Balonowy dźwigar kołnierzowy
Balonowy dźwigar kołnierzowy lub (potocznie) nakładka balonowa jest formą pionowego dwuteowego dźwigara z kutego żelaza , w którym górny kołnierz, zamiast być prostą płaską płytą, jest przedłużony do pustej rury. Gdy dźwigar jest poddawany dodatniemu momentowi zginającemu, górna półka działa ściskająco, powodując, że półka płaska jest bardziej podatna na miejscowe wyboczenie niż półka balonowa.
Ten typ dźwigara był rzadko używany, jego jedynym powszechnym użytkownikiem był Isambard Kingdom Brunel w latach czterdziestych i pięćdziesiątych XIX wieku.
Projekt
Brunel pracował w okresie wzmożonej analizy teoretycznej i matematycznej konstrukcji mostowych i mechanicznych. Wraz z pracami Williama Fairbairna , szczególnie w odniesieniu do mostów rurowych Stephensona , takich jak Conwy , wzrosło zrozumienie, w jaki sposób belki ściskane niszczą się w wyniku wyboczenia .
Brunel był znany ze swojej nieufności do żeliwa jako materiału, przynajmniej w przypadku dużych belek. Ta nieufność do żeliwa została potwierdzona, gdy żądny przygód żeliwny most Dee Bridge jego przyjaciela Stephensona (1846) zawalił się w 1847 r. Brunel przedstawił dowody na swoje poparcie w następnym dochodzeniu, ale opierało się to na tym, że Stephenson był kompetentnym inżynierem w granicach obecnej wiedzy, a nie na poparcie dużych żeliwnych belek. Stephenson's Dee Bridge wykorzystywał dźwigar kratownicowy, w którym żeliwny dźwigar w kształcie odwróconej litery T został połączony z zastosowanymi prętami napinającymi z kutego żelaza. Ten wadliwy projekt przyczynił się do awarii mostu, gdzie naprężenie prętów kratownicy zwiększyło ściskanie w górnej części dźwigara, tak że uległ on uszkodzeniu słupa . Mimo to, choć z perspektywy czasu, Brunel użyłby podobnych zastosowanych łańcuchów napinających do swojego kratownicy .
Około lat czterdziestych XIX wieku rozwój pieca puddingowego obniżył koszt kutego żelaza , a ulepszenia walcowni umożliwiły produkcję dużych płaskich przekrojów. To żelazo było teraz ekonomiczne do budowy dźwigarów, montowanych przez nitowanie płaskich sekcji.
Rozwój
Brunel eksperymentował już z prostymi żeliwnymi dźwigarami z główkami cebulkowymi dla stosunkowo krótkiej rozpiętości 35 stóp mostu nad kanałem Bishop's Bridge w Paddington . Miały one rozciągany dolny kołnierz w kształcie litery T i większą okrągłą bańkę na górnej krawędzi, ściskaną. Zgodnie ze swoim zwyczajem Brunel w 1838 roku przeprowadził hydrauliczne testy wytrzymałościowe próbek tych dźwigarów i zapisał wyniki w jednej ze swoich książek „Fakty”.
Eksperymentalny dźwigar
Aby opracować niezawodny dźwigar kratownicowy do mostów o dużej rozpiętości, Brunel przeprowadził niezwykły eksperyment z pełnowymiarowym dźwigarem. Zastosowano w nim pojedynczy dźwigar blachownicowy z kutego żelaza o długości 70 stóp, który został załadowany aż do punktu zawalenia, najpierw obciążeniem 165 ton, a następnie, po naprawie, do 188 ton. Brunel był świadomy, że prawdopodobnym mechanizmem zniszczenia tego dźwigara było załamanie się górnego pasa, na który działałyby siły ściskające . Aby temu przeciwdziałać, kołnierz był wsparty na trójkątnych płytach, a kołnierz był również lekko zakrzywiony. Eksperyment zakończył się wielkim sukcesem, most ostatecznie zawiódł przy znacznym obciążeniu, co oznacza efektywne wykorzystanie materiałów konstrukcyjnych dla mostu o tej nośności w porównaniu z poprzednimi projektami.
Od lewej: • Dźwigar eksperymentalny ( podobny był most kolejowy Chepstow ) • Kolej południowowalska • Kolej wschodniego Bengalu • Mosty Cumberland Basin • Most kolejowy Windsor Wszystkie dźwigary mają tę samą skalę, z wyjątkiem kratownicy Windsor, która jest o połowę mniejsza.
Kolej południowej Walii
Brunel wcześnie i szeroko zastosował ten dźwigar w całej swojej kolei South Wales Railway . Był używany do rozpiętości do 100 stóp, poza tym używano żelaznych mostów kratownicowych .
