سازههای کابلی
سازههای کابلی سازه‌هایی هستند که تنش‌های داخلی فقط به صورت فشار و کشش مستقیم است. اگر بار دیگری به آن اضافه شود، شکل بارگذاری تغییر کرده و به صورت سه بخش که هر یک قسمتی از بار را تحمل می‌کنند، تقسیم میشود. بارهای اضافی دیگر تعداد تقسیمات را افزایش داده تا به فرم منحنی کامل که عمل توزیع را بر عهده دارد، تبدیل نشود. در هر حال کابل فقط تحت کشش است. در این نوع سیستم اعضای اصلی که همان کابل‌ها هستند به صورت کششی عمل می کنند. این سازه‌ها برای طراحی پل‌ها، پوشش دهانه‌های بزرگ، سقف‌ها و … مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساده‌ترین مثال از یک سازه کششی یک وزنه آویخته از یک کابل است، وزنه دقیقاً در امتداد کابل ساکن میشود. در حالی که بین دو نقطه اتصال به صورت کشش در یک خط راست قرار می‌گیرد.
در این نوع از سازههای کابلی یک دکل قائم یا مایل به صورت متقارن یا نامتقارن وظیفه مهار نیروهای کششی کابل‌ها و تبدیل آنها به تنش فشاری و انتقال آن به پی را بر عهده دارد. یک ترکیب کاربردی‌تر، سازه‌ای کابلی ما بین دو تکیه گاه برای تحمل باری معلق در وسط دهانه است. در زیر چنین باری کابل از وسط خم میشود و هر تکیه گاه نیمی از وزن بار را تحمل می‌کند. با توجه به این که وزن کابل در برابر بار وارده ناچیز است، کابل شکل V به خود می‌گیرد. نیروی کششی در کابل از طریق بار وارده و شیب کابل محاسبه میشود. نیروی کشش در کابل معمولاً برابر برآیند مؤلفه‌های عمودی و افقی نیروی عکس‌العمل است.
معمولاً نیروهای کابلی نسبت عکس با خیز دارند، به عبارت دیگر با کاهش طول کابل، قطر آن افزایش می‌یابد. یک کابل کوتاه با حداقل خیز به علت وجود نیروهای کششی بسیار بزرگ به قطر زیادی نیاز دارد. بر عکس این حالت یک کابل با خیز بسیار زیاد می‌تواند قطر کوچکی برای تحمل نیروهای کششی کم داشته باشد که کاملاً طولی عمل می‌کند.
دلایل استفاده از سازه کابلی
- خالص‌ترین رفتار سازه‌ای را دارد ( فقط نیروی کششی را تحمل می‌کند).
- از تمام مقاومت خود بهره می برند.
- فرم آنها خود به خودی شکل گرفته و فرمی پر بازده است. (فرم طبیعی)
- انعطاف پذیرند و خود را با بار تطبیق می‌دهند.
- تولید صنعتی فولاد
- امکان ایجاد پوشش سبک روی دهانه‌های بزرگ (در دهانه کوچک غیر اقتصادی هستند)
انواع سازههای کابلی
منحنی دارای یک انحنا
دو یا چند کابل زنجیره وار موازی که بین تکیه گاه های اصلی کشیده شده‌اند.
کابل مضاعف
این نوع شبیه کابل دارای یک انحنا است. با این تفاوت که کابل‌های تثبیت کننده در زیر کابل‌های معلق اصلی برای مقابله با نیروهای رو به بالای باد به آن اضافه شده است.
منحنی مضاعف
از نوع آنتی کلاسیک (یکپارچه) است. مثل زین اسب، که انحنا در یک جهت مثبت و در جهت مخالف منفی است. در ضمن کابل‌های معلق در یک جهت دهانه بین تکیه گاه‌ها قرار گرفته‌اند و کابل تثبیت کننده، عمود بر آن، برای مقابله با باد به سمت پائین کشیده شده است.
