Две ленты моста - будто две параллели

XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2021

Две ленты моста - будто две параллели

Мордвинова Т.А. 1
1МБОУ "СОШ№14"
Кравчук Е.Н. 1
1МБОУ "СОШ№14"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

На протяжении всего развития человеческого общества людям необходимо было передвигаться с места на место. Зачастую этому препятствовали реки. Для удобного и безопасного перехода через них приходилось искать брод или идти в обход. Однажды человеку, увидевшему поваленные деревья, перекинувшиеся через реку, в голову пришла мысль об искусственном создании таких переходов. Так родилась мысль о мостах.

Актуальность: Мост – одно из самых древнейших изобретений человечества. Он позволяет преодолевать препятствия в виде водоема, оврага, обвала. В то же время мост является военно-стратегическим объектом и одним из важнейших средств коммуникации. Мосты также стали символом самоутверждения человека и преодоления сил природы. Сегодня в мире существует более миллиона мостов разной длины, высоты и красоты.

Цель: Определение роли геометрии в строительстве мостов.

Задачи проекта:

– изучить литературу по теме проекта;

– выяснить область применения геометрии в строительстве мостов;

– проанализировать эффективность геометрии в их строительстве;

– попробовать себя в создании модели моста.

Объект: архитектура мостов

Предмет: геометрия в архитектуре мостов

Методы исследования: Работа с интернет источниками, анализ информации, обработка данных и моделирование макета моста

Гипотеза: Геометрия является важнейшей составляющей в строительстве мостов и трудно переоценить. От правильной геометрии зависит их долговечность.

Глава 1. Виды мостовых сооружений и условия их строительства

1.1. Виды мостов

Балочный мост

Мост балки является наиболее распространенной формой моста. Балка несет вертикальные нагрузки при изгибе. При изгибе балочного моста он подвергается горизонтальному сжатию сверху. При этом нижняя часть балки подвергается горизонтальному натяжению. Опоры переносят нагрузки от балки путем сжатия вертикально к фундаментам. Когда мост состоит из балок, перекинутых только между двумя опорами, он называется просто поддерживаемым балочным мостом. Если две или более балки жестко соединены между собой над опорами, то мост становится сплошным.
Балочные мосты появились самыми первыми. Ведь простейшая балка - это бревно, переброшенное через ручей. Если же длины бревна не хватает, то можно вбить в дно деревянные или каменные устои и соединить их бревнами-балками. Тогда балочный мост становится многопролетным. Однако балки из дерева недолговечны, а делать их из камня не так-то просто. Для этого нужен очень прочный раствор, способный удерживать на весу подогнанные каменные плиты. Поэтому балочные мосты вплоть до начала XIX века в основном использовались для переброски временных дорог через маленькие реки - там, где невыгодно было возиться с каменными мостами. Положение изменилось с появлением сварных железных конструкций. (См. рис. 1).В наши дни балочные конструкции мостов применяются в сложных транспортных развязках. Это очень удобно, потому что такую конструкцию можно изготовить на заводе и собрать мост на месте. Принятая в России стандартная длина балочной конструкции для моста - 42 метра.

   

