معايير تصميم الجسور

هناك العديد من العوامل لتصميم وهندسة تصميم الجسور الفعالة التي يجب على المهندس مراعاتها عند تصميم الجسور أو طريق سريع جديد. يعتمد التصميم الجيد والفعال للطريق الجسر على معرفة دقيقة بخصائص المواد المستخدمة وتحميلات التصميم ، باستخدام مبادئ هندسية مدروسة جيدًا وبرامج كمبيوتر مطورة وموثوقة. يجب أن تأخذ أيضًا في الاعتبار التفاعل مع الأرض والبيئة.

تعريف الجسر : هيكل يمتد أفقيًا بين الدعامات ، وتتمثل وظيفته في حمل الأحمال الرأسية. الجسر النموذجي بسيط للغاية – اثنان يدعمان رفع الحزمة – لكن المشاكل الهندسية التي يجب التغلب عليها حتى في هذا الشكل البسيط متأصلة في كل جسر: يجب أن تكون الدعامات قوية بما يكفي لعقد الهيكل ، والفترة بين الدعامات يجب أن تكون قوية بما يكفي لتحمل الأحمال. تمدد المسافات بشكل عام قدر الإمكان ؛ تمتد فترات طويلة مبررة حيث تكون الأسس الجيدة محدودة – على سبيل المثال ، على مصبات الأنهار بالمياه العميقة.

تصميم الجسر الذي يخدم المصلحة العامة على أفضل وجه له هدف ثلاثة أضعاف: أن يكون بكفاءة واقتصادية وأنيق قدر الإمكان. الكفاءة هي مبدأ علمي يضع قيمة على تقليل المواد مع زيادة الأداء. الاقتصاد هو مبدأ اجتماعي يضع قيمة في خفض تكاليف البناء والصيانة مع الحفاظ على الكفاءة. أخيرًا ، الأناقة هي مبدأ رمزي أو بصري يضع قيمة على التعبير الشخصي للمصمم دون المساس بالأداء أو الاقتصاد. لا يوجد خلاف كبير حول ما يشكل الكفاءة والاقتصاد ، لكن تعريف الأناقة كان دائمًا مثيرًا للجدل.

يجب على المهندسين التفكير في كيفية جعل الهيكل جميلًا. يعترف هذا المبدأ الأخير بحقيقة أن المهندسين لديهم العديد من الخيارات الممكنة ذات الكفاءة والاقتصاد على قدم المساواة تقريبًا ، وبالتالي يمكنهم التعبير عن أفكارهم الجمالية الخاصة بهم دون إضافة مواد أو تكاليف كبيرة

بشكل عام ، يمكن تقسيم الجسور إلى فئتين: جسور الجسور القياسية أو الجسور ذات التصميم الفريد على الأنهار أو المطاردة أو مصبات الأنهار.

 عناصر تصميم الجسور

هناك ستة أشكال أساسية للجسر: الشعاع ، الجمالون ، القوس ، التعليق ، الكابولي ، الكابل.

جسر شعاع:  هو شكل جسر الأكثر شيوعا. شعاع يحمل الأحمال العمودية عن طريق الانحناء. عندما ينحني جسر الشعاع ، فإنه يخضع لضغط أفقي في الأعلى. في الوقت نفسه ، يتعرض الجزء السفلي من شعاع التوتر الأفقي. تحمل الدعامات الأحمال من الحزمة عن طريق الضغط عموديًا على الأسس.

عندما يتكون الجسر من عوارض تمتد بين دعمين فقط ، فإنه يطلق عليه جسر العوارض المدعومة ببساطة. إذا تم ضم عمودين أو أكثر معًا بشكل متماسك فوق الدعامات ، يصبح الجسر مستمرًا.

جسر الجمالون: يشبه الجسر المفرد شعاعًا مدعومًا ببساطة لأنه يحمل الأحمال الرأسية عن طريق الانحناء. يؤدي الانحناء إلى الانضغاط في الحبال العليا (أو الأعضاء الأفقية) ، والتوتر في الحبال السفلية ، و التوتر أو الضغط في الأعضاء الرأسية والقطرية ، اعتمادًا على اتجاههم. تعتبر الجملونات شائعة الاستخدام لأنها تستخدم كمية صغيرة نسبيًا من المواد لحمل كميات كبيرة نسبيًا.

الجسر المقوس: يحمل الأحمال بشكل أساسي عن طريق الضغط ، والذي يمارس على الأساس كلاً من القوى العمودية والأفقية. لذلك  يجب أن تمنع أسس القوس كل من الاستقرار الرأسي والانزلاق الأفقي. على الرغم من تصميم الأساس الأكثر تعقيدًا ، فإن الهيكل نفسه يتطلب عادة مادة أقل من جسر الشعاع في نفس الفترة.