پل‌های معلق با فرم منحنی طنابی، نمونه‌هایی از سازههای یک انحنا هستند. در این نوع پل‌ها از دو طناب بلند به عنوان جان پناه استفاده میشود. پل‌های طنابی شامل یک کف و دو سطح جانبی که از تعدادی طناب به هم پیچیده هستند و فرمی U شکل شبیه یک گهواره طولانی را به خود می‌گیرند. مشکل اصلی در یک پل با چنین انعطافی آن است که با حرکت مسافران، فرم آن در واکنش به بار متحرک وارده تغییر می‌کند.
پل‌های کابلی معلقی که در آمریکا و اروپا اجرا شده‌اند، نمونه‌های بارز سازههای منحنی یک انحنا هستند.
سازههای کابلی خالص‌ترین رفتار سازه‌ای را دارند. سازههای کابلی دارای رفتار خالص کششی هستند. این سازه‌ها از تمام مقاومت خود بهره می‌برند. فرم این سازه‌ها خود به خود شکل گرفته و فرمی پر بازده است. جز با سازه کابلی، با هیچ سازه دیگری نمی‌توان از دهانه بیش از یک کیلومتر (و شاید ۵۰۰ متر) عبور کرد. فرم طبیعی که کابل در برابر بارها به خود می‌گیرد، منحنی طنابی است. بار گسترده با فواصل افقی مساوی به کابل فرم سهمی، و بار گسترده با فواصل مساوی در طول کابل، به آن بیضی می‌دهد.
مزایای سازههای کابلی
- این نوع سازه‌ها معمولاً سبک وزن بوده و به آسانی می‌توان آنها را حمل، نصب و تخریب کرد.
- می‌توان آنها را در کارخانه در مقیاس انبوه ساخت، هزینه نصب آنها اندک است و می‌توان آنها را از جایی به جای دیگر انتقال داد.
- در سازههای متکی به هوا، مکانیزم اصلی محل بار، همان محیط اطراف یعنی مخلوطی از گازهای تحت فشار است.
- بارهای محیطی به وسیله تنش مستقیم و بدون خمش حمل می‌شوند.
- عضوهای این نوع سازه‌ها تحت اثر بارهای وارد تغییر شکل می‌دهند تا تاثیرات مقدار و الگوی بار را بهتر پذیرا باشند.
رفتار سازههای کابلی
کابل‌ها به سبب سختی اندک خود در مقابل تغییر مکان‌های بزرگ تحت اثر بارهای متمرکز و تاثیرات دینامیکی از خود ضعف نشان می‌دهند. پاسخ آنها بدون توجه به خطی بودن بارها یا رفتار مواد در مقابل نیروهای پیش تنیدگی یا بارهای کاری همواره غیرخطی است. نیروهای پیش تنیدگی به صورت عامل اصلی در تعادل استاتیکی سازه ایفای نقش کرده و باعث تثبیت سازه می‌شوند و موجبات سختی آن را در مقابل خیز بیشتر فراهم می‌سازند. رفتار فیزیکی هر سازه کششی در حین اعمال بار را می‌توان به سه مرحله اصلی تقسیم نمود.
- مرحله گسترش
- مرحله پیش تنیدگی
- مرحله سرویس دهی
مرحله گسترش که در آن سیستم کابل از حالت فشرده اولیه باز شده و به وضعیت شروع کرنش می‌رسد. در مرحله پیش تنیدگی سیستم کابل تحت اثر نیروهایی از قبیل بار مرده، فشار هوا یا دیگر بارهای ثابت به حالت تعادل اولیه می‌رسد. در مرحله سرویس دهی سیستم کابل کاملاً پیش تنیده در معرض بارهای زنده مختلف یا بارهای دینامیک نیز قرار می‌گیرد.
تحلیل استاتیکی قطعات و سیستم‌های سازههای کابلی
کابل‌های فولادی یکی از مصالح ساختمانی هستند که امروزه برای پوشش فضاهای وسیع از آنها استفاده میشود و پدیده‌ای نسبتاً جدید به شمار می‌آیند.
