Bydgoszcz 22.02.2010r.
Mosty Cieśniny Carquinez
Jakub Kubalewski
Budownictwo DUL
gr. H sem. V
rok akademicki 2009/10
Mosty cieśniny Carquinez
Mosty nad cieśniną Carquinez zlokalizowane są w niewielkiej odległości od San Francisco (30 km), w północno-wschodniej części Zatoki San Pablo, będącej także częścią zatoki San Francisco. Jest to miejsce szczególne dla przepraw mostowych, ponieważ w tym niewyróżniającym się niczym rejonie Zatoki zrealizowane zostały w bezpośrednim sąsiedztwie niezwykłe i eksperymentalne projekty mostowe. Pierwszy Carquinez most, wybudowany w 1927 roku, był jedną z najstarszych przepraw wodnych wybudowanych w całym rejonie Bay Area. Łączył on, pomiędzy osadami Crockett and Vallejo, brzegi rzeki Sacramento mającej w pobliżu swoje ujście do Zatoki. Był równocześnie częścią transkontynentalnej autostrady I-80 łączącej wschód—zachód, biegnącej od Nowego Jorku do San Francisco. Jak w większości podobnych przypadków, w newralgicznych dla komunikacji drogowej miejscach, wyparł on początkowo wprowadzony tutaj serwis promowy. Serwis ten okazał się ogromnym sukcesem i jednocześnie problemem, z powodu coraz dłuższych kolejek odprawianych samochodów, dlatego właściciele Rodeo-Vallejo Ferry Company, Aven Hanford i Oscar Klatt, założyli w 1922 roku nową firmę pod nazwą American Toll Bridge Company. Celem jej było opracowanie i wybudowanie mostu zastępującego wolno kursujące promy samochodowe. Prace rozpoczęły się w kwietniu 1923 roku i były prowadzone pod kierownictwem Charlesa Derleth, dziekana wydziału inżynierskiego UC Berkeley i Williama Burr. Projektantem mostu został David Steinman (1886—1960), jeden z najwybitniejszych amerykańskich budowniczych mostów, autor między innymi mostu Mackinac.
Schemat mostu wspornikowego
David Steinman tak oto w sposób bardzo zwięzły opisuje ten projekt:
"Najdłuższy most wspornikowy w Stanach. Pierwszy most zaprojektowany przeciwko siłom trzęsienia ziemi. Część wspornikowa ma 1005 m długości. Dwa główne przęsła mają po 330 m długości. Trudne problemy posadowienia fundamentów. Sześć kolumn musiało być zatopionych w wodzie o głębokości 30 m przy silnym prądzie rzeki i wysokich przypływach i odpływach, i następnie wypełnione materiałem w skale na głębokość 13,5 metra. Porównujące obliczenia i ekonomiczne studia określiły formę i proporcje połączeń. Użyto trzech rodzajów stali, włączając rozciągane elementy temperaturowo wzmocnione. Zaadoptowanie stali krzemowej w ściskanych elementach kratownicy zaoszczędziło 600 000 dolarów w kosztach budowy mostu. Zastosowano nową metodę podnoszenia. Każde podwieszone połączenie o wadze 700 ton było podniesione do wysokości 45 metrów w ciągu 35 minut. Wybudowany za 8 mln dolarów jako prywatny, płatny most, odkupiony przez Stan California w 1940 roku stał się mostem wolnym od opłat w 1945 roku. Stan przygotował plany budowy górnego pokładu dla zwiększenia przepływu ruchu wykorzystując rezerwę wytrzymałości z oryginalnego projektu."
Już w pod koniec lat czterdziestych stało się oczywiste, że konieczne jest zwiększenie przepływu ruchu w tym rejonie. Dlatego Kalifornijski Zarząd Dróg i Autostrad zdecydował się na wybudowanie drugiego, bliźniaczego mostu wspornikowego, położonego równolegle i w niewielkiej odległości od pierwszego. Niewątpliwie nowością zastosowaną przy wznoszeniu mostu było zastosowanie połączeń spawanych. Od dnia jego otwarcia, w dniu 25 października 1958 roku, oba mosty mając po 3 pasy, przejęły ruch jednokierunkowy w każdą ze stron, w znacznym stopniu poprawiając przepustowość ruchu. Trzeci Carquinez most, zwany Alfred Zampa Memorial wybudowany w 2003 roku, w sąsiedztwie dwóch poprzednich, jest jednym z większych mostowych osiągnięć inżynierskich i konstrukcyjnych ostatnich lat i był wznoszony bez większej uwagi ze strony prasy i opinii publicznej. Stał się pierwszym wiszącym mostem z kilku powodów:
· pierwszy wiszący most na świecie z betonowymi pylonami w strefie wysoce sejsmicznej (bezpieczny do 7.1 stopnia w skali Richtera)
· pierwszy wiszący most w USA z betonowymi pylonami
· pierwszy wiszący most w USA z kolumnowym fundamentem
· pierwszy wiszący most w USA z aerodynamicznym stalowym pokładem
· pierwszy wiszący most w USA od 1973 roku
· pierwszy wiszący most w rejonie Zatoki od 1937 roku (od budowy Golden Gate mostu)
Ze względu na nasilający się ruch komunikacyjny, stopień zużycia, jak również dostosowanie istniejących mostów do nowych wymagań sejsmicznych, Caltrans zdecydował na początku lat dziewięćdziesiątych o zastąpieniu pierwszego mostu nowym, spełniającym wyższe warunki bezpieczeństwa. W roku 1996 rozpatrzono kilka rozwiązań konstrukcyjnych. Most kratownicowy-wspornikowy, podobny do tego z 1958 roku, most łukowy z dwoma głównymi przęsłami (po 330 m każde), trzypylonowy most podwieszony oraz wersję mostu wiszącego opartego na dwóch pylonach.. Pod koniec 1996 roku Caltrans wyselekcjonował firmę DeLuew-OPAC-Steinman Joint Venture do rozpracowania dwóch wersji, trzypylonowej podwieszonej i dwupylonowej wiszącej.
