Concrete Beam Bridge
Achtergronden
Bijna 590.000 verkeersbruggen overspannen waterwegen, drooglanddepots, andere wegen en spoorwegen in de Verenigde Staten. De meest dramatische bruggen maken gebruik van complexe systemen zoals bogen, kabels, of driehoekige gevulde vakwerken om de rijweg te dragen tussen majestueuze kolommen of torens. Het werkpaard van het snelwegbrugsysteem is echter de relatief eenvoudige en goedkope betonnen liggerbrug.
Ook bekend als een liggerbrug, bestaat een liggerbrug uit een horizontale plaat die aan elk uiteinde wordt ondersteund. Omdat al het gewicht van de plaat (en eventuele objecten op de plaat) verticaal wordt overgebracht op de steunkolommen, 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 overbruggen. Grotere afstanden kunnen worden overbrugd door een aantal eenvoudige balkbruggen met elkaar te verbinden tot een zogenaamde doorlopende overspanning. De langste brug ter wereld, de Lake Pontchartrain Causeway in Louisiana, is een paar parallelle, tweestrooks doorlopende bruggen van bijna 38,4 km lang. De eerste van de twee bruggen werd voltooid in 1956 en bestaat uit meer dan 2.000 afzonderlijke overspanningen. De zusterbrug (die nu het noordelijke verkeer vervoert) werd 13 jaar later voltooid; hoewel zij 228 ft langer is dan de eerste brug, telt zij slechts 1.500 overspanningen.
Een brug bestaat uit drie hoofdelementen. Ten eerste brengt de onderbouw (fundering) het belaste gewicht van de brug over op de grond; deze bestaat uit onderdelen als kolommen (ook wel pijlers genoemd) en landhoofden. Een landhoofd is de verbinding tussen het uiteinde van de brug en de aarde; het biedt steun aan de einddelen van de brug. Ten tweede is de bovenbouw van de brug het horizontale platform dat de ruimte tussen de kolommen overspant. Tenslotte is het brugdek het verkeersdragende oppervlak dat aan de bovenbouw wordt toegevoegd.
Geschiedenis
De prehistorische mens begon bruggen te bouwen door de natuur te imiteren. Hij vond het handig om over een boom te lopen die over een beek was gevallen en begon boomstammen of stenen platen te plaatsen waar hij beken 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 zuilen en de oever kon leggen.
De eerste brug die werd gedocumenteerd, werd beschreven door Herodotus in 484 v. Chr. Hij bestond uit balken die werden ondersteund door stenen zuilen, en was zo’n 300 jaar eerder gebouwd over de rivier de Eufraat.
Het beroemdst om hun boogbruggen van steen en beton, bouwden de Romeinen ook balkenbruggen. De vroegst bekende Romeinse brug, die in 620 v. Chr. over de rivier de Tiber werd gebouwd, werd de Pons Sublicius genoemd omdat hij was gemaakt van houten balken (sublicae). Tot de Romeinse bruggenbouwtechnieken behoorde ook het gebruik van kistdammen bij de constructie van kolommen. Ze deden dit door een cirkelvormige opstelling van houten palen in de grond te drijven rond de beoogde plaats van de kolom. Nadat ze de houten ring met klei hadden bekleed om hem waterdicht te maken, pompten ze het water uit de omheining. Zo konden ze het beton voor de kolomvoet gieten.
Bruggenbouw begon de overgang van kunst naar wetenschap in 1717 toen de Franse ingenieur Hubert Gautier een verhandeling schreef over bruggenbouw. In 1847 schreef de Amerikaan Squire Whipple A Work on Bridge Building, dat de eerste analytische methoden bevatte voor het berekenen van de spanningen en spanningen in een brug. In de jaren 1880 werd “Consulting bridge engineering” opgericht als een specialiteit binnen de civiele techniek.
Volgende vooruitgang in de balkbruggenbouw zou voornamelijk komen van verbeteringen in bouwmaterialen.
Construction Materialsand Their Development
De meeste balkbruggen in snelwegen zijn gebouwd van beton en staal. De Romeinen gebruikten voor hun bruggen beton gemaakt van kalk en pozzalana (een rood, vulkanisch poeder). Dit materiaal verhardde snel, zelfs onder water, en het was sterk en waterdicht. Tijdens de Middeleeuwen werd in Europa in plaats daarvan kalkmortel gebruikt, maar die was in water oplosbaar. Het tegenwoordig zo populaire Portlandcement, een bepaald mengsel van kalksteen en klei, werd in 1824 uitgevonden door een Engelse metselaar genaamd Joseph Aspdin, maar het werd pas begin 1900 op grote schaal gebruikt als funderingsmateriaal.
