Science Fair Project på Bridges

Efter at have læst denne artikel vil du lære om: - 1. Definition af en bro 2. Historie om broernes udvikling 3. Klassifikation 4. Udvælgelse 5. Konklusion.

Definition af en bro:

En bro er en struktur, der opretholder kommunikationen som vej- og jernbanetrafik og andre bevægelige belastninger over en forhindring, nemlig en kanal, en vej, en jernbane eller en dal. Strukturen betegnes som en "bro", når den transporterer vej- og jernbanetrafik eller en rørledning over en kanal eller en dal og en "overbro", når den transporterer trafikken eller rørledningen over et kommunikationssystem som veje eller jernbaner.

En "viadukt" er også en bro bygget over en travl lokalitet for at bære køretøjet over området, der holder aktiviteterne i området under viadukten uforstyrret.

Historie om broernes udvikling:

Historien om broernes udvikling er tæt forbundet med den menneskelige civilisations historie. Brobygningens kunst har derfor tiltrukket de ingeniører og bygherreres opmærksomhed fra civilisationens begyndelse.

Det kan godt antages, at ideen om at bygge en bro over en forhindring som en kanal eller vandkursus forekom i menneskets sind ved at observere naturfænomenet som en træstamme, der ved en uhell er faldet ved en storm over en lille vandbane eller et stykke sten i form af en bue over en lille åbning forårsaget af erosion af jord under eller en flok creepers fra det ene træ til det andet, der anvendes af aber.

Det kan også være godt at forestille sig, at en mand med intelligens og initiativ måske blev opmuntret af de ovennævnte naturlige fænomener og bygget broer over et lille vandløb ved at placere et stykke log eller ved at binde en flok lang creeper med træerne ligger på hver side af vandbanen.

Ovennævnte to illustrationer indikerer uden tvivl, at den førstnævnte var forgængeren af ​​bjergbjælker, og sidstnævnte var forhængeren af ​​fjederbroer.

Selv om de metoder, der blev vedtaget i de dage at krydse det lille vandløb, var af primitiv karakter, kan det ikke nægtes, at de var begyndelsen på brobyggernes videnskab, som er kommet til nutidens udviklingstilstand gennem løbende søgning og konstant indsats for konstruere længere og stærkere broer ved hjælp af ny teknik og bedre brobyggematerialer.

Den tidligste bro på rekord var broen over Nilen bygget af Menes, kongen i Egypten omkring 2650 f.Kr. Fem århundreder senere blev en anden bro bygget af dronning Semiramio af Babylon over floden Eufrat. En række buebroer blev bygget af mesopotamier, egypterne og kineserne.

Chaochow-broen over Hsiaoho-floden blev bygget af kineserne omkring 600 e.Kr. ca. 300 km syd for Peking (nu Beijing). Det var et enkelt span på 37, 4 meter lang stenbuebro. Romerne var kendt for at være de bedste brobyggere mellem 200 f.Kr. og 260 e.Kr., og nogle af murbroenbroerne, der blev bygget af dem, eksisterer stadig.

Buebroen kendt som Pont-Du-Gard blev bygget i Frankrig i 14 e.Kr., og på grund af god bevarelse og vedligeholdelse er denne bro stadig i en ret god stand. I det gamle Rom vedtog de romerske kejser titlen "Pontifex Maximus", der betyder "Chief Bridge Builder", hvilket indikerer, at romerne lægger stor vægt på brokonstruktionen.

Det var faktisk romerne, der først tog op på brobygningen systematisk. De vidste brugen af ​​pozzolana og gjorde god brug af dette ved at lave murbroer. Romerne byggede store buer og viadukter, men den svageste del af deres broer var deres fundament, da de ikke havde kendskab til flodskure, hvilket resulterede i sammenbrud og skader på de fleste broer, der blev bygget af dem i løbet af tiden.

Broerne, der blev bygget i middelalderen, og som specielt nævnes, var Themsenbroen i London og Ponte Vecchio over floden Arno i Firenze. Den tidligere bro blev bygget i 1209 og blev brugt i mere end seks århundreder, mens sidstnævnte blev bygget i 1177.