Ostatecznie wybrano projekt mostu wiszącego z dwoma pylonami kierując się kilkoma istotnymi przesłankami, bezpieczniejszego rozwiązania w warunkach wysoce sejsmicznych (pęknięcie San Andres i Hayward), krótszym terminem budowy, mniejszym ryzykiem kolizji statków z fundamentami pylonów, mniejszym serwisem obsługi lin wiszących i w końcu lepszą estetyką. Rozpiętość pomiędzy pylonami, których wysokości są odpowiednio 123,4 i 128,4 metra, wynosi 728 metrów. Przęsło po stronie północnej ma długość 182 metry, po południowej 147 metrów. Każdy pylon stoi na betonowej platformie o wymiarach 18 x 22 x 6 metry podpartej sześcioma trzymetrowej średnicy słupami. Słupy platformy zabetonowane są w wywierconych w skałach na głębokość 43 metry otworach. Nowa metoda montażu fundamentów o dużej średnicy słupów umożliwiła wyeliminowanie kosztownych kesonów.
Portalowe pylony zwężające się ku górze wykonane są z wykorzystaniem zbrojonego betonu. Na szczycie każdego z nich posadowione są dwa siedziska, stalowe odlewy, dla dwóch głównych lin wiszących. Główna lina o 8584 drutach, 37 splotach ma średnicę 512 mm. Zastosowany drut ma wytrzymałość na rozciąganie 1570 N/mm2 przy roboczym obciążeniu 690 N/mm2. Pokład mostu złożony jest z 24 stalowych, profilowanych paneli skrzynkowych o szerokości 29 metrów i wysokości 3 metry. Dolny trawers podpierający pokład a także sam pokład pochylone są o 2,0% w kierunku zachodnim zmieniając kąt natarcia wiatru. Wszystkie elementy pokładu zostały sprefabrykowane i wykonane w Japonii w firmie Ishikawajima Harima Heavy Industries (IHI), a następnie przetransportowane na statku przez Pacyfik do miejsca montażu. Prace składania mostu były tak skoordynowane, że dostarczone sekcje pokładu były podwieszane do wieszaków linowych prosto ze statku, a następnie łączone przez ich spawanie.
Na szczególną uwagę zasługują badania prowadzone w fazie projektowania mostu, gdyż dotyczyły one studiów modeli pod działaniem sejsmicznym i wiatru. W badaniach sejsmicznych, wykorzystując metodę elementów skończonych, poddano komputerowy model mostu działaniu nieharmonijnych fal powstających podczas trzęsienia ziemi i zweryfikowano wydłużenia i naprężenia stalowych i betonowych elementów. Nie przekroczyły one dopuszczalnych granic tak w betonie, zbrojeniu jak i w konstrukcji stalowej.
W badaniach zachowania się konstrukcji pod wpływem wiatru wykorzystano tunele aerodynamiczne, stopniując poziom przepływu strumienia powietrza od 47 m/s do 70 m/s. Studia te wykazały stabilność konstrukcji, brak występowania zjawisk galopowania czy falowania konstrukcji wiszącej. W tunelu sprawdzono wybrane sekcje jak również cały model.
Projekt tego mostu ustanowił nowe standardy w projektowaniu nowoczesnych mostów wiszących w Stanach w zakresie bezpieczeństwa sejsmicznego. Niektóre z ich elementów odnoszą się do kryteriów projektowego obciążenia mostów wiszących o długich przęsłach, dopuszczalnych naprężeń w drutach w głównej linie nośnej, połączeń spawanych czy w zastosowaniu analizy elementów skończonych w obliczaniu naprężeń płyt, kolumn i pylonów. Budowa konstrukcji wiszącego mostu nad cieśniną Carquinez trwała trzy lata, a oficjalne otwarcie odbyło się w dniu 8 listopada 2003 roku.
Dane mostu wiszącego
· Długość 1056 m
· długość pomiędzy pylonami 728 m
· długość przęsła południowego 147 m
· długość przęsła północnego 181 m
· wysokość nad wodą 48 m
· szerokość 29 m
· waga konstrukcji stalowych 12 722 t
· waga lin 4 600 t
· kubatura betonu 26 580 m3
· waga stali do zbrojenia 4 662 t
· całkowity koszt budowy 240 mln dolarów
· projektant De Leuw-OPAC-Steinman JV
· główny wykonawca FCI/Cleveland Bridge
sawinn