Por que seria usada uma placa de rolamento que concentra ainda mais a carga em uma superfície pequena?

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Aqui está uma foto de uma placa de rolamento onde uma viga de concreto armado da ponte encontra o aterro

O vão da ponte tem cerca de 20 metros de comprimento e consiste em duas vigas de concreto armado, cada uma apoiada em duas placas de apoio como a mostrada - uma placa para cada extremidade de cada viga, totalizando quatro placas. A ponte possui uma ferrovia projetada para carros de 25 toneladas por eixo. A placa de apoio é feita de ferro fundido (ou talvez aço) e consiste em duas partes grandes unidas por uma dobradiça.

25 toneladas por vagão por eixo significa que a ponte suporta algo como várias centenas de toneladas quando um trem está passando, o que podemos assumir causa pelo menos cem toneladas por placa de rolamento mostrada. Sim, eu apenas ignorei o peso da ponte.

As superfícies superior e inferior da placa não são apenas pequenas, mas a placa concentra ainda mais a carga aceita e a transfere para a dobradiça por uma superfície ainda menor. Basicamente, apenas essa dobradiça pequena aceita mais de cem toneladas. E isso é projetado de propósito.

Por que a carga é deliberadamente concentrada em vez de ser distribuída ou pelo menos transferida através de alguma peça com seção uniforme?

— dente afiado
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Porque pontes e outras estruturas não são objetos estáticos. Eles devem poder flexionar sob cargas variáveis e também acomodar alterações no comprimento da expansão térmica. O pino da dobradiça permite alterações no ângulo. e a junta deslizante entre a placa da dobradiça superior e a placa plana na parte inferior da viga permite alterações no comprimento.

Se as conexões fossem rígidas, essas forças poderiam destruir a estrutura ao longo do tempo.

— Dave Tweed
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Isso ocorre nos casos em que a ponte se dobra para baixo devido à passagem de carga pesada?

— sharptooth

@sharptooth Sim. E qualquer outro movimento. Geralmente, no outro extremo da ponte, haverá algum tipo de disposição da placa deslizante.

— Dave huh

@sharptooth É possível, em algumas pontes mais antigas, com algo chamado rolamento de balancim, que durante ciclos de expansão e contração ou flexão suficientes, juntamente com algum congelamento devido à temperatura ou corrosão, que os balancins "andem" de suas almofadas de rolamento, ou acabará listando / inclinando tanto que se tornará instável. Eu inspecionei uma ponte uma vez que teve seu bloco oscilante ejetado do mancal e ele estava sentado no chão a 6 pés de distância. No começo, eu não sabia o que era quando o peguei, depois olhei para o rolamento e vi que ele havia caído e não estava funcionando como pretendido.

— Forward Ed

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O motivo é bem simples. O aço é significativamente mais forte que o concreto.

$f_c > 100~\text{MPa}$ $f_c > 40~\text{MPa}$

$f_y > 250~\text{MPa}$

O aço nessa ponte é, portanto, cerca de 7-8 vezes mais forte que o concreto. Portanto, qualquer que seja a área que o concreto exija para transferir com segurança a carga para o aço (através das chapas), o aço realmente precisa de muito menos, para poder reduzir com segurança suas próprias dimensões. A flambagem é controlada pelo suporte em toda a dobradiça.

Quanto ao motivo pelo qual uma dobradiça é usada, isso tem a ver com a forma como a ponte foi projetada, conforme descrito na resposta de @ DaveTweed.

— Wasabi
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O progresso na resistência do concreto é surpreendentemente não monotônico: pesquisas nos últimos 20 ou 30 anos revelaram que o concreto romano do BCE é incrivelmente forte, aparentemente devido à mistura de cinzas vulcânicas no material.

— Carl Witthoft

@CarlWitthoft: Sim, mas eu diria (sem fontes) que uma vez que o concreto foi redescoberto após a idade das trevas e da meia-idade, e especialmente após a revolução científica, sua força aumentou monotonicamente (mas certamente não é uma taxa constante). Duvido que a ponte sobre a qual o OP esteja perguntando tenha mais de 50 anos.

— Wasabi

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O aço também progrediu. Existem 2 aços fundidos tratados com calor GPA UTS com 5 a 10% de alongamento, embora sejam muito mais caros que as alternativas sub 1 GPa, devido ao vácuo necessário ou cobertura de argônio durante a fusão e vazamento. Também os aços TRIP e TWIP com dureza ao impacto e absorção de energia dramaticamente aprimoradas (embora seja certo que isso não tem muito a ver com força). O TWIP é de até 800 MPa, ou até 100% de alongamento. Sim, dobrando de comprimento antes da falha. Também muito caro devido a um complexo tratamento térmico combinado e processo de formação com química restrita.

— Wwarriner

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@CarlWitthoft: Eu diria que o progresso (ou a falta dela) da tecnologia concreta tem mais a ver com forças de mercado e canais de distribuição do que inovação / descoberta técnica. Os noruegueses produziram brocas de perfuração de haste oca com concreto ao invés de aço, por exemplo. Porém, interesses da indústria, como fornecedores locais agregados, fabricantes de cimento Portland, etc, e preocupações com custos são, de fato, alguns dos principais obstáculos à adoção comercial, na minha opinião.

— AsymLabs

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Se você voltar aos cursos básicos de engenharia e observar os diagramas de momento fletor para vigas, muitas vezes eles serão ilustrados com suportes de roletes de pinos. Fixado em uma extremidade, permitindo apenas a rotação, e a conexão do rolo na outra, permitindo a rotação e a translação horizontal. Isso torna o feixe estaticamente determinante.

Quando esta ponte foi construída originalmente, não havia opção de mancais elastoméricos / de borracha e alguns outros. Esse design emula nossas fórmulas que usamos para design, ou melhor, as fórmulas funcionam com esse arranjo. Portanto, esse tipo de configuração é bom. Ele nos permite usar nossas fórmulas como pretendido, mantém o design simples e usa a tecnologia da época. Além disso, como mencionado em outros postes, ele permite a rotação no suporte como resultado de carga ativa, variações no ponto morto ou ceder após a remoção do escoramento (construção de escoramento assumido. Se a viga foi levantada no lugar após o vazamento, a grande A chapa de aço embutida no concreto permite algumas imprecisões na medição do vão e na colocação uniforme, além de apoiar o deslocamento da viga ligeiramente devido a vibrações ou terremotos.

Observe que você também verá uma configuração semelhante com vigas de aço em vários tipos de rolamentos. Acredito que o termo sapato ou placa de sapato será usado, embora isso possa ser mais para edifícios do que pontes.

De lado

Quando se trata de pontes "RAIL", a grande maioria na América do Norte projetada para AREMA consistirá em extensões simples, sejam pontes de extensão única ou de extensão múltipla. Achei essa afirmação engraçada enquanto estava no curso da AREMA, quando acabei de inspecionar cerca de uma dúzia de pontes ferroviárias na minha cidade, com a grande maioria não seguindo essa regra. Nas pontes rodoviárias, você tenderá a ver a carga contínua e, como resultado, essas pontes não são estaticamente determinantes.

— Forward Ed
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