Brücken werden im Allgemeinen als statische Strukturen betrachtet. Die Wahrheit ist, dass sie sich tatsächlich eher wie dynamische Lebewesen verhalten. Sie ändern sich ständig und reagieren auf unterschiedliche Belastungen, Wetterbedingungen und andere Arten von Stress, um zu funktionieren. In einigen Fällen müssen Brücken, ähnlich wie eine Person, die sich einem Trauma unterzieht, auf extrem stressige Ereignisse wie Unfälle, Explosionen, Brände, Erdbeben und Hurrikane „reagieren“, um zu überleben.

In diesem Artikel werden wir uns ansehen, wie verschiedene Arten von Brücken entwickelt werden, um mit Stress umzugehen. Wir werden auch einige der häufigsten Kräfte untersuchen, die Brücken belasten. Diese Stressoren können einen großen Einfluss darauf haben, wie Brücken altern, in Verfall geraten und möglicherweise versagen.

Ihr Verständnis kann Ingenieuren helfen, dauerhafte Strukturen zu entwickeln, und Inspektoren und Wartungspersonal sorgen dafür, dass bestehende Strukturen länger halten.

Das Dilemma der Schwerkraft

Die tiefste Kraft, die Brücken beeinflusst, ist die Schwerkraft, die ständig an ihnen zieht und versucht, sie auf die Erde zu ziehen. Die Schwerkraft ist keine so große Sache, wenn es um Gebäude geht, einschließlich großer wie Wolkenkratzer, weil der Boden unter ihnen immer zurückdrückt.

Das ist nicht der Fall, wenn es um Brücken geht. Ihre Terrasse erstreckt sich über den offenen Raum. „Raum“ bietet keine Unterstützung gegen die Schwerkraft. Größere Brücken, die längere Räume überspannen, sind anfälliger für die Schwerkraft als kürzere. Ebenso werden schwerere Strukturen eher der Schwerkraft zum Opfer fallen als leichtere.

Brückenausfälle sind relativ selten. Also, was hält sie davon ab, aufgrund der Schwerkraft zu stürzen?

Die Antwort ist so ziemlich die gleiche, unabhängig von der Art der Struktur:

• Kompression (eine Kraft, die nach innen drückt oder drückt) wird sorgfältig mit Spannung (eine Kraft, die sich dehnt und nach außen zieht) ausgeglichen.
• Dieser Ausgleich erfolgt, indem die Last (das Gesamtgewicht der Brückenstruktur) auf die Widerlager (die Stützen an beiden Enden der Brücke) und Pfeiler (die Stützen, die entlang ihrer Länge unter der Brücke verlaufen) geleitet wird.

Diese Kräfte verteilen sich auf verschiedene Arten auf verschiedene Arten von Brücken:

Balkenbrücke

Eine Balkenbrücke hat ihr Deck (Balken) in Zug und Druck. (Der Strahl kann je nach Bedingungen gequetscht und gedehnt werden.) Die Abutments sind in Kompression, was bedeutet, dass sie immer gequetscht werden.

Bogenbrücke

Eine Bogenbrücke trägt Lasten, indem sie die Kompression über den Bogen verteilt. Die Struktur drängt immer auf sich selbst.

Hängebrücke

Die Türme (Pfeiler) einer Hängebrücke stehen unter Druck und das Deck hängt an Spannseilen. Das Deck selbst ist sowohl in Spannung als auch in Kompression.

Schrägseilbrücke

Eine Schrägseilbrücke ähnelt einer Hängebrücke. Das Deck hängt jedoch direkt an den Pfeilern an Kabeln. Die Pfeiler sind in Kompression und die Kabel sind in Spannung. Das Deck erfährt beide Kräfte.

Fachwerkbrücke

Eine Fachwerkbrücke ist eine Variante einer Trägerstruktur mit verstärkten Verstärkungen. Das Deck ist in Spannung. Die Traversen bewältigen sowohl Spannung als auch Verständnis, wobei die diagonalen unter Spannung und die vertikalen unter Kompression stehen.

Eine Bogenbrücke trägt Lasten, indem sie die Kompression über den Bogen verteilt. Die Struktur drängt immer auf sich selbst.

Freitragende Brücke

Eine freitragende Brücke ist eine der einfacheren Formen zu verstehen. Grundsätzlich werden die Zugkräfte (Ziehen) über dem Brückendeck und die Druckkräfte (Drücken) darunter angesprochen.

Schauen Sie sich diese Brücken an, die Kräfte auf einzigartige Weise verwalten:

The Rolling Bridge, London

Diese skulpturale Struktur ist eine Art Brücke, die allgemein als Curling Bridge bezeichnet wird. Es besteht aus acht dreieckigen Abschnitten, die miteinander verbunden sind. Die Brücke kann sich „entrollen“, damit Fußgänger sie überqueren können, und „zusammenrollen“, um Boote passieren zu lassen.

Wenn sich die Struktur in ihrem „uncurled“ -Zustand befindet, sieht sie aus und funktioniert ähnlich wie eine Fachwerkbrücke. Ein System von Hydraulikkolben wird verwendet, um es in seine geschlossene, achteckige Form zu rollen.

