بنای طاق دروازه یا Gateway Arch؛ شاهکاری از جنس استیل

طاق دروازه بلندترین طاق جهان است که در شهر سنت لوئیس، ایالت میزوری قرار دارد. این سازه یادبود ملی توسعه جفرسون (Jefferson National Expansion Memorial) است که به عنوان دروازه‌ای به غرب (Gateway to the West) شناخته می‌شود و تحت نظارت اداره ملی پارک‌ها اداره می‌شود. امروزه، بیش از یک میلیون نفر در سال سوار بر آسانسور طاق دروازه ، به بالای آن می‌روند؛ از زمان افتتاح آن در سال ۱۹۶۷ تاکنون، بیش از ۲۵ میلیون نفر به سکوی دیدبانی به ارتفاع ۱۹۲ متری این بنا صعود کرده‌اند. در این مطلب قصد داریم تا با این بنای مهم بیشتر آشنا شویم.

تاریخچه بنای طاق دروازه 

آغاز این پروژه در سال ۱۹۳۳ رقم خورد؛ زمانی که گروهی از شهروندان سنت‌لوئیس، با عنوان “انجمن یادبود ملی گسترش جفرسون” (JNEMA) به رهبری وکیلی به نام لوتر ایلی اسمیت (Luther Ely Smith) پایه‌گذاری آن را بنا نهادند و قرار بر ساخت سازه‌ای به این منظور شد. در سال ۱۹۴۷، مسابقه‌ای ملی برای طراحی این بنای یادبود برگزار شد. از میان ۱۷۲ طرح ارسال‌شده، طرح معمار جوان ایرو سارینن (Eero Saarinen) انتخاب شد. طرح او شامل یک طاق به شکل منحنی وارونه (Inverted Catenary Arch) از جنس فولاد ضدزنگ یا استنلس استیل بود که با سادگی، شکوه و قدرت نمادین خود، داوران را مجذوب خود کرد.

در سال ۱۹۳۵، رئیس‌جمهور فرانکلین روزولت مجوز تملک زمین‌های منطقه را صادر کرد و پروژه رسماً وارد فاز مطالعاتی شد. با وجود تأیید طرح، پروژه ساخت به‌علت مسائل حقوقی، بودجه‌ای و جنگ جهانی دوم، تا سال ۱۹۶۳ به تعویق افتاد. در آن سال، کار خاک‌برداری و نصب پایه‌ها آغاز شد و ساخت و بهره‌برداری از طاق دروازه حدود ۴ سال به طول انجامید. در نهایت طاق دروازه سنت لوئیس در ۲۸ اکتبر ۱۹۶۵ تکمیل شد و در ژوئن ۱۹۶۷ برای بازدید عمومی افتتاح گردید.

معرفی بنای طاق دروازه

طاق دروازه (Gateway Arch) که در شهر سنت لوئیس، ایالات متحده واقع شده است، نمادی از گسترش غربی آمریکا و دستاوردهای مهندسی مدرن به‌شمار می‌آید. این سازه با ارتفاع ۱۹۲ متر و عرض بین دو پایه برابر با ۱۹۲ متر، بلندترین طاق ساخته‌شده در جهان و بلندترین بنای یادبود در آمریکا محسوب می‌شود. طراحی خیره‌کننده آن به شکل یک منحنی وارونه، نشانگر هماهنگی کامل میان فرم و عملکرد است؛ چرا که شکل آن، بار وزن سازه را به بهترین شکل به تکیه‌گاه‌های پایه منتقل می‌کند. از آغاز ساخت در فوریه ۱۹۶۳ تا نصب آخرین المان در اکتبر ۱۹۶۵، مشارکت صدها مهندس، سازنده و جوشکارُ حاکی از چالش‌های مهندسی بسیاری بود.
یکی از جالب‌ترین چالش‌های مهندسی، طراحی آسانسور طاق دروازه برای رساندن بازدیدکنندگان به رأس طاق بود. از آنجا که فضای داخلی طاق باریک و منحنی است، یک سیستم آسانسور هیبریدی طراحی شد که به صورت ترکیبی از بالابر عمودی، کابین چرخان و پله‌برقی عمل می‌کند.

