Мости системи Гау (або Гау-Журавського) — мости з дерев'яно-металевими наскрізними фермами, які застосовують для перекриття прогонів від 20 до 50 м. Мають дворозкісну схему, у якій пояси та розкоси виготовляють з дерев'яних колод або брусів, а замість стійок використовують металеві тяжі, натяг яких можна регулювати. Відзначаються простотою конструкції, жорсткістю ферм, зручністю виготовлення та збирання.

Схема ферми, запатентована американським інженером Вільямом Гау у 1840-му, швидко набула поширення у США, де за кілька десятиліть були збудовані сотні мостів, а також у Європі, Російській імперії, Австралії. Наприкінці XIX століття дерев'яні та дерев'яно-металеві мости Гау почали витіснятися металевими мостами, зокрема, на залізницях. Проте дерев'яні мости цієї системи ще продовжували споруджувати для автомобільних доріг до 60-х років XX століття. Мости системи Гау вважають вершиною епохи дерев'яних мостів.

Історія винаходу

На початку XIX століття в США дерев'яні ферми вже застосовувалися для будівництва мостів. Серед відомих систем були конструкції Теодора Бурра та Ітіела Тауна. У 1830 році американський військовий інженер отримав патент на дерев'яний міст-ферму з паралельними поясами. Розкоси у фермі були переднапружені за допомогою клинів. Розкоси залишалися в стисненому стані і після усадки дерев'яних елементів. Це була досить прогресивна конструкція з переднапруженими елементами, але складна у виготовленні і повільна в кінцевому налаштуванні, тому широкого розповсюдження вона не отримала. Зусилля, що виникали в елементах ферми після вбивання клинів, неможливо було ні передбачити, ні вирахувати. Все базувалося тільки на досвіді та інтуїції інженера.

А через кілька років , будівельний підрядник з Массачусетсу, який займався будівництвом церков, запропонував замінити у фермі Лонга вертикальні стійки, що працюють на розтяг, металевими тяжами з різьбою й гайками на обох кінцях. Докручування гайок у процесі експлуатації дозволяло підтягувати конструкцію і зменшувати її прогини. Застосування залізних тяжів з різьбою та гайками було головною відмінністю ферми Гау від ферм Лонга. Залізні стрижні для збільшення жорсткості дерев'яних поясів ферм використовували в Європі ще з 1823 року, але немає свідчень, що Гау якимось чином знав про це. Ідея Вільяма Гау була чисто інтуїтивна, не підкріплена жодною теорією, оскільки в той час ще не було аналітичних методів розрахунку ферм. Іншою інновацією було суттєве спрощення вузлів ферми. Гау відкинув складні з'єднання стійок та розкосів і замінив їх трикутними дерев'яними подушками, в які впиралися розкоси і стійки. Всі вузлові подушки були однакові, що спрощувало їх виготовлення.

Гау запропонував просте та елегантне розв'язання проблеми, з якою стикалися кілька поколінь будівельників дерев'яних мостів: як з'єднати два елементи, що працюють на розтяг? Слабкість дерев'яних ферм була не в окремих елементах, а в їх з'єднанні — у забезпеченні мінімальної рухливості та надійності передачі зусиль розтягу. Геній Гау в тому, що вертикальні стійки були замінені на металеві стрижні. Відмова від шипових з'єднань значно спростила роботу теслярів. Тепер ферму можна було легше змонтувати, а при заміні окремих елементів не потрібно було повністю закривати проїзд по мосту.

Схеми дерев'яних мостів з наскрізними фермами, що були поширені в середині XIX століття.

+

Міст системи Бурр. Аркова ферма. Міст системи Тауна. Решітчаста ферма. Міст системи Лонга. Дворозкісна ферма з паралельними поясами. Між розкосами та подушками видно клини, якими створювали переднапруження ферми. Міст системи Гау. Дворозкісна ферма з паралельними поясами. Вертикальні стійки замінені на металеві тяжі.

Вперше нова ферма була випробувана при будівництві церкви в Брукфілді (Массачусетс). Гау заснував фірму Howe Bridge Works і зміг переконати військових інженерів Мак-Нейла, Вістлера та Свіфта впровадити його ідею при будівництві моста довжиною 23 м через річку Квабог у Воррен (1838). Конструкція виявилася вдалою, у серпні 1840-го Гау запатентував свою ідею (патент № 1711) і одразу отримав замовлення від тих же військових інженерів на будівництво залізничного моста через річку Коннектикут у Спрингфілд (Массачусетс).

