridge inspection in the U.S.

There are 600 000 registered bridges in the U.S. According to the American bridge inspection standards which have been in effect since early 70’s all bridges over 6m long on a public road should be inspected at least once every 2 years. For bridges with a lower risk of engineering problems the inspections may take place less frequently, e.g. once every four years. The bridges structural safety is ensured through detailed inspecting and rating of superstructure, deck, and substructure of the bridges. Nearly 12% of the American bridges are inspected on a yearly basis, 83% biennially, and 5% once every four years [3]. After the collapse of I- 35W Bridge Departments of Transportation in other states were assigned to immediately inspect bridges of similar structural type as the I- 35W Bridge to prevent disasters of the same nature.

After inspections structural deficiencies are identified. A structural deficiency would mean that some particular structural members need to be inspected, monitored, and/or repaired [6]. Most bridges remain open to traffic while rehabilitation/retrofication measures are undertaken. It is not until inspectors highly suspect the bridge’s structural vulnerability that it is completely closed down.

According to recent reports by the Minnesota Department of Transportation, in this state, on average$ 2 300 000 was spent on bridge inspection during 2004-2006. Today, construction of a bridge like the I- 35W would approximately cost $ 20 billion. The statistics published by the American society of civil engineers show that rehabilitation/refrofication of all bridges that are considered structurally deficient would cost more than $188 billion ($9.4 billion a year for 20 years). About $8.3 billion of this sum would be spent on structural maintenance of corroded concrete and steel components. َThese figures indicate that worthy information on the structural vulnerability of bridges may be obtained using reasonable amount of financial resources. Then, through prioritizing the rehabilitation/refrofication projects of the structurally deficient bridges can be scheduled in a practical fashion.

6. Lessons learned; rehabilitation/retrofication of Iranian bridges

Based on the experience acquired from the I-35W bridge collapse as an example representing the American highway bridges, awareness must be raised to help prevent similar anthropogenic disasters. According to recent official statistics on the Iranian bridges published by the Ministry of Roads and Transportation, there are about

300 000 bridge spans in Iran totaling a length of 1500km. Evidently, no regular inspection is taking place for the Iranian bridges, e.g. urban bridge, highway bridges, and railroad bridges, except for some especial cases in which there are obvious indications of corrosion and/or structural deficiency. Yet, up to the time of authoring this paper, exercising of requirements of publication 367 (Technical Specifications of Bridges) published by the President’s Deputy of Planning and Strategic Supervision in 2007, has been mandated only by Technical Deputy of Tehran Municipality. Additionally, according to the publication 367, bridge data in the design phase are merely limited to technical specifications. Individual bridge data are complimented during periodic inspections of bridges after completion of their construction. As a matter of fact, it appears as if no objective bridge management strategy has been recommended in the publication since no particular article or clause is stipulated to enforce the inspections. Figure 2 presents the results of the bridges statistical analysis on the distribution of the Iranian bridges performed by the Ministry of Roads and Transportation, Deputy of Education, Research, and Technology.

Figure 2- Quantitative distribution of the Iranian bridges

(Number of provincial bridges/ Total number of Iranian bridges)

Three bridges of Kalak, Aulidar, and Richkan are quantitatively studied in this paper to improve understanding of the Iranian bridges’ condition. Kalak Bridge is located in Tehran province with highest bridge concentration and greatest inspection/maintenance rating while the other two are located in Sistan and Balouchestan with lowest bridge concentration and inspection/maintenance rating in the country.

Kalak Bridge, with a total surface area of 7200 m2 and a length of 697m is one of the most important overpass highway intersections of Iran located on Tehran- Karaj expressway. Corrosion of concrete and steel components by chloride ion due to weak surface water collection and drainage system is the main factor responsible for the ongoing destruction of the bridge[7].

Richkan and Aulidar Bridges located on Khash- Iranshahr main route are 70m and 150m long, respectively. These bridges were constructed during 1973 to 1975. Constructional shortcomings coupled with pier scour is the key factor for the bridges’ structural deficiency[8].

Some indicators of structural deficiency along with total maintenance as well as maintenance cost per unit length of the bridges are given in table 1. Naturally, if the bridges had undergone regular periodic rehabilitation, inspection, and intermittent maintenance the large maintenance costs would have been avoided.

