پل چیست؟

پل به عنوان یک ساختار اتصال دهنده، دو قسمت جدا از هم را به یکدیگر پیوند می‌زند و یک شگفتی ساختاری محسوب می‌شود زیرا می‌تواند عبور از هر مانعی را میسر کند. از همان ابتدا، مهندسان در تلاش بودند تا بر طبیعت پیروز شوند و در نتیجه، آنها پل را اختراع کردند. پل‌ها دارای اجزای مختلفی هستند که بسته به ویژگی‌های موجود در طبیعت، مواد در دسترس و سبک طراحی به انواع گوناگونی تقسیم می‌شوند.

تعریف پل

پل (Bridge) سازه‌ای است که بر روی برخی موانع فیزیکی مانند آب، دره یا جاده ساخته می‌شود و هدف از ایجاد آن عبور از موانع مختلف است. این ساختار باید به اندازه کافی قوی باشد تا بتواند وزن خود و همچنین وزن هر چیزی که باید از روی آن عبور کند را تحمل کند. پل‌ها می‌توانند بسته به عملکرد مورد نظر، نوع زمین، مصالح مورد استفاده و مقدار بودجه، به طور متفاوتی ساخته شوند.

اولین پل‌ها به خودی خود در طبیعت ظاهر شدند. یک چوب‌ می‌تواند بر روی یک رودخانه بیفتد و یک پل طبیعی ایجاد کند یا سنگ‌ها از یک صخره به داخل رودخانه ریزش کنند و یک پل را ایجاد کنند. انسان‌ها در ابتدا پل‌ها را به شکل ساده از چوب‌های طبیعی یا تخته‌های چوبی، سنگ‌ها و گاهی با استفاده از الیاف طبیعی بافته شده برای نگه داشتن مصالح می ساختند.

در بیشتر شهرها و کشورهای جهان، پل های کوچک و بزرگ بسیاری وجود دارند که بخشی از هویت معماری و گردشگری آن منطقه را تشکیل می‌دهند. از پل‌های معروف ایران می‌توان به پل خواجو، سی و سه پل، پل ورسک و از پل‌های مشهور جهان می‌توان به پل گلدن گیت، پل بندرگاه سیدنی، پل بروکلین و غیره اشاره کرد.

تاریخچه

یکی از قدیمی‌ترین پل‌های قوسی جهان، «پل آرکادیکو» در پلوپونز یونان است که قدمت آن به قرن 13 قبل از میلاد برمی‌گردد. رومیان باستان بزرگ‌ترین پل سازان دوران باستان بودند. رومیان پل‌های قوسی و قناتی ساختند که برخی از آنها هنوز هم پابرجا هستند. آنها همچنین از خمیر سیمانی برای ساخت پل استفاده کردند که شامل آب، آهک، ماسه و سنگ آتشفشانی بود. برخی از زیباترین پل‌های دوران باستان بر روی دره‌ها و برخی دیگر بر روی رودخانه‌ها ساخته شدند.

سرخپوستان همچنین پل‌هایی از زنجیر چوبی بامبو و آهن ساخته بودند. قدیمی‌ترین پل سنگی برجای مانده در چین، پل خلیج جیاوزهو است. این بنا از سال 595 تا 605 میلادی در زمان سلسله سوئی ساخته شده است و همچنین قدیمی‌ترین پل سنگی قوس‌دار جهان است.

تمدن اینکاها در قرن شانزدهم از پل‌های طناب‌دار، نوعی ساده از پل معلق استفاده‌ می‌کرد. ‌هانس اولریش، یوهانس گروبنمن و دیگران در قرن 18 ساخت پل را بهبود بخشیدند. در همان زمان هوبرت گوتیه کتابی در زمینه مهندسی پل نوشت. پل آهنی ساخته شده در کولبروکدیل در انگلستان در سال 1779، یکی از شگفتی‌های مهندسی آن زمان بود زیرا در آن برای اولین بار از چدن استفاده شد. انقلاب صنعتی در قرن نوزدهم سیستم‌های خرپایی از آهن فرفورژه (آلیاژ آهن با کربن بسیار کم) را به ایجاد کرد اما از مقاومت کششی برای حمل بارهای بزرگ برخوردار نبود.

