ساخت پلهای طولانی تر و مستحکم تر با استفاده از فولادهایی با کار ایی بالا



پل كابلي

پل‌هاي كابلي (cable-stay) سازه‌هاي عظيم و ماندگاري هستند كه از فولادهاي با كارايي بالا ساخته مي‌شوند. استحكام فولاد، اين پل‌ها را قادر مي‌سازد تا نيازهاي استانداردهاي ايمني را برآورده ساخته و در مقابل حوادث طبيعي از قبيل توفان‌‌ها و زمين لرزه‌ها مقاومت كند.

پل كابلي، يك تير حمال (عرشه پل) متصل به يك يا چند برج بنا شده بالاي پايه‌هاي پل در وسط دهانه است. از اين برج‌ها، كابل‌ها به صورت اريب به سمت پايين (معمولا هر دو طرف) كشيده شده و تير حمال (عرشه پل) را نگه مي‌دارد.

كابل‌هاي فولادي بي‌نهايت قوي و در عين حال بسيار انعطاف‌پذير هستند. كابل‌ها بسيار مقرون به صرفه هستند چون سبب ساخت سازه‌اي سبك‌تر و باريك‌تر شده كه در عين حال قادر به پل زدن بين مسافت‌هاي بيشتري است. اگرچه تنها تعداد كمي از آنها براي نگه داشتن كل پل قوي هستند، انعطاف‌پذيريشان آنها را در مقابل نيرو‌هايي كه به‌ندرت در نظر گرفته مي‌شوند مانند باد ضعيف مي‌‌كند.

براي پل‌هاي كابلي با دهانه‌هاي طولاني، به‌خاطر تضمين ثبات و پايداري كابل‌ها و پل در مقابل باد، بايد مطالعات دقيقي انجام شود. وزن سبكتر پل يك وضع نامساعد در توفان‌‌هاي سهمگين و يك مزيت در مقابل زلزله محسوب مي‌شود. نشست غير هم سطح فوندانسيون‌ها كه به مرور زمان يا طي يك زلزله روي مي‌دهد، مي‌تواند پل كابلي را دچار آسيب كند. پس بايد در طراحي فوندانسيون‌ها دقت به‌عمل آورد.

ظاهر مدرن و در عين حال ساده پل كابلي آن را به يك شاخص واضح و جذاب تبديل كرده است. خصوصيات منحصر به فرد كابل‌ها و به‌طور كلي سازه، طراحي پل را بسيار پيچيده مي‌كند.

براي دهانه‌هاي طولاني‌تر، جايي كه باد و نوسانات بايد مورد توجه قرار گيرند؛ محاسبات بي‌نهايت پيچيده‌اند و عملا بدون كمك كامپيوتر و آناليز كامپيوتري غيرممكن هستند. علاوه بر اين ساخت پل كيده‌اي مشكل است.

اتصالات، برج‌ها، تير‌هاي حمال و مسير كابل‌ها سازه‌هاي پيچيده‌اي هستند كه مستلزم ساخت دقيق هستند.

پل‌ها مسافت‌ها را كوتاهتر كرده و از زمان مسافرت‌ها مي‌كاهند. پل‌هاي Arthur Ravenel و Jr.Bridge ،كه به نام پل Cooper River معروف هستند، موجب كاهش مسافت رفت و آمد بين Mt Pleasant و شهر Charleston Peninsula، در كاروليناي جنوبي ايالات متحده شد و سالانه از خروج تقريبا 167 هزار تن گاز CO2 معادل از لوله اگزوز وسايل نقليه جلوگيري مي‌كنند.

اين امر داراي يك تاثيرات مادام العمر براي كنترل گاز CO2 به‌ميزان 7/16 ميليون تن است (بر اساس مصرف ميانگين بنزين و طراحي كنوني خودروها).

پل كوپر ريور جايگزين دو پل فرسوده شده است. با توجه به پيشرفت‌ها در تكنولوژي توليد فولاد، همان مقادير مشابهي از فولاد كه در سازه‌هاي پل جديد هشت باندي به كار گرفته شده است، در پل‌هاي قديمي نيز به كار گرفته شده بودند. بازيافت پل‌هاي قديمي منجر به كنترل 33.460 تن گاز CO2 شده كه مي‌تواند براي توليد فولاد خام مورد استفاده قرار گيرد.


