تبلیغات
تازه های عمران و معماری - بررسی جامع فرو ریزش پل I-35w مینیاپولیس، بازرسی تا امداد
دوشنبه 21 شهریور 1390

بررسی جامع فرو ریزش پل I-35w مینیاپولیس، بازرسی تا امداد

   نوشته شده توسط: علیزاده    

در حوزه مدیریت شریان های حیاتی، پل های بزرگراهی و راه آهن دارای اهمیت ویژه ای هستند و در هر دو مقطع مدیریت پیش از بحران و مدیریت بحران نیازمند مطالعات گسترده و اتخاذ تدابیر ویژه می باشند. فــرو ریزش پلI-35w مینـیاپـولیس بر روی رودخـانه می سی سی پی در تاریخ اول آگـوست 2007 نمونه قـابل تعمقی در این خصوص است.موضوع فرو ریزش این پل از آن جهت اهمیتی دو چندان می یابد که بدانیم در سال های 2001 و 2006 نتایج بازدیدهای فنی بروز چنین حادثه ای ناشی از خستگی و اعوجاج اعضای خرپایی عرشه را محتمل دانسته بود ، حال آنکه بسیاری از پل های شریانی کشور ما هیچ گونه برنامه بازدید مشخصی ندارند.
در این مقاله کوشیده شده تا با مطالعاتی دامنه دار و بررسی عمده گزارش های بازرسی دوره ای پلI-35W شامل مطالعات فنی در خصوص فروریزش، نحوه امداد و نجات به هنگام وقوع بحران و همچنین مقایسه تبعات اقتصادی و اجتماعی پس از حادثه مدلی برای سوانح مشابه ایجاد شود تا شاید بتوان با این روش و استقرار سامانه مدیریت یکپارچه پل ها از وقوع تجربه های تلخ مشابه در کشور پیشگیری کرد.

-     مقدمه

به دلیل نقش منحصر به فرد پل ها در عبور ترافیک از روی رودخانه ها، مسیل ها، تقاطع های پر ازدحام شهری و مناطق صعب العبور غیرشهری امکان ترانزیت کالا و مسافر از طریق شبکه راههای زمینی کشور، در گرو برخورداری از پل های ارتباطی مناسب می باشد. افزون بر این،

 مقدمه

به دلیل نقش منحصر به فرد پل ها در عبور ترافیک از روی رودخانه ها، مسیل ها، تقاطع های پر ازدحام شهری و مناطق صعب العبور غیرشهری امکان ترانزیت کالا و مسافر از طریق شبکه راههای زمینی کشور، در گرو برخورداری از پل های ارتباطی مناسب می باشد. افزون بر این، قابلیت استفاده بی وقفه از پل ها در حین و پس از وقوع بلایای طبیعی، زمانی که عملیات امداد نجات باید با حداکثر سرعت ممکن صورت گیرد، اهمیتی دو چندان می یابد. پرهزینه بودن احداث پل ها و جایگاه ویژه آنها در محورهای زمینی تدوین برنامه های جامع را جهت نگهداری، بهسازی و مقاوم سازی این سازه ها اجتناب ناپذیر می نماید. از این رو بازرسی فنی و منظم پل ها جهت حصول اطمینان از ایمنی سازه ای آنها از جمله مسایل مهم در حوزه مدیریت یکپارچه پل ها می باشد.

  در اقصی نقاط جهان می توان نمونه های مختلفی را از تخریب تدریجی پل ها پیش از اتمام عمر مفید آنها ذکرکرد. به عنوان مثال پل کنتیکت در سال 1970 به دلیل شل شدن بست ها و آویزهای نگهدارنده عرشه پل فروریخت و عدم انجام بازرسی های کافی و نگهداری مناسب از سوی اداره راه و ترابری ایالتی به عنوان عامل بروز این حادثه معرفی گردید. پل ریشترو در اتریش در زمان ریزش در سال 1976 از نظر سازه ای در شرایط نامطلوبی قرار داشت. سازه این پل در طول عمر بهره برداری هیچگاه مورد بازرسی فنی قرار نگرفته بود.  پس از فروریزش قسمتی از پل 95-II-35W  که متعاقباً اشاره مفصلی به آن خواهد شد، در کراچی پاکستان و در ویتنام هم پل هایی پیش از بهره برداری فرو ریختند که بر اهمیت این موضوع می افزاید. در گرینویچ در سال 1983، کارشناسان با بررسی آوار و خلق مجدد ریزش اعضایی که گسیختگی سازه ای از آنجا شروع شده بود علت حادثه را شناسایی کردند.