De særlige træk ved disse broer var, at de broer udover brodækkene plejede at levere dekorative og defensive tårne, kapeller, statuer, butikker og boliger. Broerne af betydning bygget i det 16. århundrede var Santa Trinita-broen over Arno i Firenze (1569) og Rialtobroen over Canal Grande i Venedig (1591).

Den æra af moderne brobyggeri begyndte i det 18. århundrede, hvor brugen af ​​jern blev lavet af nogle af de berømte broingeniører fra den tid. I starten blev støbejern brugt til opførelse af en række buebroer, men smedejern udskiftede gradvist støbejernet, der med tiden blev erstattet af stål, da Bessemer-processen for stålfremstilling blev introduceret.

I løbet af denne tid blev brobyggernes konstruktion og konstruktion forsøgt at være baseret på videnskabelige teorier. Den første afhandling i broenergi blev udgivet i 1714 af Rubert Gaiitier, en fransk ingeniør. Korps Des Ingenieurs Du Ponts Et Chaussees blev grundlagt i 1716 for fremskridt af brokonstruktion.

Ecole De Ponts Et Chaussees, den første ingeniørskole i verden, blev oprettet i Paris med Jean Perronet, far til moderne brobygning, som den første direktør

I 18th-19th century blev den første jernbro på 30, 5 meter spændt bygget i 1779 over Severn i Coalbrookdale, England af Abraham Derby og John Wilkinson. Den første stålbro var Eads broen bygget i St. Louis, Missouri i 1874. Denne bro var en stålbuebro med tre spidser på 153 m, 158 m og 153 m.

Med indførelsen af ​​stål som brobyggemateriale i stedet for jern blev den tidligere form for krog, såsom Bollman, Fink, Howe, Pratt, Warren, Whipple etc. erstattet af mere effektive former som Baltimore, K-truss, Parser etc.

Med forbedringen af ​​stålkvaliteten var der en hurtig udvikling i opførelsen af ​​store spændt stålbroer, især suspensionen samt de store stålstænger.

De britiske ingeniører, Telford, Stephenson osv. Byggede mange interessante broer, men de havde ikke tilstrækkelig viden til at beskytte broerne mod sving og vibrationer forårsaget af høje vind og bevægelse af tunge dynamiske belastninger. Resultatet af denne mangel på viden var sammenbruddet af mange suspenderingsbroer.

Verdens første moderne cantileverbro blev bygget i 1867 over floden Main i Hassfurt, Tyskland med et hovedspænd på 129 m. Verdens største span cantilever bro er Quebec Bridge bygget i 1917 over St. Lawrence floden, Canada.

Hovedbroen på denne bro var 549 m. Den første cantilever bro bygget i Indien er Howrah-broen over floden Hooghly i Calcutta (1943). Denne bro er den fjerde længste cantileverbro i verden med et hovedspænd på 457 meter. (Foto 1)

På 1800-tallet på grund af fremstilling af kompressorer med tung lasthæftning og kompressorer med høj kapacitet blev der muliggjort pneumatisk sænkning af kasser i dybt vand. Som følge heraf kunne der opbygges store spændinger i dybt vand. Broen over Schuylkill Falls med et hovedmål på 124 meter blev bygget i 1816 i Philadelphia.

Fribourgbroen blev bygget i Schweiz i 1834 med et span på 265 meter. Cincinnati Bridge over Ohio River blev bygget i 1867, og Brooklyn Bridge i New York City blev bygget i 1883. Den tidligere bro havde et hovedspænd på 322 meter, og den sidste bro havde et hovedspænd på 486 meter.

Fremstillingen af ​​legeret stål og fremstilling af cement og tungt byggeri er sammen med den avancerede viden om teorien om strukturer og bedre forståelse af effekten af ​​dynamiske kræfter som vind mv på dørstrukturer resulteret i opførelsen af ​​nogle berømte buebroer, cantilever broer og suspension broer (tabel 1.3).

Forstærket betonbroer blev populære i det 20. århundrede på grund af deres alsidighed i byggeri og økonomi i omkostninger og vedligeholdelse.

