Howe Fachwerk - Howe truss

Howe Fachwerkbrücke
The Park's Gap Bridge, eine Howe-Fachwerkbrücke, die 1892 in Berkeley County, West Virginia, gebaut wurde?
The Park's Gap Bridge , eine Howe-Fachwerkbrücke, die 1892 in Berkeley County, West Virginia , gebaut wurde?
Trägt Fußgänger , Autos , Lastwagen , Stadtbahn , schwere Bahn
Spannenbereich Kurz bis mittel
Material Holz , Eisen , Stahl
Beweglich Nein
Designaufwand Niedrig
Falscharbeit erforderlich Jawohl

Ein Howe-Fachwerk ist eine Fachwerkbrücke, die aus Gurten, Vertikalen und Diagonalen besteht, deren vertikale Elemente unter Zug stehen und deren diagonale Elemente unter Druck stehen. Die Howe-Traverse wurde 1840 von William Howe erfunden und wurde Mitte bis Ende des 19. Jahrhunderts häufig als Brücke verwendet.

Entwicklung

William Howe

Die frühesten Brücken in Nordamerika bestanden aus Holz, das reichlich vorhanden und billiger war als Stein oder Mauerwerk. Frühe Holzbrücken waren in der Regel vom Towne-Gitterbinder- oder Burr-Fachwerk- Design. Einige spätere Brücken waren McCallum-Traversen (eine Modifikation des Burr-Traversen). Um 1840 wurden Holzbrücken mit Eisenstangen versehen. Das Pratt-Fachwerk verwendete vertikale Holzelemente in Kompression mit diagonalen Eisenstreben. Das Howe-Fachwerk verwendete vertikale Eisenpfosten mit hölzernen Diagonalstreben. Beide Traversen verwendeten eine Gegenaussteifung, die jetzt notwendig wurde, da schwere Eisenbahnzüge Brücken benutzten.

Im Jahr 1830 erhielt Stephen Harriman Long ein Patent für eine Ganzholz-Traversenbrücke mit parallelen Akkorden. Die Brücke von Long enthielt Diagonalstreben, die mit Keilen vorgespannt waren. Die Long-Traverse benötigte keine Verbindung zwischen Diagonale und Traverse und konnte auch bei etwas schrumpfendem Holz unter Druck bleiben.

William Howe war ein Bauunternehmer in Massachusetts, als er 1840 das Howe-Traversendesign patentieren ließ. Im selben Jahr gründete er die Howe Bridge Works, um Brücken nach seinem Design zu bauen. Das erste Howe-Fachwerk, das jemals gebaut wurde, war eine einspurige, 23 m lange Brücke in Connecticut, die eine Straße trug. Die zweite war eine Eisenbahnbrücke über den Connecticut River in Springfield, Massachusetts . Diese Brücke, die viel Lob und Aufmerksamkeit erregte, hatte sieben Spannweiten und eine Länge von 180 Fuß (55 m). Beide Brücken wurden 1840 errichtet. Einer von Howes Arbeitern, Amasa Stone , kaufte 1842 für 40.000 US-Dollar (1.036.933 US-Dollar im Jahr 2020) die Rechte an Howes patentiertem Brückendesign. Mit seinem Geldgeber Azariah Boody gründete Stone die Brückenbaufirma Boody, Stone & Co., die eine große Anzahl von Howe-Fachwerkbrücken in ganz Neuengland errichtete . Howe nahm weitere Verbesserungen an seiner Brücke vor und patentierte 1846 ein zweites Howe-Traversendesign.

