Betonbjælkebro

Betonbjælkebro

Baggrund

Næsten 590.000 vejbroer spænder over vandveje, tørre lavninger, andre veje og jernbaner i hele USA. De mest dramatiske broer bruger komplekse systemer som buer, kabler eller trekantede spær til at bære vejbanen mellem majestætiske søjler eller tårne. Arbejdsdyret i motorvejsbroen er dog den relativt enkle og billige betonbjælkebro.

En bjælkebro, også kendt som en bjælkebro, består af en vandret plade, der er understøttet i hver ende. Da hele vægten af pladen (og eventuelle genstande på pladen) overføres lodret til støttesøjlerne, kan disse være mindre massive end understøtninger til buebroer eller hængebroer, som overfører en del af vægten vandret.

En simpel bjælkebro anvendes generelt til at spænde over en afstand på 76,2 m (250 ft) eller mindre. Længere afstande kan overspændes ved at forbinde en række simple bjælkebroer til det, der kaldes et sammenhængende spænd. Faktisk er verdens længste bro, Lake Pontchartrain Causeway i Louisiana, et par parallelle, tosporede broer med kontinuerlig spændvidde på næsten 38,4 km (24 mi). Den første af de to broer blev færdiggjort i 1956 og består af mere end 2.000 individuelle brofag. Søsterbroen (som nu bærer den nordgående trafik) blev færdig 13 år senere; selv om den er 228 fod længere end den første bro, indeholder den kun 1.500 spænd.

En bro har tre hovedelementer. For det første overfører underkonstruktionen (fundamentet) broens belastede vægt til jorden; den består af komponenter som f.eks. søjler (også kaldet moler) og støttepiller. Et støttepunkt er forbindelsen mellem enden af broen og jorden; det giver støtte til broens endestykker. For det andet er broens overbygning den horisontale platform, der spænder over rummet mellem søjlerne. Endelig er broens dæk den trafikbærende overflade, der er føjet til overbygningen.

Historie

Den forhistoriske mand begyndte at bygge broer ved at efterligne naturen. Da han fandt det nyttigt at gå på et træ, der var faldet ned over et vandløb, begyndte han at placere træstammer eller stenplader, hvor han ønskede at krydse vandløb. Når han ønskede at bygge bro over et bredere vandløb, fandt han ud af at stable sten i vandet og lægge bjælker af træ eller sten mellem disse søjler og bredden.

Den første bro, der er dokumenteret, blev beskrevet af Herodot i 484 f.Kr. Den bestod af træbjælker støttet af stensøjler, og den var blevet bygget over Eufratfloden omkring 300 år tidligere.

Mest berømt for deres buebroer af sten og beton byggede romerne også bjælkebroer. Faktisk blev den tidligst kendte romerske bro, der blev bygget over Tiberfloden i 620 f.Kr., kaldt Pons Sublicius, fordi den var lavet af træbjælker (sublicae). De romerske teknikker til brobygning omfattede brug af kistevægge ved opførelsen af søjler. Det gjorde de ved at slå et cirkulært arrangement af træpæle ned i jorden omkring den planlagte søjleplacering. Efter at have foret træringen med ler for at gøre den vandtæt pumpede de vandet ud af indhegningen. Dette gjorde det muligt for dem at støbe betonen til søjlefoden.

Brobyggeriet begyndte overgangen fra kunst til videnskab i 1717, da den franske ingeniør Hubert Gautier skrev en afhandling om brobygning. I 1847 skrev en amerikaner ved navn Squire Whipple A Work on Bridge Building, som indeholdt de første analytiske metoder til beregning af spændinger og belastninger i en bro. “Consulting bridge engineering” blev etableret som et speciale inden for civilingeniørarbejde i 1880’erne.

Flere fremskridt inden for bjælkebrobyggeri ville primært komme fra forbedringer i byggematerialer.

Construction Materialsand Their Development

De fleste motorvejsbjælkebroer er bygget af beton og stål. Romerne brugte beton fremstillet af kalk og pozzalana (et rødt, vulkansk pulver) i deres broer. Dette materiale hærdede hurtigt, selv under vand, og det var stærkt og vandtæt. I middelalderen i Europa blev der i stedet brugt kalkmørtel, men det var vandopløseligt. Nutidens populære Portlandcement, en særlig blanding af kalksten og ler, blev opfundet i 1824 af en engelsk murer ved navn Joseph Aspdin, men det blev først i begyndelsen af 1900-tallet udbredt som fundamentsmateriale.

