Kar ve Buz Yapısal Risklerini Köprülerde Anlayın

Köprüler ticaret, acil hizmetler ve günlük seyahat için temel arter olarak hizmet eder, ancak kış hava durumu yapısal bütünlüğüne eşsiz zorluklar getirir. araçlardan veya rüzgardan farklı olarak kar ve buz yükleri, yağışlı yoğunluk, sıcaklık döngüleri ve rüzgara dayalı sürüklenmeler ile dinamiktir.Bu yükler tasarım eşlerini aştığında, stres konsantrasyonlarını, yorgunluklarını ve hatta felaket başarısızlıklarını tedavi etmelidirler.

Kar ve Buz Yükleri Köprüler Üzerine

Kar ve buz çeşitli farklı şekillerde bir araya gelir, her biri farklı yoğunluk, adhesion ve dağıtım özellikleri ile. Bu türleri anlamak doğru yük modellemesi için kritiktir.

Kar Accumulation

Taze olarak kuru kar yaklaşık 0.05 –0.15 g /cm3 yoğunluğuna sahiptir, ancak kompaktlar veya köprü güverteleri ve yeniden birleşmeleri, yoğunluğu, 0.4 g /cm3 veya daha yüksek sıcaklıklara sahip değildir, çünkü yüksek yoğunlukları yüzeylere birleştirir.

Buz, Freeating Rain

Buz fırtınaları açık, yoğun buz ( ⁇ 0.9 g/cm3) her maruz yüzeye bağlı olarak – modern çelik ve beton köprülerin büyük yüzey alanıyla bileşiktir.

Buz Damları ve Icicles

drenaj sistemleri ile köprüler üzerinde buz, su akışını bloke eden, canlı yükleri ve donmuş hasarları hızlandıran bir yığın oluşturur. süper yapılardan asılı olan Icicles, aşağıda trafik için tehlikeler teşkil eden yoğun bir kitleyi temsil eder, ancak ağırlıkları da yerelleştirilmiş yüklemeye işaret eder.

Kar ve Buz Yükü'nü Etkileyen Faktörler

Doğru şekilde kar ve buz yüklerini tahmin etmek, birden fazla çevresel ve tasarım değişkenleri için muhasebe gerektirir.

Coğrafi Konum ve İklim

Kuzey entitudes, dağlık bölgelerde ve göl-son kar kemerleri daha yüksek sürekli yükler deneyimliyor. Örneğin, Sierra Nevada ve Rocky Dağları düzenli olarak kar yüklerini 300 psf (14.4 kPa) Sahil köprüleri, daha az kar alırken, soğuk hava toplantılarından buz fırtınaları karşı karşıya kalır.

Köprü Geometri ve Oryantasyon

Uzun vadeli köprüler, yüksek trusses ve kablo-stayed yapılar, kar ve buzun eşitsiz bir şekilde topladığı büyük yatay yüzeyler ve karmaşık nookslar mevcut. köprü eksenlerine göre rüzgar yönü, eğime karşı derin bir kar yağdırabilir, çünkü tommetrik yükler üretemez.

Sıcaklıklamaları

Tekrarlanan donmuş döngüleri, karın topak ve buzun büyümesine neden olur. Kırklarda erüpsiyonlar, beton veya çelik bağlantıları genişletir ve bu döngüler ayrıca birik karın yoğunluğuna da artar, birkaç hafta veya hafta boyunca yük değerleri yükselterek büyür.

Yüzey Malzeme ve Draj

Asfalt güverteleri betondan farklı ısı korur, kar birikimini etkiler. Zavallı drenaj, hem kilo hem de potansiyel kayma tehlikelerini ekleyerek suları su dökmeye yol açar. Bazı eski köprülerdeki açık-grid güvertelerin kullanımı karın düşmesine izin verir, yükü azaltır, aynı zamanda suları azaltır.

Aşırı Kar ve Buz Yüklerinin Yapısal Etkisi

Kar ve buz yükleri bir köprünün her bileşenini etkiler, güverteden temele etkiler. birincil yapısal endişeler süper yapı üyeleri, temel aşırı yükleme ve çevrim yüklemeden yorgunluk içerir.

Deck and Slab Overstress

Köprü güverteleri trafikten üniformalı canlı yükler için tasarlanmıştır, ancak kar daha ağır, daha üniformalı ölü yükler yaratabilir. Buzla birlikte, toplam aşağı kuvvet, güvertenin flexural kapasitesini aşabilir, çatlaklara veya defleksiyona neden olabilir. Sürekli deformasyon zaman içinde yüklenebilir.

Girder ve Beam Buckling

Çelik zömerler özellikle daha sonra toplanmış yerçekimi yükleri altında sıkışıp kalıyorlar. Güvertenin bir tarafında bilek olmayan kar dağılımı, zlange-to-web bağlantılarında çatlakları karıştırıyor.

Kablo ve Suspender Stres

Kabloda ve süspansiyon köprüleri, kablolarda buz birikimi dramatik olarak ölü yük ve rüzgar direncini artırmaktadır. Buz, hem ağırlık hem de rüzgar sürüklenmesi ile iki kat daha fazla hassastır.