سازههای کششی به سبب سختی اندک خود در مقابل تغییر مکان‌های بزرگ تحت اثر بارهای متمرکز و تاثیرات دینامیکی از خود ضعف نشان می‌دهند. پاسخ آنها، بدون توجه به خطی بودن بارها یا رفتار مواد، در مقابل نیروهای پیش تنیدگی و بارهای زنده وارده، همواره غیر خطی است. نیروهای پیش تنیدگی یکی از عوامل اصلی در تعادل استاتیکی سازه بوده و باعث تثبیت سازه و موجب سختی آن در مقابل خیز بیشتر می‌شوند.
رانش در سازههای کابلی
خيز يك سازه زنجير واره، رانش افقی ايجاد شده را تعيين می‌كند. خيز كمتر، رانش بيشتر. در بيشتر كابل‌های زنجير واره كه برای سازه سقف ساختمان‌ها به كار می‌روند نسبت خيز به دهانه ۱:۸ تا ۱:۱۰ است. برای بار متمركز كه در وسط دهانه وارد میشود، خير مناسب در حدود ۵۰ در‌صد طول دهانه است. برای بار يكنواخت روی يك كابل سهمی شكل، خير مناسب تقريباً ۳۳ در‌صد طول دهانه است.
سازههای معلق با فرم منحنی طنابی
منحنی دارای يك انحنا
سازههای با يك انحنا متشكل از دو يا چند كابل زنجير واره موازی كه بين تكيه گاه‌های اصلی
سازههای با كابل مضاعف
شبيه به سازههای يك انحنا هستند، كه كابل‌های تثبيت كننده در زير كابل‌های معلق اصلی برای مقاومت در برابر نيروی باد اضافه شده‌اند. اگر هر دو سوی كابل در يك سطح باشند، تعدادی كابل اضافی برای تضمين ايستايی جانبی (عمود بر اين دهانه) بايد استفاده شود.
سازههای با انحنای دوگانه
از نوع آنتی كلاستيك (يكپارچه) هستند، به طوری كه كابل‌های معلق در يك جهت دهانه بين تكيه گاه‌ها و كابل‌های ثبيت كننده در جهت عمود بر آن برای مقاومت در برابر نيروی باد به سمت پايين كشيده می‌شوند.
پل کابلی و نحوه عملکرد آن
پل کابلی ، نوعی پل است که عرشه پل توسط کابل‌هایی به برج‌های پل وصل شده و نیروهای آن را تحمل می‌کنند. کابل‌ها به صورت اریب به سمت پایین (معمولاً هر دو طرف) کشیده شده و تیر حمال (عرشه پل) را نگه می‌دارد. کابل‌های فولادی بی‌نهایت قوی و در عین حال بسیار انعطاف پذیر هستند. کابل‌ها سبب ساخت سازه‌ای سبکتر و باریکتر شده که در عین حال قادر به پل زدن بین مصافت‌های بیشتری است. اگرچه تنها تعداد کمی از آنها برای نگه داشتن کل پل قوی هستند، انعطاف پذیریشان آنها را در مقابل نیروهایی که به ندرت در نظر گرفته می‌شوند مانند باد؛ ضعیف می‌نماید.
برای پل‌های کابلی با دهانه‌های طولانی به خاطر تضمین ثبات و پایداری کابل‌ها و پل در مقابل باد، می‌بایست مطالعات دقیقی انجام شود. وزن سبکتر پل یک وضع نامساعد در بادهای سهمگین و یک مزیت در مقابل زلزله محسوب میشود. نشست غیر هم سطح فوندانسیون‌ها که به مرور زمان یا طی یک زلزله روی می‌دهد، می‌تواند پل کابلی را دچار آسیب کند. پس باید در طراحی فوندانسیون‌ها دقت به عمل آورد. ظاهر مدرن و در عین حال ساده پل کابلی آن را به یک شاخص واضح و جذاب تبدیل کرده‌است. خصوصیات منحصر به فرد کابل‌ها و به طور کلی سازه، طراحی پل را بسیار پیچیده می‌نماید. برای دهانه‌های طولانی‌تر، جایی که باد و نوسانات باید مورد توجه قرار گیرند، محاسبات بی‌نهایت پیچیده‌اند و عملاً بدون کمک کامپیوتر و آنالیز کامپیوتری غیر ممکن هستند.