جسر التعليق : يحمل الأحمال الرأسية من خلال الكابلات المنحنية المتوترة. يتم نقل هذه الأحمال على حد سواء إلى الأبراج ، والتي تحملها عن طريق الضغط العمودي على الأرض ، وإلى المراسي ، والتي يجب أن تقاوم السحب الداخلي والرأسي في بعض الأحيان. يمكن النظر إلى جسر التعليق كقوس مقلوب في حالة توتر مع وجود أبراج مضغوطة فقط. نظرًا لأن السطح معلق في الهواء ، يجب توخي الحذر لضمان عدم تحركه بشكل مفرط تحت التحميل. وبالتالي يجب أن يكون السطح إما ثقيلًا أو صلبًا أو كليهما.

جسر الكابولي  : يقال إن الشعاع يكون ناتئًا عندما يظهر في الخارج ، ويدعم فقط في نهاية واحدة. يتكون جسر الكابولي عمومًا من ثلاثة مسافات ، يتم تثبيتها من خلال الامتدادات الخارجية على الشاطئ والنازل خارج القناة المراد عبورها. يقع النطاق المركزي على الأسلحة الكابولي الممتد من المسافات الخارجية ؛ إنه يحمل أحمال رأسية مثل شعاع مدعوم ببساطة أو تروس – أي بسبب قوى التوتر في الحبال السفلى والضغط في الحبال العليا. تحمل الأنوار أحمالهم عن طريق التوتر في الحبال العلوية والضغط في الأطراف السفلية. تحمل الأبراج الداخلية تلك القوى عن طريق الضغط على الأساس ، بينما تحمل الأبراج الخارجية هذه القوى بالتوتر إلى الأسس البعيدة.

جسر الكابل : تحمل الجسور التي بقيت بالكابل الأحمال الرئيسية العمودية بواسطة كابلات قطرية مستقيمة تقريبًا في حالة توتر. تقوم الأبراج بنقل قوى الكبلات إلى الأسس من خلال الضغط الرأسي. وضعت قوى الشد في الكابلات أيضًا السطح في ضغط أفقي.

المواد الأربعة الأساسية المستخدمة لبناء الجسور

هي الخشب والحجر والحديد والخرسانة. من بين هؤلاء ، كان للحديد أكبر تأثير على الجسور الحديثة. من الحديد ، يتم صناعة الصلب ، ويستخدم الصلب لصنع الخرسانة المسلحة والإجهاد. يتم بناء الجسور الحديثة بشكل حصري تقريبًا من الصلب والخرسانة المسلحة والخرسانة مسبقة الإجهاد.

الخشب ضعيف نسبيًا في كل من الضغط والتوتر ، لكنه دائمًا ما كان متاحًا على نطاق واسع وغير مكلف. تم استخدام الخشب بشكل فعال للجسور الصغيرة التي تحمل أحمالًا خفيفة ، مثل جسور المشاة. يدمج المهندسون الآن العوارض الخشبية والأقواس الخشبية في بعض الجسور الحديثة.

الحجر قوي في الضغط ولكنه ضعيف في التوتر. تم تطبيقه الأساسي في الأقواس والأرصفة والدعامات.

حديد وفولاذ

أول حديد تم استخدامه خلال الثورة الصناعية كان الحديد الزهر ، وهو قوي في الانضغاط ولكنه ضعيف في التوتر. الحديد المطاوع ، من ناحية أخرى ، قوي في الانضغاط مثل الحديد الزهر ، ولكن لديه أيضًا قوة شد أكبر بكثير. الصلب هو تحسين إضافي للحديد وهو أقوى من أي حديد في كل من التوتر والضغط. يمكن صنع الفولاذ بدرجات متفاوتة من القوة ، حيث أن السبائك أقوى خمس مرات من غيرها.

الخرسانة : عبارة عن حجر اصطناعي مصنوع من مزيج من الماء والرمل والحصى والموثق مثل الأسمنت. مثل الحجر ، إنه قوي في الضغط وضعيف في التوتر. يسمى الخرسانة مع قضبان الصلب جزءا لا يتجزأ من ذلك الخرسانة المسلحة. يسمح التعزيز باستخدام كمية أقل من الخرسانة لأن الفولاذ يحمل كل التوتر ؛ أيضا ، الخرسانة تحمي الصلب من التآكل والنار.

أعمال البناء

جميع الجسور تحتاج إلى أن تكون آمنة في الأسس وال دعائم. في حالة وجود جسر شعاع جسر نموذجي مع دعم واحد في الوسط ، يبدأ البناء مع صب القدم الخرسانية للرصيف والدوار. عندما تكون التربة ضعيفة بشكل خاص ، يتم دفع أكوام خشبية أو فولاذية لدعم الأسطح.

