الجسور Bridges - الأنواع والتصاميم

يوجد في العالم عدد من الملايين من الجسور ، التي يعبرها الناس من خلال السيارات والشاحنات ولكن كيف تصمم هذه الجسور ، ؟ ولماذا بعضها بشكل مستقيم والأخر بشكل أوتاد منحنية ؟

يأخذ مهندسو الجسور بالأعتبار دائما العديد من العوامل والإعتبارات التصميمية مثل المسافة لتحديد نوع وشكل الدعامات ونوع المواد المتاحة واللازمة للتصنيع ، قبل القيام بأخذ القياسات واعتبارات الشكل والنظرة العامة للجسر . 

وتشمل مرحلة التصميم الابتدائي تحديد الأبعاد والقطاعات الأولية للجسـر وبالتالي تحديد التكلفة التقديرية له ، كما تشمل المقارنات الاقتصادية لجميع الهياكل الإنشائية للجسور التي يمكن استخدامها . 

ومن خلال دراسة تحليلية متقدمة وتحديد القطاعات الأولية التقريبية للجسر والمعتمدة على النظريات العلمية والنواحي العملية يمكن اختيار الهيكل الإنشائي للجسر والمواد المستخدمة به وقطاعاته والتي تمكن المصمم من إجراء التحليل الإنشائي وتصميم الجسر وبالتالي إعداد الرسومات التنفيذية له .

كان المهندسون قديما يملكون ثلاث تصاميم رئيسية لثلاث نماذج للجسور تقاوم جميع القوى والعوامل الطبيعية 
*الجسور العارضية beam bridge
يتألف هذا النوع من الجسور من عارضة أفقية مدعومة بركائز شاقولية في نهايتيها . يستند وزن هذه العارضة بالكامل شاقولياً على الركائز ( الدعامات ) ، 
فعندما تتعرض العارضة الأفقية الى حمل فإنها تنحني ، وتتعرض حافتها العلوية لقوى ضغط بينما تتعرض حافتها أو طبقتها السفلية البعيدة الى شد أي أنها تتجه للإنفصال ، 
لذلك فإنه للمحافظة على وضعية التوازن الآمن للجسر ضمن مجال أحمال محدد ، نادرا ما تزيد المسافة بين الدعامات عن 250 قدم .

*الركائز المستمرة continuous span
تتميز هذه الأنواع من الجسور بتصميم الجسور العارضية ولكن لمسافات أطول وعدد أكبر بكثير من الركائز ( الدعامات ) ، وهي تشكل نمطاً مكون من عدد من الجسور العارضية متصلة ( مربوطة ) بعضها ببعض ولمسافة طويلة جدا كما في جسر :تشيسابيك بايChesapeake Bay Bridge-Tunnel

*الجسر المتحرك movable bridge 
يمتلك أرضية قابلة للحركة ، حيث تقوم الأرضية المتحركة للجسر المتأرجح بالدوران حول نقطة مركزية ، ويمكن لهذه الحركة أن تكون الى الأعلى والأسفل ، وذلك وفق خاصية الثقل الموازي ، حيث يمكن لأرضسة الجسر المرفوعة أن تنطلق مث مصعد هائل الحجم الى الاعلى والأسفل .

الجسور الموثقة أو المقيدةTrussbridge
تتألف هذه الجسور من مجموعات من الهياكل المعدنية بشكل قضبان معدنية بشكل مثلث ، والأكثر شيوعا من هذه الأنواع من الجسور تتكون من سلاسل مستقيمة من القضبان الفولاذية .
يعتبر جسر فيرث أوف فورث في اسكوتلاندا ، جسرا مقيدا من جهة ، وهو نسخة معقدة من الجسور المقيدة ، يتألف من أذرع صلبة وقاسية تمتد من كلا الجهتين لإثنين من الركائز ( الدعامات ) ، تمتد أنابيب فولاذية مستقيمة من أعلى ومن أسفل كل ركيزة كي تقوم بتثبيت الأذرع في مكانها ، وتكون الأذرع التي تمتد باتجاه المنتصف مدعومة من جهة واحدة فقط .

