siltoja pidetään yleensä staattisina rakenteina. Totuus on, että he itse asiassa toimivat enemmän dynaamisten, elävien olentojen tavoin. Ne muuttuvat jatkuvasti ja reagoivat erilaisiin kuormituksiin, säämalleihin ja muihin stressityyppeihin toimiakseen. Joissakin tapauksissa siltojen on ”reagoitava” äärimmäisen stressaaviin tapahtumiin, kuten onnettomuuksiin, räjähdyksiin, tulipaloihin, maanjäristyksiin ja hurrikaaneihin, kuten traumaan, kuten traumaan, jotta ne säilyisivät hengissä.

tässä artikkelissa tarkastellaan, miten erityyppiset sillat on suunniteltu kestämään stressiä. Tutkimme myös yleisimpiä voimia, jotka kuormittavat siltoja. Näillä stressitekijöillä voi olla suuri vaikutus siihen, miten sillat vanhenevat, putoavat laskuun ja mahdollisesti epäonnistuvat.

niiden ymmärtäminen voi auttaa insinöörejä kehittämään kestäviä rakenteita, ja tarkastajat ja huoltohenkilöstö saavat olemassa olevat rakenteet kestämään pidempään.

gravitaatiodilemma

syvin siltoihin vaikuttava voima on gravitaatio, joka vetää niitä jatkuvasti ja yrittää vetää niitä alas maahan. Painovoima ei ole niin iso juttu rakennuksissa, mukaan lukien suuret, kuten pilvenpiirtäjät, koska niiden alla oleva maa puskee aina takaisin.

näin ei ole siltojen kohdalla. Niiden terassit ulottuvat avoimeen tilaan. ”Avaruus” ei tue painovoimaa. Isommat, pidemmät sillat ovat alttiimpia painovoimalle kuin lyhyemmät. Vastaavasti raskaammat rakenteet joutuvat todennäköisemmin painovoiman uhreiksi kuin kevyemmät.

sillan pettäminen on suhteellisen harvinaista. Mikä siis estää niitä sortumasta painovoiman takia?

vastaus on melko lailla sama riippumatta rakennetyypistä:

• puristus (sisäänpäin työntävä tai puristava voima) tasapainotetaan huolellisesti jännityksellä (ulospäin venyvä ja vetävä voima).
• tämä tasapainotus tapahtuu kanavoimalla kuorma (siltarakenteen kokonaispaino) tukipylväille (sillan kummassakin päässä olevat tuet) ja laitureille (tuet, jotka kulkevat sillan alla sen pituudelta).

nämä voimat jakautuvat eri tavoin erityyppisille silloille:

palkkisilta

palkkisillalla on kansi (palkki) jännityksessä ja puristuksessa. (Säde voidaan puristaa ja venyttää olosuhteista riippuen.) Abutentit ovat puristuksessa, eli ne ovat aina puristuksessa.

Kaarisilta

kaarisilta tukee kuormia jakamalla puristusta kaaren poikki ja alas. Rakenne puskee aina itseään sisään.

riippusilta

riippusillan tornit (laiturit) ovat puristuksessa ja kansi roikkuu jännitetyistä vaijereista. Pakka itsessään on sekä jännitteinen että puristava.

Kaapelisilta

kaapelisilta muistuttaa riippusiltaa. Kansi roikkuu kuitenkin suoraan laitureista vaijereilla. Laiturit ovat puristuksessa ja kaapelit jännitteessä. Pakka kokee molemmat voimat.

Ristikkosilta

ristikkosilta on palkkirakenteen muunnelma, johon on lisätty vahvistuksia. Pakka on jännittynyt. Ristikot käsittelevät sekä jännitys-että käsityskykyä, lävistäjät jännityksessä ja pystysuorat puristuksessa.

kaarisilta tukee kuormia jakamalla puristusta kaaren poikki ja alas. Rakenne puskee aina itseään sisään.

Cantileverin silta

cantileverin silta on yksi yksinkertaisimmista ymmärrettävistä muodoista. Periaatteessa se käsittelee jännitysvoimia (vetämällä) sillan kannen yläpuolella ja puristusvoimia (työntämällä) alla.

Katso näitä siltoja, jotka hallinnoivat voimia ainutlaatuisilla tavoilla:

The Rolling Bridge, London

tämä veistoksellinen rakennelma on siltatyyppi, jota kutsutaan yleisesti curling-sillaksi. Se koostuu kahdeksasta kolmiomaisesta osasta, jotka on saranoitu yhteen. Silta pystyy ”purkamaan”, jotta jalankulkijat pääsevät sen yli ja” käpertymään ” päästämään veneitä ohi.

kun rakenne on ”lasittamattomassa” tilassaan, se näyttää ja toimii paljon ristikkosillan tavoin. Hydraulimäntien avulla se rullataan suljettuun, kahdeksankulmaiseen muotoonsa.