These bridges are notable, in that, in all cases the owner requested for retrieval of the bridge condition to the initial state and practically none of them were seismically retrofitted. This rehabilitation method was employed to simply eliminate the payment for seismic retrofication design and thus minimize the cost.

The table also contains an estimation of approximate reconstruction cost of the bridges with the same technical specifications. Interestingly, the figures suggest the rehabilitation costs in these example cases which has induced great concern among decision makers about usability of the bridges are only 12-19% of total construction cost for new bridges. This fact well indicates overreaction of urban/rural bridge management officials.

[7, 8] Table1- Comparison between rehabilitation cost and reconstruction cost of example

bridges

7. Conclusions

· The collapse of the I-35W Bridge, which was inspected several times before the event, proves the need for employing an Integrated Bridge Management System that is inclusive of mandatory maintenance strategies.

· Considering the momentous role of bridges in lifelines practicing preventive maintenance strategies is preferable and the use of “What-If” scenarios recommended.

· To compliment the Publication 367 (Technical Specification of Bridges) release of follow-up circulars embodying maintenance strategies and Integrated Bridge Management System are deemed necessary.

· Understanding of the necessity of seismic retrofication of bridges simultaneous with other rehabilitative measures by owners and stakeholders is highly important.

· According to our research and the example bridge rehabilitation projects presented in the paper, Rls 18000 billion is needed to maintain and rehabilitate the 300 000 bridge spans of Iran, more than 50% of which are over 25 years old, during a time interval of 25 years. This preliminary estimate suggests that responsible bodies should allocate a budget of Rls 720 billion for bridge inspection and practice of preventive measures.

References

1. Alerasoul, S., Shariat, S., 2006, Evaluation of methods for earthquake loss reduction; case study of Tehran lifelines, Proceedings of the second conference on Integrated Emergency and Natural Disaster Management.

2. Modiriat-e-Pol (Bridge Management), 2006, Iranian Ministry of Roads and Transportation, Deputy of Education, Research, and Technology, Transportation Research Institute ( in Persian).

3. National Bridge inventory, 2007, U.S. Federal Highway Administration, Office of Technology.

4. O’Connell, H., M., Dexter, R., J., Bergson, B., 2001, Fatigue evaluation of deck truss of I-35W Bridge, Minnesota Department of Transportation.

5. Fuhrman, K., Desens, K., Desens, V., 2006, Minnesota Department of Transportation bridge inspection report, Metro technical document.

6. Bridge database of Minnesota Department of Transportation; web address: www.dot.state.mn.us/i35wbridge/index.html

7. Alerasoul, S., Safdel, M., R., 2007, Report on Kalak Bridge retrofication design, Rahab Consulting Engineers.

8. Alerasoul, S., Safdel, M., R., 2006, Report on Richkan and Aulidar Bridges retrofication design, Rahbord Consulting Engineers.

مقايسه بارهاي بهره برداري پيشنهادي براي پل‌هاي قطار سريع السير
ارايه شده در سومين کنگره ملی مهندسی عمران- اردیبهشت ماه1386- تبريز
صفحه اصلی: http://payamomran.blogfa.com/post-5.aspx

سهيل آل‌رسول – کارشناس ارشد سازه و مدرس دانشگاه آزاد اسلامی واحد اسلامشهر

چکيده:

با پيشرفت روزافزون صنعت و اقتصاد ، زمان به عنوان يكي از با ارزش ترين سرمايه هاي بشري شناخته مي شود . پس از تجربه موفق اولين خط قطار سريع السير به نام شين كانسن( Shinkansen) در سال 1964 ، اين صنعت نو روز به روز بيشتر مورد توجه قرار مي‌گيرد. با توجه به توانايي بالا و ايمني فوق العاده اين صنعت در جابجايي مسافر بي‌گمان در آينده نزديك استفاده از آن در ايران نيز توجيه اقتصادي و استراتژيك خواهد يافت .

در جهت بومي سازي صنايع وابسته به قطار سريع السير بايد درتمام زمينه ها تلاش نمود . در اين ميان طراحي پل هاي اين قطار‌ها از جايگاه ويژه اي برخوردار است . سرعت بالاتر از 200км/h مشخصات و نيروهاي ديناميكي متفاوت همچنين نيروهاي شتاب و ترمز كه برای تامين مسافت معين توقف لازم است ، از تمايزهاي اصلي بارهاي اين ناوگان با قطارهاي معمولي مي‌باشد .