Ud over deres førnævnte fordele kan armerede betonbroer støbes i enhver passende form og form for at opfylde arkitektoniske krav såvel som kan udnytte lokalt tilgængelige materialer såsom stenchips, graveller, sand etc. og kan støbes på stedet og derved eliminere vogn af tunge brokomponenter fra fabrikationsværksted som krævet til stålbroer.

Det er af disse grunde, at armeret beton praktisk taget har erstattet brugen af ​​stål som hovedbyggematerialer ved opførelse af små til mellemstore broer, især motorvejebroer, undtagen i tilfælde af lange broer, hvor stålet med forbedret kvalitet er den eneste bro byggematerialer. Forstærket beton finder sin plads, selv i disse broer i brokomponenter som tårne, dæk osv.

En af de længste spændte armerede betonbroer er Sando-broen bygget i Sverige i 1943 med et span på 264 meter. For kun for et årti siden blev den nye Sydney Harbour Bridge, som er en RCC-bro, der har et span på 305 meter, blevet konstrueret. Fremstilling af højstyrkebeton og forspænding det samme ved brug af højspændte ståltråde forbedrede yderligere opførelsen af ​​betonbroer.

Disse broer, der er kendt som forspændte betonbroer, har nogle flere fordele i forhold til broen af ​​armeret beton, nemlig de er billigere for mellemliggende brobroer, kan være præfabrikerede i sengen eller ved tilgange og løftes med undervogne / kraner eller lanceres af lancering af trusser og placeret i deres endelige position og dermed eliminerer brugen af ​​dyre opdeling.

Disse broer er ideelt egnet i dybe floder, hvor stigning i dybt vand er svært, og det er eneste svar at lancere bjælkerne på deres respektive steder ved brug af lanceringstusser. For forholdsvis større spændinger er brugen af ​​lanceringstusser nu blevet undgået ved at anvende en ny teknik, nemlig "Cantilever-konstruktion".

En af de tidlige forspændte betonbroer er Marnebroen bygget i Frankrig. Den første forspændte betonbro bygget i Indien (Tamilnadu State) er Palarbroen. De langspændte betonbroer i Indien er konstrueret af den cantilever-konstruktion.

Nogle af disse broer er Barakbroen i Silchar, Assam med et centralt span på 122 m, Bassein Creek Bridge nær Bombay med to centrale spænd på 115 m hver, Ganga Bridge på Patna med en række centrale spændinger på 121 m hver. Den længste span-spændte betonbro, der er bygget i Indien ved cantilever-konstruktion, er Lubha-broen i Assam med et centralt span på 130 m.

Nylig tilføjelse til udviklingen af ​​moderne broer er de kabelbrudte broer. Konceptet og den praktiske anvendelse af kabelprincippet var ikke nye, og en venetiansk ingeniør ved navn Verantius byggede en bro af typen med flere diagonale kædeophold så langt tilbage som 1600 e.Kr.

Modemversionen af ​​kabelbroen blev først brugt i 1950 i Tyskland. Indtil da er der blevet bygget en række kabelbrudte broer i mange dele af verden. Nogle vigtige kabelbroede broer i forskellige lande er illustreret i tabel 1.4.

En af de længste kabelbroede broer er under opførelse over Hooghly-floden i Calcutta. Denne bro har et hovedspænd på 457 meter med to sidestrækninger på 183 meter, hvilket gør broens længde lig med 823 meter. Fan-type kabler bruges fra tårnene til at understøtte dækket.

Tårnene er sammensat af stålkasseafsnit. Dæksystemet skal bestå af tre stålbjælker med strengere og tværbjælker for at understøtte det armerede betondæksel over dem, der har korrekt udformede forskydningskoblinger til kompositvirkning under levende belastninger.

Brobyggeren har altid et ønske om at bygge ny type broer, enten nye i koncept eller nyt i konstruktionsteknik eller nyt i form og form eller nyt i brug af byggematerialer. Broingeniøren har også et ønske om at bygge længere og længere broer af samme type, der overstiger de tidligere spanlængder.

For ham er dette en udfordring, som han skal møde for at vise, at brobyggernes videnskab løbende udvikler sig.

Brobyggerne har bygget forskellige broer afhængigt af omgivelserne, navigations- og andre tekniske krav, tilgængelighed af materialer, fundamentbetingelser osv. Verdens længste spanbroer af forskellige typer er illustreret i Tabel 1.5.

