Хоу фермы - Howe truss

Хау Ферменский мост
Мост Паркс-Гэп, ферменный мост Хоу, построенный в округе Беркли, Западная Вирджиния, в 1892 году.
В Мост Park's Gap, ферменный мост Howe, построенный в Округ Беркли, Западная Вирджиния, в 1892 г.
НесетПешеходов, автомобили, грузовики, Скоростной трамвай, тяжелый рельс
ДиапазонОт короткого до среднего
МатериалДревесина, утюг, стали
ПодвижныйНет
Проектные усилияНизкий
Ложная работа требуетсяда

А Хоу фермы это ферменный мост состоящий из поясов, вертикалей и диагоналей, вертикальные элементы которых находятся в состоянии растяжения, а диагональные элементы - в состоянии сжатия. Ферма Howe была изобретена Уильям Хау в 1840 году и широко использовался в качестве моста в середине-конце 1800-х годов.

Разработка

Уильям Хау

Самые первые мосты в Северной Америке были сделаны из дерева, которое было в изобилии и дешевле камня или кирпичной кладки. Ранние деревянные мосты обычно были Ферма решетки Towne или же Ферма Burr дизайн. Некоторые более поздние мосты были фермами МакКаллума (модификация фермы Берра). Около 1840 г. к деревянным мостам добавили железные прутья. В Ферма Пратта использовали деревянные вертикальные элементы в сжатии с диагональными железными распорками. Ферма Howe использовала железные вертикальные стойки с деревянными диагональными распорками. Обе фермы использовали контр-распорки, которые становились необходимыми теперь, когда тяжелые железнодорожные составы использовали мосты.[1]

В 1830 г. Стивен Гарриман Лонг получил патент на цельнодеревянный мост с параллельными поясами. Мост Лонга содержал диагональные раскосы, предварительно напряженные клиньями. Длинная ферма не требовала соединения диагонали и фермы и могла оставаться в сжатии даже тогда, когда древесина немного сжималась.[2]

Уильям Хау был строительным подрядчиком в Массачусетс когда он запатентованный конструкция фермы Хау в 1840 году.[3] В том же году он основал Howe Bridge Works для строительства мостов по его конструкции.[4] Первая ферма Хау, когда-либо построенная, была однополосным мостом длиной 75 футов (23 м) в Коннектикуте, по которому проходила дорога.[1] Второй - железнодорожный мост через Река Коннектикут в Спрингфилд, Массачусетс. Этот мост, вызывавший всеобщую похвалу и внимание,[3] имел семь пролетов и составлял 180 футов (55 м) в длину.[1] Оба моста возведены в 1840 году.[3][1] Один из рабочих Хоу, Амаса Стоун, куплена за 40 000 долларов[5] (1 024 400 долларов в долларах 2019 года) в 1842 году - права на запатентованную конструкцию моста Хоу. При финансовой поддержке Азарии Буди Стоун основал фирму по строительству мостов Boody, Stone & Co.[6] который возвел большое количество мостов из фермы Хау по всей Новая Англия.[5] Хоу внес дополнительные улучшения в свой мост и запатентовал вторую конструкцию фермы Хоу в 1846 году.[7]

Дизайн мостов

Элементы ферменного моста Howe

Ферменный мост Howe состоит из верхнего и нижнего «пояса»,[а] каждый пояс состоит из двух параллельных балок, и каждый пояс параллельны друг другу. Паутина[b] состоит из вертикалей, распорок и контр-распорок. Вертикальные стойки соединяют друг с другом верхние и нижние пояса и образуют «панели». Диагональная распорка на каждой панели усиливает мост, а диагональная распорка на каждой панели увеличивает эту прочность.[10] Ферменные мосты Howe могут быть полностью деревянными, комбинированными из дерева и железа или полностью железными.[11] Какая бы конструкция ни использовалась, деревянные брусья должны иметь квадратные концы без паз и шипы.[12] Конструкция цельнометаллической фермы Howe повторяет конструкцию деревянной фермы.[1]

