presiona el freno

IDOT lanzó un desafío para el desarrollo de una solución viable y económica para acelerar el reemplazo de la antigua infraestructura de puentes en los EE. UU. una plataforma de hormigón, e instalado en el sitio en horas o días.

Nota del editor: Este artículo se basa en parte en una presentación en el Simposio Mundial de Puentes de Acero AISC 2019, St. Louis, 3 de abril de 2019.

No es ningún secreto que la infraestructura de Estados Unidos necesita un reemplazo. Cuando el puente I-35 del río Mississippi en Minneapolis se derrumbó en 2007, matando a 13 personas, todo el país se dio cuenta.

Dos años más tarde, la Ley de Recuperación y Reinversión de los Estados Unidos incluyó casi $50 mil millones en fondos para infraestructura de transporte para apoyar las reparaciones necesarias y las inversiones transformadoras a largo plazo en comunidades de todos los estados. La reparación y el reemplazo de la infraestructura es un objetivo en el que ambos partidos políticos parecen estar de acuerdo.

Según la Oficina de Estadísticas de Transporte, hubo más de 617 000 puentes en 2019 en los EE. UU. y solo 279 582 (44 %) están en buenas condiciones. Más de 56.000 (9,1 %) de los puentes del país se clasificaron como estructuralmente deficientes en 2016.*

El tiempo es la esencia. Casi cuatro de cada 10 tienen 50 años o más, según la declaración de 2017 de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE).

La economista jefe Dra. Alison Premo Black de la Asociación Estadounidense de Constructores de Carreteras y Transporte (ARTBA) dijo: "Al ritmo actual, se necesitarían más de 50 años para reparar los puentes estructuralmente deficientes de Estados Unidos".

"La mayor necesidad está en la categoría de tramos cortos de 140 pies o menos", dijo el Dr. Karl Barth, del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de West Virginia, y agregó que casi la mitad de los puentes estructuralmente deficientes caen en el tramo corto. categoría de tramo. Un puente de tramo corto se define como un puente que es la distancia entre dos soportes intermedios de menos de 140 pies.

En busca de formas nuevas, mejores, más rápidas y más baratas de reemplazar puentes para ayudar a abordar la crisis de infraestructura de EE. UU., IDOT lanzó un desafío para el desarrollo de una solución viable y económica para reemplazar la infraestructura de puentes obsoletos por estructuras de tramo corto de hasta 80 pies.

Barth encabezó el grupo de tareas de la industria responsable del desarrollo de la tecnología.

Los investigadores de la Universidad de West Virginia comenzaron con la forma de una caja trapezoidal soldada típica, pero la fabricaron doblando la prensa plegadora para ahorrar costos y tiempo. La fabricación fue realizada por Greiner Industries. Foto cortesía de Short Span Bridge Alliance.

El departamento federal de carreteras nos encargó desarrollar sistemas para la aceleración de la construcción de puentes de tramos cortos que serían económicos”, dijo Barth. y así sucesivamente." El proceso también tenía que ser compatible con la producción en masa para evitar los costos de personalización.

¿Qué es el sistema? Es simplemente una viga de tina de acero sencilla con una plataforma de hormigón prefabricado, con un giro.

"Terminamos con una caja trapezoidal de acero estándar, pero la fabricamos doblando la prensa plegadora en lugar de soldarla convencionalmente", dijo Barth. "Las características para tramos cortos se pueden producir en alrededor de 30 a 40 minutos usando la prensa plegadora".

El tipo de viga es la relación de pendiente de viga trapezoidal común de EE. UU. de 1-4 en los bordes, con un radio de curvatura de 5T, explicó Barth. "Pensamos que no necesitábamos mucha compresión en la brida. Los sostuvimos a 6 pulgadas de ancho. Solo necesitábamos lo suficiente para sostener los montantes hasta que tuviéramos la plataforma allí".

La viga de tina de placa con forma de plegadora (PBFTG) se galvaniza para extender la vida útil y luego se remata con una plataforma de concreto. "Nuestro estándar es galvanizarlos por inmersión en caliente por dentro y por fuera para brindar más de 60 años de protección.

"No es muy innovador. Pero está hecho de un modo que puede ser económico en el mercado de tramos cortos. Las geometrías de puente más grandes y complicadas con tubos de sección cerrada tienen una geometría ideal para aplicaciones de soldadura. El problema es que no se puede reducir económicamente esa tecnología al mercado de puentes de tramo corto de 40, 60 y 80 pies", concluyó Barth.

El módulo se puede preensamblar o ensamblar en campo. Los módulos se unen mediante vertidos de cierre longitudinal de hormigón de ultra alto rendimiento (UHPC).

