Hvordan Broer Arbejder

{h1}

Broer understøtter stor vægt, spænder over store afstande og imødegår hele tiden de største kræfter i naturen. Find ud af om disse tekniske færdigheder (samt nogle af fejlene).

Vi er en art af brobyggere. Siden tiden ud af livet har mennesker konstrueret strukturer for at overvinde forhindringer, som f.eks. Jiaozhou Bay. Vandkroppen er nu hjemsted for en 26,4 km lang bro, der forbinder den travle kinesiske havneby Quingdao med den kinesiske forstad Huangdou.

Vi har tæmmet stål, sten, tømmer og endda levende vegetation, alt for at nå de steder, mennesker og ting, vi ønsker.

Selvom selve konceptet er så enkelt som at fælde et træ over en creek, medfører brokonstruktion og konstruktion alvorlig opfindsomhed. Kunstnere, arkitekter og ingeniører hælder enorme ressourcer til brobyggeri og omdanner det meget miljø, vi lever i.

Som følge heraf beboer vi broenes planet, nogle er så gamle som Grækenlands 3.000 år gamle Arkadiko-bro eller som uændret som Indiens 500-årige Meghalayas levende broer, der samles i eksistensen af ​​voksende trærødder (mere om det senere). Utallige andre er faldet i kløfterne og floder, de spænder over, da mennesker fortsætter med at tackle stadig mere ambitiøse broer og konstruktion.

I denne artikel får vi kendskab til broerne, som vi så ofte tager for givet (vi går bogstaveligt talt og kører over dem) samt de design, der gør dem mulige. Vi vil se på de grundlæggende principper for broingeniør, de forskellige typer og hvordan vi forsøger at modvirke de fysiske kræfter og naturlige fænomener, der vedvarende truer med at ødelægge verdens broer.

Først op, lad os komme helt ned til det grundlæggende.

BATS: Grundlæggende om brodesign

Manitoba, Canadas Esplanade Riel-fodgængerbro, konkurrerede i 2003, spænder over den røde flod.

Manitoba, Canadas Esplanade Riel-fodgængerbro, konkurrerede i 2003, spænder over den røde flod.

Hvis du skal bygge en bro, skal du have hjælp fra BATS - ikke de furede, bevingede pattedyr, der så ofte lever under broer, men de vigtigste strukturelle komponenter i brokonstruktionen: bjælker, buer, spær og suspensioner.

Forskellige kombinationer af disse fire teknologier giver mulighed for mange brodesigner, lige fra simple strålebroer, bue broer, truss broer og suspension broer til mere komplekse variationer, som den afbildede side-spar kabel-forblevne bro. For alle dens 21st århundrede kompleksitet er side-spar design baseret på suspensions principper først brugt nogle to århundreder tidligere.

Nøgleforskellene mellem disse fire brotyper kommer ned til de længder, de kan krydse i en enkelt span, som er afstanden mellem to brostøtter, de fysiske bøjler, der forbinder broen til nedenstående overflade. Brostøtter kan tage form af søjler, tårne ​​eller endda en mur på en canyon.

Moderne strålebroer vil for eksempel sandsynligvis spænde op til 200 meter (60 meter), mens moderne broer på broen sikkert kan krydse 800-1000 fod (240-300 meter). Suspension broer er i stand til at strække sig fra 2.000-7.000 fod (610-2.134 meter).

Uanset strukturen skal hver bro stå stærk under de to vigtige kræfter, vi skal snakke om næste.

Spænding og kompression: To kræfter Hver bro kender godt

Hvordan broer arbejder: eller

Hvad gør det muligt for en buebro at spænde over større afstande end en bjælkebro eller en fjederbro for at strække sig over en afstand syv gange den af ​​en buebro? Svaret ligger i, hvordan hver brotype beskæftiger sig med de vigtige kompressions- og spændingskræfter.