Рис. 1. Балочный мост

Арочный мост

В железобетонных мостах арочной системы основными несущими элементами служат своды или арки. (См. рис. 2). Свод представляет собой криволинейную плиту, ширина которой значительно больше ее толщины. Арка – это кривой брус, поперечный размер которой обычно меньше его высоты. Так как арки (своды) в основном работают на сжатие, в них наиболее эффективно может быть использован бетон высоких марок. Пролетные строения арочных мостов всегда легче и экономичнее балочных. Однако передача распора опорам требует значительного увеличения их размеров, в особенности крайних опор (устоев). Поэтому арочные мосты обычно целесообразны при хороших грунтах и сравнительно небольшой высоте опор. Железобетонными арками или сводами перекрывают пролеты от 60 – 80 м и более; современные арочные мосты имеют пролеты до 300 м. По статической схеме арочные железобетонные мосты можно разделить на распорные и безраспорные. В распорных арочных системах арки своды опираются пятами на опоры и передают им вертикальные давления и распор, в безраспорных – распор воспринимает затяжка, благодаря чему пролетное строение передает опорам лишь вертикальные давления. Арочные мосты могут иметь езду поверху или же пониженную езду.  Выбор уровня расположение проезжей части определяется условиями проектирования продольного профиля мостового перехода. При езде поверху проезжая часть опирается на свод или арки с помощью подпорочных стоек, а при езде понизу ее подвешивают к аркам подвесками. Арки (своды) мостов могут быть бесшарнирными, двухшарнирными и трехшарнирными. Бесшарнирные арки (своды) наиболее просты по конструкции. Однако при просадках и смещения опор, изменениях температуры, усадке и ползучести бетона в них: возникают дополнительные усилия и напряжения. Поэтому бесшарнирные арочные мосты нельзя применять при слабых грунтах; также в районах с резкими колебаниями температуры. Двухшарнирные арки в меньшей степени подвержены дополнительными напряжениям, но конструкция их несколько усложняется наличием шарниров. Трехшарнирные арки не испытывают дополнительных усилий ни от деформаций опор, ни от изменений температуры,ни от усадки и ползучести бетона. Поэтому их применяют, когда, возможны просадки или смещения опор, а также большие колебания температуры. Трехшарнирная система удобна также в мостах, монтируемых из готовых полуарок.

   

Рис. 2. Арочный мост через реку Обь в Новосибирске

Подвесной мост

Подвесной мост несет вертикальные нагрузки через изогнутые кабели в напряжении. Эти нагрузки передаются как на башни, которые несут их вертикальным сжатием к земле, так и на анкерные крепления, которые должны противостоять внутреннему, а иногда и вертикальному натягу тросов. Подвесной мост можно рассматривать как перевернутую арку, находящуюся в напряжении, и только башни находятся в сжатии. Поскольку палуба висит в воздухе, необходимо позаботиться о том, чтобы она не двигалась чрезмерно под нагрузкой. Таким образом, палуба должна быть либо тяжелой, либо жесткой, либо и то и другое вместе. Подвесные мосты находят наиболее удачное применение в случае большой длины моста, невозможности или опасности установки промежуточных опор, например, в судоходных местах.

Мосты такого типа выглядят очень гармонично. Одним из наиболее известных и красивых примеров является мост Золотые Ворота, расположенный на входе в бухту Сан-Франциско (см. рис. 3).

Основные несущие тросы (или цепи) подвешивают между установленными по берегам пилонами. К этим тросам крепят вертикальные тросы или балки, на которых подвешивается дорожное полотно моста.

   

Рис. 3. Подвесной мост Золотые ворота, Сан-Франциско

Разводной мост

Разводной мост – особый тип моста, имеющий подвижное пролётное строение для обеспечения пропуска судов. (См. рис. 4). Разводные мосты, как правило, строят на судоходных реках и каналах в плотной застройке, когда другими способами «развязать» наземный транспорт и судоходство не удаётся.

Преимущество разводных мостов, по сравнению с неподвижными мостами, состоит в том, что для обеспечения беспрепятственного пропуска судов разводному мосту не требуется высокий пролёт, а, следовательно, высокие опоры и длинные въезды.

Недостатки состоят в том, что механизмы разводного моста требуют ремонта и технического обслуживания; наземный транспорт не может перемещаться через мост во время прохода судов.

Рис. 4. Разводной мост в Санкт-Петербурге

Существует большое количество типов разводных мостов, при этом их можно классифицировать по тому, вдоль или вокруг какой оси моста двигается пролёт. При этом оси моста определяются следующим образом:

– Ось X лежит в горизонтальной плоскости и совпадает с направлением проезжей части моста.

– Ось Y лежит в горизонтальной плоскости и проходит перпендикулярно проезжей части моста.

