Por Marc Caspe, PE, SE; Jun Ji, Ph.D., PE; Lin Shen, Ph.D., PE; Qian Wang, Ph.D., PE, LEED AP; e Yanzhi Zhai, PE
Como uma ameaça a nível mundial, o terrorismo está entre as principais preocupações no projeto de proteção da infra-estrutura. Bombardeio Veiclular provou ser um dos mais desastroso de ataques terroristas, especialmente em áreas urbanas densamente povoadas. Barreiras de segurança de perímetro funcional e eficiente tornaram-se extremamente importante para proteger instalações críticas e, mais importante, a salvaguarda da vida humana.
Para manter a distância mínima explosão impasse após um acidente de veículo, perímetro barreiras devem parar totalmente quaisquer veículos que impactam e manter explosivos fora da área segura. ". Perimeter Barreira Veículo Bater Teste Standard" especificações de barreira e design deve respeitar as normas de testes de colisão como a recente ASTM F 2656-07, Ao especificar, projetar e instalar barreiras de segurança urbanas, alguns dos principais etapas devem ser seguidas, incluindo:
• investigação inicial do site;
• identificação de potenciais vulnerabilidades a ataques terroristas;
• determinação da distância explosão impasse e nível de protecção;
• selecção de critérios de projeto barreira anti-colisão;
• avaliação do custo e construtibilidade;
• selecção de design estético (incluindo paisagismo) e função; e
• instalação da barreira seleccionada.
Por pré-moldado?
Entre as centenas de tipos de barreira de segurança disponíveis no mercado, barreiras de concreto pré-moldados têm cada vez mais se tornar a solução preferida. Em comparação com as alternativas de metal, concreto é um material de barreira superior porque oferece compatibilidade projeto maior com o ambiente urbano e arquitetura, alta resistência à corrosão, baixa manutenção e benefícios ambientais mensuráveis.
Junto com a evolução técnica e avanços materiais, muitas inovações em design de concreto armado foram realizadas, em particular para as barreiras pré-moldado. Estes avanços tecnológicos incluem concreto de alto desempenho; cumprimento tecnologia / LEED verde; mecanismos de absorção de energia; sistemas híbridos;e conceitos de embelezamento urbano. Neste artigo, os autores examinar e avaliar as inovações em barreiras concreto pré-moldado a partir de uma visão técnica e fornecer dados de projeto de segurança para proprietários, engenheiros e arquitetos.
Barreiras perimetrais Convencionais
Fixo ou ancorado barreiras de tráfego de concreto. Barreiras medianas, também conhecidas como barreiras Jersey, são comumente usadas estruturas pré-moldadas para sistemas de concreto anti-colisão e tipicamente conformidade com as especificações de baixo impacto, como a classificação M30 ou M40 definido pela ASTM.Barreiras Jersey foram originalmente desenvolvidos pelo Estado Departamento de Estradas de New Jersey para dividir pistas da rodovia. Uma barreira prefabricados Jersey significa 2 a 3 pés (0,6 a 0,9 m) de altura para minimizar os danos e reduzir a probabilidade dos veículos que cruzam em pistas que se aproxima em colisões. Quando usado para resistir a impactos de ângulo reto (diretos), as barreiras medianas são projetados 3 pés acima do grau; essas barreiras pré-moldados são destinadas a envolver um caminhão de 15.000 lb (6.800 kg)
com 40-in. a 44-in. (1020 mm para 1120 mm) pneus e um quadro principal com trilhos longitudinais do chassis 2 pés (0,6 m) acima da estrada. Variações da forma original incluem:
a barreira de inclinação constante; a barreira F-forma; e a Califórnia K-rail.
Fixo ou ancorado plantadores de concreto. Esses plantadores são ou pré-moldado, moldado no local ou unidades de alvenaria de concreto (CMUs). Normalmente projetado para servir como elementos arquitetónicos urbanos, pré-moldado função plantadores como mobiliário urbano e como amortecedores de impacto de energia quando preenchido com o solo e vegetação. Para resistir adequadamente intrusão veículo de alta velocidade, barreiras plantador deve ou ser enterrado no chão ou ancorado em uma base como um diafragma de calçada de concreto.
