Podul cu arc
După mai mult de 2.000 de ani de utilizare arhitecturală, arcul continuă să ocupe un loc proeminent în proiectele de poduri și pe bună dreptate: structura sa semicirculară distribuie în mod elegant compresiunea prin întreaga sa formă și deviază greutatea pe cei doi piloni, componentele podului care preiau direct presiunea.
Forța de tracțiune în podurile cu arc, pe de altă parte, este practic neglijabilă. Curbura naturală a arcului și capacitatea sa de a disipa forța spre exterior reduce foarte mult efectele tensiunii pe partea inferioară a arcului.
Dar, ca și în cazul grinzilor și a grinzilor, chiar și puternicul arc nu poate întrece la nesfârșit fizica. Cu cât este mai mare gradul de curbură (cu cât este mai mare semicercul arcului), cu atât sunt mai mari efectele tensiunii pe partea inferioară a podului. Construiți un arc suficient de mare, iar tensiunea va depăși în cele din urmă rezistența naturală a structurii de susținere.
În timp ce există o cantitate destul de mare de varietate cosmetică în construcția podurilor în arc, structura de bază nu se schimbă. Există, de exemplu, arcuri romane, baroce și renascentiste, toate fiind diferite din punct de vedere arhitectural, dar identice din punct de vedere structural.
Arcul în sine este cel care îi conferă podului omonim puterea sa. De fapt, un arc realizat din piatră nici măcar nu are nevoie de mortar. Vechii romani au construit poduri în arc și apeducte care sunt în picioare și astăzi. Partea complicată, însă, este construirea arcului, deoarece cele două părți convergente ale structurii nu au integritate structurală până când nu se întâlnesc la mijloc. Ca atare, de obicei sunt necesare schele sau sisteme de susținere suplimentare.
Materialele moderne, cum ar fi oțelul și betonul precomprimat, ne permit să construim arcuri mult mai mari decât făceau vechii romani. Arcurile moderne se întind, de obicei, între 61 și 244 de metri (200 și 800 de picioare), dar podul New River Gorge Bridge din Virginia de Vest măsoară un impresionant 1.700 de picioare (518 metri)
Podul suspendat
Așa cum sugerează și numele, podurile suspendate, cum ar fi Podul Golden Gate sau Podul Brooklyn, suspendă carosabilul prin cabluri, frânghii sau lanțuri de la două turnuri înalte. Aceste turnuri suportă cea mai mare parte a greutății, deoarece compresia apasă în jos pe puntea podului suspendat și apoi urcă pe cabluri, frânghii sau lanțuri pentru a transfera compresia către turnuri. Turnurile disipă apoi compresia direct în pământ.
Cablurile de susținere, pe de altă parte, primesc forțele de tensiune ale podului. Aceste cabluri se întind pe orizontală între cele două ancore îndepărtate. Ancorajele podului sunt, în esență, rocă solidă sau blocuri masive de beton în care podul este împământat. Forța de întindere trece la ancoraje și în pământ.
Pe lângă cabluri, aproape toate podurile suspendate dispun de un sistem de grinzi de susținere sub tablierul podului, numit grindă de punte. Acest lucru ajută la rigidizarea tablierului și la reducerea tendinței carosabilului de a se balansa și de a se ondula.
Pontele suspendate pot traversa cu ușurință distanțe cuprinse între 2.000 și 7.000 de picioare (610 și 2.134 de metri), ceea ce le permite să acopere distanțe dincolo de domeniul de aplicare al altor modele de poduri. Cu toate acestea, având în vedere complexitatea proiectării lor și materialele necesare pentru a le construi, ele sunt adesea și cea mai costisitoare opțiune de pod.