– Ось Z перпендикулярна горизонтальной плоскости.

Таким образом, теоретически возможно шесть движений подвижного пролёта моста (сдвиг и поворот по каждой из осей). На практике используются пять движений, так как движение пролёта вдоль оси Y не имеет смысла (не освобождает проход для судов). Кроме того, существуют типы мостов, использующие комбинацию из нескольких движений.

Вантовый мост

Вантовый мост – тип висячего моста, в современной форме, составленный балочными конструкциям и, усиленный системой наклонных вантов, опирающимися на пилоны. (См. рис. 5). Был разработан и внедрен сравнительно недавно и за период, не превышающий четверти века, получили широкое распространение. В настоящее время насчитывается около полутора сотен мостов этой системы в различных странах мира.

   

Рис. 5. Вантовый мост во Владивостоке

В последние годы пролеты вантовых мостов существенно возросли. Если ранее, 20 лет назад, считалось, что рациональными пролетами вантовых мостов является диапазон 200-400 м, то сейчас это видение изменилось. Кроме того, вантовые мосты стали приобретать не совсем обычную для них форму. Архитектура стала определять облик не только малых мостов, но и очень больших. В отличие от подвесных мостов, где дорожное полотно поддерживается вертикальными тросами, прикреплёнными к протянутым по всей длине моста основным несущим тросам, у вантовых мостов тросы (ванты) соединяются непосредственно с пилоном. Преимуществом вантовых мостов перед висячими является меньшая подвижность дорожного полотна, что делает их пригодными для использования в качестве железнодорожных переправ. Первый железнодорожный вантовый мост был построен в 1979 году в Белграде (Новый железнодорожный мост) (см. рис. 6).

Рис. 6. Железнодорожный вантовый мост в Белграде

Существует много красивых, интересных, сложных по своей конструкции мостов в мире (Приложение 1).

1.2. Условия проектирования мостов

При проектировании мостов следует:

– выполнять требования по обеспечению надежности, долговечности и бесперебойности эксплуатации сооружений, а также безопасности и плавности движения транспортных средств, безопасности для пешеходов и охране труда рабочих в периоды строительства и эксплуатации;

– предусматривать безопасный пропуск возможных паводков и ледохода на водотоках, а, кроме того, на водных путях – выполнениетребований судоходства и лесосплава;

– назначать проектные решения, обеспечивающие экономноерасходование материалов – металла, цемента, леса и пр., экономиютопливных и энергетических ресурсов, снижение стоимости итрудоемкости строительства и эксплуатации;

– предусматривать простоту, удобство и высокие темпы монтажаконструкций, возможность широкой индустриализации строительствана базе современных средств комплексной механизации и автоматизации строительного производства, использования типовых решений, применения сборных конструкций, деталей и материалов, отвечающих стандартам и техническим условиям;

– учитывать перспективы развития транспорта и дорожной сети, реконструкции имеющихся и строительства новых подземных и наземных коммуникаций, интересы благоустройства и планировки населенных пунктов, перспективы освоения земель в сельскохозяйственных целях;

– предусматривать меры по охране окружающей среды (в том числе предотвращение заболачивания, термокарстовых, эрозионных, наледных и других вредных процессов), по поддержанию экологического равновесия и охране рыбных запасов. Основные технические решения, принимаемые при проектировании мостов, следует обосновывать путем сравнения технико-экономических показателей конкурентоспособных вариантов с учетом эстетических и архитектурных требований.

При изучении данной главы выяснилось, что видов мостовых сооружений по их предназначению и эксплуатации очень много. Мосты различных видов (Балочный, Арочный, Подвесной и т.д) проектируются и строятся в зависимости от рельефов местности и потребности преодоления препятствий .Для проектирования и строительства мостов различных видов нужна масса информации, в том числе расчеты по геометрии и математики, от данных расчетов зависит надежность и долговечность конструкции моста.

