Bremse betätigen

IDOT forderte die Entwicklung einer praktikablen, wirtschaftlichen Lösung zur Beschleunigung des Austauschs der alternden Brückeninfrastruktur in den USA. Eine Industrie-Arbeitsgruppe entwickelte durch Abkantpressen geformte Wannenträger für Kurzspannbrücken, die in einer Fabrik geformt und vormontiert werden auf einer Betonplattform und innerhalb von Stunden oder Tagen vor Ort installiert.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel basiert teilweise auf einer Präsentation beim AISC World Steel Bridge Symposium 2019, St. Louis, 3. April 2019.

Es ist kein Geheimnis, dass die amerikanische Infrastruktur ersetzt werden muss. Als 2007 die I-35 Mississippi River Bridge in Minneapolis einstürzte und 13 Menschen starben, wurde das ganze Land aufmerksam.

Zwei Jahre später sah der American Recovery and Reinvestment Act fast 50 Milliarden US-Dollar an Mitteln für die Verkehrsinfrastruktur vor, um notwendige Reparaturen und langfristige Transformationsinvestitionen in Gemeinden in allen Bundesstaaten zu unterstützen. Die Reparatur und Erneuerung der Infrastruktur ist ein Ziel, über das sich beide politischen Parteien offenbar einig sind.

Nach Angaben des Bureau of Transportation Statistics gab es 2019 in den USA mehr als 617.000 Brücken und nur 279.582 – 44 % – sind in gutem Zustand. Mehr als 56.000 – 9,1 % – der Brücken des Landes wurden im Jahr 2016 als strukturell mangelhaft eingestuft.*

Zeit ist von entscheidender Bedeutung. Laut der Erklärung der American Society of Civil Engineers (ASCE) aus dem Jahr 2017 sind fast vier von zehn 50 Jahre oder älter.

Chefökonomin Dr. Alison Premo Black von der American Road & Transportation Builders Association (ARTBA) sagte: „Bei dem gegenwärtigen Tempo würde es mehr als 50 Jahre dauern, Amerikas strukturell mangelhafte Brücken zu reparieren.“

„Der größte Bedarf besteht in der Kategorie mit kurzen Spannweiten von 140 Fuß oder weniger“, sagte Dr. Karl Barth von der West Virginia University, Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen, und fügte hinzu, dass fast die Hälfte der strukturell mangelhaften Brücken in Kurzspannweiten fallen. span-Kategorie. Eine Brücke mit kurzer Spannweite ist definiert als eine Brücke, deren Abstand zwischen zwei Zwischenstützen kürzer als 140 Fuß ist.

Auf der Suche nach neuen, besseren, schnelleren und kostengünstigeren Möglichkeiten, Brücken zu ersetzen, um die Infrastrukturkrise in den USA zu bewältigen, forderte IDOT die Entwicklung einer praktikablen, wirtschaftlichen Lösung für den Ersatz der veralteten Brückeninfrastruktur für Bauwerke mit kurzer Spannweite von bis zu 80 Fuß.

Barth leitete die Industrie-Arbeitsgruppe, die für die Entwicklung der Technologie verantwortlich war.

Die Forscher der West Virginia University begannen mit der Form eines typischen geschweißten Trapezkastens, stellten ihn jedoch mithilfe einer Abkantpresse her, um Kosten und Zeit zu sparen. Die Fertigung erfolgte durch Greiner Industries. Foto mit freundlicher Genehmigung der Short Span Bridge Alliance.

„Wir wurden vom Bundesstraßenamt beauftragt, Systeme zur Beschleunigung des Kurzspannbrückenbaus zu entwickeln, die wirtschaftlich sind“, sagte Barth. „Das Ziel bestand darin, standardmäßige, allgemein verfügbare Plattenbreiten von 84 Zoll, 96 Zoll usw. zu verwenden.“ Der Prozess musste außerdem mit der Massenproduktion kompatibel sein, um die Kosten einer kundenspezifischen Anpassung zu vermeiden.

Was ist das System? Es ist einfach ein einfacher Stahlwannenträger mit einer vorgefertigten Betondecke – mit einer Wendung.

