Most łukowy
Po ponad 2000 lat użytkowania w architekturze, łuk nadal zajmuje poczesne miejsce w projektach mostów i to nie bez powodu: jego półokrągła struktura elegancko rozprowadza ściskanie po całej jego formie i kieruje ciężar na dwa przyczółki, elementy mostu, które bezpośrednio przyjmują nacisk.
Siła naciągu w mostach łukowych, z drugiej strony, jest praktycznie pomijalna. Naturalna krzywizna łuku i jego zdolność do rozpraszania sił na zewnątrz znacznie zmniejsza wpływ naprężeń na spodnią część łuku.
Ale tak jak w przypadku belek i kratownic, nawet potężny łuk nie może wiecznie wyprzedzać fizyki. Im większy stopień krzywizny (im większe półkole łuku), tym większy wpływ naprężeń na spód mostu. Zbuduj wystarczająco duży łuk, a napięcie w końcu wyprzedzi naturalną wytrzymałość konstrukcji nośnej.
Pomimo, że istnieje sporo kosmetycznych różnic w konstrukcji mostów łukowych, podstawowa struktura nie ulega zmianie. Istnieją, na przykład, łuki rzymskie, barokowe i renesansowe, z których wszystkie różnią się architektonicznie, ale strukturalnie są takie same.
To sam łuk nadaje swojemu imiennikowi mostowi jego wytrzymałość. W rzeczywistości, łuk wykonany z kamienia nie potrzebuje nawet zaprawy. Starożytni Rzymianie budowali mosty łukowe i akwedukty, które stoją do dziś. Najtrudniejsza jest jednak budowa łuku, ponieważ dwie zbiegające się części konstrukcji nie mają integralności strukturalnej, dopóki nie spotkają się w środku. Nowoczesne materiały, takie jak stal i beton sprężony, pozwalają nam budować znacznie większe łuki niż robili to starożytni Rzymianie. Nowoczesne łuki mają zazwyczaj rozpiętość od 200 do 800 stóp (61 do 244 metrów), ale most New River Gorge w Wirginii Zachodniej mierzy imponujące 1700 stóp (518 metrów)
Most wiszący
Jak sama nazwa wskazuje, mosty wiszące, takie jak Golden Gate Bridge czy Brooklyn Bridge, zawieszają jezdnię za pomocą kabli, lin lub łańcuchów na dwóch wysokich wieżach. Te wieże obsługują większość wagi, jak kompresja pcha się w dół na pokładzie mostu wiszącego, a następnie podróżuje w górę kabli, lin lub łańcuchów do przeniesienia kompresji do wież. Wieże następnie rozpraszają kompresji bezpośrednio do ziemi.
Kable nośne, z drugiej strony, otrzymują mostu sił napięcia. Kable te biegną poziomo pomiędzy dwoma oddalonymi od siebie punktami kotwiczenia. Zakotwienia mostu to zasadniczo lita skała lub masywne bloki betonowe, w których most jest uziemiony. Siły rozciągające przechodzą do zakotwień i do ziemi.
Oprócz kabli, prawie wszystkie mosty wiszące posiadają system kratownic nośnych pod pokładem mostu zwany kratownicą pokładową. Pomaga to usztywnić pokład i zmniejszyć tendencję jezdni do kołysania się i falowania.
Mosty wiszące mogą z łatwością przekraczać odległości od 2 000 do 7 000 stóp (610 i 2 134 metrów), umożliwiając im rozpiętość odległości poza zakresem innych projektów mostowych. Biorąc pod uwagę złożoność ich konstrukcji i materiałów potrzebnych do ich budowy, jednak, są one często najbardziej kosztowne opcji mostu, jak również.