انتخاب استنلس استیل به‌ عنوان متریال اصلی

معمار این سازه برای روکش خارجی طاق دروازه، از استنلس استیل استفاده کرد؛ آلیاژی که از اوایل قرن بیستم با افزودن کروم به ساختار فولاد جهت ایجاد لایه محافظ اکسیدی و مقاومت در برابر خوردگی شناخته شد. انتخاب استنلس استیل نه‌تنها از لحاظ دوام در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی در مجاورت رطوبت و آلاینده‌های رودخانه می‌سی‌سی‌پی مطلوب بود، بلکه به دلیل خواص مکانیکی بالا و سهولت پرداخت سطحی، زیبایی بصری و درخشش ماندگار طاق را تضمین کرد. در دهه ۱۹۶۰، استفاده از استنلس استیل در مقیاس چنین عظیمی (حدود 800 تن فولاد ضدزنگ) نقطه عطفی در تاریخ مهندسی سازه به‌حساب می‌آمد.

مشخصات فنی استنلس استیل

بر اساس مشخصات ارائه‌شده توسط اتحادیه جهانی استنلس استیل (World Stainless)، ضخامتی معادل 6.3 میلی‌متر از استنلس استیل ۳۰۴ برای پانل‌های روکش طاق دروازه و نمای بیرونی آن به‌کار رفته است. این گرید شامل حداقل ۱8% کروم و 8% نیکل است که به‌صورت بهینه مقاومت در برابر خوردگی و استحکام کششی مناسب را تأمین می‌کند. وزن کلی پوشش استنلس استیل حدود ۸۰۴ تن بود که در قالب ۱۴۲ قطعه مجزا تولید و حمل شد؛ هر قطعه به‌‎طور میانگین وزنی نزدیک به ۶ تن داشت. چنین حجمی از استنلس استیل برای نخستین بار در یک پروژه واحد به‌کار گرفته شد و تاکنون نیز یکی از بزرگ‌ترین \روژه‌ها در به‌کارگیری این متریال در یک سازه به‌شمار می‌آید.

فرآیند تولید پانل‌ها

پانل‌های استنلس استیل طاق در دو کارخانه در شهرهای پیتسبرگ و وارن ایالت پنسیلوانیا متعلق به شرکت (Pittsburgh-Des Moines Steel Company) تولید شدند. طول و عرض پانل‌ها بسته به موقعیتشان در سازه از 1.8×1.6 متر تا 1.8×5.4 متر متغیر بود. در کارگاه، ابتدا ورق‌های استیل با ضخامت 6.3 میلی‌متر، برش داده می‌شد، سپس با استفاده از تکنیک رول‌فرمینگ به شکل منحنی وارونه طاق فرم داده شدند. پس از فرم‌دهی، فرآیند جوشکاری دقیق TIG برای اتصال پانل‌ها در کارخانه انجام و کنترل کیفیت شدند. پس از آن قطعات ابتدا با پیچ‌های مخصوص و موقتی به یکدیگر متصل شدند و درنهایت در محل نصب جوشکاری نهایی روی آن‌ها صورت گرفته است.

روش مونتاژ و نصب پانل‌ها در طاق دروازه

نصب پانل‌ها در طاق دروازه مستلزم ایجاد داربست‌های موقت فلزی و ماشین‌آلات بالابر سنگین بود. هر پانل در ارتفاع‌های مختلف باید با دقت میلی‌متری تراز می‌شد تا شکل منحنی وارونه دقیق حفظ گردد. ابتدا درزهای انبساطی برای مقابله با جابه‌جایی ناشی از تغییر دما در نظر گرفته شد، سپس پانل‌ها با پیچ‌های ضدزنگ موقت بسته شدند و در نهایت جوشکاری نهایی در محل با استفاده از جوشکاری آرگون (TIG) و فیلرهای مخصوص صورت گرفت. این روش دو مرحله‌ای کمک می‌کرد تا از ایجاد تنش حرارتی و پیچیدگی‌های ناشی از انبساط و انقباض جلوگیری شود.

ساختار داخلی و سیستم پشتیبانی

زیرِ پوسته استنلس استیل، یک غشاء داخلی از ورق فولادی به ضخامت ⅜ اینچ (۹.۵ میلی‌متر) قرار دارد که وزنی معادل ۲۱۵۷ تن دارند. همچنین شبکه‌ای از سازه و بادبندهای مثلثی، تقویت‌کننده‌ها و ستون‌های فلزی داخل طاق را مستحکم نگه می‌دارند. این سازه داخلی بار محوری و برشی را به فونداسیون‌ها منتقل می‌کند. ترکیب استنلس استیل در خارج سازه و فولاد در داخل، یک بنای مرکب ایده‌آل ایجاد می‌کند که هم در برابر فشار باد و زلزله و هم در مقابل وزن خود مقاومت می‌کند.