2-   استراتژی نگهداری در سیستم مدیریت پل

استراتژی نگهداری هر چند به عنوان مرحله ای از مراحل مختلف سیستم مدیریت پل مطرح است لیکن به جهت اهمیت و اثرگذاری، بقیه بخش های سیستــم را تحت تأثیر قرار می دهد از ایـن رو پیش از ورود به جزییات پل I-35W به الگویی برای دستیابی به سیستم یکپارچه مدیریت پل اشاره می شود. در میان مراحل گردآوری مستندات، بازرسی، نگهداری، مالی، مدیریت و پایگاه پردازش داده ها، بازرسی رابطه مستقیم و دو طرفه مشهودتری با راهبرد نگهــداری دارد. به عـبارتی نتایج حاصل از عملیات بازرسی به درک عمیق تر از وضعیت کلی پل  و تدوین راهبرد نگهداری مناسب کمک می کند و در عین حال از حیث شیوه، دامنه بازرسی و دوره های زمانی تکرار متأثر از آن است.

 

در راستای حفظ معیار ایمنی بر اساس (DECD 1976) دو راهبرد کلی "نگهداری عکس العملی" و "بازرسی سیستماتیک" تعریف می شود. روش اول به عنوان راهکار مدیریت بحران، بازرسی ها را به اعضای اصلی و در سطحی محدود تعریف می کند در حالی که روش دوم یک روش پیشگیرانه محسوب شده در دوره های زمانی کوتاه تر ارزیابی و بازرسی کلی سازه را مورد توجه قرار می دهد.

هر چند تفهیم منافع مالی مدیریت و نگهداری صحیح پل ناشی از کاهش هزینه های آتی، عملکرد مناسب در شرایط بحرانی (بلایای طبیعی و بحران های نظامی) و کاهش سوانح رانندگی جهت اخذ سرمایه های بیشتر از مدیران چندان آسان نیست لیکن راهبرد عکس العملی ریسک بالایی برای مردم و استفاده کنندگان پل ها در برخواهد داشت. در راستای ایجاد تعامل بیشتر و ترسیم اهمیت راهبردهای پیشگیرانه، سیستم های پیچیده تری از مدیریت پل قابل بهره برداری هستند که در آن بر اساس نگارش یک سناریوی "چه می شود- اگر" تبعات و خسارات خرابی پل به هنگام شرایط اضطراری بیان شده با تخمینی از زمان بازسازی، تبعات سیاسی و منابع مالی و انسانی می توان مدیران و تصمیم گیران را نسبت به پیاده سازی خروجی سیستم ترغیب نمود.

سیستم مدیریت پل زمانی مؤثر خواهد بود که تمام ارکان آن به درستی پیاده شود. کارشناسان و مدیران پل از یک سو باید در گزارشات خود، نتایج را کاملاً شفاف و جامع ارائه کنند و از سویی دیگر دست اندرکاران و بهره برداران، التزامی عملی نسبت به پیاده سازی و تخصیص منابع آن داشته باشند.

برای تأثیر گذاری سیستم مدیریت پل باید تمامی اطلاعات لازم به عنوان ورودی در اختیار آن قرار گیرد. در مقابل این ورودی با تعامل اجزایBMS می تـوان خروجی شفافـی شـامل یک زمـان بندیمحدود ارائه نمود. این زمان بندی محدود در حقیقت همان بعد الزام آور عمل به راهکارهای نگهداری است. براساس این خروجی پلهای معیوب بر اساس نیاز تعمیرات طبقه بندی و با اولویت بندی روش های نگهداری از هیچ کار تا تخریب کامل و بازسازی پل راهکار ارائه می گردد.

 همانگونه که اشاره شد این راهبرد نگهداری یا خروجی سیستم در ارتباطی تنگاتنگ با مرحله بازرسی پل است. از جمله فرآیندهای ضروری بازرسی پل به عنوان یک فعالیت کاملاً تخصصی تهیه اطلاعاتی برای انتخاب یک راهبرد نگهداری مناسب و تعیین نقاط بالقوه معیوب است.