Ферма

Ферма Читальный зал вокзала Мост, с чугун диагональные элементы сжатые и узкие кованое железо вертикальные стяжки в растяжении

Параллели в каждом поясе обычно строятся из более мелких балок, каждая небольшая балка прикреплена друг к другу, образуя непрерывную балку.[13] В деревянных фермах Howe эти тонкие балки обычно имеют ширину не более 10-15 дюймов (от 250 до 380 мм) и глубину от 6 до 8 дюймов (от 150 до 200 мм).[1] В железных фермах верхние поясные балки имеют ту же длину, что и панель. Балки верхнего пояса обычно изготавливаются из чугун, а балки нижнего пояса имеют кованое железо.[1] Используются минимум три небольших луча,[14] каждая форма по ширине и глубине.[13] Рыбные пластины обычно используются для соединения балок.[14] (Балки нижнего пояса могут иметь проушины на каждом конце, в этом случае они скрепляются болтами, булавки, или же заклепки.)[1] В деревянных фермах, чеканки а через каждые 4 фута (1,2 м) используются железные болты для соединения балок верхнего пояса друг с другом.[1][c] В нижнем поясе деревянного моста, зажимы используются для соединения балок.[1]

Хотя обычно одинаковой длины,[12] балки располагаются так, чтобы стык (точка, где встречаются концы двух балок) находился рядом с точкой, где встречаются две панели[14] но не прилегает к стыку в соседней паре балок.[13][14]

Отдельные маленькие балки, образующие параллель в поясе, разделены по длинной стороне пространством, равным диаметру вертикальных стоек.[13] обычно около 1 дюйма (25 мм).[1] Это позволяет вертикальным стойкам проходить через параллель в поясе.[13] Рейковые плиты[d] размещаются по диагонали между элементами пояса и прибиваются гвоздями, чтобы уменьшить изгиб и действовать как прокладка для обеспечения вентиляции между членами пояса.[16]

Средняя треть нижнего пояса всегда усилена одной или несколькими балками. прикрученный к аккорду. Это усиление обычно составляет одну шестую ширины поперечного сечения нижнего пояса.[17] Если деревянный пояс необходимо усилить еще больше, к средней трети каждой стороны нижнего пояса можно прикрепить дополнительные тонкие балки.[12] Когда строительство будет завершено, верхний пояс ферменного моста Howe будет в сжатие, а нижний аккорд - в напряжение.[13]

Паутина

Вертикальные стойки проходят через диагональные распорки и угловой блок, чтобы добраться до нижнего пояса Джей Бридж в Округ Эссекс, Нью-Йорк

Вертикальные столбы соединяют верхний и нижний пояса и разделяют ферму на панели.[13] Ферма Howe обычно использует железные или стальные вертикали.[18] Это прямые и круглые,[1] немного уменьшена в окружности на концах, а резьба добавлен.[18] Вертикаль обычно проходит через центр углового блока.[1] а затем через оставшееся пространство в верхнем и нижнем поясе.[14] Для крепления вертикальной стойки к поясу используется гайка. Специальные тарелки или шайбы из дерева или металла используются для распределения нагрузки, создаваемой вертикальной стойкой, на пояса.[18][1][e] Вертикальные стойки в напряжении,[13] который вызывается затяжкой гаек на вертикальных стержнях.[19]

Раскосы - это диагональные балки, которые соединяют нижнюю часть вертикальной стойки с верхней частью следующей вертикальной стойки.[13] Они размещены в одной плоскости с хордой.[14] В отличие от железных или стальных распорок, которые являются сборными, деревянные распорки обрезаются по длине.[1] Если параллель в поясе имеет толщину X балок, каждая распорка должна иметь толщину X минус 1 балка.[13][f] Отношение глубины к ширине каждого элемента диагональной распорки не должно быть больше, чем у связки в целом.[16] Подтяжки могут быть как цельными, так и несколькими, соединенными вместе с накладками.[14] Подтяжки в сжатии[13] за счет затяжки гаек по вертикали.[19][2]

