XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Без моста не бывает дороги, не бывает большого пути
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение
Тема моего проекта мосты. Я очень люблю путешествовать. Мы с родителями иногда ездим в отпуск на машине. Чтобы путь был комфортным необходимы хорошие дороги и конечно же мосты, ведь рек в нашей стране великое множество. Мне всегда было интересно, как устроен мост? Как их строят такими прочными и какими они вообще бывают? Поэтому я решил написать проект о мостах.
В современном мире построено множество мостов, они есть в каждом городе мира, но все равно мостовых переходов не хватает. В России и, в частности, в Пермском крае, существуют деревни, в которые можно попасть только на лодке или пароме. Например, на севере Пермского края есть деревня Бахари, напротив Красновишерска, их разделяет река Вишера и добраться до деревни можно только на лодке. И это не единственный пример необходимости строительства моста. Даже в нашем городе Пермь, нам необходим еще один мост через реку Кама, чтобы разгрузить старый Коммунальный мост и уменьшить автомобильные пробки.
Таким образом, целью моего проекта стало: создание уникального макета 3-го автомобильного моста через реку Кама.
Задачи исследования:
1. Выяснить какие виды мостов существуют и дать характеристику каждому из них.
2. Узнать: действительно ли необходим 3-й автомобильный мост через р.Кама.
3. Создать макеты нескольких видов мостов, с целью выявления их прочности и долговечности.
4. Выяснить какой вид моста можно построить через р.Кама и создать свой уникальный макет.
Гипотеза - мост - это не роскошь, а жизненно важный строительный объект, необходимый для комфортной жизни людей.
При написании работы я использовал следующие методы исследования: изучение информации в литературных и электронных источниках с последующим ее анализом, интервью со специалистами, эксперименты с макетами, фотографирование и моделирование.
Теоретическая часть
История возникновения мостов
Мост одно из самых старых строительных сооружений, которые изобрел человек, ведь необходимость перебраться на противоположную сторону реки возникла очень давно. Самые древние мосты представляли собой дерево, которое перекидывали через реку, с одного берега на другой. Но если река очень широкая, то длины бревна от одного берега до другого не хватало. Тогда стали сооружать веревочные мосты. С одного берега на другой люди перекидывали лианы и устанавливали на них «пол» из прутьев, по которому и переправлялись на противоположный берег берег.
По мере того, как росли города и развивалась торговля, стали нужны прочные и надежные мосты, которые могли использоваться годами и даже веками. Начали строить мосты из дерева и камня. У деревянных мостов был ряд недостатков, например то, что они не выдерживали слишком больших нагрузок и легко воспламенялись. Мосты из камня были прочными, но собственный вес не давал строить их очень длинными.
В девятнадцатом веке начали строить железные дороги и потребовались мосты, которые бы выдерживали большой вес рельсов и подвижного состава поезда. Тогда в мостостроении стали использовать прочные и достаточно легкие металлы- железо и сплав стали. В двадцатом веке при строительстве мостовых переходов стали использовать новый материал– железобетон. Этот строительный материал объединил в себе наилучшие свойства камня и металла. Камень и металл как бы поделили между собой работу: силы сжатия взял на себя бетон, а растягивающие усилия — железо или сталь.
Устройство моста
Мост—это строительное сооружение, возведенное человеком для перехода с одного берега реку или ущелья на другой. Из чего же состоит мост? (Рис.1)Пролетные строения, концевые опоры и промежуточные опоры– это основные части любого мостового перехода. То, по чему идут люди или проезжает транспорт, называется пролетным строением. Поддерживающие части , на которые опирается пролетное моста, называются опорами, между ними также идет распределение нагрузки, которая давит на сам мост. Опоры бывают концевые (в начале и конце моста), их еще называют устоями. Также бывают промежуточные опоры, которые стоят в воде их именуют быками, из-за массивности конструкции.[8]
Рисунок 1 (Основные части моста)
Виды мостов
2.3.1. Балочный мост
По технологии строительства мостовые переходы можно поделить на несколько типов, а именно: балочные, понтонные, ферменные, подвесные, вантовые,арочные и разводные. Рассмотрим подробнее некоторые из них.