Dar nu toate podurile suspendate sunt o minune inginerească a oțelului modern. De fapt, cele mai vechi au fost făcute din iarbă răsucită. Când conchistadorii spanioli și-au croit drum în Peru în 1532, au descoperit un imperiu incaș conectat prin sute de poduri suspendate, realizând deschideri de peste 46 de metri (150 de picioare) peste defileuri adânci de munte. Europa, pe de altă parte, nu avea să vadă primul său pod suspendat decât aproape 300 de ani mai târziu
Desigur, podurile suspendate realizate din iarbă răsucită nu rezistă atât de mult timp, necesitând o înlocuire continuă pentru a asigura călătoria în siguranță peste deschizătură. Astăzi, a mai rămas doar un singur astfel de pod, care măsoară 90 de picioare (27 metri) în Anzi.
Podul suspendat pe cabluri
La prima vedere, podul suspendat pe cabluri poate părea doar o variantă a podului suspendat, dar nu vă lăsați păcăliți de turnurile lor similare și de drumurile suspendate. Podurile suspendate pe cabluri se deosebesc de predecesorii lor suspendate prin faptul că nu au nevoie de ancore și nici de două turnuri. În schimb, cablurile pornesc de la carosabil până la un singur turn care suportă singur greutatea.
Turnul unui pod suspendat pe cabluri este responsabil pentru absorbția și tratarea forțelor de compresiune. Cablurile se atașează de carosabil în diferite moduri. De exemplu, într-un model radial, cablurile se întind din mai multe puncte de pe șosea până la un singur punct din turn, precum numeroasele linii de pescuit atașate la un singur stâlp. Într-un model paralel, cablurile se atașează atât la carosabil, cât și la turn în mai multe puncte separate.
Inginerii au construit primele poduri suspendate pe cabluri din Europa după încheierea celui de-al Doilea Război Mondial, dar proiectul de bază datează din secolul al XVI-lea și de la inventatorul croat Faust Vrancic. Contemporan cu astronomii Tycho Brache și Johannes Kepler, Vrancic a realizat prima schiță cunoscută a unui pod suspendat pe cabluri în cartea sa „Machinae Novae.”
Astăzi, podurile suspendate pe cabluri sunt o alegere populară, deoarece oferă toate avantajele unui pod suspendat, dar la un cost mai mic, pentru deschideri între 152 și 853 de metri (500 și 2.800 de picioare). Ele necesită mai puține cabluri de oțel, sunt mai rapid de construit și încorporează mai multe secțiuni prefabricate din beton.
Nu toate podurile necesită totuși mari grămezi de oțel și beton. Uneori, o rădăcină de copac sau două vor face treaba.
Pontele vii
În timp ce primele poduri nu au fost probabil altceva decât bușteni răsturnați peste pârâuri, cea mai mare parte a moștenirii umanității în materie de construcție de poduri este o poveste de structuri artificiale realizate din elemente. Cu toate acestea, putem găsi una dintre cele mai izbitoare excepții de la această regulă în regiunea Meghalaya din nordul Indiei.
În timpul sezonului musonic, localnicii de aici îndură unele dintre cele mai umede condiții de pe Pământ, iar creșterea apelor de inundație taie pământul în fragmente izolate. Construiește un pod din viță de vie împletită sau din scânduri cioplite și umiditatea pădurii tropicale îl va transforma inevitabil în compost. După cum puteți vedea în fotografie, localnicii au dezvoltat o soluție destul de elegantă la această problemă: își cresc podurile din vegetație naturală. Procedând astfel, ei transferă o mare parte din sarcinile de întreținere a podului către podul însuși.
Crearea unui pod viu necesită răbdare, bineînțeles. Sătenii locali își planifică construcțiile cu un deceniu sau mai mult în avans. Populația War-Khasis, de exemplu, creează sisteme de ghidare a rădăcinilor din jumătăți scobite de trunchiuri vechi de nuci de betel pentru a direcționa rădăcinile smochinului strangulator în direcția dorită. Ei dirijează pur și simplu rădăcinile peste un pârâu sau un râu, îl traversează și permit rădăcinilor să se scufunde în pământ doar pe malul opus. Podurile vii mai mari se laudă cu lungimi de până la 30 de metri (100 de picioare), pot suporta greutatea a 50 de oameni și pot dura până la 500 de ani
Până acum, am abordat cele mai importante două forțe în proiectarea podurilor: compresiunea și tensiunea. Cu toate acestea, zeci de forțe suplimentare afectează, de asemenea, modul în care funcționează podurile. Aceste forțe sunt de obicei specifice unei anumite locații sau proiectări.