تم تصميم الجسر المقيد من جهة من قبل رئيس المهندسين السير جون فولرJohnFowler و بينيامين بيكر BenjaminBaker ، وكان التصميم يقوم على وجود زوج من الاذرع أو العوارض المقيدة من جهة واحدة ،والمثبتة بواسطة أثنين من الأبراج .
تدعم العوارض بواسطة أنابيب فولاذية مستقيمة تمتد من أعلى وأسفل كل برج ، وهذه العملية تقوي المنطقة المركزية في الجسر التي تمتد بفضل هذا التصميم الى 350 قدم .
هذا التصميم جعل جسر Firth of Forth Bridge الجسر الأكثرقوة والأكثر شهرة من بين جميع الجسور التي تم بناؤها ، فعلى الرغم من منظر الجسر غيرالمحبب إلا أنه من الجسور الآمنة ، فحتى هذا اليوم أكثر الرياح قوة بالكاد تؤدي الى اهتزاز هذا الإنشاء الشهير .

توازن القوى 
كل قضيب في الجسر المقيد من جهة cantilever bridges إما يتعرض لشد أو لضغط ويتوازن بتأثير هذه القوى ، لذلك من النادر أن يتعرض القضيب لقوى تسبب انحناءه ، وبالتالي يمكن لهذا النوع من الجسور أن يزود بركائز ذات مسافات ابعد مما لدى الجسور العارضية beam bridges.

الجسور المقنطرةarch bridge
تمتلك هذه الجسور قوة طبيعية كبيرة جداً ، فمنذ آلاف السنين بنى الرومان القناطر الحجرية . واليوم معظم الجسور المقنطرة تبنى من الفولاذ أو الإسمنت ، ويمكن أن تزيد مسافة ركائزها عن 800 قدم .

كيف يبنى الجسر المقنطر
عملية إنشاء الجسر المقنطر عملية معقدة وليست سهلة على الإطلاق طالما أن الجزء المنشأ من الجسر لايتمتع بالثبات الى أن يربط مع الجزء النظير له في منتصف المسافة ويثبت معه بإحكام .
لسنوات طويلة استخدم المهندسون تقنية تدعى السنطرة centering وهي عبارة عن شكل أو هيكل خشبي يدعم الركيزتين معاً إلى أن يتم تثبيتهما معاً في القمة ، أما الطرق الحديثة فتعتمد في عملية دعم الركيزتين ليس بقالب خشبي كما في السابق وإنما تستخدم الكيابل الفولاذية المثبتة إما بالأرض أو بجانبي الجسر .

الجسور المعلقةsuspension bridge
تتميز هذه الجسور بالركائز التي تمتد الى (2.000 الى 7.000 ) قدم ، أي لمسافات أكبر من أي نوع من أنواع الجسور حتى الآن .
تمتلك معظم الجسور المعلقة نظام التقييد تحت الطريق، وذلك لمقاومة قوى الإنحناء والفتل التي يتعرض لها الجسر باستمرار .

توازن القوى
يعلق الجسر بواسطة كيابل فولاذية ضخمة التي تتدلى من فوق برجين رئيسيين وتربط وتوثق بكتل اسمنتية ضخمة تدعى المراسي anchorages ، تقعان في كلتا نهايتي الجسر .
تؤثر السيارات على الطريق بقوة نحو الأسفل ، وبما أن الطريق معلق تقوم الكيابل من خلال هذا التصميم الهندسي بتحويل القوى أو الأحمال الى قوى انضغاط في كلا البرجين ، حيث يقوم كلا البرجين بدعم معظم وزن الجسر .

الجسور المعلقة بكيابل مثبتة Cable-Stayed Bridge
الجسور المعلقة من هذا النوع مشابهة تماما للجسور المعلقة السابقة حيث تعلق و تدعم الطريق بكيابل فولاذية ضخمة ، ولكن بطريقة مختلفة نوعا ما .
حيث تشد الكيابل وتربط مباشرة بالطريق من جهة والبرج من جهة أخرى وبشكل مستقيم ، لتعطي شكل الحرف A .
تتطلب هذه الجسور عدد أقل من الكيابل الفولاذية ويتطلب بناؤها وقتا أقل مقارنة بالجسور المعلقة ، وهذا ما جعل هذه الأنواع من الجسور أكثر شعبية من أجل الأطوال المتوسطة من الركائز ( بين 500 -3.000 ) قدم .