Ферма Хау — это ферменный мост , состоящий из поясов, вертикалей и диагоналей, вертикальные элементы которого находятся в состоянии растяжения, а диагональные элементы — в состоянии сжатия. Ферма Хау была изобретена Уильямом Хау в 1840 году и широко использовалась в качестве моста в середине-конце 1800-х годов.
Самые ранние мосты в Северной Америке были сделаны из дерева, которое было в изобилии и было дешевле камня или каменной кладки. Ранние деревянные мосты обычно имели конструкцию решетчатой фермы Тауна или фермы Берра . Некоторые более поздние мосты были фермами МакКаллума (модификация фермы Берра). Около 1840 года к деревянным мостам были добавлены железные прутья. Ферма Пратта использовала деревянные вертикальные элементы, работающие на сжатие, с диагональными железными распорками. Ферма Хоу использовала железные вертикальные стержни, работающие на растяжение, с деревянными диагональными распорками. Обе фермы использовали контрраспорки, которые стали необходимыми теперь, когда тяжелые железнодорожные поезда использовали мосты. [1]
В 1830 году Стивен Гарриман Лонг получил патент на мост с параллельными поясами ферм, полностью выполненный из дерева. Мост Лонга содержал диагональные распорки, которые были предварительно напряжены клиньями. Ферма Лонга не требовала соединения между диагональю и фермой и могла оставаться сжатой даже при некоторой усадке древесины. [2]
Уильям Хоу был строительным подрядчиком в Массачусетсе , когда он запатентовал конструкцию фермы Хоу в 1840 году. [3] В том же году он основал Howe Bridge Works для строительства мостов с использованием своей конструкции. [4] Первая ферма Хоу, когда-либо построенная, была однополосным мостом длиной 75 футов (23 м) в Коннектикуте, по которому проходила дорога. [1] Вторым был железнодорожный мост через реку Коннектикут в Спрингфилде, штат Массачусетс . Этот мост, который привлек всеобщее внимание и похвалу, [3] имел семь пролетов и был 180 футов (55 м) в длину. [1] Оба моста были возведены в 1840 году. [3] [1] Один из рабочих Хоу, Амаса Стоун , купил за 40 000 долларов [5] (1 220 800 долларов в долларах 2023 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] которая построила большое количество мостов с фермами Хау по всей Новой Англии . [5] Хау внес дополнительные усовершенствования в свой мост и запатентовал вторую конструкцию ферм Хау в 1846 году. [7]
Мост с фермами Хау состоит из верхнего и нижнего «пояса», [a] каждый пояс состоит из двух параллельных балок, и каждый пояс параллелен друг другу. Сетка [b] состоит из вертикалей, распорок и контрраспорок. Вертикальные стойки соединяют верхние и нижние пояса друг с другом и создают «панели». Диагональная распорка в каждой панели укрепляет мост, а диагональная контрраспорка в каждой панели увеличивает эту прочность. [10] Мосты с фермами Хау могут быть полностью деревянными, из комбинации дерева и железа или полностью железными. [11] Какая бы конструкция ни использовалась, деревянные брусья должны иметь квадратные концы без пазов и шипов . [12] Конструкция цельнометаллической фермы Хау следует конструкции деревянной фермы. [1]
Параллели в каждом поясе обычно строятся из более мелких балок, каждая из которых скреплена друг с другом, образуя непрерывную балку. [13] В деревянных фермах Howe эти тонкие балки обычно не более 10–15 дюймов (250–380 мм) в ширину и 6–8 дюймов (150–200 мм) в глубину. [1] В железных фермах верхние поясные балки имеют ту же длину, что и панель. Верхние поясные балки обычно изготавливаются из чугуна , а нижние поясные балки — из кованого железа . [1] Используется минимум три небольших балки, [14] каждая из которых имеет одинаковую ширину и глубину. [13] Для соединения балок между собой обычно используются стыковые накладки . [14] (Нижние пояса балок могут иметь проушины на каждом конце, в этом случае они скрепляются вместе болтами, штифтами или заклепками .) [1] В деревянных фермах шплинты и железные болты используются каждые 4 фута (1,2 м) для соединения балок верхнего пояса друг с другом. [1] [c] В нижнем поясе деревянного моста для соединения балок вместе используются зажимы . [1]
Хотя обычно они имеют одинаковую длину, [12] балки располагаются таким образом, чтобы стык (точка, где сходятся концы двух балок) находился рядом с точкой, где сходятся две панели [14], но не примыкал к стыку в соседней паре балок. [13] [14]
