Betonowy most belkowy

Betonowy most belkowy

Tło

Niemal 590 000 mostów drogowych łączy drogi wodne, depresje suchego lądu, inne drogi i linie kolejowe w całych Stanach Zjednoczonych. Najbardziej dramatyczne mosty wykorzystują złożone systemy, takie jak łuki, kable lub trójkątne kratownice, aby przenieść jezdnię pomiędzy majestatycznymi kolumnami lub wieżami. Jednakże, koniem roboczym systemu mostów autostradowych jest stosunkowo prosty i tani betonowy most belkowy.

Nazywany również mostem belkowym, most belkowy składa się z poziomej płyty podpartej na każdym końcu. Ponieważ cały ciężar płyty (i wszelkich obiektów na płycie) jest przenoszony pionowo na słupy podpierające, słupy te mogą być mniej masywne niż podpory mostów łukowych lub wiszących, które przenoszą część ciężaru poziomo.

Prosty most belkowy jest zwykle używany do przęseł na odległość 250 stóp (76,2 m) lub mniejszą. Większe odległości można pokonać łącząc serię prostych mostów belkowych w tzw. przęsło ciągłe. Najdłuższy most na świecie, Lake Pontchartrain Causeway w Luizjanie, to para równoległych, dwupasmowych mostów o rozpiętości przęsła ciągłego wynoszącej 38,4 km (24 mile). Pierwszy z dwóch mostów został ukończony w 1956 roku i składa się z ponad 2,000 pojedynczych przęseł. Siostrzany most (obecnie przenoszący ruch w kierunku północnym) został ukończony 13 lat później; chociaż jest o 228 stóp dłuższy od pierwszego mostu, zawiera tylko 1500 przęseł.

Most składa się z trzech głównych elementów. Po pierwsze, konstrukcja nośna (fundament) przenosi ciężar mostu na podłoże; składa się ona z elementów takich jak słupy (zwane również filarami) i przyczółki. Przyczółek jest połączeniem pomiędzy końcem mostu a ziemią; zapewnia on podparcie dla końcowych odcinków mostu. Po drugie, konstrukcja nośna mostu to pozioma platforma, która rozpościera się w przestrzeni pomiędzy słupami. Wreszcie, pokład mostu to powierzchnia przenosząca ruch, dodana do konstrukcji nośnej.

Historia

Prehistoryczny człowiek zaczął budować mosty naśladując naturę. Uznając za użyteczne chodzenie po drzewie, które przewróciło się w poprzek strumienia, zaczął umieszczać pnie drzew lub kamienne płyty tam, gdzie chciał przekroczyć strumienie. Gdy chciał przerzucić most nad szerszym strumieniem, wymyślił, jak układać kamienie w wodzie i kłaść belki z drewna lub kamienia między tymi kolumnami a brzegiem.

Pierwszy udokumentowany most został opisany przez Herodota w 484 r. p.n.e. Składał się on z drewna wspartego na kamiennych kolumnach i został zbudowany nad rzeką Eufrat około 300 lat wcześniej.

Najbardziej znani z kamiennych i betonowych mostów łukowych Rzymianie również budowali mosty belkowe. W rzeczywistości najwcześniejszy znany most rzymski, zbudowany nad rzeką Tyber w 620 r. p.n.e., nosił nazwę Pons Sublicius, ponieważ był wykonany z drewnianych belek (sublicae). Rzymskie techniki budowy mostów obejmowały wykorzystanie koferdamów podczas konstruowania kolumn. Polegało to na wbiciu w ziemię okrągłego układu drewnianych słupów wokół planowanego miejsca posadowienia kolumny. Po wyłożeniu drewnianego pierścienia gliną, aby uczynić go wodoszczelnym, wypompowywali wodę z obudowy. To pozwoliło im wylać beton na podstawę kolumny.