As paredes de betão ou CMU. Muros de contenção curtas e altas paredes de free-standing são geralmente construídos de outros materiais de alvenaria concreto pré-moldado, ou CMUs e, normalmente, reforçado com aço. Paredes pode ser perfurada ou descontínua para melhorar a aparência visual ou permitir a passagem de pedestres enquanto ainda satisfazer os requisitos de segurança. Similar aos plantadores fixos, paredes de segurança deve ser ou enterrado no chão ou ancorado a uma laje de base expandida para resistir suficientemente a dinâmica significativa de impacto veicular.
As curtos paredes de retenção são normalmente intensamente reforçada e manter uma altura de pelo menos 3 pés (0,9 m) acima do grau para bloquear os pneus de caminhão e impactando quadro principal. O pesada de reforço em paredes de betão curtos pode resistir a grandes forças de impacto e manter a estabilidade de cisalhamento, devido à massa do solo pressão passiva.
Outros objetos pesados como barreiras de segurança. Objetos pesados podem ser grandes peças esculpidas ou pedregulhos enormes e formas de concreto usados como postes de amarração para evitar a entrada de veículos, permitindo que pedestres e de bicicleta passagem. Engenharia de concepção e avaliação são obrigados a garantir que essas barreiras podem efetivamente reduzir o nível de ameaça terrorista previsto para um determinado site.
Avaliação de materiais de barreira
Em comparação com luminárias de metal, concreto é um material de barreira superior devido à sua flexibilidade maior projeto (cor, forma, textura, acabamento) e compatibilidade com ambientes urbanos estética. Barreiras pré-moldados oferecem alta resistência à corrosão, baixa manutenção e um custo normalmente inferior. Por outro lado, as barreiras de betão pode exigir mais esforço de produção. Em resposta às crescentes forças ambientais e econômicos, os designers estão buscando soluções inovadoras e eficientes que conservem os recursos não-renováveis. Cada vez mais, o concreto está sendo reconhecido por seus muitos benefícios ambientais no apoio ao desenvolvimento sustentável criativo e eficaz.
Inovações em concreto de alto desempenho
Auto-Consolidar Betão (SCC). SCC é um altamente fluida, concreto não-segregação que se espalha facilmente no lugar, preenche completamente vazios de cofragem e encapsula mesmo o reforço mais congestionada - tudo sem qualquer vibração mecânica. Como um concreto de alto desempenho, a SCC oferece esses benefícios atraentes colocação, mantendo todos inerentes características mecânicas e de durabilidade do concreto.
Desde a sua criação na década de 1980, o uso de SCC tem crescido rapidamente. O desenvolvimento de polímeros de policarboxilato e modificadores de viscosidade tornaram possível a criação de "fluxo" de concreto sem comprometer a durabilidade, a coesão ou resistência à compressão. A fluidez do SCC é medido em termos de propagação usando uma versão modificada do teste de queda (ASTM C 143). Viscosidade, visualmente observada pela velocidade à qual se espalha de betão, é uma característica importante de SCC plástico e pode ser controlada através da concepção mistura para se adequar ao tipo de aplicação a ser construída.
Propriedades únicas da SCC dar-lhe econômica, construtibilidade, estéticas e de engenharia vantagens significativas. SCC é uma opção cada vez mais atraente para otimizar site de mão de obra, diminuindo os níveis de ruído, permitindo um local de trabalho mais seguro, minimizando o desgaste de equipamentos e custo global do projecto. Muito altas resistências início de decapagem pode ser alcançado para se obter um retorno mais rápido em formulários. E acabamento de superfície lisa da SCC minimiza ou elimina a necessidade de reparos cosméticos demoradas.
SCC permite que os fluxos de bombeamento mais fácil (mesmo de baixo para cima) em formas complexas, transições através dos pontos quase inacessíveis e minimiza vazios em torno incorporado itens para produzir um alto grau de homogeneidade do produto e uniformidade. SCC pode acomodar um maior reforço de aço, otimizar seções e formas concretas, oferecer maior liberdade no design, e produzir acabamentos de superfície superior e texturas.
A Figura 1 mostra um exemplo de aplicação SCC em barreiras de segurança pré-moldado. Este projeto mostra alta vergalhão densidade, tamanho e complexidade / congestionamento. Seria uma tarefa muito desafiadora para preencher este formulário com o concreto convencional. Apesar do reforço densa, o acabamento de superfície brilhante final foi excelente (ver Figura 2).