Klassificering af broer:

(i) Simply Supported Solid Slab Bridges:

Simpelthen understøttes massive slabbroer generelt set at være økonomiske for spændvidde op til 9, 0 meter. Disse er konstrueret med armeret betonplade af ensartet tykkelse, hvorved der kræves enkel skæring og falsk arbejde samt enkel placering af forstærkningsstænger.

(ii) Simply Supported Slab and Girder Bridges:

Slab- og bjælkebroer (RC T-bjælker) af simpelthen understøttet spænding anvendes til spænding, hvor faste slabbroer er fundet uøkonomiske. Generelt kan der anvendes 9, 0 til 20, 0 meter spændinger til denne type broer.

(iii) Kontinuerlig spænding Solid Slab og Slab & Girder Bridges:

Hvor fundament kan understøttes på god sten eller hvor fundamentjorden er sådan, at differentieringen af ​​understøtninger kan elimineres, er kontinuerlig spændt overbygning en ideel løsning. I sådanne tilfælde reduceres både spændings- og understøtningsdesignmomenterne på grund af kontinuitet i forhold til en enkelt understøttet overbygning.

Spændvidde for kontinuerlige faste slabbroer er mellem 10, 0 og 20, 0 meter, og for slib & girderbroer er mellem 20, 0 til 40, 0 meter. Hulkasse kontinuerlig struktur op til 100 meter spænding kan være muligt.

(iv) Balanced Cantilever Bridges:

Balanceret cantilever type overbygning kan dække forholdsvis længere spændinger end de simpelthen understøttede overbygninger. Men i modsætning til kontinuerlige spændinger er små forskelle i undergrunds- eller anlægsfundamenterne ikke skadelige for strukturenes sikkerhed. Af denne type kommer boksbjælker, plader og bjælker eller fast slab i rækkefølge som præference indtil videre, kapaciteten til at overbygge længere spændinger.

Spændinger på omkring 40, 0 til 100, 0 meter er ikke ualmindelige med kuglebjælker, mens kugle- og bjælkebroer på 20, 0 til 40, 0 meter normalt er opfyldt. Massive slab superstrukturer op til 20, 0 meter spændinger kan anvendes uden fordel.

(v) Box-Cell Bridges:

Massive slab boks-celle broer bruges i road underpass eller underveje. Disse kan også anvendes i kanaler, hvor skuren er ubetydelig eller i kanaler, hvor hastigheden er skurende og ikke-siltende.

Denne type broer anvendes med fordel, hvor grundjorden nær sengen har en dårlig bærende effekt, da bund- eller bundpladen dækker næsten hele brobredden og derfor nedbringer den faktiske belastning pr. Arealareal på jorden.

Kassecellerne er enten firkantede eller næsten firkantede, så tykkelsen af ​​dækpladen, basispladen og lodret er den samme. Den spændvidde, der normalt anvendes til en sådan konstruktion, ligger mellem 3, 0 og 9, 0 meter.

(vi) Portal-Frame Bridges:

På samme måde som de kontinuerlige spændbroer har denne type overbygning brug for ufarlige grundmaterialer som god sten, hvor fundamentet og resten ellers forskelligt afregning kan medføre skadelige virkninger på strukturenes sikkerhed.

Derfor er denne type broer i almindelig jord ikke egnet. Slab- og bjælkeformet portalrammens overbygning kan findes nyttigt for spændinger mellem 20, 0 og 40, 0 meter. Spændvidden af ​​massiv slabportalrammens overbygning bør generelt ikke overstige 25, 0 meter. Disse typer af strukturer er ideelt egnet til overbroer og underveje eller undergrundsbaner.

(vii) Sammensatte broer:

I betonplade og bjælkebroer overfører dækspladen ikke kun den overbelastede belastning til støttebjælkerne gennem tværbøjning, men fungerer også som flange af T-bjælken for at modstå langsgående bøjningsmomenter. Beton er god i kompression, dækspladen tager næsten hele trykkraft på grund af langsgående bøjning af bjælkerne.