Глава 2. Конструкционные элементы мостов и их геометрические формы

2.1. Конструкционные элементы моста

Ригель изготавливается из железобетона или дерева, он предназначен для связки вертикальных конструкций, служит опорой для плит перекрытия. Благодаря этим элементам формируется каркас возводимого строения, обеспечивается нужная геометрическая форма.

Разница между ригелем и балкой

Функциональность ригеля:

- несущая функция;

- предназначен только для горизонтального монтажа;

- при обустройстве каркаса связывает основные опорные конструкции.

- является основой любого сооружения.

- изготавливается практически из любого материала, включая армированный бетон.

Функциональность балки:

- применяется для перекрытий;

- создаёт каркасную основу;

- устанавливается горизонтально и в наклонной плоскости;

- работает преимущественно на изгиб.

Ригель и балка не являются взаимозаменяемыми элементами конструкции. Ригель – жёсткая конструкция, имеющая узконаправленное применение. Балка – весьма широкое понятие, обозначающее опоры нескольких типов.

В этом конструкционном элементе мы можем увидеть такие геометрические формы как трапеция, прямоугольник и параллелепипед.

Ростверк — горизонтально расположенная часть свайного фундамента, воспринимающая и передающая нагрузку от конструкции на сваи. Он предназначен, чтобы объединять столбы или сваи в одну слаженно работающую конструкцию. Элемент предотвращает неравномерные просадки строения и растрескивание стен.

Ростверковая основа обладает комплексом серьезных преимуществ:

позволяет осуществлять строительство на проблемных грунтах;

обеспечивает устойчивость строений;

не требует выполнения трудоемких земляных мероприятий;

не зависит от глубины расположения водоносных слоев.

В этом элементе используются в основном такие геометрические формы, как параллелепипеды, призмы и цилиндры.

2.2. Пролетные строения и опоры мостов

Пролетные строения мостов – это конструкции, которые перекрывают пролеты между опорами моста и опираются на них. Их основными элементами являются главные несущие конструкции – фермы, своды, арки, балки, опорные части, а также расположенное между ними мостовое или ездовое полотно, в зависимости от назначения сооружения.

Пролетные строения мостов могут иметь различные схемы: балочные, арочные, а также висячие, рамные, винтовые и комбинированные.

По роду используемых материалов пролетные строения мостов разделяются на:

— деревянные;

— металлические;

— железобетонные;

— сталежелезобетонные;

— каменные.

Арочное пролетное строение. Пролет изготовлен в виде арки, которая держит нагрузки. Горизонтальные усилия преобразуются в вертикальные, мост работает на сжатие.

Конструкции комбинированного типа. Сочетают одновременно арочную и балочную принципиальные конструкторские схемы. Имеют универсальное применение.

Висячее пролетное строение. Промежуточные опоры не устанавливаются, несущая конструкция из гибких узлов, крепление выполняется к пилонам.

Вантовое пролетное строение. Несколько устойчивее, чем подвесные типы пролетных строений, в качестве несущего элемента используется вантовая ферма из большого количества стальных канатов.

Здесь мы можем увидеть треугольники, прямоугольники, трапеции, параллелограммы.

Для опор мостов используются разные геометрические формы, например, цилиндры, трапеции, пирамиды, параллелепипеды.

Аванбек - это направляющая вспомогательная конструкция в виде консоли, которая присоединяется к передней части надвигаемого пролётного строения во время возведения моста методом надвижки. Такое же название носит передняя часть быка на мостовых опорах, ограниченная закругленной поверхностью либо двумя плоскостями и направленная против течения. Она служит для разрезания движущихся льдин и незаменима в период половодья. Также аванбек способен противостоять ударам суден и других тяжелых плавсредств. Происходит это название от двух французских слов, которые полностью объясняют его внешний вид и предназначение: avant  - передний и bec – нос, клюв. Произошло оно, вероятно, от аналогичных форм, не менее четырех столетий назад, используемых еще в архитектуре средневековых крепостей. Метод установки пролетных строений мостов в проектное положение способом надвижки широко применяется в мостостроении в сочетании с иными способами и в чистом виде. Применение этого способа невозможно без такой конструкции как аванбек.