Ale nie każdy most wiszący jest cudem inżynierii nowoczesnej stali. W rzeczywistości, najwcześniejsze z nich były wykonane z poskręcanej trawy. Kiedy hiszpańscy konkwistadorzy dotarli do Peru w 1532 roku, odkryli imperium Inków połączone setkami mostów wiszących, osiągających rozpiętości ponad 150 stóp (46 metrów) w głębokich wąwozach górskich. Europa, z drugiej strony, nie zobaczyłaby swojego pierwszego mostu wiszącego aż do prawie 300 lat później
Oczywiście, mosty wiszące wykonane ze skręconej trawy nie trwają tak długo, wymagając ciągłej wymiany, aby zapewnić bezpieczną podróż przez szczelinę. Dziś pozostał tylko jeden taki most, mierzący 90 stóp (27 metrów) w Andach.
Most wantowy
Na pierwszy rzut oka most wantowy może wyglądać jak odmiana mostu wiszącego, ale nie daj się zwieść podobnym wieżom i wiszącym jezdniom. Mosty wantowe różnią się od swoich podwieszanych poprzedników tym, że nie wymagają zakotwień, ani dwóch wież. Zamiast tego, kable biegną od jezdni do pojedynczej wieży, która sama utrzymuje ciężar.
Wieża mostu wantowego jest odpowiedzialna za pochłanianie i radzenie sobie z siłami ściskającymi. Kable mocowane są do jezdni na różne sposoby. Na przykład, w układzie promieniowym, kable rozciągają się z kilku punktów na drodze do jednego punktu na wieży, jak wiele linek wędkarskich przymocowanych do jednego słupa. W układzie równoległym kable mocowane są zarówno do jezdni, jak i do wieży w kilku oddzielnych punktach.
Inżynierowie zbudowali pierwsze mosty wantowe w Europie po zakończeniu II wojny światowej, ale podstawowy projekt pochodzi z XVI wieku i od chorwackiego wynalazcy Fausta Vrancica. Współczesny astronomom Tycho Brache i Johannesowi Keplerowi, Vrancic stworzył pierwszy znany szkic mostu wantowego w swojej książce „Machinae Novae.”
Dzisiaj mosty wantowe są popularnym wyborem, ponieważ oferują wszystkie zalety mostów wiszących, ale przy niższych kosztach dla przęseł o rozpiętości od 500 do 2800 stóp (152 do 853 metrów). Wymagają one mniej kabli stalowych, są szybsze w budowie i zawierają więcej prefabrykowanych sekcji betonowych.
Nie wszystkie mosty wymagają wielkich kawałków stali i betonu, chociaż. Czasami korzeń lub dwa drzewa wystarczą.
Żywe mosty
Pierwsze mosty prawdopodobnie nie były niczym innym jak kłodami przerzuconymi przez strumienie, jednak większość dziedzictwa ludzkości w zakresie budowy mostów to historia sztucznych konstrukcji stworzonych z żywiołów. Możemy jednak znaleźć jeden z najbardziej uderzających wyjątków od tej reguły w regionie Meghalaya w północnych Indiach.
Podczas pory monsunowej tutejsi mieszkańcy znoszą jedne z najbardziej wilgotnych warunków na Ziemi, a wzbierające wody powodziowe tną ziemię na odizolowane fragmenty. Zbuduj most z plecionych winorośli lub ciosanych desek, a wilgoć lasów deszczowych nieuchronnie zamieni go w kompost. Jak widać na zdjęciu, lokalni mieszkańcy opracowali dość eleganckie rozwiązanie tego problemu: budują swoje mosty z naturalnej roślinności. W ten sposób duża część obowiązków związanych z utrzymaniem mostu przechodzi na sam most.
Budowanie żywego mostu wymaga oczywiście cierpliwości. Miejscowi wieśniacy planują swoje konstrukcje z dziesięcioletnim lub większym wyprzedzeniem. Ludzie War-Khasis, na przykład, tworzą systemy prowadzenia korzeni z wydrążonych połówek starych pni drzew orzecha betelowego, aby skierować korzenie figowca dusiciela w pożądanym kierunku. Po prostu kierują korzenie nad potok lub rzekę, przecinając je, i pozwalają korzeniom zagłębić się w ziemię tylko na przeciwległym brzegu. Większe żywe mosty mogą pochwalić się długością do 100 stóp (30 metrów), mogą udźwignąć ciężar 50 osób i przetrwać nawet 500 lat
Do tej pory poruszyliśmy temat dwóch najważniejszych sił w projektowaniu mostów: ściskania i rozciągania. Jednak na sposób działania mostów wpływają również dziesiątki dodatkowych sił. Siły te są zazwyczaj specyficzne dla danej lokalizacji lub konstrukcji.