Самым простым считается балочный мост. Он состоит из опор (концевых и промежуточных), пролетного строения и фундамента. Люди сконструировали два вида таких мостов – разрезные и неразрезные. Когда пролеты упираются на две опоры – это называется разрезной системой балочного моста. Когда одна опора удерживает сразу несколько пролетов, такую систему называют неразрезной. Расстояние между опорами нельзя сделать слишком большим, потому что пролетное строение будет прогибаться вниз и мост может рухнуть. Таких мостов построено больше всего в мире, так как у них самая простая и дешевая конструкция Красавинский мост в Перми тоже имеет балочную разрезную конструкцию.
Арочный мост
Арочные мостовые конструкции человек подсмотрел у природы. Природные явления (дожди, солнце и ветер) измельчают слабую породу, превращают ее в пыль и оставляют нетронутыми скальные переходы, которые образуют арку. (Рис.2)
Рисунок 2 (Природный арочный мост)
Нагрузка на выгнутую дугой поверхность гораздо ниже, чем на прямую. Мосты с арочной конструкцией считаются очень прочными и их можно делать гораздо длиннее, чем балочные. Известный пример балочного моста – Карлов мост в Чехии, в городе Прага. (Рис. 3)
Рисунок 3 (Карлов мост в г.Прага)
Понтонный мост
Мосты, пролеты которых опираются не на твердые опоры, а на плавающие в воде понтоны называются понтонными или плавучими. Понтонами могут быть просто несколько бочек, которые соединены между собой и закреплены на одном месте при помощи якоря. Основное достоинство понтонного моста - простота его транспортировки в разобранном состоянии. Понтонный мост собирается очень быстро, ведь не нужно проводить исследование строения дна реки и устанавливать опоры. Сегодня подобные мосты в основном используют военные для оперативного решения транспортных проблем в зонах стихийного бедствия.
Подвесной мост
Подвесные мосты считаются самыми дорогостоящими и самыми надежными. Подвесная система моста позволяет делать очень длинные пролеты. Гибкая нить является главным несущим элементом подвесного моста. Эта нить может быть в виде - тросов, канатов, цепей и кабелей. Несущую конструкцию изготавливают из прочного сплава стали или углеродного волокна и она работает только на растяжение. Нить прикрепляется к фундаменту на земле, затем проходит через опоры-пилоны (над пролетами), а потом к ней с помощью металлических тросов подвешивают пролетное строение. Подвесные мосты одновременно очень прочные,устойчивые и гибкие, поэтому их часто строят через широкие реки и проливы. Наверное самый знаменитый подвесной мост это – Золотые ворота в США, в городе Сан-Франциско. (Рис. 4)
Рисунок 4 (Мост Золотые Ворота в г.Сан-Франциско)
Третий автомобильный мост через р.Кама: роскошь или необходимость?
Всего через Каму есть 2 мостовых перехода: Красавинский мост и Коммунальный и еще есть плотина через Камскую ГЭС, по которой тоже можно перебраться на противоположный берег.
Красавинский мост находится на окраине города, он достаточно молодой, был открыт в 2005 году. Красавинский мост в основном используется для транзитного транспорта, который не заезжает в Пермь.
Коммунальный мост находится в центре Перми, поэтому на него приходится основная часть нагрузки – утром жители спешат из спальных районов на работу в центр города, а вечером обратно. Коммунальный мост через реку Кама был сдан с эксплуатацию 1 ноября 1967 года. В 2010 году было сделано экспертное заключение, что после 2017 г. эксплуатация моста будет невозможна из-за износа, и мост предполагается полностью реконструировать.
Из вышесказанного можно сделать вывод о необходимости строительство нового моста через Каму, который бы находился в центре города и принял на себя нагрузку с Коммунального моста на весь период его реконструкции и разделил ее, после окончания капитального ремонта старого моста.