در یک سیستم موفق مدیریت پل که اطلاعات پردازش شده بازرسی و روش های نگهداری و تعمیر تدوین شده آن توسط یک الگوریتم مدون شده باشد و این الگوریتم حاوی پیشنهاداتی از صرف بودجه تا برنامه ریزی استراتژی بلند مدت نگهداری باشد، مرحله مدیریت کلیدی ترین بخش سیستم است. این مهم به ویژگی های منحصر به فرد هر پل و عوامل متعدد تأثیرگذار بر آن بازمی گردد که علی رغم طراحی آن الگوریتم مدون حضور مدیر تصمیم گیر برای اولویت بندی ها و کارشناس خبره جهت قضاوت های مهندسی را کمرنگ نمی کند.

 

3-   معرفی پل I-35W

پروژه ساخت پل I-35W بر روی رودخانه می سی سی پی در ایالت مینسوتا (Minnesota) در ایالات متحده در سال 1964 آغاز و برای احداث آن مبلغ 5269002 دلار هزینه شد. خرپای فولادی پل متشکل از سه بخش بود؛ عرشه، روسازه و زیر سازه. پل I-35W در ماه نوامبر سال 1967 با سه محور عبوری در هر جهت به بهره برداری رسید. در سال 1988 یک محور عبوری دیگر در هر جهت به پل اضافه شد تا تغییرات ترافیکی حاصل از احداث راههای مختلف در دو طرف پل کنترل گردد. بدین ترتیب عرشه پل در هر دو جهت دارای درزی طولی موازی با امتداد عبور ترافیک بود.

 طول این پل چهارده دهانه، 581 متر و عرض آن 34 متر بوده است. دهانه های ورودی جنوبی (دهانه های 1تا5) از شاه تیرهای فولادی و دهانه های اصلی پل (دهانه های 6 تا 8) از خرپاهای فولادی عرشه ساخته شده بودند. دهانه های ورودی شمالی نیز از شاه تیرهای فولادی (دهانه های 9 تا 11) و دال بتنی (دهانه های 12 تا 14) تشکیل یافته بودند. عرشه پل به مساحت تقریبی 2m 19754  دارای هشت خط عبوری (4 خط رفت و 4 جهت برگشت) و ارتفاع تراز زیر پل از تراز متوسط سطح آب می سی سی پی 6/19 متر بود. براساس آمار سال  2004  اداره راه و ترابری ایالت مینستوتا به طور متوسط روزانه 141000 خودرو از پل عبور می کرده است.

بارهای ترافیکی به دو خرپای فولادی به موازات امتداد ترافیک منتقل می شدند که طول این خرپاهای متقارن در دهانه های 6 و 8 به 81 متر می رسید. از جمله موارد منحصر به فرد در مورد این سازه استفاده از قوس های فولادی 140 متری در دهانه هفتم بوده است. خرپاهای این دهانه از اعضای جوش شده ساخته شده بود که ارتفاع تقریبی آن در کنار پایه های واقع در حاشیه رودخانه به 5/18 متر می رسید. دو خرپای موازی امتداد عبور ترافیک به وسیله تیرهای خرپایی جوش شده جانبی کف به عمق تقریبی 7/3 متر و تراورس های فولادی روی پل به طول 85 سانتیمتر به هم متصل شده بودند. این تراورس های موازی، بار عرشه و بارهای ترافیکی را به تیر خرپایی کف منتقل می نمودند. سیستم سازه ای فوق به دلیل کارکرد می سی سی پی به عنوان یک شاهراه آبی ترانزیت کالا و عدم امکان احداث پایه در رودخانه مورد استفاده قرار گرفته بود.

 

پل I-35W در ساعت 6:05 بعد از ظهر روز اول آگوست سال 2007 میلادی به طور کامل به داخل آب های می سی سی پی فروریخت. در هنگام ریزش عملیات ترمیم آسفالت رو سازه پل در جریان و دو محور در هر جهت مسدود و مطابق برنامه ریزی های صورت گرفته جایگزینی و نوسازی  پل برای سال 2025-2020 برنامه ریزی شده بود. در خلال ریزش، قسمت جنوبی پل رفتار سازه ای متفاوتی از خود بروز داد. این قسمت قریب به 15 متر به طرف شرق تغییر مکان داد، در حالی که بقیه قسمت های پل به صورت درجا فرو ریخت .

