Историческое значение Финк Трасс в мостостроении

Fink Truss является одним из самых влиятельных инноваций в мостовой инженерии 19-го века. Разработанная в период быстрой индустриализации и расширения железных дорог, эта отдельная конфигурация фермы предлагала сочетание эффективности материала, прочности конструкции и простоты строительства, что сделало ее основным продуктом для железнодорожных и автомобильных мостов через Соединенные Штаты и Европу. Его уникальный геометрический рисунок, характеризуемый серией диагонали, образующей повторяющиеся формы «V», позволил для более длительных пролетов, чем многие современные конструкции, используя меньше железа или древесины. Более века после его введения, Fink Truss остается предметом изучения для инженеров-строителей и приспособлением в инвентаре сохранившихся исторических мостов.

Оригинальное название: The Genesis of the Fink Truss: Albert Fink and the 19th Century Context

Финк Трасс был изобретен Альбертом Финком, американским инженером-строителем немецкого происхождения и железнодорожным управляющим, около 1854 года.Финк родился в 1827 году в Великом Герцогстве Гессен и эмигрировал в Соединенные Штаты в 1849 году, найдя работу в быстро расширяющейся американской железнодорожной сети. Его работа на железной дороге Балтимора и Огайо, а затем Луисвилл и Нэшвилл поставили его на передний план в середине века, чтобы построить более длинные, более надежные мосты, способные перевозить тяжелые локомотивные грузы.

Конструкция Финка не возникла в вакууме. В начале 1850-х годов наблюдались интенсивные эксперименты с трусовыми формами: трус Хоу (1840) использовал вертикальные деревянные компрессионные элементы и диагональные железные натяжные стержни; трус Пратта (1844) изменил диагональный рисунок. Финк признал, что трусы с диагональю, расположенными в серии конгруэнтных треугольников — каждый треугольник, указывающий попеременно вверх и вниз, — могли эффективно распределять нагрузки при минимизации числа отдельных членов. Его патент 1854 года представил то, что стало известно как трус Финка, конфигурация, которая была как структурно инновационной, так и практически производной.

Время было решающим. Соединенные Штаты переживали бум строительства мостов, когда железные дороги двигались на запад, пересекая бесчисленные реки и ущелья. Инженерам нужны были конструкции, которые были экономичны в материале, быстро изготавливались и просты в сборке в полевых условиях. Финк Трасс прекрасно соответствовал этим критериям, и в течение десятилетия он был принят крупными железными дорогами и государственными дорожными департаментами. Финк сам стал ведущей фигурой в профессии, позже заработав титул «Отец американского Трассового моста» от некоторых историков и сыграл важную роль в создании Американского общества гражданских инженеров (ASCE).

Анатомия Финк Трасс: принципы проектирования и механика

В своей основе Fink Truss представляет собой параллельную хордовую ферму, паутина которой состоит из диагонали и вертикали, расположенные в повторяющемся рисунке. Базовый модуль можно описать как серию изосклерных треугольников, расположенных от основания к основанию, с вершиной каждого треугольника, соединенного с хордой. В классической финковой ферме диагонали наклоняются от верхнего хорда вниз к центру панели, создавая форму «V». Эти диагонали находятся в напряжении , в то время как вертикальные элементы находятся в сжатии — пути нагрузки, который использует прочность кованых железом стержней (или более поздней стали) в напряжении и использует вертикальные сжатия (часто деревянные или чугунные) в более короткой, более стабильной конфигурации.

Трусы Fink можно разделить на два основных подтипа: Fink Through Truss, где палуба находится на нижнем уровне хорды и трафик проходит между линиями фермы, и Fink Deck Truss, где палуба лежит на вершине фермы и трафик перемещается над структурой. Оба подтипа имеют характерный диагональный рисунок, но версия фермы палубы имеет тенденцию иметь более глубокую паутину для размещения несущей палубы выше.

Одним из важнейших механических преимуществ Fink Truss является его способность распределять концентрированные нагрузки, такие как приводные колеса локомотива, через несколько соединений. В типичной ферме без счетчиков нагрузки, применяемые в точке панели, проходят через веб-члены по кратчайшему пути к опорам. В модели Fink диагонали создают множественные избыточности: если одна диагональ перегружена, соседние диагонали могут делить нагрузку. Этот встроенный обмен нагрузками сделал Fink Truss особенно привлекательным для железнодорожных мостов, где динамическая ударная нагрузка от движущихся поездов может непредсказуемо напрягать отдельных членов.