Beton is goed bestand tegen samendrukken (drukkracht), maar is niet zo sterk onder trekkracht (trekkracht). In de negentiende eeuw werden in Europa en de Verenigde Staten verschillende pogingen ondernomen om beton te versterken door er trekbestendig ijzer in te verwerken. Een betere versie werd in de jaren 1880 in Frankrijk ontwikkeld door Francois Hennebique, die wapeningsstaven van staal gebruikte. De eerste belangrijke toepassing van gewapend beton in een brug in de Verenigde Staten was in de Alvord Lake Bridge in San Francisco’s Golden Gate Park; voltooid in 1889 en nog steeds in gebruik, werd deze brug gebouwd met wapeningsstaven van gedraaid staal, bedacht 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. Hierdoor wordt een drukkracht op het beton uitgeoefend, die de trekkrachten compenseert die op de balk worden uitgeoefend wanneer er een last 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 ontstaan aan de bovenzijde van de balk en trekkrachten aan de onderzijde van de balk.)
Tensioning kan worden toegepast op een betonnen balk die in een fabriek is geprefabriceerd, naar de bouwplaats wordt gebracht en door een kraan op zijn plaats wordt gehesen; of het kan worden toegepast op stortbeton dat op de uiteindelijke plaats van de balk wordt gestort. Spanning kan worden aangebracht op de staaldraden of -staven voordat het beton wordt gestort (voorspanning), of het beton kan worden gestort rond buizen met ongespannen staal waarop spanning wordt aangebracht nadat het beton is verhard (naspanning).
Ontwerp
Elke brug moet afzonderlijk worden ontworpen voordat hij wordt gebouwd. De ontwerper moet rekening houden met een aantal factoren, waaronder de plaatselijke topografie, waterstromingen, mogelijkheden voor ijsvorming in de rivier, windpatronen, aardbevingspotentieel, bodemgesteldheid, verwachte verkeersvolumes, esthetica en kostenbeperkingen.
Daarnaast moet de brug zodanig worden ontworpen dat hij structureel gezond is. Dit houdt in dat de krachten moeten worden geanalyseerd die op elk onderdeel van de voltooide brug zullen werken. Drie soorten belastingen dragen bij tot deze krachten. Dode belasting verwijst naar het gewicht van de brug zelf. Onder belasting wordt verstaan het gewicht van het verkeer dat de brug zal dragen. Omgevingsbelasting verwijst naar andere externe krachten zoals wind, mogelijke aardbevingen en mogelijke botsingen van het verkeer tegen de 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 eind van de jaren zestig is de waarde van redundantie in het ontwerp algemeen aanvaard. Dit betekent dat een brug zo wordt ontworpen dat het falen van een willekeurig lid niet onmiddellijk een instorting van de gehele constructie tot gevolg heeft. 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 plaats en functie, varieert het bouwproces ook van brug tot brug. Het hieronder beschreven proces geeft de belangrijkste stappen weer in de bouw van een vrij typische brug van gewapend beton die een ondiepe rivier overspant, met tussensteunen van betonnen kolommen die zich in de rivier bevinden.
Voorbeeldmaten voor veel van de brugonderdelen zijn in de volgende beschrijving opgenomen als hulpmiddel bij de visualisatie. Sommige zijn overgenomen uit brochures van leveranciers of standaardspecificaties van de industrie. Andere zijn details van een snelwegbrug die in 1993 in Albuquerque, New Mexico, over de Rio Grande werd gebouwd. De 1.245 voet lange, 10 rijstroken brede brug wordt ondersteund door 88 kolommen. Hij bevat 11.456 kubieke meter beton in de structuur en nog eens 8.000 kubieke meter in het wegdek. Ook bevat de brug 6,2 miljoen pond betonstaal.
Onderconstructie
- 1 Rond elke kolomlocatie in de rivierbedding wordt een bouwkuip gebouwd, en het water wordt van binnenuit de kuip gepompt. Een methode om de fundering aan te brengen is het boren van schachten door de rivierbedding, tot aan het vaste gesteente. Terwijl een grondboor grond uit de schacht omhoog brengt, wordt een kleislurrie in het gat gepompt om de grond te vervangen en te voorkomen dat de schacht instort. Wanneer de juiste diepte is bereikt (b.v. ongeveer 24,4 m), wordt een cilindrische kooi van betonstaal (wapening) in de met slurry gevulde schacht neergelaten (b.v. met een diameter van 2 m). Beton wordt naar de bodem van de schacht gepompt. Naarmate de schacht zich met beton vult, wordt de slurry uit de top van de schacht geperst, waar zij wordt opgevangen en gereinigd zodat zij kan worden hergebruikt. Het bovengrondse deel van elke kolom kan worden gevormd en ter plaatse worden gegoten, of worden geprefabriceerd en op zijn plaats worden gehesen en aan de fundering worden bevestigd.
