Стальная плотина

Плотина Redridge Steel Dam (выше по течению) с низким уровнем воды

Стальная плотина — это тип плотины (сооружение для задержания или замедления потока воды), которая изготавливается из стали , а не из более распространенных строительных материалов — кирпича , земляных работ , бетона или древесины .

Было построено сравнительно немного примеров. Из трех, построенных в США, сохранились две: плотина Ashfork-Bainbridge Steel Dam , построенная в 1898 году в пустыне Аризоны для подачи воды для локомотивов на железную дорогу Atchison, Topeka and Santa Fe Railway (ATSF), и плотина Redridge Steel Dam , построенная в 1901 году на Верхнем полуострове Мичигана для подачи воды на штамповочные заводы. Третья плотина, Hauser Lake Dam в Монтане, была достроена в 1907 году, но рухнула в 1908 году.

Стальные плотины оказались неэкономичными после Первой мировой войны , поскольку цена на сталь выросла во много раз по сравнению с ценами на цемент. ^[1] Их экономика весьма выгодна в 21 веке из-за более низких общих затрат на рабочую силу на месте, более низких затрат на транспортировку сыпучих материалов, наличия большего времени строительства в году и гибкости в плане строительства, соответствующем законодательным требованиям и т. д. ^{[ необходима ссылка ]}

Принципы работы

Нижняя часть плотины Redridge Steel

Стальные плотины используют ряд опор, закрепленных в земле. Эти опоры удерживают распорки, которые в свою очередь удерживают ряд балок настила, которые в свою очередь удерживают стальные пластины. Именно с этими пластинами контактирует вода. Балки и пластины наклонены в направлении вниз по течению, так что часть веса воды действует с силой, направленной вниз, на стойки и опоры, удерживая их на месте. Если бы пластины были вертикальными, как в стальной перемычке , вся сила была бы горизонтальной, и потребовались бы гораздо более массивные стойки и анкеры, чтобы противодействовать горизонтальной силе и изгибающему моменту.

Прямая распорка

Поперечное сечение стальной плотины с прямыми стойками

В варианте с прямыми распорками, показанном на рисунке слева, все распорки параллельны. Таким образом, в пластинчатых балках нет растягивающей силы.

Консольно-распорная

Поперечное сечение стальной плотины с консольными стойками

В консольной версии с распорками, показанной на рисунке слева, верхняя распорка (или распорки, в зависимости от конструкции) может быть сформирована в консольную ферму. При установке всех на один фундамент верхняя часть балок палубы находится в напряжении, и момент консольной секции компенсируется моментом воды, падающей на эту секцию.

Гребешки

В обоих типах конструкций типично, что пластины имеют зубчатый вид, как можно видеть на иллюстрации Redridge Steel Dam выше. Это позволяет стальным пластинам свободно расширяться/сжиматься при изменении температуры воды или окружающей среды.

Компромиссы в дизайне

Существует два компромисса в проектировании: угол балки/пластины и угол распорки. При увеличении угла балки/пластины по направлению к горизонтали нормальная составляющая силы увеличится по направлению к вертикали; это означает, что опоры не должны выдерживать столько же горизонтальной силы, но требуют больше стали для заданного напора вверх по течению. Увеличение угла распорки по направлению к вертикали уменьшает горизонтальный момент на опорах, уменьшая риск скольжения.

Водосбросы и трубы

Стальные плотины могут иметь или не иметь водосброс. У Эшфорк-Бейнбриджа его не было, но он был спроектирован так, чтобы вода могла переливаться прямо через гребень, в то время как у Редриджа был и водосброс, и водопровод для подачи воды на расположенные ниже по течению штамповочные мельницы.

Преимущества и недостатки

Сторонники стальной плотины утверждали о некоторых преимуществах:

• Технологии изготовления стальных конструкций даже на рубеже XIX века позволяли строить быстрее и дешевле, чем каменные конструкции.
• Конструкция статически определима, что позволяет точно рассчитать необходимую нагрузку и прочность элементов.
• Поскольку сталь более гибкая, чем бетон, она более устойчива к катастрофическим разрушениям из-за проседания грунта.
• Мороз не влияет на них так, как на бетон или кирпичную кладку.
• Некатастрофические утечки можно устранить сваркой

Были также некоторые известные недостатки:

• Строительство хороших оснований является залогом успешного строительства плотины, поскольку они должны выдерживать вес, не давать слишком большой усадки и противостоять горизонтальным перемещениям.
• Долгосрочная прочность плотины неизвестна. Два сохранившихся примера в США в настоящее время не испытывают значительной нагрузки от воды.
• Легкость конструкции означает, что она более уязвима к износу из-за колебаний воды, чем более массивные плотины.
• Потребности в техническом обслуживании выше, необходимо устранить ржавчину и коррозию.
• Напряжения могут быть достаточно концентрированными, что может привести к растрескиванию под напряжением как виду отказа.
• Как и в случае с другими плотинами, подмыв является возможным способом разрушения (считается, что именно по этой причине рухнула плотина на озере Хаузер).

Дальнейшее чтение

• Джексон, Дональд С. Великие американские мосты и плотины, John Wiley & Sons, Нью-Йорк (США), ISBN  0-471-14385-5 , 1984; стр. 210–211.
• Irrigation and Water Power Engineering, книга, найденная через Google books. Один из немногих источников, упоминающих стальные плотины, говорит, что в США их 3, и дает некоторую информацию. Часть этой статьи использует материал из этого текста.
• University of Queensland A Brief History of Steel Dams, автор Hubert CHANSON (вам нужно будет нажать кнопку PROCEED, чтобы продолжить чтение статьи после перехода по ссылке). В ней указано, что плотина озера Хаузер была построена в 1905-1907 годах и рухнула в 1908 году, после SCHUYLER (1909).

Ссылки

1. Рейнольдс, Терри С. (1989). «Узкое окно возможностей: взлет и падение стационарных стальных плотин». IA, Журнал Общества промышленной археологии . 15 (1): 1–20. JSTOR  40968160.