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. Un grupo de trabajo de la industria desarrolló vigas tubulares formadas con plegadoras para puentes de tramos cortos que se forman en una fábrica, preensambladas con una plataforma de concreto, y se instala 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 es necesario reemplazar la infraestructura de Estados Unidos. Cuando el puente I-35 sobre el río Mississippi en Minneapolis se derrumbó en 2007, matando a 13 personas, todo el país se dio cuenta.

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

Según la Oficina de Estadísticas de Transporte, en 2019 había más de 617.000 puentes en EE. UU. y solo 279.582 (44%) están en buenas condiciones. Más de 56.000 (9,1%) de los puentes del país fueron clasificados como estructuralmente deficientes en 2016.*

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

La doctora Alison Premo Black, economista jefe 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, 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 la categoría de tramos cortos. categoría de tramo. Un puente de luz corta se define como un puente cuya distancia entre dos soportes intermedios es inferior a 140 pies.

Buscando formas nuevas, mejores, más rápidas y más económicas 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 tramos cortos de hasta 80 pies.

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

Los investigadores de la Universidad de West Virginia comenzaron con la forma de una típica caja trapezoidal soldada, pero la fabricaron mediante plegadora doblada 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 acelerar la construcción de puentes de tramos cortos que fueran económicos”, dijo Barth. "El objetivo era utilizar anchos de placa estándar y comúnmente disponibles de 84 pulgadas, 96 pulgadas, etc.". El proceso también tenía que ser compatible con la producción en masa para evitar los costes de personalización.

¿Cuál es el sistema? Es simplemente una sencilla viga tipo bañera de acero con una plataforma de hormigón prefabricado, con un toque especial.

“Terminamos con una caja trapezoidal de acero estándar, pero la fabricamos doblando una plegadora en lugar de soldándola convencional”, dijo Barth. "Las características para tramos cortos se pueden producir en aproximadamente 30 a 40 minutos utilizando la prensa plegadora".

El tipo de viga es la relación de pendiente de viga trapezoidal común en EE. UU. de 1 a 4 en los bordes, con un radio de curvatura de 5T, explicó Barth. “Pensamos que no necesitábamos mucha compresión en la brida. Los mantuvimos a 6 pulgadas de ancho. Sólo necesitábamos lo suficiente para sujetar los montantes hasta que pusiéramos la plataforma allí”.

La viga de placa formada por plegadora (PBFTG) está galvanizada para prolongar su vida útil y luego se remata con una plataforma de concreto. “Nuestro estándar es galvanizarlos en caliente por dentro y por fuera para brindar más de 60 años de protección.

“No es muy innovador. Pero está fabricado de un modo que puede resultar económico en el mercado de tramos cortos. Las geometrías de puentes más grandes y complicadas con tinas de sección cerrada tienen una geometría ideal para aplicaciones de soldadura. El problema es que no se puede reducir económicamente esa tecnología a 40, 60, 80 pies. mercado de puentes de luces cortas”, 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 plegadora fue realizado por Greiner Industries, Mount Joy, Pensilvania. El fabricante formó los dobleces de la tina en una prensa freno 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 tina en una prensa freno Baykal de 2750 toneladas y 40 pies de largo. El fabricante también instaló una herramienta de alineación con luz láser que apunta al objetivo de pliegue 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 abertura de la plataforma 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 laminado y conformado. "Como se trata de una sola máquina, tenemos toda la prensa disponible".

La plegadora también se adaptaba a las múltiples curvas necesarias para formar la tina. "Una vez que llegas a varias curvas, se vuelve interesante, porque si tienes pestañas, tienes que darle la vuelta para doblarlas, y debes tener suficiente espacio para poder llegar a la segunda curva sin golpear nada más", Sine dicho. “Cuando usas prensas en tándem, dependiendo de su garganta, puede golpear el marco trasero, por lo que no podrás doblar piernas largas sobre ellas. Con el de 40 pies, tenemos 2 pies de espacio libre, por lo que tenemos suficiente espacio para doblar las bridas.

“Tener una sola prensa plegadora con el tonelaje que teníamos era una ventaja”, dijo Sine.

Greiner también instaló una herramienta de alineación con luz láser que apunta al objetivo de curvatura interior. “Queríamos asegurarnos de que la pieza estuviera completamente alineada con los punzones. De esa manera tendrá una medida real de dónde desea doblarse. Es mucho más preciso que una cinta métrica”.

