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Balloon flange girder - Wikipedia

ここで説明されているガーダーは現在の I形鋼 の先祖というべきで、 まだ鋼が高価であったため、 橋の資材として鋼を使用することが不可で (値段が高すぎて)、錬鉄を使用した時代の話です。 上端の水平な鉄板 (フランジ) の代りに中空な構造 (パイプのようなもの) を使用します。 ほとんどが、イザムバード・キングダム・ブルネルが使用したもののようですが、ほとんど記録がない。

バルーン・フランジ・ガーダー
(Balloon flange girder)

バルーン・フランジ・ガーダー、あるいは (口語的に) バルーン・トッパ― (balloon topper) は錬鉄製の垂直な I-ビーム・プレート・ガーダー (vertical I-beam wrought iron plate girder) の一形式で、 上端のフランジが、単純な平坦な板ではなく、中空なチューブに拡張されたものである。 ガーダーが正の曲げモーメント (positive bending moment) にさらされると、 上端のフランジは圧縮で作用され、 平坦なフランジはバルーン・フランジよりも局所的に屈服 (buckle) しやすくなる。

この形式のガーダーはほとんど使用されることがなく、 唯一の普通の使用者は 1840 年代と 1850 年代の イザムバード・キングダム・ブルネル (Isambard Kingdom Brunel) である。

ブルネルの橋が、ブリストル・ハーバー
カンバーランド・ベイシンへの入口水門にかかる。
チェプストウ鉄道橋のガーダーの現存する断面、現在は
アクスブリッジ (Uxbridge) のブルネル大学にある。
  1. デザイン
  2. 発展
  3. 現存する実例
デザイン

ブルネルはある時期に、 橋と力学構造の理論的・数学的解析を増やして作業した。 ウィリアム・フェアベーン (William Fairbain) の仕事と共に、 とりわけコンウィ (Conwy) のようなスチーブンソンの管状橋 (tubular bridge) との 関連で、いかにして圧縮状態の梁が屈服 (buckling) により壊れるかの理解が増えた。

ブルネルは少なくとも大きな梁に対しては、素材としての鋳鉄に信頼を置いていなかったことで知られていた。 鋳鉄に対するこの不信が立証されたのは、彼の友人の スチーブンソンの冒険的な鋳鉄製のディー橋 (Dee Bridge、1846 年) が 1847 年に崩壊した時である。 ブルネルはこれに続く審理で、スチーブンソンを支持する証拠を与えたが、 これはスチーブンソンが当時の知識の範囲で有能な技術者であることを基礎にしたもので、大きな鋳鉄の梁を支持したものでなかった。 スチーブンソンのディー橋 (Dee Bridge) はトラス・ガーダーを使用し、 逆向きの T 字型の鋳鉄製のガーダーが、錬鉄製の伸張棒を利用してトラスになっていた。 この欠陥のあるデザインは橋の破壊の助けになり、トラス棒の伸張がダーダーの上部に圧縮を増大し、 そのため柱 (column) の破壊が起きた。 これにも関わらず、あとからの判断によって、 ブルネルは彼のトラス・デザインに類似の伸張鎖を適用した。

1840 年代頃に、パドル炉の発展により、錬鉄のコストが安くなり、 ローラー工場 (rolling mill) の改良により、大きな平坦な部分の製造が可能となった。 この鉄は今ではガーダー製造に経済的となり、平らな部分をリベット打ちして組み立てた。

発展

ブルネルは鋳鉄製のバルブ・ヘッド・ガーダー (bulb-headed girder) で すでに実験をしており、 これはパディントン (Paddington) の運河橋である比較的短い 35 フィートのビショップス橋 (Bishop's Bridge) においてであった。 これには断面が T 字形の下部フランジが伸張状態で、 大きな円型のバルブが上端にあって圧縮状態にあった。 ブルネルは彼の習慣であったように、 1838 年にこれらのガーダーのサンプルを強度に関して水圧でテストし、 彼の 「事実」 ("Facts") のノートの 1 冊に結果を記録した。

実験ガーダー (Experimental girder)

長スパンの橋のための、信頼できるガーダーを開発するために、 ブルネルは実物大のガーダーで注目すべき実験を実施した。 これは単純な錬鉄製の板ガーダー (plate girder) で、長さが 70 フィートであり、 橋が壊れそうになるまで積載し、最初は 165 トンで、修理後に 188 トンまで積載した。 ブルネルが気が付いていたことは、 このガーダーであり得る破壊のメカニズムは上部フランジ -- これは圧縮状態にある -- の屈服による崩壊 (buckling collapse) であった。 これに抵抗するために、フランジは 3 角形の板 (plate) で支えられ、フランジもわずかに湾曲していた。 実験は大成功で、 橋は間もなく、多大な負荷で壊れた。以前のデザインと比較すると、この容量の橋にとり、 建設資材の効率の良い使用になった。