از آنجا که در حال حاضر دستورالعمل داخلي مشخصي براي تعيين بارهاي طراحي اين نوع قطار وجود ندارد ، بررسي بارهاي بهره برداري پيشنهادي موجود در آيين نامه هاي معتبر براي پل ها با سيستم هاي سازه اي متداول مورد توجه اين مقاله بوده است به نحوي كه در نهايت انتخاب مناسبي از بارهاي قائم و افقي بهره برداري با توجه به نوع قطار و سيستم سازه از نظر ايمني و اقتصادي پيشنهاد گردد .

كلمات کليدي : پل ، قطار سريع السير ، بارهاي طراحي ، نيروهاي ديناميكي

1- مقدمه

در جهت توسعه منابع و پيشرفت صنايع، زمان به عنوان پايه سرمايه در جهان جايگاه واقعي خود را به دست مي‌آورد و صنعت حمل و نقل ابزار اين پايه سرمايه است. در صنعت حمل و نقل نيز خطوط ريلي به عنوان اقتصادي‌ترين و ايمن‌ترين وسيله همواره جايگاه ويژه‌اي داشته است که با توجه به نياز جهاني در حمل و نقل سريع مسافر، قطارهاي سريع‌السير هر روزه گسترش بيشتري مي‌يابند.

پل‌ها نيز به عنوان يکي از مهم‌ترين شريان‌هاي حياتي کشور داراي اهميت بالاي طراحي سازه‌اي مي‌باشند. تفاوت‌هاي متعدد وسيله عبوري از روي اين پل‌ها در خطوط سريع‌السير همچون وزن قطار، سرعت قطار، فرکانس حرکت، شرايط سرويس و اندرکنش طولي روسازي باعث اختلاف در نحوه بارگذاري و طراحي اين پل‌ها مي‌شود.

در جهت توسعه ارتباطات ريلي و حمل و نقل مسافر با توجه به اهميت راهبردي خطوط سريع‌السير بايد دستور‌العمل‌ها و ضوابط بومي شده در مورد کليه جزئيات مرتبط تهيه و تدوين گردد تا در اين زمينه، پيش نيازهاي لازم و مقدمات طرح فراهم باشد. بارهاي طراحي پل هاي مذکور از جمله اين جزئيات است که بايد توجه ويژه‌اي بدان مبذول داشت. در بارهاي طراحي جدا از بارهاي باد، زلزله و ماندگار، بارهاي بهره‌برداري به جهت نوع جديد و سرعت خاص قطارها از اهميت ويژه‌اي برخوردار است که در ادامه به آن پرداخته مي‌شود.

2- تاريخچه قطار سريع السير

اصولاً به خطوطي که سرعت مجاز سير ناوگان بر روي آن افزون بر 200 کيلومتر بر ساعت باشد خطوط سريع‌السير اطلاق مي شود گرچه در حال حاضر اين سرعت سير هر روزه در حال افزايش مي‌باشد. عمر خطوط سريع‌السير اکنون از مرز 42 سال مي‌گذرد. هر چند از افتتاح اولين خط در سال 1964 به نام شين کانسن (Shinkansen) تا فراگير شدن آن در سال 1981 با عنوان TGV در فرانسه مدت نسبتاً طولاني طي شد ليکن در حال حاضر توسعه اين خطوط با سرعت جالب توجهي ادامه دارد. تنها در اروپا تا سال 2005 در مجموع 8996 کيلومتر از اين خطوط مورد بهره‌برداري قرارگرفته است.

با اين که ژاپن به عنوان پيشرو اين صنعت با رکورد 1400 ميليارد (نفر- کيلومتر)‌ جابجايي مسافر تا سال 1996 رکورد دار عملکرد قطارهاي سريع‌السير بوده است، وجود 600 دستگاه قطار با سرعت بيشتر از 250 کيلومتر در ساعت و افزون بر 470 دستگاه قطار تيلتينگ با سرعتي مابين 160 تا 250 کيلومتر در ساعت در اروپا نشان از عزم جدي اين کشورهاي صنعتي در توسعه خطوط سريع‌السير خود دارد.