„Am Ende hatten wir einen Standard-Trapezkasten aus Stahl, den wir aber durch Abkantbiegen und nicht durch herkömmliches Schweißen hergestellt haben“, sagte Barth. „Merkmale für kurze Spannweiten können durch Abkantpressen in etwa 30 bis 40 Minuten hergestellt werden.“

Der Trägertyp sei das übliche US-amerikanische Trapezträger-Neigungsverhältnis von 1-4 an den Kanten mit einem Biegeradius von 5T, erklärte Barth. „Wir gingen davon aus, dass wir nicht viel Druck auf den Flansch benötigen. Wir hielten sie auf eine Breite von 6 Zoll. Wir brauchten gerade genug, um die Stollen zu halten, bis wir das Deck darauf hatten.“

Der durch Abkantpressen geformte Plattenwannenträger (PBFTG) wird zur Verlängerung der Lebensdauer verzinkt und anschließend mit einer Betonplatte abgedeckt. „Unser Standard besteht darin, sie innen und außen feuerverzinkt zu machen, um einen über 60-jährigen Schutz zu gewährleisten.

„Es ist nicht besonders innovativ. Aber es ist auf eine Weise hergestellt, die auf dem Kurzstreckenmarkt wirtschaftlich sein kann. Größere, kompliziertere Brückengeometrien mit Wannen mit geschlossenem Querschnitt weisen eine sehr ideale Geometrie für Schweißanwendungen auf. Das Problem ist, dass man diese Technologie nicht wirtschaftlich auf 40, 60 oder 80 Fuß skalieren kann. Markt für Kurzspannbrücken“, so Barth abschließend.

Das Modul kann vormontiert oder vor Ort montiert werden. Die Verbindung der Module erfolgt mittels Längsverschlussbeton aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC).

Während der Forschungsphase wurde das Biegen der Abkantpresse von Greiner Industries, Mount Joy, Pennsylvania, durchgeführt. Der Hersteller formte die Biegungen der Wanne auf einer 2.750 Tonnen schweren und 40 Fuß langen Baykal-Bremspresse, die er bereits besaß und dann kaufte Verlängerungswerkzeug für den Job.

Greiner Industries, Mount Joy, Pennsylvania. Der Hersteller formte die Biegungen der Wanne auf einer 2.750 Tonnen schweren und 40 Fuß langen Baykal-Bremspresse. Der Hersteller installierte außerdem ein Laserlicht-Ausrichtungswerkzeug, das auf das innere Biegeziel zeigt, um sicherzustellen, dass das Teil vollständig an den Stempeln ausgerichtet war.

Der Hersteller hat auch ein 26-Fuß-Modell im Angebot. und 34 Fuß. Eine Bremse, die zusammen verwendet werden kann, um 60 Fuß einer ¾ Zoll dicken Platte zu biegen, es wurde jedoch die 40-Fuß-Bremse verwendet, da sie gegenüber der 40-Fuß-Bremse eine Reihe von Vorteilen bot. Brückenspannweite.

Die Bettöffnung kann von 3 bis 17 Zoll eingestellt werden. „Wir können Bleche mit einer Dicke von bis zu 1 1/4 Zoll über die gesamten 40 Fuß biegen“, erklärte Bruce Sine, Leiter der Walz- und Formabteilung. „Da es sich um eine einzelne Maschine handelt, steht uns die gesamte Maschine zur Verfügung.“

Die Abkantpresse ermöglichte auch die mehrfachen Biegungen, die zum Formen der Wanne erforderlich waren. „Sobald man in mehrere Biegungen gelangt, wird es interessant, denn wenn man Flansche hat, muss man sie umdrehen, um diese zu biegen, und man muss genug Platz haben, um zur zweiten Biegung zu gelangen, ohne etwas anderes zu treffen“, sagt Sine sagte. „Wenn man Tandempressen verwendet, kann es je nach Ausladung dazu kommen, dass es gegen den hinteren Rahmen stößt, sodass man lange Beine nicht darauf beugen kann. Beim 40-Fuß-Modell haben wir einen Spielraum von 2 Fuß, sodass wir ausreichend Spielraum zum Biegen der Flansche haben.

„Bei der Tonnage, die wir hatten, eine einzige Abkantpresse zu haben, war ein Vorteil“, sagte Sine.