Budowa mostu rozpoczęła przejście od sztuki do nauki w 1717 roku, kiedy francuski inżynier Hubert Gautier napisał rozprawę na temat budowy mostu. W 1847 r. Amerykanin Squire Whipple napisał pracę o budowie mostów, która zawierała pierwsze analityczne metody obliczania naprężeń i odkształceń w moście. „Inżynieria mostowa” została ustanowiona jako specjalność w ramach inżynierii lądowej w latach 80. XIX wieku.

Dalszy postęp w konstrukcji mostów belkowych wynikał przede wszystkim z ulepszeń materiałów budowlanych.

Materiały budowlane i ich rozwój

Większość autostradowych mostów belkowych jest zbudowana z betonu i stali. Rzymianie stosowali w swoich mostach beton wykonany z wapna i pozzalany (czerwony proszek wulkaniczny). Materiał ten szybko wiązał, nawet pod wodą, był mocny i wodoodporny. W średniowieczu w Europie używano zaprawy wapiennej, ale była ona rozpuszczalna w wodzie. Popularny dziś cement portlandzki, szczególna mieszanina wapienia i gliny, został wynaleziony w 1824 r. przez angielskiego murarza Josepha Aspdina, ale nie był powszechnie stosowany jako materiał na fundamenty aż do wczesnych lat 1900.

Beton ma dobrą wytrzymałość na ściskanie (siłę nacisku), ale nie jest tak mocny przy rozciąganiu (siłę ciągnącą). W Europie i Stanach Zjednoczonych w XIX wieku podjęto kilka prób wzmocnienia betonu poprzez osadzenie w nim żelaza odpornego na rozciąganie. Lepsza wersja została opracowana we Francji w latach 80-tych XIX wieku przez Francois Hennebique, który zastosował pręty zbrojeniowe wykonane ze stali. Pierwszym znaczącym zastosowaniem betonu zbrojonego w moście w Stanach Zjednoczonych był most Alvord Lake Bridge w San Francisco’s Golden Gate Park; ukończony w 1889 roku i nadal w użyciu dzisiaj, został zbudowany z prętów zbrojeniowych ze skręconej stali opracowanej przez projektanta Ernesta L. Ransome.

Kolejnym znaczącym postępem w konstrukcji betonowej był rozwój sprężania. Betonowa belka jest sprężana przez pociągnięcie stalowych prętów biegnących przez belkę, a następnie zakotwiczenie końców prętów na końcach belki. Wywiera to na beton siłę ściskającą, równoważącą siły rozciągające, które są wywierane na belkę, gdy jest na nią nałożone obciążenie. (Ciężar naciskający na poziomą belkę ma tendencję do zginania belki w dół w środku, tworząc siły ściskające wzdłuż górnej części belki i siły rozciągające wzdłuż dolnej części belki.)

Prężenie może być stosowane do betonowej belki, która jest prefabrykowana w fabryce, przywieziona na miejsce budowy i podniesiona na miejsce przez dźwig; lub może być stosowane do betonu wylewanego, który jest wylewany w ostatecznej lokalizacji belki. Naprężenie może być zastosowane do stalowych drutów lub prętów przed wylaniem betonu (naprężenie wstępne), lub beton może być wylany wokół rur zawierających nienaprężoną stal, do której naprężenie jest stosowane po stwardnieniu betonu (naprężenie wtórne).

Projekt

Każdy most musi być zaprojektowany indywidualnie przed jego budową. Projektant musi wziąć pod uwagę wiele czynników, w tym lokalną topografię, prądy wodne, możliwość tworzenia się lodu na rzece, rozkład wiatrów, możliwość wystąpienia trzęsienia ziemi, warunki glebowe, przewidywane natężenie ruchu, estetykę i ograniczenia kosztów.