طبقه‌بندی پل‌های کابلی
طبقه‌بندی واضحی برای پل‌های کابلی وجود ندارد. پل‌های کابلی می‌توانند توسط تعدادی دهانه‌ها، برج‌ها و کابل‌ها و همچنین نوع تیرهای حمال از یکدیگر تمیز داده شوند. تنوع بسیاری در تعداد و نوع برج‌ها و همچنین تعداد و چینش کابل‌ها وجود دارد. برج‌های نوعی به صورت تکی، دوتایی، دروازه‌ای و یا حتی برج‌های A شکل استفاده شده‌اند. علاوه بر این چینش کابل‌ها به طور عمده‌ای متفاوت هستند. بعضی اقسام دارای چینش تکی، چنگی(موازی)، پنکه‌ای (شعاعی) و ستاره‌ای هستند. در بعضی موارد تنها کابل‌های یک طرف برج به عرشه وصل می‌شوند و طرف دیگر روی یک فندانسیون یا وزنه برابری لنگر می‌اندازند.
پل‌های کابلی عمدتاً به دو بخش ترکه‌ای و معلق تقسیم بندی میشود. پل‌های معلق در دهانه‌های خیلی بزرگ به کار می‌روند. ترکیب این پل‌ها عبارت است از دو عدد پایه بلند که در دو طرف دهانه قرار دارد و دو دسته کابل که با عبور از بالای پایه‌ها در دهانه آویزان است و دو انتهای کابل‌ها در تکیه‌‌گاه ثابتی که معمولاً بلوک‌های حجیم بتنی هستند مهار میشود و عرشه توسط تعدادی آویز قائم آویخته میشود. پل‌های معلق مدرن برای دهانه‌های بیش از ۳۰۰ متر اقتصادی بوده و اگر عرشه فلزی استفاده شود مقرون به صرفه‌تر است. پل‌های ترکه‌ای به علت سختی و زیبایی و اقتصاد طرح و سهولت اجرا رواج زیادی یافته است. اصل اساسی در بررسی رفتار پل‌های ترکه‌ای این است که توسط کابل‌های متعددی به یک پایه بلند نصب شده‌اند و دهانه پل در نقاط متعددی گرفته میشود. در این پل‌ها عرشه به صورت صلب از یک طرف روی کوله‌های پایه‌ها و از طرف دیگر با کابل‌ها مهار می‌شوند.
مقایسه پل کابلی ترکه‌ای و معلق و پل بازوئی
برای طول متوسط دهانه‌ها (۵۰۰ تا ۱۰۰۰ متر) پل کابلی ترکه‌ای (ایستا) سریعترین انتخاب مناسب برای یک پل است. پل کابلی ترکه‌ای بهترین پل برای طول دهانه بین پل‌های بازویی و کابلی معلق است. در این محدوده طول دهانه یک پل معلق، مقدار بسیار بیشتری کابل نیاز خواهد داشت و این در حالی است که یک پل بازویی کامل، به طور قابل ملاحضه‌ای به مصالح بیشتری نیاز دارد که آن را به مقدار چشمگیری سنگین‌تر می‌نماید. ممکن است به نظر برسد پل کابلی شبیه پل معلق است ولی با اینکه هر دو دارای عرشه هستند که از کابل‌ها آویزانند و هر دو دارای برج هستند، این دو پل بار عرشه را به طرق بسیار متفاوتی نگه می‌دارند. این اختلافات در چگونگی اتصال کابل‌ها به برج می‌باشد. در پل معلق کابل‌ها آزادانه از این سر تا آن سر دو برج کشیده شده‌اند و انتقال بار به تکیه گاه‌های واقع در هر انتها صورت می‌گیرد. در پل کابلی ترکه ای، کابل‌ها در حالی که به برج‌ها متصلند به تنهایی بار را تحمل می‌کنند. در مقایسه با پل‌های کابلی معلق، پل کابلی ترکه ای به کابل کمتری نیاز دارد، می‌توان آن را از قطعات بتن پیش ساخته مشابه ساخت و همچنین احداث آن سریع‌تر است.