Brückendesign

Elemente einer Howe Fachwerkbrücke

Die Howe-Fachwerkbrücke besteht aus einem Ober- und Untergurt, wobei jeder Gurt aus zwei parallelen Balken besteht und jeder Gurt parallel zueinander ist. Das Netz besteht aus Vertikalen, Klammern und Gegenklammern. Vertikale Pfosten verbinden Ober- und Untergurt miteinander und bilden „Paneele“. Eine diagonale Strebe in jedem Paneel verstärkt die Brücke, und eine diagonale Gegenstrebe in jedem Paneel erhöht diese Festigkeit. Howe Fachwerkbrücken können ganz aus Holz, einer Kombination aus Holz und Eisen oder ganz aus Eisen bestehen. Welches Design auch immer verwendet wird, Holzhölzer sollten quadratische Enden ohne Einsteck- und Zapfen haben . Das Design einer Ganzmetall-Howe-Traverse folgt dem der Holztraverse.

Das Fachwerk

Fachwerk der Bahnhofsbrücke Lesehallen , mit gusseisernen Diagonalelementen in Druck und schmalen schmiedeeisernen Vertikalankern in Zug

Die Parallelen in jeder Sehne werden normalerweise aus kleineren Balken aufgebaut, wobei jeder kleine Balken aneinander befestigt ist, um einen durchgehenden Balken zu bilden. Bei Howe-Traversen aus Holz sind diese schlanken Balken normalerweise nicht breiter als 10 bis 15 Zoll (250 bis 380 mm) und 6 bis 8 Zoll (150 bis 200 mm) tief. Bei Eisenbindern haben die Obergurtträger die gleiche Länge wie das Paneel. Obergurtträger sind in der Regel aus Gusseisen , Untergurtträger aus Schmiedeeisen . Es werden mindestens drei kleine Balken verwendet, die jeweils in Breite und Tiefe gleich sind. Laschen werden normalerweise verwendet, um Balken zusammenzufügen. (Untergurtträger können an jedem Ende Ösen haben, in diesem Fall werden sie mit Bolzen, Stiften oder Nieten zusammen befestigt .) Bei Holzbindern werden alle 1,2 m Keile und Eisenbolzen verwendet, um die Träger der Oberton zueinander. Im Untergurt einer Holzbrücke dienen Klemmen zur Verbindung von Balken.

Obwohl die Balken im Allgemeinen die gleiche Länge haben, sind sie so positioniert, dass ein Spleiß (der Punkt, an dem sich die Enden von zwei Balken treffen) nahe dem Punkt liegt, an dem sich zwei Platten treffen, aber nicht neben dem Spleiß in einem benachbarten Balkenpaar.

Die einzelnen kleinen Balken, die eine Parallele in einer Sehne bilden, sind entlang ihrer langen Seite durch einen Abstand getrennt, der dem Durchmesser der vertikalen Pfosten entspricht, normalerweise etwa 1 Zoll (25 mm). Dadurch können die vertikalen Pfosten durch die Parallele im Gurt hindurchgehen. Lattenplatten werden diagonal zwischen den Elementen einer Sehne platziert und an Ort und Stelle genagelt, um das Biegen zu reduzieren und als Unterlegscheibe zu wirken, um eine Belüftung zwischen den Sehnenelementen bereitzustellen.

Das mittlere Drittel des Untergurtes wird immer durch einen oder mehrere mit dem Gurt verschraubte Balken verstärkt . Diese Bewehrung beträgt im Allgemeinen ein Sechstel der Breite des Querschnitts des Untergurts. Soll ein Holzgurt noch verstärkt werden, können im mittleren Drittel auf jeder Seite des Untergurtes zusätzliche schlanke Balken angeschraubt werden. Wenn der Bau abgeschlossen ist, steht der Obergurt einer Howe-Fachwerkbrücke unter Druck , während der Untergurt unter Zug steht .

