Poduri suspendate pe cablu

Dezvoltare, realizări și posibilități

Structurile suspendate pe cablu sunt cele mai tinere, cele mai rapide și cele mai promițătoare sisteme de poduri.

Podurile suspendate pe cablu sunt o subcategorie a structurilor suspendate. Un pod suspendat pe cabluri este similar cu un pod suspendat prin faptul că are turnuri și o punte-girder susținută de cabluri; cu toate acestea, cablurile sale diagonale transferă sarcinile verticale de la punte direct la turnuri. Astfel, puntea-girder principală a unui pod suspendat pe cabluri funcționează ca o grindă continuă pe suporturi de cabluri (mai flexibile decât suporturile de piloni), cu o forță de compresie suplimentară pe întreaga punte. Un pod cu cabluri este, de asemenea, un sistem precomprimat, deoarece cablurile sale sunt tensionate suplimentar pentru a contrabalansa o parte semnificativă a sarcinilor verticale de pe puntea-girder principală.

Podul Strömsund din Suedia, finalizat în 1956, cu o deschidere principală de 182 de metri (597 de picioare), este considerat primul pod modern cu cabluri. În următorii 65 de ani, podurile suspendate pe cabluri au cunoscut o creștere spectaculoasă atât în ceea ce privește numărul de structuri noi, cât și în ceea ce privește realizările cu deschidere lungă. Până în 1995, existau doar 3 poduri suspendate pe cabluri cu deschideri de peste 500 de metri (1.640 de picioare); 25 de ani mai târziu, există deja 67 de poduri suspendate pe cabluri cu deschideri de peste 500 de metri (inclusiv trei poduri cu deschideri de peste 1.000 de metri sau 3.280 de picioare). Alte 29 cu deschideri de peste 500 de metri, dintre care unele de peste 800 de metri (2.624 de picioare), sunt în prezent în construcție.

Gama eficientă a podurilor suspendate pe cabluri se îndreaptă spre deschideri și mai mari. Nu există niciun alt sistem structural de poduri care să prezinte o dezvoltare atât de rapidă. Cele mai multe poduri cu cabluri sunt frumoase din punct de vedere vizual, iar unele dintre ele se numără printre cele mai impresionante realizări inginerești.

Origini și precedente

Ideea sistemului cu cabluri a fost poate inspirată de podurile turnante ale castelelor medievale și de catargele cu frânghii de frânghie ale navelor înalte. Prima imagine documentată a unui pod cu cabluri apare în Machinae Novae, o carte a lui Fausto Veranzio publicată în 1615.

Predecesoarele podurilor moderne cu cabluri au apărut în secolul al XIX-lea sub forma diferitelor combinații hibride de sisteme de suspendare cu cabluri drepte diagonale suplimentare, ca în cazul podului Albert Bridge, Marea Britanie (1873). Cea mai cunoscută dintre aceste structuri hibride este Podul Brooklyn, New York, 1883, cu o deschidere principală de 486 de metri (1.594 picioare), pentru care John Roebling a folosit cabluri diagonale pentru rigidizarea structurii.

În anii 1960 și 1970, sistemul a fost dezvoltat în continuare pentru a înlocui multe dintre podurile distruse în Germania în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. În această perioadă, sistemul a fost utilizat și pentru structurile de acoperiș care necesitau spații lungi, fără coloane, în clădiri. Inițial, structurile cu cabluri au fost folosite pentru deschideri de poduri cu deschideri cuprinse între 60 și 250 de metri (196 și 820 de picioare), dar astăzi ele acoperă distanțe mult mai mari și sunt singurul sistem care sfidează podurile suspendate în deschideri foarte lungi. Întinderile lor au crescut la 302 metri (990 de picioare) în 1959, cu podul Severin (Germania), la 404 metri (1.325 de picioare) în 1974, cu podul Saint Nazaire (Franța), și la 856 de metri (2.808 picioare) în 1995, cu podul Normandia al lui Michel Virlogeux (Franța). În prezent, podul de pe insula Russky (Rusia) are cea mai lungă deschidere din acest sistem, 1.104 metri (3.622 picioare) realizată în 2012 (figura 1).

În Statele Unite, putem menționa al doilea pod Sunshine Skyway Bridge cu o deschidere de 366 de metri (1.200 de picioare) în 1987 (Florida), podul Dames Point Bridge cu o deschidere de 396 de metri (1.300 de picioare) în Florida și podul Arthur Ravenel Bridge cu o deschidere de 471 de metri (1.545 de picioare) în 2005 (Carolina de Sud).

