Pod cu grinzi de beton
Context
Peste 590.000 de poduri rutiere traversează căi navigabile, depresiuni uscate, alte drumuri și căi ferate din Statele Unite. Cele mai spectaculoase poduri folosesc sisteme complexe, cum ar fi arcuri, cabluri sau grinzi umplute cu triunghiuri, pentru a purta șoseaua între coloane sau turnuri maiestuoase. Cu toate acestea, calul de bătaie al sistemului de poduri de autostradă este podul cu grinzi de beton relativ simplu și ieftin.
Cunoscut și sub numele de pod cu grinzi, un pod cu grinzi este format dintr-o placă orizontală susținută la fiecare capăt. Deoarece toată greutatea plăcii (și a oricăror obiecte de pe placă) este transferată pe verticală către coloanele de susținere, coloanele pot fi mai puțin masive decât suporturile pentru podurile în arc sau suspendate, care transferă o parte din greutate pe orizontală.
Un pod simplu cu grinzi este în general utilizat pentru a acoperi o distanță de 250 ft (76,2 m) sau mai puțin. Distanțe mai mari pot fi traversate prin conectarea unei serii de poduri cu grinzi simple în ceea ce se numește o deschidere continuă. De fapt, cel mai lung pod din lume, Lake Pontchartrain Causeway din Louisiana, este o pereche de poduri paralele, cu două benzi, cu deschidere continuă, cu o lungime de aproape 38,4 km (24 mi). Primul dintre cele două poduri a fost finalizat în 1956 și este format din mai mult de 2.000 de deschideri individuale. Podul soră (care transportă acum traficul spre nord) a fost finalizat 13 ani mai târziu; deși este cu 228 ft mai lung decât primul pod, conține doar 1.500 de deschideri.
Un pod are trei elemente principale. În primul rând, substructura (fundația) transferă greutatea încărcată a podului la sol; este formată din componente precum coloane (numite și piloni) și stâlpi. Un stâlp este legătura dintre capătul podului și pământ; acesta asigură suportul pentru secțiunile de capăt ale podului. În al doilea rând, suprastructura podului este platforma orizontală care acoperă spațiul dintre coloane. În cele din urmă, tablierul podului este suprafața purtătoare de trafic adăugată la suprastructură.
Istorie
Omul preistoric a început să construiască poduri prin imitarea naturii. Găsind util să meargă pe un copac căzut peste un curs de apă, el a început să plaseze trunchiuri de copac sau plăci de piatră acolo unde dorea să traverseze cursuri de apă. Când a vrut să traverseze un curs de apă mai larg, și-a dat seama cum să îngrămădească pietre în apă și să așeze grinzi de lemn sau de piatră între aceste coloane și mal.
Primul pod documentat a fost descris de Herodot în 484 î.Hr. Acesta era format din bârne susținute de coloane de piatră și fusese construit peste râul Eufrat cu aproximativ 300 de ani mai devreme.
Cele mai cunoscute pentru podurile lor cu arce din piatră și beton, romanii au construit, de asemenea, poduri cu grinzi. De fapt, cel mai vechi pod roman cunoscut, construit peste râul Tibru în anul 620 î.e.n., se numea Pons Sublicius, deoarece era făcut din grinzi de lemn (sublicae). Tehnicile romane de construcție a podurilor includeau utilizarea de cofferdams în timpul construirii coloanelor. Ei făceau acest lucru prin înfigerea unui aranjament circular de stâlpi de lemn în pământ în jurul locației prevăzute pentru coloane. După ce căptușeau inelul de lemn cu lut pentru a-l face etanș, pompau apa din incintă. Acest lucru le permitea să toarne betonul pentru baza coloanei.
Construcția de poduri a început tranziția de la artă la știință în 1717, când inginerul francez Hubert Gautier a scris un tratat despre construcția podurilor. În 1847, un american pe nume Squire Whipple a scris A Work on Bridge Building (O lucrare despre construcția podurilor), care conținea primele metode analitice de calculare a tensiunilor și tensiunilor dintr-un pod. „Ingineria podurilor de consultanță” a fost stabilită ca o specialitate în cadrul ingineriei civile în anii 1880.