3. Практическая часть
3.1. Модели мостов и испытания их на прочность
Я решил провести эксперимент для определения уровня прочности мостов: балочного, арочного и подвесного. Смоделируем балочный мост с одним пролетным строением, который состоит из 2-х опор и 1 пролета. Если такой мост длинный, то он начнет прогибаться при нагрузке на него. (Рис. 5)
Рисунок 5 (Модель балочного моста с нагрузкой)
В этом случае можно попробовать добавить дополнительную опору. Мост стал более прочным, при такой же длине он уже не прогибается под этой нагрузкой. (Рис.6)
Рисунок 6 (Модель балочного моста с промежуточной опорой)
Соорудим макет арочного моста из двух пролетных строений, укрепленных арками. Такой мост еще прочнее балочного, потому что нагрузка на горизонтальную ровную поверхность больше, чем на выгнутую дугой. (Рис.7)
Рисунок 7 (Модель арочного моста с нагрузкой)
Но если нагрузку увеличить, то он совсем немного прогнется.(Рис. 8)
Рисунок 8 (Модель арочного моста с дополнительной нагрузкой)
Рисунок 8 (Модель арочного моста с дополнительной нагрузкой)
И наконец подвесной мост. Он состоит из пролетного строения, концевых опор и вертикально натянутых тросов.(Рис. 9)
Рисунок 9 (Модель подвесного моста с нагрузкой)
На фото видно, что даже при увеличенной нагрузке мост не прогнулся, остался устойчив.(Рис. 10)
Рисунок 10 (Модель подвесного моста с увеличенной нагрузкой)
Можно сделать вывод, что все конструкции мостов надежны и устойчивы, ведь по окончании строительства все мосты проходят испытание на прочность.
3.2. Макет третьего моста через р.Кама
При выборе типа моста для моего макета я выяснил, что длина моста через Каму составит примерно1 километр (если возводить его в центре, например, с выходом на улицу Крисанова. [6] (Рис.11)
Рисунок 11 (Схема расположения моста в створе улицы Крисанова)
Почему именно там? Так мы получим связку: правый берег Камы – ул.Крисанова и выход на ул.Карпинского, тем самым связав центр города с Индустриальным районом, минуя загруженную развязку у Центрального рынка и ул.Плеханова – дорогу с маленькой пропускной способностью. Допустим, если сравнить этот вариант строительства с вариантом №7, в створе улицы Крупской, то там протяженность моста будет примерно в два раза длиннее, потому что район цирка – это самая высокая часть левого берега и чтобы получить нужный уклон проезжей части, мост придется строить более длинным.
Я решил сделать макет подвесного моста с ветровыми генераторами. Мост с ветровыми генераторами уникален – такой еще не построили нигде в мире.
По заявлению министра транспорта Пермского края Николая Уханова в одном из интервью строительство третьего автомобильного моста через реку Кама в створе ул.Крисанова обойдется краю примерно в 25 миллиардов рублей. Из каких затрат состоит эта стоимость? Я проконсультировался с главным бухгалтером организации «Мостоотряд №123» и она рассказала, на что и в каких пропорциях идут средства, выделенные из бюджета.
Строительство моста начинается с создания проекта, в котором описано какой будет мост и его технические характеристики. На проектную документацию обычно тратится 3% от всего бюджета.
Чтобы построить подвесной мост нужны различные материалы. В первую очередь это металл (для троса, который будет являться несущей конструкцией моста, на канаты, с помощью которых проезжая часть будет крепиться к главным тросам, для изготовления арматурных конструкций, которые укрепят наш мост, для ветровых генераторов.) Еще понадобятся железобетонные конструкции для опор, пролетов, фундамента. Также нужно будет много песка, цемента и много других материалов. На материалы примерно расходуется 40% из выделенных средств.
Конечно же, чтобы построить мост нужны люди – специалисты своего дела, которым нужно платить заработную плату. Это следующая статья расходов, на которую мы отведем 25% бюджета.
Для строительства моста нужно приобрести специальную технику: экскаваторы, бульдозеры, подъемные краны, бурильные машины и многое другое. Чтобы техника исправно работала, ее нужно заправлять топливом и вовремя обслуживать. Это будет еще одна статья затрат, оставим на нее 22%.
Остается 10%, которые заберет себе организация – застройщик, это будет ее прибыль.