Контр-распорки - это диагональные балки, которые соединяют нижнюю часть вертикальной стойки с верхней частью следующей вертикальной стойки и проходят примерно перпендикулярно распоркам.[13] Они размещены в одной плоскости с хордой,[14] обычно одинаковы по размеру,[17] и должен иметь толщину на одну балку меньше раскоса.[13] В отличие от подтяжек, контр-скобы представляют собой единую деталь.[14] Вообще говоря, мост из шести или менее панелей (длиной около 75 футов (23 м)) не требует подпорных распорок. Ферма из восьми панелей требует наличия контр-распорок в каждой панели, кроме концевых панелей, и они должны быть не менее одной четвертой прочности распорок. Ферма из 10 панелей требует наличия контр-распорок на каждой панели, кроме концевых панелей, и они должны быть не менее половины прочности распорок. Ферменный мост Howe может быть усилен для достижения живая нагрузка к статическая нагрузка соотношение 2-к-1. Если это соотношение составляет 2: 1 или больше, то ферма из шести панелей должна иметь контр-распорки, и они должны быть не менее одной трети прочности распорок. Контр-раскосы в ферме из восьми панелей должны быть не менее двух третей прочности раскосов, а контр-раскосы в ферме из 10 панелей должны быть, по крайней мере, равны по прочности раскосам.[12] Если на ферме Howe ожидаются быстро перемещающиеся временные нагрузки любого соотношения, контр-распорки, используемые в центральной панели, должны быть равны по прочности раскосам, а панель рядом с концевой панелью должна иметь контр-распорки по крайней мере один- наполовину слабее, чем скобы.[17]

В местах пересечения диагональных скоб и контр-распорок они обычно скрепляются болтами.[14]

Один тип углового блока для использования в ферменном мосту Howe

Подтяжки и контр-распорки удерживаются на месте с помощью угловых блоков.[13] Угловые блоки имеют в поперечном сечении треугольную форму.[13] и должны быть одинаковой высоты[13] и ширину как параллель хорды.[1] Угловые блоки могут быть деревянными или железными,[13] хотя для постоянных конструкций обычно используют железо.[12] Угловые блоки прикрепляются к верхнему поясу вверх дном, а к нижнему - правой стороной.[1] Угловые блоки имеют выступы -фланцы или выступы, используемые для переноски, сидения или поддержки чего-либо.[15] Концы распорок и контр-распорок должны быть обрезаны или отлиты так, чтобы они находились под прямым углом к ​​угловому блоку.[10][1] Верхний выступ может быть единственным фланцем, который входит в паз, вырезанный на поверхности диагонали,[1] или может быть от двух до четырех выступов, которые образуют отверстие, в которое вставляются распорка и контр-распорка. Диагонали удерживаются на месте затяжкой гаек на вертикальных стойках.[12] Бутсы может быть прибита гвоздями к деревянному угловому блоку, чтобы удерживать распорки и контр-распорки на месте. В качестве альтернативы можно просверлить отверстие в проушине и скобе / контр-скобе и дюбель вставлен, чтобы удерживать балку на месте.[12][грамм] Стальные угловые блоки должны иметь отверстие в верхних проушинах, чтобы болт мог проходить через проушину и скобу / контр-скобу, фиксируя скобки на месте.[14] В нижних проушинах углового блока также есть отверстия, позволяющие прикрепить угловой блок к поясу болтами.[14] В центре углового блока проделываются два или более отверстий, чтобы позволить вертикальным стойкам пройти через них и закрепиться на другой стороне пояса.[1]

Торцевые панели - это четыре панели по обе стороны от конца ферменного моста Howe. Они должны быть той же высоты, что и аккорды, но не больше.[12] Верхний пояс не выходит за портал[17] (пространство, образованное последними четырьмя вертикальными стойками на обоих концах моста).[20] Для торцевых панелей требуется только скоба, соединяемая от верха последней вертикальной стойки к концу нижнего пояса.[17]

