Betonipalkkisilta

Betonipalkkisilta

Tausta

Yhdysvalloissa on lähes 590 000 maantiesiltaa, jotka kattavat vesiväyliä, kuivan maan painanteita, muita teitä ja rautateitä. Näyttävimmissä silloissa käytetään monimutkaisia järjestelmiä, kuten kaaria, kaapeleita tai kolmiotäytteisiä ristikoita, jotka kantavat tietä majesteettisten pylväiden tai tornien välissä. Maanteiden siltajärjestelmän työhevonen on kuitenkin suhteellisen yksinkertainen ja edullinen betoninen palkkisilta.

Palkkisilta tunnetaan myös nimellä palkkisilta, ja se koostuu molemmista päistä tuetusta vaakasuorasta laatasta. Koska koko laatan (ja laatan päällä olevien esineiden) paino siirretään pystysuunnassa tukipylväisiin, pylväät voivat olla vähemmän massiivisia kuin kaari- tai riippusiltojen tukipylväät, jotka siirtävät osan painosta vaakasuunnassa.

Yksinkertaista palkkisiltaa käytetään yleensä korkeintaan 76,2 metrin (250 jalkaa) pituisen matkan ylittämiseen. Pidemmät etäisyydet voidaan ylittää yhdistämällä sarja yksinkertaisia palkkisiltoja niin sanotuksi jatkuvaksi jänneväliksi. Maailman pisin silta, Lake Pontchartrain Causeway Louisianassa, on pari rinnakkaista kaksikaistaista jatkuvan jännevälin siltaa, joiden pituus on lähes 38,4 km (24 mailia). Ensimmäinen näistä kahdesta sillasta valmistui vuonna 1956, ja se koostuu yli 2 000 yksittäisestä jännevälistä. Sisarsilta (joka nyt kuljettaa pohjoiseen suuntautuvaa liikennettä) valmistui 13 vuotta myöhemmin; vaikka se on 228 jalkaa pidempi kuin ensimmäinen silta, siinä on vain 1 500 jännettä.

Sillalla on kolme pääelementtiä. Ensinnäkin alusrakenne (perustus) siirtää sillan kuormitetun painon maahan; se koostuu osista, kuten pylväistä (joita kutsutaan myös laitureiksi) ja tukipilareista. Tukipylväs on sillan päädyn ja maan välinen yhteys; se antaa tukea sillan päätyosille. Toiseksi sillan päällysrakenne on vaakasuora alusta, joka kattaa pilarien välisen tilan. Lopuksi sillan kansi on päällysrakenteeseen lisätty liikennettä kantava pinta.

Historia

Esihistoriallinen ihminen alkoi rakentaa siltoja luontoa jäljittelemällä. Koska hän koki hyödylliseksi kävellä puron yli kaatuneen puun päällä, hän alkoi sijoittaa puunrunkoja tai kivilaattoja sinne, missä hän halusi ylittää puroja. Kun hän halusi silloittaa leveämmän puron, hän keksi kasata kiviä veteen ja asettaa puu- tai kivipalkkeja näiden pylväiden ja penkereen väliin.

Herodotos kuvasi ensimmäisen dokumentoidun sillan vuonna 484 eaa. Se koostui kivipylväiden kannattelemista puista, ja se oli rakennettu Eufrat-joen ylitse noin 300 vuotta aiemmin.

Roomalaiset ovat kuuluisimpia kivestä ja betonista valmistetuista kaarisilloistaan, mutta he rakensivat myös palkkisiltoja. Itse asiassa varhaisinta tunnettua roomalaista siltaa, joka rakennettiin Tiber-joen yli vuonna 620 eaa., kutsuttiin nimellä Pons Sublicius, koska se oli tehty puupalkeista (sublicae). Roomalaisiin sillanrakennustekniikoihin kuului myös pilarien rakentamisen yhteydessä käytettävien kofferdammien käyttö. Tämä tehtiin lyömällä puupylväiden ympyränmuotoinen järjestely maahan aiotun pylväspaikan ympärille. Kun puukehä oli vuorattu savella vesitiiviiksi, vesi pumpattiin ulos kotelosta. Näin he pystyivät valamaan betonia pylväsperustaan.

