Konstruktion und Herstellung eines One

Industrial Steel Construction, Gary, Indiana, fertigte die Komponenten und Baugruppen für eine neue Bogenbrücke, die den Mississippi zwischen Iowa und Illinois überspannt. Es handelt sich um eine konvergierende Doppelbogenbrücke mit Korbgriff, die 98 Fuß breit und 3.405 Fuß lang ist und eine 800 Fuß lange Brücke umfasst. Bogenspanne. Iowa DOT

Die I-74 Iowa-Illinois Memorial Bridge, die den Mississippi River überspannte und Illinois und Iowa verband, war funktionell veraltet und überlastet, was zu Verkehrsstaus und häufigem Reparaturbedarf führte. Eine neue Brücke wurde dringend benötigt.

Der Ersatz sollte jedoch weder ein Duplikat noch eine gewöhnliche Brücke sein. Die neue Brücke wurde nicht nur so konstruiert, dass sie eine höhere Last tragen kann, mehr als doppelt so breit ist wie die bestehende Brücke und Platz für Fußgängerwege bietet, sie wurde auch als einzigartige Wahrzeichenbrücke und von spektakulärer Schönheit konzipiert.

Es handelt sich um eine echte Bogenbrücke mit Korbgriffen – eines der komplexesten Brückenprojekte des Landes. Es ist 98 Fuß breit und 3.405 Fuß lang, einschließlich einer 800 Fuß langen. Bogenspanne. Das Projekt erforderte mehrere Stahlträger und neue Ansätze und musste auf einer neuen horizontalen Trasse gebaut werden.

Das komplexe Design erwies sich als kompliziert in der Herstellung. Jedes Stück des Bogens hatte einzigartige Abmessungen.

Industrial Steel Construction (ISC), Gary, Indiana, erhielt den Auftrag für die Stahlfertigung der Komponenten und Baugruppen für die neue Brücke, einschließlich der Zufahrten. Die Anlage liegt zentral in der Region der Großen Seen und bietet direkten Zugang zu intermodalen Transportmitteln, der Bahn sowie dem Lake Michigan und dem Illinois River-System.

Die Anlage von ISC ist 1,6 Millionen Quadratfuß groß und erstreckt sich über 160 Acres. Ursprünglich war das Gebäude eines von acht Werken von American Bridge Fabricators, einem Geschäftsbereich von US Steel, der 1909 von JP Morgan und Elbert Gary gegründet wurde.

Das weitläufige Gebäude von ISC war von Vorteil, da das Unternehmen die Brücke unter Dach herstellen und montieren konnte. Das Unternehmen hat Baugruppen mit einer Länge von bis zu 950 Fuß durchgeführt und ganze Brücken unter Dach hergestellt und montiert.

ISC-Geschäftsführer Ankit Shah und Projektmanager David Johnson erklärten, warum die Unterdachfertigung für dieses Projekt von Vorteil war.

Der Entwurf der Brücke erforderte ein hohes Maß an Präzision, was für ein Projekt dieser Größenordnung ungewöhnlich ist. „Wann immer Sie Präzision wünschen, möchten Sie, dass die Umgebung sehr kontrolliert wird“, sagte Shah.

„Wir konnten das Bodensystem in unserem 1,6 Millionen Quadratfuß großen Gebäude montieren. Kaufen Sie von einem Ende zum anderen, eine Hälfte nach der anderen“, sagte Johnson. Ein Werkstattaufbau, der in Innenräumen durchgeführt werden kann, ist von Vorteil, da Laufkräne verwendet werden können und die thermische Ausdehnung und Kontraktion, die auftritt, wenn die Stahlelemente Sonne, Hitze, Regen und Schnee ausgesetzt sind, kontrolliert wird.

Die Anlage von ISC ist 1,6 Millionen Quadratfuß groß und erstreckt sich über 160 Hektar, so dass die gesamte Brücke unter Dach gefertigt und montiert werden kann. Industrieller Stahlbau Inc.

Auch für die Mitarbeiter bot die große Indoor-Fertigungsanlage mehrere Vorteile, da sie vor der Umwelt geschützt war. Der Hersteller konnte seine mehr als 100 Laufkräne mit einer Tragfähigkeit von 125 Tonnen nutzen, um die massiven, schweren Bogenelemente zu bewegen. „Ohne diese Laufkräne wäre die Handhabung von Stahlbauteilen dieser Größe und dieses Gewichts im Freien sehr schwierig gewesen“, sagte Shah.