I broer med dækplade, der blot hviler på præfabrikerede bjælker, enten stål eller beton, kan der ikke opnås en sådan fordel, medmindre den indbyggede dækplade gøres monolitisk med de præfabrikerede bjælker med nogle mekaniske midler.

Dette opnås ved brug af "Shear connectors", som gør de to enheder monolitiske.

Udvælgelse af brotype:

For enhver bro skal udvælgelse af den type struktur, der skal vedtages, foretages omhyggelige undersøgelser af alle faktorer, der styrer økonomi, sikkerhed, holdbarhed, oprørstid, tilgængelighed af materialer og udstyr, vedligeholdelsesomkostninger mv.

Økonomien kræver som regel, at antallet af spænder skal være så lille som muligt for broer, hvor vanskelige forhold forventes ved opførelsen af ​​fundamentet ud over at pådrage sig ekstraomkostninger derved.

Derudover forbedrer udbuddet af mindre antal pier i floden vandstrømmen. Men det skal også huskes ved at bestemme spændvidderne, at længere spænding betyder større omkostninger pr. Enheds længde af overbygningen.

Det er derfor vigtigt at sammenligne omkostningerne til både overbygningen og underbygningen, herunder fundamentet, således at det, der er økonomisk og samtidig opfylder andre krav, vedtages.

Udvælgelsen af ​​den type bro, der skal vedtages på et bestemt sted, afhænger af følgende overvejelser:

(i) Kanalegenskaber, f.eks. sengematerialer, vanddybde i tørsæsonen eller oversvømmelsessæsonen, tidevandsvariation, skurdybde mv.

(ii) Hydrauliske data, f.eks. hastighed, designudladning etc.

iii) Undergrundsbetingelse og dens bæreevne

iv) Frekvens og varighed af oversvømmelse

(v) Trafikmængde

(vi) Navigationskrav

(vii) Tilgængelighed af fond

(viii) Tilgængelighed af arbejdskraft og materialer og deres enhedsomkostninger

(ix) Tidsperiode for opførelse

(x) Transport- og monteringsfaciliteter til rådighed

(xi) Strategiske overvejelser

xii) æstetiske overvejelser

(xiii) Vedligeholdelsesomkostninger.

Valg mellem midlertidig bro og permanent bro:

Opførelsen af ​​en permanent bro kræver mere fond, og derfor er der midlertidig bro, når der mangler en fond, en kortfristet løsning. Midlertidig bro kan også bygges på en mindre vigtig vej, hvor trafikmængden næppe retfærdiggør opførelsen af ​​en permanent bro til en større pris.

Den midlertidige bro kan erstattes af en permanent bro, når fondsstilling forbedres, eller når det øgede trafikvolumen kræver opførelse af en permanent bro.

Valg mellem nedsænket bro og højniveau bro:

"Neddykkelige broer", som navnet antyder, forbliver nedsænket under høje oversvømmelser, og som sådan skal trafikken holdes suspenderet i få timer eller dage og nogle gange om et år.

Når der ikke er tilstrækkelige midler til rådighed, kan dykbroer konstrueres over en strøm, hvor afbrydelse af trafikbevægelsen er så mindre som muligt eller hvor trafikvolumen er sådan, at en sådan afbrydelse af trafikken til få lejligheder ikke påvirker den offentlige interesse væsentligt.

Det er derfor indlysende, at opførelsen af ​​nedsænket bro på National Highways eller State Highways ikke er ønskelig. Disse broer kan bygges på landsbyveje eller mindre vigtige distriktsveje. Hvor midlertidige broer eller neddykkelige broer ikke kan konstrueres af almen interesse i betragtning af trafikmængden, er konstruktion af broer på høj niveau det eneste valg.

Valg Mellem, Slab, Girder, Arch, Kabel-Stoppet eller Suspension Bridges:

Slabbroer er konstrueret til små spændinger; bjælker, buer og broer er konstrueret til mellemstore til moderat store spændinger og de sidstnævnte to broer, dvs. kabel-forblevne bro: -, og fjederbroer er konstrueret til store spændinger. Derfor vælges slabbroer, hvor sengen er ubetydelig, og grundprisen er meget mindre som i lavvandsfundamente (figur 4.1).