3- ويژگي‌هاي خاص بارگذاري پل‌هاي خطوط سريع‌السير

هر چند از جنبه‌هاي مختلفي چون طرح هندسي، لوکوموتيو، روسازه و ابنيه فني خطوط سريع‌السير با خطوط عادي متمايز است ليکن در آن چه بيشتر مد نظر ماست،تفاوت در اين نوع پل هااست.

اگر چه قطارهاي سريع‌السير به جهت ماهيت مسافربري لزوماً سنگين‌تر از قطارهاي عادي نبوده عموماً سبک‌تر هم مي‌باشند، ليکن سرعت بيشتر و سبک تر شدن پل‌ها از يک سو و تعدد بارهاي تکرار شونده در بازه زماني ثابت از سوي ديگر منجر به پيچيده تر شدن طراحي پل‌ها مي‌شود.

هنگامي که نيروي وارد بر محورها به صورت تکرار شونده در بازه‌هاي زماني منظم اعمال مي شود، ممکن است فرکانس هاي نيروي چرخ وارده و پل برابر شوند و تشديد ارتعاش را در پل به وجود آورند. همچنين تفاوت سختي دال هاي عرشه به جهت بارهاي متفاوت و شرايط تکيه گاهي جديد لزوم مطالعات خاص در خصوص بارهاي زلزله را پديد مي آورد.

اما به صورت خاص بارهاي بهره برداري از بيشترين تغيير کمي و کيفي را برخوردار می شوند. شرايط سرويس، اندرکنش طولي روسازي و سازه‌هاي حاشيه خطوط، تحت تأثير افزايش سرعت تغييرات قابل ملاحظه‌اي را تجربه مي کنند.

4- مدل‌هاي بارگذاري براي پل‌هاي قطار سريع‌السير

اصولاً سه نوع عمده بارگذاري براي پل هاي خطوط سريع‌السير مطرح مي‌باشد. نوع اول تنها دربرگيرنده ترافيک ريلي سريع مي‌باشد و در نوع دوم ترافيک ريلي سريع و ترافيک ريلي معمولي مسافري از خطوط طرح انتظار مي‌رود. از آنجا که کاربري اصلي خطوط سريع السير نيز مسافري است مي‌توان پيش بيني کرد پوشش معيارهاي هندسي و بهره‌برداري دو نوع کاربري فوق بهينه و توجيه‌پذير باشد که درخصوص مدل‌هاي بارگذاري نيز در اين مقاله مقايسه مي‌شوند.

اما نوع سوم خطوط سريع با ترافيک مرکب شامل ترافيک ريلي سريع، ترافيک ريلي مسافري و ترافيک باري است. هر چند اين نوع ترافيک مرکب در حال حاضر در آلمان و ايتاليا مورد کاربرد است و طرح توسعه در اسپانيا، فرانسه و انگليس را نيز شامل مي شود، ليکن ترکيب بارهاي ترافيکي سنگين باري با سرعت‌هاي 300 کيلومتر بر ساعت و بالاتر ايجاد مشکلات هندسي و ظرفيتي مي‌کند بنابراين موضوع اصلی مد نظر اين مقاله نيست زيرا در طرح جديد خطوط سريع‌السير هر چند سرعت‌هاي کمتر از 300 کيلومتر برساعت در طرح اوليه مدنظر باشد براي توسعه حتماً سرعت‌هاي بالاتر نيز مدنظر قرار خواهد گرفت.

بار سرويس اصلي برابر استاندارد (Part 2: Traffic load on bridges) جهت پل‌هاي بزرگ (دهانه‌هاي بلندتر از 20 متر) از نوع HSLM-A انتخاب مي‌شود. اين بار که در شکل 1 مدل آن مشاهده مي‌شود از 10 حالت برخوردار است که در جدول 1 قابل مشاهده است. کليه اين حالت ها بايد به صورت همزمان در تحليل به کار بسته مي شوند.