„Normalerweise wiegen Plattenträger etwa 30.000 bis 40.000 Pfund. jede. Aber wenn es darum geht, einen 100-Tonnen-Abschnitt durch den Herstellungsprozess zu bewegen, können das nur wenige Brückenbauer im ganzen Land schaffen“, fügte er hinzu.

„Wir haben den Baustahl für die gesamte Brücke hier in Gary hergestellt, einschließlich der Ansätze [Plattenträger] sowie der Hauptspannweite [True-Bogen-Brücke mit Korbgriffen]. Wir konnten die Spezifikationstoleranzen in der kontrollierten Fertigungsumgebung der Anlage unter Dach besser einhalten als im Freien“, sagte Shah.

Shah und Johnson beschrieben, wie das einzigartige Design der Brücke die Herstellung erschwerte.

„Bei den Ansätzen handelte es sich um Plattenträger, die typische Herstellungsverfahren für Träger beinhalteten“, sagte Johnson. „Aber der Bogen ist eine komplexe Signaturstruktur. Es war einzigartig gestaltet; Die Entwicklung von Herstellungsverfahren erforderte viel Planung.“

Bei der Brücke handelt es sich nicht nur um einen echten Bogen, sondern auch um einen Bogen mit Korbgriffen – einer von nur zwei im Land, so Shah. „Der echte Bogen mit Korbgriff macht es einzigartiger, da beim Herstellungsprozess eine komplexe Geometrie und strengere Toleranzen gelten.“

Die Komplexität ergibt sich aus der Tatsache, dass die beiden Bögen an der Basis beginnen und dann am Schlussstein zusammenlaufen. Normalerweise sind Bogenbrücken gerade ausgerichtet, wobei der Schlussstein in der Mitte positioniert ist, sodass die Geometrie nicht so komplex ist wie bei der I-74-Brücke, sagte Shah. Darüber hinaus verjüngen sich die Bögen – sie sind an der Basis breiter und an der Spitze schmaler.

Jeder Bogen wurde mit 30 gewölbten Rippenkästen konstruiert. Auf jeder Ebene der Bögen befanden sich vier typisch geformte Stücke, die sich jeweils bis zur Mitte vorarbeiteten. Allerdings sei jedes von ihnen in Bezug auf Länge, Größe und Gewicht einzigartig, sagte Johnson.

Während viele der Herstellungsherausforderungen mit der Komplexität und Größe der Bogenelemente zusammenhingen, hingen andere mit Zeitplänen und der Notwendigkeit eines hohen Durchsatzes zusammen. Jeder Ansatz besteht aus mehr als 200 Plattenträgern.

Das Unternehmen setzte in der Werkstatt Totalstation-Vermessungsgeräte ein, um sicherzustellen, dass die gesamte Geometrie ausgerichtet war und mit den Werkstattzeichnungen und Projektspezifikationen übereinstimmte.

Der Hersteller entwickelte ein Rollringkonzept, um die Kästen zu drehen, um alle Seiten zum Schweißen zugänglich zu machen. Industrieller Stahlbau Inc.

Planungsbesprechungen waren eine wöchentliche, manchmal tägliche Veranstaltung. „Jedes einzelne der Hauptmitglieder wurde wie seine eigene Aufgabe behandelt“, sagte Johnson. „Wir mussten sie der Reihe nach herstellen, sodass sie hergestellt, zusammengebaut und versendet werden konnten, wenn sie benötigt wurden.“

„Dave spielte eine sehr entscheidende Rolle dabei, sicherzustellen, dass mit allen kommuniziert wurde. Wir hatten Tausende von Treffen“, sagte Shah.

„Aufgrund der Komplexität mussten wir uns oft treffen; Die Kommunikation mit den Ladenmitarbeitern war wichtig. Es war unbedingt erforderlich, alle über die Vertragsanforderungen einschließlich der Projektspezifikationen zu informieren“, sagte Johnson.

Plattenschneiden, Bohren. Die Hersteller schneiden Bleche auf CNC-Autogen- und Plasmaschneidemaschinen von Farley. Die meisten Bohrungen wurden auf CNC-Bohrmaschinen von Farley ausgeführt.

Um die seltsamen und unterschiedlichen Formen der Bogenelemente zusammenzusetzen, wurden viele Verbindungsplatten als Schablonen verwendet. Die Teile wurden mit mehreren großen Verbindungsplatten zusammengefügt, und diese Verbindungsplatten wurden auf die richtige Größe zugeschnitten und gebohrt. Als das Teil zusammengebaut und in die genaue Position gebracht wurde, wurden diese Platten angebracht und dann als Schablone verwendet, um die Rohteile manuell zu durchbohren, um eine perfekte Passung sicherzustellen.

