콘크리트 빔 브리지

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배경

거의 590,000개의 도로 교량이 미국 전역의 수로, 건조 지대 함몰, 기타 도로 및 철도에 걸쳐 있습니다. 가장 극적인 교량은 아치, 케이블 또는 삼각형으로 채워진 트러스와 같은 복잡한 시스템을 사용하여 장엄한 기둥이나 타워 사이의 도로를 나릅니다. 그러나 고속도로 교량 시스템의 핵심은 비교적 간단하고 저렴한 콘크리트 보교입니다.

대들보교라고도 하는 보교는 각 끝에서 지지되는 수평 슬래브로 구성됩니다. 슬래브(및 슬래브 위의 모든 물체)의 모든 무게가 지지 기둥으로 수직으로 전달되기 때문에 기둥은 무게의 일부를 수평으로 전달하는 아치 또는 현수교용 지지대보다 덜 무거울 수 있습니다.

단순 빔 브리지는 일반적으로 250피트(76.2m) 이하의 거리에 걸쳐 사용됩니다. 일련의 단순 빔 브리지를 연속 경간이라고 하는 것에 연결하여 더 긴 거리를 확장할 수 있습니다. 사실, 세계에서 가장 긴 다리인 루이지애나의 레이크 폰차트레인 코즈웨이(Lake Pontchartrain Causeway)는 거의 38.4km 길이의 평행한 2차선 연속 경간 다리입니다. 두 다리 중 첫 번째 다리는 1956년에 완공되었으며 2,000개 이상의 개별 경간으로 구성되어 있습니다. 자매 교량(현재 북쪽으로 향하는 교통 수단)은 13년 후에 완공되었습니다. 첫 번째 다리보다 228피트 더 길지만 1,500개의 경간만 포함합니다.

다리에는 세 가지 주요 요소가 있습니다. 첫째, 하부 구조(기초)는 교량의 하중을 지면으로 전달합니다. 기둥(교각이라고도 함) 및 교대와 같은 구성요소로 구성됩니다. 교대는 다리 끝과 땅 사이의 연결입니다. 다리의 끝 부분을 지원합니다. 둘째, 교량의 상부구조는 기둥 사이의 공간을 가로지르는 수평 플랫폼이다. 마지막으로 교량의 데크는 상부 구조에 추가된 차량 운반 표면입니다.

연혁

선사 시대 사람은 자연을 모방하여 다리를 건설하기 시작했습니다. 개울을 건너 쓰러진 나무 위를 걷는 것이 유용하다는 것을 알게 된 그는 개울을 건너고 싶은 곳에 나무 줄기나 돌판을 놓기 시작했습니다. 그는 더 넓은 개울에 다리를 놓을 때 물에 돌을 쌓고 이 기둥과 둑 사이에 나무나 돌 기둥을 놓는 방법을 알아냈습니다.

문서화된 최초의 다리는 기원전 484년 <작은> 헤로도토스에 의해 기술되었습니다. 그것은 석조 기둥으로지지되는 목재로 구성되어 있으며 약 300 년 전에 유프라테스 강 건너편에 지어졌습니다.

석조와 콘크리트의 아치교로 가장 유명한 로마인들은 또한 빔 다리를 건설했습니다. 사실, 기원전 620년 <작은> 테베레 강을 가로질러 건설된 가장 오래된 로마 다리. , Pons Sublicius 라고 불렸습니다. 나무 들보 (sublicae)로 만들어졌기 때문입니다. 로마 교량 건설 기술에는 기둥을 건설하는 동안 코퍼댐을 사용하는 것이 포함되었습니다. 그들은 의도한 기둥 위치 주변의 지면에 나무 기둥을 원형으로 배치하여 이를 수행했습니다. 나무 고리에 점토를 깔아 방수가 되도록 한 후, 그들은 인클로저 밖으로 물을 퍼냈습니다. 이것 기둥 바닥에 콘크리트를 부을 수 있도록 했습니다.