Siltojen rakentaminen alkoi siirtyä taiteesta tieteeksi vuonna 1717, kun ranskalainen insinööri Hubert Gautier kirjoitti tutkielman sillanrakennuksesta. Vuonna 1847 yhdysvaltalainen Squire Whipple kirjoitti teoksen A Work on Bridge Building, joka sisälsi ensimmäiset analyyttiset menetelmät sillan jännitysten ja rasitusten laskemiseksi. ”Konsultoiva siltatekniikka” vakiintui erikoisalaksi maa- ja vesirakentamisen piiriin 1880-luvulla.

Palkkisiltojen rakentamisen edistysaskeleet tulisivat ensisijaisesti rakennusmateriaalien parantumisen myötä.

Rakennusmateriaalit ja niiden kehitys

Useimmat valtatien palkkisillat on rakennettu betonista ja teräksestä. Roomalaiset käyttivät silloissaan kalkista ja pozzalanasta (punainen, vulkaaninen jauhe) valmistettua betonia. Tämä materiaali kovettui nopeasti, jopa veden alla, ja se oli vahvaa ja vedenpitävää. Keskiajalla Euroopassa käytettiin sen sijaan kalkkilaastia, mutta se oli vesiliukoista. Nykyään suositun portlandsementin, joka on tietty kalkkikiven ja saven seos, keksi vuonna 1824 englantilainen muurari nimeltä Joseph Aspdin, mutta sitä käytettiin laajalti pohjamateriaalina vasta 1900-luvun alussa.

Betonilla on hyvä lujuus kestää puristusta (puristusvoimaa), mutta se ei ole yhtä luja jännityksessä (vetovoimaa). Euroopassa ja Yhdysvalloissa yritettiin 1800-luvulla useaan otteeseen vahvistaa betonia upottamalla siihen vetoa kestävää rautaa. Parhaan version kehitti Ranskassa 1880-luvulla Francois Hennebique, joka käytti teräksestä valmistettuja raudoitustankoja. Ensimmäinen merkittävä teräsbetonin käyttö sillassa Yhdysvalloissa oli San Franciscon Golden Gate Parkissa sijaitseva Alvord Lake Bridge -silta; se valmistui vuonna 1889 ja on edelleen käytössä, ja se rakennettiin vuonna 1889 suunnittelija Ernest L. Ransomen keksimillä kierretystä teräksestä valmistetuilla raudoitustangoilla.

Seuraava merkittävä edistysaskel betonirakentamisessa oli esijännityksen kehittäminen. Betonipalkki jännitetään vetämällä palkin läpi kulkevista terästangoista ja ankkuroimalla tankojen päät palkin päihin. Näin betoniin kohdistuu puristusvoima, joka kumoaa vetovoimat, jotka kohdistuvat palkkiin, kun siihen kohdistuu kuorma. (Vaakasuoraa palkkia painava paino pyrkii taivuttamaan palkkia keskeltä alaspäin, jolloin syntyy puristusvoimia palkin yläosaan ja vetovoimia palkin alaosaan.)

Puristusta voidaan soveltaa betonipalkkiin, joka valetaan valmiiksi tehtaalla, tuodaan rakennustyömaalle ja nostetaan paikalleen nosturilla; tai sitä voidaan soveltaa paikalla valettuun betoniin, joka valetaan palkin lopulliseen paikkaan. Teräslangat tai -sauvat voidaan jännittää ennen betonin valamista (esijännitys) tai betoni voidaan valaa jännittämättömiä teräksiä sisältävien putkien ympärille, joihin jännitys kohdistetaan betonin kovettumisen jälkeen (jälkijännitys).

Suunnittelu

Jokainen silta on suunniteltava yksitellen ennen sen rakentamista. Suunnittelijan on otettava huomioon useita tekijöitä, kuten paikallinen pinnanmuodostus, veden virtaukset, joen jäänmuodostusmahdollisuudet, tuulimallit, maanjäristyspotentiaali, maaperäolosuhteet, ennustetut liikennemäärät, estetiikka ja kustannusrajoitukset.