Betão reforçado com fibra. FRC é betão que contém material fibroso feito de aço, vidro, fibras sintéticas ou naturais. Tem havido desenvolvimentos significativos na FRC com relação à matriz de pasta de concreto, design de fibra, a interface fibra-matriz e processo de produção de composto. A investigação tem levado a uma melhor compreensão dos mecanismos fundamentais que controlam o comportamento de material de FRC, e este trabalho conduziu a um custo-desempenho rácio melhorar continuamente (Naamã 2007).
Um progresso substancial foi feito em pesquisa de materiais de concreto, incluindo:
• Uma nova geração de aditivos como superplastificantes;
agentes • viscosidade;
• micro-cargas ativas ou inativas;
• Aperfeiçoamento das propriedades das fibras diferentes aumentando significativamente a resistência, ductilidade e dureza do resultante composto;
• Aumento da ligação entre fibras e matriz de concreto ;
• Novos aditivos para melhorar a retracção do betão e propriedades de redução de corrosão; e
• projetos de misturas SCC que melhoram a mistura uniforme de volumes ricos em fibras e diminuir a porosidade da matriz.
Com grandes vantagens sobre concreto reforçado com aço convencional e disponibilidade a um custo razoável, a CRF está cada vez mais preferido pelos engenheiros e arquitetos para aplicações com necessidades especiais, tais como de alta resistência, os membros leves; muito carregado diafragmas de convés; adaptação estrutural; e particularmente para as barreiras de segurança que resistir com êxito grandes forças de impacto ou explosão.
A tecnologia verde
O aquecimento global de gases de efeito estufa é considerado um dos mais graves problemas de sustentabilidade. A concentração atmosférica atual de CO 2 que compõe 85 por cento de todos os gases de efeito estufa é o mais alto da história. Uma importante iniciativa de sustentabilidade nacional para reduzir gases de efeito estufa é o sistema de classificação Liderança em Energia e Design Ambiental. Desenvolvido pelo US Green Building Council, LEED tornou-se uma ferramenta poderosa para a conservação de energia e recursos na construção sustentável.
Conceitos LEED incentivar o uso de materiais de construção regionais como o concreto que é produzido localmente para reduzir os custos de transporte e dos combustíveis. A produção de cimento para 5 a 8% do total das emissões de CO2 provocadas pelo homem. Há uma pressão cada vez maior, por conseguinte, especificadores e produtores para melhorar a sustentabilidade dos materiais cimentícios através de reduções do teor total de cimento. As opções disponíveis para reduzir o uso de cimento são:
1. concreto reciclado: Use concreto com materiais industriais valorizadas ou concreto reciclado.
2. Design otimizado: minimizar o consumo de concreto por meio da arquitetura inovadora, design estrutural e material. Por exemplo, melhorando a durabilidade do concreto pode melhorar significativamente a vida das infra-estruturas civis serviço. Concreto durável pode ser alcançado através da melhoria das partículas densidade de empacotamento pela introdução da sílica ativa e agregados graduados; redução da proporção de água / cimento (sem a despesa de craqueamento início em idade) com a ajuda de superplastificantes; e cuidadosa seleção de cimento, agregados e misturas para ambientes caracterizados por certos tipos de química e ataque físico.
3. Adjuvantes: Reduzir o teor de cimento unidade usando superplastificantes e / ou otimização de tamanho de agregados e gradação para obter a trabalhabilidade e consistência do concreto exigido (veja a Figura 3).
4. Suplementares materiais cimentícios: Aumentar a percentagem de SCMs convencionais (cinzas volantes, escória, sílica ativa e cinza de casca de arroz), sem prejudicar as propriedades mecânicas e de durabilidade do concreto. Misturas de concreto feitos com alto volume de cinzas volantes pode ser mais resistente a ataques físicos e químicos (craqueamento térmico encolhimento, reação álcali-sílica e ataque de sulfato) (Veja a nova coluna do Engenheiro Fórum de cinzas volantes nesta edição).