Spænding: Hvad sker der med et reb under et træk af krig? Korrekt, det undergår spændinger fra de to svedige modstandshold, der trækker på det. Denne kraft virker også på brostrukturer, hvilket resulterer i spændingsspænding.

Compression: Hvad sker der, når du skubber ned på en forår og sammenbruger den? Det er rigtigt, du komprimere det, og ved at squish det, forkorter du længden. Kompressionsspænding er derfor det modsatte af spændingsspænding.

Kompression og spænding er til stede i alle broer, og som illustreret kan de begge beskadige en del af broen, da varierende belastningsvægte og andre kræfter virker på strukturen. Det er brodesignens arbejde at håndtere disse kræfter uden at bukke eller snappe.

buckling opstår, når kompression overvinder en objekts evne til at udholde den kraft. snapping er hvad der sker, når spænding overgår en objekts evne til at håndtere forlængende kraft.

Den bedste måde at håndtere disse stærke kræfter på er at forsvinde dem eller overføre dem. Med udslip gør designet det muligt at udbrede kraften jævnt over et større område, således at ingen plet bærer den koncentrerede brunt af det. Det er forskellen i at sige at spise en chokoladekage hver dag i en uge og spise syv cupcakes i en enkelt eftermiddag.

Ved overførende kraft bevæger et design stress fra et svage område til et område af styrke. Som vi vil grave ind på de kommende sider, foretrækker forskellige broer at håndtere disse stressorer på forskellige måder.

The Beam Bridge

Et tog kører over en strålebro.

Et tog kører over en strålebro.

Brobygningen får ikke noget enklere end dette. For at bygge en strålebro (også kendt som a bjælkebro), alt du behøver er en stiv vandret struktur (en stråle) og to understøtninger, en i hver ende for at hvile den på. Disse komponenter understøtter direkte broens nedadgående vægt og enhver trafik, der bevæger sig over den.

Imidlertid forandrer bryggebroen både under tryk og stress. For at forstå disse kræfter, lad os bruge en simpel model.

Hvis du skulle tage en to og fire og lægge den på tværs af to tomme mælkekasser, ville du selv have en rå strålebro. Nu, hvis du skulle lægge en tung vægt i midten af ​​det, ville de to til fire bøje. Den øverste side ville bøje ind under kompressionens kraft, og den nederste side ville bøje ud under spændingskraften. Tilføj nok vægt, og de to til fire ville til sidst bryde. Øverste side ville spænde og bunden ville snappe.

Mange strålebroer bruger beton- eller stålbjælker til at klare belastningen. Størrelsen af ​​strålen, og især bjælkens højde, styrer afstanden, som strålen kan spænde over. Ved at øge bjælkens højde har strålen mere materiale til at sprede spændingen. For at skabe meget høje bjælker, tilføjer brodesignere støtte gitterværk, eller a truss, til broens bjælke. Denne støtte truss tilføjer stivhed til den eksisterende stråle, stærkt øger sin evne til at sprede kompression og spænding. Når strålen begynder at komprimere, spredes kraften gennem trussen.

Men selv med en krog er en strålebro kun god for en begrænset afstand. For at nå over en større længde skal du bygge en større trusser, indtil du til sidst når frem til det punkt, hvor trussen ikke kan understøtte broens egen vægt. Bremse dig selv for nogle seriøse statistikker på truss broer på næste side.

Truss Bridges: Beam Bridges With Braces

Natlys tændes på Shanghai's Waibaidu Bridge.

Natlys tændes på Shanghai's Waibaidu Bridge.

Rejs rundt om i verden, og du vil støde på snesevis af variationer på din standard strålebro. Nøgleforskellene kommer imidlertid alle ned til trussens design, placering og sammensætning.

Under den tidlige industrielle revolution udviklede strålebrokonstruktionen i USA hurtigt. Ingeniører gav mange forskellige truss designs en hvirvel i et forsøg på at perfektere det. Deres indsats var ikke for intet. Træbroer blev hurtigt erstattet af jernmodeller eller træ-og-jernkombinationer.

