مواصفات تصميم جسر AASHTO LRFD: أساس هندسة جسر الطريق السريع الأمريكي الحديث

في مجال البنية التحتية المدنية، ضمان سلامة، متانة، وقابلية الخدمة للجسور هو أمر بالغ الأهمية.جسور الطرق السريعةفي جميع أنحاء الولايات المتحدة، والدليل النهائي الذي يحكم تصميمها وبناءمواصفات تصميم جسر AASHTO LRFDتم تطويرها وصيانتها من قبل الرابطة الأمريكية لموظفي الطرق السريعة والنقل (AASHTO) ، هذه الوثيقة الشاملة تمثل ذروة عقود من البحوث والاختباراتو خبرة هندسية عملية، ووضعت نفسها كمعيار وطني لتصميم جسور الطرق السريعة.

ما هي مواصفات تصميم جسر AASHTO LRFD؟

أساساً، فإن مواصفات AASHTO LRFD هي مجموعة منسقة من القواعد والإجراءات والمنهجيات التي يستخدمها المهندسون الهيكليون لتصميم جسور الطرق السريعة الجديدة وتقييم تلك الموجودة.اختصار "LRFD" يعنيتصميم عامل الحمل والمقاومة، مما يعني تحولًا أساسيًا عن فلسفات التصميم القديمة مثل تصميم الإجهاد المسموح به (ASD) أو تصميم عامل الحمل (LFD).

LRFD هوعلى أساس الاحتماليقر صراحةً بعدم اليقين المتأصل في كل من الأحمال التي يجب أن يحملها الجسر طوال حياته (المرور والرياح والزلازل وتغيرات درجة الحرارة ، إلخ).) ومقاومة (قوة) المواد (الخرسانةبدلاً من تطبيق عامل سلامة واحد وعالمي لتقليل قوة المواد (كما هو الحال في ASD) ، تستخدم LRFD عوامل مختلفةعوامل الحمل(γ)عوامل المقاومة(φ).

• عوامل الحمل (γ):هذه مضاعفات (أكبر من 1.0) تطبق على أنواع مختلفة من الأحمال التي قد يعاني منها الجسر.فهي تأخذ في الاعتبار إمكانية أن تكون الأحمال الفعلية أعلى من القيم الاسمية المتوقعة، أن العديد من الأحمال الشديدة قد تحدث في وقت واحد، والعواقب المحتملة للفشل.تتلقى عوامل حمولة أعلى.
• عوامل المقاومة (φ):هذه هي مضاعفات (أقل من أو تساوي 1.0) تطبق على القوة الاسمية لمكون هيكلي (على سبيل المثال، حزمة، عمود، كومة).الصناعة، الأبعاد، ودقة المعادلات التنبؤية المستخدمة لحساب القوة.يتم معايرة العوامل على أساس نظرية الموثوقية وبيانات الأداء التاريخي للمواد المختلفة وأنماط الفشل.

يتم التعبير عن متطلبات التصميم الأساسية في LRFD على النحو التالي:المقاومة العاملة ≥ آثار الحمل العاملةفي الأساس ، يجب أن تكون قوة عنصر الجسر ، مخفضة عن عامل المقاومة ، أكبر أو تساوي التأثير المشترك لجميع الأحمال المطبقة ،كل منهما مضخم بمعامل الحمل الخاص بههذا النهج يسمح بمستوى أكثر عقلانية ومتسقة من السلامة عبر أنواع الجسور المختلفة والمواد ومجموعات الأحمال مقارنة بالطرق القديمة.

مجال التطبيق الرئيسي: جسور الطرق السريعة

المواصفات AASHTO LRFD مصممة خصيصا لتصميم وتقييم وإعادة تأهيلجسور الطرق السريعةويشمل هذا مجموعة واسعة من الهياكل التي تحمل حركة المرور عبر العقبات مثل الأنهار والطرق والسكك الحديدية أو الوديان. وتشمل التطبيقات الرئيسية:

1. تصميم الجسر الجديد:هذا هو التطبيق الرئيسي. توفر المواصفات الإطار لتصميم جميع العناصر الهيكلية لجسر الطريق السريع، بما في ذلك:

البنية العليا:الطوابق، العوارض (الصلب، الخرسانة، الخرسانة المجهدة مسبقاً، المركبات) ، القوالب، المحامل، مفاصل التوسع.

