تجزیه و تحلیل بار در حال حرکت

بار متحرک بار است که از فاصله مشخصی حرکت می کند. بیایید آن را به یک بار در حال حرکت که بر روی یک سازه عمل می کند باریک کنیم. در صورت ساختمانها ، بارهایی که در کف ساختمان تأثیر می گذارد ، مانند مردم و مبلمان ، همه می توانند بارهای متحرک نامیده شوند. بنابراین ، بارهای متحرک در سازه های مهندسی عمران مانند پل ها چیست؟در مورد پل ها ، چهار نوع بارهای متحرک وجود دارد: بارهای وسیله نقلیه ، بارهای قطار ، بارهای عابر پیاده و بارهای ویژه.

شکل بار در حال حرکت ساختارها

شکل بار در حال حرکت روی یک پل

2. حرکت بارهای روی یک پل

هنگام طراحی یک پل ، کد طراحی هر کشور بارهای متحرک را به چهار دسته تقسیم می کند: اتومبیل ، وسایل نقلیه ویژه ، قطار و افراد. بیایید ویژگی های هر نوع بار متحرک را پیدا کنیم.

الف - بارهای وسیله نقلیه

بارهای وسیله نقلیه اعمال شده برای طرح های پل بزرگراه با توجه به شرایط طراحی هر کشور ، به طرق مختلف به طراحان پل پیشنهاد شده است. برای شروع ، انواع مختلفی از وسایل نقلیه با اندازه و شکل های مختلف وجود دارد. بنابراین ، بار موجود در وسیله نقلیه واقعی به عنوان یک بار مفهومی مدل می شود و به عنوان یک بار طراحی اعمال می شود. مدلی از تأثیر یک وسیله نقلیه به عنوان بار کامیون طراحی (یا بار دیگر وسیله نقلیه) گفته می شود. اگرچه بار از بار کامیون طراحی کوچکتر است ، اما اثر مدل سازی هنگام حمل این وسایل نقلیه بار خط طراحی نامیده می شود. بار کامیون عمدتاً به عنوان یک بار متمرکز که روی هر چرخ عمل می کند بیان می شود در حالی که بار خط به عنوان یک بار توزیع شده یکنواخت بیان می شود.

شکل نمونه بار کامیون طراحی

شکل نمونه بار خط طراحی

ب. بار قطار

بار قطار ، مانند بارهای وسیله نقلیه ، بارهایی است که اغلب در طراحی پل استفاده می شود. این با بار بسیار در مقایسه با بارهای وسیله نقلیه مشخص می شود. علاوه بر این ، قطارها فقط در مسیرهای راه آهن نصب شده سفر می کنند و بار قطار را در بالای آنها متمرکز می کنند. بارهای قطار که روی پل های راه آهن عمل می کنند بزرگتر از بارهای زنده است که در پل های بزرگراه عمل می کنند و تغییر در استرس در هر یک از اعضای این پل بیشتر است. تغییر استرس تا حد زیادی بر استحکام خستگی بتن مسلح تأثیر می گذارد. بنابراین ، در پل های راه آهن ، بررسی استحکام خستگی مهم است و در عین حال ، انحراف عمودی این پل بسیار محدود است. به همان روشی که بارهای وسیله نقلیه ، بارهای قطار با شرایط طراحی هر کشور مشخص می شوند.

شکل: قطار بالای جاده راه آهن ، بار قطار در کدهای طراحی

ج - بارهای عابر پیاده

بار عابر پیاده توسط وزن یک شخص نشان داده می شود. همچنین از آن به عنوان بار جمعیت یاد می شود. نه تنها بارهای عمودی ، بلکه بارهای موجود در جهت عرضی نیز به دلیل ویژگی های راه رفتن شخص منتقل می شوند. اندازه بار در مقایسه با یک وسیله نقلیه یا بار قطار کوچک است ، اما وقتی بسیاری از افراد روی یک پل قرار می گیرند ، احتیاط لازم است. دلیل این امر این است که اگر لرزش راه رفتن یک شخص و فرکانس طبیعی مسابقه یک پل ، یک پدیده رزونانس رخ می دهد و باعث ارتعاشات بزرگی به این پل می شود.