Havuz ve genişleme Ortak Hasar

Kar ve buz, taşıyıcılar ve genişleme eklemleri etrafında inşa edilir. Köprü soğuk sıcaklıklarda sözleşmeye çalışırsa, kilit ortaklar büyük güçleri piers ve abutments'a transfer eder, potansiyel olarak, ortak ceplerin içinde buz dökmesine veya betonlaştırmaya neden olur.

Vakfı ve Abutment Overload

Vakıflar süper yapı artı kar ve buzun tam ölü yükünü desteklemeli. Derin don penetrasyonu olan alanlarda, buz lensleri ayak altında toprakta form verebilir, onları yukarı doğru yukarı çıkarır. Tersine, thawing, dikey kar yüklerle birlikte yerleşmeye yol açabilir.

Tasarım Standartları ve Kod Kar ve Buz Yükleri için Hükümler

Yapısal mühendisler minimum kar ve buz yüklerini hesaplamak için kurulmuş kodlara güveniyor. Amerika Birleşik Devletleri'nde birincil yönetim belgesi AASHTO LRFD Bridge Design Properties, dağlık bölgelerden daha yüksek değerler içeren, ancak mevcut köprüler ASCE 7-22'den daha eski kodlar altında tasarlandı.AASHTO özellikleri, buz inşa etmek için tam olarak hesaba katılmadığı anlamına gelir.

Buz Yükleri için, AASHTO, dikey buz birikimi ve buzulları kablolarda, faydalı hatlarda ve raylı sistemler için 5 psf yükü önerir.

ABD dışında, Eurocode EN 1991-1-3 ve Kanada Köprüsü Kod (CSA S6) benzer yöntemler sunar, ancak genellikle otoyol köprüleri için yüksek yük faktörleri içerir. Japonya Yolu Birliği'nin otoyol köprüleri için özellikleri, Hokkaido ve Japonya Alpleri için kar ve buz yükleri hakkında ayrıntılı rehberlik içerir.

Birçok eski köprünün (pre-1970'lerin) kırılgan aralıkları nedeniyle artan çağdaş kar yükü haritaları hesaplayamadığı tahminlere değer vermeye değer.A load rating analysis using theİLFLT:0)Federal Highway Yönetimi (FHWA) yönergeleri)

Kar ve Buz İndükü Köprü Başarısızlıkları

Birkaç önemli olay kar ve buz yüklerinin yıkıcı potansiyelini göstermektedir.

Schoharie Creek Bridge Collap (1987)

Kastın birincil nedeni olsa da, ağır bahar karmelt ve buz reçetleri başarısızlıklara katkıda bulundu. Yapıda kar ve buz birikimi ölü yükleri artırdı ve buz floları piers vurdu, exacerbating scour. Bu trajedi köprü denetim uygulamalarında şaşırtıcı değişiklikler yaptı.

I-35W Mississippi River Bridge (2007)

Yıkım öncelikle tasarım kusurları nedeniyle olmasına rağmen, araştırmacılar ağır kar ve buz birikiminin güvertede başarısızlık zamanında önemli bir yük ekledi.Geçmiş plakalar zaten tasarlanmıştı ve kış yükü onları sonlandırdı.

Japonya'nın Kary Viaducts

Kuzey Japonya'da, birkaç çelik kanallarını ve yarıkçıları 2011 ve 2015 yıllarında rekor kar yağışlarından sonra deneyimli yerel otobüsler yaşadı ve mühendisler iki metreden fazla derinliklere kar yağdığını buldular. Tasarım değerlerinin iki ila üç katı olmasını sağladılar.

İzleme ve Erken Uyarı Sistemleri

Proaktif izleme, başarısızlıktan önce tehlikeli kar ve buz yüklerini tespit edebilir. Modern sensör ağları yük hücreleri, su hatları ve canlı yükleri takip eden ve trafik ve kar katkıları arasındaki ayrımı tespit edebilir.

Biz mahalledeyiz ve Strain İzleme

Eleştirel yerlerde sürekli olarak suskunma (kesinlikle kablo demiryolları) ile ilgili mühendisler köprüye toplam yük hesaplayabilirler. Algorithms filtre out traffic load to separate kar and ice benefits. Real-time Uyarılar yük eşleri aşıldığında gönderilebilir.

Hava İstasyonları ve Kar Derinlik Sensörleri

Tesisin hava istasyonları, yağış, sıcaklık, rüzgar hızı ve göremsel nem, kar birikimini tahmin eden modeller haline gelir ve erimiş oranları tahmin eder. Ultrasonik kar derinliği sensörleri bu verileri yapısal sağlık izleme sistemleri ile bütünleştirir.Bu verileri kullanarak doğrudan ölçümler sağlar.

Termal Görüntüleme ve Buz Tespiti

Yüzey ısıları buz oluşumu bulmak için yüzey sıcaklıklarını haritalayabilir, özellikle kablolarda kalır ve çelik trusses. vibrating tellerinde frekans değişiklikleri ölçen buzulları da kritik bir seviyeye ulaştığında uyarılan köprüler için kablo-stayed köprüler kullanılır.