Все расчеты в суммовом и процентном выражении я представил в виде диаграммы (Рис.12)
Рисунок 12 (Диаграмма затрат на строительство моста)
25 000 000 000*1:100 = 250 000 000 рублей (стоимость проектной документации)
25 000 000 000*40:100 = 10 000 000 000 рублей (стоимость материалов)
25 000 000 000*25:100 = 6 250 000 000 рублей (расходы на заработную плату)
25 000 000 000*24:100 = 6 000 000 000 рублей (расходы на приобретение и обслуживание машин и механизмов)
25 000 000 000*10:100 = 2 500 000 000 (прибыль застройщика)
Длина моста небольшая (1 км), ширина будет 20 метров, высота от пролетных строений до воды не менее 30 метров, так как Кама - судоходная река. Из- за небольшой длины можно установить только концевые опоры из железобетона, прикрепить к ним металлические канаты, от которых к пролетному строению будут спускаться металлические тросы и удерживать его на весу. Также я решил оснастить свой мост 2-мя ветровыми генераторами, которые будут установлены на опорах моста. От реки всегда дует ветер, то есть ветровики будут работать и вырабатывать электроэнергию для освещения моста. Так как я решил добавить к обычному освещению архитектурное, то есть опоры и канаты моста будут красиво подсвечиваться в темное время суток, то затраты на электроэнергию возрастут. При помощи ветровых генераторов мы сможем окупить затраты города на содержание моста.
4.Заключение
Строительство современных мостов — сложная работа для инженеров. Им необходимо рассчитать нагрузку, которую мост способен выдержать, и уделить особое внимание воздействию на мост разных природных явлений.
Моя гипотеза подтвердилась: мост - это не роскошь, а жизненно важный строительный объект, необходимый для комфортной жизни людей, это ясно на примере нашего города.
Ц ель проекта достигнута, я узнал очень много интересного о мостах, а именно: понял, как устроен мост, выяснил какие виды мостов существуют. Я пришел к выводу, что нашему городу нужен третий автомобильный мост через реку Кама, так как Коммунальный мост нуждается в срочной реконструкции, а другого мостового перехода в центре Перми. Я сделал три вида макетов для определения прочности мостовых переходов и выяснил, что подвесной мост является наиболее прочным и надежным. Также я придумал и создал уникальный макет 3-го автомобильного моста через реку Кама – это подвесной мост с ветровыми генераторами, которые будут вырабатывать электричество для нужд моста. (Рис. 13,14)
,,
Рисунок 13,14 (Макет подвесного моста с ветровыми генераторами)
Мост сближает разные берега и людей, которые на них живут. Люди говорят «наводить мосты», подразумевая - построить отношения, подружиться. Еще говорят — «сжечь за собой мосты», и это означает исключить возможность для отступления, для изменения своего решения.
5.Список литературы.
1. Х.Патаки «Мосты Санкт-Петербурга» - 2 изд. - Москва: Издательский дом "Фома", 2014. - 27 с.
2. К.Райнер, перевод Б.Залесская "Мосты". - Москва: Издательство "СЛОВО/SLOVO", 1991. - 48 с.
3. А.Ткаченко «Какие бывают мосты». -Москва: ООО "Издательство "Настя и Никита", 2019. - 38 с.
4. Джанджугазова Е.А. "Эти удивительные мосты" // "Калейдоскоп". - 2013. - №2. - С. 100-106.
5. Мост // Большая Российская энциклопедия.[Электронный ресурс] Режим доступа: https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/2234368, свободный (дата обращения: 03.12.2019).
6. Третий мост // PROPERM [Электронный ресурс] Режим доступа: https://properm.ru/auto/news/135356/, свободный (дата обращения: 05.12.2019).
7. Пермский коммунальный мост. История и перспективы // Архив города Перми [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.permarchive.ru/index.php?page=permskij-kommunalnyj-most-istoriya-i-perspektivy, свободный (дата обращения: 03.12.2019).
8. Проектирование мостов // Проектный институт «Трансстройпроект» [Электронный ресурс] Режим доступа: https://tspmsk.ru/vidyi-rabot/proektirovanie/metallicheskie-mostyi/, свободный (дата обращения: 05.12.2019).
9. Клуб почемучек. Как строят мосты? // Это интересно! [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.tavika.ru/2013/10/bridge.html, свободный (дата обращения: 01.12.2019).
10. 27 старинных и загадочных мостов со всего мира // Культурология [Электронный ресурс] Режим доступа: https://kulturologia.ru/blogs/150115/22916/, свободный (дата обращения: 05.12.2019).