بارهای عابر پیاده

D. بارهای ویژه

وسایل نقلیه ردیابی شده مانند تانک ها ، وسایل نقلیه تجهیزات سنگین و وسایل نقلیه برای بازرسی پل ، همه نمونه هایی از وسایل نقلیه هستند که بارهای خاصی تولید می کنند. این وسایل نقلیه تأثیر بیشتری در طراحی پل دارند زیرا بزرگی بارها از بارهای متحرک بیشتر است و در مقایسه با سایر وسایل نقلیه حجم بیشتری دارند.

شکل بارهای ویژه وسیله نقلیه

3. تجزیه و تحلیل بار متحرک برای طراحی پل

بار متحرک هنگام طراحی یک پل به عنوان یک بار زنده یا بار متغیر در نظر گرفته می شود و همیشه باید برای طراحی پل پس از بارهای مرده در نظر گرفته شود. بارهای متحرک دارای یک ویژگی در حال حرکت هستند ، بنابراین لازم است با تغییر موقعیت بار در جهت محور پل یا در جهت عمود بر محور پل ، حداکثر نیروی عضو موجود در پل را پیدا کنید.

شکل تجزیه و تحلیل بار در حال حرکت برای پل ها

A. روش موجود

نتیجه تجزیه و تحلیل با ایجاد چندین فایل مدل برای تجزیه و تحلیل بار متحرک و تغییر محل بار متحرک بدست می آید. هرچه این پل طولانی تر باشد ، موارد مدل بیشتری که محل بارهای متحرک را در نظر می گیرد ، زمان صرف شده برای مدل سازی را در نظر می گیرد. علاوه بر این ، از آنجا که فاصله ای که بار متحرک در آن جابجا می شود توسط طراح تنظیم می شود ، این خطر وجود دارد که مقادیر نتیجه ممکن است متفاوت باشد زیرا فاصله متراکم است. برای بار متحرک ، نوع بار پیشنهادی در استانداردهای طراحی استفاده می شود و بسته به نوع مدل تجزیه و تحلیل عنصر ، بار انتخاب و اعمال می شود.

شکل مدل برای تجزیه و تحلیل بار در حال حرکت

ب - روش تجزیه و تحلیل خط تأثیر

هنگامی که یک ساختار در زیر بارهای زنده یا بارهای متحرک قرار دارد ، تغییر در نیروهای برشی و لحظه های خمش در یک بخش خاص ، بسته به موقعیت بارگذاری بار ، می تواند به بهترین وجه توسط خطوط نفوذ نشان داده شود. یک خط تأثیر به عنوان یک خط (مستقیم یا منحنی) تعریف می شود که نشان دهنده تغییرات در نیروهای واکنش ، نیروهای برشی ، لحظه های خمش یا انحراف در هر نقطه خاص در ساختار است که به عنوان یک بار متمرکز در طول ساختار حرکت می کند. پس از ترسیم خط تأثیر ، می توان به راحتی مکانی را پیدا کرد که در آن بار متحرک بیشترین تأثیر را در ساختار داشته باشد. علاوه بر این ، بزرگی نیروی واکنش ، نیروی برشی و لحظه ای که در آن نقطه درگیر می شود را می توان از ترتیب خط نفوذ محاسبه کرد. به همین دلیل ، خطوط تأثیر نقش مهمی در طراحی سازه های پل دارند که در آن بارها در کل طول ساختار حرکت می کنند.

شکل محاسبه حداکثر حداقل لحظه با استفاده از خطوط نفوذ

ارقام زیر این احتمال را نشان می دهد که می توانیم نتایج بحرانی تری در این مورد بدست آوریم که بارهای کمتری دارد. بنابراین ، تجزیه و تحلیل خطوط تأثیر ، یک بررسی کارآمد از حداکثر یا حداقل نیروی عضو را امکان پذیر می کند.