Стойки используются для соединения двух параллелей поясов для предотвращения бокового изгиба и уменьшения вибрации. Используются две диагонали, соединяющиеся с верхом вертикальных стоек. Одна из диагоналей должна быть цельной, а другая обрамлена в первую часть или состоит из двух частей, соединенных с ней.[21] X-скобки,[час] обычно изготавливаются из тонких металлических стержней с резьбовыми концами, устанавливаются между вертикальными стойками, чтобы уменьшить качаться.[14] Ортез на колено,[я]обычно плоские стержни с проушинами на обоих концах, используются для соединения последней стойки и последних вертикальных стоек на обоих концах моста.[14]

Отдельные панели могут быть изготовлены на заводе.[11] Когда панели соединяются друг с другом на месте, прокладки используются для уплотнения любых пространств и прикручиваются на месте.[16][j]

Палуба

Балки перекрытия проходят между параллелями пояса и используются для поддержки стрингеров и настила. Балки перекрытия могут располагаться на поясе под ними или они могут быть подвешены к вертикальным стойкам. Балки перекрытия обычно имеют наибольшую глубину из всех балок моста. Балки перекрытия обычно размещают на стыке двух панелей. Если они размещены где-то посередине панели, пояс должен быть усилен, чтобы противостоять изгиб, коробление, и напряжение сдвига.[18]

Стрингеры - это балки, устанавливаемые поверх балок перекрытия параллельно поясам. Стрингер может иметь отношение глубины к ширине от 2: 1 до 6: 1. Отношение более 6: 1 избегается во избежание коробления. На практике большинство деревянных стрингеров имеют ширину 16 дюймов (410 мм) из-за ограничений при фрезеровании. В мосту обычно шесть стрингеров.[18]

Строительство настила для железнодорожного моста требует, чтобы стрингеры лежали непосредственно под каждым рельсом и чтобы стрингеры поддерживали каждый конец моста. железнодорожные шпалы. Стяжки обычно имеют поперечное сечение 6 на 8 дюймов (150 на 200 мм) и длину от 9 до 12 футов (от 2,7 до 3,7 м). Они устанавливаются непосредственно на стрингерах, на расстоянии около 12 дюймов (300 мм) друг от друга. Поручни 6 на 8 дюймов (150 на 200 мм) в поперечном сечении устанавливаются на расстоянии 20 дюймов (510 мм) от центра стяжек и прикручиваются болтами к каждой третьей стяжке.[18]

Физика ферменного моста Хау

Внутренняя ферма фермы Howe статически неопределенный. Существует два пути напряжения во время нагружения: пара диагоналей при сжатии и пара при растяжении. Это дает ферме Howe уровень избыточности, который позволяет ей выдерживать чрезмерную нагрузку (например, потерю панели из-за столкновения).[23]

Предварительное напряжение имеет решающее значение для правильной работы фермы Howe. Диагонали слабо соединены с суставами, и для правильной работы необходимо предварительное напряжение. Более того, диагонали в растяжении могут выдерживать напряжение только ниже уровня предварительного напряжения. (Размер элемента не имеет значения из-за неплотного прилегания диагонали к стыку.) Правильное предварительное напряжение во время строительства имеет решающее значение для правильной работы моста.[24]

Максимальное напряжение прикладывается к центру поясов, когда динамическая нагрузка достигает центра моста или когда динамическая нагрузка расширяет длину моста. И вертикальные стойки, и распорки в конце моста испытывают наибольшую нагрузку.[12]

Напряжение, действующее на контр-распорки, зависит от отношения временной нагрузки к статической нагрузке на единицу длины и от того, как временная нагрузка распределяется по мосту. Равномерное распределение временной нагрузки не создаст нагрузки на контр-распорки, в то время как временная нагрузка только на часть моста создаст максимальное напряжение на центральных контр-распорках.[12]