Valg af bjælker og trussebroer kan være berettiget, hvor der kræves dybe fundamenter fra skur og jordlags overvejelser, men navigationsafstand eller friluftsplan er forholdsvis mindre som i Mokamah Bridge (figur 4.12a) eller Howrah Bridge (figur 17.8).

I sidstnævnte tilfælde er frie bordet over det højeste tidevandsniveau 8, 84 meter. I en smal kløft, hvor der findes god sten på begge banker, er en buebro det oplagte valg (figur 4.12b). Arch broer er uegnede på steder, hvor abutment fundamenter er modtagelige for store bevægelser både nedad og sidelæns.

Kabelbøjede og hængebroer foretrækkes, hvor der kræves stor klaring eller fri ombord over HFL eller HTL til passage af store fartøjer. Der er foreslået gratis bord på 34, 78 meter for den kabelbroede bro, der nu er under opførelse i Calcutta (anden højhlybro - figur 17.17).

Der er stillet fribrædder på 36, 6 meter, 46, 2 meter og 69, 5 meter til Severn Bridge (figur 17.25), Mackinac Bridge (figur 17.24) og Verrazano Narrows Bridge (figur 17.26).

Kanalerne er dybe, opbygning af overbygning ved anlæg eller falskarbejde er ikke mulig, heller ikke opbygningen af ​​overbygningen kan ske ved normal erektion. I sådanne lettelser udnyttes kablerne til opbygning af dækkomponenterne for både kabelbøjede og fjederbroer.

Valg af span for broer:

Følgende kan tages som grov vejledning for udvælgelse af spændvidder for broer for at give økonomisk design.

(a) For murbro-broer: S = 2H

(b) For RCC slabbroer: S = 1, 5 H

Hvor S = Klar spænding i meter.

H = Total højde af anlæg eller mole fra bunden af ​​fundamentet op til toppen.

For buebroer måles den fra fundament til intrados af keystone.

c) For mellemstore til store broer med dybt fundament: Omkostninger til understøttelse af overbygningens overbygning af et span = omkostninger til en mole med dets fundament.

Dette kan etableres teoretisk med følgende antagelser:

(i) Broen har lige store spændinger, dvs. L = nS hvor L er broens længde, n og S er antallet af spænd og broens længde.

(ii) Udgifter til dækplade, slidbane, rækværk mv varierer som spændvidde. Hvis 'a' er prisen pr. Meter bro, så koster pr span = aS.

(iii) Udgifter til understøttende system, dvs. hovedbjælke, tværbjælke osv. varierer som firkantet af spændet, dvs. omkostninger pr spænding = bS ² hvor b er en konstant.

(iv) Omkostningerne ved en pier med dens fundament er konstant og er lig med P (Say).

(v) Anlægsomkostninger, vingevæg mv er konstant og er lig med A (Say) for hver side.

(vi) Omkostninger ved hver tilgang - B (Say).

Derfor koster broen = n (aS + bS ² ) + (n - 1) P + 2A + 2B

For minimale omkostninger ved broen skal dC / dS være lig med nul, dvs. Lp / S2 = 0 eller, b S ² = P. dvs. Det er overflødigt at sige, at ovennævnte økonomiske kriterium ikke holder godt for både små og lange broer.

For små spanbroer bliver omkostningerne til overbygningen meget mindre, mens det samme for underbygningen, herunder anlæg og vingevægge, er meget mere afhængigt af lilleheden.

På den anden side kommer omkostningerne til overbygningerne til lange gange til understrukturer til få gange. Deres valg er derfor afhængig af nogle andre faktorer som nævnt før snarere end økonomi.

Konklusion:

Udviklingen af ​​broer fra oldtiden til nutidens alder er en kontinuerlig proces og er et resultat af menneskets ønske om at anvende mere og mere forbedrede metoder og materialer for at bygge billigere, finere og stærkere broer med længere spændinger og varig kvalitet.

Søgningen efter yderligere forbedringer er ikke forbi og vil aldrig være overstået. Brodesignerne og brobyggerne vil fortsætte deres søgning og eksperimenter for at bygge billigere, stærkere og æstetisk bedre broer for alle de kommende tidspunkter.