Skręcanie, na przykład, jest szczególnym problemem dla inżynierów projektujących mosty wiszące. Występuje, gdy silny wiatr powoduje, że zawieszona jezdnia obraca się i skręca jak fala. Jak dowiemy się na następnej stronie, most Tacoma Narrows w Waszyngtonie został uszkodzony przez skręcanie, które z kolei zostało spowodowane przez inną potężną siłę fizyczną
Naturalny kształt mostów łukowych i kratownicowych na mostach belkowych chroni je przed tą siłą. Z drugiej strony inżynierowie mostów wiszących zastosowali kratownice usztywniające pokład, które, podobnie jak w przypadku mostów belkowych, skutecznie eliminują efekty skręcania.
W mostach wiszących o ekstremalnej długości sama kratownica pokładu nie jest jednak wystarczającą ochroną. Inżynierowie przeprowadzają testy w tunelu aerodynamicznym na modelach, aby określić odporność mostu na ruchy skrętne. Uzbrojeni w te dane, stosują aerodynamiczne konstrukcje kratownicowe i ukośne liny podwieszające w celu złagodzenia skutków skręcania.
Ścinanie: Naprężenia ścinające powstają, gdy dwie zamocowane konstrukcje (lub dwie części jednej konstrukcji) są wymuszane w przeciwnych kierunkach. Siła ścinająca, jeśli nie jest kontrolowana, może dosłownie rozerwać materiały mostowe na pół. Prostym przykładem siły ścinającej może być wbicie długiego palika do połowy w ziemię, a następnie przyłożenie siły poprzecznej do boku górnej części palika. Przy odpowiednim nacisku można by złamać palik na pół. To jest siła ścinająca w działaniu.
Więcej o Siły mostu: Rezonans
Możesz myśleć o rezonansie jako o wibracyjnym odpowiedniku kuli śnieżnej toczącej się po wzgórzu i stającej się lawiną. Rezonans zaczyna się jako stosunkowo niewielki, okresowy bodziec dla systemu mechanicznego, taki jak wiatr uderzający w most. Wibracje te są jednak mniej lub bardziej zharmonizowane z naturalnymi wibracjami mostu. Jeśli nie są kontrolowane, wibracje mogą drastycznie wzrosnąć, wysyłając destrukcyjne, rezonansowe wibracje podróżujące przez most w postaci fal skrętnych.
Najbardziej godny uwagi przykład rezonansu miał miejsce w 1940 roku, kiedy to wibracje rezonansowe zniszczyły most Tacoma Narrows w Waszyngtonie. Incydent ten był szczególnie szokujący w tamtym czasie, ponieważ konstrukcja została zaprojektowana tak, aby wytrzymać wiatr o prędkości do 120 mil (193 kilometrów) na godzinę, a zawaliła się przy wietrze o prędkości zaledwie 40 mil (64 kilometrów).
Bliższa analiza sytuacji sugerowała, że kratownica usztywniająca pokład mostu była niewystarczająca dla rozpiętości przęsła, ale sam ten fakt nie mógł doprowadzić do upadku takiej konstrukcji. Jak się okazało, wiatr tego dnia miał odpowiednią prędkość i uderzył w most pod odpowiednim kątem, aby wywołać śmiertelne wibracje. Kolejne wiatry wzmagały wibracje, aż fale stały się tak duże i gwałtowne, że rozerwały most na kawałki. Efekt jest podobny do tego, jaki wywołuje piosenkarka rozbijająca swoim głosem szklankę.