کم کم صنعت پل سازی وابسته فولاد شد. به این ترتیب، مصالحی با استحکام کششی بالاتر جایگزین آهن‌ شدند تا امکان ساخت پل‌های بزرگ‌تر را فراهم کنند. گوستاو ایفل با ایده‌های تازه خود، یکی از اولین کسانی بود که از فولاد استفاده کرد. اولین پل جاده‌ای جوش داده شده در جهان، توسط پیشگام جوشکاری «استفان برینا» در سال 1927 ساخته شد. با انقلاب صنعتی انواع مختلفی از پل‌ها ظاهر شدند که این صنعت را به تکامل نهایی خود نزدیک کردند.

قسمت‌های اصلی پل

• عرشه: عرشه بخش اساسی هر پل برای عبور وسائل نقلیه، کالاها، مردم و سایر موارد از یک طرف به طرفی دیگر است.
• تکیه گاه: پشتیبانی ارائه شده در دو انتهای پل به عنوان تکیه گاه شناخته‌ می‌شود.
• فونداسیون: فونداسیون جزء اساسی هر پل است. فونداسیون بستگی به لایه خاک دارد. برای یافتن لایه خاک سخت که باعث پایداری ساختار می‌شود، فونداسیون معمولاً تا حدی به لایه خاک سخت گسترش‌ می‌یابد.
• ستون: ستون عضو فشاری است که ساختار را پایدار‌ و ایستا نگه می‌دارد. ستون‌ها دو عملکرد اصلی را انجام‌ می‌دهند، یکی اینکه بارهای عمودی را به فونداسیون منتقل می‌کنند، دیگری اینکه در برابر نیروهای افقی (فشار آب و زلزله) وارد بر پل‌ها مقاومت می‌کنند.
• شاهتیر: شاهتیرها اعضای افقی هستند که در زیر عرشه به کار می‌روند تا باز را به ستون‌ها منتقل کنند. شاهتیرها می‌توانند فلزی یا بتنی باشند.
• مسیر عبور قطار: به طور معمول تردد جاده‌ای از پل مربوط به وسیله نقلیه موتوری است اما اگر قطار نیاز به عبور از پل داشته باشد، باید مسیر عبور مخصوص پل را درست کرد.

انواع پل‌ها

پل‌ها بر اساس نحوه توزیع بار اعم از کششی، فشاری، خمشی، پیچشی و برشی در انواع ساختارها  طبقه بندی‌ می‌شوند و اکثر آن ها براساس همه این بارها طراحی می‌شوند. در هر صورت، پل‌ها به انواع زیر تقسیم می‌شوند:

پل با تیر نورد شده (Beam bridge)

تیرهای افقی در هر انتهای آنها توسط واحدهای زیرسازی پشتیبانی‌ می‌شوند و‌ می‌توانند در یک دهانه واحد یا دو یا چند دهانه به یکدیگر متصل‌ شوند. هنگامی که دهانه‌های متعددی وجود دارند، از تکیه گاه‌های میانی استفاده می‌شود. اولین پل با تیر نورد شده، چوب‌های ساده‌ای بودند که روی نهرها و ساختارهای ساده مشابه قرار می‌گرفتند. در دوران مدرن، پل‌هایی با تیر نورد شده‌ می‌توانند از تیرهای چوبی کوچک تا تیرهای بزرگ و فولادی متغیر باشند.

نیروی عمودی بر روی پل به یک بار برشی و خمشی بر روی تیر تبدیل‌ می‌شود که از طول آن به زیر سازه‌های دو طرف منتقل خواهد شد. آ‌ن ها معمولاً از فولاد، بتن یا چوب ساخته‌ می‌شوند. پل با تیر نورد شده معمولاً از فولاد و بتن ساخته‌ می‌شود. دهانه پل با تیر نورد شده به ندرت از 76 متر بیشتر می‌شود زیرا تنش‌های خمشی متناسب با طول افزایش‌ می‌یابند.

طولانی‌ترین پل با تیر نورد شده جهان، پل میان‌ گذر دریاچهٔ پونچاترین در جنوب لوئیزیانا در ایالات متحده است که در 38.35 کیلومتر با دهانه‌های 17 متر قرار دارد. به طور کلی، پل‌های با تیر نورد شده، ساده‌ترین و قدیمی‌ترین نوع پل‌هایی هستند که امروزه مورد استفاده قرار‌ می‌گیرند.