Стівен Лонг, який сподівався отримати цей контракт, пробував заперечити патент, виданий Гау, на підставі того, що патент Гау порушує його права, проте Відомство по патентах і товарних знаках США стало на сторону Гау.

Міст нової конструкції став подією в інженерних колах і отримав загальне схвалення спеціалістів. Він мав сім прогонів, довжиною по 55 м. Кожен прогін перекривався фермою з перехресними розкосами в кожній панелі. Не маючи жодних розрахунків, Гау інтуїтивно відчував, що крайні розкоси будуть найбільш навантаженими, і тому посилив їх додатковими елементами.

На відміну від більшості старих мостів, технічна інформація про які була відсутня або втрачена, перший залізничний міст Гау мав детальний опис у журналі The Journal of the Franklin Institute (травень 1842). У ньому, зокрема, зазначалося, що на міст пішло удвічі менше деревини, ніж якби він був виготовлений за методом Лонга. Прогин у середині прогону від навантаження паровоза становив лише четвертину дюйма (6 мм). У висновку стверджувалося, що мости нової системи є міцніші, жорсткіші й довговічніші, ніж будь-які інші дерев'яні мости.

Перший залізничний міст Гау, хоч і був легким та з невдалими пропорціями, прослужив 13 років і був замінений на вдосконалений міст цієї ж системи. Останній простояв 21 рік і у 1874 замінений на металевий.

Швагро Гау — Амаса Стоун, що наглядав за будівельними роботами в його компанії, — у 1842-му викупив за 40 тис. доларів ($1,024,400 у цінах 2019 року) права на патент Гау. За фінансової підтримки свого компаньйона Азарія Буді, Стоун заснував фірму Boody, Stone & Co., яка збудувала багато мостів у штаті Нова Англія. Амаса також дещо спростив конструкцію ферми, залишивши тільки по два розкоси в кожній панелі (у запатентованій фермі розкоси перетинали відразу дві панелі і, таким чином, містили по чотири розкоси в кожній панелі).

Згодом Гау вдосконалив конструкцію моста й у 1846-му отримав на нього інший патент. Протягом наступних років Вільям Гау отримував гонорари за кожен прогін моста, який споруджувався за його патентом.

Впровадження нової системи моста не завжди проходило успішно. 1855 року обвалився міст через Міссурі — 43 жертви і 70 постраждалих. Наступного року іскри від пароплава підпалили міст Гау через Міссісіпі. Попри невдачі, ферми Гау були вершиною епохи дерев'яних мостів, а патент, виданий автору, — найприбутковішим патентом серед усіх, що були видані на різні конструкції ферм.

Конструкція ферм Гау

Розрахункова схема

Ферми мостів Гау є статично невизначувані. Зусилля стиску сприймають два перехресні розкоси, які працюють у парі. Це дає певний запас міцності та надійності, оскільки при руйнуванні одного з розкосів міст залишається частково працездатним (але з пониженою несною здатністю).

Попереднє напруження є критично важливим для роботи моста. Розкоси з'єднуються з вузлами за допомогою шкантів (у вигляді металевих стрижнів) і є працездатними лише під постійним стискальним зусиллям. Тому зусилля розтягу, що передаються на розкоси від тимчасового (рухомого) навантаження, повинні бути менші за попереднє напруження стиску.

Найбільші зусилля у фермах виникають, коли рухомий вантаж розміщується посередині прогону (автомобіль), або займає весь прогін (поїзд з вагонами). При цьому найбільш навантаженими є тяжі та розкоси приопорних панелей.

Зусилля, що виникають у перехресних розкосах, залежать від співвідношення постійного (власна вага моста) та тимчасового (рухомого) навантаження на одиницю довжини прогону і від розміщення тимчасового навантаження в поперечному перерізі моста. Рівномірно-розподілене навантаження (наприклад, вагони поїзда, без паровоза) не викликає зусиль у зворотних розкосах. Вони працюють тільки тоді, коли рухомий вантаж знаходиться на одній половині моста.