Rotieren zum Schweißen. Es ist eine Sache, ein leichtes Teil zu drehen, aber es ist eine ganz andere, ein 240.000 Pfund schweres Teil zu drehen. Strukturelement. „Nachdem man es von einer Seite geschweißt hat, muss man es drehen, um es auf der nächsten Seite zu schweißen. Deshalb mussten wir uns einige einzigartige Konstruktionsentwürfe einfallen lassen, um die Teile zu handhaben und zu bewegen“, sagte Johnson.

Das Unternehmen entwickelte ein Handhabungsringkonzept, um die Kisten zu drehen, um alle Seiten zum Schweißen zugänglich zu machen. Der Rollring war nicht Teil der Brücke; Es war nur eine Art Positionierer. „Das war ein großer Durchbruch im Projekt. Wir mussten diese großen und schweren Teile nicht ständig heben und handhaben, sie dann auf die Seite legen, handhaben und wieder bewegen“, sagte Shah.

„Diese Idee kam von Joe Hish, dem Inhaber des Unternehmens. Wir konnten die 125-Tonnen-Teile grundsätzlich sicher bewegen, wenn wir es brauchten“, fügte Shah hinzu.

Der Großteil des Unterpulverschweißens für die Kehl- und Stumpfnähte wurde mit halbautomatischen Unterpulvergeräten durchgeführt.

Die schwersten Kisten an den Sockeln waren aus 70er-Stahl; andere waren in der 50. Klasse. Einige der Abschnitte wurden aus bruchkritischem Material hergestellt. „Es gab also eine Materialmischung“, sagte Shah.

Die Einzelteile des Bogens und die fertig zusammengebauten Kisten waren so groß, dass sie per Lastkahn von Gary den Illinois River hinunter und dann den Mississippi River hinauf nach Davenport, Iowa, verschifft wurden. Der Vorteil der Schifffahrt per Lastkahn bestand darin, dass dieser so groß war, dass sechs Abschnitte gleichzeitig geladen werden konnten. Der Nachteil des Binnenschifftransports bestand darin, dass eine beschleunigte Produktion erforderlich war, um die Zeitpläne für Flussschließungen einzuhalten, und dass die Fertigstellung Monate dauerte. Industrieller Stahlbau Inc.

Verzerrungen verwalten. Das Projekt erforderte umfangreiche Schweißarbeiten. Viele Längsversteifungen, die einseitig an den Flanschen und Stegen der Boxen angebracht waren, führten durch den Wärmeeintrag zu Verformungen. „Wir haben daraus gelernt und konnten die Verzerrung im Laufe der Zeit immer besser kontrollieren. Und bei Bedarf haben wir das Glätten durch Hitze eingesetzt“, sagte Johnson.

Erfüllung der Durchsatzanforderungen. Der Durchsatz sei entscheidend, erklärte Johnson. „Teile von einer Stufe zur anderen zu bewegen – das war eine große Herausforderung, weil es sich um ein so großes Projekt handelt. Wir haben 4.300 Tonnen Stahl für jede der Hauptbogenbrücken sowie die 8.000 Tonnen schweren Zugänge hergestellt.“

Shah fügte hinzu: „Die Herstellung und die Prozesse im Allgemeinen müssen rationalisiert werden. Hier sind sie projektspezifisch. Letzten Endes bauen wir nicht immer wieder dasselbe Auto. Jedes Projekt ist anders und muss daher individuell angepasst werden. Die Planung der einzelnen Schritte und deren Reihenfolge – sei es das stumpfe Verbinden, das Schneiden der Platten, das Bohren der Teile, das Zusammenschweißen und der anschließende Transport durch Strahlen und Lackieren – muss erfolgen optimiert, um sicherzustellen, dass wir den Projektzeitplan einhalten. Daher war die Optimierung dieser Prozesse für uns von entscheidender Bedeutung.“

Platz schaffen. Selbst auf einer Fläche von 1,6 Millionen Quadratfuß. Anlage, der Platz kann eingeschränkt sein. Eine weitere Herausforderung des Projekts bestand darin, dass die Anlage mehrere Jahre lang blockiert war, da die Teile groß, schwer und sperrig waren. „Man kann nicht mehrere Projekte gleichzeitig in das Werk verlagern. „Sie müssen den Platz räumen oder zumindest die Teile voranbringen, bevor Sie das nächste Projekt in Angriff nehmen können“, sagte Johnson.

