Table of Contents
הבנת הסיכונים השבריריים של שלג וקרח על גשרים
גשרים משמשים כיצירות אמנות חיוניות עבור מסחר, שירותי חירום, נסיעות יומיות, אבל מזג האוויר החורף מציג אתגרים ייחודיים לעצם המבנית שלהם.בניגוד לעומסים סטטיים של כלי רכב או רוח, שלג וקרח הם דינמיים, משתנים עם משקעים, מחזורי טמפרטורה, וסחף מונע רוח. כאשר עומסים אלה עולים על סף עיצוב אקטיבי, הם יכולים לגרום לריכוזים, עייפות, ואפילו כשלון קטסטרופלי, ולכן מהנדסים חייבים לטפל שלג, כמו גם לא דורש מדי פעם ניתוח קרח.
סוגי שלג וקרח על גשרים
שלג וקרח מצטברים במספר צורות נפרדות, כל אחת עם צפיפות שונה, מתחמק ומאפיינים של הפצה.הבנת סוגי זה קריטי עבור מודל עומס מדויק.
שלג
שלג יבש טריים יש צפיפות של בערך 0.05-0.15 g /cm3, אבל כפי שהוא קומפקטי או עובר התכה ושיפוץ, צפיפותו יכולה לגשת 0.4 גרם / ס"מ3 או גבוה יותר. שלג מסערות ליד טמפרטורות מקפיאות הוא מסוכן במיוחד כי הוא משלב צפיפות גבוהה עם מתח חזק על משטחים.
קרח מ-Freting Rain
סופות קרח מייצרות קרח בהיר, צפופה ( ⁇ 0.9 גרם/cm3), אשר דבק בכל משטח חשוף - גיימרים, כבלים, מעקות, וסיפון. עומסי קרח מגשם קפוא יכולים להגדיל את העומס המת של גשר עד 20% או יותר במקרה אחד, כפי שנראה באזורים כמו צפון-מערב האוקיינוס השקט וצפון-מזרח ארה"ב.
« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «
על גשרים עם מערכות ניקוז, קרח יכול ליצור סכרים לחסום זרימת מים, המוביל להרהר כי מוסיף עומס חי להאיץ את הנזק קפואה-הפעמיים תלוי מבני העל מייצגים מסה מרוכזת שיכולה לשבור ולהכניס סיכונים לתנועה מתחת, אבל המשקל שלהם מוסיף גם לטעינה מקומית.
גורמים קריטיים המשפיעים על שלג ועל קרח
צפוי מראש שלג ועומסי קרח דורש חשבונאות עבור מספר משתנים סביבתיים ועיצוב.
מיקום גיאוגרפי ואקלים
גשרים בצפון קווי הרוח, אזורים הרריים, וחגורת שלג של האגם חווים עומסים גבוהים יותר.לדוגמה, הרי סיירה נבאדה רוקי רואים בקביעות עומסי שלג מעל 300 psf (14.4 kPa).
גשר גאומטריה ואוריינטציה
גשרים ארוכים, הדרסים גבוהים, ומבנים מוליכים כבל מציגים משטחים אופקיים גדולים ונקודות מורכבות שבו שלג וקרח אוספים ללא אחיד. כיוון הרוח ביחס ציר הגשר שולט בדפוסי סחף; רוח חודרת אל העיגול יכולה לערעור שלג עמוק נגד מעקה, לייצר עומסים אסימטריים הגורמים לגיונות.
טמפרטורה
מחזורי הקפאה חוזרים גורמים שלג לקומפקטי ולקרח לגדול.כאשר מים נמסים משתחררים בסדקים, הוא מתרחב ויכול לשבור חיבורים קונקרטיים או פלדה.מחזורים אלה גם להגדיל את צפיפות השלג המצטבר, העלאת ערכים במשך ימים או שבועות.
משטח משטח חומר ודרקינד
אספלט סיפון לשמור חום שונה מאשר בטון, המשפיע על הצטברות שלג. ניקוז עני מוביל לבריכת מים הקפאה לתוך גליונות קרח עבים, הוספת גם משקל וגם סיכונים חלקלקים פוטנציאליים. השימוש בחבילות פתוחות על כמה גשרים ישנים מאפשר שלג ליפול, להפחית עומסים, אבל גם לחשוף מבנים תת-קבוצה כדי לפטפטף מים שיוצרים קרח.
