هندسة الجسور


يفرض ان لديك بحيرة صغيرة واردت ان تعبر الى الجهة الاخرى ويوجد لديك شجرة او عرقاً من الخشب مقطوع فاذا وضعته و وصلت بين الطرفين فهذا جسر ولكن تختلف الجسور حسب استخدامها.

هناك اكثر من تقسيم للجسور فمنها حسب الانشاء الهندسي و منها حسب عدد الطرق الخارجة منه ومنها الثابت والمتحرك. فمن حيث التصميم الانشائي يوجد اكثر من نوع وهي كلاتي :

جسور ذات اعمدة “Beam bridge”.
جسور جملونية “Truss bridge”.
جسور قوسية “Arch bridge”.
جسور معلقة “suspension bridges”.
جسور مدعومة بالاسلاك “Cable-stayed bridge”.

والنوع الاخير هو اشهر واكثر الجسور انتشاراً في القرن الحادي والعشرين .

ومن احد اهم الاختلافات بين هذه الانواع هو المسافات بين الدعامات، فالجسور ذات الاعمدة تمتد الى ٦٠ متر والجسور الحديثة من الجسور القوسية يمكنها الامتداد بشكل آمن من ٢٤٠ الى ٣٠٠ متر والجسور المعلقة يمكنها الامتداد من ٦١٠ الى ٢١٣٤ متر.

ولكن مهما اختلفت تتزن جميع تلك الانواع تحت تاثير قوتين هما قوة الضغط والشد.

جميع انواع الجسور تعرف تلك القوتين.

ما يميز الجسور القوسية هو الامتداد اكثر من الجسور ذات الاعمدة وما يميز الجسور المعلقة هو الاستطالة بسبع اضعاف الاستطالة الحادثة في الجسور القوسية؟

الاجابه تكمن في قوى الشد والضغط المؤثرة على الجسر.

حمل الشد : جميعنا لعب في الصغر لعبة الحبل والتي يقوم فريق بجذب الحبل من جهة ومن الجهة الاخري يقوم فريق اخر بجذبه ماذا يحدث عندما يتعرض الحبل لحمل شد من كلا الطرافين واذا تساوى الحمل يبقى الحبل مستقر واذا ازداد في احد الاطراف يفوز الفريق ولكن لو ازداد بمقدار كبير ينقطع الحبل. وهذا ما يحدث مع الجسور فالجسر يتعرض لحمل شد من الطرفين ناتج عن القوة المؤثرة على الجسر.

حمل الضغط : ماذا يحدث عند الضغط على نابض طبقاً لقانون هوك انه سيحدث تغير في الطول بمعدل نقص فينضغط و من هنا يتولد حمل الضغط وهو المعاكس لحمل الشد.

حملي الضغط والشد يتواجدون معاً في جميع انواع الجسور وكما موضح في الصورة بالاعلي يتحمل الجسر احمال الضغط و الشد طبقا للاحمال المؤثرة عليه ويمكن اذا زاد احد الاحمال ان يدمر جزء من الجسر. وهذه هي وظيفة الجسر التي يصممها المهندس من اجلها ان يتحمل الاحمال الناتجة عن القوة المؤثرة عليه ماعدا الانبعاج والتقصف.

الانبعاج : يحدث عندما يزداد الضغط على الجسم بصورة كبيرة فيحدث تقوس في الجسم .

التقصف : يحدث عندما يزداد الشد على الجسم بصورة كبيرة فيحدث قطع في الجسم لانه تجاوز حد الاستطالة المسموح بها لهذا الجسم. وافضل طريقه للتعامل مع هذه القوى هو نقلها او توزيعها على المنشآ باكمله فيتولد حمل موزع على الجسر وليس مركز.

الجسور ذات الاعمدة

كل ما عليك فعله هو تصميم العمود – منشأ خراساني او معدني افقي صلب – و دعامتين واحدة عند كل طرف حتي تحمل المنشآ و بدوره يقوم بتحمل وزن الجسر نفسه واي حمل من الاحمال التي تعبر عليه.

وبجانب تحمل الجسر لتلك الاحمال وايضا يتحمل حملي الضغط والشد وسوف نقوم بالايضاح كيف يمكن للجسر تحمل هذه الاحمال .

نفرض ان لديك ٤ عبوات فارغة وقمنا بوضع اثنان في وضع افقي وتستند على الباقي فهذا هو جسر ذو اعمدة، ولكن ماذا يحدث اذا قمت بوضع ثقل على تلك المنظومة, سوف يحدث انحناء نتيجه وزن الثقل الموضوع ويكون اتجاهه الى الاسفل نتيجة حمل الضغط.

ويتعرض الجزء السفلي الى انحناء الى الخارج نتيجه حمل الشد. بيمنا العبوة التي تمثل الاعمدة سوف يحدث عندها التواء (انبعاج).

ما يتحكم في المسافة التي يمتدها الجسر هو طول العمود، وعن طريق زيادة الارتفاع الخاص بها يمكن زيادة مقاومة الشد، ولانشاء عمود طويل للغاية يقوم المهندس بالحاق جملون للاعمدة الخاصة بالجسر وذلك يقاوم الضغط والشد ولكن تلك الجسور لا يمكنها الامتداد الى مسافات كبيرة للغاية حيث ان هذا سوف يجعل عدد الجملونات كثير للغاية لدرجة تجعله لا يتحمل وزن الاعمدة نفسها ومن هنا يتحول الى جسر جملوني.