Para reduzir o custo e aumentar a sustentabilidade, o projecto de mistura do pré-moldado barreira de segurança mostrado na Figura 2 incorpora as seguintes estratégias:
1. Uso de superplasticizer e otimização de tamanho de agregados e gradação para manter a funcionalidade e reduzir o teor de cimento;
2. Incorporação de cinzas volantes para substituir o cimento portland convencional e, assim, reduzir o craqueamento térmico e aumentar a durabilidade Material;
3. Uso de Tipo V cimento para resistir potencial ataque de sulfato ambiental e para aumentar a durabilidade.
Dissipação de energia conceito
Fundações profundas são quase sempre necessários para o metal convencional ou barreiras de concreto.Para evitar extensas escavações em áreas urbanas com utilidades subterrâneas, foram propostos alguns novos conceitos de design. Uma ideia inovadora é a utilização de uma relativamente constante "força calibrada" resistência proporcionada por dissipadores de energia de amortecimento incorporados no projecto. Tais dissipadores de energia permitem que a barreira para parar um caminhão carregado de explosivos com uma força de desaceleração relativamente baixa e constante que é exercida por um período suficiente.
Barreiras de concreto pré-moldado reforçado contendo absorvedores de energia fazer barreiras ideais por causa da flexibilidade de ambos concepção estrutural e geométrico / arquitetura de segurança; grande rigidez e resistência; compatibilidade de conexões; e a massa inerente para resistir ao impacto destrutivo. A desaceleração dissipadores de energia de barreira pode ser definido com precisão a qualquer força necessária e acidente vascular cerebral em estudos numéricos avançados e validações de colisão. Forças de desaceleração calibrados podem ser validada em testes de colisão reais para assegurar a desaceleração de um veículo a uma velocidade zero fora do perímetro protegido ao mesmo tempo, controlar as forças impostas sobre a fundação. Este tipo de tecnologia de pré-moldado de barreira, por conseguinte, elimina a necessidade de uma base profunda que pode não ser possível em áreas altamente desenvolvidos.
Os sistemas híbridos
Nos últimos anos, tem havido novos desenvolvimentos de sistemas de barreira composta de diferentes materiais ou componentes funcionais. Tais sistemas podem ser definidos como sistemas híbridos que contêm tanto materiais diferentes (como aço e concreto) ou oferecem múltiplas funções (como barreiras fixas e operáveis).
Sistemas híbridos típicos são feitos de concreto e aço. Combinações incluem plantadores de pré-moldados e cabeços de aço ou grades de proteção; pré-moldado postes de concreto e cabos de aço; ou uma combinação de paredes de concreto e cercas de aço (Figura 4A). Sistemas híbridos muitas vezes empregam barreiras de concreto como fundamento ou ancoradouro, ou como recursos complementares ou decorativos que oferecem as vantagens estéticas importantes de melhorias de arquitetura ou harmonias paisagem em ambientes urbanos.
Para componentes multifuncionais, sistemas interoperáveis podem ser integrados com barreiras fixas para atingir classificações de anti-colisão elevadas, eliminando esforços de implementação complexas necessárias para uma fundação independente ou uma ancoragem base. Um exemplo típico de uma barreira multifuncional é o sistema de cabo / porta ancorada a uma barreira de concreto em ambas as extremidades (Figura 4B).
Embelezamento urbano
Um problema de concepção crítica a ser abordado no planejamento de segurança para áreas densamente povoadas é a realização da distância explosão impasse máximo possível a partir da instalação. Como mais e mais barreiras de segurança são, necessariamente, instalado em áreas urbanas, é importante que estes elementos de barreira para se tornar parte integrante da paisagem da cidade sem sacrificar o desempenho.
Projeto de embelezamento barreira deve considerar ambientes existentes e futuro planejamento urbano, bem como as necessidades de paisagismo. As barreiras de segurança devem oferecer atraentes estética visual para as cidades. Na fase de planejamento de qualquer novo projeto de construção, a consideração cuidadosa do design adequado de protecção de segurança é mais importante do que nunca.
Aplicações típicas de Barreiras prefabricados
A facilidade de construtibilidade e eficiência funcional da mediana (Jersey) barreira tornam particularmente aplicável em medidas de segurança antiterrorismo. Forças militares dos EUA usam barreiras medianas extensivamente no Iraque para fortalecer bloqueios de estradas e instalar as variantes mais altos para infra-estrutura pública. Além disso, as barreiras Jersey têm sido empregadas no mercado interno como perímetro barreiras de segurança na sequência do atentado de Oklahoma City e 11 de setembro de 2001, ataques terroristas para impor distâncias impasse de edifícios federais e monumentos. A Willis (anteriormente Sears) Tower em Chicago ea Torre biblioteca no centro de Los Angeles são exemplos.