Сравнение Fink Truss с более широко известными Pratt Truss показывает ключевое различие. В Pratt truss диагонали находятся в напряжении под гравитационными нагрузками, но они наклоняются вниз от центра к концам — противоположная ориентация Fink. Рисунок Fink помещает свои диагонали напряжения в ориентацию «без сжатия», но более длинные, неподдерживаемые диагонали могут испытывать прикосновение под разворотными нагрузками или поднятием ветра. Инженеры позже разработали счетчики (дополнительные диагонали) для решения этой проблемы, но базовая геометрия Fink оставалась популярной, потому что она использовала меньше общих членов, чем сопоставимый Pratt.

Преимущества, которые способствуют усыновлению

Материальная эффективность и экономия затрат

Наибольшим экономическим преимуществом Fink Truss было экономичное использование железа. Поскольку диагонали несли чистое напряжение, они могли быть сделаны из кованых железистых стержней относительно небольшого поперечного сечения по сравнению с компрессионными элементами других конструкций. Это снижало как материальную стоимость, так и вес моста, позволяя более длинные пролеты без пропорционально более тяжелых оснований. Многие мосты, спонсируемые графством, выбрали дизайн Fink именно потому, что он позволял ограниченному бюджету графства построить пролет, который потребовал бы более дорогой тип фермы в противном случае.

сборка и быстрая сборка

Трубы Финка были одними из первых типов мостов, которые были стандартизированы и отправлены из мастерских в качестве сборных комплектов. Повторяющийся характер диагональных и вертикальных пар означал, что небольшое количество размеров компонентов могло охватывать широкий диапазон длины пролетов. Строителям на месте требовалось только возводить фермы и засовывать соединения, резко сокращая время строительства по сравнению с специально построенными арками или виадуками кладки. Эта стандартизация была ключевой причиной быстрого распространения дизайна по западу Соединенных Штатов в 1870-х и 1880-х годах.

Сберечь способности

Хотя он не был способен к экстремальным пролетам более поздних стальных консолей или подвесных мостов, Fink Truss хорошо подходил для умеренных пролетов от 80 до 200 футов (от 24 до 61 метра). Это покрывало подавляющее большинство железнодорожных и автомобильных переходов эпохи - реки, овраги и междугородные линии. Для более длинных переходов несколько пролетов Fink могли быть размещены последовательно, поддерживаемые промежуточными пирсами, создавая непрерывный мост, который соответствовал пропускной способности более дорогих конструкций.

Простота осмотра и ремонта

Поскольку в Fink Truss использовалось относительно мало натяжных стержней, которые были доступны с палубы или с балок пола, обслуживающие бригады могли визуально осматривать каждого члена и затягивать пряжки или заменять стержни без необходимости специализированных лесов.Это оперативное преимущество снизило долгосрочные затраты на владение железными дорогами, что ценилось за быстрые, безопасные проверки.

Финк Трасс в строительстве железнодорожного и автомобильного моста

Расцвет Финк Трасс был примерно с 1855 по 1900 год. В этот период тысячи мостов были построены по образцу Финка, в частности, по железной дороге Балтимора и Огайо, Луисвилл и Нэшвилл, а также различные комиссии по рельсам и дорогам. Многие из этих мостов были построены как , пролеты из-за простоты размещения дорожки или проезжей части непосредственно на вершине структуры фермы, но , варианты через фермы также появились там, где вертикальный просвет был необходим под мостом.

Один хорошо известный сохранившийся пример — Милл-Бридж Унгера (также известный как Мост Бриджпорта) в округе Бедфорд, Пенсильвания, построенный в 1882 году. Этот кованый железо через ферму является одним из немногих оставшихся мостов Финка в Соединенных Штатах и перечислен в Национальном реестре исторических мест. Его диагонали иллюстрируют классический рисунок «V», а его соединительные штыри демонстрируют методы изготовления конца 19-го века, используемые такими производителями, как King Bridge Company и Wrought Iron Bridge Company. Другим примером является Маленький мост Буффало-Крик в Иллинойсе, вариант Боустринга Финка, который показывает, как основная идея может быть адаптирована к арочным верхним аккордам для дополнительного зазора.

За пределами США Fink Truss нашел применение в Европе, особенно в Германии и Франции, где патенты и практики Альберта Финка были приняты его бывшими соратниками.Такой же широко использовался при строительстве железнодорожных мостов в Индии и Австралии, привезенных британскими инженерами, которые обучались под американским или континентальным влиянием.

Примечательный знак: Финк Трасс на железной дороге Балтимора и Огайо

Железная дорога B&O, где Финк работал в начале своей карьеры, построила ряд заметных пролетов фермы Финка. Одним из наиболее значительных был двухпутный мост через реку Потомак в Харперс-Ферри, Западная Вирджиния, который использовал фермы Финка как для своего основного канала, так и для его подъездных пролетов. Хотя мост Харперс-Ферри был заменен в 20-м веке, его оригинальные компоненты фермы Финка были задокументированы Историческим американским инженерным отчетом (HAER) и остаются источником изучения.