교량 건설은 프랑스 엔지니어 Hubert Gautier가 교량 건설에 관한 논문을 쓴 1717년에 예술에서 과학으로의 전환을 시작했습니다. 1847년에 Squire Whipple이라는 미국인은 A Work on Bridge Building, 을 썼습니다. 교량의 응력과 변형률을 계산하기 위한 최초의 분석 방법이 포함된 것입니다. "컨설팅 교량 공학"은 1880년대에 토목 공학의 전문 분야로 설립되었습니다.

빔 브리지 건설의 추가 발전은 주로 건축 자재의 개선에서 비롯됩니다.

건축 자재
및 개발

대부분의 고속도로 빔 교량은 콘크리트와 강철로 만들어집니다. 로마인들은 다리에 석회와 포잘라나(빨간색 화산 가루)로 만든 콘크리트를 사용했습니다. 이 소재는 물 속에서도 빠르게 굳어 강하고 방수가 되었습니다. 중세 유럽에서는 석회 모르타르가 대신 사용되었지만 수용성이었습니다. 오늘날 인기 있는 포틀랜드 시멘트는 석회석과 점토의 특정 혼합물로 1824년 Joseph Aspdin이라는 영국 벽돌공에 의해 발명되었지만 1900년대 초반까지 기초 재료로 널리 사용되지 않았습니다.

콘크리트는 압축(가압)에 견디는 강도는 높지만 인장(인발력)에는 강하지 않습니다. 19세기 동안 유럽과 미국에서는 인장 저항 철을 내장하여 콘크리트를 강화하려는 여러 시도가 있었습니다. 우수한 버전은 1880년대 프랑스에서 강철로 만든 철근을 사용한 Francois Hennebique에 의해 개발되었습니다. 미국에서 교량에 철근 콘크리트를 사용한 첫 번째 중요한 용도는 샌프란시스코의 골든 게이트 공원에 있는 Alvord Lake Bridge였습니다. 1889년에 완성되어 오늘날에도 여전히 사용되고 있는 이 건물은 디자이너 Ernest L. Ransome이 고안한 꼬인 강철 철근으로 제작되었습니다.

콘크리트 건설의 다음으로 중요한 발전은 프리스트레스의 개발이었습니다. 콘크리트 빔은 빔을 통과하는 강철 막대를 잡아당긴 다음 막대의 끝을 빔의 끝에 고정하여 미리 응력을 받습니다. 이것은 콘크리트에 압축력을 가하여 하중이 가해질 때 빔에 가해지는 인장력을 상쇄합니다. (수평 보를 누르는 추는 보의 중앙에서 아래쪽으로 구부러지는 경향이 있어 보의 상단을 따라 압축력을 생성하고 보의 하단을 따라 인장력을 생성합니다.)

프리스트레스는 공장에서 프리캐스트되어 건설 현장으로 가져와 크레인으로 제자리에 들어 올려지는 콘크리트 빔에 적용할 수 있습니다. 또는 빔의 최종 위치에 타설되는 현장타설 콘크리트에 적용할 수 있습니다. 콘크리트를 타설하기 전에 강선이나 봉에 장력을 가하거나(프리텐셔닝), 콘크리트가 경화된 후 장력이 가해지는 인장되지 않은 강철이 포함된 튜브 주위에 콘크리트를 부을 수 있습니다(포텐셔닝).

디자인

각 교량은 건설되기 전에 개별적으로 설계되어야 합니다. 설계자는 지역 지형, 수류, 강 얼음 형성 가능성, 바람 패턴, 지진 가능성, 토양 조건, 예상 교통량, 미관 및 비용 제한을 비롯한 여러 요인을 고려해야 합니다.