„Ironischerweise hatten wir zur gleichen Zeit ein anderes Projekt – die Wellsburg-Bogenbrücke, eine Brücke mit gebundenem Bogen in Brilliant, Ohio. Die größte Herausforderung bestand darin, dass auf der einen Seite die I-74 gebaut wurde und auf der anderen Seite der Wellsburg-Bogen gebaut wurde. „Wir mussten einen Balanceakt absolvieren, was als nächstes anging“, sagte Shah.

„Dave und ich gingen hin und her und versuchten, die Projekte zu verschieben. Die Arbeiten an der I-74-Mississippi-Brücke waren ein viel komplexeres Projekt als die Wellsburg-Brücke, aber wir hatten damals beide Schwierigkeiten, Ladenflächen zu finden.“

Die Verwendung von zwei Bogenbrücken im Rahmen des I-74-Brückenprojekts habe einen Vorteil, erklärte Shah. „Wir haben auf der Brücke in westlicher Richtung viele Lernerfahrungen gemacht, die wir auf die Brücke in östlicher Richtung anwenden konnten. Das Mississippi-Brückenprojekt verlief im Hinblick auf die Planung unserer Sequenz auf dem Bogen in östlicher Richtung reibungsloser.“

Shah lobt die Fachkräfte im Personal für ihren Einfallsreichtum bei der Einhaltung von Zeitplänen und der Bewältigung schwieriger Fertigungsaufgaben. „Wir sind hier ein starkes Team von 250 Fertigungsfachleuten und unsere Belegschaft ist einfach phänomenal. Sie denken unkonventionell; Sie sind kreativ und entwickeln Lösungen für komplexe Projekte. Design ist eine Sache; Fabrikation ist ein ganz anderes Tier“, sagte Shah.

„Jedes Stück variierte in Gewicht und Geometrie. Der schwerste Abschnitt wog fast 120 Tonnen. Die ISC-Fertigungsexperten haben mehrere Maßnahmen ergriffen, um sicherzustellen, dass bei der Herstellung dieser komplexen Brücke die Sicherheit an erster Stelle steht.“

Da sich die neue Stahlbogenbrücke an einem Hauptschifffahrtskanal befindet und die Fertigung per Lastkahn verschifft wurde, war eine umfassende Koordination, Planung und ein hoher Durchsatz von entscheidender Bedeutung, um die Zeitpläne einzuhalten.

Die Bogenbrücke mit Korbgriff macht die Herstellung komplexer. Die beiden Bögen beginnen an der Basis auseinanderzulaufen und laufen dann am Schlussstein zusammen. Dargestellt ist das Schlusselement. Iowa DOT

„Es ist der Umfang, die Komplexität und in gewissem Maße sogar die Entfernung zum Standort. Wenn sie in die Innenstadt von Chicago gehen würden, wäre das eine andere Geschichte. Die Verlegung der Mitglieder bis zur Iowa-Seite der Brücke führte zu Transportproblemen“, sagte Shah.

„Wir mussten uns das Projekt Stück für Stück ansehen, um eine Vorgehensweise für den Zusammenbau zu finden. Natürlich wollten die Monteure zunächst alle vier Ecken um das Horn herum aufbauen“, fügte Johnson hinzu. Bevor die Mitglieder auf den Lastkahn verladen wurden, mussten elektrische Installationen und Inspektionen durchgeführt werden.

Die Einzelteile des Bogens und die fertig zusammengebauten Kisten waren so groß, dass sie per Lastkahn von Gary den Illinois River hinunter und dann den Mississippi River hinauf nach Davenport, Iowa, verschifft wurden.

Der Vorteil der Schifffahrt per Lastkahn bestand darin, dass dieser so groß war, dass sechs Abschnitte gleichzeitig geladen werden konnten; Nur ein Mitglied konnte per LKW transportiert werden.

Der Nachteil des Binnenschifftransports bestand darin, dass der Transport der Teile einige Monate dauerte, die Entfernung mit dem LKW jedoch nur drei Stunden betrug. Außerdem war die Saison für die Binnenschifffahrt begrenzt. Der obere Mississippi ist Anfang Dezember wegen Eisbildung gesperrt.

„Wir mussten eine Frist einhalten, um die Teile vor dem Winter zum Lastkahn zu bringen“, sagte Johnson. „Das führte zu einem Zeitdruck, diese Teile fertigzustellen, auf einen Lastkahn zu verladen und dann zu verschiffen. Das erforderte von unserer Seite einiges an Anstrengung, um das zu erreichen.“

Diese „Hektik“ führte dazu, dass das Team rund um die Uhr und am Wochenende arbeitete. „Es war eine große Belastung für unsere Belegschaft, viele Wochen lang sieben Tage die Woche zu arbeiten“, sagte Johnson.