Dodatkowo, most musi być zaprojektowany tak, aby był konstrukcyjnie zdrowy. W tym celu należy przeanalizować siły działające na każdy element gotowego mostu. Do powstania tych sił przyczyniają się trzy rodzaje obciążeń. Obciążenie martwe odnosi się do ciężaru samego mostu. Obciążenie użytkowe odnosi się do ciężaru ruchu, który będzie przenoszony przez most. Obciążenie środowiskowe odnosi się do innych sił zewnętrznych, takich jak wiatr, możliwe trzęsienia ziemi oraz potencjalne kolizje ruchu drogowego z podporami mostu. Analiza jest przeprowadzana dla statycznych (stacjonarnych) sił obciążenia martwego i dynamicznych (ruchomych) sił obciążenia żywego i środowiskowego.

Od późnych lat 60-tych XX wieku wartość redundancji w projektowaniu jest szeroko akceptowana. Oznacza to, że most jest zaprojektowany w taki sposób, że uszkodzenie jednego elementu nie spowoduje natychmiastowego zawalenia się całej konstrukcji. Osiąga się to poprzez uczynienie innych elementów wystarczająco wytrzymałymi, aby zrekompensować uszkodzony element.

Proces produkcji

Ponieważ każdy most jest unikalnie zaprojektowany dla konkretnego miejsca i funkcji, proces budowy również różni się w zależności od mostu. Proces opisany poniżej przedstawia główne etapy budowy dość typowego mostu żelbetowego przecinającego płytką rzekę, z pośrednimi betonowymi podporami słupów umieszczonymi w rzece.

Przykładowe wymiary wielu elementów mostu są zawarte w poniższym opisie jako pomoc w wizualizacji. Niektóre z nich zostały zaczerpnięte z broszur dostawców lub standardowych specyfikacji przemysłowych. Inne to szczegóły mostu autostradowego, który został zbudowany przez Rio Grande w Albuquerque, w Nowym Meksyku, w 1993 roku. Most o długości 1245 stóp i szerokości 10 pasów ruchu jest wsparty na 88 kolumnach. Zawiera 11 456 jardów sześciennych betonu w konstrukcji i dodatkowe 8000 jardów sześciennych w nawierzchni. Zawiera także 6,2 miliona funtów stali zbrojeniowej.

Podbudowa

• 1 Wokół każdej lokalizacji kolumn w korycie rzeki zbudowano grodzę, a woda jest pompowana z wnętrza obudowy. Jedną z metod posadowienia fundamentów jest wiercenie szybów przez koryto rzeki, aż do skały macierzystej. W miarę jak świder wydobywa ziemię z szybu, do otworu wpompowywana jest zawiesina gliny, która zastępuje glebę i zapobiega zapadaniu się szybu. Po osiągnięciu odpowiedniej głębokości (np. ok. 24,4 m) do wypełnionego szlamem szybu (np. o średnicy 2 m) wpuszcza się cylindryczny koszyk ze stali zbrojeniowej (np. 72 cale). Na dno szybu pompowany jest beton. W miarę jak szyb wypełnia się betonem, szlam jest wypychany z góry szybu, gdzie jest zbierany i oczyszczany, aby mógł być ponownie wykorzystany. Część nadziemna każdej kolumny może być uformowana i odlana na miejscu lub prefabrykowana, podniesiona na miejsce i przymocowana do fundamentu.
• 2 Przyczółki mostu są przygotowywane na brzegu rzeki, gdzie będzie spoczywał koniec mostu. Pomiędzy górną krawędzią brzegu a dnem rzeki formowana i wylewana jest betonowa ściana tylna; jest to ściana oporowa dla gruntu poza końcem mostu. W górnej części ściany tylnej formowany jest gzyms (siedzisko), na którym spoczywa koniec mostu. Ściany skrzydłowe mogą być również potrzebne, rozciągając się na zewnątrz od ściany tylnej wzdłuż brzegu rzeki w celu zatrzymania ziemi wypełniającej podejścia do mostu.
• 3 W tym przykładzie most opiera się na parze kolumn w każdym punkcie podparcia. Konstrukcja nośna jest uzupełniona przez umieszczenie nakładki (belki żelbetowej) prostopadłej do kierunku mostu, sięgającej od szczytu jednej kolumny do szczytu jej partnera. W innych projektach most może opierać się na różnych konfiguracjach podpór, takich jak prostokątny pomost o szerokości całego mostu lub pojedynczy słup w kształcie litery T.