Das Netz

Vertikale Pfosten führen durch diagonale Streben und einen Winkelblock, um den Untergurt der Jay Bridge in Essex County, New York, zu erreichen

Vertikale Pfosten verbinden die Ober- und Untergurte und teilen das Fachwerk in Paneele. Das Howe-Fachwerk verwendet normalerweise Eisen- oder Stahlvertikale. Diese sind gerade und rund, an den Enden im Umfang leicht reduziert und mit einem Schraubgewinde versehen. Die Vertikale verläuft normalerweise durch die Mitte des Winkelblocks und dann durch den Raum, der im Ober- und Untergurt verbleibt. Eine Mutter wird verwendet, um den vertikalen Pfosten an der Sehne zu befestigen. Spezielle Platten oder Unterlegscheiben aus Holz oder Metall werden verwendet, um die durch den vertikalen Pfosten verursachte Belastung auf die Gurte zu verteilen. Vertikale Pfosten stehen unter Spannung, die durch das Anziehen der Muttern an den vertikalen Stangen hervorgerufen wird.

Streben sind diagonale Balken, die die Unterseite eines vertikalen Pfostens mit der Oberseite des nächsten vertikalen Pfostens verbinden. Sie werden in der gleichen Ebene wie der Akkord platziert. Im Gegensatz zu Eisen- oder Stahlstreben, die aufgebaut sind, werden Holzstreben auf Länge geschnitten. Wenn die Parallele in einer Sehne eine Dicke von X Balken hat, sollte jede Strebe eine Dicke von X minus 1 Balken haben. Das Verhältnis von Tiefe zu Breite jedes Elements einer Diagonalstrebe sollte nicht größer sein als das der gesamten Strebe. Hosenträger können aus einem Stück bestehen oder aus mehreren Stücken, die mit einer Lasche zusammengespleißt sind. Die Streben werden aufgrund des Anziehens der Muttern an den Vertikalen komprimiert.

Gegenstreben sind diagonale Balken, die die Unterseite eines vertikalen Pfostens mit der Oberseite des nächsten vertikalen Pfostens verbinden und ungefähr senkrecht zu den Streben verlaufen. Sie liegen in der gleichen Ebene wie die Sehne, haben im Allgemeinen eine einheitliche Größe und sollten eine Dicke weniger als eine Strebe haben. Im Gegensatz zu Klammern sind Gegenklammern ein einziges Stück. Im Allgemeinen benötigt eine Brücke mit sechs oder weniger Paneelen (ungefähr 23 m lang) keine Gegenaussteifung. Ein Fachwerk mit acht Paneelen erfordert Gegenstreben in jedem Paneel außer den Endpaneelen, und diese sollten mindestens ein Viertel so stark sein wie die Streben. Ein Fachwerk mit 10 Paneelen erfordert Gegenstreben in jedem Paneel außer den Endpaneelen, und diese sollten mindestens halb so stark sein wie die Streben. Eine Howe-Fachwerkbrücke kann verstärkt werden, um ein Verhältnis von Nutzlast zu Eigenlast von 2 zu 1 zu erreichen. Wenn dieses Verhältnis 2 zu 1 oder mehr beträgt, muss eine sechsteilige Traverse Gegenstreben haben, und diese müssen mindestens ein Drittel so stark wie die Streben sein. Die Gegenstreben in einem achtteiligen Fachwerk müssen mindestens zwei Drittel so stark sein wie die Streben, und die Gegenstreben in einem 10-teiligen Fachwerk müssen mindestens die gleiche Festigkeit wie die Streben haben. Wenn auf dem Howe-Traversen schnell bewegte Nutzlasten in einem beliebigen Verhältnis zu erwarten sind, sollten die im Mittelteil verwendeten Gegenstreben eine gleiche Festigkeit wie die Streben aufweisen, und das Element neben dem Endteil sollte Gegenstreben mit mindestens einer halb so stark wie die Hosenträger.

Dort wo Diagonalstreben und Gegenstreben aufeinandertreffen, werden sie in der Regel miteinander verschraubt.