Silta on lisäksi suunniteltava rakenteellisesti kestäväksi. Tämä edellyttää niiden voimien analysointia, jotka kohdistuvat valmiin sillan kuhunkin osaan. Kolme kuormitustyyppiä vaikuttaa näihin voimiin. Kuollut kuorma tarkoittaa itse sillan painoa. Elävällä kuormalla tarkoitetaan sillan kuljettaman liikenteen painoa. Ympäristökuormalla tarkoitetaan muita ulkoisia voimia, kuten tuulta, mahdollisia maanjäristyksiä ja liikenteen mahdollisia törmäyksiä sillan tukiin. Analyysi tehdään kuolleen kuorman staattisille (paikallaan pysyville) voimille ja elävän kuorman ja ympäristökuorman dynaamisille (liikkuville) voimille.

1960-luvun lopusta lähtien redundanssin arvo suunnittelussa on hyväksytty laajalti. Tämä tarkoittaa sitä, että silta suunnitellaan siten, että yhdenkin osan pettäminen ei aiheuta koko rakenteen välitöntä romahtamista. Tämä saavutetaan tekemällä muista osista riittävän vahvoja korvaamaan vaurioituneen osan.

Tuotantoprosessi

Koska jokainen silta suunnitellaan ainutlaatuisesti tiettyä paikkaa ja tehtävää varten, myös rakennusprosessi vaihtelee sillasta toiseen. Jäljempänä kuvattu prosessi edustaa melko tyypillisen, matalan joen ylittävän teräsbetonisen sillan rakentamisen päävaiheita, jossa välibetoniset pylvästuet sijaitsevat joessa.

Seuraavaan kuvaukseen on liitetty havainnollistamisen helpottamiseksi esimerkkikokoja monille sillan osille. Jotkin niistä on otettu toimittajien esitteistä tai alan vakiospesifikaatioista. Muut ovat yksityiskohtia moottoritiesillasta, joka rakennettiin Rio Granden yli Albuquerquessa, New Mexicossa vuonna 1993. Sillan pituus on 1 245 jalkaa ja leveys 10 kaistaa, ja se on tuettu 88 pilarilla. Se sisältää 11 456 kuutiometriä betonia rakenteessa ja lisäksi 8 000 kuutiometriä betonia päällysteessä. Se sisältää myös 6,2 miljoonaa kiloa betoniterästä.

Rakenne

• 1 Jokiuomaan rakennetaan jokaisen pylväspaikan ympärille kassapato, ja vesi pumpataan kotelon sisältä. Yksi perustamistapa on porata kuiluja jokiuoman läpi kallioperään asti. Kun pora nostaa maata kuilusta ylös, reikään pumpataan savilietettä, joka korvaa maaperän ja estää kuilua sortumasta. Kun sopiva syvyys on saavutettu (esim. noin 80 jalkaa tai 24,4 metriä), lietteellä täytettyyn kuiluun lasketaan lieriön muotoinen raudoitusteräksestä (raudoitustanko) koostuva sylinterin muotoinen häkki (halkaisija esim. 72 tuumaa tai 2 metriä). Betoni pumpataan kuilun pohjalle. Kun kuilu täyttyy betonilla, liete pakotetaan ulos kuilun yläosasta, jossa se kerätään ja puhdistetaan, jotta se voidaan käyttää uudelleen. Kunkin pylvään maanpäällinen osa voidaan joko muotoilla ja valaa paikalleen tai se voidaan valaa valmiiksi, nostaa paikalleen ja kiinnittää perustukseen.
• 2 Sillan tukipilarit valmistellaan jokirannassa, johon sillan pää nojaa. Betoninen takaseinä muotoillaan ja valetaan penkereen yläreunan ja joen pohjan väliin; tämä on tukiseinä sillan päädyn jälkeiselle maaperälle. Takaseinän yläosaan muotoillaan reunus (istuin), johon sillan pää nojaa. Lisäksi saatetaan tarvita siipimuurit, jotka ulottuvat takaseinästä ulospäin jokivartta pitkin ja pidättävät täyttömaata sillan lähestymiskohtia varten.
• 3 Tässä esimerkissä silta nojaa pariin pylvääseen jokaisessa tukipisteessä. Alusrakennetta täydennetään sijoittamalla sillan suuntaa vastaan kohtisuorassa oleva korkki (teräsbetonipalkki), joka ulottuu yhden pilarin yläreunasta sen parin yläreunaan. Muissa malleissa silta saattaa nojautua erilaisiin tukikokoonpanoihin, kuten sillan levyiseen suorakaiteen muotoiseen pilariin tai yhteen T-muotoiseen pylvääseen.