Loz Pycock , via Wikimedia Commons

Gateshead Millennium Bridge, Newcastle

tätä innovatiivista rakennelmaa kutsutaan usein ”kallistuvaksi” sillaksi. Se käyttää kehittynyttä hydrauliikkajärjestelmää nostaakseen sen pois tieltä veneiden kulkiessa ohi.

vaikka tämä vaikuttaa riittävän yksinkertaiselta, tämän sillan on käsiteltävä ainutlaatuisia jännitys-ja puristusongelmia. Se hyödyntää ominaisuuksia jousitus ja kaapeli-stay malleja, jotka työnnetään (ja venytetty) äärimmilleen, kun silta on liikkeessä. Tämä rakenne tuo uuden ulottuvuuden tavanomaiseen siltatekniikkaan.

sillan rakenne on yhtä aikaa yksinkertainen ja monimutkainen. Silta tasapainottaa jatkuvasti puristusvoimia tietyissä paikoissa ja vetovoimia toisissa, joten mikään ylivoimainen voima, varsinkaan painovoima, ei voita rakennetta missään vaiheessa, mikä johtaa vaurioitumiseen tai romahtamiseen.

painovoiman ylittävät stressitekijät

monimutkaistava tekijä on se, että puristus ja jännitys sillalla vaihtuvat jatkuvasti sellaisten stressitekijöiden vuoksi kuin:

muuttuvat kuormat

siltoja olisi helppo rakentaa, jos niihin kohdistuvat kuormat pysyisivät staattisina. Heidän voimansa eivät koskaan muuttuisi. Todellisuus on, että kuormat voivat vaihdella dramaattisesti ja dynaamisesti koko päivän ja ajan.

sillat kuljettavat kaikkea junista, autoista, kuorma-autoista ja jalankulkijoista vesijohtoihin ja muuhun hyötyinfrastruktuuriin. Liikenteen määrä ja hyötyvolyymi muuttuvat koko päivän ajan, mikä aiheuttaa merkittäviä vaihteluita elävässä kuormituksessa, mikä voi lisätä ja vähentää veto-ja puristusvoimia koko rakenteessa.

esimerkki: Kun rautatie kulkee sillan yli, rakenne taipuu ja taipuu, minkä jälkeen se palaa alkuperäiseen rentoutuneeseen tilaansa, kun juna kulkee ohi.

Ympäristövoimat

sillat reagoivat jatkuvasti Luontoäitiin. Ympäristöstressin aiheuttajia ovat:

• vuorovesi, aallot ja veden takaisinkytkennät. Vesi on yksi maailman voimakkaimmista voimista. Insinöörit lisäävät usein aukkoja siltojen tukikohtiin, jotta vesi pääsisi virtaamaan niiden läpi sen sijaan, että työntyisivät niitä vasten.
• tuulet. Suuret tuulenpuuskat voivat saada sillat huojumaan ja vääntymään. Nykyaikaiset ovat kevyempiä ja aerodynaamisempia, jolloin tuuli pääsee niiden läpi, mikä estää niitä liikkumasta.
• maanjäristykset. Seismiset voimat saavat sillan osat tärisemään ja törmäämään toisiinsa, jolloin ne voivat murentua. Suunnittelijoiden joukossa on värinää vaimentavia vaimentimia ja puskureita, jotka estävät osuuksia törmäämästä toisiinsa aktiivisilla maanjäristysalueilla sijaitsevilla silloilla.
• Hurrikaaneilla ja muilla suurilla myrskyillä voi olla tuhoisia vaikutuksia siltojen paljaille alueille. Rakennusryhmät asentavat usein suojavarusteita haavoittuvien osien ympärille, kuten yleishyödyllisen infrastruktuurin.
• jäätä, kylmyyttä ja lumimyrskyjä. Kylmä sää ja jäätävät olosuhteet aiheuttavat tiettyjen siltaelementtien supistumista. Sulamisella voi olla päinvastainen vaikutus. Laajenemisen ja supistumisen vaikutukset ovat pahentuneet nykyisissä äärimmäisemmissä ilmasto-olosuhteissa. Insinöörit selittävät tämän sisällyttämällä kylmiin paikkoihin rakennettuihin siltoihin herkempiä ja joustavampia komponentteja.

onnettomuudet ja muut yllättävät tapahtumat

liikenne-ja rakennustapaturmat, veneiden osumat ja räjähdykset voivat johtaa merkittävään siltarasitukseen ja joskus myös vikaantumiseen. Rakentajat voivat hyödyntää vahvoja, palosuojattuja materiaaleja ja eristäviä elementtejä rajoittaakseen ääritapahtumien vaikutusta siltaan vaikuttavien voimien tasapainoon.

johtopäätös

jotkut edellä kuvatuista voimista voivat aiheuttaa välittömästi katastrofaalisia vaurioita silloille tai lopullisen epäonnistumisen. Nämä stressitekijät myös kuluvat silloilla ajan myötä, mikä johtaa pitkäaikaisiin vaurioihin.

paljolti elävien olentojen tapaan silloilla on tapoja viestiä olevansa ylirasittuneita. Tarkastajien, johtajien ja insinöörien on etsittävä näitä merkkejä. Se voi auttaa heitä pitämään olemassa olevat rakenteet turvallisina ja antaa heille tarvitsemaansa tietoa, jotta he voivat suunnitella entistä kestävämpiä ja reagoivampia rakenteita tulevaisuudessa.