Perché una piastra di supporto che concentra ulteriormente il carico su una superficie ridotta?

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Ecco una foto di una piastra portante in cui una trave di cemento armato a ponte incontra la discarica

La campata del ponte è lunga circa 20 metri ed è composta da due travi di cemento armato ciascuna appoggiata su due piastre di supporto come quella mostrata - una piastra per ciascuna estremità di ciascuna trave, per un totale di quattro piastre. Il ponte contiene una ferrovia progettata per 25 tonnellate per asse. La piastra del cuscinetto è in ghisa (o forse in acciaio) ed è composta da due grandi parti unite attraverso una cerniera.

25 tonnellate per auto per asse indicano che il ponte sopporta qualcosa come diverse centinaia di tonnellate quando passa un treno che possiamo supporre provochi almeno cento tonnellate per piastra portante mostrata. Sì, ho appena ignorato il peso del ponte.

Non solo le superfici superiore e inferiore della piastra sono piuttosto piccole, ma la piastra concentra ulteriormente il carico accettato e lo trasferisce sulla cerniera attraverso una superficie ancora più piccola. Fondamentalmente questa cerniera piuttosto piccola accetta da sola più di cento tonnellate. E questo è progettato apposta.

Perché il carico è deliberatamente concentrato invece di essere distribuito o almeno trasferito attraverso una parte con sezione uniforme?

— sharptooth
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Perché i ponti e altre strutture non sono oggetti statici. Devono avere la possibilità di flettersi sotto carichi variabili e anche di adattarsi a variazioni di lunghezza dovute all'espansione termica. Il perno della cerniera consente di modificare l'angolazione. e il giunto scorrevole tra la piastra del cardine superiore e la piastra piatta nella parte inferiore della trave consente variazioni di lunghezza.

Se le connessioni fossero rigide, queste forze potrebbero distruggere la struttura nel tempo.

— Dave Tweed
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È questo nei casi in cui il ponte si piega verso il basso a causa del passaggio di carichi pesanti?

— sharptooth,

@sharptooth Sì. E ogni altro movimento. Di solito, all'altra estremità del ponte, ci sarà una sorta di disposizione delle piastre scorrevoli.

— Dave eh,

@sharptooth È possibile su alcuni ponti più vecchi con qualcosa chiamato cuscinetto a bilanciere, che con sufficiente espansione e contrazione o cicli di flessione insieme a un po 'di congelamento a causa della temperatura o della corrosione, che i bilancieri "cammineranno" dai cuscinetti dei cuscinetti, o finirà per elencare / inclinare così tanto da diventare instabile. Una volta ho ispezionato un ponte con il suo bilanciere espulso dal cuscinetto ed era seduto a terra a 6 'di distanza. All'inizio non sapevo cosa fosse quando l'ho raccolto, poi ho guardato il cuscinetto e ho visto che era caduto e non funzionava come previsto

— Forward Ed

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Il motivo è piuttosto semplice. L'acciaio è significativamente più forte del cemento.

$f_c > 100~\text{MPa}$ $f_c > 40~\text{MPa}$

$f_y > 250~\text{MPa}$

L'acciaio su quel ponte è quindi circa 7-8 volte più resistente del cemento. Quindi, qualunque sia la superficie richiesta dal calcestruzzo per trasferire in sicurezza il carico sull'acciaio (tramite le piastre), l'acciaio ha effettivamente bisogno di molto meno, quindi può tranquillamente ridurre le proprie dimensioni. L'instabilità è controllata dal rinforzo attorno alla cerniera.

Per quanto riguarda il motivo per cui viene utilizzata una cerniera, ciò ha a che fare con il modo in cui è stato progettato il ponte, come descritto nella risposta di @ DaveTweed.

— Wasabi
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I progressi nella resistenza del calcestruzzo sono sorprendentemente non monotonici: la ricerca degli ultimi 20 o 30 anni ha rivelato che il calcestruzzo romano di BCE è incredibilmente forte, apparentemente a causa della miscelazione della cenere vulcanica nel materiale.