Specificități ale sistemului

Principalele elemente ale unui pod suspendat pe cabluri sunt turnurile sau pilonii, grinda (grinzile) de punte, stâlpii de cabluri, ancorele și fundațiile. Turnul și pilonul sunt termeni interschimbabili; turnurile mai ușoare și mai subțiri sunt adesea numite piloni. Podurile suspendate pe cabluri clasice sunt simetrice, cu o deschidere centrală, două deschideri laterale și două turnuri; astfel sunt majoritatea podurilor suspendate pe cabluri cu deschideri de peste 600 de metri. Cablurile de rezervă se pot întinde pe mai multe deschideri laterale.

Podurile etajate simetrice au o deschidere principală și una laterală, cu un singur turn. Podurile suspendate pe cabluri cu mai multe deschideri au două sau mai multe deschideri principale (de obicei egale). Mai multe exemple sunt prezentate în figura 2.

Câteva subdiviziuni sunt utilizate pentru podurile suspendate pe cabluri: poduri extradosate, cu deschideri inferioare (sub punte), cu leagăn, cu grindă Fink inversată și cu tensordine. Cablurile de la turnuri pot fi dispuse în configurație paralelă (harpă), în evantai, în stea sau mixtă. Pentru turnuri se folosesc diverse soluții structurale: piloni simpli, portaluri cu două picioare (verticale, ușor înclinate, independente sau interconectate ca o ramă de portal, cu arcuri în formă de „A”, „H”, „Y” sau „Y” inversat).

Turnurile pot fi continue deasupra și dedesubtul punții, susținând atât puntea, cât și cablurile, sau partea superioară poate susține numai cablurile, în timp ce puntea-girder este susținută direct de piloni. Exemple sunt prezentate în figura 3.

Materialele principale de construcție utilizate la podurile cu cabluri sunt:

• Pentru punți: beton armat sau precomprimat, punți compozite beton-oțel sau punți din oțel ortotropic;
• Pentru grinzile punților: grinzi din beton precomprimat sau oțel, grinzi-cutie din beton precomprimat sau oțel, similare celor din podurile suspendate moderne;
• Pentru turnuri: oțel, beton armat sau precomprimat, oțel-beton compozit;
• Pentru cabluri: fire de oțel de înaltă rezistență, de obicei de clasa 270 (270 ksi, sau 1.860 MPa), construite din 7 fire, ⅜ inch (9.5 milimetri), conform ASTM A886, alte fire de oțel de calitate superioară, polimeri ranforsați cu fibre de carbon (CFRP) sau materiale compozite. Betonul precomprimat a fost utilizat în trecut, dar ar trebui evitat, deoarece s-a dovedit nesigur în cazul unor eșecuri, cum ar fi podul Morandi;
• Pentru piloni și fundații: beton armat cu sau fără piloți, în funcție de sol.

Pentru poduri cu deschidere lungă, fundații pe soluri moi sau pentru poduri în zone cu risc seismic ridicat, este de preferat să se utilizeze structuri predominant din oțel pentru a reduce greutatea proprie și forțele seismice aferente.

Proiectare conceptuală

Cea mai importantă parte a proiectării podurilor este conceptul general pentru structura și elementele sale: selectarea sistemului structural adecvat pentru pod, având în vedere funcția sa specifică, amplasarea pe amplasament și deschiderile necesare. Un concept bine ales determină eficiența și economia podului, economisește materiale, costuri și timp de construcție. Conceptele de proiectare bune reduc la minimum problemele și dificultățile viitoare atât în biroul de proiectare, cât și pe șantier.

Pentru proiectarea primelor poduri suspendate pe cabluri, inginerii au folosit un număr relativ mic de cabluri. După ce au dobândit mai multă experiență și odată cu introducerea software-ului de proiectare structurală, inginerii au putut utiliza un număr mai mare de tiranți de cablu, reducând solicitarea asupra grinzii tablierului și conducând la o mai mare eficiență și la deschideri mai lungi.

Bazele proiectării podurilor cu cabluri sunt următoarele: sarcinile verticale de pe tablier sunt susținute de tiranți de cablu diagonali care transferă aceste sarcini către turnuri. La turn, componentele orizontale ale cablurilor de la traveea principală sunt în echilibru cu cele de la traveele laterale/adiacente. Turnurile susțin și transferă sarcina verticală către fundații. În mod similar, componentele orizontale de compresiune cumulate ale sarcinilor din traveea principală sunt în echilibru cu componentele de compresiune ale sarcinilor din traveele laterale. Prin urmare, întregul sistem de pod este în echilibru cu forțe de compresiune predominante în turnuri și în sistemul de tabliere, precum și cu forțe de întindere în cablurile de susținere. Sistemul este autoechilibrat, cu condiția ca toate elementele să fie proiectate corect pentru a susține solicitarea maximă din cea mai mare combinație posibilă de sarcini.