شکل مقایسه نتایج بین مورد بارگیری کامل و مورد بارگیری متناوب

تجزیه و تحلیل خط تأثیر بسته به عناصر تشکیل دهنده مدل متفاوت است. یک عنصر پرتو از تجزیه و تحلیل خط نفوذ استفاده می کند در حالی که یک عنصر صفحه از تجزیه و تحلیل سطح تأثیر استفاده می کند.

B-1. تجزیه و تحلیل خط تأثیر

رفتارهای پل که توسط تسمه های اصلی یا تجزیه و تحلیل ارتفاع 2 بعدی از پل (پل جیرجین جعبه فولادی و غیره) اداره می شود.

خط نفوذ ارائه شده در امتداد عناصر خط ترافیک (عناصر پرتو).

خط نفوذ در یک برنامه

B-2. تجزیه و تحلیل سطح تأثیر

تنوع زیادی از رفتارهای ساختاری تحت بارهای متحرک در جهت عرضی (پل دال ، پل قاب سفت و غیره).

سطح نفوذ ارائه شده بر روی عناصر خط سطح ترافیک (عناصر صفحه).

شکل: سطح تأثیر در یک برنامه

4- تحلیلی بار در حال حرکت پس از پردازش

طراح پس از انجام تجزیه و تحلیل بار متحرک باید چه چیزی را بررسی کند؟درست مانند سایر نتایج تجزیه و تحلیل استاتیک ، طراحان باید نتایج آنالیز را برای نیروهای عضو ، انحراف یا استرس بررسی کنند. اگر تجزیه و تحلیل بار متحرک به عنوان یک تجزیه و تحلیل بار استاتیک برای چندین مدل با استفاده از بار گره یا پرتو انجام شود ، می توان نتایج تجزیه و تحلیل هر مدل تحلیلی را بررسی کرد. اگر طراح از برنامه ای استفاده می کند که از تجزیه و تحلیل تأثیر پشتیبانی می کند ، باید حداکثر و حداقل نتایج را بررسی کرد و همچنین نتایج مربوطه را نیز بررسی کرد.

نیروهای مربوطه / نیروهای همزمان

بار متحرک یکی از بسیاری از بارهای متغیر است. بنابراین ، حداکثر/حداقل نتایج تجزیه و تحلیل برای همه عناصر ممکن است از بارها در همان موقعیت محاسبه نشود. این ویژگی هنگام بررسی نتایج تجزیه و تحلیل برای بارهای متغیر ظاهر می شود. برنامه هایی که از تجزیه و تحلیل بار در حال حرکت پشتیبانی می کنند ، گاهی اوقات فقط مقادیر نتیجه تجزیه و تحلیل را برای سهولت بررسی نشان می دهند. نیروهای مربوطه به طور جداگانه اطلاعاتی را که کاربران می خواهند ارائه می دهند. مثال زیر در نمونه ای از نیروهای مربوطه.

شکل. نتایج پاکت شده و نتایج مربوطه

5. ملاحظات مربوط به تجزیه و تحلیل بار در حال حرکت

استانداردهای طراحی خاص کشور ، نکاتی را که برای تجزیه و تحلیل بار در حال حرکت در نظر گرفته می شود ، خلاصه و تشریح می کند. چارچوب اصلی مشابه است ، اما برخی از جزئیات خاص از استانداردهای هر کشور پیروی می کنند. بیایید به طور خلاصه در زیر بیابیم.

الف - تعریف کالسکه

پل ها اغلب بخشی از پروژه های جاده ای هستند ، بنابراین می توان به عرض خط طراحی و تعداد خطوط برنامه ریزی شده توسط بخش برنامه ریزی جاده اشاره کرد. با این حال ، استاندارد طراحی معادله ای را برای تعیین تعداد کل خطوط با استفاده از عرض کل جاده و عرض خط طراحی فراهم می کند.