La plegadora está equipada con ajustes mecánicos de coronación en la plataforma de la máquina. “La coronación no es un problema; simplemente ajustas la cama para eso y queda bastante bien. Y, de hecho, 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 fluencia en varios espesores de placa. El equipo utilizó un tubo de 84 pulgadas de ancho por 7/16 pulgadas. Placa de acero (50 y 79 KSI) para una serie de pruebas de investigación en la universidad. "Esa es la viga más grande que pudimos construir y probar hasta que falle con nuestro actuador de 330 kp para evaluar la capacidad de carga", dijo Barth.

Las pruebas mostraron 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 luces 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 espesor 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 estableces el ancho del ala y la relación de pendiente y eliges la profundidad en una placa de acero común, toda la geometría surge de eso”, dijo.

El equipo probó el rendimiento ante la fatiga de secciones de acero galvanizadas y sin revestir para ver si se producirían problemas con los radios de curvatura seleccionados. Luego probaron el sistema modular con cierre vertido para evaluar la plataforma. Evaluaron la capacidad de los módulos con un sistema de plataforma de fundición y colocación y los requisitos de refuerzo y deflexión. “Hemos estado probando esto durante siete años. Por eso este sistema ha sido examinado minuciosamente”, afirmó Barth.

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

Una subvención del Programa de Investigación e Implementación de Puentes Innovadores (BIRF) de la Administración Federal de Carreteras (FHWA) del Departamento de Transporte de EE. UU. sentó las bases para completar la primera instalación del sistema modular PBFTG en EE. UU.

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

"La estandarización fue significativa en el mercado de tramos cortos", afirmó Keierleber. “No queremos diseñar cada uno a medida como una obra de arte. Si necesita 40 pies. viga, simplemente desea ir a esta mesa y elegir esta viga que se extiende por 36 pies. No hay razón para rediseñarla”. Los diseños estándar son de 20 a 80 pies.

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

Era necesario reemplazar un puente en el condado de Muskingum, Ohio.

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

La plataforma de placas sándwich se montó fuera de la obra y las vigas modulares llegaron a la obra en un camión.

“Hablamos de construcción acelerada. La superestructura se instaló en 20 minutos. Nunca antes había visto entrar 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 de ellos fueron 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 llevaban 65 años de servicio. No se les había realizado ningún nuevo recubrimiento de vigas de acero ni ningún otro mantenimiento.

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

"Las vigas del puente debían ser simples, duraderas, compatibles con el diseño AASHTO y sostenibles", dijo Guy Nelson, PE, TEG Engineering. “Si todos estos fueran casos únicos, nunca obtendríamos un sistema que fuera asequible. Tuvimos que implementar vigas de bañera asequibles. Y lo estamos haciendo en todo Estados Unidos”.

Las comparaciones de costos mostraron que un puente de acero convencional con una capa de mezcla asfáltica en caliente (HMA) usando una plataforma de acero galvanizado costaría $75,000; un sistema de alcantarilla de caja prefabricada costaría 63.000 dólares; y los enfoques HMA del sistema PBFTG costaron $57,000 y la duración más corta del cierre de carreteras.

“Conseguimos la viga tubular de acero formada por 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 vertido de la plataforma de concreto) demora aproximadamente dos meses, por lo que comenzó dos meses antes de la demolición del puente.

En uno de los puentes, el condado pudo utilizar su propio equipo de excavadora para instalar las unidades de 35 pies de luz para el puente y solo necesitó una grúa para instalar una de 45 pies. tramo del segundo puente.

La caja con bridas tiene un ala 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 que coincida con el sistema anterior.

La sustitución de la superestructura se completó en cuatro días. Se necesitaron dos días para demoler el puente existente y otro día para reparar los estribos de hormigón. La superestructura PBFTG se instaló al cuarto día en cuatro horas. "Las vigas se trajeron a las 8 am y se ensamblaron en el sitio al mediodía", dijo Nelson.

Se vertió hormigón polimérico para la junta de la plataforma, seguido de una capa de epoxi. Luego, una capa de asfalto cubrió toda la plataforma. Las barandillas se instalaron al final. El tiempo total de ejecución fue de 10 días hábiles.

El costo final total fue de $180,751 incluyendo materiales, mano de obra, gastos generales y equipo.

*El término “estructuralmente deficiente” se redefinió en 2018, y ahora el 5,5% de los puentes estadounidenses se clasifican como estructuralmente deficientes. Además, la agencia ya no rastrea puentes que antes se consideraban “funcionalmente obsoletos”.