Greiner installierte außerdem ein Laserlicht-Ausrichtungsgerät, das auf das innere Biegeziel zeigt. „Wir wollten sicherstellen, dass das Teil vollständig mit den Stempeln übereinstimmt. Auf diese Weise haben Sie ein genaues Maß dafür, wo Sie sich biegen möchten. Es ist viel präziser als ein Maßband.“

Die Abkantpresse ist mit mechanischen Bombierungseinstellungen im Maschinenbett ausgestattet. „Krönung ist kein Problem; Man stellt einfach das Bett darauf ein und es kommt ganz schön heraus. Und man kann tatsächlich die Y1- und Y2-Achse anpassen, wenn eine Seite stärker zuschlägt als die andere.“

Sine sagte, dass die Arbeit insgesamt nicht allzu schwer sei. „Sobald es einmal eingestellt war, ging es ziemlich einfach.“

Das Forschungsteam führte umfangreiche Ermüdungstests der Träger durch, um ihre Streckgrenze bei verschiedenen Plattendicken zu berechnen. Das Team verwendete ein 84 Zoll breites und 7/16 Zoll großes Modell. Plattenstahl (50- und 79-KSI) für eine Vielzahl von Tests für die Forschung an der Universität. „Das ist der größte Träger, den wir bauen und mit unserem 330-kp-Aktuator bis zum Bruch testen konnten, um die Tragfähigkeit zu bewerten“, sagte Barth.

Die Tests zeigten den „Sweet Spot“ bei jeder Plattendicke (7/16 Zoll, ½ Zoll, 5/8 Zoll) und Breite (60 Zoll bis 120 Zoll lang). Die von ihnen endgültig ermittelten Tiefen sind die Tiefen des Trägerüberbaus nach der Validierung der Tragfähigkeit der Träger. Für Spannweiten bis zu 60 Fuß, ½ Zoll. Platte funktioniert. Für längere Spannweiten bis zu 80 Fuß ist eine 5/8 Zoll dicke Platte erforderlich.

Tests zeigten den Sweet Spot bei jeder Plattendicke und -breite für die Trägertiefen.

„Es gibt eine Tiefe, in der man die maximale Kapazität für diesen Abschnitt erreichen könnte. Sobald Sie die Flanschbreite und das Neigungsverhältnis eingestellt und Ihre Tiefe auf einer gewöhnlichen Walzstahlplatte ausgewählt haben, ergibt sich daraus die gesamte Geometrie“, sagte er.

Das Team testete das Ermüdungsverhalten sowohl von verzinkten als auch von unbeschichteten Stahlprofilen, um festzustellen, ob bei den ausgewählten Biegeradien Probleme auftreten würden. Anschließend testeten sie das modulare System mit Abschlussguss, um das Deck zu bewerten. Sie bewerteten die Kapazität der Module mit einem Cast-and-Place-Decksystem sowie die Anforderungen an die Aussteifung und Durchbiegung. „Wir testen das seit sieben Jahren. Daher wurde dieses System gründlich überprüft“, sagte Barth.

Das PBFTG erfüllt die Anforderungen der American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO).

Ein Zuschuss des Innovative Bridge Research and Deployment (IBRD)-Programms des US-Verkehrsministeriums Federal Highway Administration (FHWA) legte den Grundstein für die Fertigstellung der ersten Installation des modularen PBFTG-Systems in den USA

Die FHWA gewährte dem Ingenieur Brian Keierleber, PE, 350.000 US-Dollar aus dem IBRD-Programm, um die Amish Sawmill Bridge in Fairbank Township, Buchanan County, Iowa, zu ersetzen.

„Die Standardisierung war im Kurzspannenmarkt von Bedeutung“, sagte Keierleber. „Wir wollen nicht jedes einzelne als Kunstwerk individuell gestalten. Wenn Sie ein 40-Fuß-Gerät benötigen. Träger, Sie möchten einfach zu dieser Tabelle gehen und diesen Träger mit einer Spannweite von 36 Fuß auswählen. Es gibt keinen Grund, ihn neu zu entwerfen.“ Standardausführungen liegen zwischen 20 und 80 Fuß.

Der Brückenbau begann im Spätsommer 2015 und wurde im Dezember 2015 abgeschlossen.

Eine Brücke im Muskingum County, Ohio, musste ersetzt werden.

Das PBFTG kann als flacher Kasten mit Flansch nach außen und nach innen geformt werden.

Das Sandwichplattendeck wurde außerhalb des Geländes zusammengebaut und die Modulträger kamen mit einem LKW auf der Baustelle an.

„Wir reden über beschleunigtes Bauen. Der Aufbau war in 20 Minuten montiert. „Ich hatte noch nie zuvor eine 20-Minuten-Brücke gesehen“, sagte Barth.