پل خرپایی (Truss bridge)

پل خرپایی پلی است که تحت ساختار یک خرپا ساخته می‌شود. این پل دارای عناصر مستقیم است که واحدهای مثلثی را تشکیل‌ می‌دهند. عناصر متصل ممکن است در اثر بارهای دینامیک، تحت کشش، فشار یا گاهی هر دوی این بارها قرار گیرند. پل‌هایی خرپایی یکی از قدیمی‌ترین انواع پل‌های مدرن هستند. پل‌های خرپایی دارای طرح‌های ساده‌ای هستند که به راحتی توسط مهندسان تجزیه و تحلیل می‌شوند. ساخت پل با تیر مشبک به دلیل استفاده بهینه از مصالح مقرون به صرفه است.

پل طره‌ای (Cantilever bridge)

پل‌های طره‌ای تنها در یک انتها توسط تکیه گاه پشتیبانی‌ می‌شوند. اکثر پل‌های طره‌ای از یک جفت دهانه پیوسته استفاده‌ می‌کنند که از طرفین توسط پایه‌های نگهدارنده گسترش یافته‌اند. پل‌های طره‌ای با استفاده از مواد و تکنیک‌های مشابه پل‌ها با تیر نورد شده ساخته‌ می‌شوند. تفاوت در نوع نیروهای اعمال شده است. برخی از پل‌های طره‌ای نیز دارای تیر کوچک‌تری هستند که دو استوانه را برای اتصال بیشتر به یکدیگر متصل‌ می‌کند. بزرگ‌ترین پل طره‌ای جهان، پل 549 متری کبک در شهر کبک کانادا است.

پل قوسی (Arch bridge)

پل قوسی در هر انتها دارای تکیه گاه است و وزن پل به تکیه گاه‌های دو طرف وارد‌ می‌شود. قدیمی‌ترین پل‌های قوسی توسط یونانیان ساخته شده‌اند. پل سولکان بر روی رودخانه سوشا در سولکان در اسلوونی با طول 220 متر دومین پل سنگی بزرگ جهان و طولانی‌ترین پل قوسی است که در سال 1905 ساخته شد. طاق این پل که از بیش از 5 هزار تن از بلوک‌های سنگی ساخته شده است، تنها احداث آن 18 روز به طول انجامید. بزرگ‌ترین پل قوسی جهان، پل چاووتیانمن بر روی رودخانه یانگ تسه با طول 1741 متر و دهانه 552 متر است. این پل در 29 آوریل 2009 در چونگ چینگ چین افتتاح شد.

پل قوسی مهار شده (Tied arch bridge)

دارای روبنای قوسی شکلی هستند اما با پل‌های قوسی معمولی تفاوت دارند. به جای انتقال وزن پل و بارهای ترافیکی به نیروهای رانشی به تکیه گاه‌ها، انتهای طاق‌ها با کشش در پایین سازه مهار‌ می‌شود. به این پل‌ها، طاق‌های کمانی نیز گفته‌ می‌شود.

پل معلق (Suspension bridge)

پل‌های معلق از کابل‌های معلق ساخته می‌شوند. اولین پل‌های معلق از طناب ساخته شده با قطعات بامبو تشکیل شده بودند. در پل‌های مدرن، کابل‌ها از برج‌هایی آویزان‌ می‌شوند که به کیسون متصل شده‌اند. کیسون‌ها یا حفره‌ها در اعماق بستر دریاچه، رودخانه یا دریا کاشته‌ می‌شوند. همچنین پل‌هایی وجود دارند که گاهی اوقات نیمه معلق نامیده‌ می‌شوند که از بین آنها «پل فری» یک نمونه از این دسته است. طولانی‌ترین پل معلق جهان، پل 3،909 متری آکاشی کای کیو ژاپن است.

پل کابلی (Cable-stayed bridge)

این پل‌ها نیز مانند پل‌های معلق توسط کابل‌ها نگه داشته‌ می‌شوند. با این حال، در یک پل کابلی، کابل کمتری مورد نیاز است و برج‌های نگهدارنده کابل‌ها نسبتاً بالاتر هستند. اولین پل کابلی در سال 1784 توسط فردی به نام  Löscher طراحی شد. طولانی‌ترین پل کابلی با طول 1101 متر، راسکی در ولادیوستوک روسیه است.