Из-за нагрузки на мост ферма Howe подходит для пролетов длиной 150 футов (46 м) или меньше.[17] В ферме Howe не предусмотрены условия для расширения или сжатия из-за изменений температуры.[14]

Используемые ферменные мосты Howe

Ферма Howe была очень экономичной из-за простоты конструкции. Деревянные детали можно создать, используя лишь стальной квадрат и царапать шило, а ферму можно обрамить, используя только тесло, шнек, и увидел.[1] Панели могут быть изготовлены заранее и транспортированы на строительную площадку, а иногда даже целые фермы могут быть изготовлены и собраны за пределами площадки и транспортированы по железной дороге в намеченное место.[11] Что-то подобное ложная работа, обычно в виде эстакада, требуется для возведения моста.[21]

Сравнение конструкций мостов с фермами Howe и Pratt.

Развитие ферм Пратта и Хоу стимулировало строительство железных мостов в Соединенных Штатах. До 1850 года немногие железные мосты в стране были длиннее 50 футов (15 м). Простая конструкция, простота изготовления и легкость конструкции ферм Pratt и Howe стимулировали Бенджамин Генри Латроб II, главный инженер Железная дорога Балтимора и Огайо, чтобы построить большое количество железных мостов. После обрушения двух знаменитых железных мостов (один в США, другой в объединенное Королевство ), некоторые из них были построены в север. Это означало, что большинство железных мостов было возведено до американская гражданская война были расположены в юг. Приблизительно в 1867 году в Соединенных Штатах произошел всплеск строительства железных мостов. Чаще всего использовались фермы Howe, фермы Pratt, Ферма Боллмана, Ферма Fink, и Ферма Уоррена.[1][k] Фермы Howe и Pratt получили признание, потому что в них использовалось гораздо меньше элементов.[28]

Единственное техническое обслуживание, которое требуется ферме Howe, - это регулировка гаек на вертикальных стойках для выравнивания деформации.[1] Диагонали деревянной фермы Pratt трудно было правильно отрегулировать, поэтому ферма Howe стала предпочтительной конструкцией для деревянного моста.[1] или для «переходного» моста из дерева с железными вертикалями.[2] Профессор инженерии Гораций Р. Тайер, писавший в 1913 году, считал ферму Хау лучшей формой деревянного ферменного моста и считал ее наиболее часто используемым ферменным мостом в Соединенных Штатах в то время.[29]

Цельнометаллические фермы Howe начали строить около 1845 года.[2] Примеры включают в себя железную ферму Howe длиной 50 футов (15 м), которая была построена для Бостон и железная дорога Провиденса[2][30] и 30-футовый (9,1 м) железнодорожный мост через Огайо и канал Эри в Кливленде.[31][32]

Железный мост, однако, был предпочтительным мостом для автомобильных и железных дорог, а ферма Хау плохо приспособилась к цельнометаллической конструкции.[1] Система единой диагональной связи фермы Pratt означала меньшую стоимость, а ее способность использовать стрингеры из кованого железа под железнодорожными рельсами и шпалами побудила строителей мостов отдать предпочтение Pratt над Howe.[28][l] Более высокие временные нагрузки, особенно на железных дорогах, побудили мостостроителей отдавать предпочтение пластинчатая балка решетчатые мосты Таун для пролетов менее 60 футов (18 м) и балочные мосты Уоррена для всех других пролетов.[28]

