Concrete Beam Bridge

Achtergrond

Bijna 590.000 rijwegbruggen overspannen waterwegen, droge landdepressies, andere wegen en spoorwegen in de Verenigde Staten. De meest dramatische bruggen gebruiken complexe systemen zoals bogen, kabels of met driehoeken gevulde spanten om de weg tussen majestueuze kolommen of torens te dragen. Het werkpaard van het snelwegbrugsysteem is echter de relatief eenvoudige en goedkope betonnen balkbrug.

Ook bekend als een liggerbrug, bestaat een balkbrug uit een horizontale plaat die aan elk uiteinde wordt ondersteund. Omdat al het gewicht van de plaat (en alle objecten op de plaat) verticaal naar de steunkolommen wordt overgebracht, kunnen de kolommen minder massief zijn dan steunen voor boog- of hangbruggen, die een deel van het gewicht horizontaal overbrengen.

Een eenvoudige balkbrug wordt over het algemeen gebruikt om een ​​afstand van 250 ft (76,2 m) of minder te overspannen. Grotere afstanden kunnen worden overbrugd door een reeks eenvoudige balkbruggen te verbinden tot een zogenaamde continue overspanning. In feite is 's werelds langste brug, de Lake Pontchartrain Causeway in Louisiana, een paar parallelle, tweebaans doorlopende overspanningsbruggen van bijna 38,4 km lang. De eerste van de twee bruggen werd in 1956 voltooid en bestaat uit meer dan 2.000 afzonderlijke overspanningen. De zusterbrug (die nu het verkeer naar het noorden draagt) werd 13 jaar later voltooid; hoewel het 228 ft langer is dan de eerste brug, bevat het slechts 1.500 overspanningen.

Een brug heeft drie hoofdelementen. Ten eerste brengt de onderbouw (fundering) het belaste gewicht van de brug naar de grond; het bestaat uit onderdelen zoals kolommen (ook wel pijlers genoemd) en landhoofden. Een landhoofd is de verbinding tussen het uiteinde van de brug en de aarde; het biedt ondersteuning voor de einddelen van de brug. Ten tweede is de bovenbouw van de brug het horizontale platform dat de ruimte tussen de kolommen overspant. Ten slotte is het dek van de brug het verkeersdragende oppervlak dat aan de bovenbouw wordt toegevoegd.

Geschiedenis

De prehistorische mens begon bruggen te bouwen door de natuur na te bootsen. Omdat hij het nuttig vond om over een boom te lopen die over een beek was gevallen, begon hij boomstammen of stenen platen te plaatsen waar hij beekjes wilde oversteken. Toen hij een bredere stroom wilde overbruggen, bedacht hij hoe hij stenen in het water kon stapelen en balken van hout of steen tussen deze kolommen en de oever kon leggen.

De eerste brug die gedocumenteerd werd, werd beschreven door Herodotus in 484 v. Chr. Het bestond uit balken die werden ondersteund door stenen zuilen en het was zo'n 300 jaar eerder aan de overkant van de rivier de Eufraat gebouwd.

Het meest bekend om hun boogbruggen van steen en beton, bouwden de Romeinen ook balkbruggen. In feite is de vroegst bekende Romeinse brug, gebouwd over de rivier de Tiber in 620 v. Chr. , heette de Pons Sublicius omdat het gemaakt was van houten balken (sublicae). Romeinse bruggenbouwtechnieken omvatten het gebruik van kofferdammen bij het bouwen van kolommen. Ze deden dit door een cirkelvormige opstelling van houten palen in de grond rond de beoogde kolomlocatie te drijven. Nadat ze de houten ring met klei hadden bekleed om hem waterdicht te maken, pompten ze het water uit de behuizing. Deze liet hen het beton voor de kolomvoet storten.

Het bouwen van bruggen begon de overgang van kunst naar wetenschap in 1717 toen de Franse ingenieur Hubert Gautier een verhandeling over bruggenbouw schreef. In 1847 schreef een Amerikaan genaamd Squire Whipple A Work on Bridge Building, die de eerste analytische methoden bevatte voor het berekenen van de spanningen en rekken in een brug. "Consulting bridge engineering" werd in de jaren 1880 opgericht als specialiteit binnen de civiele techniek.

Verdere vooruitgang in de constructie van balkbruggen zou voornamelijk komen van verbeteringen in bouwmaterialen.

Constructiematerialen
en hun ontwikkeling

De meeste snelwegbalkbruggen zijn gebouwd van beton en staal. De Romeinen gebruikten voor hun bruggen beton van kalk en pozzalana (een rood, vulkanisch poeder). Dit materiaal hardde snel uit, zelfs onder water, en het was sterk en waterdicht. Tijdens de Middeleeuwen in Europa werd in plaats daarvan kalkmortel gebruikt, maar het was in water oplosbaar. Het tegenwoordig populaire Portland-cement, een bepaald mengsel van kalksteen en klei, werd in 1824 uitgevonden door een Engelse metselaar genaamd Joseph Aspdin, maar het werd pas in het begin van de 20e eeuw veel gebruikt als funderingsmateriaal.