השפעות מבניות של שלג מוגזם וטעיית קרח
עומסי שלג וקרח משפיעים על כל רכיב של גשר, מהסיפון ועד היסוד.הדאגות המבניות העיקריות כוללות מתח יתר על פני חברי מבנה העל, עומס בסיס ועייפות מפני טעינה מחזורית.
סיפון ו-Slab Overstress
ערכות גשר נועדו לעומסי חיים אחידים מן התנועה, אבל שלג יכול ליצור עומסים כבדים יותר, אחידים יותר.כאשר משולבים עם קרח, הכוח כלפי מטה הכולל עשוי לעלות על יכולת הגמישות של הסיפון, מה שגורם סדקים או השתקפות.
ג'רדר ובאם באקלינג
גלי פלדה הם פגיעים במיוחד למזח מאוחר יותר תחת עומסי כבידה משולבים. Uneven שלג הפצה בצד אחד של הסיפון יכול לייצר torque כי לסובב גורדינים, להגביר את הלחץ על חיבורים flange-to-web. הצטברות קרח על משטח flanges העליון להגדיל את הלחץ המקומי ויכול ליזום buckling בחברים דקים.
מתח דלי ו-Suspender Stress
על גשרים משוריינים ועייפים, הצטברות קרח על כבלים באופן דרמטי מגבירה עומס מת והתנגדות רוח.קרח יכול להכפיל את קוטר כבל, אשר מכפיל גם משקל וגם רוח לגרור.
פגיעה משותפת והתרחבות
שלג וקרח בונים סביב נושאים ומפרקים הרחבה מגבילים את התנועה התרמית.כאשר הגשר מנסה להתכווץ בטמפרטורות קרות, מפרקים נעולים מעבירים כוחות גדולים לעפרנים וקצבים, שעלולים לגרום לכישלונות או לפצח קונקרטי.
הקרן ו-Abtment Overload
קרנות חייבות לתמוך בעומס המת המלא של מבנה העל בתוספת שלג וקרח. באזורים עם חדירה עמוקה לפורגן, עדשות קרח יכולות להיווצר באדמה מתחת לרגל, ובכך לגרור אותם למעלה.
תקני עיצוב וקוד הוראות עבור שלג וקרח
מהנדסים מבניים מסתמכים על קודים מבוססים כדי לחשב מינימום שלג ועומסי קרח בארצות הברית, המסמך השולט העיקרי הוא AASHTO LRFD Bridge עיצוב מפרט, אשר משלב הוראות עבור מדי וסחף על בסיס עומס שלג על בסיס עומס שלג קרקעי מ ASCE 7-22.ה-AASHTO דורש כי עומס אחיד של לפחות 20 psf (0.N96 / m) להיות מיושם על מנת להגיע לערכים גבוהים יותר, אך לא היו קיימים גשרים.
עבור עומסי קרח, AASHTO ממליץ על עומס של 5 psf עבור הצטברות קרח אנכית ועומסים נוספים עבור קרח על כבלים, קווי תועלת, ומסילות רכבת. העומס מגשם קפוא הוא בדרך כלל כמו עומס אירוע קיצוני, בשילוב עם עומסי חיים מופחתים. מהנדסים חייבים גם לשקול את גורמי העומס עבור רוח ושלג בו זמנית, כמו קרח יכול להגדיל את החשיפה רוח.
מחוץ לארה"ב, קודים כמו יורוקוד EN 1991-1-3 וקוד הגשר הקנדי (CSA S6) מספקים שיטות דומות אך לעתים קרובות כוללים גורמי עומס גבוהים יותר עבור איפוק של איגוד הדרכים היפני עבור גשרים מהירים כוללים הנחיה מפורטת על שלג ועל עומסי קרח לאזורי השלג הכבדים של ⁇ והאלפים היפניים.
ראוי לציין כי גשרים מבוגרים רבים (pre-1970s) עשויים להיות דירוגים עומס כי לא לקחת בחשבון מפות עומס שלג עכשווי כי גדל עקב עדכוני נתונים אקלים.ניתוח דירוג עומס באמצעות FLT:0 FLT:0 FHWA) Figal Highway Administration (FHWA)cioFLT:1) קווים מנחים יכולים לזהות תעריפים פגיעים.