Зазвичай такі мости перекривають прогони до 50 м. Температурно-деформаційні шви в них не влаштовуються.

Пояси ферми

Основними елементами ферми Гау є пояси (верхній і нижній). Майже завжди вони паралельні, проте для великих прогонів є приклади полігональних. У цьому випадку конструкція ферми значно ускладнюється і вона втрачає одну зі своїх переваг — простоту виготовлення і монтажу. Крім того, у полігональних фермах неможливо влаштовувати додаткові тяжі, оскільки розкоси перетинаються не посередині панелей.

Елементи верхнього поясу завжди стиснуті, а нижнього — завжди розтягнуті. Це справедливо для будь-яких ферм, що працюють за балковою схемою. Паралельні пояси дерев'яних ферм Гау складають з кількох коротших за прогін колод (брусів) діаметром 25-38 см, з'єднаних разом за допомогою двосторонніх металевих накладок. Накладки на одній стороні мають приварені шпонки, зазвичай, по три на кожну колоду. На колодах виконують врубки, які точно відповідають розміру шпонок. Все разом кріплять болтами. Акуратність з'єднання особливо важлива для нижнього поясу ферми, який працює на розтяг. Неправильно зроблені врубки призводять до поздовжнього сколу деревини і значного послаблення з'єднання. Якщо неможливо дотримати точність виконання робіт, то металеві накладки зі шпонками замінюють на дерев'яні. У цьому випадку накладки розміщують не по сторонах, а зверху і знизу з'єднання. Стики окремих колод повинні розміщуватися «врозбіг» зі стиками сусідніх колод. У верхньому поясі стики повинні бути ближче до вузлів з огляду на стійкість при поздовжньому стиску, а в нижньому — посередині панелей, оскільки нижні пояси сильно ослаблені врізками вузлових подушок та підгайкових брусків.

Для забезпечення в поясі сумісної роботи паралельних колод їх скріплюють болтами з інтервалом 1,0-1,2 м по всій довжині, причому між колодами вставляють прокладки, щоб утримувати прозір 2-3 см для швидшого висихання деревини після дощу. Горизонтальний прозір між колодами нижнього поясу (3-5 см) дозволяє пропустити вертикальні тяжі.

У металевих фермах окремі елементи поясів рівні довжині панелі. Їх виконують з кутникової або швелерної прокатної сталі. У вузлах металеві елементи поясу та розкосів з'єднують накладками з листової або кутникової сталі з допомогою болтів, шплінтів або заклепок.

Середня третина нижнього поясу зазнає найбільших розтягувальних зусиль, тому її часто посилюють додаванням одної або більше колод, прикріплених болтами до інших. Додатковий елемент має переріз, рівний 1/6 перерізу основного нижнього поясу.

Розкоси

Пояси й розкоси влаштовуються з дерева, вертикальні стрижні — з металевих тяжів. При постійному (власна вага моста) та тимчасовому навантаженні, рівномірно-розподіленому вздовж всього прогону, висхідні (від кінців до середини) розкоси стискуються. При завантаженні половини прогону висхідні розкоси, розміщені у вільній від тимчасового навантаження половині прогону, зазнають стиску, а в завантаженій половині — розтягу. Найскладніший випадок, якщо власна вага ферми невелика і на половину прогону діє тимчасове навантаження. Тоді розтягувальні напруження в розкосах середніх панелей можуть виявитися більшими, ніж стискальні напруження від лише одного постійного навантаження і розкіс буде розтягнутий. Розкіс не є жорстко зв'язаний з вузлом, він лише в нього впирається і не може працювати на розтяг. Замість розкоса, що мав би сприймати розтяг, починає працювати на стиск зворотній (перехресний) розкіс. У крайніх панелях прямі розкоси завжди стиснуті, і немає потреби в зворотних розкосах. Якщо ж їх ставлять, то лише для зменшення вільної довжини стиснутого прямого розкосу і підвищення його стійкості.

Ферми Гау в залізничних мостах застосовують для прогонів до 34 м. Автомобільні мости можуть перекривати прогони до 50 метрів (при стандартах навантажень прийнятих у нормах 1962 року — СН-200-62). Висоту ферми приймають 1/5 — 1/7 від довжини прогону. Довжину панелі вибирають з умовою, щоб кут нахилу розкосів був 45-65°.