Hvordan broer arbejder: truss

Hvordan broer arbejder: hvordan

Alle disse forskellige truss mønstre også indregnet i, hvordan strålen broer blev bygget. Nogle tager med et a gennem truss over broen, mens andre pralede a dæk truss under broen.

En enkelt stråle, der spænder over en hvilken som helst afstand, undergår kompression og spænding. Den øverste del af bjælken får mest kompression, og selve bunden af ​​bjælken oplever mest spænding. Den midterste af bjælken oplever meget lidt kompression eller spænding. Derfor har vi I-bjælker, som giver mere materiale på toppen og bunden af ​​bjælker for bedre at håndtere kompressions- og spændingskræfterne.

Og der er en anden grund til, at et truss er mere stift end en enkelt stråle: En truss har evnen til at sprede en belastning gennem truss arbejde. Designet af en truss, som normalt er en variant af en trekant, skaber både en meget stiv struktur og en, der overfører belastningen fra et enkelt punkt til et betydeligt bredere område.

Mens broerbroer stort set er et produkt af den industrielle revolution, er vores næste eksempel, buen, meget længere i tiden. Grib dit sværd og sandaler, fordi vi er ved at gå romerske.

The Arch Bridge

Pont du Gard-akvedukten er lige så gammel som den kristne religion.

Pont du Gard-akvedukten er lige så gammel som den kristne religion.

Efter mere end 2.000 års arkitektonisk brug fortsætter bugten fremadrettet med brokonstruktioner og med god grund: Den halvcirkelformede struktur distribuerer elegant kompression gennem hele sin form og aflæser vægt på sine to abutments, broens komponenter, der direkte indtager tryk.

Tensional kraft i bue broer er på den anden side næsten ubetydelig. Bogens naturlige kurve og dens evne til at sprede kraften udad reducerer kraftigt virkningerne af spændinger på undersiden af ​​buen.

Men som med bjælker og trusser, kan selv den mægtige bue ikke forgå fysikken for evigt. Jo større krølningsgraden er (jo større halvsirkel på buen), desto større er virkningerne af spændinger på undersiden af ​​broen. Byg en stor nok bue, og spænding vil til sidst overtage støttestrukturens naturlige styrke.

Mens der er en rimelig mængde kosmetiske variationer i buebrokonstruktion, ændres den grundlæggende struktur ikke. Der er for eksempel romerske, barokke og renæssancebuer, som alle er arkitektonisk forskellige, men strukturelt ens.

Det er selve bue, der giver sin navnebror sin styrke. Faktisk behøver en stenbue ikke en gang mørtel. De gamle romere byggede buebroer og akvedukter, der stadig står i dag. Den vanskelige del bygger imidlertid på buen, da de to konvergerende dele af strukturen ikke har nogen strukturel integritet, indtil de møder i midten. Som sådan er der behov for yderligere stilladser eller understøttelsessystemer.

Moderne materialer som stål og forspændt beton tillader os at bygge langt større buer end de gamle romere gjorde. Moderne buer spænder typisk mellem 200 og 800 fod (61 og 244 meter), men West Virginia's New River Gorge Bridge måler en imponerende 1.700 fod (518 meter) [kilde: NOVA].

Suspensionsbroen

San Franciscos Golden Gate Bridge står som et klassisk eksempel på en hængebro.

San Franciscos Golden Gate Bridge står som et klassisk eksempel på en hængebro.

Som navnet antyder, suspenderer broderier, som Golden Gate Bridge eller Brooklyn Bridge, kørslen, tovværk eller kæder fra to høje tårne. Disse tårne ​​understøtter størstedelen af ​​vægten, da kompressionen skubber ned på hængebroens dæk og derefter rejser kablerne, rebene eller kæderne for at overføre kompression til tårnene. Tårnene forkaster derefter komprimeringen direkte ind i jorden.