Celelalte progrese în construcția podurilor cu grinzi vor veni în primul rând din îmbunătățirile aduse materialelor de construcție.
Materiale de construcție și dezvoltarea lor
Majoritatea podurilor cu grinzi de pe autostrăzi sunt construite din beton și oțel. Romanii foloseau la podurile lor beton făcut din var și pozzalana (o pulbere roșie, vulcanică). Acest material se întărea rapid, chiar și sub apă, și era rezistent și impermeabil. În timpul Evului Mediu, în Europa, se folosea în schimb mortar de var, dar acesta era solubil în apă. Popularul ciment Portland de astăzi, un amestec special de calcar și argilă, a fost inventat în 1824 de către un zidar englez pe nume Joseph Aspdin, dar nu a fost folosit pe scară largă ca material de fundație până la începutul anilor 1900.
Cetonul are o rezistență bună pentru a rezista la compresie (forță de apăsare), dar nu este la fel de puternic la întindere (forță de tragere). Au existat mai multe încercări în Europa și în Statele Unite în secolul al XIX-lea de a întări betonul prin încorporarea în el a fierului rezistent la întindere. O versiune superioară a fost dezvoltată în Franța în anii 1880 de către Francois Hennebique, care a folosit bare de armare din oțel. Prima utilizare semnificativă a betonului armat într-un pod din Statele Unite a fost la podul Alvord Lake Bridge din parcul Golden Gate din San Francisco; finalizat în 1889 și utilizat și astăzi, a fost construit cu bare de armare din oțel răsucit, concepute de proiectantul Ernest L. Ransome.
Următorul progres semnificativ în construcțiile din beton a fost dezvoltarea precomprimării. O grindă de beton este precomprimată prin tragerea unor tije de oțel care trec prin grindă și apoi prin ancorarea capetelor tijelor la capetele grinzii. Acest lucru exercită o forță de compresiune asupra betonului, compensând forțele de tracțiune care sunt exercitate asupra grinzii atunci când se aplică o sarcină pe aceasta. (O greutate care apasă pe o grindă orizontală tinde să îndoaie grinda în jos la mijloc, creând forțe de compresiune de-a lungul părții superioare a grinzii și forțe de tracțiune de-a lungul părții inferioare a grinzii.)
Prestrângerea poate fi aplicată unei grinzi de beton care este prefabricată într-o fabrică, adusă pe șantier și ridicată în poziție de o macara; sau poate fi aplicată betonului turnat la fața locului care este turnat în locația finală a grinzii. Tensiunea poate fi aplicată firelor sau tijelor de oțel înainte ca betonul să fie turnat (pretensionare) sau betonul poate fi turnat în jurul unor tuburi care conțin oțel necontenit căruia i se aplică tensiunea după ce betonul s-a întărit (posttensionare).
Proiectare
Care pod trebuie proiectat individual înainte de a fi construit. Proiectantul trebuie să ia în considerare o serie de factori, inclusiv topografia locală, curenții de apă, posibilitățile de formare a gheții pe râu, modelele de vânt, potențialul seismic, condițiile de sol, volumele de trafic preconizate, estetica și limitările de costuri.
În plus, podul trebuie proiectat pentru a fi solid din punct de vedere structural. Acest lucru implică analizarea forțelor care vor acționa asupra fiecărei componente a podului finalizat. Trei tipuri de sarcini contribuie la aceste forțe. Sarcina moartă se referă la greutatea podului în sine. Sarcina vie se referă la greutatea traficului pe care îl va suporta podul. Sarcina de mediu se referă la alte forțe externe, cum ar fi vântul, posibilele cutremure și eventualele coliziuni ale traficului cu suporturile podului. Analiza se efectuează pentru forțele statice (staționare) ale sarcinii moarte și pentru forțele dinamice (în mișcare) ale sarcinilor vii și de mediu.