Beton har en god styrke til at modstå kompression (preskraft), men er ikke så stærk under spænding (trækkraft). Der blev gjort flere forsøg i Europa og USA i det nittende århundrede på at forstærke beton ved at indlejre trækmodstandsdygtigt jern i den. En bedre version blev udviklet i Frankrig i 1880’erne af Francois Hennebique, som anvendte armeringsstænger af stål. Den første betydelige anvendelse af armeret beton i en bro i USA var i Alvord Lake Bridge i San Franciscos Golden Gate Park; den blev færdiggjort i 1889 og er stadig i brug i dag, og den blev bygget med armeringsstænger af snoet stål, som designeren Ernest L. Ransome havde udtænkt.

Det næste betydelige fremskridt inden for betonbyggeri var udviklingen af forspænding. En betonbjælke forspændes ved at trække i stålstænger, der løber gennem bjælken, og derefter forankre enderne af stængerne til enderne af bjælken. Dette udøver en trykkraft på betonen og opvejer de trækkræfter, der udøves på bjælken, når der lægges en belastning på den. (En vægt, der trykkes ned på en vandret bjælke, har tendens til at bøje bjælken nedad på midten, hvilket skaber trykkræfter langs bjælkens top og trækkræfter langs bjælkens bund.)

Presning kan anvendes på en betonbjælke, der er præfabrikeret på en fabrik, bragt til byggepladsen og løftet på plads af en kran, eller den kan anvendes på pladsstøbt beton, der støbes på bjælkens endelige placering. Der kan påføres spænding på ståltråde eller -stænger, før betonen støbes (forspænding), eller betonen kan støbes omkring rør, der indeholder uspændt stål, som påføres spænding, efter at betonen er hærdet (efterspænding).

Design

Hver bro skal designes individuelt, før den bygges. Konstruktøren skal tage hensyn til en række faktorer, herunder den lokale topografi, vandstrømme, mulighederne for flodisdannelse, vindmønstre, jordskælvspotentiale, jordbundsforhold, forventet trafikmængde, æstetik og omkostningsbegrænsninger.

Dertil kommer, at broen skal konstrueres, så den er strukturelt forsvarlig. Dette indebærer en analyse af de kræfter, der vil virke på hver enkelt komponent i den færdige bro. Tre typer af belastninger bidrager til disse kræfter. Dødlast henviser til selve broens vægt. Den levende last henviser til vægten af den trafik, som broen skal bære. Miljøbelastning henviser til andre eksterne kræfter som f.eks. vind, mulige jordskælv og mulige kollisioner mellem trafikken og brostøtterne. Analysen udføres for de statiske (stationære) kræfter fra den døde last og de dynamiske (bevægelige) kræfter fra de levende og miljømæssige belastninger.

Siden slutningen af 1960’erne er værdien af redundans i konstruktionen blevet bredt accepteret. Det betyder, at en bro er konstrueret således, at svigt af et enkelt element ikke vil medføre et øjeblikkeligt sammenbrud af hele konstruktionen. Dette opnås ved at gøre andre elementer stærke nok til at kompensere for et beskadiget element.

Fremstillingsprocessen

Da hver bro er unikt designet til et bestemt sted og en bestemt funktion, varierer byggeprocessen også fra den ene bro til den anden. Den nedenfor beskrevne proces repræsenterer de vigtigste trin i konstruktionen af en ret typisk bro af armeret beton, der spænder over en lavvandet flod, med mellemliggende betonsøjlestøtter placeret i floden.

Der er medtaget eksempler på størrelser for mange af brokomponenterne i den følgende beskrivelse som en hjælp til visualisering. Nogle er taget fra leverandørernes brochurer eller fra branchens standardspecifikationer. Andre er detaljer fra en motorvejsbro, der blev bygget over Rio Grande i Albuquerque, New Mexico, i 1993. Den 1.245 fod lange og 10 spor brede bro er understøttet af 88 søjler. Den indeholder 11.456 kubikmeter beton i konstruktionen og yderligere 8.000 kubikmeter i belægningen. Den indeholder også 6,2 millioner pund armeringsstål.