또한 교량은 구조적으로 건전하도록 설계되어야 합니다. 여기에는 분석이 포함됩니다. 일반적인 콘크리트 보 교량의 단면도. 완성된 교량의 각 구성 요소에 작용할 힘. 세 가지 유형의 하중이 이러한 힘에 기여합니다. 정하중은 교량 자체의 무게를 나타냅니다. 활하중은 교량이 운반할 교통량을 나타냅니다. 환경 하중은 바람, 지진 활동 및 교량 지지대와의 잠재적 교통 충돌과 같은 기타 외부 힘을 나타냅니다. 해석은 고정하중의 정적(고정) 힘과 활하중 및 환경하중의 동적(이동) 힘에 대해 수행됩니다.

1960년대 후반부터 설계에서 중복성의 가치가 널리 받아들여졌습니다. 이것은 교량이 한 부재의 고장으로 인해 전체 구조물이 즉시 붕괴되지 않도록 설계되었음을 의미합니다. 이것은 손상된 부재를 보상할 수 있을 정도로 다른 부재를 강하게 함으로써 달성됩니다.

제조
프로세스

각 교량은 특정 위치와 기능을 위해 고유하게 설계되었기 때문에 건설 과정도 교량마다 다릅니다. 아래에 설명된 프로세스는 중간 콘크리트 기둥 지지대가 강에 위치하여 얕은 강에 걸쳐 있는 상당히 전형적인 철근 콘크리트 교량을 건설하는 주요 단계를 나타냅니다.

많은 교량 구성요소의 크기 예는 시각화를 돕기 위해 다음 설명에 포함되어 있습니다. 일부는 공급업체의 브로셔 또는 산업 표준 사양에서 가져왔습니다. 다른 것들은 1993년 뉴멕시코 주 앨버커키의 리오 그란데를 가로질러 건설된 고속도로 다리의 세부 사항입니다. 1,245피트 길이, 10차선 너비 다리는 88개의 기둥으로 지지됩니다. 여기에는 구조물에 11,456입방 야드의 콘크리트가 포함되어 있고 포장 도로에 8,000입방 야드가 추가로 포함되어 있습니다. 그것은 또한 620만 파운드의 강화 강철을 포함합니다.

하위 구조

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1 강바닥의 각 기둥 위치 주위에 코퍼 댐이 건설되고 물은 인클로저 내부에서 펌핑됩니다. 기초를 설정하는 한 가지 방법은 강바닥을 통해 기반암까지 샤프트를 뚫는 것입니다. 오거가 샤프트에서 흙을 끌어올 때 흙을 교체하고 샤프트가 무너지는 것을 방지하기 위해 점토 슬러리를 구멍으로 펌핑합니다. 적절한 깊이(예:약 80피트 또는 24.4m)에 도달하면 철근(철근)의 원통형 케이지가 슬러리로 채워진 샤프트(예:직경 72인치 또는 2m)로 내려갑니다. 콘크리트는 샤프트의 바닥으로 펌핑됩니다. 샤프트가 콘크리트로 채워짐에 따라 슬러리는 샤프트 상단에서 밀려나와 그곳에서 수집되고 청소되어 재사용될 수 있습니다. 각 기둥의 지상 부분은 형성되어 제자리에 타설되거나 프리캐스트되어 제자리로 들어 올려져 기초에 부착될 수 있습니다.

2 다리 끝이 놓일 강둑에 다리 교대를 준비합니다. 콘크리트 뒷벽이 형성되어 제방 상단과 강바닥 사이에 부어집니다. 이것은 다리 끝 너머의 토양을 위한 옹벽입니다. 다리 끝이 놓일 수 있는 선반(좌석)이 뒷벽의 상단에 형성됩니다. 다리 접근을 위한 흙 채우기를 유지하기 위해 강둑을 따라 뒷벽에서 바깥쪽으로 확장하는 날개벽도 필요할 수 있습니다.

3 이 예에서 다리는 각 지지점에서 한 쌍의 기둥에 놓입니다. 하부 구조는 한 기둥의 상단에서 파트너 상단까지 도달하는 교량 방향과 수직인 캡(철근 콘크리트 보)을 배치하여 완성됩니다. 다른 설계에서 교량은 교량 너비의 직사각형 교각 또는 단일 T자형 기둥과 같은 다양한 지지 구성에 놓일 수 있습니다.

