Ballongflänsbalk
En ballongflänsbalk eller (i vardagsspråket) ballongtoppare är en form av vertikal I-balk av smidesjärnsplåt , där den övre flänsen, istället för att vara en enkel platt platta, förlängs till ett ihåligt rör. När en balk utsätts för ett positivt böjmoment verkar toppflänsen i kompression vilket gör en platt fläns mer mottaglig för lokal buckling än ballongflänsen är.
Denna typ av balk användes sällan, dess enda vanliga användare var Isambard Kingdom Brunel på 1840- och 1850-talen.
Design
Brunel arbetade under en period av ökad teoretisk och matematisk analys av broar och mekaniska strukturer. Tillsammans med William Fairbairns arbete , särskilt i förhållande till Stephensons rörformiga broar som Conwy , fanns det en ökad förståelse för hur strålar i kompression skulle misslyckas genom buckling .
Brunel var känd för sin misstro mot gjutjärn som material, åtminstone för stora balkar. Denna misstro mot gjutjärn bekräftades när hans vän Stephensons äventyrliga gjutjärn Dee Bridge (1846) kollapsade 1847. Brunel gav bevis för sitt stöd vid följande undersökning, men detta var på grundval av att Stephenson var en kompetent ingenjör inom ramarna av nuvarande kunskap, snarare än till stöd för stora gjutjärnsbalkar. Stephensons Dee Bridge hade använt en fackverksbalk, där en inverterad T-formad gjutjärnsbalk var fackverksad av applicerade dragjärnsjärn. Denna felaktiga konstruktion bidrog till brobrottet, där spänningen i fackverksstängerna ökade kompressionen i den övre delen av balken så att den genomgick pelarbrott . Trots detta, men med fördelen av facit i hand, skulle Brunel använda liknande applicerade spänningskedjor för sin fackverksdesign .
Runt 1840-talet minskade utvecklingen av pölugnen kostnaden för smidesjärn och förbättringar av valsverk möjliggjorde produktion av stora platta sektioner. Detta järn var nu ekonomiskt för konstruktion av balkar, sammansatta genom nitning av plana sektioner.
Utveckling
Brunel hade redan experimenterat med enkla bulb-headed balkar i gjutjärn, för den relativt korta 35 fot spann av Bishop's Bridge kanalbron vid Paddington . Dessa hade en T-sektions nedre fläns i spänning och en större cirkulär glödlampa i överkant, i kompression. Som det var hans vana testade Brunel hydrauliskt prover av dessa balkar för styrka 1838 och antecknade resultaten i en av sina böcker med "Fakta".
Experimentell balk
För att utveckla en pålitlig fackverksbalk för broar med långa spann, genomförde Brunel ett anmärkningsvärt experiment med en balk i full storlek. Denna använde en enda plåtbalk av smidesjärn, 70 fot lång, som lastades upp till kollapspunkten, först med 165 ton last sedan, efter reparation, till 188 ton. Brunel var medveten om att den sannolika felmekanismen för denna balk var genom att den övre flänsen knäcktes, vilket skulle vara under kompressionskrafter . För att motstå detta stöddes flänsen av triangulerade plattor och flänsen var också lätt krökt. Experimentet var en stor framgång, bron misslyckades så småningom vid en betydande belastning, vilket representerar en effektiv användning av konstruktionsmaterial för en bro med denna kapacitet, jämfört med tidigare konstruktioner.
Från vänster: • Experimentell balk ( Chepstow Railway Bridge var liknande) • South Wales Railway • Eastern Bengal Railway • Cumberland Basin- broar • Windsor Railway Bridge Alla balkar är i samma skala, förutom Windsor-fackverket som är halvstort.
South Wales Railway
Brunel gjorde tidigt och utbredd användning av denna balk över sin South Wales Railway . Den användes för spännvidder på upp till 100 fot, järnfackverksbroar användes utöver det.
Förbättringar i plåtvalsningen möjliggjorde en förändring av balkens form. Snarare än bara en lätt böjd toppplatta med triangulära kilar, var det nu möjligt att rulla en halvcirkelformad platta. Detta gjorde att den fullt utvecklade "ballongformen" kunde användas, som i det andra illustrerade tvärsnittet. Balkens övre bana var halvcirkulär och nitad till mittplattan med en L-remsa. Sidokilarna, också böjda, nitades parallellt med kanterna på denna toppplatta, snarare än genom en annan L-remsa, som användes ursprungligen. Brunel ansåg (förmodligen korrekt) att den släta ballongprofilen var en mer effektiv design, påverkad av hans geometriska tillvägagångssätt för design snarare än Eatons matematiska analys. Mer praktiskt halverade den parallella överlappsleden mängden nitning som behövdes, jämfört med L-remsan.
Ingen av dessa broar är känd för att överleva i sin ballongform, även om en balk från en senare återanvändes för brobreddningsarbete (1861) över Coity- vägen nära Bridgend och överlevde där. Coity Road-bron hade byggts före detta datum, men breddades för att rymma den nya Llynvi Valley Railway . Ena sidan av bron flyttades utåt för att få plats med ett nytt sidospår och en ballongbalk installerad på den sidan. Denna balk (särskilt som den installerades efter Brunels död) tros tidigare ha använts någon annanstans på SWR , även om dess ursprungliga datum och plats är okänd.
Liknande balkar användes för att korsa Severn vid Over .
Eastern Bengal Railway
Nästa utveckling behöll den halvcirkelformade toppflänsen, men sidokilarna övergavs nu helt eftersom man ansåg att flänsens djup, även om den inte stöddes av en annan platta, skulle vara tillräckligt styv. Detta gav också bättre tillgång till insidan, för målning. Intermittenta tvärmembran placerades tvärs över flänsen för att bibehålla dess läge i förhållande till huvudbanan och undvika förvrängning genom att gunga i sidled.