الهيكل السفلي:الرصيف، الركائز، الأعمدة، غطاء الرصيف، جدران الجناح.

المؤسسات:أساسات متوسعة ، أعمدة مدفوعة (الصلب ، الخرسانة ، الخشب) ، أعمدة محفورة ، جدران دعامة متكاملة للجسر.

الملحقات:الحواجز، الحواجز، أنظمة الصرف الصحي (بما يتعلق بالحملات الهيكلية).

2. تقييم وتصنيف الجسر:يستخدم المهندسون مبادئ LRFD وعاملات الحمل لتقييم القدرة على تحمل الحمولة (التقييم) للجسور الحالية ، لتحديد ما إذا كانت قادرة على حمل الأحمال القانونية الحالية بأمان أو تتطلب التثبيت.إصلاح، أو استبدال.
3. إعادة تأهيل وتعزيز الجسور:عند تعديل أو ترقية الجسور القائمة، فإن المواصفات تقود المهندسين في تصميم التدخلات التي تجلب الهيكل إلى الامتثال للمعايير الحالية.
4. التصميم الزلزالي:في حين أنه في بعض الأحيان مفصل في الدلائل المرافقة (مثل AASHTOالمواصفات التوجيهية لتصميم الجسر الزلزالي LRFD), المواصفات الأساسية لـ LRFD تدمج الأحمال الزلزالية وتقدم متطلبات أساسية لتصميم الجسور لمقاومة قوى الزلزال ، وخاصة في المناطق الزلزالية المعينة.
5. تصميم لأحمال أخرى:تتناول المواصفات بشكل شامل العديد من أنواع الأحمال الأخرى والآثار الحاسمة لأداء الجسر ، بما في ذلك أحمال الرياح وقوى الاصطدام بين المركبات (على الرصيف أو السكك الحديدية) ،حمولة الماء والجليد، تأثيرات درجة الحرارة، الزحف، والانكماش، والترسب.

المواصفات مخصصة لجسور الطرق السريعة العامة على الطرق المصنفة على أنها "تصنيفات وظيفية الطرق السريعة" الشريطية والجمعية والمحلية. في حين أنها تشكل الأساس،قد تتطلب الهياكل المتخصصة مثل الجسور المتحركة أو الجسور التي تحمل أحمال ثقيلة بشكل استثنائي معايير إضافية أو معدلة.

خصائص تمييز مواصفات AASHTO LRFD

العديد من الخصائص الرئيسية تحدد مواصفات AASHTO LRFD وتساهم في وضعها كمعيار حديث:

1. المعايرة القائمة على الموثوقية:هذه هي حجر الزاوية. عوامل الحمل والمقاومة ليست عشوائية؛ يتم معايرتها إحصائيا باستخدام نظرية الاحتمالات وقواعد بيانات واسعة من اختبارات المواد،والأداء الهيكليويهدف هذا إلى تحقيق مستوى هدف متسق وقابل للقياس (مؤشر الموثوقية، βيستهدف مؤشر موثوقية أعلى أنماط الفشل مع عواقب أكثر خطورة.
2. المعالجة الصريحة لحالات الحدود المتعددة:التصميم لا يتعلق فقط بمنع الانهيار. LRFD يتطلب التحقق من عدةدول الحدود، كل منها يمثل حالة عندما يتوقف الجسر عن أداء وظيفته المقصودة:

دولة الحد من القوة:منع الفشل الكارثي (على سبيل المثال ، الإعطاء ، الانحناء ، السحق ، الكسر). هذه هي الحالة الأساسية باستخدام معادلة φR ≥ γQ الأساسية.

دول الحد من الخدمة:ضمان الوظائف والراحة في ظل أحمال الخدمة العادية (على سبيل المثال، الانحراف المفرط الذي يسبب تلف الرصيف، التشقق في الخرسانة الذي يقلل من المتانة أو المظهر،اهتزازات تسبب عدم الراحة للمستخدم).

الحد الأقصى للحوادث الشديدة:ضمان البقاء على قيد الحياة والقدرة على الخدمة المحدودة خلال الأحداث النادرة والشديدة مثل الزلازل الكبيرة أو تصادم السفن الكبير أو الفيضانات على مستوى التصميم.في كثير من الأحيان يتم قبول مؤشرات مصداقية أقل هنا بسبب نادرة الحدث.