Torsiunea, de exemplu, este o preocupare deosebită pentru inginerii care proiectează poduri suspendate. Aceasta apare atunci când vântul puternic face ca șoseaua suspendată să se rotească și să se răsucească ca un val care se rostogolește. După cum vom explora în pagina următoare, podul Tacoma Narrows Bridge din Washington a suferit avarii din cauza torsiunii, care a fost, la rândul ei, cauzată de o altă forță fizică puternică
Forma naturală a podurilor în arc și structura cu grinzi de pe podurile cu grinzi le protejează de această forță. Pe de altă parte, inginerii podurilor suspendate au apelat la ferme de rigidizare a tablierului care, ca și în cazul podurilor cu grinzi, elimină în mod eficient efectele torsiunii.
La podurile suspendate de lungime extremă, însă, doar structura de rezistență a tablierului nu este o protecție suficientă. Inginerii efectuează teste în tunel de vânt pe modele pentru a determina rezistența podului la mișcările de torsiune. Înarmați cu aceste date, ei folosesc structuri aerodinamice de grinzi și cabluri de suspendare diagonale pentru a atenua efectele torsiunii.
Shear: Tensiunea de forfecare apare atunci când două structuri fixate (sau două părți ale unei singure structuri) sunt forțate în direcții opuse. Dacă este lăsată necontrolată, forța de forfecare poate rupe literalmente în două materialele podului. Un exemplu simplu de forță de forfecare ar fi să înfigeți un țăruș lung până la jumătate în pământ și apoi să aplicați o forță laterală împotriva părții laterale a părții superioare a țărușului. Cu o presiune suficientă, ați putea rupe țărușul în două. Aceasta este forța de forfecare în acțiune.
Mai multe forțe de pod: Rezonanța
Vă puteți gândi la rezonanță ca la echivalentul vibrațional al unui bulgăre de zăpadă care se rostogolește pe un deal și devine o avalanșă. Ea începe ca un stimul relativ mic, periodic, al unui sistem mecanic, cum ar fi vântul care lovește un pod. Aceste vibrații, însă, sunt mai mult sau mai puțin în armonie cu vibrațiile naturale ale podului. Dacă nu sunt controlate, vibrațiile pot crește drastic, trimițând vibrații distructive, de rezonanță, care călătoresc printr-un pod sub forma unor unde de torsiune.
Cel mai notabil exemplu de rezonanță a avut loc în 1940, când vibrațiile de rezonanță au distrus podul Tacoma Narrows din Washington. Incidentul a fost deosebit de șocant la acea vreme, deoarece structura a fost proiectată pentru a rezista la vânturi de până la 193 de kilometri pe oră și s-a prăbușit la un vânt de doar 64 de kilometri.
Examinarea atentă a situației a sugerat că grinda de rigidizare a punții podului era insuficientă pentru deschidere, dar numai acest lucru nu putea duce la prăbușirea unei astfel de structuri. După cum s-a dovedit, vântul din acea zi a avut viteza potrivită și a lovit podul exact în unghiul potrivit pentru a declanșa vibrația mortală. Vânturile continue au sporit vibrațiile până când valurile au devenit atât de mari și violente încât au rupt podul în bucăți. Efectul este similar cu cel al unei cântărețe care sparge un pahar cu vocea sa.