Provocarea pentru inginerul proiectant este de a selecta o combinație adecvată dintre multiplele variante posibile de turnuri, aranjamente ale tiranților de cabluri și sisteme de tablier. La fel ca toate structurile suspendate, podurile cu cabluri sunt sensibile la deformații și este necesar să se verifice starea deformată a sistemului pentru toate combinațiile de sarcini, inclusiv cele din timpul diferitelor faze de construcție.

Programele informatice de proiectare structurală de astăzi ajută foarte mult inginerii în calculul podurilor cu cabluri. După alegerea parametrilor principali ai sistemului, este esențial să se stabilească dimensiunile și secțiunile de pornire ale punții-girder, cablurilor și turnurilor. O abordare simplă de proiectare va ajuta la stabilirea acestor dimensiuni.

Pentru început, proiectantul poate folosi o grindă de substituție cu sprijin simplu pentru determinarea momentelor încovoietoare aproximative pentru puntea-girder a deschiderii principale. Pretensiunea ascendentă a pretensionării cablurilor de susținere poate compensa cea mai mare parte a momentelor provenite din sarcinile permanente de pe punte. Acest lucru se realizează prin tensionarea suplimentară a cablurilor după montarea elementelor principale pentru a contracara sarcinile permanente, rezultând o încovoiere verticală minimă a punții-girder. Cablurile ar trebui să fie tensionate suplimentar pentru a contracara 50% din sarcinile temporare combinate în jos (sarcini vii, vânt, zăpadă, gheață și cutremur). În acest fel, momentele de încovoiere de lucru ale punții-girder vor varia în timpul funcționării aproximativ între 50% din momentele pozitive (de la cea mai rea combinație de sarcini temporare) și 50% din momentele negative de la sarcinile temporare. Această „primă etapă” determină momentele de proiectare pentru puntea-girder a deschiderii principale. Compresiunea în grinda punții datorată componentelor orizontale ale forțelor de susținere a cablurilor este suma cumulativă a acestor componente, aproximativ 55-65% din sarcinile verticale totale pe traveea principală, în funcție de deschidere, de numărul de cabluri și de înălțimea conexiunilor cablurilor la turn. Forța de compresiune cumulativă (ΣPc) în puntea-girder este egală cu suma tuturor forțelor de compresiune Pci la conexiunile cablurilor (figura 4) la punte: forța de tracțiune a cablului Pcable = Pv/sin α,

Pci este forța de compresiune în podul-girder din componenta orizontală a forței cablului,

Pvi este forța verticală DL + LL aplicată la conexiunea cablului la puntea-girder plus componenta verticală a forței de întindere aplicată suplimentar,

Li este distanța orizontală de la această conexiune la turn și

Ht este înălțimea acestei conexiuni de cablu la turn deasupra punții.

Un calcul inițial simplificat pentru forța de compresiune cumulativă este furnizat de:

unde:

:

ΣPc este forța de compresiune cumulativă în punte-girder, maximă la turnuri,

ΣPv este suma tuturor forțelor verticale descendente pe puntea deschiderii principale,

Lmax este lungimea deschiderii principale,

Ht este înălțimea conexiunilor cablurilor la turn deasupra punții, așa cum se arată în figura 4 pentru configurația cablurilor în evantai sau în harpă, și

Lgr este lungimea totală a grupului de cabluri pentru configurația în harpă.

Suma forțelor orizontale ale tuturor cablurilor la turn (din traveea principală) este egală cu forța de compresiune cumulată în podul-girder al traveei principale, echilibrată de o forță egală pe partea opusă.

Aceste calcule vor permite proiectantului să stabilească dimensiunile inițiale de proiectare pentru cabluri, punte-girder și turn, care vor fi utilizate în modelul computerizat pentru ajustări și perfecționări ulterioare ale sistemului. Puntea-girder trebuie proiectată pentru compresiune și încovoiere de la sistemul de cabluri-stay și pentru proiectarea tipică a tablierului de pod pentru sarcini verticale moarte și vii. Abordarea inițială descrisă mai sus va ajuta la atingerea mai rapidă a obiectivului final dorit.

Eficiență și economie

Podurile cu cabluri sunt eficiente din punct de vedere al costurilor, al materialelor și al timpului de construcție. Ele au o eficiență mai bună decât alte sisteme de poduri, singurul concurent fiind sistemele suspendate, permițând în același timp metode de construcție mai simple. Un avantaj suplimentar al podurilor suspendate pe cabluri este gama mai mare de deschideri eficiente, de la deschideri de 100 de metri (328 de picioare) la deschideri de peste 1.000 de metri (3.280 de picioare).

Multitudinea de posibilități ale sistemului oferă inginerilor și arhitecților numeroase opțiuni de proiectare. Structurile de „rază medie-lungă” permit mai multă creativitate, originalitate și posibilități pentru lucrări inovatoare. Un pod suspendat pe cabluri nu trebuie să fie extravagant. Podul cel mai simplu, cu o structură „sinceră”, este adesea cel mai bun și este, de obicei, elegant și atractiv.