سیستم کابلی برای مقاوم سازی ساختمان‌های بتنی
سیستم‌های کابلی جهت مقاوم سازی ساختمان‌ها به کار می‌روند. این سیستم دو نوع هستند.
- اولین سیستم،سیستم کابلی شامل کابل‌های پیش تنیده با اتصال لغزشی در کف طبقات میانی جهت افزایش سختی جانبی است. این سیستم به دلیل مقاومت کششی کابل، سهولت اجرا، مقرون به صرفه بودن و …. می‌تواند جایگزین سیستم‌های دیگر شده یا برای مقاوم سازی سازههای موجود استفاده شود. در این سیستم برای استهلاک انرژی در انتهای هر کابل یک میراگر فنری نصب میشود.
- سیستم بعدی، یک سیستم ضربدری شامل کابل‌های پیش تنیده بوده که به صورت ضربدری در یک یا چند دهانه از قاب استفاده می‌شوند.
مزایای این سیستم
- مقاومت کششی بالا که اجازه‌ی اعمال نیروهای پیش تنیدگی قابل توجهی را در کابل‌ها داده و سختی سیستم را هر چه بیشتر افزایش می‌دهد.
- سطح مقطع کوچک و وزن کم کابل در مقابل اعضای مقاوم دیگر (دیوارهای برشی بتنی و فولادی و مهاربندی فلزی) که علاوه بر کاهش هزینه‌ی سازه نسبت به سایر سیستم‌های مقاوم سازی، به دلیل ارتباط نیروهای زلزله با وزن سازه، می‌تواند در کاهش نیروهای زلزله نیز موثر باشد.
- سهولت و سرعت بالای اجرا به دلیل یکپارچه بودن کابل‌ها در طبقات.
- عدم نیازبه نگهداری در مورد خود کابل و نگهداری راحت میراگرهای فنری با توجه به تعداد کم آنها در کل سازه.
- عدم نیاز به تعمیر و یا تعمیر سریع آن بعد از زلزله.
- افزایش ایمنی با افزایش قابل ملاحظه‌ی سختی جانبی.
- ممانعت کمتر برای ملاحظات معماری در مقایسه با دیوارهای برشی و مهاربندها.
- مقاومت بالای کابل در برابر خوردگی، سایش و خستگی.
نیروهای کششی به دلیل شکستگی امتداد کابل در محل عبور از کف طبقات مختلف و با توجه به زوایای کابل نسبت به افق در هر طبقه، مولفه‌های افقی متفاوتی خواهد داشت. برایند این مولفه‌ها در دو طبقه مجاور، نیرویی است که بر خلاف جهت نیروی زلزله به کف طبقه اعمال میشود و مانع تغییر مکان بیشتر آن میشود.
با توجه به توضیحات در مورد عملکرد سیستم، مطمئناً تعیین محل عبور کابل از کف هر طبقه و یا زوایای امتداد کابل نسبت به افق در هر طبقه، که یکی از پارامترهای تعیین کننده‌ی سختی جانبی کابل است، از اهمیت خاصی برخودار بوده و باید حالت بهینه‌ی آن پیدا شود. برای رسیدن به حالت بهینه می‌توان زوایای امتداد کابل نسبت به افق را طوری انتخاب کرد که سختی بیشتری به طبقات پایین‌تر برسد. در واقع در این حالت بیشترین مقادیر تغییر مکان جانبی نسبی در سیستم قاب خمشی، بیشترین کاهش را خواهند داشت و به این ترتیب تغییر مکان‌های جانبی نسبی طبقات یکنواخت‌تر خواهد شد.