— Carl Witthoft,

@CarlWitthoft: Sì, ma direi (senza alcuna fonte) che una volta il calcestruzzo è stato riscoperto dopo il medioevo e il buio, e soprattutto dopo la rivoluzione scientifica, la sua forza è aumentata monotonicamente (ma certamente non a un ritmo costante). Dubito che il ponte di cui l'OP sta chiedendo abbia più di 50 anni.

— Wasabi

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Anche l'acciaio ha fatto progressi. Esistono 2 acciai da fusione GPA UTS trattati termicamente con un allungamento del 5-10%, sebbene siano molto più costosi rispetto alle alternative sub 1 GPa, a causa della necessaria copertura sottovuoto o argon durante la fusione e il versamento. Anche gli acciai TRIP e TWIP con resistenza all'impatto e assorbimento di energia notevolmente migliorati (anche se è vero che ciò non ha molto a che fare con la forza). TWIP è fino a 800 MPa o fino al 100% di allungamento. Sì, raddoppiando in lunghezza prima del fallimento. Anche abbastanza costoso a causa di un complesso trattamento termico combinato e processo di formatura con chimica stretta.

— wwarriner,

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@CarlWitthoft: direi che i progressi (o la mancanza di questi) della tecnologia concreta hanno più a che fare con le forze del mercato e i canali di distribuzione che con l'innovazione / scoperta tecnica. I norvegesi hanno prodotto, ad esempio, coclee di perforazione a stelo cavo con cemento anziché acciaio. Ma a mio avviso, gli interessi del settore acquisito, ovvero i fornitori di aggregati locali, i produttori di cemento di Portland, ecc. E le preoccupazioni in termini di costi sono alcuni dei principali ostacoli all'adozione commerciale.

— AsymLabs

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Se torni ai tuoi corsi di ingegneria di base e guardi i diagrammi dei momenti flettenti per le travi, abbastanza spesso saranno illustrati con supporti a rulli perni. Appuntato ad una estremità per consentire solo la rotazione e il collegamento a rulli sull'altra per consentire la rotazione e la traslazione orizzontale. Questo rende staticamente determinante il raggio.

Quando questo ponte fu originariamente costruito, i cuscinetti elastomerici / in gomma e alcuni altri non esistevano come opzione. Questo design emula le nostre formule che usiamo per il design, o meglio le formule funzionano con questa disposizione. Quindi questo tipo di configurazione è buona. Ci consente di utilizzare le nostre formule come previsto, mantiene il design semplice e utilizza la tecnologia del tempo. Inoltre, come menzionato in altri montanti, consente la rotazione sul supporto a causa di carico vivo, variazioni in morte o abbassamento dopo la rimozione del puntellamento (presupposto costruzione puntellata. Se la trave veniva sollevata in posizione dopo la fusione, la grande La piastra in acciaio incorporata nel calcestruzzo consente alcune imprecisioni nella misurazione della campata e nel posizionamento uniforme, nonché il supporto qualora il fascio si sposti leggermente a causa di vibrazioni o terremoti.

Nota, vedrai anche una configurazione simile con travi in acciaio su vari tipi di cuscinetti. Credo che il termine "scarpa" o "scarpa" verrà usato, sebbene ciò possa essere più per gli edifici che per i ponti.

A parte

Quando si tratta di ponti "RAIL", la stragrande maggioranza del Nord America progettata per AREMA consisterà in semplici campate, che si tratti di ponti a campata singola o multi-campata. Ho trovato questa affermazione divertente mentre ero sul mio corso AREMA mentre ho appena finito di ispezionare una dozzina di ponti ferroviari nella mia città con la stragrande maggioranza che non segue questa regola. Nei ponti autostradali tenderai a vedere continuo per carico vivo e questi ponti di conseguenza non sono staticamente determinanti.

— Ed. In avanti
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