بعد تشديد الأرصفة والخرسانة بما فيه الكفاية ، يبدأ تركيب البنية الفوقية للخرسانة أو الصلب. تصنع الحزم الفولاذية عمومًا في المصنع ، ويتم شحنها إلى الموقع ، وتوضع في مكانها بواسطة الرافعات. لفترات قصيرة ، عادة ما يتم تشكيل عوارض الصلب كوحدة واحدة. في الموقع ، يتم وضعها بالتوازي مع بعضها ، مع أشكال مؤقتة بينهما بحيث يمكن صب سطح خرساني في الأعلى. عادة ما يكون للحزم قطع معدنية ملحومة على الحواف العلوية الخاصة بها ، حيث يتم صب الخرسانة حولها. توفر هذه القطع اتصالًا بين الشعاع والبلاطة ، وبالتالي إنتاج هيكل مركب.

تصميم الجسور المقوسة:

عادة ما تكون ملفقة الأقواس في الموقع. بعد بناء الدعامات (والأرصفة ، إذا كان الجسر متعدد الطبقات) ، يتم إنشاء أعمال مزيفة. للحصول على قوس خرساني ، تمسك أشكال وأشكال معدنية أو خشبية بالخرسانة المصبوبة وتتم إزالتها لاحقًا. بالنسبة للأقواس الفولاذية ، تعتبر طريقة الكابولي قياسية. تم تصميم كل جانب من جوانب القوس باتجاه الجانب الآخر ، مدعومًا بواسطة كابلات مؤقتة أعلى حتى تلتقي الأطراف. عند هذه النقطة يصبح القوس مدعومًا ذاتيًا ، وتتم إزالة الكابلات.

تصميم الجسور المعلقة:

عندما يتم بناء الجسور التي تتطلب أرصفة على جسم مائي ، يتم إنشاء الأساسات عن طريق غمر القيسونات في مجرى النهر وملئها بالخرسانة. القيسونات عبارة عن صناديق كبيرة أو أسطوانات مصنوعة من الخشب أو المعدن أو الخرسانة. في حالة الجسور المعلقة ، تُبنى الأبراج فوق القيسونات. أول أبراج تعليق الجسر كانت حجرية ، لكنها الآن إما من الصلب أو الخرسانة. بعد ذلك ، تم بناء المراسي على كلا الطرفين ، وعادةً من الخرسانة المسلحة ذات الحواجب الفولاذية المدمجة التي سيتم تثبيت الكابلات بها. الحاجب هو طول المعدن مع وجود ثقب (أو “العين”) في النهايات. تم تصنيع كبلات الجسور المعلقة الأولى من أعمدة من الحديد المطاوع المتصل ؛ الآن ، ومع ذلك ، فإن الكابلات مصنوعة عمومًا من آلاف الأسلاك الفولاذية التي تم تجميعها معًا في موقع البناء. يتم الغزل بواسطة بكرات حبال تحمل كل سلك عبر الجزء العلوي من الأبراج إلى المرسى الخلفي والظهر. ثم يتم تجميع الأسلاك وتغطيتها لمنع التآكل. عند اكتمال الكابلات ، يتم تعليق الحمالات ، وأخيراً يتم تركيب السطح – عادةً عن طريق تعويم أقسام السطح على السفن ، ورفعها بالرافعات ، وتثبيتها على الحمالات.

وتتمثل المهمة الأساسية للجسر في حمل الأحمال المرورية: الشاحنات الثقيلة والسيارات والقطارات. يجب على المهندسين تقدير تحميل حركة المرور. في فترات زمنية قصيرة ، من الممكن أن يتحقق الحد الأقصى للحمل الذي يمكن تصوره – بمعنى أنه على مسافات أقل من 30 مترًا (100 قدم) ، قد تعبر أربع شاحنات ثقيلة في نفس الوقت ، اثنتان في كل اتجاه. في فترات أطول من ألف متر أو أكثر ، وتحمل القوى الطبيعية  كالرياح تسبب حملين مهمين ، واحد يسمى ثابت والآخر ديناميكي. حمل الرياح الثابت هو الضغط الأفقي الذي يحاول دفع جسر جانبي. الحمل الديناميكي للرياح يؤدي إلى حركة رأسية ، مما يخلق تذبذبات في أي اتجاه.

يجب أن تتحمل الجسور الحديثة أيضًا الكوارث الطبيعية مثل الأعاصير المدارية والزلازل. بشكل عام ، يتم مقاومة الزلازل بشكل أفضل من خلال الهياكل التي تحمل وزنًا خفيفًا قدر الإمكان ، لأن القوى الأفقية التي تنشأ عن تسارع الأرض تتناسب مع وزن الهيكل. (تفسر هذه الظاهرة بقانون نيوتن الأساسي للقوة الذي يساوي تسارع أوقات الكتلة.) من الأفضل عمومًا أن يكون الجسر مصممًا ديناميكيًا بحيث يحتوي على مادة صلبة صغيرة تواجه الرياح ، بحيث يمكن أن تمر عبر الجسر أو حوله. دون وضع التذبذبات الخطيرة.

إقرأ أيضاً: تصميم المطارات والعوامل التي يجب مراعاتها في التصميم