Ein Winkelblocktyp zur Verwendung in einer Howe-Fachwerkbrücke

Streben und Gegenstreben werden mit Winkelblöcken gehalten. Winkelblöcke haben einen dreieckigen Querschnitt und sollten die gleiche Höhe und Breite wie die Parallele der Sehne haben. Winkelblöcke können aus Holz oder Eisen bestehen, obwohl Eisen normalerweise für dauerhafte Konstruktionen verwendet wird. Winkelblöcke werden verkehrt herum am Obergurt und rechts oben am Untergurt befestigt. Winkelblöcke haben Nasen – Flansche oder Vorsprünge, die zum Tragen, Sitzen oder Stützen von etwas verwendet werden. Die Enden der Streben und Gegenstreben sollten so geschnitten oder gegossen werden, dass sie direkt am Winkelblock anliegen. Der obere Ansatz kann ein einzelner Flansch sein, der in eine in die Oberfläche der Diagonalen geschnittene Nut passt, oder es können zwei bis vier Ansätze vorhanden sein, die eine Öffnung bilden, in der die Strebe und die Gegenstütze sitzen. Die Diagonalen werden durch Anziehen der Muttern an den vertikalen Pfosten gehalten. Klampen können an einen Holzwinkelblock genagelt werden, um die Klammern und Gegenstreben in Position zu halten. Alternativ kann ein Loch in die Nase und die Strebe/Gegenstütze gebohrt und ein Dübel eingesetzt werden, um den Balken an Ort und Stelle zu halten. Eisenwinkelblöcke sollten ein Loch in die oberen Laschen haben, damit eine Schraube durch die Lasche und die Strebe/Gegenstütze hindurchgehen kann, um die Streben an Ort und Stelle zu sichern. In die unteren Laschen eines Winkelblocks sind ebenfalls Löcher eingegossen, damit der Winkelblock mit dem Gurt verschraubt werden kann. Durch die Mitte des Winkelblocks werden zwei oder mehr Löcher gegossen, damit die vertikalen Pfosten hindurchgehen und auf der anderen Seite der Sehne verankert werden können.

Endplatten sind die vier Platten auf beiden Seiten des Endes einer Howe-Fachwerkbrücke. Diese sollten die gleiche Höhe wie die Akkorde haben, aber nicht mehr. Der Obergurt reicht nicht über das Portal hinaus (der Raum, der von den letzten vier vertikalen Pfosten an beiden Enden der Brücke gebildet wird). Die Endplatten benötigen nur eine Strebe, die von der Oberseite des letzten vertikalen Pfostens bis zum Ende des Untergurts verbunden wird.

Streben werden verwendet, um die beiden Parallelen der Sehnen zu verbinden, um seitliches Biegen zu verhindern und Vibrationen zu reduzieren. Es werden zwei Diagonalen verwendet, die an die Oberseite der vertikalen Pfosten anschließen. Eine der Diagonalen sollte einteilig sein, während die andere in das erste Teil eingerahmt oder aus zwei damit verbundenen Teilen besteht. X-Verstrebungen, die normalerweise aus schlanken Metallstangen mit Gewindeenden bestehen, werden zwischen vertikalen Pfosten installiert, um das Pendeln zu reduzieren . Knieorthesen, in der Regel Flachstangen mit Ösen an beiden Enden, werden verwendet, um die letzte Strebe und die letzten vertikalen Pfosten an beiden Enden der Brücke zu verbinden.

Einzelne Paneele können extern vorgefertigt werden. Werden die Paneele vor Ort miteinander verbunden, werden Unterlegscheiben verwendet, um eventuelle Zwischenräume zu decken und zu verschrauben.

Das Deck

Bodenbalken erstrecken sich zwischen den Parallelen einer Sehne und werden verwendet, um die Stringer und die Beläge zu stützen. Bodenträger können auf der darunter liegenden Sehne sitzen oder an den vertikalen Pfosten aufgehängt werden. Bodenträger haben im Allgemeinen die größte Tiefe aller Träger in der Brücke. Bodenbalken werden normalerweise dort platziert, wo sich zwei Platten treffen. Wenn sie irgendwo in der Mitte der Platte platziert werden, muss die Sehne verstärkt werden, um Biege- , Knick- und Schubspannungen standzuhalten .