Underkonstruktion

• 1 Der er bygget en cofferdam omkring hver søjleplacering i flodlejet, og vandet pumpes ud indefra indhegningen. En metode til at etablere fundamentet er at bore skakte gennem flodlejet ned til grundfjeldet. Når en snegl bringer jord op fra skakten, pumpes der en lerslammet op i hullet for at erstatte jorden og forhindre, at skakten kollapser. Når den rette dybde er nået (f.eks. ca. 24,4 m eller 80 fod), sænkes et cylindrisk bur af armeringsstål (armeringsstænger) ned i den opslæmmede skakt (f.eks. 2 m i diameter). Der pumpes beton til bunden af skakten. Efterhånden som skakten fyldes med beton, presses opslæmningen ud af toppen af skakten, hvor den opsamles og renses, så den kan genbruges. Den overjordiske del af hver søjle kan enten formes og støbes på plads eller være præfabrikeret og løftes på plads og fastgøres til fundamentet.
• 2 Brostøtterne forberedes på flodbredden, hvor broenden skal hvile. Der formes og støbes en betonbagvæg mellem toppen af bredden og flodlejet; dette er en støttemur for jorden bag broens ende. I toppen af bagvæggen dannes der en afsats (sæde), som broenden skal hvile på. Der kan også være behov for fløjvægge, der strækker sig udad fra bagvæggen langs flodbredden for at tilbageholde fyldjord til broens tilgange.
• 3 I dette eksempel vil broen hvile på et par søjler i hvert støttepunkt. Underkonstruktionen færdiggøres ved at placere en kappe (en bjælke af armeret beton) vinkelret på broens retning, der rækker fra toppen af den ene søjle til toppen af dens partner. I andre konstruktioner kan broen hvile på forskellige støttekonfigurationer som f.eks. en rektangulær mole i hele broen eller en enkelt T-formet søjle.

Overbygning

• 4 En kran bruges til at sætte stål- eller spændbetondragere mellem på hinanden følgende sæt søjler i hele broens længde. Bærerne er boltet fast til søjlekapperne. På motorvejsbroen i Albuquerque er hver bjælke 1,8 m høj og op til 40 m lang og vejer op til 54 tons.
• 5 Stålplader eller præfabrikerede betonplader lægges på tværs af bjælkerne for at danne en solid platform, der fuldender broens overbygning. En producent tilbyder f.eks. et 11,43 cm (4,5″) dybt bølget panel af tungt stål (7- eller 9-kaliber). Et andet alternativ er en stålform, der kan forblive på plads, til betondækket, der støbes senere.

Dæk

• 6 Der anbringes en fugtspærre oven på overbygningsplatformen. Der kan f.eks. anvendes varmt påført polymermodificeret asfalt.
• 7 Der konstrueres et gitter af armeringsstålstænger oven på fugtspærren; dette gitter vil efterfølgende blive indkapslet i en betonplade. Gitteret er tredimensionelt med et lag armeringsstænger i bunden af pladen og et andet i toppen.
• 8 Betonbelægningen støbes. En tykkelse på 20,32-30,5 cm (8-12 in) af betonbelægning er passende for en motorvej. Hvis der er anvendt stay-in-place-forme som overbygningsplatform, hældes betonen i dem. Hvis der ikke er anvendt forskallinger, kan betonen påføres med en gummigravemaskine, der spreder, konsoliderer og udglatter betonen i én kontinuerlig arbejdsgang. I begge tilfælde anbringes der en skridsikker struktur på den friske betonplade ved manuelt eller mekanisk at ridses overfladen med en børste eller et ru materiale som f.eks. jute. For at undgå, at belægningen revner, anbringes der ca. hver 5 m (15 ft) sideværts samlinger, som enten tilføjes til formene, inden betonen hældes, eller som skæres ud, efter at en glidende formet plade er blevet hærdet. Der anvendes et fleksibelt tætningsmiddel til at forsegle fugen.

Kvalitetskontrol

Design og konstruktion af en bro skal opfylde standarder, der er udviklet af flere organer, herunder den amerikanske sammenslutning af statslige vej- og transportembedsmænd, American Society for Testing and Materials og American Concrete Institute. Forskellige materialer (f.eks. betonpartier) og strukturelle komponenter (f.eks. bjælker og forbindelser) afprøves efterhånden som byggeriet skrider frem. Som et yderligere eksempel kan nævnes, at der i forbindelse med Albuquerque-broprojektet blev udført statiske og dynamiske styrkeprøvninger på et prøveeksemplar af et søjlefundament, der blev bygget på stedet, og på to af produktionsskakterne.

Fremtiden

En lang række statslige organer og brancheforeninger sponsorerer og udfører forskning for at forbedre materialer og byggeteknikker. Et vigtigt mål er udvikling af lettere, stærkere og mere holdbare materialer som f.eks. omformuleret, højtydende beton, fiberforstærket polymerkompositmateriale til at erstatte beton i visse komponenter, epoxybelægninger og elektrokemiske beskyttelsessystemer til at forhindre korrosion af armeringsstål, alternative syntetiske armeringsfibre og hurtigere og mere præcise testteknikker.

Hvor kan man få mere at vide

Bøger

Brown, David J. Bridges. New York: Macmillan, 1993.

Hardesty, E. R., H. W. Fischer, R. W. Christie, og B. Haber. “Bridge.” I McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. New York: McGraw-Hill Book Company, 1987, s. 49-58.

Troitsky, M.S. Planning and Design of Bridges. New York: John Wiley & Sons, Inc. 1994.

Andre

“Generel information om betonbelægninger”. 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