Auch der Transport einiger Bogenabschnitte für die Ostbrücke per LKW war kein Kinderspiel. „Wenn man mit solch großen Teilen mehrere Bundesstaaten durchquert … war das sicher eine Herausforderung. Für Superlasten über 200.000 Pfund. „Beim Bruttogewicht benötigen Sie Schiffsgenehmigungen von jedem Bundesstaat, durch den die Ladung transportiert wird, Sie benötigen regelmäßige Eskorten vor und hinter der Ladung sowie Polizeieskorten, die sich ändern, sobald Sie die Staatsgrenze erreichen“, sagte Shah. Die gesamte Logistik erforderte umfangreiche Planung und Koordination.

„Wir sind buchstäblich nur sieben Meilen von der Grenze zu Illinois entfernt, aber wir brauchten Polizeieskorten aus Indiana von Gary bis zur Staatsgrenze von Illinois. Dann brauchten wir Polizeieskorten aus Illinois, um die Ladung zur Iowa State Line zu bringen, und schließlich Polizeieskorten aus Iowa, um die Ladung zur Baustelle zu bringen“, sagte Shah.

Die Montage der Brücke vor Ort verlief sehr gut, erklärten Shah und Johnson.

Das Treffen in der Mitte war keine Kleinigkeit. Iowa DOT

Die Bogenbasen an der Unterseite mussten für die Passung bei der Montage und Errichtung sehr präzise bearbeitet werden. Es ist ungewöhnlich, dass etwas so Großes wie eine 800 Fuß lange Brücke die Präzision der Bearbeitung erfordert, aber die Bauteile wurden alle mit engen Toleranzen konstruiert. Die Bogenbasen mussten innerhalb von 0,015 Zoll bearbeitet werden – was laut Shah für eine Baustahlfertigung äußerst präzise ist.

Jedes Stück des Bogens hatte einzigartige Abmessungen. Alles musste sehr präzise sein, um zu passen. Die Planungsfirma verfügte tatsächlich über einen Abschnitt mit Sonderbestimmungen für die projektspezifischen Toleranzen.

Trotz all der sorgfältigen Planung und des Aufwands mussten bei engen Bögen wie diesen einige kleine Anpassungen vorgenommen werden. „Die Brücke wurde präzise gefertigt, aber die Feldaktivitäten liegen außerhalb der Kontrolle von ISC“, sagte Johnson scherzhaft.

„Die Bogenbasen waren 800 Fuß voneinander entfernt“, fügte Shah hinzu. „Es war, als würde man ein 1.000 Fuß langes iPhone innerhalb enger Fertigungstoleranzen bauen.“

Die einzige letzte Anpassung, die erforderlich war, bestand darin, das Schlusssteinelement um weniger als ein paar Zoll zu verkleinern, damit es passte. „Als sie am Schlusssteinstück ankamen und quer maßen, waren die Abmessungen nicht ganz genau. „Wir mussten dort etwas zuschneiden“, sagte Johnson.

Johnson und Shah waren sich einig, dass die I-74 Iowa-Illinois Memorial Bridge eine der komplexesten Brücken sei, die das Unternehmen jemals gebaut habe. Der Einsatz von Plattenträgern und Kastenprofilen sei etwas ganz anderes als die Herstellung einer echten Bogenbrücke mit Korbgriffen, sagte Shah.

„Dass wir die I-74-Bogenbrücken in östlicher und westlicher Richtung hintereinander ausgeführt haben, hat uns definitiv dabei geholfen, die erforderliche Fertigungskomplexität zu verstehen. Der Vorteil, zuerst die Bogenabschnitte in westlicher Richtung hergestellt zu haben, bestand darin, dass wir unsere Lernkurve auf die östliche Richtung anwenden konnten“, sagte Shah.

„Ich denke, unsere Belegschaft hat einen fantastischen Job gemacht. „Signature-Projekte dieser Art sind etwas ganz Besonderes, und Teil dieser Brücke zu sein bringt uns Freude, Erfolgserlebnisse und eine ‚Can-do‘-Einstellung für das gesamte ISC-Team“, fügte er hinzu.

Der Bau des Brückenprojekts begann im Juli 2017 und wurde Ende 2021 abgeschlossen.