De la sfârșitul anilor 1960, valoarea redundanței în proiectare a fost acceptată pe scară largă. Aceasta înseamnă că un pod este proiectat astfel încât cedarea unui singur element să nu provoace o prăbușire imediată a întregii structuri. Acest lucru se realizează făcând ca alte elemente să fie suficient de puternice pentru a compensa un element deteriorat.
Procesul de fabricație
Pentru că fiecare pod este proiectat în mod unic pentru un loc și o funcție specifice, procesul de construcție variază, de asemenea, de la un pod la altul. Procesul descris mai jos reprezintă etapele principale ale construcției unui pod destul de tipic din beton armat care traversează un râu de mică adâncime, cu suporți intermediari de stâlpi din beton situați în râu.
Dimensiunile exemplificative pentru multe dintre componentele podului sunt incluse în următoarea descriere ca un ajutor pentru vizualizare. Unele au fost preluate din broșurile furnizorilorsau din specificațiile standard ale industriei. Altele sunt detalii ale unui pod de autostradă care a fost construit peste Rio Grande în Albuquerque, New Mexico, în 1993. Podul cu o lungime de 1.245 de picioare și o lățime de 10 benzi de circulație este susținut de 88 de coloane. Acesta conține 11.456 de metri cubi de beton în structură și alți 8.000 de metri cubi în pavaj. Conține, de asemenea, 6,2 milioane de kilograme de oțel de armare.
Substructura
- 1 În jurul fiecărei locații a coloanelor din albia râului se construiește un cofferdam, iar apa este pompată din interiorul incintei. O metodă de stabilire a fundației este de a fora puțuri prin albia râului, până la roca de bază. Pe măsură ce un burghiu scoate solul din puț, o suspensie de argilă este pompată în gaură pentru a înlocui solul și a împiedica prăbușirea puțului. Când se atinge adâncimea adecvată (de exemplu, aproximativ 24,4 m sau 80 ft), o cușcă cilindrică din oțel de armare (armătură) este coborâtă în puțul umplut cu suspensie (de exemplu, cu un diametru de 2 m sau 72 in). Betonul este pompat până în partea de jos a puțului. Pe măsură ce puțul se umple cu beton, suspensia este forțată să iasă prin partea superioară a puțului, unde este colectată și curățată pentru a putea fi reutilizată. Porțiunea supraterană a fiecărui stâlp poate fi fie cofrată și turnată pe loc, fie prefabricată și ridicată pe loc și fixată la fundație.
- 2 Se pregătesc pilonii podului pe malul râului unde se va sprijini capătul podului. Se formează și se toarnă un zid de fund din beton între partea superioară a malului și albia râului; acesta este un zid de sprijin pentru solul de dincolo de capătul podului. În partea superioară a zidului de sprijin se formează o cornișă (scaun) pe care se va sprijini capătul podului. Pot fi necesare, de asemenea, ziduri de aripă, care se extind spre exterior de la zidul din spate de-a lungul malului râului pentru a reține pământul de umplutură pentru apropierile podului.
- 3 În acest exemplu, podul se va sprijini pe o pereche de coloane la fiecare punct de sprijin. Substructura este completată prin plasarea unui capac (o grindă din beton armat) perpendicular pe direcția podului, ajungând de la partea superioară a unei coloane până la partea superioară a partenerului său. În alte proiecte, podul se poate sprijini pe diferite configurații de susținere, cum ar fi un pilon dreptunghiular pe toată lungimea podului sau un singur stâlp în formă de T.
Substructura
- 4 O macara este utilizată pentru a amplasa grinzi din oțel sau beton precomprimat între seturi consecutive de coloane pe toată lungimea podului. Grinzile sunt înșurubate la capetele coloanelor. Pentru podul de autostradă din Albuquerque, fiecare grindă are o înălțime de 1,8 m (6 ft) și o lungime de până la 40 m (130 ft), cântărind până la 54 de tone.