Отдельные небольшие балки, составляющие параллель в поясе, разделены вдоль их длинной стороны пространством, равным диаметру вертикальных стоек, [13] обычно около 1 дюйма (25 мм). [1] Это позволяет вертикальным стойкам проходить через параллель в поясе. [13] Планки обрешетки [d] размещаются по диагонали между элементами пояса и прибиваются гвоздями для уменьшения изгиба и действуют как прокладка для обеспечения вентиляции между элементами пояса. [16]
Средняя треть нижнего пояса всегда усиливается одной или несколькими балками, прикрученными к поясу. 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 прикрутить дополнительные тонкие балки. [12] Когда строительство будет завершено, верхний пояс ферменного моста Howe будет находиться в состоянии сжатия , в то время как нижний пояс будет находиться в состоянии растяжения . [13]
Вертикальные стойки соединяют верхние и нижние пояса и делят ферму на панели. [13] В ферме Хау обычно используются железные или стальные вертикали. [18] Они прямые и круглые, [1] слегка уменьшенные по окружности на концах, и с добавленной винтовой резьбой . [18] Вертикаль обычно проходит через центр углового блока [1] , а затем через пространство, оставленное в верхнем и нижнем поясе. [14] Для крепления вертикальной стойки к поясу используется гайка. Специальные пластины или шайбы из дерева или металла используются для распределения напряжения, создаваемого вертикальной стойкой, на пояса. [18] [1] [e] Вертикальные стойки находятся под напряжением, [13] которое создается затягиванием гаек на вертикальных стержнях. [19]
Раскосы — это диагональные балки, которые соединяют нижнюю часть вертикальной стойки с верхней частью следующей вертикальной стойки. [13] Они размещаются в той же плоскости, что и пояс. [14] В отличие от железных или стальных раскосов, которые собираются, деревянные раскосы обрезаются по длине. [1] Если параллель в поясе имеет толщину X балок, каждая раскоса должна иметь толщину X минус 1 балка. [13] [f] Отношение глубины к ширине каждого элемента диагональной раскосы не должно быть больше, чем у раскоса в целом. [16] Раскосы могут быть цельными или из нескольких частей, соединенных вместе накладкой. [14] Раскосы находятся в состоянии сжатия [13] из-за затягивания гаек на вертикалях. [19] [2]
Контрраспорки — это диагональные балки, которые соединяют нижнюю часть вертикальной стойки с верхней частью следующей вертикальной стойки и проходят примерно перпендикулярно распоркам. [13] Они располагаются в той же плоскости, что и пояс, [14] обычно имеют одинаковый размер, [17] и должны иметь толщину на одну балку меньше, чем распорка. [13] В отличие от распорок, контрраспорки представляют собой цельную деталь. [14] Вообще говоря, мост из шести панелей или менее (длиной около 75 футов (23 м)) не нуждается в контрраспорках. Восьмипанельная ферма требует контрраспорок в каждой панели, кроме концевых панелей, и они должны быть как минимум вчетверо прочнее распорок. Десятипанельная ферма требует контрраспорок в каждой панели, кроме концевых панелей, и они должны быть как минимум вполовину прочнее распорок. Мост с фермой Хау можно усилить, чтобы достичь соотношения рабочей нагрузки к собственному весу 2 к 1. Если это отношение составляет 2 к 1 или больше, то ферма из шести панелей должна иметь контрраспорки, которые должны быть по крайней мере на треть прочнее распорок. Контрраспорки в ферме из восьми панелей должны быть по крайней мере на две трети прочнее распорок, а контрраспорки в ферме из 10 панелей должны быть по крайней мере равны по прочности распоркам. [12] Если на ферме Howe ожидаются быстро перемещающиеся рабочие нагрузки любого отношения, контрраспорки, используемые в центральной панели, должны быть равны по прочности распоркам, а панель рядом с конечной панелью должна иметь контрраспорки по крайней мере на половину прочнее распорок. [17]
Там, где встречаются диагональные распорки и контрраспорки, они обычно скрепляются болтами. [14]