Durante la fase de investigación, el doblado de la prensa dobladora fue realizado por Greiner Industries, Mount Joy, Pensilvania. El fabricante formó las curvas de la tina en una prensa dobladora Baykal de 2,750 toneladas y 40 pies de largo, que ya tenía, y luego compró herramientas de extensión para el trabajo.

Greiner Industries, Mount Joy, Pensilvania. El fabricante formó las curvas de la bañera en una prensa de freno Baykal de 2750 toneladas y 40 pies de largo. El fabricante también instaló una herramienta de alineación de luz láser que apunta al objetivo de doblez interior para garantizar que la pieza esté completamente alineada con los punzones.

El fabricante también tiene un 26 pies. y 34 pies. freno que se pueden usar juntos para doblar 60 pies de placa de ¾ de pulgada de espesor, pero usó el de 40 pies porque ofrecía una serie de ventajas para el de 40 pies. tramo del puente.

La apertura de la cama se puede ajustar de 3 a 17 pulgadas. "Podemos doblar placas de hasta 1-1/4 pulgadas de espesor en los 40 pies completos", transmitió Bruce Sine, gerente de la división de laminación y formación. "Como es una sola máquina, tenemos toda la prensa disponible".

La prensa plegadora también acomodó las múltiples curvas requeridas para formar la tina. "Una vez que entras en múltiples curvas, se vuelve interesante, porque si tienes bridas, debes voltearlas para doblarlas, y debes tener suficiente espacio para poder llegar a la segunda curva sin golpear nada más", Sine. dicho. "Cuando usa prensas en tándem, dependiendo de la garganta, puede golpear el marco trasero, por lo que no podría doblar las piernas largas sobre él. Con el pie de 40 pies, tenemos 2 pies de espacio libre, por lo que tenemos mucho espacio libre para doblar las bridas.

"Tener una sola prensa dobladora con el tonelaje que teníamos era una ventaja", dijo Sine.

Greiner también instaló una herramienta de alineación de luz láser que apunta al objetivo de la curva interior. "Queríamos asegurarnos de que la pieza estuviera completamente alineada con los punzones. De esa manera, tiene una medida real de dónde desea doblar. Es mucho más preciso que una cinta métrica".

La prensa plegadora está equipada con ajustes mecánicos de coronación en la bancada de la máquina. "La coronación no es un problema; simplemente ajustas la cama para eso y sale bastante bien. Y puedes ajustar los ejes Y1 e Y2 si un lado golpea más fuerte que el otro".

Sine dijo que, en general, el trabajo no fue demasiado difícil. "Una vez que se marcó, fue bastante fácil".

El equipo de investigación realizó extensas pruebas de fatiga de las vigas para calcular sus capacidades de rendimiento en varios espesores de placa. El equipo usó un 84 pulgadas de ancho por 7/16 pulgadas. placa de acero (50 y 79 KSI) para una gran cantidad de pruebas para la investigación en la universidad. "Esa es la viga más grande que pudimos construir y probar hasta fallar con nuestro actuador de 330 kp para evaluar la capacidad de carga", dijo Barth.

La prueba mostró el "punto óptimo" en cada espesor de placa (7/16 pulg., ½ pulg., 5/8 pulg.) y anchos (60 pulg. a 120 pulg. de largo). Las profundidades que finalizaron son las profundidades de la superestructura de vigas después de validar la capacidad de las vigas. Para tramos de hasta 60 pies, ½ pulg. trabajos de placa. Para tramos más largos de hasta 80 pies, se requiere una placa de 5/8 de pulgada de espesor.

Las pruebas mostraron el punto óptimo en cada grosor y ancho de placa para las profundidades de las vigas.

"Hay una profundidad a la que se puede obtener la capacidad máxima para esa sección. Una vez que se establece el ancho de brida y la relación de pendiente y se elige la profundidad en una placa de acero común, toda la geometría surge de eso", dijo.

El equipo probó el rendimiento de fatiga de las secciones de acero galvanizado y sin recubrimiento para ver si se producirían problemas con los radios de curvatura seleccionados. Luego probaron el sistema modular con vertido de cierre para evaluar la cubierta. Evaluaron la capacidad de los módulos con un sistema de plataforma moldeado y colocado y los requisitos de arriostramiento y deflexión. “Hemos estado probando esto durante siete años. Por lo tanto, este sistema ha sido examinado a fondo”, dijo Barth.

El PBFTG cumple con los requisitos de la Asociación Estadounidense de Funcionarios de Transporte y Carreteras Estatales (AASHTO).