В этом же элементе в основном используются такие геометрические формы, как прямоугольники и треугольники.

В различных конструкциях мостов (Балочный, Арочный, Подвесной и т.д.) используются конструкционные элементы – ригель, ростверк, аванбек и т.д состоящие из множества геометрических фигур такие как: прямоугольник, треугольник, трапеция и т.д.

Глава 3. Конструирование модели моста Дьявола

3.1. История моста

Рис. 7. Дьявольский мост в Болгарии

Дьявольский мост — памятник архитектуры, который находится на высоте 400 метров над уровнем моря в восточной части гор Родопы в Южной Болгарии, одна из достопримечательностей Восточных Родоп (см. рис.7). Мост построен в XVI веке на месте старинного римского моста на дороге, связывавшей Горно-фракийскую низину с побережьем Эгейского моря. Длина моста — 56 м, ширина — 3,5 м. В настоящее время мост не используется, охраняется как памятник культуры. Множество легенд окружают этот мост. Одни верят, что в одном из его камней виден отпечаток ступни Дьявола, а само место приносит несчастье и смерть тому, кто осмелиться приблизиться к нему. Другие считают, что Сатана спас одну болгарскую девушку от гибели, являясь перед турецкими всадниками, преследовавших ее, чтобы отвести в плен. Девушка была готова покончить с собой, бросившись с моста, но когда добежала до него, турки, преследовавшие ее, внезапно повернули обратно, увидев рогатую голову в воде под мостом. А самая распространенная легенда гласит, что мастер замуровал в мост тень девушки, которая приносила ему еду во время работы над мостом, тем самым обрекая сооружение на устойчивость во времени, а саму девушку – на смерть (согласно болгарского фольклора если тень будет замурована, то человек начинает таять и скоро покидает мир живых). Местные жители годами пытались построить мост между двумя берегами, но каждый раз бурные воды реки Арда разрушали постройку. И когда они отчаявшись уже отказались от идеи построить мост, за дело неожиданно взялся молодой мастер. Ему неожиданно явился Дьявол, который открыл мастеру секрет возведения устойчивого моста. Но поставил условие: в конструкции должен быть виден лик Сатаны, который должен быть одновременно видимым и невидимым, до которого можно было бы дотронуться, но в то же время лик не должен материализоваться. И мастер решился пожертвовать жизнью своей возлюбленной (замуровав ее тень), чтобы построить мост. На постройку сатана дал срок мастеру - 40 дней. В противном случае Дьявол пригрозился забрать души мастера и его любимой. Ко всеобщему удивлению мастер выполнил все условия Дьявола. Но вскоре после этого умер, и его тайна оказалась неразгаданной.Тайна, которая и видна, и нет, которую можно потрогать, но нельзя материализовать, находится точно под центральным сводом и представляет собой скалу. Образ дьявола как бы высечен на этой скале, но наполовину. Другая половина отражается в воде. В то же время арка моста тоже отражается в воде, образуя окружность. Образ Дьявола виден только в тот момент дня (приблизительно между 11.00 и 12.00 часами), когда позиция и сила солнца таковы, что мост и его отражение в воде совпадают полностью. Дьявольский мост уже 500 лет стоит и не думает разрушаться.

3.2. Этапы изготовления макета «Дьявольский мост»

1 Этап: Разметка трафарета моста.

2 Этап: Перенос трафарета на пеноплекс и вырезание шаблона

3 Этап: Подготовка деталей макета

4 Этап: Обклеивание макета «Попье-Маше»

6 Этап: Грунтовка макета

7 Этап: Изготовление растительности для макета

8 Этап: Покраска макета

Э тап 9: Готовый макет

 

 

 

Для изготовления чертежа шаблона моста были использованы – циркуль, транспортир и треугольная линейка. При изготовлении макета моста были применены такие геометрические фигуры как полукруг, трапеция и прямоугольник (Приложение 2).