左から、
  • 実験ガーダー (チェプストウ鉄道橋はこれに類似)
  • 南ウェールズ鉄道
  • 東ベンガル鉄道
  • カンバーランド・ベイシンの橋
  • ウィンザー鉄道橋
全てのガーダーは同じ比率、但しウィンザー・トラスは半分の大きさ
南ウェールズ鉄道 (SWR, South Wales Railway)

ブルネルはガーダーの初期・広範囲の利用を彼の南ウェールズ鉄道を通じて実施した。 これは 100 フィート・スパンまでで使用され、これ以上は鉄のトラス橋が使用された。

板ローラー (plate rolling) の改良により、ガーダーの形の変化が可能となった。 単にわずかにカーブした三角形のガセット (gusset) を持つ上端板 (top plate) の代りに、 今や半円板 (semi-circular plate) をローラーで作ることが可能となった。 これにより、二番目に表示した断面のように、 完全に進展したバルーン (balloon、風船) の形を使用することが可能となった。 ガーダーの上端ウェッブ (web、板材) は半円 (semi-circular) で L-ストリップ (L-strip) で 中央板にリベット付けされていた。 サイド・ガセット (side gussets) もカーブしており、 この上端板 (top plate) の端に平行にリベット付けされ、 元々使用されたように別の L-ストリップによっているわけではなかった。 ブルネルは滑らかなバルーンのプロファイルがもっと効率的であると (恐らくは正しく) 考え これは彼のデザインの幾何学的アプローチにより影響され、イートン (Eaton) の数学解析によるものではなかった。 もっと現実的には、平行な 「重ね接合」 (lap joint) は L-ストリップに比較すると、リベット打ちの量が半分になった。

これらの橋のどれもバルーンの形で生き延びていないことが知られている、 もっとも一つのガーダーは ブリジェンド (Bridgend) の近くのコイティ・ロード (Coity road) を横断する橋の拡幅工事 (1861 年) に再使用され、 ここで生き延びた。 コイティ・ロード (Coity Road) 橋はこの時までに建設されていたが、新しい Llynvi Valley Railway を収容するために拡幅された。 橋の一方の側は外側に移動されて、新しい側線 (siding) を収容し、 バルーン・ガーダーはこちらの側に設置された。 このガーダーは (とりわけブルネルの死後に設置され) それ以前に SWR の別の場所で使用されていたと思われている。 もっとも元々の日付と場所は不明である。

類似のガーダーはオーバー (Over) でセバーン川を横断するのに使用された。

東ベンガル鉄道 (Eastern Bengal Railway)
訳注
東ベンガル鉄道 ( Eastern Bengal Railway) は 1857 年 - 1942 年に、 イギリス領インド/a> (British India) の ベンガル (Bengal) と アッサム (Assam) にあった鉄道です。 東ベンガル鉄道は 1857 年の 英国議会 (Parliament of the United Kingdom) の 「東ベンガル鉄道法 1857 年」 により法人化され、 1884 年にインド政府により引き継がれ、 「東ベンガル国有鉄道」 (Eastern Bengal State Railway) に名称を 変更しました。 この鉄道の事は イザムバード・キングダム・ブルネル (1806 年 - 1859 年) には出てこないので、 深いかかわりを持っていたわけではないようです。

次の進展は半円の上端フランジ (semicircular flange) を保持したが、 側面のガセット (side gusset) は今や全く見捨てられた、 というのは、フランジの深さは、別のプレートで支えられなくても、十分に硬い (stiff) と考えられたからである。 これにより、ペンキを塗るために、内部へのアクセスが良好となった。 断続する横断隔膜 (cross diaphragms) がフランジを横断して設置されて、 主ウェッブとの相対位置を維持し、横方向の揺れによるひずみを避けた。

このガーダーの形式は東ベンガル鉄道 (Eastern Bengal Railway) のブルネルの工事に広く使用された。

カンバーランド・ベイシンの橋

ブルネルが 1848 年 - 1849 年の間にブリストル・ハーバーのカンバーランド・ベイシンの 入口水門を再建した時に、 彼は旋回橋 (swivel bridge) -- ブルネルの最初の可動橋 -- も建設した。 これは中央に軸があったが、高度に非対称で、外側が陸側よりも 3 倍近くも長く、 大きな鋳鉄製のカウンターウェイトで平衡を取っていた。

橋は軽量な道路用で、鉄道あるいは列車の重さを支える必要がなく、 ガーダーは軽量建設で、 製造が単純であった。 完全な上部バルーン・フランジ (full balloon upper flange) が使用され、南ウェールズ鉄道 (South Wales Railway) の橋に形が似ていたが、フランジ (flange) はガーダーの主ウェッブ (main web) の上に設置され、 ウェッブ (web) はフランジ (flange) を横断 (span) して上部に達していなかった。 この建造が単純であったのは次を避けたからである: T-接合 (T-joint)、必要な L-ストリップ (L-strips)、 従って幾つかのリベットの列。

下のフランジ (flange) は全く新しい形で、断面 (section) が 3 角形であったが、窪んだ側面 (concave side) がついていた。 再び、主ウェッブ (main web) はフランジ (flange) を横断 (span) しなかった。 3 つの全接合は今や単純な「重ね接合」 (lap joint) で、1 列のリベットがついていた。