Упадок и устаревание

К рубежу XX века Финк Трасс стал вытесняться более современными конструкциями.В его упадке способствовали несколько факторов:

  • Феномен Хогбека: Поскольку Финк Трасс концентрировал нагрузки в определенных диагоналах, длительное использование иногда приводило к тому, что верхний аккорд развивал провисающую или «хогбэковую» форму, уменьшая структурную емкость и требуя дорогостоящей модернизации.
  • Переход к стали:] Поскольку конструкционная сталь стала дешевле и более широко доступной, инженеры предпочли фермы с более однородными распределениями напряжений, такие как фермы Уоррена, которые использовали равносторонние треугольники и позволяли более простую конструкцию из цельной стали без необходимости использования смешанных материалов натяжения / сжатия.
  • Тяжелые локомотивы:] Локомотивы конца 19-го века становились тяжелее и мощнее, превышая пределы нагрузки, изначально предназначенные для ферм Финка. Модернизация была дорогой, и многие железные дороги решили заменить целые пролеты новыми типами ферм.
  • Плохая производительность при перенапряженных нагрузках:] Финк Трасс был чувствителен к поднятию ветра и боковым силам.В отсутствие противодиагональных сил длинные стержни напряжения могли ослабевать, а затем ломаться при внезапных тяжелых нагрузках, режим отказа, который стал более проблематичным по мере увеличения трафика моста.

В результате, Fink Truss в значительной степени перестал использоваться в 1910-х годах. Однако его вклад в теорию и практику ферм уже был внесён в развивающуюся дисциплину структурной инженерии, и многие из его инноваций, такие как использование регулируемых натяжных стержней и типичных соединений с полями магазинов, стали стандартной практикой для поколений.

Сохранение и современное исследование

Сегодня Финк Трасс представляет в первую очередь исторический интерес, но этот интерес значителен. В США сохранились десятки оригинальных Финк трусовых мостов, большинство из них в сельских районах, где низкие нагрузки на движение позволили им дольше оставаться в строю. Несколько занесены в Национальный реестр исторических мест, а некоторые открыты для пешеходов или легких транспортных средств в рамках маршрутов культурного наследия.

Усилия по сохранению часто бросают вызов инженерам. Оригинальные кованые железо члены незаменимы, и любая реставрация должна уважать методы изготовления 19-го века при соблюдении современных стандартов безопасности. Фонд Исторических мостов и Историческая программа по гражданскому строительству ASCE признали несколько мостов Fink truss, в том числе заметный пример на Милл-бридж Unger в качестве обозначенной ориентира. Кроме того, веб-сайт HistoricBridges.org поддерживает всеобъемлющий инвентарь сохранившихся мостов Fink truss , в комплекте с фотографиями, чертежами и оценками состояния.

Для современных инженеров изучение ферм Финка дает представление о раннем анализе пути нагрузки и изобретательности доцифрового дизайна. Компьютерные модели исторических ферм Финка иногда используются в университетских курсах структурной инженерии, чтобы научить студентов оценивать избыточные фермы и распределение нагрузки на основе гравитации. Дизайн также иллюстрирует практические ограничения производства 19-го века - пределы кованого железа, использование соединений резьбовых стержней и важность стандартизированных размеров компонентов.

Наследие и влияние на современную инженерию

Хотя ни один современный пролетной мост не будет построен с использованием чистого Fink Truss, принципы, которые он воплощает, остаются актуальными. Концепция использования диагонали только натяжения с вертикалями сжатия появляется во многих современных легких фермах, таких как те, которые используются в пешеходных мостах и конструкциях крыши. Акцент на материальной экономии и повторяемых компонентах предвещал современную сборную мостовую промышленность, которая теперь производит стандартизированные пучковые и трусовые модули для быстрого развертывания.

Работа Альберта Финка также оказала длительное влияние на инженерную профессию. Он был одним из основателей и позже президентом ASCE, а его работы по проектированию мостов и экономике железных дорог способствовали профессионализации гражданского строительства в Соединенных Штатах. Таким образом, Fink Truss является не просто историческим артефактом, но и ступенькой в эволюции структурной инженерной мысли - дизайн, который уравновешивал художественную геометрию, экономическую необходимость и практическую функцию.

Для любого инженера или историка, интересующегося корнями современной инфраструктуры, Финк Трасс заслуживает тщательного изучения. Это представляет собой момент, когда один изобретательный ум — Альберт Финк — создал решение, которое перенесло бы торговлю растущей нации через бесчисленные ручьи и долины, оставив наследие, которое все еще видно в кованых железных брекетах сохранившихся мостов и в ДНК каждой последующей фермы.