Рекомендации

Примечания
  1. ^ Пояса являются основной частью фермы и должны сопротивляться провисанию.[8]
  2. ^ Сеть - это те участники, которые соединяют аккорды.[9]
  3. ^ Согласно отраслевому изданию Новости машиностроения в 1879 году в балках прорезается канал глубиной 0,5 дюйма (13 мм), а затем шплинт шириной 2 дюйма (51 мм) вставляется в канал и затягивается.[1]
  4. ^ Рейки представляют собой простые куски железа или стальной пластины, обычно используемые для соединения двух частей вместе или прикрепленные к фланцам Двутавровые балки или же C-балки чтобы сделать их жесткими.[15]
  5. ^ В случаях, когда балки нижнего пояса имеют проушины на концах и для соединения балок используется болт или заклепка, конец вертикальной стойки может быть крючком, а не резьбой, и проходить вокруг болта или заклепки.[1]
  6. ^ Например, если хордовая параллель состоит из четырех балок, диагональ должна быть из трех балок.
  7. ^ В Инженерном корпусе армии говорят, что скобы могут немного расшататься, когда они вставлены в проушины.[12]
  8. ^ X-скобка - это любая форма скобки, в которой пересекаются две диагонали.[15]
  9. ^ Коленный бандаж - это короткий бандаж, диагонально соединяющий вертикаль с подкосом.[22]
  10. ^ Фермы Howe легко поддаются предварительному напряжению. Это означает, что панели не нуждаются в полном соединении друг с другом, поскольку силы сжатия уменьшают необходимость противодействия силам натяжения.[11]
  11. ^ Ферма Уоррена была разработана в 1848 году,[25] ферма Боллмана в 1852 году,[26] и фермы Fink в 1854 году.[27]
  12. ^ Позже ферма Pratt была усовершенствована системой двойной перемычки. Эти варианты обычно называются фермами Линвилля, Мерфи или Уиппла.[1]
Цитаты
  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс у z аа ab «Надстройка моста» по адресу: г. Новости машиностроения 1879, п. 204.
  2. ^ а б c d е Гаспарини и Филдс 1993, п. 109.
  3. ^ а б c Григгс, Фрэнк младший (ноябрь 2014 г.). «Спрингфилдский мост Западной железной дороги». Структура. Получено 19 января, 2016.
  4. ^ Knoblock 2012, п. 60.
  5. ^ а б Хаддад 2007, п. 3.
  6. ^ Джонсон 1879, п. 384.
  7. ^ Джонсон 1879, п. 360.
  8. ^ Уодделл 1916, п. 1929 г.
  9. ^ Мерриман и Джейкоби 1919, п. 2.
  10. ^ а б Инженерный корпус армии 1917 г., стр. 251-252.
  11. ^ а б c d Окессон 2008, п. 21.
  12. ^ а б c d е ж грамм час я j k Армейский инженерный корпус 1917 г., п. 252.
  13. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q Инженерный корпус армии 1917 г., п. 251.
  14. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о Тайер 1913, п. 69.
  15. ^ а б c Уодделл 1916, п. 2015 г.
  16. ^ а б c Тайер 1913, п. 75.
  17. ^ а б c d е ж Армейский инженерный корпус 1917 г., п. 253.
  18. ^ а б c d е ж Тайер 1913, п. 68.
  19. ^ а б Окессон 2008, стр. 21-22.
  20. ^ Уодделл 1916, п. 2042 г.
  21. ^ а б Армейский инженерный корпус 1917 г., п. 233.
  22. ^ Уодделл 1916, п. 2001 г.
  23. ^ Окессон 2008, п. 22.
  24. ^ Окессон 2008, п. 24.
  25. ^ Куррер 2018, п. 73.
  26. ^ Берлоу 1998, п. 196.
  27. ^ Берлоу 1998, п. 210.
  28. ^ а б c «Надстройка моста» по адресу г. Новости машиностроения 1879, п. 206.
  29. ^ Тайер 1913, п. 67.
  30. ^ Джеймс, Дж. (1980). «Эволюция железных мостовых ферм до 1850 года». Сделки Общества Ньюкоменов. 52: 67–101. Дои:10.1179 / тнс.1980.005.
  31. ^ Брокманн 2005, п. 208.
  32. ^ Симмонс, Дэвид А. (июнь 1989 г.). «Падение благодати: Камень Амаса и обрушение моста Аштабула». График: 34–43.

Библиография