 

4-   پیشینه بازرسی های پل I-35W

در سال 2001 به دنبال ظهور آثار خستگی که عمدتاً در نتیجه اعوجاج پیش بینی نشده تیر ورق ها به وجود آمده بود، تحقیقاتی از سوی دانشگاه مینسوتا بر روی این پل انجام گرفت. نگرانی از بروز خستگی در سیستم خرپایی اصلی (سیستم خرپای کف پل) کارشناسان را مجبور به مطالعه کلیه ترک های سیستم خرپای عرشه نمود. تنش های محاسبه شده در بسیاری از جزئیات سازه ای پل از جمله سخت کننده های جوش شده طولی، سخت کننده جوش شده به صفحات داخل اعضای کششی و لقمه ها از تنش آستانه خستگی بیشتر بودند. بر مبنای این مطالعات ترک های مشاهده شده در سیستم سازه ای پل به پدیده خستگی بی ارتباط دانسته شد. افزون براین، نتایج مدل سازی ها احتمال بروز ترک های ناشی از خستگی را در طول عمر بهره برداری پل مردود دانست. شایان ذکر است مطالعات مذکور بر پایه عبور 15000 خودرو در روز انجام گرفت.

نکته شایان تامل در مورد نتایج این تحقیقات این است که تنش های محاسبه شده برای پل در این پژوهش از تنش آستانه خستگی بار زنده آئین نامه AASHTO بیشتر بود اما با این منطق که شرایط موجود در AASHTO ممکن است در طول عمر بهره برداری دفعات اندکی اتفاق بیفتد و با توجه به کمتر بودن چشمگیر مقادیر تنش اندازه گیری شده از تنش آستانه خستگی بار زنده آئین نامه AASHTO امکان بروز پدیده خستگی در پل مزبور مردود دانسته شد. این در حالیست که ریزش پل I-35W در ساعت اوج ترافیک روی داد و در لحظه ریزش پل ترافیک بسیار سنگینی بر روی پل در جریان بود. در پایان مطالعات فوق، پیشنهاد شده بود پل هر شش ماه یکبار مورد بازرسی قرار گیرد.

 همچنین در سال 2006 پل به طور کامل بازدید شد. شرکت U.R.S طی قراردادی با اداره راه و ترابری مینسوتا یک تحلیل خستگی جامع برای پل انجام داد. در نتیجه این تحلیل ها پیشنهاد شد صفحات فولادی بر روی 52 قطعه از حساس ترین و بحرانی ترین اعضای خرپایی اضافه شود و جزئیات جوش این اعضا به صورت چشمی به دقت بازرسی و نواقص موجود برطرف گردد. در نتیجه این بازرسی ها ترک های خستگی زیادی در ناحیه دهانه های ورودی و خروجی و همچنین ترک ها و نواقص سازه ای متعددی در دیگر قسمت ها مشاهده گردید. از جمله ضعف های سازه ای مشاهده شده می توان به نواقص اجرای جوش قطعات سازه ای و کاهش سطح مقطع اعضای خرپایی داخلی بر اثر خوردگی اشاره نمود.

براساس اظهارات وزیر راه و ترابری ایالات متحده پل I-35W در سیستم بازرسی یکپارچگی سازه ای 50 امتیاز کسب نمود که حداکثر امتیاز این سیستم بازرسی 120 می باشد. بر اساس سیستم امتیاز دهی FHWA امتیاز 50 بیانگر آن است که سازه پل فرسوده بوده و نیاز به بهسازی داشته است اما بروز حادثه ای با این ابعاد پیش بینی نمی شد. گزارش بازرسی ترک های بحرانی که توسط تیمی از بازرسان فنی اداره راه و ترابری مینسوتا ارائه شده است مشکلات خاصی را که سبب کسب امتیاز پایین پل I-35W شد، تشریح می نماید. امتیاز پایین را می توان به خوردگی اعضا در ناحیه ای که لایه رنگ پل کیفیت خود را از دست داده است، نواقص جوشکاری اعضای فولادی خرپایی و تیرهای کف، عدم حرکت تکیه گاه ها مطابق طراحی های اولیه و نیاز به ترمیم ترک های ناشی از خستگی در تیرهای خرپایی جانبی و دهانه های ورودی نسبت داد.