Beton is goed bestand tegen druk (drukkracht), maar is niet zo sterk onder spanning (trekkracht). In de negentiende eeuw zijn er in Europa en de Verenigde Staten verschillende pogingen ondernomen om beton te versterken door er trekvast ijzer in te verwerken. Een superieure versie werd in de jaren 1880 in Frankrijk ontwikkeld door Francois Hennebique, die wapeningsstaven van staal gebruikte. Het eerste significante gebruik van gewapend beton in een brug in de Verenigde Staten was in de Alvord Lake Bridge in het Golden Gate Park in San Francisco; voltooid in 1889 en nog steeds in gebruik, werd het gebouwd met wapeningsstaven van gedraaid staal, ontworpen door ontwerper Ernest L. Ransome.

De volgende belangrijke vooruitgang in de betonconstructie was de ontwikkeling van voorspanning. Een betonnen balk wordt voorgespannen door aan stalen staven te trekken die door de balk lopen en vervolgens de uiteinden van de staven aan de uiteinden van de balk te verankeren. Dit oefent een drukkracht uit op het beton en compenseert de trekkrachten die op de balk worden uitgeoefend wanneer er een belasting op wordt geplaatst. (Een gewicht dat op een horizontale balk drukt, heeft de neiging de balk in het midden naar beneden te buigen, waardoor drukkrachten langs de bovenkant van de balk en trekkrachten langs de onderkant van de balk ontstaan.)

Voorspanning kan worden toegepast op een betonnen balk die in een fabriek wordt geprefabriceerd, naar de bouwplaats wordt gebracht en met een kraan op zijn plaats wordt getild; of het kan worden toegepast op ter plaatse gestort beton dat op de uiteindelijke locatie van de balk wordt gestort. De staaldraden of staven kunnen worden gespannen voordat het beton wordt gestort (voorspanning), of het beton kan worden gestort rond buizen met ongespannen staal waarop spanning wordt uitgeoefend nadat het beton is uitgehard (naspannen).

Ontwerp

Elke brug moet afzonderlijk worden ontworpen voordat deze wordt gebouwd. De ontwerper moet rekening houden met een aantal factoren, waaronder de lokale topografie, waterstromingen, mogelijkheden voor rivierijsvorming, windpatronen, aardbevingspotentieel, bodemgesteldheid, verwachte verkeersvolumes, esthetiek en kostenbeperkingen.

Daarnaast moet de brug constructief gezond zijn ontworpen. Dit omvat analyseren Een opengewerkt aanzicht van een typische betonnen balkbrug. de krachten die op elk onderdeel van de voltooide brug zullen werken. Drie soorten belastingen dragen bij aan deze krachten. Dode belasting verwijst naar het gewicht van de brug zelf. Live load verwijst naar het gewicht van het verkeer dat de brug zal dragen. Milieubelasting verwijst naar andere externe krachten zoals wind, mogelijke aardbevingen en mogelijke verkeersbotsingen met brugsteunen. De analyse wordt uitgevoerd voor de statische (stationaire) krachten van de dode belasting en de dynamische (bewegende) krachten van de levende en omgevingsbelastingen.

Sinds het einde van de jaren zestig is de waarde van redundantie in het ontwerp algemeen aanvaard. Dit betekent dat een brug zo is ontworpen dat het bezwijken van een onderdeel niet onmiddellijk de gehele constructie instort. Dit wordt bereikt door andere leden sterk genoeg te maken om een ​​beschadigd lid te compenseren.

Het fabricageproces

Omdat elke brug uniek is ontworpen voor een specifieke locatie en functie, verschilt het bouwproces ook van brug tot brug. Het hieronder beschreven proces vertegenwoordigt de belangrijkste stappen bij het bouwen van een vrij typische brug van gewapend beton die een ondiepe rivier overspant, met tussenliggende betonnen kolomsteunen in de rivier.

Voorbeeldafmetingen voor veel van de brugcomponenten zijn in de volgende beschrijving opgenomen als hulpmiddel voor visualisatie. Sommige zijn overgenomen uit leveranciersbrochures of industriestandaardspecificaties. Anderen zijn details van een snelwegbrug die in 1993 over de Rio Grande in Albuquerque, New Mexico werd gebouwd. De 1,245-voet lange, 10-baans brede brug wordt ondersteund door 88 kolommen. Het bevat 11.456 kubieke meter beton in de constructie en nog eens 8.000 kubieke meter in de bestrating. Het bevat ook 6,2 miljoen pond wapeningsstaal.