فولادهاي بهتر در ساخت سازه‌ها

امروزه بيشترين مصرف فولاد مربوط به بخش سازه پل است. در حدود 50 درصد از كل توليد فولاد در جهان به سوي اين بخش از بازار معطوف مي‌شود و پل‌ها سهم قابل توجهي را به خود اختصاص مي‌دهند.

براي بيش از 150 سال، فولاد در سازه‌هاي پل‌ها به عنوان يك ماده اساسي به‌كار گرفته مي‌شود. فولاد در ساخت ورق‌ها، مقاطع و آرماتورها استفاده مي‌شود. در نتيجه رشد نيازمندي‌هاي اساسي، فولادهاي جديد و تكنولوژي‌هاي سازه‌اي، در دهه‌هاي اخير انواع جديد پل‌ها در حال پديدار شدن هستند.

در اين مقاله به بررسي تاثيرات گازهاي گلخانه‌اي در پروژه جايگزيني ويژه يعني پل كوپر ريور مي‌پردازيم.


تاريخچه پل كوپر ريور

نخستين پل براي عبور از رودخانه كوپر ريور در سال 1929 در نزديكي شهر چارلستون افتتاح شد. طول دهانه اصلي (قسمتي از پل كه مربوط به فاصله بين دو تكيه گاه آن مي‌شود) دو تكيه‌گاه خرپاي پل، 320 متر است كه از اين نظر پنجمين رتبه را در بين تمامي پل‌هاي جهان دارا بود و در ارتفاع 46 متري بالاي رودخانه بنا شده بود. نكته ديگري كه در رابطه با دهانه اصلي اين پل مي‌توان گفت اين است كه طول بين دو تكيه‌گاه آن در بين پل‌هاي موجود آن زمان داراي رتبه دوازدهم بود. طول كلي سازه نيز در حدود 3/4 كيلومتر بود. در طي يك دوره ساخت 17 ماهه، با هزينه 6 ميليون دلار و با استفاده از 41 هزار تن فولاد اين پل در 8 آگوست سال 1929 آماده بهره‌برداري شد.

در اصل اين پل براي مدت 50 سال طراحي شد و اساسا بايد در سال 1979 از رده خارج مي‌شد. اما به دليل استحكام و پايداري فولاد، عمر آن تا سال 1995 كه پل از نظر عملكرد ايمني به درجه F (ناتوان) رسيد، به طول انجاميد. ساخت پل 8 باندي جايگزين نيز در سال 2001 آغاز شد و پل جديد در 16 جولاي سال 2005 آماده بهره‌برداري شد.


ساخت و طراحي

پل جديد كوپر ريور بزرگترين پل فولادي كابلي در آمريكاي شمالي است. فاصله بين دو تكيه‌گاه اصلي آن 471 متر طول دارد. برج‌هاي الماسي اين پل تا ارتفاع 175 متر در آسمان اوج گرفته‌اند كه آنها را مبدل به بلندترين سازه‌هاي بتني در كاروليناي جنوبي كرده است. هر برج با استفاده از 3357 تن فولاد بتن مسلح ساخته شده است. براي ساخت تيرهاي حمال فولادي، جعبه‌هاي فولادي ستون مهار برج‌هاي كابلي، قاب‌هاي فولادي عرشه (deck pans) و ديگر اجزا، حدودا 45 هزار تن فولاد مصرف شده است.

به دلايل هزينه، ساختار و پايداري، پل‌هاي كابلي مصرف فولاد بالايي دارند. در ساخت پل جديد 8 باندي كه به جاي دو پل قديمي احداث شد به همان ميزان از فولاد استفاده شده كه براي ساخت دو پل ديگر مصرف شده بود. نكته مهم ديگر اين كه اين پل در يك منطقه توفان‌ خيز قرار دارد و برخي از بزرگترين فعاليت‌هاي زمين لرزه‌اي در آمريكاي‌شمالي در اين منطقه به‌وقوع پيوسته است.