شکل. تعداد خطوط مفهومی

ب. عوامل خط

ضریب بارگذاری همزمان یک ضریب است که بر اساس این واقعیت معرفی می شود که احتمال بارگذاری همزمان بار وسیله نقلیه طراحی در دو یا چند خط نسبتاً کوچک است در مقایسه با یک خط واحد. به منظور در نظر گرفتن این موضوع در ژاپن ، انگلیس و یوروکد ، بزرگی بارهای وسیله نقلیه برای خط بارگذاری اصلی و خط بارگذاری طولی متفاوت است. از طرف دیگر ، در کره ، ایالات متحده و کانادا ، بارهای وسایل نقلیه با همان بزرگی ، که توسط ضریب بارگذاری همزمان ضرب شده است ، در تمام خطوط بارگذاری اعمال می شود. همین اصول همچنین در مورد بارگذاری بارهای عابر پیاده اعمال می شود.

از آنجا که احتمال بار خودرو و بار عابر پیاده به طور همزمان بارگیری می شود در مقایسه با موردی که فقط بار وسیله نقلیه بارگیری می شود ، استفاده از ضریب بارگذاری همزمان حتی اگر بار عابر پیاده و بار وسیله نقلیه در آن گنجانده شود ، منطقی استهمان زمان.

مثال فاکتور بارگذاری چند خط

ج - بارهای زنده

برای تجزیه و تحلیل بار متحرک ، مهم است که بدانید بار وسیله نقلیه برای تجزیه و تحلیل اعمال می شود. خوشبختانه ، استاندارد طراحی بار ایده آل وسیله نقلیه را به طراح پیشنهاد می کند. طراحان به سادگی این بارها را در مدل پل اعمال می کنند و به تجزیه و تحلیل ساختاری ادامه می دهند. مدل بار وسیله نقلیه مطابق با استانداردهای هر کشور طراحی شده است. در این مقاله ، ما به طور خلاصه مدل های وسیله نقلیه ارائه شده توسط دو استاندارد طراحی نماینده را بررسی خواهیم کرد: Eurocode و استانداردهای طراحی AASHTO LRFD.

ج-1. اروا

Eurocode بارهای وسیله نقلیه را برای تقسیم به نیروهای عمودی و افقی پیشنهاد می کند. چهار مدل بار در نیروهای عمودی وجود دارد. مدل بار 1 شامل بارهای توزیع شده یکنواخت و بارهای محور چرخ است. مدل بار 2 شامل بارهای محور تک چرخ است. مدل بار 3 شامل SUV و بارهای ویژه است. مدل بار 4 شامل بارهای جمعیتی است. نیروهای افقی شامل نیروهای ترمز و شتاب و نیروهای گریز از مرکز و عرضی است. علاوه بر این ، بارهای عابر پیاده و دوچرخه به عنوان بارهای توزیع شده یکنواخت گنجانده شده است. سه نوع بار فوق در مجموع 6 گروه از بارها ترکیب شده و به عنوان بارهای طراحی مورد استفاده قرار می گیرند.

شکل بارهای عمودی بارهای ترافیکی در Eurocode

شکل بارهای عرضی بارهای ترافیکی در Eurocode

شکل گروههای بارهای ترافیکی در Eurocode

ج-2. AASHTO LRFD

AASHTO LRFD بارهای وسیله نقلیه را پیشنهاد می کند تا به کامیون طراحی ، طراحی پشتی طراحی و بار خط طراحی شود. این بارها به عنوان بارهای زنده (LL) طبقه بندی می شوند. این بارها قادر به تنظیم متناسب با محیط های طراحی هستند. برای بارهای عابر پیاده ، یک بار توزیع شده به طور یکنواخت اعمال می شود و همراه با بارهای وسیله نقلیه حمل می شود. این بارهای عابر پیاده نیز به نام PL نیز گفته می شود. بر خلاف Eurocode ، هیچ گروهی از بارهای وسیله نقلیه وجود ندارد ، و برای دستیابی به حداکثر نتایج ، باید بارهای فوق به درستی ترکیب شوند.