Wiatr nie jest jedynym potencjalnym zagrożeniem, jednakże. Kiedy armia maszeruje przez most, żołnierze często „łamią krok”, aby ich rytmiczny marsz nie zaczął rezonować na całym moście. Wystarczająco duża armia maszerująca w odpowiedniej kadencji może wprawić w ruch śmiertelne wibracje.
Aby w pełni złagodzić efekt rezonansu w moście, inżynierowie włączają do projektu mostu tłumiki, które przerywają fale rezonansowe i zapobiegają ich narastaniu.
Innym sposobem na powstrzymanie rezonansu jest danie mu mniej miejsca na szaleństwo. Jeśli most może pochwalić się solidną jezdnią, wówczas fala rezonansowa może z łatwością przebyć długość mostu i dokonać spustoszenia. Jeśli jednak jezdnia mostu składa się z różnych sekcji z zachodzącymi na siebie płytami, wówczas ruch jednej sekcji po prostu przenosi się na drugą poprzez płyty, generując tarcie. Sztuczka polega na wytworzeniu tarcia wystarczającego do zmiany częstotliwości fali rezonansowej. 7, 1940.
Pogoda, Niszczyciel Mostów
Pomimo, że wiatr z pewnością może wywoływać niszczące fale rezonansowe, pogoda jako całość uwalnia mnóstwo niszczycielskich ataków na budowane przez nas mosty. W rzeczywistości, nieubłagana praca deszczu, lodu, wiatru i soli nieuchronnie doprowadzi do upadku każdego mostu, który człowiek może wznieść.
Projektanci mostów nauczyli się swojego rzemiosła, studiując porażki z przeszłości. Żelazo zastąpiło drewno, a stal zastąpiła żelazo. Beton sprężony odgrywa obecnie istotną rolę w budowie mostów autostradowych. Każdy nowy materiał lub technika konstrukcyjna opiera się na doświadczeniach z przeszłości. Skręcanie, rezonans i słabe projekty aerodynamiczne doprowadziły do awarii mostów, ale inżynierowie ciągle powracają z innowacjami, aby rozwiązać problemy projektowe.
Pogoda jest jednak cierpliwym i nieprzewidywalnym przeciwnikiem. Przypadki awarii mostów związanych z pogodą zwykle przewyższają liczbę przypadków awarii związanych z projektem. Ta tendencja może jedynie sugerować, że nie znaleźliśmy jeszcze skutecznego rozwiązania. Do dnia dzisiejszego żaden konkretny materiał budowlany ani projekt mostu nie jest w stanie wyeliminować ani nawet złagodzić tych sił. W końcu mówimy o tych samych siłach, które niszczą całe łańcuchy górskie i wykuwają głębokie rozpadliny w ziemi. W porównaniu z nimi most zbudowany przez człowieka jest niczym.
Tak jak w przypadku starożytnych mostów wiszących Inków, jedynym środkiem odstraszającym jest ciągła konserwacja zapobiegawcza.
Przekrocz lukę między tą stroną a następną, aby dowiedzieć się jeszcze więcej o mostach.
Źródła
- Blockley, David. „Bridges” Oxford University Press. 2010.
- „Build a Bridge.” NOVA. October 2000. (17 maja, 2011)http://www.pbs.org/wgbh/nova/bridge/build.html
- Foer, Joshua. „The Last Incan Grass Bridge.” Slate. Feb. 22, 2011. (May 17, 2011)http://www.slate.com/id/2286002/
- Merchant, Brian. „Living Bridges in India Have Grown for 500 Years.” TreeHugger.com. Sept. 28, 2010. (17 maja, 2011)http://www.treehugger.com/files/2010/09/living-bridges-india-grown-500-years-pics.php
- „Rivers.” Human Planet Explorer. 2011 (May 17, 2011)http://www.bbc.co.uk/nature/humanplanetexplorer/environments/rivers
- Wilford, John Noble. „How the Inca Leapt Canyons.” New York Times. May 8, 2007. (17 maja 2011)http://www.nytimes.com/2007/05/08/science/08bridg.html
.