حالة الحد الأقصى للتعب والكسر:منع الفشل الناجم عن دورات الإجهاد المتكررة على مدى عمر الجسر، وهو أمر بالغ الأهمية للمكونات الفولاذية.

3. مجموعات الحمل المتكاملة:توفر المواصفات مجموعات صريحة من الأحمال (على سبيل المثال، الحمل الميت + الحمل الحي + حمل الرياح؛ الحمل الميت + الحمل الحي + حمل الزلزال) مع عوامل حمولة محددة لكل مجموعة.هذا يدرك أن الأحمال المختلفة التي تتفاعل معًا لها احتمالات مختلفة للحدوث والتفاعلات المحتملةالمزيج الأكثر أهمية يملي التصميم
4. الأحكام الخاصة بالمادة:في حين أن فلسفة LRFD الأساسية عالمية ، تحتوي المواصفات على فصول مفصلة مكرسة لتصميم الهياكل باستخدام مواد محددة (على سبيل المثال ، الهياكل الخرسانية ، الهياكل الفولاذية ،الهياكل من الألومنيومتوفر هذه الفصول معادلات محددة للمواد وعوامل المقاومة وقواعد تفصيلية.
5. ركز على سلوك النظامفي حين أن المكونات مصممة بشكل فردي ، فإن المواصفات تؤكد بشكل متزايد على فهم ومحاسبة سلوك النظام ومسارات الحمل والتكرار.حيث فشل أحد المكونات لا يؤدي إلى انهيار فوري، هي أكثر أماناً بطبيعتها.
6. التطور والتحسين:مواصفات LRFD ليست ثابتة. تقوم AASHTO بتحديثها بانتظام (عادةً كل 4-6 سنوات) من خلال عملية إجماع صارمة تشمل وزارات الدولة وخبراء الصناعة والباحثين ،و FHWAويتضمن ذلك أحدث نتائج البحث (على سبيل المثال، تحسين فهم سلوك الخرسانة، والنهج التصميم الزلزالية المكررة، والمواد الجديدة مثل الصلب HPS أو UHPC)يعالج الدروس المستفادة من أداء الجسر (بما في ذلك الفشل)، وتستجيب للاحتياجات المتطورة مثل استيعاب الشاحنات الأثقل أو تحسين القدرة على الصمود أمام الأحداث القاسية.
7. الشمولية:تغطي الوثيقة نطاقًا واسعًا ، من فلسفة التصميم الأساسية وتعريفات الحمل إلى تفاصيل معقدة لتصميم المكونات ، وتحليل الأساس ، والإجراءات الزلزالية ، والمتطلبات الهندسية,وتسعى إلى أن تكون دليلًا مستقلًا لتصميم جسور الطرق السريعة.
8. التوحيد الوطني:من خلال توفير نهج موحد ومؤسس علمياً ، تضمن مواصفات AASHTO LRFD مستوى متسق من السلامة والأداء وممارسات التصميم لجسور الطرق السريعة في جميع الولايات ال 50.هذا يسهل التجارة بين الولايات و يسهل عملية مراجعة التصميم.

تمثل مواصفات تصميم جسر AASHTO LRFD أحدث الممارسات في هندسة جسر الطرق السريعة في الولايات المتحدة.فلسفة LRFD الأساسية تضم نظرية الاحتمال والموثوقية لتحقيق نظرية أكثر عقلانية، مستوى متسق وقابل للقياس.تغطي كل شيء من المبادئ الأساسية إلى قواعد التصميم المختلفة للمواد المعقدة لجميع مكونات الجسر الرئيسية تحت مجموعة واسعة من الأحمال وحالات الحد، يجعلها المرجع الضروري لتصميم جسور الطرق السريعة الجديدة، وتقييم الجسور القائمة، وتخطيط إعادة التأهيل.الخصائص المميزة للمواصفات، والتحقق من الحد الصريح للدولة، ومجموعات الحمل المتكاملة، والالتزام بالتطور المستمر من خلال البحوث والخبرات العمليةحماية سلامة وطول عمر البنية التحتية للجسر السريع الحيوي في البلاد لعقود قادمةبالنسبة لأي مهندس هيكلي يشارك في أعمال جسور الطرق السريعة في الولايات المتحدة ، فإن إتقان مواصفات AASHTO LRFD ليس مفيدًا فحسب ؛ إنه أساسي.