Onderbouw

• 1 Rond elke kolomlocatie in de rivierbedding wordt een kofferdam gebouwd en het water wordt vanuit de behuizing opgepompt. Een methode om de fundering te leggen is door schachten door de rivierbedding te boren, tot aan de bodem. Terwijl een grondboor de grond uit de schacht omhoog brengt, wordt een kleislurry in het gat gepompt om de grond te vervangen en te voorkomen dat de schacht instort. Wanneer de juiste diepte is bereikt (bijv. ongeveer 80 ft of 24,4 m), wordt een cilindrische kooi van wapeningsstaal (wapening) neergelaten in de met slurry gevulde schacht (bijv. 72 inch of 2 m in diameter). Beton wordt naar de bodem van de schacht gepompt. Terwijl de schacht zich vult met beton, wordt de slurry uit de bovenkant van de schacht geperst, waar het wordt opgevangen en gereinigd zodat het opnieuw kan worden gebruikt. Het bovengrondse gedeelte van elke kolom kan ofwel worden gevormd en op zijn plaats worden gegoten, of geprefabriceerd en op zijn plaats worden getild en aan de fundering worden bevestigd.
• 2 Brughoofden worden voorbereid op de rivieroever waar het einde van de brug zal rusten. Tussen de top van de oever en de rivierbedding wordt een betonnen achterwand gevormd en gestort; dit is een keermuur voor de grond voorbij het einde van de brug. In de bovenzijde van de achterwand is een richel (stoel) gevormd waarop het bruguiteinde kan rusten. Vleugelwanden kunnen ook nodig zijn, die zich vanaf de achterwand langs de rivieroever naar buiten uitstrekken om vulvuil vast te houden voor de brugbenaderingen.
• 3 In dit voorbeeld rust de brug op een paar kolommen op elk steunpunt. De onderbouw wordt voltooid door een kap (een balk van gewapend beton) loodrecht op de richting van de brug te plaatsen, van de bovenkant van een kolom tot de bovenkant van zijn partner. In andere ontwerpen kan de brug op verschillende steunconfiguraties rusten, zoals een brugbrede rechthoekige pier of een enkele T-vormige kolom.

Bovenbouw

• 4 Een kraan wordt gebruikt om stalen of voorgespannen betonnen liggers tussen opeenvolgende reeksen kolommen over de hele lengte van de brug te plaatsen. De liggers worden vastgeschroefd aan de kolomkappen. Voor de Albuquerque snelwegbrug is elke ligger 6 ft (1,8 m) lang en tot 130 ft (40 m) lang, met een gewicht tot 54 ton.
• 5 Stalen panelen of prefab betonplaten worden over de liggers gelegd om een ​​solide platform te vormen, waarmee de bovenbouw van de brug wordt voltooid. Eén fabrikant biedt bijvoorbeeld een 4,5 inch (11,43 cm) diep gegolfd paneel van zwaar (7- of 9-gauge) staal aan. Een ander alternatief is een op zijn plaats blijvende stalen vorm voor het betonnen dek dat later zal worden gestort.

Dek

• 6 Bovenop het bovenbouwplatform is een vochtscherm geplaatst. Warm aangebracht, met polymeer gemodificeerd asfalt kan bijvoorbeeld worden gebruikt.
• 7 Bovenop de vochtbarrière wordt een raster van wapeningsstaven geconstrueerd; dit rooster wordt vervolgens ingekapseld in een betonplaat. Het raster is driedimensionaal, met een laag wapening nabij de onderkant van de plaat en een andere aan de bovenkant.
• 8 Betonverharding wordt gestort. Een dikte van 8-12 inch (20,32-30,5 cm) betonverharding is geschikt voor een snelweg. Als op hun plaats blijvende formulieren werden gebruikt als bovenbouwplatform, wordt er beton in gestort. Als er geen vormen werden gebruikt, kan het beton worden aangebracht met een slipform-bestratingsmachine die het beton in één continue bewerking uitspreidt, consolideert en gladmaakt. In beide gevallen wordt een stroeve textuur op de verse betonplaat geplaatst door het oppervlak handmatig of mechanisch in te snijden met een borstel of ruw materiaal zoals jute. Ongeveer elke 5 m (15 ft) worden laterale voegen aangebracht om scheuren in de bestrating te ontmoedigen; deze worden ofwel aan de vormen toegevoegd voordat beton wordt gestort of gesneden nadat een slipformed plaat is uitgehard. Een flexibele kit wordt gebruikt om de voeg af te dichten.

Kwaliteitscontrole

Het ontwerp en de constructie van een brug moeten voldoen aan normen die zijn ontwikkeld door verschillende instanties, waaronder de American Association of State Highway and Transportation Officials, de American Society for Testing and Materials en het American Concrete Institute. Verschillende materialen (bijv. betonnen batches) en structurele componenten (bijv. Balken en verbindingen) worden getest naarmate de constructie vordert. Een ander voorbeeld:op het Albuquerque-brugproject werden statische en dynamische sterktetests uitgevoerd op een monsterkolomfundering die op de locatie was gebouwd, en op twee van de productieschachten.

De Toekomst

Talloze overheidsinstanties en brancheverenigingen sponsoren en voeren onderzoek uit om materialen en constructietechnieken te verbeteren. Een belangrijk doel is de ontwikkeling van lichtere, sterkere, duurzamere materialen zoals geherformuleerd hoogwaardig beton; vezelversterkte, polymeercomposietmaterialen ter vervanging van beton voor sommige componenten; epoxycoatings en elektrochemische beschermingssystemen om corrosie van stalen wapening te voorkomen; alternatieve synthetische versterkende vezels; en snellere, nauwkeurigere testtechnieken.