Superstruktura

• 4 Dźwig jest używany do ustawiania stalowych lub strunobetonowych dźwigarów pomiędzy kolejnymi zestawami słupów na całej długości mostu. Dźwigary są przykręcane do czap słupów. W przypadku mostu autostradowego w Albuquerque każdy dźwigar ma wysokość 1,8 m i długość do 40 m, a jego masa wynosi aż 54 tony.
• 5 Panele stalowe lub prefabrykowane płyty betonowe są układane w poprzek dźwigarów, tworząc solidną platformę, uzupełniającą konstrukcję nośną mostu. Jeden z producentów oferuje na przykład panel falisty o głębokości 11,43 cm wykonany z ciężkiej stali (7- lub 9-gauge). Inną alternatywą jest stalowa forma do wbudowania w pokład betonowy, który zostanie wylany później.

Pokład

• 6 Na szczycie pomostu konstrukcji nośnej umieszcza się barierę przeciwwilgociową. Można na przykład użyć asfaltu modyfikowanego polimerami nakładanego na gorąco.
• 7 Na szczycie bariery przeciwwilgociowej znajduje się siatka z prętów ze stali zbrojeniowej, która następnie zostanie obudowana płytą betonową. Siatka jest trójwymiarowa, z warstwą prętów zbrojeniowych u dołu płyty i kolejną u góry.
• 8 Wylewana jest betonowa nawierzchnia. W przypadku autostrady odpowiednia grubość betonowej nawierzchni wynosi od 20,32 do 30,5 cm. Jeśli jako pomostu konstrukcji nośnej użyto szalunków, wylewa się do nich beton. Jeśli nie zastosowano form, beton można nakładać za pomocą maszyny do układania nawierzchni ślizgowych, która w jednym cyklu roboczym rozprowadza, zagęszcza i wygładza beton. W obu przypadkach na świeżej płycie betonowej układa się fakturę antypoślizgową, ręcznie lub mechanicznie punktując powierzchnię szczotką lub szorstkim materiałem, takim jak burta. W celu zapobieżenia pękaniu nawierzchni co około 15 stóp (5 m) wykonuje się połączenia boczne; są one dodawane do form przed wylaniem betonu lub wycinane po stwardnieniu płyty formowanej ślizgowo. Do uszczelnienia połączenia stosuje się elastyczną masę uszczelniającą.

Kontrola jakości

Projekt i budowa mostu muszą spełniać normy opracowane przez kilka agencji, w tym American Association of State Highway and Transportation Officials, American Society for Testing and Materials oraz American Concrete Institute. Różne materiały (np. partie betonu) i elementy konstrukcyjne (np. belki i połączenia) są testowane w miarę postępu budowy. Jako kolejny przykład, w projekcie mostu w Albuquerque, statyczne i dynamiczne testy wytrzymałościowe przeprowadzono na przykładowym fundamencie kolumny, który został skonstruowany na miejscu, oraz na dwóch wałach produkcyjnych.

Przyszłość

Liczne agencje rządowe i stowarzyszenia przemysłowe sponsorują i prowadzą badania w celu ulepszenia materiałów i technik budowlanych. Głównym celem jest rozwój lżejszych, mocniejszych i bardziej wytrzymałych materiałów, takich jak beton o zmienionej formule i wysokiej wydajności; kompozyty polimerowe wzmocnione włóknami, które zastąpią beton w niektórych elementach; powłoki epoksydowe i systemy ochrony elektrochemicznej zapobiegające korozji stalowych prętów zbrojeniowych; alternatywne syntetyczne włókna zbrojeniowe; oraz szybsze i dokładniejsze techniki testowania.

Gdzie dowiedzieć się więcej

Książki

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.

Inne

„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 Most.” Listopad 1997. http://www.pbs.org/wghb/nova/bridge/meetbeam.html (24 Feb. 1998).

-Loretta Hall

.