Det understøttende kablerpå den anden side modtager broens spændingskræfter. Disse kabler løber vandret mellem de to fjerntliggende forankring. Broforankringer er i det væsentlige solide sten eller massive betonblokke, hvor broen er jordforbundet. Tensional kraft passerer til forankringerne og i jorden.

Hvordan broer arbejder: broer

Ud over kablerne har næsten alle fjederbroer et understøttende trussystem under brodækket kaldet a dæk truss. Dette hjælper med at stive dækket og reducere vejbanens tendens til at svinge og ripple.

Suspension broer kan nemt krydse afstande mellem 2.000 og 7.000 fod (610 og 2.134 meter), så de kan spænde afstande ud over anvendelsesområdet for andre bro design. I betragtning af kompleksiteten af ​​deres design og de materialer, der er nødvendige for at bygge dem, er de dog ofte den mest kostbare broindstilling også.

Men ikke alle hængebroer er et teknologisk vidunder af moderne stål. De tidligste blev faktisk lavet af snoet græs. Da spanske conquistadors rejste sig ind i Peru i 1532, opdagede de et Incan-imperium, der var forbundet med hundredvis af fjederbroer, og opnåede spænd på mere end 150 meter over dybe bjergkløfter. Europa ville derimod ikke se sin første hængebro til næsten 300 år senere [kilde: Foer].

Selvfølgelig holder ophængsbroer lavet af snoet græs ikke så lang tid, hvilket kræver løbende udskiftning for at sikre sikker rejse over kløften. I dag er der kun en sådan bro, der måler 90 fod (27 meter) i Andeserne.

Hvad er næste? Tip: Du bliver nødt til at blive (det er et tip!) Rundt for at finde ud af.

Kabel-Boede Bridge

Hollands Erasmus-bro ligner en harpe med sin kabelbårne konstruktion.

Hollands Erasmus-bro ligner en harpe med sin kabelbårne konstruktion.

Ved første øjekast kan den kabelbrudte bro måske se ud som en variant af fjederbroen, men lad ikke deres lignende tårne ​​og hængende veje narre dig. Kabelbrudte broer adskiller sig fra deres forgængere, fordi de ikke kræver forankringer, og de har heller ikke brug for to tårne. I stedet kører kablerne fra vejbanen op til et enkelt tårn, der alene bærer vægten.

Tårnet på en kabelbrudt bro er ansvarlig for at absorbere og håndtere kompressionskræfter. Kablerne fastgøres på forskellige veje. For eksempel strækker kabler fra flere punkter på vejen til et enkelt punkt ved tårnet ligesom mange fiskelinjer fastgjort til en enkelt pol. I et parallelt mønster føjes kablerne til både kørebanen og tårnet på flere separate punkter.

Hvordan broer arbejder: truss

Ingeniører konstruerede de første kabelbrudte broer i Europa efter slutningen af ​​Anden Verdenskrig, men det grundlæggende design dateres tilbage til det 16. århundrede og den kroatiske opfinder Faust Vrancic. En nutid for astronomerne Tycho Brache og Johannes Kepler producerede Vrancic den første kendte skitse af en kabelbrudt bro i sin bog "Machinae Novae."

I dag er kabelbrudte broer et populært valg, da de tilbyder alle fordelene ved en hængebro, men til en mindre pris for spænd på 500 til 2.800 fod (152 til 853 meter). De kræver mindre stålkabel, er hurtigere at bygge og indbygger mere præfabrikerede betonsektioner.

Ikke alle broer kræver dog store hunks af stål og beton. Nogle gange vil en trærot eller to gøre tricket.

De levende broer

En levende rodbro krydser en creek i Meghalaya, Indien.

En levende rodbro krydser en creek i Meghalaya, Indien.

Mens de første broer sandsynligvis var intet mindre end logger, der væltet over creer, er det meste af menneskehedens brobygningsarv en historie om kunstige strukturer udformet af elementerne. Vi kan imidlertid finde en af ​​de mest slående undtagelser fra denne regel i Meghalaya-regionen i det nordlige Indien.