初期のブルネルの幾つかの橋と同様に、これにブルネルがかかわったことは大体忘れ去られ、 世に知られていない作品に記録されているのみである。 ある時期には、深刻に取り壊される危険があったが、そのうち歴史的重要性が再認識された。 2014 年に橋を復元するために、 £100万 の要請があった。

とても良く似た旋回橋 (swivel bridge) が ロシアの クロンシュタット (Kronstadt) における 「ドック橋」 (Dock Bridge) として 数年後に建設された。

カンバーランド・ベイシンの橋
のガーダー、上部と下部の
フランジが見える。
ロシア、 クロンシュタット
ドック橋
訳注
クロンシュタントのドック橋: Google map ストリート・ビュー
ウィンザー鉄道橋 (Windsor Railway Bridge)

ウィンザー鉄道橋 (Windsor Railway Bridge, 1849 年) は 結合アーチ (tie-arch) あるいは弓ヅル (bowstring) のガーダー橋 (girder bridge) である。 スパンは 2 つのガーダーから構成され、これがトラスを作っている。 上部ガーダー (upper girder) はアーチで、橋の重さを支えている。 下部ガーダー (lower girder) はここから垂直な棒で吊り下げられ、 自身の重さを支えることが要求されていない。 下部ガーダーの主な機能は、結合 (tie) として動作することである; これはアーチの横方向の力 (side-forces) に逆らい、アーチの通常の横方向の力をこの基礎で避けている。 これは鉄道橋で、吊り下げられた路面の橋は路面が揺れることによる問題があるが、 このガーダーは硬くする機能もある。

ブルネルは彼のバルーン・フランジ・ガーダーの形式をどちらのガーダーにも使用した。 上部のアーチ・ガーダーは初期の実験の三角化形式 (triangulated form) を使用し、 上端の平坦な板とフランジ・ボックス (flange bos) の下には垂直なウェッブ (web, 板材) が全くない。 下部ガーダーはフランジの開放形式 ('open' form) を使用し、 わずかに湾曲し、ガセット板 (gusset plates) がない。 下部ガーダーは自信の重さを支えていないので、通常の屈服の力 (buckling force) にはさらされない。

ウィンザー鉄道橋のガーダー
チェプストウ鉄道橋 (Chepstow Railway Bridge)

チェプストウ鉄道橋 (1852 年) は複雑な橋で、ブルネルのトラス・デザインを始めて使用して、 吊り橋を作り、水運水路の上に随分高く、広く邪魔されないスパンがあった。 しかしながら、峡谷の西の堤防は浅く、ぬかるんでおり、 そこで橋の全スパンの半分は、100 フィート・スパンの 3 基のガーダー橋で提供され、 これらは鋳鉄製の柱 (pier) で支えられた。 これらのガーダー (挿絵) は元々の実験ガーダーと形式・大きさがとてもよく似ていた。

陸の方のガーダーは 1948 年に交換され、 主トラスは、その下のガーダーと共に、1962 年に交換された。

クラシー橋 (Crathie Bridge)

クラシー橋 (1854 年 - 1857 年) は 125 フィートのシングル・スパンの橋で、 Dee River を横断して、royal Balmoral estate に向かっていた。 橋はブルネルのトラス橋の形で始めて描かれ、 ソルタッシュ(Saltash) における彼の ロイヤル・アルバート橋を繰り返していた。 しかしながら、建設された橋は東ベンガル鉄道のように、 上部に C の形の開放形式を使用した。 橋は軽量交通のためのみであったため、路面の上のガーダーの硬いウェッブ (web) を開放格子 (openwork lattice) で交換することが可能であり、 橋からの光景が著名な住民にとり、もっと魅惑的にした。 これにもかかわらず、女王陛下 (Her Majesty) は橋でいらだった (not amused)。

クラシー (Crathie) 橋の X 格子と上部フランジ
訳注
クラシー橋: Google map ストリート・マップ
ディバイジズの「魚橋」 (Devizes 'Fish Bridge')

ウィルトシャー (Wiltshire) で、 でディバイジズ (Devizes, /dɪˈvaɪzɪz/) を通り抜け、 カーン・ヒル (Caen Hill) を下る 1857 年の鉄道は、通常とは違うバルーン・フランジの形で 道路を越え、バルーン・フランジと 「レンズ型プレート・ガーダー」 (lenticular plate girder) を結び付けた。 このレンズ型の魚の腹の形 (lencicular fish belly shape) により、 一般的に 「魚橋」 (Fish Belly) の名称が与えられた。 トラス・デザインに関しての仕事から、ブルネルはすでにレンズ形式 (lenticular form) の 利点に親しんでいた。

元々の 「魚橋」 は 1901 年に弓ヅル・トラス (bowstring truss) で交換された。 この名称は一般に使用され続け、 ビーチング・アックス (Beeching Axe) により鉄道が取り除かれたあとでもそうであった。

現存する実例