Stringer sind Balken, die auf den Bodenbalken parallel zu den Akkorden angeordnet sind. Ein Stringer kann ein Tiefe-zu-Breite-Verhältnis irgendwo von 2 zu 1 bis 6 zu 1 haben. Ein Verhältnis von mehr als 6 zu 1 wird vermieden, um ein Knicken zu vermeiden. In der Praxis sind die meisten Holzwangen aufgrund von Einschränkungen beim Fräsen 16 Zoll (410 mm) breit. Normalerweise gibt es sechs Stringer in einer Brücke.

Der Bau des Decks für eine Eisenbahnbrücke erfordert, dass ein Stringer direkt unter jeder Schiene liegt und dass ein Stringer jedes Ende der Eisenbahnschwellen trägt . Krawatten haben normalerweise einen Querschnitt von 6 x 8 Zoll (150 x 200 mm) und eine Länge von 9 bis 12 Fuß (2,7 bis 3,7 m). Sie werden direkt auf die Stringer gesetzt, etwa 12 Zoll (300 mm) voneinander entfernt. Leitplanken 6 x 8 Zoll (150 x 200 mm) im Querschnitt werden 20 Zoll (510 mm) von der Mitte der Schwellen gesetzt und mit jeder dritten Schwelle verschraubt.

Physik einer Howe Fachwerkbrücke

Das innere Fachwerk eines Howe Fachwerks ist statisch unbestimmt . Es gibt zwei Pfade für die Belastung während der Belastung, ein Diagonalpaar unter Druck und ein Paar unter Zug. Dies verleiht dem Howe-Traversen ein Maß an Redundanz, das es ihm ermöglicht, übermäßigen Belastungen (wie dem Verlust eines Paneels aufgrund einer Kollision) standzuhalten.

Die Vorspannung ist entscheidend für die ordnungsgemäße Funktion eines Howe-Traversen. Diagonalen werden nur lose mit den Fugen verbunden und sind auf Vorspannung angewiesen, um richtig zu funktionieren. Darüber hinaus können Diagonalen auf Zug Spannungen nur unterhalb des Vorspannungsniveaus standhalten. (Die Größe des Elements spielt aufgrund des lockeren Sitzes der Diagonalen zur Fuge keine Rolle.) Die richtige Vorspannung ist während des Baus daher entscheidend für die korrekte Funktion der Brücke.

Die maximale Spannung wird auf die Mitte der Gurte ausgeübt, wenn eine Verkehrslast die Mitte der Brücke erreicht oder wenn sich die Verkehrslast über die Länge der Brücke ausdehnt. Sowohl die vertikalen Pfosten als auch die Streben am Ende der Brücke sind den höchsten Belastungen ausgesetzt.

Die Belastung der Gegenstreben hängt vom Verhältnis von Verkehrslast zu Eigenlast pro Längeneinheit und der Verteilung der Verkehrslast über die Brücke ab. Eine gleichmäßige Verteilung der Verkehrslast belastet die Gegenstreben nicht, während die Belastung nur eines Teils der Brücke eine maximale Belastung der mittleren Gegenstreben erzeugt.

Aufgrund der Belastung der Brücke ist das Howe-Traversen für Spannweiten von 46 m oder weniger geeignet. Bei einem Howe-Fachwerk ist keine Ausdehnung oder Kontraktion aufgrund von Temperaturänderungen vorgesehen.