Kar ve Buz Yük Yönetimi için Stratejiler

Birik kar ve buzun azaltılması veya ortadan kaldırılması köprüleri korumak için en doğrudan yoldur. Strategies, fırtınalar sırasında aktif de-iking için tasarım-faze ayarlamalarından aralığı.

Yapısal Tasarım Modifications

Mühendisler kar yağdıran malzemeleri ve konfigürasyonları daha etkili bir şekilde belirtebilir. Örneğin, güvertelerdeki% 2 haçlı bir eğim kullanarak, erkan su taşımasını ve buz yapımını azaltır. Açık ağ güverteleri (nere izin verilen) karın düşmesine izin verir, canlı yük. Çelik süper yapılar, düşük çözünürlük kaplama kaplamaları ile boyanabilir.

Aktif De-Icing Systems

Elektrikli direnç kablolarını veya ısıtmalı sıvı boruları kullanarak köprü güvertelerini soğuk bölgelerdeki kritik köprülere monte edildi, ancak su yollarını korumak için çelik ve çevresel zararlardan kaçınmaları için uygulama gerektirir.Twetting any ice or kar knowledge, design dead load. Chemical de-icers (sodium klorür, magnezyum klorür, kalsiyum magnezyum acetate)

Mekanik Yok

Kar plows, lastik bıçaklarla donatılmış, yüzeye zarar vermeden güverteleri temizlemek için kullanılır. Yüksek binalar için kar kaldırma, köprüyü ağır kar kaldırma ekipmanı ile aşırı yüklemeden kaçınmak için trafik kontrolü ile koordine edilmelidir. Kablodan çıkarılması ve kuleler, sokaklardan elektrik tehlikelerini kullanarak özel personel gerekir.

Kar Telleri ve Rüzgar Shields

Kar çitlerini yaklaşım embankalarına ve köprü genişliğine yüklerken azaltmak, her site için kardan raylara karşı kardan çıkarmayı engelleyebilir, ancak hava akışını azaltarak buz oluşumunu artırabilirler. Stratejik yerleştirme, hesaplamalı akışkan dinamikleri her site için modelleme gerektirir.

İklim Değişikliği Dikkat Ediyor: Yükleme Uncertainty

Küresel iklim değişikliği yağış modelleri değiştiriyor, tarihsel kar yükü verileri daha az güvenilir hale getiriyor. Birçok bölge daha yüksek nem içeriği ile daha yoğun kış fırtınaları yaşıyor, örneğin Doğu Amerika Birleşik Devletleri, son 50 yılda aşırı kar olaylarının yüzde 15-20 artışını gördü.

Aynı zamanda, ısınma sıcaklıkları daha fazla donmuş döngülere neden olur, kar ve buzun yoğunluğunu ve kar yağdırması. Bölgelerdeki Bridges daha önce önemli kar yükleri tarafından etkilenmeden önce tasarımda dikkate alınmalıdır.

Yeni köprüler için, kar yüklerinde 50 ila 75 yıllık tasarım ömrüne kadar potansiyel artışlar için yaklaşım dikkate alınmalıdır. Bu, tasarım kar yüklerini% 20-30 oranında yükseltmek veya aktif geri yükleme sistemleri gerektiren anlamına gelebilir. Adaptif yönetim - gerçek yükleri takip etmek ve bakım planlarını ayarlamak - maliyet-malzeme stratejisini ayarlamak anlamına gelebilir.

Sonuç: Kapsamlı Kış Köprü Yönetimi için Bir Çağrı

Kar ve buz yükleri sadece bir kış rahatsızlık değildir; köprüleri tasarım sınırlarını geçmiş köprüleri itebilecek ciddi bir yapısal güvenlik faktörüdür. Modern kodlar tasarım için sağlam bir temel sağlarken, mevcut köprüler daha az katı şartlar altında inşa edildi ve şimdi hava modellerini değiştirmek için maruz kalıyorlar.

Mühendisler, varlık yöneticileri ve halk çalışma departmanları, risk yapıları, geri ödemeleri ve gerçek zamanlı karar destek sistemlerini tanımlamak için işbirliği yapmalıdır.En sert kış koşulları boyunca köprünün maliyetinin aşırı derecede düşük olduğu konusunda, hem de finansal açıdan ve kamu güvenliğinde kar ve buz yüklerini tedavi ederek, köprünün en sert kış koşullarıyla karşı karşıya kalacağımızı garanti altına alabiliriz.

Daha fazla okuma için, Amerikan Sivil Mühendisleri Topluluğu (ASCE) [FONTD:0)Minimum Tasarım Yükleri ve Diğer Yapılar için Yükler) (ASCE 7) ve ABD Dışişleri Bakanlığı (AASHTO))[D Köprü Tasarımı Özellikleri, her ikisi de kar ve buz yükü tasarımı için önemli hükümler içeriyor.