Una subvención del programa Innovative Bridge Research and Deployment (IBRD) del Departamento de Transporte de los EE. UU. de la Administración Federal de Carreteras (FHWA) sentó las bases para completar la primera instalación del sistema modular PBFTG en los EE. UU.

La FHWA otorgó al ingeniero Brian Keierleber, PE, $350,000 del programa IBRD para reemplazar el puente Amish Sawmill Bridge en Fairbank Township, condado de Buchanan, Iowa.

"La estandarización fue significativa en el mercado de tramos cortos", dijo Keierleber. "No queremos diseñar a la medida cada una como una obra de arte. Si necesita una viga de 40 pies, solo quiere ir a esta mesa y elegir esta viga que se extiende 36 pies. No hay razón para rediseñarlo". Los diseños estándar son de 20 a 80 pies.

La construcción del puente comenzó a fines del verano de 2015 y se completó en diciembre de 2015.

Un puente en el condado de Muskingum, Ohio, necesitaba ser reemplazado.

El PBFTG se puede formar con la brida hacia afuera y hacia adentro como una caja poco profunda.

La plataforma de placas sándwich se ensambló fuera del sitio y las vigas modulares llegaron al sitio en un camión.

"Hablamos de una construcción acelerada. La superestructura se instaló en 20 minutos. Nunca antes había visto un puente de 20 minutos", dijo Barth.

El condado de St. Clair, Michigan, mantiene 226 puentes. De ellos, 20 se encuentran en estado crítico o grave, 21 en mal estado y dos tienen límites de peso que prohíben el tránsito de camiones. Dos estaban cerrados al tráfico debido a su estado. "No pueden seguir el ritmo. Esto es común en todo Estados Unidos", dijo Barth.

Dos puentes en el condado de St. Clair tenían restricciones de peso que prohibían el paso de camiones. La carretera de dos carriles con más de 16,000 cruces es un camino crítico hacia Marine City. Fueron construidos en 1953 y habían dado 65 años de servicio. No se les había realizado ningún repintado de las vigas de acero u otro mantenimiento.

TEG Engineering fue contratada para diseñar reemplazos para las dos superestructuras del puente en el verano de 2018. La compañía diseña puentes prefabricados para ayudar a minimizar los impactos de movilidad que resultan de las actividades de construcción en el sitio.

"Las vigas del puente debían ser simples, duraderas, compatibles con el diseño de AASHTO y sostenibles", dijo Guy Nelson, PE, TEG Engineering. "Si todo esto fuera único, nunca obtendrá un sistema asequible. Tuvimos que implementar vigas tubulares asequibles. Y lo estamos haciendo en todo Estados Unidos".

Las comparaciones de costos mostraron que un puente de acero convencional con recubrimiento de mezcla asfáltica en caliente (HMA) usando una cubierta de acero galvanizado costaría $75,000; un sistema de alcantarillado de caja prefabricada costaría $63,000; y los enfoques HMA del sistema PBFTG llegaron a $ 57,000 y la duración más corta del cierre de carreteras.

"Conseguimos la viga de tina de acero formada con plegadora fabricada, el galvanizado y los montantes y contratamos a un prefabricador local calificado para ensamblar todo el puente", dijo Nelson. La fabricación del PBFTG (galvanizado, fabricación de metal y vaciado de la plataforma de hormigón) toma alrededor de dos meses, por lo que comenzó dos meses antes de la demolición del puente.

En uno de los puentes, el condado pudo usar su propio equipo de excavación para instalar las unidades de 35 pies de luz para el puente y solo necesitó una grúa para instalar una de 45 pies. vano en el segundo puente.

La caja con brida tiene una brida inferior más ancha para aumentar la capacidad y la rigidez de todo el sistema cuando la deflexión es un problema o se necesita una caja menos profunda para igualar el sistema anterior.

El reemplazo de la superestructura se completó en cuatro días. Se necesitaron dos días para demoler el puente existente y otro día para reparar los pilares de hormigón. La superestructura PBFTG en sí se instaló el cuarto día en cuatro horas. "Las vigas fueron traídas a las 8 am y ensambladas en el lugar al mediodía", dijo Nelson.

Se vertió hormigón polímero para la junta de la plataforma, seguido de una capa de epoxi. Luego una capa de asfalto cubrió toda la cubierta. Las barandillas se instalaron en último lugar. El tiempo total de ejecución fue de 10 días hábiles.

El costo final total fue de $180 751, incluidos los materiales, la mano de obra, los gastos generales y el equipo.

*El término "estructuralmente deficiente" se redefinió en 2018 y ahora el 5,5 % de los puentes de EE. UU. están clasificados como estructuralmente deficientes. Además, la agencia ya no rastrea los puentes anteriormente denominados "funcionalmente obsoletos".