انواع پل بر اساس متریال ساخت

تا پایان قرن 18، پل‌ها از چوب، سنگ و سایر مواد ساخته‌ می‌شدند. پل‌های مدرن در حال حاضر از بتن، فولاد، پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP)، فولاد ضد زنگ یا ترکیبی از این مواد ساخته می‌شدند. امروز پل‌ها از مصالح مختلفی طبق جدول زیر ساخته می‌شوند:

تجزیه و تحلیل و طراحی پل‌ها

برخلاف ساختمان‌هایی که طراحی آنها توسط معماران هدایت‌ می‌شود، پل‌ها معمولاً توسط مهندسان سازه طراحی می شوند. پل‌ها ابتدا تجزیه و تحلیل‌ می‌شوند. گشتاور خمشی و توزیع نیروی برشی با توجه به بارهای وارد شده محاسبه خواهند شد. برای این منظور، روش «المان محدود» رایج‌ترین شیوه طراحی است.

تجزیه و تحلیل‌ می‌تواند یک، دو یا سه بعدی باشد. برای اکثر پل‌ها، یک مدل صفحه دو بعدی کافی است یا یک مدل المان محدود می‌تواند کل طراحی را شامل شود. پس از اتمام تجزیه و تحلیل، پل برای مقاومت در برابر گشتاورهای خمشی، نیروهای برشی و اندازه مقاطع با ظرفیت کافی برای مقاومت در برابر تنش‌ها طراحی می‌شود.

بسیاری از پل‌ها از بتن پیش تنیده ساخته‌ می‌شوند که دارای خواص ماندگاری خوبی هستند. در بیشتر کشورها، پل‌ها مانند دیگر سازه‌ها بر اساس اصول طراحی عامل بار و مقاومت (LRFD) طراحی‌ می‌شوند. تأثیر بار محاسبه شده (تنش و گشتاور خمشی) باید کمتر از مقاومت محاسبه شده باشد. بار و مقاومت امکان عدم قطعیت را فراهم‌ می‌کنند و زمانی که عدم قطعیت بیشتر باشد، طراحی دشوار می‌شود.

تعمیر و نگهداری

عمر تخمینی پل‌ها بسته به موقعیت و مصالح بین 25 تا 80 سال متغیر است اما با این حال ممکن است با نگهداری و بازسازی مناسب صد سال عمر کنند. تعمیر و نگهداری پل شامل ترکیبی از نظارت و آزمایش بهداشت ساختاری است. این مهم در استانداردهای ساخت پل در کشورهای مختلف تنظیم شده است که شامل نظارت مستمر هر سه تا شش ماه، یک آزمایش یا بازرسی ساده هر دو تا سه سال و یک بازرسی عمده هر شش تا ده سال است.

در اروپا، هزینه تعمیر و نگهداری بسیار بالاست. در برخی از کشورها، هزینه تعمیر و نگهداری بیشتر از هزینه ساخت پل جدید است. عمر پل‌های فولادی جوش داده شده را‌ می‌توان با نگهداری مناسب به طور قابل توجهی افزایش داد. این کار می‌تواند بسیار فراتر از طول عمر برنامه ریزی شده پل باشد و سود بالقوه را به دنبال داشته باشد.

کلام آخر

وقتی انواع مصالح مورد استفاده، سبک ساخت و نوع موانع طبیعی را در نظر می‌گیرید، متوجه می‌شوید که پل‌ها می‌توانند اشکال مختلفی داشته باشند. در دنیای مهندسی، پل‌ها بسته به مصالح مختلف از جمله آجر، سنگ، فولاد، بتن و غیره ساخته می‌شوند. پل‌ها می توانند تیرهای چوبی ساده بر روی نهرهای کوچک یا سازه‌های معلق فولادی و بتنی عظیم باشند که از کیلومترها آب‌های آزاد و کانال‌های حمل و نقل را به هم وصل می‌کنند. در دنیا پل‌های مشهور زیادی وجود دارند که هر ساله گردشگران بسیاری را به خود می‌خوانند.

منابع:

http://www.historyofbridges.com/facts-about-bridges/types-of-bridges/

https://civiltoday.com/construction/bridge/243-bridge-definition-parts-types