Podurile suspendate pe cabluri au o combinație de eleganță, subțirime și o senzație de robustețe. Cererea infrastructurii naționale de mai multe poduri necesită prioritatea eficienței și economiei.

Arta ingineriei necesită creativitate și fantezie, dar inginerii ar trebui să evite formele repetitive și ilogice. Creativitatea este esențială, dar „originalitatea excesivă” ar trebui să se regăsească doar în excepții justificate (de ex, Christian Menn și Michel Virlogeux).

Poroane și contra

Principalele avantaje ale sistemului sunt:

• Construcție rapidă și relativ ușoară, necesitând mai puțin timp de construcție
• Mai puțin costisitoare
• Opțiuni multiple de proiectare
• Gama mare de deschideri eficiente
• Structuri puternice și rezistente
• Aspect atrăgător

Principalele dezavantaje ale sistemului sunt:

• Încă inferior podurilor suspendate pentru deschideri super-lungi
• Este necesară verificarea deformațiilor în toate condițiile
• Este necesară experiență atât în proiectare cât și în construcție

Dezvoltare ulterioară

Ca toate celelalte sisteme de poduri, podurile suspendate pe cabluri sunt îmbunătățite continuu pe baza dezvoltării materialelor de înaltă rezistență și a noilor tehnologii de construcție. Mai valoroase pentru ingineri sunt modificările aduse sistemelor structurale stabilite și subsistemelor mai noi. Pe lângă numărul tot mai mare de poduri suspendate pe cabluri cu deschideri mai mari (peste 600 de metri sau aproximativ 2.000 de picioare), există o utilizare din ce în ce mai mare a sistemului pentru poduri pietonale. Sarcinile mai mici și deschiderile mai scurte permit inginerilor să exploreze noi abordări, transformând construcția acestor poduri într-un laborator de testare pentru inovare. Ca atare, putem lua în considerare sistemele de subponturi extradosate, cu deschidere redusă și cu grinzi Fink inversate, toate orientate spre o eficiență îmbunătățită.

Un domeniu de dezvoltare ulterioară este căutarea de combinații/hibrizi de sisteme de poduri suspendate și suspendate cu cabluri pentru obținerea unor deschideri foarte lungi. Ideea este de a reduce lungimea deschiderii suspensiei prin mutarea punctelor de sprijin ale suspensiei spre interior de-a lungul deschiderii. Acest lucru reduce nu numai lungimea deschiderii suspendate, ci și înălțimea necesară a turnului, permițând în același timp o deschidere liberă mai mare. Acest lucru se obține cu „alternative în consolă în consolă cu cabluri” la turnurile podurilor, adăugând piloni cu cabluri „pe punte” (figura 5). Cu cantilevere de 500 de metri (1.640 de picioare) și piloni cu cabluri „on-deck” utilizați pe fiecare parte a unei deschideri totale de 3.000 de metri (9.842 de picioare), partea de suspendare este redusă la 2.000 de metri (6.561 de picioare). O astfel de reducere ar permite utilizarea unor cabluri principale de suspendare de mărimea și tipul celor deja utilizate la poduri, cum ar fi Akashi-Kaikyo la 1991 metri (6.532 picioare), pentru o deschidere principală mult mai lungă.

Concluzii

Pe baza progresului tehnic actual și a unei dezvoltări rapide, podurile suspendate pe cabluri ar putea atinge deschideri de 2.400 până la 2.600 de metri (7.600 până la 8.500 de picioare) în scurt timp; o astfel de proiectare va necesita turnuri înalte de aproximativ 500 până la 570 de metri (1640 de picioare până la 1.870 de picioare), ceva realizabil, având în vedere structurile de zgârie-nori deja finalizate. Acest lucru va extinde gama de eficiență pentru podurile cu cabluri la deschideri foarte lungi, de peste 2.000 de metri (6.561 de picioare). Un sistem hibrid de poduri suspendate și cu cabluri ar face posibile deschideri și mai mari, de până la 3.000-3.400 de metri (9.842 până la peste 11.000 de picioare), încorporând un pod suspendat „pur” de „doar” 2.200-2.400 de metri (7.218-7.874 de picioare).

Pe baza eficienței și avantajelor structurilor suspendate cu cabluri, inginerii americani și agențiile de transport ar trebui să ia în considerare mai multe poduri suspendate cu cabluri atunci când planifică noi proiecte. O utilizare mai mare a podurilor suspendate pe cabluri poate moderniza infrastructura cu aceste structuri eficiente, construite mai rapid și elegante. Popularizarea podurilor suspendate pe cabluri poate ajuta, de asemenea, profesia noastră de inginer de poduri să își recâștige poziția de lider în proiectarea și construcția podurilor cu deschidere lungă.■