מחקרים על שלג וקרח עודדו את כישלונות הגשר
כמה מקרים בולטים ממחישים את הפוטנציאל ההרסני של שלג וקרח.
גשר שארלי קריק מתרסק (1987)
בעוד שסוס היה הגורם העיקרי, השלגים הכבדים של האביב ושל פקקי קרח תרמו לכישלון.הצטברות השלג והקרח על המבנה הגבירו עומסים מתים, וכתפי קרח פגעו במזח, והחריפה את הפיסול.הטרגדיה הזו עוררה שינויים בתרגולי בדיקה של הגשר.
גשר הנהר מיסיסיפי I-35W (2007)
למרות שההתמוטטות נבעה בעיקר מפגמים בעיצוב, החוקרים ציינו כי שלג כבד וצבירת קרח על הסיפון בזמן הכישלון הוסיפו עומס משמעותי.ההצלחות של הגוסט כבר עוצבו תחת עיצוב, והעומס החורף דחף אותם מעבר למגבלתם.
שלג יפן:
בצפון יפן, כמה פלדה דרך מחנכים מנוסים קריסה מקומית של דבורים וחוטפים לאחר נפילה שלג שיא בשנת 2011 ו-2015 מהנדסים מצאו כי סחף שלג ערער למעמקים של יותר משני מטרים, יצירת עומסים פעמיים עד שלוש ערכי העיצוב.
מערכות זהירות ואזהרה מוקדמת
ניטור פרואקטיבי יכול לזהות עומסי שלג מסוכנים וקרח לפני שכישלון הופך להיות קרוב.רשתות חיישן מודרני כוללות תאי עומס, מדצי מתח ומערכות של הפחתה מעקב כי הם מעקב אחר עומסי חיים ועזרה להבדיל בין תנועה ותרומות שלג.
Weigh-in-Motion and Strain Monitoring
על ידי כל הזמן מדידה של מתח במקומות קריטיים (בהיקף של ג'רדרים, עיגון כבל), מהנדסים יכולים לחשב עומס מוחלט על הגשר. Algorithms מסנן עומסי תנועה לבודד שלג ותרומות קרח.
תחנות מזג אוויר וחיישנים של סנפיר שלג
בתחנות מזג אוויר באתר מדידת משקעים, טמפרטורה, מהירות רוח, לחות יחסית להאכיל לתוך מודלים החיזוי הצטברות שלג ושיעורי היתוך. חיישנים עומק שלג אולטרה סאונד רכובים על הסיפון מספקים מדידות ישירות. integrating נתונים אלה עם מערכות ניטור בריאות מבניות מאפשר פעולות להסרת זמן.
« אלמוות וגילויי קרח
מצלמות לא-אדום יכולות למפות ⁇ טמפרטורה משטח כדי לאתר היווצרות קרח, במיוחד על שרידים כבל ו- פלדה truses. חיישנים זיהוי קרח המדידה שינויים בתדירות חוטים רוטטים משמשים גם על גשרים מוליכים כבל כדי להזהיר אנשי תחזוקה כאשר עובי קרח מגיע לרמה קריטית.
אסטרטגיות ל Snow and Ice Load Management
הפחתה או ביטול שלג מצטבר וקרח היא הדרך הישירה ביותר להגן על גשרים.אסטרטגיות נעות מהתאמות עיצוב-phase לניתוק פעיל במהלך הסערה.
שינוי עיצובי אינטגרטיבי
מהנדסים יכולים לציין חומרים ותצורה ששופכים שלג ביעילות רבה יותר.לדוגמה, באמצעות מדרון חוצה 2% על הסיפון מעודד מפלט מים מתמוסס ומפחיתים את בניית קרח.קפי רשת פתוחה (שם מותר) מאפשרים שלג ליפול, באופן דרסטי צמצום עומס חי.בני העל פלדה ניתן לצייר עם ציפויים נמוכים של חיכוך למניעת הדבקה בקרח.
מערכות De-Icing
חפיפות גשר מוטבעות באמצעות כבלי התנגדות חשמליים או צינורות נוזל מחומם הותקנו על גשרים קריטיים באזורים קרים.בעוד יקר לפעול, הם מונעים כל קרח או שלג, שמירה על עומס מת.כימיקלים דה-קליקים (סויום כלור, מגנזיום chloride, מגנזיום מגנזיום מגנזיום acetate) הם נפוצים אך דורשים יישום זהיר כדי למנוע קורוזיה של פלדה ונזק סביבתי לסביבות מים.