Vântul nu este însă singura amenințare potențială. Atunci când o armată mărșăluiește pe un pod, soldații deseori „rup pasul” pentru ca marșul lor ritmat să nu înceapă să rezoneze pe tot podul. O armată suficient de mare care mărșăluiește la cadența potrivită ar putea pune în mișcare vibrația mortală.
Pentru a atenua pe deplin efectul de rezonanță într-un pod, inginerii încorporează amortizoare în proiectarea podului pentru a întrerupe undele rezonante și a le împiedica să crească.
O altă modalitate de a opri rezonanța este de a-i oferi mai puțin spațiu pentru a se dezlănțui. Dacă un pod se mândrește cu o carosabil solid, atunci o undă rezonantă poate parcurge cu ușurință toată lungimea podului și poate face ravagii. Dar dacă carosabilul unui pod este alcătuit din diferite secțiuni cu plăci suprapuse, atunci mișcarea unei secțiuni pur și simplu se transferă în alta prin intermediul plăcilor, generând frecare. Trucul constă în a crea suficientă frecare pentru a schimba frecvența undei rezonante. Schimbarea frecvenței împiedică unda să se formeze.
Vremea, distrugătoare de poduri
În timp ce vântul poate, cu siguranță, să inducă unde de rezonanță distructive, vremea, în ansamblul ei, dezlănțuie o serie de asalturi distructive asupra podurilor pe care le construim. De fapt, munca neîncetată a ploii, a gheții, a vântului și a sării va dărâma în mod inevitabil orice pod pe care oamenii îl pot ridica.
Proiectanții de poduri și-au învățat meseria studiind eșecurile din trecut. Fierul a înlocuit lemnul, iar oțelul a înlocuit fierul. Betonul precomprimat joacă acum un rol vital în construcția podurilor de autostradă. Fiecare nou material sau tehnică de proiectare se bazează pe lecțiile din trecut. Torsiunea, rezonanța și proiectele aerodinamice slabe au dus la eșecuri ale podurilor, dar inginerii își revin continuu cu inovații pentru a rezolva problemele de proiectare.
Vremea, cu toate acestea, este un adversar răbdător și imprevizibil. Cazurile de cedare a podurilor din cauza vremii tind să fie mai numeroase decât cele de cedări legate de proiectare. Această tendință nu poate sugera decât că nu am găsit încă o soluție eficientă. Până în prezent, niciun material de construcție sau proiect de pod specific nu poate elimina sau chiar atenua aceste forțe. La urma urmei, vorbim despre aceleași forțe care degradează lanțuri muntoase întregi și forjează abisuri adânci în pământ. Prin comparație, un pod construit de om nu este nimic.
Ca și în cazul vechilor poduri suspendate ale incașilor, singurul factor de descurajare este întreținerea preventivă continuă.
Spălați decalajul dintre această pagină și următoarea pentru a afla și mai multe despre poduri.
Surse
- Blockley, David. „Bridges” Oxford University Press. 2010.
- „Build a Bridge”. NOVA. Octombrie 2000. (17 mai 2011)http://www.pbs.org/wgbh/nova/bridge/build.html
- Foer, Joshua. „The Last Incan Grass Bridge” (Ultimul pod de iarbă incaș). Slate. Feb. 22, 2011. (17 mai 2011)http://www.slate.com/id/2286002/
- Merchant, Brian. „Living Bridges in India Have Grown for 500 Years” [Podurile vii din India au crescut timp de 500 de ani]. TreeHugger.com. 28 sept. 28, 2010. (17 mai 2011)http://www.treehugger.com/files/2010/09/living-bridges-india-grown-500-years-pics.php
- „Rivers”. Human Planet Explorer. 2011 (17 mai 2011)http://www.bbc.co.uk/nature/humanplanetexplorer/environments/rivers
- Wilford, John Noble. „How the Inca Leapt Canyons” [Cum au sărit incașii peste canioane]. New York Times. 8 mai 2007. (17 mai 2011)http://www.nytimes.com/2007/05/08/science/08bridg.html
.