상부 구조

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4 교량 전체에 걸쳐 연속된 기둥 세트 사이에 강철 또는 프리스트레스 콘크리트 거더를 설치하는 데 크레인이 사용됩니다. 대들보가 기둥 캡에 볼트로 고정됩니다. 앨버커키 고속도로 교량의 경우 각 대들보의 높이는 1.8m, 길이는 최대 130피트(40m)이며 무게는 최대 54톤입니다.

5 강철 패널 또는 프리캐스트 콘크리트 슬래브를 거더를 가로질러 깔아 견고한 플랫폼을 형성하여 교량 상부 구조를 완성합니다. 예를 들어, 한 제조업체는 4.5인치(11.43cm) 깊이의 무거운(7 또는 9게이지) 강철 골판지 패널을 제공합니다. 또 다른 대안은 나중에 부어질 콘크리트 데크를 위한 제자리 고정 강철 거푸집입니다.

데크

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6 상부 구조 플랫폼 위에 습기 차단막이 설치됩니다. 예를 들어 고온 적용 폴리머 개질 아스팔트가 사용될 수 있습니다.

7 철근 격자가 수분 장벽 위에 건설됩니다. 이 그리드는 이후에 콘크리트 슬래브에 갇힐 것입니다. 그리드는 슬래브 하단 근처에 보강 철근 층이 있고 상단 근처에 또 다른 보강 철근 층이 있는 3차원입니다.

8 콘크리트 포장이 타설됩니다. 콘크리트 포장의 두께는 8-12인치(20.32-30.5cm)가 고속도로에 적합합니다. 제자리 고정 거푸집이 상부 구조 플랫폼으로 사용된 경우 콘크리트가 그 위에 부어집니다. 거푸집을 사용하지 않았다면 한 번의 연속 작업으로 콘크리트를 펴고, 굳히고, 매끄럽게 하는 슬립폼 포장기로 콘크리트를 도포할 수 있습니다. 두 경우 모두, 브러시 또는 삼베와 같은 거친 재료로 표면을 수동 또는 기계적으로 스코어링하여 새로운 콘크리트 슬래브에 미끄럼 방지 질감을 배치합니다. 측면 조인트는 포장의 균열을 방지하기 위해 대략 15피트(5m)마다 제공됩니다. 이들은 콘크리트를 붓기 전에 거푸집에 추가되거나 슬립폼 슬래브가 경화된 후 절단됩니다. 조인트를 밀봉하기 위해 유연한 밀봉재가 사용됩니다.

품질 관리

교량의 설계 및 건설은 미국 고속도로 및 교통 관리 협회(American Association of State Highway and Transportation Officials), 미국 재료 시험 협회(American Society for Testing and Materials), 미국 콘크리트 협회(American Concrete Institute)를 비롯한 여러 기관에서 개발한 표준을 충족해야 합니다. 다양한 재료(예:콘크리트 배치)와 구조적 구성요소(예:보 및 연결부)는 건설이 진행되면서 테스트됩니다. 또 다른 예로 Albuquerque 교량 프로젝트에서 현장에서 건설된 샘플 기둥 기초와 두 개의 생산 샤프트에 대해 정적 및 동적 강도 테스트가 수행되었습니다.

미래

수많은 정부 기관과 산업 협회가 자재 및 건설 기술을 개선하기 위한 연구를 후원하고 수행합니다. 주요 목표는 재구성된 고성능 콘크리트와 같은 더 가볍고 강하며 내구성이 뛰어난 재료를 개발하는 것입니다. 일부 구성 요소의 콘크리트를 대체하는 섬유 강화 폴리머 복합 재료; 철근의 부식을 방지하기 위한 에폭시 코팅 및 전기 화학적 보호 시스템; 대체 합성 강화 섬유; 더 빠르고 정확한 테스트 기술.