I løbet af monsun sæsonen udholde lokalbefolkningen her nogle af de vådeste betingelser på Jorden, og stigende oversvømmelser skærer jorden i isolerede fragmenter. Byg en bro ud af vævede vinstokke eller hældende brædder og regnskoven fugt vil uundgåeligt gøre det til kompost. Som du kan se fra billedet, udviklede de lokale folk en ret elegant løsning på problemet: De dyrker deres broer ud af naturlig vegetation. På den måde omdanner de en stor del af brovedligeholdelsesopgaverne til selve broen.

At bygge en levende bro kræver selvfølgelig tålmodighed. De lokale landsbyboere planlægger deres konstruktioner et årti eller mere på forhånd. Krig-Khasis-folket skaber for eksempel rodvejledningssystemer fra de hule halvdele af gamle betelmøntetræstammer for at lede stranglerfigen rødder i den ønskede retning. De retter simpelthen rødderne ud over en bæk eller en flod, der spænder over det, og kun tillader rødderne at dykke ind i jorden på den modsatte bank. De større levende broer har en længde på op til 100 meter (30 meter), der kan bære en vægt på 50 personer og kan vare op til 500 år [kilde: købmand].

Men vægten af ​​bil- eller fodtrafik er langt fra den eneste kraft, der påvirker en bro. På næste side lærer vi to andre af dem.

Yderligere brostyrker: Torsion and Shear

Hidtil har vi rørt de to vigtigste kræfter i brodesign: kompression og spænding. Alligevel påvirker dusinvis af yderligere kræfter, hvordan broer fungerer. Disse kræfter er normalt specifikke for et bestemt sted eller design.

torsion, for eksempel er en særlig bekymring for ingeniører, der designer suspensionsbroer. Det sker, når høj vind forårsager, at den suspenderede motorvej drejer rundt og vrider som en rullende bølge. Som vi vil udforske på den næste side, opretholdede Tacoma Narrows Bridge, skader fra torsion, som igen blev forårsaget af en anden stærk fysisk kraft

Den naturlige form af bue broer og truss struktur på stråle broer beskytter dem mod denne kraft.Suspension bro ingeniører har på den anden side vendt sig til dækstivninger, som, som i tilfælde af strålebroer, effektivt fjerner virkningerne af torsion.

I hængebroer med ekstrem længde er det dog ikke tilstrækkelig beskyttelse til dækstolpen alene. Ingeniører gennemfører vindtunneltest på modeller for at bestemme broens modstandsdygtighed over for torsionsbevægelser. Bevæbnet med disse data anvender de aerodynamiske truss strukturer og diagonale suspender kabler for at mildne virkningerne af torsion.

Klippe: Skærebelastning opstår, når to fastgjorte strukturer (eller to dele af en enkelt struktur) er tvunget i modsatte retninger. Hvis den ikke er markeret, kan skærekraften bogstaveligt talt rive bromaterialer i halvdelen. Et simpelt eksempel på forskydningskraft ville være at køre en lang stav halvvejs ned i jorden og derefter anvende lateral kraft mod siden af ​​den øvre del af stangen. Med tilstrækkeligt pres vil du kunne snappe indsatsen i halvdelen. Dette er forskydningskraft i aktion.

På næste side ser vi på en virkelig destruktiv kraft: resonans.

Flere brostyrker: Resonans

Resonans decimerer Washingtons Tacoma Narrows suspensionbro over Puget Sound den 7. november 1940.

Resonans decimerer Washingtons Tacoma Narrows suspensionbro over Puget Sound den 7. november 1940.

Du kan tænke på resonans som den vibrerende ækvivalens af en snebold rullende ned ad en bakke og bliver en lavine. Det begynder som en relativt lille, periodisk stimulering af et mekanisk system, såsom vindbuffet en bro. Disse vibrationer er dog mere eller mindre i harmoni med broens naturlige vibrationer. Hvis det ikke er markeret, kan vibrationen stige drastisk og sende destruktive resonansvibrationer, der rejser gennem en bro i form af torsionsbølger.