الجسور الجملونية

اذا سافرت حول العالم باسره سوف ترى تلك الجسور الجملونية و التي هي في الاصل جسور ذات اعمدة ولكن تم الحاق الجملون بها في التصميم حتي يزيد من قوه تحملها.

في بدايات الثورة الصناعية كانت الجسور ذات الاعمدة هي الشائعة ولكن قام المهندسون الامريكان بادخال التعديلات عليها و وضع جملونات خشبية بها ولاحقا تم استبدالها بالمعدنية.

والاختلاف في تلك الصورة الموضحة هو في الواقع ناتج عن الاختلاف في بناء الجسور ذات الاعمدة، فالبعض يحتوي على جملون علوي “Through Truss” و البعض الاخر يحتوي على جملون سفلي “Deck Truss” وفي كلا الحالتين يكون الطريق فوق الاعمدة.

ويتتحمل الجزء العلوي من الاعمدة قوة الضغط و السفي قوة الشد من عند الاطراف وفي المنتصف تتعرض لحملي الضغط والشد معا.

ولهذ السبب نستخدم الجملونات حيث تمكننا من تصميم جسور يمكنها الامتداد الى مسافات طويلة وتتحمل قوى اكبر بفضل تصميم الجملون الذي يوزع الاحمال على الاعضاء الخاصة به.

الجسور القوسية

وبعد اكثر من ٢٠٠٠ عام من الانشاء المعماري لهذا النوع من الجسور الا انه يستخدم حتى الان ولاستخدامه سبب قوي وهو انه يوزع الضغط على التصميم باكمله ويوزع الوزن على الاعمدة.

ماذا عن حمل الشد؟

في الواقع يتم اهماله تقديرياً وهذا بفضل القوس حيث انه يقوم بتوزيع القوة بشكل مذهل الى الخارج وهذا يقلل تاثير حمل الشد على الجزء السفلي للقوس.

لا يمكن للجسور القوسية الامتداد الى الابد حيث انه بزيادة معدل التقعر (زياده نصف قطر نصف الدائرة اي القوس) يزداد حمل الشد تدريجيا الى ان يصل الى مرحلة يقوم بالتاثيرعلى الاعمدة مما يتسبب بمرور الوقت بانهيار الجسر.

واول من بني تلك النوع من الجسور هم الرومان ولكن كانوا يستخدمون الحجارة في البناء وهذا سبب عدم امتداده الى مسافات كبيرة نسبياً اما في الوقت الحاضر يستخدم المهندسون الخرسانة والحديد فيعطيهم جسور قوسية اقوي من التي صممها الرومان و يمكنها الامتداد الى مسافات اكبر.

جسور معلقة

كما يبدوا من الاسم هي جسور معلقة مثل جسر البوابة الذهبية بكاليفورنيا و جسر بروكلين بنيويورك فهي جسور تعلق الطريق بكوابل او سلاسل طويلة متصلة بابراج كبيرة، مهمة تلك الابراج هي تحمل الوزن بشكل كبير في صورة حمل شد يتركز على قضبان الجسر ومن ثم تقوم تلك السلاسل بنقل حمل الشد عليها الى الابراج والتي تقوم بنقلها الى سطح الارض.

بالاضافة الى الكوابل فكل الجسور المعلقة تلحق بنظام جملوني في اسف الجسر تسمى قضبان جملونية ومهمتها هي تحمل الطريق نفسه حيث انه يبني فوقها.

ويمكن لهذه الجسور انت تمتد الى مسافه تتراوح من ٢٠٠٠ الى ٧٠٠٠ قدم وهذا يجعلها تمتد بشكل اكبر عن باقي الانواع الاخرى من الجسور.

جسور مدعومة بالاسلاك

من النظرة الاول يمكنك القول بان الجسور المدعومة بالكوابل هي نوع من الجسور المعلقة نظرا للتشابه بين البرج و الكوابل او السلاسل ولكن هذا ليس صحيحاً والفرق في ان تلك الجسور تختلف عن السابقه لها في هذا المقال بانها لا تحتاج الى ما يصل بين الاعمدة والبرج ولا تحتاج الى برجين وبدل كل هذا تعتمد على اتصال الكوابل بالطريق العلوي نفسه.

مهمه البرج هنا هي امتصاص و تحمل حمل الشد الذي يتعرض له الجسر بينما تتحمل الاسلاك حمل الشد. كما هو موضح بالصورة.

ولكن ما هي مميزات تلك النوع من الجسور عن الجسور المعلقة؟

في الواقع هي يمكنها الامتداد لمسافة اقل وهذا يعني انها توفر في التكلفة عن الجسور المعلقة فهي تستخدم حديد تسليح اقل وعدد اقل في الاسلاك و تعتمد على اجزاء خرسانية اكثر من النوع السابق ويتم بنائها اسرع من الجسور المعلقة.


المصدر