Раскосы и контрраспоры удерживаются на месте с помощью угловых блоков. [13] Угловые блоки имеют треугольное поперечное сечение [13] и должны быть той же высоты [13] и ширины, что и параллель пояса. [1] Угловые блоки могут быть сделаны из дерева или железа, [13] хотя железо обычно используется для постоянных конструкций. [12] Угловые блоки крепятся вверх дном к верхнему поясу и правой стороной вверх к нижнему поясу. [1] Угловые блоки имеют выступы — фланцы или выступы, используемые для переноски, размещения или поддержки чего-либо. [15] Концы раскосов и контрраспор должны быть обрезаны или отлиты так, чтобы они опирались прямо на угловой блок. [10] [1] Верхний выступ может быть одним фланцем, который вставляется в паз, вырезанным на поверхности диагонали, [1] или может быть от двух до четырех выступов, которые образуют отверстие, в которое помещаются распорка и контрраспора. Диагонали удерживаются на месте путем затягивания гаек на вертикальных стойках. [12] К деревянному угловому блоку можно прибить планки , чтобы помочь удержать распорки и контрраспорки на месте. В качестве альтернативы можно просверлить отверстие в выступе и распорке/контрраспорке и вставить штифт , чтобы удерживать балку на месте. [12] [g] Железные угловые блоки должны иметь отверстие, отлитое в верхних выступах, чтобы болт мог проходить через выступ и распорку/контрраспорку, фиксируя распорки на месте. [14] Нижние выступы в угловом блоке также имеют отверстия, отлитые в них, чтобы можно было прикрепить угловой блок болтами к поясу. [14] Два или более отверстий отливаются через центр углового блока, чтобы позволить вертикальным стойкам проходить и быть закрепленными на другой стороне пояса. [1]
Концевые панели — это четыре панели по обе стороны от конца ферменного моста Howe. Они должны быть той же высоты, что и пояса, но не больше. [12] Верхний пояс не выходит за пределы портала [17] (пространство, образованное последними четырьмя вертикальными стойками на каждом конце моста). [20] Концевым панелям нужна только распорка, соединенная от верха последнего вертикального столба до конца нижнего пояса. [17]
Распорки используются для соединения двух параллелей поясов, чтобы предотвратить боковой изгиб и уменьшить вибрацию. Используются две диагонали, соединяющиеся с верхней частью вертикальных стоек. Одна из диагоналей должна быть цельной, в то время как другая должна быть вставлена в первую часть или сделана из двух частей, соединенных с ней. [21] X-образные распорки, [h] обычно изготавливаются из тонких металлических стержней с резьбовыми концами, устанавливаются между вертикальными стойками, чтобы помочь уменьшить раскачивание . [14] Коленные распорки, [i] обычно плоские стержни с проушинами на обоих концах, используются для соединения последней распорки и последних вертикальных стоек на обоих концах моста. [14]
Отдельные панели могут быть изготовлены заранее за пределами строительной площадки. [11] Когда панели соединяются друг с другом на строительной площадке, для заполнения любых зазоров используются прокладки, а затем они крепятся болтами. [16] [j]
Балки перекрытия простираются между параллелями пояса и используются для поддержки стрингеров и настила. Балки перекрытия могут располагаться на поясе под ними или могут быть подвешены к вертикальным стойкам. Балки перекрытия обычно имеют наибольшую глубину среди всех балок моста. Балки перекрытия обычно размещаются там, где встречаются две панели. Если они размещаются где-то посередине панели, пояс должен быть усилен, чтобы противостоять изгибу , выпучиванию и напряжению сдвига . [18]
Тетивы — это балки, установленные поверх балок перекрытия, параллельно поясам. Тетива может иметь отношение глубины к ширине от 2 к 1 до 6 к 1. Соотношение больше 6 к 1 избегается, чтобы избежать прогиба. На практике большинство деревянных тетив имеют ширину 16 дюймов (410 мм) из-за ограничений при фрезеровании. Обычно в мосту шесть тетив. [18]
Строительство настила для железнодорожного моста требует, чтобы продольная балка лежала прямо под каждым рельсом, и чтобы продольная балка поддерживала каждый конец шпал . Шпалы 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 прямо поверх продольных балок, на расстоянии около 12 дюймов (300 мм) друг от друга. Ограждения сечением 6 на 8 дюймов (150 на 200 мм) устанавливаются на расстоянии 20 дюймов (510 мм) от центра шпал и прикручиваются болтами к каждой третьей шпале. [18]
Внутренняя ферма фермы Howe статически неопределима . Существует два пути для напряжения во время нагрузки, 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 правильного функционирования фермы Howe. Во время ее первоначального строительства диагонали соединены с соединениями только свободно и полагаются на предварительное напряжение, выполненное на более позднем этапе, для правильной работы. Более того, диагонали в напряжении могут выдерживать только напряжение ниже уровня предварительного напряжения. (Размер элемента не имеет значения из-за свободной посадки диагонали в соединении.) Поэтому правильное предварительное напряжение во время строительства имеет решающее значение для правильной работы моста. [24]