از اين رو در اين بخش نياز به فولادي با استحكام و مقاومت بي‌نهايت بالا است.


مزيت‌هاي زيست‌محيطي

يكي از اهداف مهم احداث يك پل كاهش مسافت بين دو نقطه است. در مورد پل كوپر ريور، رانندگي از شهر Mt Pleasent تا چارلستون 6/11 كيلومتر را شامل مي‌شود يعني يك مسافرت كه مي‌تواند در حدود 14 دقيقه به طول انجامد. اين در حالي است كه اگر اين پل وجود نداشت اين مسافت به 39 كيلومتر افزايش مي‌يافت و مدت سفر نيز به 30 دقيقه مي‌رسيد.

ميانگين روزانه استفاده از اين پل 69 هزار و 200 وسيله نقليه است. با فرض بر اين كه، ميانگين مصرف سوخت وسايل نقليه پاسخگوي استاندارد مؤسسه حفاظت از محيط‌زيست ايالات متحده يعني به ازاي هر 7/11 كيلومتر يك ليتر باشد، كل كاهش مصرف سوخت در طي يك سال بيش از 59 ميليون ليتر خواهد شد. اين پل اين امكان را براي مسافران فراهم مي‌آورد تا در مصرف سوخت صرفه‌جويي كنند كه منجر به كاهش توليد 7/16 ميليون تن گاز CO2 معادل مي‌شود.

در اصل اين پل براي مدت 50 سال طراحي شده بود اما به دليل استحكام و مقاومت فولاد آن، عمر پل تا 75 سال به‌طول انجاميد. در نتيجه اين افزايش عمر، كاهش عمده‌اي در توليد گاز CO2 به وقوع پيوست به طوري كه ديگر لزومي براي جايگزيني پل وجود نداشت.

در اوايل دهه 1980، در فرآيندهاي فولادسازي در آمريكا به ازاي توليد هر تن فولاد در حدود 8/37 گيگا ژول انرژي مصرف مي‌شد.

تا سال 2005، صنعت فولادسازي ايالات متحده به واسطه افزايش استفاده از آهن قراضه و بهبود تكنولوژي، ميانگين مصرف انرژي خود را پايين آورد و به‌ازاي توليد هر تن فولاد به 5/11 گيگا ژول رساند. نتيجه اين پيشرفت چشمگير در افزايش راندمان مصرف انرژي ،كاهش انتشار گاز CO2 معادل در حدود 230 هزار تن بود. با استفاده از تكنولوژي ساخت پل در قرن 21 و فولادهاي با كارايي بالا، اين پل جديد حداقل براي مدت 100 سال طراحي شده است كه نسبت به پل‌هاي قبلي داراي يك بهبود 33 درصدي است.

تخريب پل Grace در آگوست سال 2005 آغاز شد و تقريبا در حدود 2 سال به طول انجاميد كه نيازمند بستن مسير كشتيراني براي نصف روز بود به طوري كه دهانه اصلي از قسمت پايه جدا شد و به شناوري كه در زير آن قرار داشت انتقال داده شده و به سمت واحدهاي فولادسازي حمل شد تا به عنوان يك ماده اوليه مورد استفاده قرار گيرد.

از كل فولاد استفاده شده در پل، 189 هزار و 70 تن مورد بازيافت قرار گرفت و در نتيجه آن توليد CO2 به ميزان 334 هزار و 60 تن كاهش يافت كه مي‌توانست در توليد فولاد همين ميزان از سنگ‌آهن به‌وجود آيد.

همچنين اكثر فولادهاي باقي‌مانده (در حدود 20 هزار تن) براي ساخت تجهيزات دريايي و حفاظت از خط ساحلي در دهانه كوپر ريور، مصرف شدند.

طولاني‌ترين پل كابلي در جهان پل Sutong در كشور چين است كه داراي 2/8 كيلومتر طول بوده و داراي يك دهانه اصلي به طول 1/1 كيلومتر است. همچنين پل Millau Viaduct در كشور فرانسه بلندترين پل كابلي در دنيا است كه ارتفاع آن به 343 متر مي‌رسد و براي ساخت آن از 65 هزار تن فولاد استفاده شده است.


معدن و توسعه301