شکل بارهای عمودی بارهای ترافیکی در AASHTO LRFD

D. اثر پویا

با توجه به کد طراحی ، اثر پویا را می توان کمک هزینه پویا یا تقویت پویا نیز نامید. این یک مقدار افزایشی است که به بار چرخ استاتیک اعمال می شود تا تأثیر بار چرخ ناشی از وسایل نقلیه متحرک را به خود اختصاص دهد. طبق استانداردهای طراحی ملی ، این مقدار باید در بار وسیله نقلیه گنجانده شود یا باید به طور جداگانه افزایش یابد.

شکل: کمک هزینه پویا ارائه شده توسط AASHTO LRFD

شکل: تقویت پویا اضافی ارائه شده توسط Eurocode

E. نیروهای گریز از مرکز

وسایل نقلیه رانندگی روی پل های خمیده ، نیروی گریز از مرکز را تولید می کنند که یک بار عرضی است. معادله محاسبه نیروی گریز از مرکز برای هر استاندارد طراحی مشخص شده است و پارامتر اصلی شعاع منحنی است.

شکل.

F. نیروهای ترمز و شتاب

نیروی ترمز نیروی طولی است که بر روی عرشه پل ، در جهت جهت پیشروی وسیله نقلیه ایجاد می شود ، هنگامی که وسیله نقلیه به یک توقف ناگهانی می رسد. نیروی شتاب نیروی طولی است که در عرشه پل ، در جهت جهت پیشروی وسیله نقلیه ایجاد می شود ، هنگامی که وسیله نقلیه به طور ناگهانی شتاب می یابد. نیروهای ترمز و شتاب عمدتاً به دلیل اصطکاک بین چرخ ها و سطح یک کالسکه اتفاق می افتد. و این نیروها از همان نیرو برخوردار هستند اما جهت در مقابل یکدیگر قرار دارد. این نیروها بسته به محیط طراحی ممکن است یا ممکن است در نظر گرفته نشوند. میزان بار مطابق معادله در استانداردهای طراحی هر کشور محاسبه می شود.

شکل. نیروی ترمز و شتاب

G. خستگی

خستگی پدیده ای است که در آن هنگام قرار دادن مکرر در معرض بار که دارای بزرگی کمتر از قدرت عملکرد مواد است ، قدرت یک ماده تضعیف می شود. شکستگی خستگی زمانی است که یک ساختار به طور ناگهانی پس از قرار گرفتن در معرض بارهای چرخه ای شکست می خورد. به عنوان مثال ، هنگامی که یک سیم به طور مکرر خم و صاف می شود ، پس از رسیدن به یک عدد خاص شکست می خورد. پل ها همچنین ساختارهایی هستند که در معرض بارهای خستگی قرار می گیرند. شایع ترین بارهای خستگی موجود در پل ها توسط وسایل نقلیه متحرک ایجاد می شود. پل هایی که قدرت خستگی ناشی از ارتعاشات مکرر ناشی از بارهای وسیله نقلیه را در نظر نمی گیرند ، اغلب خرابی خستگی را تجربه می کنند. بنابراین ، برای انجام طراحی خستگی یک پل ، بارهای وسیله نقلیه باید در فرآیند طراحی در نظر گرفته شود. برای تجزیه و تحلیل خستگی ، بزرگی بار وسیله نقلیه مورد استفاده در تجزیه و تحلیل بار متحرک استفاده نمی شود ، بلکه مقدار کاهش یافته است. برای AASHTO LRFD ، بزرگی بار برای تجزیه و تحلیل خستگی و همچنین کمک هزینه پویا اجرا می شود. در مورد Eurocode ، 5 مدل بار برای تجزیه و تحلیل خستگی اجرا می شود.