Alusrakenne

• 4 Nosturilla asetetaan teräksiset tai jännitetyt betonipalkit peräkkäisten pylväsryhmien väliin koko sillan pituudelta. Palkit ruuvataan kiinni pylväslaippoihin. Albuquerquen moottoritien sillalla kukin palkki on 1,8 metriä korkea ja jopa 40 metriä pitkä, ja se painaa jopa 54 tonnia.
• 5 Teräspaneelit tai betonielementtilaatat asetetaan palkkien yli muodostaen kiinteän alustan, joka viimeistelee sillan päällysrakenteen. Eräs valmistaja tarjoaa esimerkiksi 4,5 tuuman (11,43 cm) syvyistä aaltopeltiä, joka on valmistettu raskaasta (7- tai 9-prosenttisesta) teräksestä. Toinen vaihtoehto on paikallaan pysyvä teräsmuotti myöhemmin valettavalle betonikannelle.

Kansi

• 6 Päällysrakenteen alustan päälle asetetaan kosteussulku. Kuumana levitettävää polymeerimodifioitua asfalttia voidaan käyttää esimerkiksi.
• 7 Kosteussulun päälle rakennetaan betoniterästankojen verkko, joka myöhemmin koteloidaan betonilaatan sisään. Ristikko on kolmiulotteinen, ja yksi raudoitustankokerros on lähellä laatan pohjaa ja toinen lähellä sen yläosaa.
• 8 Betonipäällyste valetaan. Betonipäällysteen paksuus 8-12 tuumaa (20,32-30,5 cm) on sopiva valtatielle. Jos päällysrakenteen alustana on käytetty paikallaan pysyviä muotteja, betoni valetaan niihin. Jos muotteja ei ole käytetty, betoni voidaan levittää liukumuottipäällystyskoneella, joka levittää, tiivistää ja tasoittaa betonin yhdessä jatkuvassa työvaiheessa. Kummassakin tapauksessa tuoreeseen betonilaattaan tehdään luistonesto käsin tai mekaanisesti raaputtamalla pinta harjalla tai karkealla materiaalilla, kuten säkkikankaalla. Päällysteen halkeilun estämiseksi noin 5 metrin (15 jalan) välein tehdään sivusaumoja, jotka joko lisätään muotteihin ennen betonin valamista tai leikataan sen jälkeen, kun liukumuotoiltu laatta on kovettunut. Sauman tiivistämiseen käytetään joustavaa tiivistysainetta.

Laadunvalvonta

Sillan suunnittelun ja rakentamisen on täytettävä standardit, jotka ovat kehittäneet useat tahot, kuten American Association of State Highway and Transportation Officials, American Society for Testing and Materials ja American Concrete Institute. Eri materiaaleja (esim. betonieriä) ja rakenneosia (esim. palkkeja ja liitoksia) testataan rakentamisen edetessä. Toisena esimerkkinä mainittakoon, että Albuquerquen siltahankkeessa tehtiin staattisia ja dynaamisia lujuuskokeita työmaalla rakennetulle esimerkkipilariperustukselle ja kahdelle tuotantokuilulle.

Tulevaisuus

Lukuiset valtion virastot ja alan järjestöt sponsoroivat ja suorittavat tutkimuksia materiaalien ja rakennustekniikoiden parantamiseksi. Tärkeänä tavoitteena on kehittää kevyempiä, vahvempia ja kestävämpiä materiaaleja, kuten uudelleen muotoiltua korkean suorituskyvyn betonia, kuituvahvisteisia polymeerikomposiittimateriaaleja, joilla voidaan korvata betoni joidenkin osien osalta, epoksipinnoitteita ja sähkökemiallisia suojausjärjestelmiä, joilla estetään raudoituksen korroosio, vaihtoehtoisia synteettisiä raudoituskuituja sekä nopeampia ja täsmällisempiä testaustekniikoita.

Missä lisätietoja

Kirjat

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

Hardesty, E. R., H. W. Fischer, R. W. Christie ja B. Haber. ”Bridge”. Teoksessa 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.

Muut

”Yleistä betonipäällysteestä”. American Concrete Pavement Association. http://www.pavement.com/general/conc-info.html (24.2.1998).

”Palkkisilta”. Nova Online ”Supersilta”. Marraskuu 1997. http://www.pbs.org/wghb/nova/bridge/meetbeam.html (24.2.1998).

-Loretta Hall

.