Von Loz Pycock , über Wikimedia Commons

Die Gateshead Millennium Bridge, Newcastle

Diese innovative Struktur wird oft als „Tilt“ -Brücke bezeichnet. Es verwendet ein fortschrittliches Hydrauliksystem, um es aus dem Weg zu heben, wenn Boote passieren.

Obwohl dies einfach genug erscheint, muss diese Brücke mit einzigartigen Zug- und Kompressionsproblemen umgehen. Es nutzt Merkmale von Federungs- und Schrägseilkonstruktionen, die bei Bewegung der Brücke bis an extreme Grenzen gedrückt (und gedehnt) werden. Diese Struktur fügt dem Standardbrückenbau eine neue Dimension hinzu.

Brückendesign ist einfach und komplex zugleich. Eine Brücke gleicht ständig Druckkräfte an bestimmten Stellen mit Zugkräften an anderen aus, so dass keine überwältigende Kraft, insbesondere die Schwerkraft, die Struktur zu irgendeinem Zeitpunkt überwindet, was zu Schäden oder Einsturz führt.

Stressoren jenseits der Schwerkraft

Der erschwerende Faktor ist, dass sich Druck und Zug auf einer Brücke ständig verschieben, weil Stressoren wie:

Wechselnde Lasten

Es wäre einfach, Brücken zu bauen, wenn die Lasten auf ihnen statisch blieben. Die Kräfte auf sie würden sich nie ändern. Die Realität ist, dass die Belastungen im Laufe des Tages und im Laufe der Zeit dramatisch und dynamisch variieren können.Brücken transportieren alles von Zügen, Autos, Lastwagen und Fußgängern bis hin zu Wasserleitungen und anderen Versorgungsinfrastrukturen. Das Verkehrsaufkommen und das Versorgungsvolumen verschieben sich im Laufe des Tages, was zu erheblichen Schwankungen der Nutzlast führt, die die Zug- und Druckkräfte in der gesamten Struktur erhöhen und verringern können.

Beispiel: Wenn eine Eisenbahn über eine Brücke fährt, biegt und biegt sich die Struktur und kehrt dann in ihren ursprünglichen entspannten Zustand zurück, sobald der Zug vorbeifährt.

Umweltkräfte

Brücken reagieren ständig auf Mutter Natur. Umweltstressquellen sind:

• Gezeiten, Wellen und Wasserrückstau. Wasser ist eine der mächtigsten Kräfte auf der Erde. Ingenieure fügen häufig Öffnungen in Brückenwiderlager ein, um Wasser durchfließen zu lassen, anstatt gegen sie zu drücken.
• Winde. Große Windböen können dazu führen, dass Brücken schwanken und sich verdrehen. Moderne sind leichter und aerodynamischer, so dass Wind durch sie hindurchtreten kann, wodurch sie sich nicht bewegen können.
• Erdbeben. Seismische Kräfte führen dazu, dass Brückenabschnitte wackeln und ineinander stoßen, wodurch sie zerbröckeln können. Zu den Konstrukteuren gehören Dämpfer zur Dämpfung von Vibrationen und Stoßstangen, um zu verhindern, dass Abschnitte auf Brücken in aktiven Erdbebenzonen ineinander schlagen.
• Hurrikane und andere schwere Stürme können verheerende Auswirkungen auf exponierte Bereiche von Brücken haben. Bauteams installieren häufig Schutzausrüstung in gefährdeten Bereichen, z. B. in der Versorgungsinfrastruktur.
• Eis, Kälte und Schneestürme. Kälte und Frost führen zu einer Kontraktion bestimmter Brückenelemente. Auftauen kann den gegenteiligen Effekt haben. Die Auswirkungen von Expansion und Kontraktion haben sich unter den heutigen extremeren Klimabedingungen verschärft. Ingenieure berücksichtigen dies, indem sie reaktionsschnellere und flexiblere Komponenten in Brücken integrieren, die an kalten Orten gebaut wurden.

Unfälle und andere unerwartete Ereignisse

Verkehrs- und Bauunfälle, Boote, die gegen Widerlager stoßen, und Explosionen können zu erheblicher Brückenbelastung und manchmal zum Ausfall führen. Bauherren können starke, feuerhemmende Materialien und isolierende Elemente einsetzen, um die Auswirkungen Extremereignisse auf das Kräfteverhältnis einer Brücke zu begrenzen.

Fazit

Einige der oben beschriebenen Kräfte können sofort katastrophale Schäden an Brücken verursachen oder letztendlich versagen. Diese Stressoren verschleißen auch an Brücken im Laufe der Zeit, was zu langfristigen Schäden führt.

Ähnlich wie Lebewesen haben Brücken Möglichkeiten zu kommunizieren, dass sie überfordert sind. Inspektoren, Manager und Ingenieure müssen nach diesen Zeichen suchen. Es kann ihnen helfen, bestehende Strukturen sicher zu halten und ihnen die Informationen zur Verfügung zu stellen, die sie benötigen, um in Zukunft noch haltbarere und reaktionsfähigere Strukturen zu entwerfen.