מכנית Removal
גלי שלג מצוידים להבים גומי משמשים כדי לנקות סיפון ללא פגיעה על פני השטח.עבור מבנים גבוהים, הסרת שלג חייב להיות מתואמת עם בקרת תנועה כדי למנוע עומס על הגשר עם ציוד להסרת שלג כבד. הסרת Icicle מפני שרידים כבל ומגדלים דורש אנשי מקצוע מיוחדים באמצעות כלים מבודדים כדי למנוע סכנות חשמליות מ זרמים.
שלג וחומת רוח
התקנת גדרות שלג על גבי מאגרי גישה ועל רוחב הגשר יכולה להפחית את הסחף.מגן הרוח הסולידריות לאורך הצדדים למנוע שלג מברזל נגד מעקה, אך הם עשויים להגדיל את היווצרות הקרח על ידי צמצום זרימת האוויר.מיקום אסטרטגי דורש דינמיקות נוזליות חישוביות עבור כל אתר.
שינויי אקלים: הגדלת עומס
שינויי האקלים הגלובליים משנים את דפוסי המשקעים, מה שהופך את נתוני השלג ההיסטוריים לא אמינים יותר.אזורים רבים חווים סערות חורף אינטנסיביות יותר עם תוכן לחות גבוה יותר, המוביל לשלג כבד יותר, למשל, במזרח ארצות הברית יש עלייה של 15-20% באירועים שלג קיצוניים במהלך 50 השנים האחרונות, על פי הערכת האקלים הלאומית.
במקביל, טמפרטורות התחממות לגרום יותר מחזורי קפואה, הגדלת צפיפות ודבקות של שלג וקרח. גשרים באזורים שלא הושפעו בעבר על ידי עומסי שלג משמעותיים עשוי עכשיו לשקול אותם בתכנון.מהנדסים צריכים להתייעץ עם מפות עומס שלג מעודכנים מן ה-FLT:0ASCE 7 Hazard ToolFLT:1 ולשלב תרחישים של שינויי אקלים כאשר בוחנים מבנים קיימים.
עבור גשרים חדשים, הגישה צריכה לקחת בחשבון את העלייה הפוטנציאלית של השלג מעל 50 עד 75 שנים עיצוב חיים.זה עשוי להיות אומר העלאת עומסי שלג עיצוב עד 20-30% או הדורשים מערכות להסרת פעילות.
מסקנה: קריאה לניהול גשר חורף מקיף
עומסי שלג וקרח אינם רק אי נוחות בחורף; הם מהווים גורם בטיחות מבני רציני שיכול לדחוף גשרים מעבר לגבולות העיצוב שלהם. בעוד קודים מודרניים מספקים בסיס מוצק לתכנון, גשרים קיימים רבים נבנו תחת דרישות פחות מחמירות והם חשופים כעת לשינוי דפוסי מזג האוויר.הפתרון נמצא בשילוב של דירוגים מעודכנים, ניטור מתמשך ותחזוקה אגרסיבית של חורף.
מהנדסים, מנהלי נכסים ומחלקות עבודה ציבוריות חייבים לשתף פעולה כדי לזהות מבנים בסיכון, לפני לנטרל רטרופיטות, וליישם מערכות תמיכה בזמן אמת.העלות של השמדה וההסרה שלג עולה בהרבה על ידי עלות של כשל הגשר, הן במונחים פיננסיים והן בבטיחות הציבורית.על ידי טיפול שלג וקרח עם אותה הקפדה או רוח סיסמיכות, אנו יכולים להבטיח כי נשארנו לאורך כל התנאים הקשים של הגשר.
לקריאה נוספת, האגודה האמריקאית של מהנדסים אזרחיים (ASCE) מפרסם את ה-FLT:0 מטענים עיצוב מינימליים עבור מבנים ומבנה אחר של מבנים נוספים (ASCE 7), ואת ה-FLT:2 American Association of State Highway and Transport officials (AASHTO)FLT 3: מספק את מפרטי עיצוב גשר LRFD, אשר מכילים הוראות חיוניות עבור שלג וקרח.