Заключение

За 3 тысячи лет с момента создания первого моста человечество неоднократно меняло подход к строительству жизненно важных переправ. Менялись материалы от бетона к стеклопластику, расчеты на сопротивление материалов и деформации сдвига. Человек всегда пытался преодолевать океаны, горы, пустыни. Это у нас в крови. Долгое время мосты представляли собой деревянные конструкции. Первый металлический мост был построен в 1779 году в Великобритании. В XIX веке появление железных дорог потребовало создание мостов, способных выдерживать значительные нагрузки, что стимулировало развитие мостостроения.

Сегодня всё чаще применяются новые  технологии строительства мостов, реализующие порой самые невероятные решения.

Внедрение стекла и стеклопластика стало революцией в технологии строительства мостов. Все чаще можно наблюдать ситуации, когда стеклопластиком при строительстве мостов заменяют часть металлических изделий.

Человечество нуждается в строительстве мостов. Наука не стоит на месте. Ученые разных стран и континентов пытаются усовершенствовать уже имеющиеся материал либо найти ему более достойную замену.

В результате исследовательской работы выяснилось, что с точки зрения геометрии, все мосты представляю собой геометрические фигуры: пирамида, параллелепипед, призма, цилиндр или их комбинации. Геометрия с архитектурой непосредственно связаны. Геометрические формы определяют эстетические, эксплуатационные и прочностные свойства архитектурных сооружений разных времен и стилей. Причем для каждого архитектурного стиля характерен определенный набор геометрических форм зданий и сооружений в целом и их отдельных элементов. С развитием строительных технологий возможности применения геометрических форм расширяются.

Источники

1. Аванбек [Электронный ресурс ] -http://www.mostow.ru/osnovnye-elementy-mostow7.php 25.01.2020

2. Вантовый мост и его конструкция [Электронный ресурс]-https://stroyone.com/stroitelstvo-mostov/vantovye-mosty/vantovye-mosty.html 10.02.2020

3.Виды мостов [Электронный ресурс]-https://art-grea.ru/vidy-mostov.html 16.10.2020

4.Дьявольский мост [Электронный ресурс]-https://nat-geo.ru/photo/169776/ 15.12.2020

5. Мост и его конструктивные элементы [Электронный ресурс] -https://helpiks.org/7-18038.html 20.11.2020

6.Основные элементы моста, и части использующиеся при строительстве [Электронный ресурс]-http://www.mostow.ru/osnovnye-elementy-mostow.php 29.10.2020

7.Пролетные строения мостов [Электронный ресурс] -http://www.mostow.ru/osnovnye-elementy-mostow3.php 25.11. 2020

8. Формы мостов [Электронный ресурс]-https://art-grea.ru/formy-mostov.html 20.02.2020

Приложение 1

10 самых сложных мостов

1. Мост над рекой Хайхэ, Тяньцзинь, Китай, архитектор Марк Мимра

2. Мост в Энсхеде, Нидерланды, архитектурное бюро Next Architects

3. Остров на реке Мур, Грац, Австрия, архитектор Вито Акконч

4. Смотровая площадка над фьордом Аурланд, Норвегия, архитектурное бюро Saunders Architectur

5. Живописный мост через Москву-реку - единственный мост в России, расположенный вдоль течения реки.

6. Арочный Мост в Глазго, Великобритания, архитектурное бюро Halcrow Grou

7. Мост — Солнечные часы, Реддинг, США, архитектор Сантьяго Калатрава

8. Пешеходный мост в Сиэтле, США, архитектурное бюро Johnson Architectur

9. Мост Donghai в Шанхае, конструкторское бюро China Zhongtie Major Bridge Engineering Grou

1 0. Разводной мост Rolling Bridge, Лондон, архитектурное Бюро Heatherwick Studi

Приложение 2

Просмотров работы: 55