Презентация 2 (1)

1.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ • КОНКУРС «ЗЕРДЕ» (5–8 КЛАССЫ)
Альтернативные решения в горном
мостостроении: арочная конструкция
против высотных опор
На примере моста при обходе Осиновского перевала и ущелья р. Пихтовка (ВКО)
Авторы:
Курмамбаев Алишер, Жданова Ольга (8 класс)
Наименование секции: Математика и прикладная математика

2.

ЧАСТЬ 1. АКТУАЛЬНОСТЬ И ПРОБЛЕМА
Осиновский перевал и ущелье р. Пихтовка
Трасса Усть-Каменогорск — Алтай изобилует опасными серпантинами, оползнями и лавинами. Новый обход
требует пересечения глубокого ущелья шириной 175 метров.
Высотные опоры
Опоры высотой до 60 м на неустойчивых склонах уязвимы к
сейсмике (7–8 баллов) и оползням.
Наша гипотеза
Арочная конструкция перераспределяет изгиб в сжатие и не
требует опор на дне каньона.

3.

ЧАСТЬ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Физика балки против физики арки
Сравнение напряженно-деформированного состояния конструкций под нагрузкой.
Балка на опорах
Арочный свод
Испытывает сильный изгиб и растяжение снизу. Требует
мощного армирования и тяжелых высотных колонн.
Переводит опасный изгиб в продольное сжатие. Сжатие —
самый выгодный режим для материалов.

4.

ЧАСТЬ 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ
Создание физических моделей
Для проверки гипотезы изготовлены картонный макет и точная металлическая модель.
Картонная модель
Металлическая модель
Параметры модели
Длина пролета: 70 см , Высота арки: 15 см , Общая высота: 35 см , Ширина: 27 см.

5.

ЧАСТЬ 3. ЭКСПЕРИМЕНТ
Нагрузочные испытания модели
Измерение прогиба в центре пролета с помощью индикатора часового типа.
Ступень
Вертикальный Характер поведения конструкции и распределения усилий
нагрузки P (кг) прогиб
в
центре
пролета f (мм)
1,0 кг
0,2 мм
Упругая деформация практически отсутствует, конструкция абсолютно стабильна,
усилия равномерно распределяются по ребрам свода.
3,0 кг
0,6 мм
Фиксация плавного распределения сжимающих усилий по направлению к опорным
пятам модели.
5,0 кг
1,1 мм
Незначительный упругий прогиб дорожного полотна, отсутствие каких-либо
признаков потери устойчивости или скрипов в узлах.
7,5 кг
1,8 мм
Основная часть напряжений сосредоточена в опорных зонах (пятах арки),
соприкасающихся с основанием.
10,0 кг
2,5 мм
Максимальный рабочий прогиб находится в пределах допустимых норм упругости;
после снятия нагрузки модель полностью вернулась в исходное положение
(остаточные деформации отсутствуют).

6.

ЧАСТЬ 3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Арочная система прочнее балки в 6 раз
Сравнение поведения арочной и балочной моделей при нагрузке 5 кг.
Арочный мост
Прогиб 1.1 мм
Исключительная жесткость и стабильность узлов.
Контрольная балка
Прогиб 6.4 мм
Выраженные признаки потери устойчивости.

7.

ЧАСТЬ 3. ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ
Масштабирование для ущелья р. Пихтовка
Перенос параметров модели на реальный объект с использованием масштабного коэффициента.
k = 250
Длина пролета L = 175 м
Стрела подъема арки Нарк = 37,5 м.
Н - горизонтальный распор
H =q * В
Подставим реальные числовые значения для ущелья р. Пихтовка:
Интенсивность нагрузки на погонный метр пролета шириной B = 6,75 м:
qпогон = 10,4 кН/м2 * 6,75 м = 70,2 кН/м.
Выполним расчет величины распора:

8.

ЧАСТЬ 3. РАСЧЕТ НАГРУЗОК
Сравнительный анализ арочной конструкции и высотных опор
Критерий сравнения
Традиционные высотные опоры (эстакада)
Проектируемая
арочная
конструкция
(через
р.
Пихтовка)
Основная работа материала
Изгиб и поперечный срез; высокие требования к маркам бетона на Чистое
растяжение.
Сейсмическая устойчивость
продольное
сжатие;
оптимальное
использование прочности стали и бетона.
Низкая в условиях высотных колонн (большой рычаг качания, риск Высокая пространственная жесткость; монолитный
резонанса).
свод эффективно гасит сейсмические волны.
Объем земляных и скальных работ Огромный (бурение глубоких скважин, устройство подпорных стен на Умеренный (монтаж опорных пя́т непосредственно в
крутых склонах).
Материалоемкость
Высокая (массивные тела высотных колонн, тяжелые балочные Экономичная (экономия бетона и арматурной стали
пролетные строения).
Аэродинамическая устойчивость
достигает 25–35% за счет работы на сжатие).
Уязвимость к боковым ветровым нагрузкам («эффект трубы» в узком Обтекаемая общая геометрия свода минимизирует
каньоне).
Интеграция в ландшафт
обнаженные скальные массивы берегов).
ветровое сопротивление.
Промышленные вертикальные бетонные доминанты, нарушающие Плавные линии арки гармонично дополняют горный
экосистему.
пейзаж Алтайской тайги.

9.

ЧАСТЬ 4. ПРЕИМУЩЕСТВА
Экономика, экология и сейсмостойкость
Комплексная эффективность внедрения арочных систем в горной местности.
25–35% экономии
Снижение расхода бетона
и стали за счет чистой
работы на сжатие.
Защита природы
Сохранение естественного
русла реки Пихтовка без
опор на дне каньона.
7–8 баллов
Высокая сейсмостойкость
благодаря монолитной
пространственной жесткости.

10.

ЧАСТЬ 4. ПРАКТИКА
Точки внедрения в Казахстане
Перспективные участки для модернизации аварийных мостовых переходов.
Гора Белуха
Мост через р. Белая Берель в КатонКарагайском районе (аварийный).
Шнайдеровский мост
Горные регионы
Историческая переправа через р. Ульба в г.
Усть-Каменогорске.
Мост через реку Тургень

11.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выводы и подтверждение гипотезы
Выводы:
Изучены физико-географические и инженерно-геологические особенности Восточно-Казахстанской области и проекта обхода Осиновского
перевала, доказана необходимость поиска инновационных решений для мостового перехода через ущелье реки Пихтовка взамен уязвимых
высотных эстакад.
Теоретически обосновано, что в отличие от балочных систем, работающих на изгиб и растяжение, арочная конструкция переводит внешние
нагрузки в продольные сжимающие усилия, что идеально соответствует физико-механическим свойствам строительных материалов и
обеспечивает максимальную прочность.
На физической модели металлического арочного моста (длина 70 см, высота арки 15 см, общая высота 35 см, ширина 27 см) экспериментально
доказана высокая жесткость свода: при нагрузке 10 кг упругий прогиб составил всего 2,5 мм без остаточных деформаций, что почти в 6 раз
превосходит показатели контрольной балочной модели.
С помощью математического метода геометрического подобия (k = 250) результаты успешно масштабированы на реальный объект в ущелье р.
Пихтовка с пролетом 175 м. Рассчитанный горизонтальный распор в пятах арки (H=7166кН) гарантированно воспринимается монолитными
скальными берегами.
Разработаны предложения по внедрению арочных мостов в регионе Алтай, доказана их экономическая эффективность (экономия материалов до
35%), экологичность и сейсмостойкость.

12.

Спасибо за внимание!