شکل 1: مدل بارگذاري HSLM-A

جدول1:حالات بارگذاري HSLM-A

در خصوص بارهاي معمولي مسافري استاندارد يورو دو تيپ بار L71 و Sw/0 را معرفي مي نمايد که L71با بار متعارف استاندارد UIC تيپ B قديم و نشريه 139( آيين نامه بارگذاري پل هاي راه آهن ايران) منطبق است. بنابراين در مورد ترافيک نوع دوم اثر همزماني دو نوع بار در تحليل منظور مي شود که خود شرايط مقايسه بار قطار عادي و سريع السير را فراهم مي آورد.

شکل 2 : مدل باز L71

شکل 3 : مدل باز Sw/0

که مقادير پارامترهاي شکل فوق به شرح جدول 2 مي باشد.

جدول 2: پارامترهاي مدل بار Sw/0

افزون بر اين بارها بار UIC جديد را نيز بايد افزود که در شکل 5 مشاهده مي شود. در مجموع جهت بارگذاري بهره برداري قطار مسافري سريع السير 3 تيپ بارگذاري استاتيکي متحرک و يک بارگذاري ديناميکي تعريف شد که خود در مجموع شامل 10 حالت متفاوت است.

شکل 4: مدل بار UIC جديد

5- معرفي مدل هاي مقايسه اي

جهت مقايسه انواع بارهاي بهره برداري با شاخص هايي چون عکس العمل هاي تکيه گاهي و نيز حداکثر خيز شاهتير ها مدل هايي معرفي مي شوند. هر چند جهت مقايسه کامل بارهاي بهره برداري پارامترهايي چون احتمال رزونانس و اندرکنش روسازه با پل نيز کاملاً تعيين کننده است ليکن در اين فرصت مقايسه بارهاي استاتيکي متداول و بار ديناميکي توصيه شده در آيين نامه اروپا مدنظر مي باشد.

مدل هاي مورد کاربرد شامل 4 مدل مطابق جدول 3 است که سه مدل از تيپ تير ساده با دهانه 20، 30 و 60 متری انتخاب شده است. نکته مهم در انتخاب تيرهاي ساده آن است که در مدل سازي انواع مختلف تابليه از جمله تيرهاي I شکل بتني و فولادي، تيرهاي T‌ شکل، تيرهاي پيش ساخته پيش تنيده، باکس هاي فولادي و شاهتيرهاي خرپايي که متداول ترين انواع آن در طرح پل هاي بزرگ تا دهانه 60 متر مي باشند، مورد کاربرد است.

از سوي ديگر در مواردي که محدوديت استقرار پايه به جهت ارتفاع و يا ملاحظات هندسي وجود نداشته باشد دهانه هاي 20 تا 30 متر گزينه هاي کاملاً متداولي خواهند بود. مدل قوسی فولادي نيز به عنوان مدل چهارم با طول دهانه 64 متر از نوع مطالعه موردي انتخاب و به جمع مدل ها افزوده شده است.

به اين شرح چنين بايد افزود که شناخت نسبت بارهاي قديم و جديد بهره برداري براي عبور قطارهاي سريع السير باعث خواهد شد تا در طرح پل هاي مذکور دانش کافي و سطح مورد قبول استفاده از اندوخته هاي آيين نامه ها و کتب مختلف پل هاي عادي پديد آيد و در عين حال در صورت طرح بهسازي يک خط عادي جهت تبديل به خط سريع السير، کفايت پل هاي موجود نيز در حيطه بارهاي بهره برداري مشخص گردد. پر واضح است که در صورت دستيابي به نتايج متفاوت دال بر سنگين تر بودن بارهاي عادي با تفاوت حاصله مي توان در خصوص کفايت خطوط سريع السير جهت کاربرد قطارهاي عادي نظر داد.

جدول 3 : مشخصات مدل ها

شکل 5: مدل Sim 20

شکل 6: مدل Sim 30

شکل 7: مدل Sim 60

شکل 8: مدل Arc 64

اين روند مقايسه اي در خصوص بارهاي استاتيکي و ديناميکي پس از هم پايه سازي نتايج با ضريب ديناميکي مطابق شکل 10 قطعي مي شود.