Det mest bemærkelsesværdige resonanseksempel opstod i 1940, da resonansvibrationer ødelagde Tacoma Narrows Bridge i Washington. Hændelsen var især chokerende på det tidspunkt, da konstruktionen var konstrueret til at modstå vind på op til 120 miles (193 km) i timen og kollapsede i en mere end 40 kilometer (64 kilometer) vind.

En nøje undersøgelse af situationen foreslog, at broens dækforstivningstrække var utilstrækkelig til spændingen, men dette alene kunne ikke bringe en sådan struktur ned. Som det viste sig, var vinden den dag lige ved den rigtige hastighed og ramte broen i lige vinkel for at afværge den dødbringende vibration. Fortsatte vinde øgede vibrationerne, indtil bølgerne voksede så stort og voldsomt, at de brød broen fra hinanden. Effekten ligner den af ​​en sanger, der knuser et glas med sin stemme.

Vind er dog ikke den eneste potentielle trussel. Når en hær marcherer over en bro, bryder soldaterne ofte "skridt", så deres rytmiske marchering ikke begynder at resonere gennem broen. En tilstrækkelig stor hær, der marcherer ved lige højre kadence, kunne sætte den døde vibration i bevægelse.

For at reducere resonansvirkningen i en bro fuldt ud, indbygger ingeniører dæmpere i brokonstruktionen for at afbryde resonansbølgerne og forhindre dem i at vokse.

En anden måde at stoppe resonans på er at give det mindre plads til at køre vildt. Hvis en bro kan prale med en solid vejbane, så kan en resonansbølge nemt rejse broens længde og forårsage kaos. Men hvis en brokørsel består af forskellige sektioner med overlappende plader, overfører kun en sektion til en anden via pladerne og genererer friktion. Tricket er at skabe nok friktion til at ændre frekvensen af ​​resonansbølgen. Ændring af frekvensen forhindrer bølgen i at bygge.

Ak, der er endnu en større kraft til at regne med, der kan ødelægge broer. Eventuelle gæt om hvad det er?

Vejr, Destroyer af broer

To broer ligger i ruiner nær Biloxi og Ocean Springs, Miss., Efter 2005's ødelæggende orkan Katrina.

To broer ligger i ruiner nær Biloxi og Ocean Springs, Miss., Efter 2005's ødelæggende orkan Katrina.

Mens vind kan helt sikkert fremkalde destruktive resonansbølger frigiver vejret som helhed et væld af ødelæggende overfald på broerne vi bygger. Faktisk vil det ubarmhjertige arbejde med regn, is, vind og salt uundgåeligt bringe ned en bro, som mennesker kan oprejst.

Bro designere har lært deres håndværk ved at studere de uheldige fortid. Jern har erstattet træ, og stål har erstattet jern. Forspændt beton spiller nu en afgørende rolle i opførelsen af ​​motorvejsbroer. Hvert nyt materiale eller design teknik bygger videre på erfaringerne fra fortiden. Torsion, resonans og dårlige aerodynamiske konstruktioner har alle ført til brofejl, men ingeniører fortsætter løbende med innovationer for at løse designproblemer.

Vejret er dog en patient og uforudsigelig modstander. Tilfælde af vejrrelateret brofejl har tendens til at overstige dem af designrelaterede fejl. Denne tendens kan kun tyde på, at vi endnu ikke har fået en effektiv løsning. Indtil i dag kan ingen bestemt byggemateriale eller brodesign eliminere eller endog begrænse disse kræfter. Tross alt taler vi om de samme kræfter, som nedbryder hele bjergkæder og smider dybe krammer i jorden. Til sammenligning er en menneskeskabt bro ikke noget.

Som med de gamle Incan suspension broer, er den eneste afskrækkende kontinuerlig forebyggende vedligeholdelse.

Spænd afstanden mellem denne side og den næste for at finde ud af endnu mere om broer.


Video Supplement: Broen.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com