Formen av balk användes flitigt i Brunels arbete för Eastern Bengal Railway .
Cumberland Basin broar
När Brunel byggde om ingångsslussarna till Cumberland Basin i Bristols hamn , mellan 1848–1849, konstruerade han också en " svängbro " - Brunels första rörliga bro. Denna var av centrerad konstruktion, men var mycket asymmetrisk, utombordssidan var nästan tre gånger längre än landåt, balanserad av en stor gjutjärnsmotvikt .
Eftersom bron var för en lätt vägbana och inte behövde bära vikten av en järnväg eller tåg, var dess balkar av en lätt konstruktion som förenklade tillverkningen. En övre fläns med full ballong användes, liknande formen som South Wales Railway-broar, men flänsen satt ovanför balkens huvudbana och banan sträckte sig inte över flänsen och nådde toppen. Denna förenklade konstruktionen då den undvek T-fogen, nödvändiga L-lister och därmed flera rader med nitning.
Den nedre flänsen var av en helt ny form, triangulär i snitt, men med konkava sidor. Återigen sträckte sig huvudbanan inte över flänsen. Alla tre lederna var nu enkla överlappsleder med enradsnitning.
Liksom ett antal tidiga Brunel-broar, var Brunels engagemang med dem till stor del bortglömd och endast nedtecknad i obskyra verk. Vid ett tillfälle var de under allvarligt hot om rivning tills deras historiska betydelse återigen erkändes. En överklagan på 1 miljon pund lanserades 2014 för att återställa bron.
En mycket liknande svängbro byggdes några år senare som Dock Bridge i Kronstadt , Ryssland.
Windsor Railway Bridge
Windsor Railway Bridge (1849) är en bro med bunden båge eller bågsträng. Spännet är sammansatt av två balkar som bildar ett fackverk. Den övre balken är en båge och bär tyngden av bron. Den nedre balken är upphängd från denna med vertikala stänger och behöver inte bära sin egen vikt. Den nedre balkens huvudsakliga funktion är att fungera som en slips; detta motverkar bågens sidokrafter och undviker bågens vanliga sidokrafter på dess fundament. Eftersom detta är en järnvägsbro, där hängbroar är ett problem på grund av svängning av deras däck, har denna balk även en förstyvningsfunktion.
Brunel använde en form av sin ballongflänsbalk för båda balkarna. Den övre bågbalken använder den triangulerade formen från det tidiga experimentet, med en platt toppplatta och utan någon vertikal bana under flänslådan alls. Den nedre balken använder flänsens "öppna" form, lätt böjd och utan kilplåtar. Eftersom den nedre balken inte bär sin vikt utsätts den inte för de vanliga knäckkrafterna.
Chepstow Järnvägsbron
Chepstow Railway Bridge (1852) var en komplicerad bro som gjorde den första användningen av Brunels fackverksdesign för att producera en hängbro med en bred oavbruten spännvidd på hög nivå ovanför en sjöfart. Den västra stranden av ravinen var dock grund och lerig, så hälften av brons totala spännvidd tillhandahölls av tre 100 fots spännvidder av en balkbro, burna på cylindriska pirer av gjutjärn. Dessa balkar ( illus ) hade en form och storlek som mycket liknade den ursprungliga experimentbalken.
De landgående balkarna byttes ut 1948 och huvudfackverket med sina balkar under 1962. Delar av balkarna finns kvar idag.
Crathie Bridge
Crathie Bridge (1854–1857) är en 125 fot enkel spännvidd över floden Dee till den kungliga Balmoral egendomen. Bron hade först ritats med en form av Brunel-fackverket som ekade hans Royal Albert Bridge vid Saltash . Bron som konstruerats men använde den C-formade öppna formen av den övre flänsen, som användes för Eastern Bengal Railway . Eftersom bron endast var avsedd för lätt vägtrafik, var det också möjligt att ersätta balkens fasta väv ovanför vägbanan med ett genombrutet galler, vilket gjorde utsikten från bron visuellt mer tilltalande för den berömda boendet. Trots detta var Hennes Majestät "inte road" av bron.
Devizes "Fish Bridge"
Linjen från 1857 genom Devizes i Wiltshire nedför Caen Hill bars över en väg på en ovanlig utveckling av ballongflänsen, och kombinerade den med en linsformad plattbalk . Denna linsformade fiskbukform gav sitt populära namn "Fish Bridge". Från sitt arbete med sin fackverksdesign var Brunel redan bekant med fördelarna med den linsformade formen.
Den ursprungliga Fish Bridge ersattes 1901 med en bågsträngsfackverk . Namnet förblev i vanligt bruk, även efter att järnvägen togs bort under Beeching Axe .
Överlevande exempel
.jpg)
- Över Junction Bridge, järnvägsbron över Severn vid Over . (1848)
- Cumberland Basin , Bristol Harbour (1849) Ett fast spann har nyligen restaurerats för att användas som en gångbro.
- Windsor Railway Bridge (1849)
- Chepstow järnvägsbro (1852) Delar av balkarna överlever vid Brunel University , Uxbridge .
- Crathie Bridge (1854–1857) till den kungliga Balmoral egendomen.
- Coity Road Bridge, Bridgend (1861)
- Stoodleigh Bridge, Devon. Halvcirkulär toppfläns med öppen botten, fackverksbalk , c. 1863.
- Peel Street Bridge, Bristol. Halvcirkulär toppfläns med öppen botten, fackverksbalk, 1878.
- Kanaldelen av Bishop's Bridge , Paddington , kan vara Brunels första användning av denna teknik. Den demonterades och lagrades 2004.