St. Clair County, Michigan, unterhält 226 Brücken. Davon befinden sich 20 in einem kritischen oder ernsten Zustand, 21 in einem schlechten Zustand und zwei haben Gewichtsbeschränkungen, die den Lkw-Verkehr verbieten. Zwei davon wurden aufgrund ihres Zustands für den Verkehr gesperrt. „Sie können nicht mithalten. „Das ist in den gesamten USA üblich“, sagte Barth.

Bei zwei Brücken im St. Clair County gab es Gewichtsbeschränkungen, die die Durchfahrt von Lastkraftwagen verhinderten. Die zweispurige Straße mit mehr als 16.000 Kreuzungen ist ein wichtiger Weg nach Marine City. Sie wurden 1953 gebaut und hatten 65 Dienstjahre hinter sich. Es wurden weder eine Neubeschichtung der Stahlträger noch andere Wartungsarbeiten durchgeführt.

TEG Engineering wurde im Sommer 2018 mit der Planung von Ersatzkonstruktionen für die beiden Brückenaufbauten beauftragt. Das Unternehmen entwirft vorgefertigte Brücken, um die Mobilitätseinbußen zu minimieren, die durch Bautätigkeiten vor Ort entstehen.

„Die Brückenträger mussten einfach, langlebig, mit dem AASHTO-Design kompatibel und nachhaltig sein“, sagte Guy Nelson, PE, TEG Engineering. „Wenn das alles Einzelstücke wären, würde man nie ein bezahlbares System bekommen. Wir mussten kostengünstige Wannenträger einbauen. Und das tun wir in den gesamten USA.“

Kostenvergleiche ergaben, dass eine herkömmliche Stahlbrücke mit Heißasphaltbelag (HMA) und verzinktem Stahlbelag 75.000 US-Dollar kosten würde; ein vorgefertigtes Kastendurchlasssystem würde 63.000 US-Dollar kosten; und die HMA-Ansätze des PBFTG-Systems kosteten 57.000 US-Dollar und hatten die kürzeste Straßensperrdauer.

„Wir haben den vorgefertigten, durch Abkantpressen geformten Stahlwannenträger, die Verzinkung und die Bolzen beschafft und einen qualifizierten Fertigteilbauer vor Ort mit der Montage der gesamten Brücke beauftragt“, sagte Nelson. Die Herstellung des PBFTG – Galvanisierung, Metallherstellung und Betondeckguss – dauert etwa zwei Monate und begann daher zwei Monate vor dem Abriss der Brücke.

Auf einer der Brücken konnte der Landkreis seine eigene Baggerausrüstung verwenden, um die Einheiten mit einer Spannweite von 35 Fuß zu installieren, und benötigte nur einen Kran, um eine Einheit mit einer Spannweite von 45 Fuß zu installieren. Spannweite auf der zweiten Brücke.

Der Einflanschkasten verfügt über einen breiteren Bodenflansch, um die Kapazität und Steifigkeit des gesamten Systems zu erhöhen, wenn die Durchbiegung ein Problem darstellt oder ein flacherer Kasten zur Anpassung an das vorherige System benötigt wird.

Der Aufbauaustausch war in vier Tagen abgeschlossen. Der Abriss der bestehenden Brücke dauerte zwei Tage und die Reparatur der Betonwiderlager einen weiteren Tag. Der PBFTG-Überbau selbst wurde am vierten Tag in vier Stunden installiert. „Die Träger wurden um 8 Uhr morgens eingeliefert und bis Mittag vor Ort montiert“, sagte Nelson.

Für die Deckfuge wurde ein Polymerbeton gegossen, gefolgt von einer Epoxidbeschichtung. Anschließend wurde das gesamte Deck mit einer Asphaltschicht bedeckt. Zuletzt wurden Leitplanken angebracht. Die Gesamtfertigstellungszeit betrug 10 Arbeitstage.

Die endgültigen Gesamtkosten beliefen sich auf 180.751 US-Dollar, einschließlich Material, Arbeit, Gemeinkosten und Ausrüstung.

*Der Begriff „strukturell mangelhaft“ wurde 2018 neu definiert und mittlerweile werden 5,5 % der US-Brücken als strukturell mangelhaft eingestuft. Darüber hinaus verfolgt die Behörde keine Brücken mehr, die zuvor als „funktionell veraltet“ galten.