به دنبال این حادثه فاجعه بار مقامات قوانین مربوط به ایمنی سازه ها را مورد بررسی مجدد قرار می دادند تا در صورت نیاز قوانین سخت گیرانه تری اعمال گردد.

5-   مدیریت بحران

در این حادثه 14 نفر جان باختند و بیمارستان های منطقه با تمام ظرفیت به ارائه خدمات به مجروحین حادثه پرداختند. رئیس جمهور ایالات متحده بلافاصله پس از حادثه وزیر راه و ترابری را به محل حادثه فرستاد و خواستار گزارش اولیه بازدید محل حادثه در اسرع وقت شد. همچنین مقاماتی از سوی اداره راه و ترابری، شورای ملی امنیت راه و ترابری، آژانس فدرال مدیریت بحران و FBI از محل حادثه بازدید کردند. تیم های مختلف غواصی و امداد رسانی به محل اعزام و مسیرهای جایگزین جهت حل معضلات ترافیکی اعلام گردید. در جریان امداد رسانی علاوه بر تیم های غواصی از قایق های نجات، هلی کوپتر و ماشین آلات لازم جهت جابجایی قطعات سنگین استفاده شد و در اولین روزها پس از وقوع حادثه رئیس جمهور و سایر مقامات ایالات متحده نیز از محل بازدید کردند.

به دلیل اهمیت فوق العاده سرعت انجام عملیات و از آنجا که بیرون کشیدن تمامی ماشین ها از داخل رودخانه مستلزم جابجا کردن قطعات بسیار بزرگ و سنگین آوار و در نتیجه از دست رفتن زمان بود در نخستین روزهای پس از حادثه ابتدا ماشین هایی که اجساد کشته شدگان در آنها قرار داشت از آب بیرون کشیده شد و ماشین های خالی علامت گذاری و موقتاً به حال خود رها شدند.

 

6-   بازرسی عمومی پل ها در ایالات متحده

 در ایالات متحده مجموعاٌ تعداد000 600 پل بزرگ ثبت شده وجود دارد. براساس استاندارد ملی بازدید پل ها در امریکا (NBIS)، که در اوایل دهه 70 به اجرا گذارده شده است، پل ها با طول بیش از 6 متر که در جاده های عمومی کشور قرار دارند باید هر دو سال یکبار مورد بازدید قرار گیرند. ایمنی سازه ها با انجام بازرسی ها و رتبه بندی اعضایی همچون عرشه، رو سازه و زیر سازه تأمین می گردد. این در حالیست که اگر پل در شرایط بسیار خوبی باشد، بازرسی ها هر 4 سال یکبار انجام می پذیرد. تقریباً 83% از پلهای امریکا هر دو سال یکبار، 12% یکبار در سال و 5% هر 4 سال یکبار بازرسی می گردند. پس از فروریزش پل I-35W  از آنجا که علت حادثه به طور قطع مشخص نمی باشد، ادارات راه و ترابری کلیه ایالت های امریکا موظف به بازدید فوری پل هایی با سیستم سازه ای مشابه پل I-35W شدند.

پس از انجام بازدیدهای فنی کارایی سازه ای و یا نواقص سازه ای پل ها مشخص می گردد. وجود ناکارایی سازه ای بدین معناست که برخی از المانهای پل نیاز به کنترل منظم و یا تعمیر دارند. ناکارایی سازه ای به معنی ناایمن بودن و یا احتمال ریزش کلی پل نمی باشد بلکه لزوم پایش سازه پل، انجام بازدیدهای منظم و بهسازی پل را بیان می نماید. اکثر پل های دارای نواقص سازه ای در جریان بهسازی و اجرای تعمیرات باز می مانند و ترافیک بر روی آنها در جریان است. در صورتی که بازرسان شرایط سازه ای پل را ناایمن تشخیص دهند ساعات عبور خودروها از روی پل را محدود می کنند و یا پل را به کل می بندند.