شکل 9: الگوي مقايسه بارهاي بهره برداري

6- مقايسه نتايج مدل ها

مدل سازي 4 پل مذکور توسط نرم افزار SAP2000 از ويرايش 9.0.3 صورت پذيرفته و المان هاي شاهتير از نوع FRAME انتخاب شده است بارهاي استاتيکي و ديناميکي معرفي شده دربند 4 نيز با تعريف خطوط تأثير از منو Bridge Loads / Lanes و معرفي اختصاصي بار اعمال شده اند و جهت پاسخ هاي مورد انتظار از متد محاسبه دقيق استفاده شده است.

شکل 10: مقايسه حداکثر واکنش قائم تکيه گاهي

شکل 11: مقايسه حداکثر خيز در دهانه ها

7- نتيجه گيري

بی ترديد بررسی و نتيجه گيری در خصوص عملکرد بار قطارهای بسيار سريع نيازمند مطالعات گسترده تری می باشد ليکن بر مبنای نتايج حاصل از اين مقاله می توان ارزيابی کرد که بارهای ده گانه قطارهای سريع السير در HSLM-A به نسبت بارهای متعارف در استاندارد های بارگذاری قطار های معمولی خصوصا بار sw/0 سبک تر است ليکن با توجه به رشد اثرات ضربه و ضريب ديناميکی تحت تاثير دو عامل دهانه و سرعت در نمونه ها با دهانه های بزرگ اثر اين بار بيشتر از بارگذاری جديد UIC و حتی بار L71 (معادل بارگذاری استاندارد پل های راه آهن ايران) می شود.

ضريب ديناميکی در سرعت های بالاتر مطابق روابط رشد بيشتری يافته به عنوان نمونه در دهانه 20 متری با سرعت سير km/h 300 به 6/1 می رسد.بنابر نتايج حاصله و اصلاح بارگذاری پل ها برای قطار معمولی در آيين نامه UIC به نظر می رسد بارهای متداول L71 و نشريه 139 برای دهانه های 20 تا 60 متر سنگين تر از بار قطار واقعی باشد.

در خصوص تغيير شکل های مجاز هرچند در سرعت های بالا شاخص اطمينان و راحتی مسافران اهميت دوچندانی می يابد ليکن ميزان خيز حداکثر برابر اين مطالعه بيشتر تحت تاثير وزن قائم بارگذاری می باشد تا سرعت سير و به عبارت ديگر سرعت سير بالا در تغيير شکل های افقی شامل تغيير شکل های عرشه و زير سازه های پل موثر است.

8- مراجع

1. Ds804 “Eisenbahnbrucken und sonstige Ingenieurbauwerke”

German Regulation for High Speed Railway Bridge.

2. UIC CODE: 799OR-Characteristics of a.c overhead contact

Systems for high speed lines worked at speeds of over 200Km/h.

3. The European Standard EN1991-2, Euro code 1: Actions on Structures,

Part 2: Traffic loads on bridges.

4. AISC; Manual of Steel Construction; Load and Resistance, 2nd Edition, American Institute of Steel Construction, Cods for Design of Bridges; AASHTO.

5. UIC CODE: 776-1- Loading and Deflections of Bridges.

6. نشريه 139 : آيين نامه بارگذاري پل هاي ايران ، (تجديدنظر اول) ، سازمان مديريت و برنامه ريزي کشور.

7.نوروزی،الف.،صاحب الزمانی،پ.،" بررسی تاثير سرعت در طراحی پل های راه آهن"، پنجمين همايش حمل و نقل ريلی.

8. Kwark, J.W. et al., "Dynamic behavior of two-span continuous concrete bridges under moving high-speed train", J. Computers and structures, 82(2004), 463-474.

در صورت تمایل به دریافت نسخه کامل مقاله (همراه با اشکال و نمودارها) به email زیر پيغام ارسال کنيد.
soheil_ale@yahoo.com

آشنایی با پلهای کابلی و روشهای اجرا
منبع: وبلاگ ایمنی و نظارت کارگاه
http://construction.blogfa.com/
در فایل pdf زیر می توانید با پلهای کابلی آشنا و روشهای اجرای آن را نیز یاد بگیرید. در انتها نیز یک امتحان با چند سوال وجود دارد که می توانید درک مطلب خود را ارزیابی کنید

دانلود فایل pdf با حجم ۲.۳ مگابایت
http://www.mediafire.com/?vjpaxamlvog
صفحه اصلی: http://construction.blogfa.com/post-209.aspx