Howe Fachwerkbrücken im Einsatz

Die Howe-Traverse war aufgrund ihrer einfachen Konstruktion sehr wirtschaftlich. Die Holzstücke können aber eine mit wenig ausgebildet sein Stahl Platz und Kratzer Ahle und der Traverse kann nur unter Verwendung einer eingerahmt adze , Schnecke und Säge . Paneele konnten vorgefertigt und zur Baustelle transportiert werden, und manchmal konnten sogar ganze Traversen außerhalb der Baustelle hergestellt und montiert und per Bahn an den vorgesehenen Ort transportiert werden. Irgendeine Art von Traggerüsten , in der Regel in Form eines Bocks , ist erforderlich , um die Brücke zu errichten.

Vergleich der Konstruktionen von Howe und Pratt Fachwerkbrücken.

Die Entwicklung der Pratt- und Howe-Traversen beflügelte den Bau von Eisenbrücken in den Vereinigten Staaten. Bis 1850 waren nur wenige Eisenbrücken im Land länger als 15 m. Das einfache Design, die einfache Herstellung und die einfache Konstruktion der Pratt- und Howe-Traversen veranlassten Benjamin Henry Latrobe II , Chefingenieur der Baltimore and Ohio Railroad , eine große Anzahl von Eisenbrücken zu bauen. Nach zwei berühmten Einstürzen von Eisenbrücken (eine in den Vereinigten Staaten, die andere in Großbritannien ) wurden nur wenige davon im Norden gebaut . Dies bedeutete, dass sich die meisten Eisenbrücken, die vor dem amerikanischen Bürgerkrieg errichtet wurden, im Süden befanden . Um 1867 kam es in den Vereinigten Staaten zu einem Anstieg des Eisenbrückenbaus. Die am häufigsten verwendeten Designs waren die Howe-Traverse, Pratt-Traverse, Bollman-Traverse , Fink-Traverse und Warren-Traverse . Die Traversen Howe und Pratt fanden Anklang, weil sie weit weniger Glieder verwendeten.

Die einzige Wartung, die eine Howe-Traverse erfordert, ist die Einstellung der Muttern an den vertikalen Pfosten, um die Belastung auszugleichen. Es erwies sich als schwierig, die Diagonalen in einem Pratt-Holzfachwerk richtig einzustellen, so dass das Howe-Traversen das bevorzugte Design für eine Holzbrücke oder für eine "Übergangsbrücke" aus Holz mit Eisenvertikalen wurde. Der Ingenieurprofessor Horace R. Thayer, der 1913 schrieb, betrachtete das Howe-Fachwerk als die beste Form einer hölzernen Fachwerkbrücke und glaubte, dass es zu dieser Zeit die am häufigsten verwendete Fachwerkbrücke in den Vereinigten Staaten war.

All-Eisen Howe Binder begann etwa 1845. Beispiele gebaut werden , umfassen einen 50-Fuß (15 m) langen Eisen Howe Truss für die gebaut wurde , Boston und Providence Eisenbahn und einen 30-Fuß (9,1 m) langen Eisenbahnbrücke über den Ohio und Erie-Kanal in Cleveland.

Eisen war jedoch die bevorzugte Brücke für Auto- und Eisenbahnstraßen, und das Howe-Fachwerk passte sich nicht gut an die Ganzeisenkonstruktion an. Das einzelne diagonale Verstrebungssystem des Pratt-Traversensystems bedeutete geringere Kosten, und seine Fähigkeit, schmiedeeiserne Stringer unter Eisenbahnschienen und Schwellen zu verwenden, veranlasste Brückenbauer, den Pratt gegenüber dem Howe zu bevorzugen. Höhere Verkehrslasten, insbesondere durch Eisenbahnen, führten dazu, dass Brückenbauer Plattenträger- und Towne-Gitterbrücken für Spannweiten unter 18 m und Warren-Trägerbrücken für alle anderen Spannweiten bevorzugten .

Verwendung in der Architektur

Traversen sind seit der Antike in der Architektur weit verbreitet. Der Howe-Träger wird häufig in Holzgebäuden verwendet, insbesondere als Dachträger.

Verweise

Anmerkungen
Zitate

Literaturverzeichnis