Ulepszenia w walcowaniu płyt pozwoliły na zmianę kształtu dźwigara. Zamiast tylko lekko zakrzywionej górnej płyty z trójkątnymi klinami, można było teraz zwinąć półokrągłą płytę. Pozwoliło to na użycie w pełni rozwiniętego kształtu „balonu”, jak na drugim zilustrowanym przekroju. Górna wstęga dźwigara była półokrągła i przynitowana do płyty środkowej za pomocą listwy w kształcie litery L. Boczne kliny, również zakrzywione, były nitowane równolegle do krawędzi tej górnej płyty, a nie przez inny pasek L, jak stosowano pierwotnie. Brunel (prawdopodobnie słusznie) uważał, że gładki profil balonu jest bardziej wydajnym projektem, na co wpłynęło jego geometryczne podejście do projektowania, a nie analiza matematyczna Eatona. Bardziej praktycznie, równoległe połączenie zakładkowe zmniejszyło o połowę ilość potrzebnego nitowania w porównaniu z paskiem L.
Żaden z tych mostów nie przetrwał w formie balonu, chociaż dźwigar z jednego z nich został później ponownie użyty do prac poszerzających most (1861) w poprzek drogi Coity w pobliżu Bridgend i tam przetrwał. Most Coity Road został zbudowany przed tą datą, ale został poszerzony, aby pomieścić nową kolej Llynvi Valley . Jedna strona mostu została przesunięta na zewnątrz, aby pomieścić nową bocznicę i zainstalowany po tej stronie dźwigar balonowy. Uważa się, że ten dźwigar (zwłaszcza, że został zainstalowany po śmierci Brunela) był wcześniej używany w innym miejscu SWR , chociaż jego pierwotna data i lokalizacja nie są znane.
Podobnych dźwigarów użyto do przekroczenia Severn w Over .
Kolej Wschodniego Bengalu
W następnym rozwiązaniu zachowano półokrągły górny kołnierz, ale boczne kliny zostały teraz całkowicie porzucone, ponieważ uznano, że głębokość kołnierza, nawet jeśli nie będzie podparta inną płytą, będzie wystarczająco sztywna. Pozwoliło to również na lepszy dostęp do wnętrza w celu malowania. Przerywane membrany krzyżowe zostały umieszczone w poprzek kołnierza, aby utrzymać jego położenie względem głównej wstęgi i uniknąć zniekształceń spowodowanych kołysaniem na boki.
Forma dźwigara była szeroko stosowana w pracy Brunela dla Kolei Wschodniego Bengalu .
Mosty Cumberland Basin
Kiedy Brunel odbudowywał śluzy wejściowe do basenu Cumberland w porcie w Bristolu w latach 1848–1849, zbudował także „ most obrotowy ” – pierwszy ruchomy most Brunela. Miał konstrukcję z centralnym obrotem, ale był bardzo asymetryczny, a strona zewnętrzna była prawie trzy razy dłuższa niż od strony lądu, równoważona dużą żeliwną przeciwwagą .
Ponieważ most był przeznaczony na lekką jezdnię i nie musiał przenosić ciężaru kolei ani pociągu, jego dźwigary miały lekką konstrukcję, co upraszczało produkcję. Zastosowano górną półkę z pełnym balonem, podobną kształtem do mostów kolejowych South Wales Railway, ale półka znajdowała się nad głównym środnikiem dźwigara, a środnik nie rozciągał się na półkę i sięgał do góry. Ta uproszczona konstrukcja pozwoliła uniknąć trójnika, niezbędnych listew w kształcie litery L, a tym samym kilku rzędów nitowania.
Dolny kołnierz miał całkowicie nową formę, miał trójkątny przekrój, chociaż miał wklęsłe boki. Ponownie główna sieć nie obejmowała kołnierza. Wszystkie trzy połączenia były teraz prostymi połączeniami zakładkowymi z nitowaniem jednorzędowym.
Podobnie jak w przypadku wielu wczesnych mostów Brunela, zaangażowanie Brunela w nie zostało w dużej mierze zapomniane i odnotowane tylko w niejasnych pracach. W pewnym momencie poważnie groziło im wyburzenie, dopóki nie przywrócono ich historycznego znaczenia. W 2014 roku wystosowano apel o 1 milion funtów w celu przywrócenia mostu.
Bardzo podobny most obrotowy został zbudowany kilka lat później jako Dock Bridge w Kronsztadzie w Rosji.