- 5 Panourile din oțel sau plăcile prefabricate din beton sunt așezate peste grinzi pentru a forma o platformă solidă, completând suprastructura podului. Un producător oferă, de exemplu, un panou ondulat de 11,43 cm (4,5 in (11,43 cm) adâncime din oțel greu (calibru 7 sau 9). O altă alternativă este un cofraj de oțel stay-in-place pentru puntea de beton care va fi turnată ulterior.
Pontea
- 6 O barieră de umiditate este plasată deasupra platformei suprastructurii. Se poate folosi, de exemplu, asfalt modificat cu polimeri aplicat la cald.
- 7 O grilă de bare de armătură din oțel este construită deasupra barierei de umiditate; această grilă va fi ulterior înglobată într-o placă de beton. Grila este tridimensională, cu un strat de bare de armătură aproape de partea inferioară a plăcii și un altul aproape de partea superioară.
- 8 Se toarnă pavajul din beton. O grosime de 8-12 in (20,32-30,5 cm) de pavaj de beton este adecvată pentru o autostradă. Dacă s-au folosit cofraje stay-in-place ca platformă a suprastructurii, se toarnă beton în ele. Dacă nu s-au folosit cofraje, betonul poate fi aplicat cu o mașină de pavare cu cofraje alunecătoare care întinde, consolidează și netezește betonul într-o singură operațiune continuă. În ambele cazuri, se aplică o textură antiderapantă pe plăcile de beton proaspăt, marcând manual sau mecanic suprafața cu o perie sau cu un material aspru, cum ar fi pânza de sac. Se prevăd rosturi laterale la aproximativ fiecare 5 m (15 ft) pentru a descuraja fisurarea pavajului; acestea sunt fie adăugate la cofraje înainte de turnarea betonului, fie tăiate după ce o placă cu cofraje alunecate s-a întărit. Pentru etanșarea rostului se folosește un material de etanșare flexibil.
Controlul calității
Proiectarea și construcția unui pod trebuie să respecte standardele elaborate de mai multe agenții, inclusiv Asociația Americană a Oficialilor de Stat pentru Autostrăzi și Transporturi, Societatea Americană pentru Testare și Materiale și Institutul American de Beton. Diferite materiale (de exemplu, loturi de beton) și componente structurale (de exemplu, grinzi și conexiuni) sunt testate pe măsură ce avansează construcția. Ca un alt exemplu, în cadrul proiectului podului de la Albuquerque, s-au efectuat teste de rezistență statică și dinamică pe o fundație de stâlp de probă care a fost construită pe șantier, precum și pe doi dintre arborii de producție.
Viitorul
Numeroase agenții guvernamentale și asociații industriale sponsorizează și efectuează cercetări pentru a îmbunătăți materialele și tehnicile de construcție. Un obiectiv major este dezvoltarea unor materiale mai ușoare, mai rezistente și mai durabile, cum ar fi betonul reformulat, de înaltă performanță; materiale compozite polimerice, ranforsate cu fibre, care să înlocuiască betonul pentru unele componente; acoperiri epoxidice și sisteme de protecție electrochimică pentru a preveni coroziunea armăturii de oțel; fibre de armare sintetice alternative; și tehnici de testare mai rapide și mai precise.
Unde să aflați mai multe
Cărți
Brown, David J. Bridges. New York: Macmillan, 1993.
Hardesty, E. R., H. W. Fischer, R. W. Christie și B. Haber. „Bridge”. În 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.
Alte
„General Information About Concrete Pavement”. Asociația americană a pavajului din beton. http://www.pavement.com/general/conc-info.html (24 feb. 1998).
„Podul de grinzi”. Nova Online „Super Pod”. Noiembrie 1997. http://www.pbs.org/wghb/nova/bridge/meetbeam.html (24 feb. 1998).
-Loretta Hall
.