توزيع القوى على الجسور

القوات الموزعة:

القوة الموزعة هي أي قوة يكون فيها تطبيق القوة مساحة أو حجمًا، هذا يعني أن “نقطة التطبيق” ليست حقًا نقطة على الإطلاق، على الرغم من صعوبة تحليل القوى الموزعة مقارنة بالقوى النقطية، إلا أن القوى الموزعة شائعة جدًا في أنظمة العالم الحقيقي، لذا من المهم فهم كيفية نمذجتها.

كما أن القوات الموزعة يمكن تقسيمها إلى القوات السطحية وقوات الجسم، قوى السطح هي قوى موزعة، حيث نقطة التطبيق هي منطقة (سطح على الجسم)، قوى الجسم هي قوى، حيث نقطة التطبيق هي الحجم (القوة تمارس على جميع الجزيئات في جميع أنحاء الجسم).

تمثيل القوات الموزعة:

يتم تمثيل القوات الموزعة كمجال من النواقل، ويتم رسم هذا على شكل عدد من المتجهات المنفصلة على طول خط أو فوق سطح أو فوق وحدة تخزين متصلة بخط أو سطح.

تحليل القوى الموزعة:

لأغراض التحليل في الإحصائيات والديناميكيات، سنقوم عادة باستبدال قوة نقطة واحدة تكافئ بشكل ثابت القوة الموزعة في المشكلة، تسمى هذه القوة المفردة بنقطة الحمل المكافئ وستتسبب في نفس التسارع أو قوى التفاعل مثل: القوة الموزعة أثناء تبسيط الرياضيات، وفي قوة سياق المواد، حيث لا تكون الأجسام صلبة، ولن يعمل هذا الاستبدال، ومع ذلك لأن القوى الموزعة لن تُسبب نفس التشوهات والضغوط مثل قوة النقطة، حيث إن هذا ينطبق تماماً على الجسور وأجسامها.

كيفية توزيع القوى على الجسور:

تتوزع القوى بعدة طرق على أنواع مختلفة من الجسور:

جسر الشعاع: جسر شعاع السطح، حيث أن السطح في حالة شد وضغط، كما يمكن ضغط العارضة وتمديدها حسب الظروف، كما أن الدعامات تكون في حالة ضغط، مما يعني أنه يتم ضغطها دائمًا.

جسر القوس: يدعم جسر القوس الأحمال عن طريق توزيع الضغط عبر القوس وأسفله، الهيكل دائما يدفع على نفسه.

الجسر المعلق: أبراج (أرصفة) الجسر المعلق في حالة انضغاط والسطح معلق من الكابلات المشدودة.

جسر معلق بأسلاك فولاذية: يشبه الجسر المعلق بالكابل الجسر المعلق، ومع ذلك فإن السطح يتدلى مباشرة من الأرصفة الموجودة على الكابلات، كما أن الأرصفة في حالة ضغط والكابلات في حالة شد، والسطح يختبر كلا القوتين.

جسر التروس: جسر الجمالون هو شكل مختلف من هيكل الشعاع مع تعزيزات محسّنة، حيث أن السطح في حالة شد والدعامات تتعامل مع كل من الشد والضغط، مع الشد القطري، والعمودي في حالة الانضغاط.

جسر ناتئ: الجسر الكابولي هو أحد أبسط الأشكال التي يجب فهمها، بشكل أساسي يعالج قوى الشد (السحب) فوق سطح الجسر وقوى الضغط (الدفع) أدناه.

هناك ما يسمى بجسر الهيكل النحتي :هذا الهيكل النحتي هو نوع من الجسور، يشار إليه عادة باسم جسر الشباك، يتكون من ثمانية أقسام مثلثة معلقة معًا، الجسر قادر على “فك العقدة” للسماح للمشاة بعبوره و “الالتفاف” للسماح للقوارب بالمرور.

عندما يكون الهيكل في حالته “غير الملتفة”، فإنه يبدو ويعمل مثل جسر الجمالون، ويتم استخدام نظام من المكابس الهيدروليكية لتدحرجها إلى شكلها المثمن المغلق.

جسر غيتسهيد ميلينيوم نيوكاسل: غالبًا ما يشار إلى هذا الهيكل المبتكر باسم جسر “الإمالة”، تستخدم نظامًا هيدروليكيًا متقدمًا لرفعه بعيدًا عن الطريق عند مرور القوارب.

في حين أن هذا يبدو بسيطًا بدرجة كافية، حيث يجب أن يتعامل هذا الجسر مع مشكلات الشد والضغط الفريدة، كما أنها تستفيد من ميزات التعليق وتصميمات الكابلات التي يتم دفعها (وتمتدها) إلى أقصى حدود عندما يكون الجسر في حالة حركة، يضيف هذا الهيكل بعدًا جديدًا لهندسة الجسور القياسية.