Plantadores de pré-moldados fixos podem cobrir os níveis de segurança de ASTM M30 a M40 com variações de altura e massa. Plantadores de pré-moldados, embebidos na terra ou ancoradas a um diafragma base, pode efetivamente parar os veículos em movimento (por exemplo, um caminhão de 15.000 libras (6.800 kg) que viajam a uma velocidade superior a 30 mph [48 kmh]) mesmo quando os plantadores são dispostos num padrão disperso de peças individuais. Plantadores são tipicamente mais alto do que 3 pés (0,9 m) e maior do que 3 pés em vista de planta.
Paredes com maiores alturas irá envolver mais partes da frente do caminhão e causar um maior momento de derrube e, portanto, requerem uma laje de fundação mais ampla do que aqueles para os muros de contenção mais curtos. Para limitar o trabalho custo e local de construção, painéis de parede de concreto pré-moldado tornaram-se o material predominante de escolha. Painéis pré-fabricados são facilmente integrado em todo o sistema de segurança de perímetro para a maioria das situações.
Observações finais
Concreto pré-moldado é um material excelente para barreiras por causa de sua flexibilidade e compatibilidade design estético alta para ambientes urbanos, alta resistência à corrosão, baixa manutenção e benefícios ambientais significativos de segurança. Muitas inovações técnicas e materiais recomendam concreto armado, particularmente concreto pré-moldado, incluindo concreto de alto desempenho, tecnologia de conformidade / LEED verde, mecanismo de absorção de energia, sistemas híbridos e benefícios de arquitectura para ambientes urbanos. Funcional e eficiente concreto pré-moldado perímetro barreiras de segurança tornaram-se sistemas preferidos para proteger instalações de vida e críticas humanos e, além disso, pré-moldado oferece uma solução estrutural mais sustentável que complementa a arquitetura urbana.
Referências
1. ASTM C143 / C143M - 10 Método de Teste Padrão para Slump de Hidráulica-Cimento Concreto de 2010
2. norma ASTM F 2656-07, método para Veículo Bater Teste de Perímetro Barreiras de 2007 Teste Padrão
3. Federal Emergency Management Agency (FEMA) 430, "Projeto de Segurança de Perímetro", 2007
4. Antoine E. Naamã, "de alto desempenho reforçado com fibra de compósitos de cimento: classificação e Aplicações", CBM-CI Workshop Internacional, Karachi, Paquistão, 2007
Marc Caspe recebeu MS em engenharia civil pela Universidade de Lehigh e é engenheiro civil e estrutural registada com mais de 45 anos de experiência profissional. Marc publicou diversos artigos técnicos e desenvolveu diversas patentes de inovações técnicas.
Jun Ji recebeu seu Ph.D. em engenharia civil pela Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e é engenheiro civil registada com 15 anos de experiência profissional e de pesquisa. Interesses de pesquisa do Dr. Ji incluem avaliação de risco e engenharia respostas ao terrorismo e os riscos naturais, engenharia sísmica e desenvolvimento de técnicas de segurança e de adaptação inovadoras.
Lin Shen recebeu seu Ph.D. em engenharia civil pela Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e é engenheiro civil registada. Interesses de pesquisa do Dr. Lin abranger a investigação experimental e retrofit estrutural, materiais cimentícios avançados, ensaios não destrutivos e estratégia de reabilitação estrutural e design.
Qian Wang recebeu seu Ph.D. em estruturas, mecânica e materiais, da Universidade de Iowa e é engenheiro civil registada e LEED AP. Interesses de pesquisa do Dr. Wang incluem análise numérica baseada em otimização e design e estudos experimentais e numéricos com aplicações a estrutural, sísmica, segurança e engenharia de reequipamento.
Yanzhi Zhai recebeu seu MS em engenharia civil pela Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e é engenheiro civil registada com 12 anos de experiência profissional e de pesquisa. Ms. Zhai tem experiência intensiva na estrada e ponte design, análise estrutural avançada, análise de tráfego de veículos, aplicações concretas de barreira e de planejamento do site.
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