Most kolejowy w Windsorze
Windsor Railway Bridge (1849) to most z dźwigarów łukowych lub cięciwowych. Przęsło składa się z dwóch dźwigarów tworzących kratownicę. Górny dźwigar jest łukiem i przenosi ciężar mostu. Dolny dźwigar jest zawieszony na pionowych prętach i nie musi utrzymywać własnego ciężaru. Główną funkcją dolnego dźwigara jest pełnienie funkcji ściągu; przeciwdziała to siłom bocznym łuku, unikając zwykłych sił bocznych łuku na jego fundamentach. Ponieważ jest to most kolejowy, gdzie problemem są podwieszone mosty pokładowe ze względu na kołysanie ich pomostu, dźwigar ten pełni również funkcję usztywniającą.
Brunel użył formy swojego dźwigara kołnierza balonowego dla obu dźwigarów. Górny dźwigar łukowy wykorzystuje trójkątną formę z wczesnego eksperymentu, z płaską górną płytą i bez żadnego pionowego środnika poniżej skrzyni kołnierzowej. Dźwigar dolny wykorzystuje „otwartą” formę półki, lekko zakrzywioną i bez blach węzłowych. Ponieważ dolny dźwigar nie przenosi swojego ciężaru, nie podlega zwykłym siłom wyboczeniowym.
Most kolejowy Chepstow
Most kolejowy Chepstow (1852) był skomplikowanym mostem, w którym po raz pierwszy zastosowano konstrukcję kratownicy Brunela do wytworzenia mostu wiszącego o szerokiej, nieprzerwanej rozpiętości na wysokim poziomie nad kanałem żeglugowym. Zachodni brzeg wąwozu był jednak płytki i błotnisty, więc połowę całkowitej rozpiętości mostu stanowiły trzy 100-stopowe przęsła mostu dźwigarowego, wspartego na żeliwnych cylindrycznych filarach. Dźwigary te ( ilustracja ) miały kształt i rozmiar bardzo podobny do oryginalnego dźwigara eksperymentalnego.
Dźwigary od strony lądu wymieniono w 1948 r., a główną kratownicę z dźwigarami pod nią w 1962 r. Fragmenty dźwigarów zachowały się do dziś.
Most Crathiego
Crathie (1854–1857) to pojedyncze przęsło o długości 125 stóp przez rzekę Dee do królewskiej posiadłości Balmoral . Most został po raz pierwszy narysowany w formie kratownicy Brunela, nawiązującej do jego Królewskiego Mostu Alberta w Saltash . W konstrukcji mostu wykorzystano jednak otwartą formę górnego kołnierza w kształcie litery C, taką jak w przypadku kolei wschodniego Bengalu . Ponieważ most był przeznaczony wyłącznie do ruchu kołowego, możliwe było również zastąpienie solidnego środnika dźwigara nad poziomem jezdni ażurową kratownicą, dzięki czemu widok z mostu był bardziej atrakcyjny wizualnie dla jego znamienitego mieszkańca. Mimo to Jej Królewskiej Mości „nie bawił” most.
Devizes „Fish Bridge”
Linia z 1857 r. Przez Devizes w Wiltshire w dół Caen Hill została przeprowadzona drogą na nietypowym rozwinięciu kołnierza balonu, łącząc go z blachownicą soczewkową . Ten soczewkowaty kształt rybiego brzucha dał popularną nazwę „Fish Bridge”. Podczas pracy nad projektem kratownicy Brunel był już zaznajomiony z zaletami formy soczewkowej.
Pierwotny most rybny został zastąpiony w 1901 r. kratownicą cięciwną . Nazwa pozostała w powszechnym użyciu, nawet po usunięciu linii kolejowej podczas bukowego topora .
Zachowane przykłady
.jpg)
- Over Junction Bridge, most kolejowy na rzece Severn w Over . (1848)
- Cumberland Basin , Bristol Harbor (1849) Jedno stałe przęsło zostało niedawno odrestaurowane do użytku jako kładka.
- Most kolejowy Windsor (1849)
- Most kolejowy Chepstow (1852) Fragmenty dźwigarów przetrwały na Uniwersytecie Brunel w Uxbridge .
- Crathie Bridge (1854–1857) do królewskiej posiadłości Balmoral .
- Most drogowy Coity, Bridgend (1861)
- Most Stoodleigh, Devon. Półokrągły górny pas z otwartym dnem, kratownicowy dźwigar ok. 1863.
- Most Peel Street w Bristolu. Półokrągły górny kołnierz z otwartym dołem, kratownicowy dźwigar kratowy , 1878 r.
- Kanałowa część mostu Bishop's Bridge w Paddington może być pierwszym zastosowaniem tej techniki przez Brunela. Został zdemontowany i przechowywany w 2004 roku.