- 2 De bruggenhoofden worden voorbereid op de rivieroever waar het brugeinde zal komen te rusten. Een betonnen achterwand wordt gevormd en gegoten tussen de bovenkant van de oever en de rivierbedding; dit is een steunmuur voor de grond achter het brugeinde. In de top van de achterwand wordt een richel (zitting) gevormd waarop het brugeinde kan rusten. Er kunnen ook vleugelmuren nodig zijn, die zich vanaf de achtermuur langs de rivieroever naar buiten uitstrekken om opvulgrond voor de brughoeken vast te houden.
- 3 In dit voorbeeld rust de brug op een paar kolommen op elk steunpunt. De onderbouw wordt voltooid door het plaatsen van een kap (een balk van gewapend beton) loodrecht op de richting van de brug, die reikt van de top van de ene kolom tot de top van zijn partner. In andere ontwerpen kan de brug op verschillende ondersteuningsconfiguraties rusten, zoals een brugbrede rechthoekige pier of een enkele, T-vormige kolom.
Superstructuur
- 4 Een kraan wordt gebruikt om stalen of voorgespannen betonnen liggers te plaatsen tussen opeenvolgende sets kolommen over de gehele lengte van de brug. De liggers worden met bouten aan de kolomkappen bevestigd. Voor de snelwegbrug van Albuquerque is elke ligger 1,8 m hoog en 40 m lang, met een gewicht van 54 ton.
- 5 Over de liggers worden stalen panelen of prefab betonplaten gelegd om een stevig 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 de plaats blijvende stalen bekisting voor het betonnen dek dat later wordt gestort.
Deck
- 6 Bovenop het brugdek wordt een vochtscherm geplaatst. Hiervoor kan bijvoorbeeld warm aangebracht polymeer-gemodificeerd asfalt worden gebruikt.
- 7 Bovenop het vochtscherm wordt een raster van betonstaalstaven aangebracht; dit raster wordt vervolgens in een betonnen plaat gevat. Het raster is driedimensionaal, met een laag betonijzer onderaan de plaat en een andere bovenaan.
- 8 Er wordt een betonnen bestrating gestort. Een dikte van 20,32-30,5 cm (8-12 in) betonverharding is geschikt voor een snelweg. Als er bekistingen voor de bovenbouw zijn gebruikt, wordt er beton in gestort. Indien geen bekistingen werden gebruikt, kan het beton worden aangebracht met een glijbekistingsmachine die het beton in één ononderbroken bewerking uitspreidt, verdicht en gladstrijkt. In beide gevallen wordt een slipvaste textuur op de verse betonplaat aangebracht door het oppervlak met de hand of mechanisch in te kerven met een borstel of ruw materiaal zoals jute. Zijdelingse voegen worden ongeveer om de 5 m aangebracht om scheuren in het wegdek te voorkomen; deze voegen worden vóór het storten van het beton in de bekisting aangebracht of na het uitharden van de bekiste plaat aangebracht. Een flexibel afdichtingsmiddel 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 diverse 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 (b.v. betonpartijen) en constructiedelen (b.v. balken en verbindingen) worden tijdens de bouw getest. Bij het bruggenproject in Albuquerque werden bijvoorbeeld statische en dynamische sterkteproeven uitgevoerd op een voorbeeld van een ter plaatse gebouwde kolomfundering en op twee van de productieschachten.
De toekomst
Er zijn talrijke overheidsinstanties en industrieverenigingen die onderzoek sponsoren en uitvoeren om materialen en bouwtechnieken te verbeteren. Een belangrijk doel is de ontwikkeling van lichtere, sterkere, duurzamere materialen zoals herbereid, hoogwaardig beton; vezelversterkte, polymeercomposietmaterialen ter vervanging van beton voor sommige onderdelen; epoxycoatings en elektrochemische beschermingssystemen ter voorkoming van corrosie van stalen wapening; alternatieve synthetische wapeningsvezels; en snellere, nauwkeurigere testtechnieken.
Waar vindt u meer informatie
Boeken
Brown, David J. Bridges. New York: Macmillan, 1993.
Hardesty, E. R., H. W. Fischer, R. W. Christie, and B. Haber. “Bridge.” In McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. New York: McGraw-Hill Book Company, 1987, pp. 49-58.
Troitsky, M.S. Planning and Design of Bridges. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1994.
Other
“General Information About Concrete Pavement.” American Concrete Pavement Association. http://www.pavement.com/general/conc-info.html (24 feb. 1998).
“Beam Bridge.” Nova Online “Super Bridge.” November 1997. http://www.pbs.org/wghb/nova/bridge/meetbeam.html (24 feb. 1998).
-Loretta Hall