Максимальное напряжение оказывается в центре поясов, когда динамическая нагрузка достигает центра моста или когда динамическая нагрузка простирается по всей длине моста. Как вертикальные стойки, так и распорки в конце моста испытывают наибольшее напряжение. [12]
Напряжение, воздействующее на контрраспорки, зависит от соотношения рабочей нагрузки к статической нагрузке на единицу длины и от того, как рабочая нагрузка распределена по мосту. Равномерное распределение рабочей нагрузки не создаст напряжения на контрраспорках, в то время как приложение рабочей нагрузки только к части моста создаст максимальное напряжение на центральных контрраспорках. [12]
Из-за нагрузки, оказываемой на мост, ферма Хау подходит для пролетов длиной 150 футов (46 м) или меньше. [17] В ферме Хау не предусмотрено никаких положений для расширения или сжатия из-за изменений температуры. [14]
Ферма Хау была очень экономичной из-за простоты ее строительства. Деревянные части можно было спроектировать, используя лишь стальной угольник и шило , а ферму можно было смонтировать, используя только тесло , бур и пилу . [1] Панели можно было изготовить заранее и доставить на строительную площадку, а иногда даже целые фермы можно было изготовить и собрать вне строительной площадки и доставить по железной дороге в предполагаемое место. [11] Для возведения моста требовалось какое-то подобие опорной конструкции , обычно в виде эстакады . [21]
Развитие ферм Пратта и Хау стимулировало строительство железных мостов в Соединенных Штатах. До 1850 года в стране было мало железных мостов длиннее 50 футов (15 м). Простая конструкция, простота изготовления и легкость возведения ферм Пратта и Хау побудили Бенджамина Генри Латроба II , главного инженера железной дороги Балтимора и Огайо , построить большое количество железных мостов. После двух известных обрушений железных мостов (одно в Соединенных Штатах, другое в Соединенном Королевстве ), немногие из них были построены на Севере . Это означало, что большинство железных мостов, возведенных до Гражданской войны в США, были расположены на Юге . Около 1867 года в Соединенных Штатах произошел всплеск строительства железных мостов. Наиболее часто используемыми конструкциями были фермы Хау, Пратта, Боллмана , Финка и Уоррена . [1] [k] Фермы Хау и Пратта завоевали популярность, поскольку в них использовалось гораздо меньше элементов. [28] Построенный в 1962 году самый длинный в мире однопролетный деревянный крытый мост в государственном парке Бриджпорт, Калифорния, использует арку Берра в сочетании с фермой Хау для достижения пролета более 210 футов.
Единственное обслуживание, которое требуется ферме Хау, — это регулировка гаек на вертикальных стойках для выравнивания деформации. [1] Диагонали в деревянной ферме Пратта оказалось трудно поддерживать в надлежащем положении, поэтому ферма Хау стала предпочтительной конструкцией для деревянного моста [1] или для «переходного» моста из дерева с железными вертикалями. [2] Профессор инженерии Хорас Р. Тайер, писавший в 1913 году, считал ферму Хау лучшей формой деревянного моста с фермами и считал, что это был наиболее часто используемый ферменный мост в Соединенных Штатах в то время. [29]
Полностью железные фермы Хау начали строить около 1845 года. [2] Примерами могут служить железная ферма Хау длиной 50 футов (15 м), построенная для железной дороги Бостон и Провиденс [2] [30] и железнодорожный мост длиной 30 футов (9,1 м) через канал Огайо и Эри в Кливленде. [31] [32]
Однако железо было предпочтительным мостом для автомобильных и железных дорог, а ферма Хау не очень хорошо подходила для строительства из цельного железа. [1] Система одинарных диагональных связей фермы Пратта означала меньшую стоимость, а ее способность использовать кованые железные прогоны под железнодорожными рельсами и шпалами заставила строителей мостов отдать предпочтение мосту Пратта, а не Хау. [28] [l] Более тяжелые временные нагрузки, особенно от железных дорог, заставили строителей мостов отдать предпочтение мостам с пластинчатыми балками и решетчатыми мостами Тауна для пролетов менее 60 футов (18 м), а также мостам с балками Уоррена для всех остальных пролетов. [28]
Фермы широко использовались в архитектуре с древних времен. [33] Ферма Хау широко используется в деревянных зданиях, особенно для поддержки крыши. [34]