مدیریت انبساط حرارتی

به دلیل تغییرات دمایی گسترده در طول سال (از سرمای زمستان تا گرمای تابستان در میسوری)، طاق با درزهای انبساطی طراحی شده است. این درزها اجازه می‌دهند پانل‌ها تا ۱ سانتی‌متر انبساط یا انقباض حرارتی داشته باشند بدون آنکه به یکدیگر فشار وارد کنند. در فواصل مشخص، اتصالات انعطاف‌پذیر کار گذاشته شده تا حرکت آزادانه آلیاژ استنلس استیل امکان‌پذیر باشد و از ایجاد تنش داخلی جلوگیری شود. همچنین سیستم پایش دما و رطوبت نصب‌شده توسط WJE امکان پایش شرایط محیطی و پیش‌بینی واکنش‌های ماده را فراهم می‌کند.

پرداخت سطح و زیبایی‌شناسی

برای دستیابی به \رداخت سطحی و درخشندگی یکنواخت، پانل‌های استنلس استیل با پرداخت صنعتی درجه No.3 پرداخت شدند. این فرایند با استفاده از سمباده‌های ۸۰ تا ۱۰۰ گریت انجام می‌شود که سطح را با خش‌های خطی ریز و هم‌جهت «برس‌کاری» می‌کند. این پرداخت نه‌تنها بازتاب‌های ملایمی تولید می‌کند، بلکه نگهداری آن را نیز آسان‌تر می‌نماید.

بازرسی خوردگی و نگهداری طاق دروازه

طی دوره‌های چندساله، مطالعات بازرسی خوردگی توسط شرکت WJE انجام شده است. این بازرسی‌ها شامل نمونه‌برداری از سطح، آزمایش ضخامت فلز، و ثبت نقاط با لکه‌های سطحی و آسیب‌های محیطی است. نتایج نشان داده که تقریباً پس از ۵۵ سال، خوردگی استنلس استیل در طاق دروازه بسیار ناچیز بوده و فقط در درزها و اتصالات کمترین علائم لکه‌دار شدن دیده می‌شود. برنامه‌ی منظم تمیزکاری با محلول‌های ملایم و بازدید سالانه، ماندگاری و درخشش اولیه پوشش را تضمین می‌کند.

آسانسور طاق دروازه

همانطور که اشاره شد، یکی از جذاب‌ترین و در عین حال چالش‌ برانگیزترین بخش‌های مهندسی طاق دروازه سنت لوئیس، طراحی و اجرای سیستم آسانسور آن است. به دلیل انحنای سهمی شکل طاق و مقطع باریک و قوسی‌شکل سازه، امکان استفاده از آسانسورهای متداول وجود نداشت. مهندسان راه‌حلی ابتکاری طراحی کردند: یک سیستم ترکیبی از آسانسور، پله‌برقی چرخان و کابین چرخشی که می‌تواند در طول مسیر منحنی، خود را با تغییر زاویه‌ی دیواره‌ها تطبیق دهد. این سیستم شامل کپسول‌هایی کروی‌شکل با ظرفیت ۵ نفر است که در حدود ۴ دقیقه، بازدیدکنندگان را به رأس طاق می‌رساند. تجربه این سفر کوتاه، نه تنها حس حرکت در دل یک شاهکار مهندسی را منتقل می‌کند، بلکه به‌خودی‌خود یکی از جاذبه‌های منحصربه‌فرد این سازه محسوب می‌شود.

خواص مکانیکی و تحلیل بار

آزمایش‌های مکانیکی گرید ۳۰۴ نشان می‌دهد استحکام کششی آن بین ۵۲۰ تا ۷۲۰ مگاپاسکال و تنش تسلیم  آن حدود ۲۳۰ مگاپاسکال است. تحلیل‌های المان محدود در طراحی اولیه ثابت کرد که شکل محنی وارونه و ضخامت ۶.۳ میلی‌متری پانل‌ها به‌خوبی بار محوری و نیروی باد تا سرعت ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت را تحمل می‌کند. همچنین مقاومت خمشی پایین ورق در ترکیب با سیستم داخلی کربن استیل، باعث توزیع بهینه تنش‌ها و جلوگیری از تمرکز بار می‌شود.

سخن آخر

طاق دروازه با به‌کارگیری بیش از ۸۰۰ تن استنلس استیل گرید ۳۰۴ و فنون پیشرفته ساخت و اجرا، نمادی از تلفیق معماری و مهندسی مواد است. انتخاب استنلس استیل به دلیل مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی، همراه با پرداخت جذاب سطح، موجب شده است این سازه پس از نیم‌قرن همچنان درخشان و مقاوم باقی بماند. این پروژه نقطه عطفی در تاریخ کاربرد استنلس استیل در سازه‌های عظیم محسوب می‌شود و الگویی برای طراحی‌های آینده فراهم آورده است.