تصميم الجسر بسيط ومعقد في نفس الوقت:يوازن الجسر باستمرار قوى الانضغاط في مواقع معينة مع قوى الشد في أماكن أخرى، لذلك لا تتغلب قوة ساحقة خاصةً الجاذبية، على الهيكل في أي وقت، مما يؤدي إلى تلف أو انهيار.

الضغوطات التي تتجاوز الجاذبية:

العامل المعقد هو أن الضغط والشد على الجسر يتغيران باستمرار بسبب الضغوطات مثل:

تغيير الأحمال: سيكون من السهل بناء الجسور إذا بقيت الأحمال عليها ثابتة، القوات عليهم لن تتغير أبدا، حيث إن الحقيقة هي أن الأحمال يمكن أن تختلف بشكل كبير وديناميكي على مدار اليوم وبمرور الوقت.

تحمل الجسور كل شيء من القطارات والسيارات والشاحنات والمشاة إلى خطوط المياه والبنية التحتية الأخرى للمرافق، حيث يتغير حجم حركة المرور وحجم المرافق على مدار اليوم، مما يتسبب في اختلافات كبيرة في الحمل المباشر، والتي يمكن أن تزيد وتقليل قوى الشد والضغط عبر الهيكل.

مثال: عندما يسافر خط سكة حديد فوق جسر، ينحني الهيكل وينثني، ثم يعود إلى حالته الأصلية المريحة بمجرد مرور القطار.

القوى البيئية: تتفاعل الجسور باستمرار مع الطبيعة الأم، حيث تشمل المصادر البيئية للشد:

• المد والجزر والأمواج والمياه الاحتياطية: الماء من أقوى القوى على وجه الأرض، وغالبًا ما يقوم المهندسون بإدخال الفتحات في دعامات الجسر للسماح بتدفق المياه من خلالها بدلاً من الدفع ضدها.

• الرياح:يمكن أن تتسبب هبوب رياح كبيرة في تأرجح الجسور وانحرافها، حيث إن الحديثة أخف وزنا وأكثر انسيابية، مما يسمح للرياح بالمرور من خلالها، مما يمنعها من الحركة.

• الزلازل: تتسبب القوى الزلزالية في اهتزاز أجزاء الجسر وتصطدم ببعضها البعض، مما قد يجعلها تنهار، كما يشتمل المصممون على مخمدات لامتصاص الاهتزازات والمصدات لمنع الأقسام من الاصطدام ببعضها البعض على الجسور في مناطق الزلازل النشطة.

• يمكن أن يكون للأعاصير والعواصف الكبرى الأخرى آثار مدمرة على المناطق المكشوفة من الجسور، غالبًا ما تقوم فرق البناء بتركيب معدات واقية حول الأقسام المعرضة للخطر، مثل البنية التحتية للمرافق.

• الجليد والبرد والعواصف الثلجية: يتسبب الطقس البارد وظروف التجميد في تقلص بعض عناصر الجسر، حيث يمكن أن يكون للذوبان تأثير معاكس، لقد تفاقمت آثار التوسع والانكماش في الظروف المناخية الأكثر قسوة، واليوم يفسر المهندسون ذلك من خلال دمج مكونات أكثر استجابة ومرونة في الجسور المقامة في الأماكن الباردة.

الحوادث وغيرها من الأحداث غير المتوقعة:

يمكن أن تؤدي حوادث المرور والبناء والقوارب التي تصطدم بالدعامات والانفجارات إلى إجهاد كبير للجسر، وفي بعض الأحيان الفشل، كما يمكن للبناة الاستفادة من المواد القوية المقاومة للحريق وعناصر العزل للحد من تأثير الأحداث المتطرفة على توازن القوى التي تؤثر على الجسر.

قد تتسبب بعض القوى الموضحة أعلاه في حدوث أضرار كارثية فورية للجسور أو الفشل النهائي، تتآكل هذه الضغوط أيضًا في الجسور بمرور الوقت، مما يؤدي إلى أضرار طويلة المدى، مثل الكائنات الحية.

تمتلك الجسور طرقًا للتواصل مع شعورهم بالشد المفرط، حيث يجب على المفتشين والمديرين والمهندسين البحث عن هذه العلامات، يمكن أن يساعدهم في الحفاظ على الهياكل القائمة آمنة وتزويدهم بالمعلومات التي يحتاجونها لتصميم هياكل أكثر دواما واستجابة في المستقبل.