بر اساس آخرین گزارش اداره راه و ترابری ایالت Minnesota طی سالهای 2004-2006 بطور متوسط سالانه 2300000 دلار صرف بازرسی پلهای این ایالت شده است. این در حالیست که با شرایط امروز احداث تنها یک پل با ابعاد پل I-35W بطور تقریبی 20000000 دلار هزینه در بر خواهد داشت.  به دنبال بروز این حادثه نگرانی ها در مورد ایمنی سازه پل ها افزایش یافته است. آمارهای منتشره از سوی انجمن مهندسان عمران امریکا حاکی از آن است که تعمیر تمامی پل هایی که دارای نقص سازه ای هستند بیش از 188 میلیارد دلار هزینه خواهد داشت (4/9 میلیارد دلار در سال به مدت 20 سال). حدود 3/8 میلیارد دلار از این مبلغ جهت رفع نواقص سازه ای ناش از خوردگی اجزای بتنی و فولادی صرف می شود.  این ارقام بیانگر این واقعیت است که با تخصیص منابع مالی مناسب که در مقایسه با هزینه احداث پلها ناچیز می نماید می توان در ارتباط با وضعیت سازه ای و ایمنی پلها اطلاعات ارزشمندی حاصل و با اولویت بندی پروژه ها تدابیر لازم را جهت ترمیم، بهسازی و مقاوم سازی آنها اتخاذ کرد. 

7-   جمع بندی و نتیجه گیری

بی توجهی به نتایج بررسی های سازه ای و عدم توجه بهنگام به بهسازی و مقاوم سازی پل زمینه ساز بروز فاجعه فروریزش پل I-35W  و وارد آمدن خسارات جانی و مالی بسیاری گردید. در نتیجه وقوع این حادثه شاهراه حیاتی I-35W  و مسیر آبی استراتژیک می سی سی پی قطع و نظم ترافیکی شهر  Minneapolis مختل شد که افزون بر زیانهای مالی درازمدت اتلاف عظیم انرژی و زمان را به دنبال خواهد داشت. بروز این وضعیت در صورت وقوع حوادث مشابه کاملا محتمل است. بنابراین:

·       بازدیدهای فنی منظم، بهسازی و مقاوم سازی پل ها با توجه به آیین نامه های فنی معتبر جهت حصول اطمینان از امنیت سازه ای آنها برای پیشگیری از حوادث مشابه ضرورتی اجتناب ناپذیر می باشد. با تخصیص منابع مالی مناسب که در مقایسه با هزینه احداث پلها ناچیز می نماید می توان اطلاعات ارزشمندی در ارتباط با وضعیت سازه ای و ایمنی پل ها حاصل و با اولویت بندی پروژه ها تدابیر لازم را جهت اقدامات اصلاحی اتخاذ کرد.

·     بر اساس رخداد فروریزش پل I-35W در سال 2007 که چندین مرحله مورد بازرسی های فنی کلی قرار گرفته بود لزوم بکارگیری سیستم جامع مدیریت پل به اثبات می رسد که شامل راهبرد الزام آور نگهداری نیز باشد.

·     انتخاب راهبرد های پیگیرانه نگهداری و بهسازی پل ها با توجه به اهمیت شریان حیاتی مربوط به پل نسبت به هر روش مقابله با بحران ارجحیت دارد و در این زمینه بکارگیری سناریوهای what-if توصیه می شود.

·     درک لزوم بهسازی لرزه ای پل ها همزمان با ترمیم دیگر خرابی های موجود پل در میان کارفرمایان و بهره برداران از اهمیت ویژه ای برخوردار است چرا که بنابر رویکرد موجود کارفرمایان و دستگاههای بهره بردار به جهت کاهش هزینه های مطالعاتی فاز مطالعات کمی از دستور مطالعات بهسازی حذف می شود.

 

8- منابع

1-   مدیریت پل- معاونت آموزش،تحقیقات و فناوری پژوهشکده حمل و نقل

 2-    Bridge inventory- non-deficient and deficient, NTSB publication, 2007.

 3-    Fatigue evaluation of deck truss of bridge I-35W, O’Connell, H.M., Dexter, R.J., Bergson, B., Minnesota Department of Transportation, 2001.

 4-     Fuhrman, K., Desens, K., Desens,V., Minnesota Department of Transportation bridge inspection report, Metro technical document, 2007.