Инновации в строительстве Трусс-Бридж для быстрого развертывания

Непосредственно после стихийного бедствия, военного конфликта или крупномасштабного гуманитарного кризиса способность быстро восстанавливать транспортные связи может означать разницу между эффективным облегчением и длительными страданиями. Трусовые мосты с присущей им структурной эффективностью, высоким соотношением прочности к весу и относительно простой сборкой уже давно являются предпочтительным решением для быстрого развертывания в чрезвычайных ситуациях. Недавние инновации в модульном проектировании, материаловедении, развертывании оборудования, методах подключения и адаптивной инженерии резко ускорили темпы, с которыми эти критические конструкции могут быть возведены, часто сокращая время строительства от недель до простых часов. В этой статье рассматриваются наиболее значительные достижения в строительстве трусовых мостов для реагирования на чрезвычайные ситуации, изучая, как эти события меняют логистику кризисного вмешательства и спасают жизни в самых сложных условиях.

Достижения в модульном дизайне

Краеугольным камнем современных мостов быстрого развертывания является модульная конструкция. Традиционное строительство моста часто включает в себя индивидуальные проекты, обширное изготовление на месте и тяжелое оборудование, которое не всегда доступно в зонах бедствия. Модульные системы, напротив, используют стандартизированный набор сборных компонентов, которые могут быть накоплены, транспортированы в стандартных контейнерах для перевозки или плоских грузовиках и собраны с минимальными специализированными инструментами. Наиболее знаковым примером является мост Бейли, портативный сборный мост, разработанный во время Второй мировой войны. В то время как революционный для своего времени мост Бейли требовал значительных людских ресурсов и времени для сборки, как правило, с участием сотен булавок и ручной подъем.

Современные модульные конструкции вышли далеко за рамки концепции Бейли. Производители, такие как Mabey Bridge и Acrow Bridge, теперь предлагают системы, которые используют легкие, взаимосвязанные панели со встроенными механизмами блокировки. Эти панели могут быть предварительно собраны в более крупные секции на постановочной площади, а затем подняты на место с использованием кранов или даже вертолетов. Экономия времени существенна: современный модульный мост, который может охватывать 100 футов, может быть возведен экипажем из 12 человек менее чем за 8 часов по сравнению с несколькими днями для традиционного моста Бейли аналогичного пролета. Ключевые инновации включают:

Панелизованные сегменты ферм: Каждый сегмент представляет собой законченный структурный блок, который болтается на смежные сегменты с высокопрочными разъемами быстрого высвобождения. Сегменты могут быть вложены для компактного хранения, с пропускной способностью моста до 500 футов, устанавливаемой в один контейнер для грузовиков.

Интегрированные системы настила: Модульные мосты теперь поставляются с сборными стальными или алюминиевыми панелями палубы, которые запираются непосредственно на корки, устраняя необходимость в отдельной деревянной или бетонной настиле, которая потребует дополнительных усилий и материалов.

Универсальные конструкции суставов:] Многие современные системы используют универсальные соединения, которые позволяют одним и тем же компонентам формировать различные конфигурации ферм, такие как фермы Пратта, Уоррена или Хоу, обеспечивая гибкость в грузоподъемности и длине пролета без необходимости использования уникальных деталей.

Модульная конструкция также облегчает быструю установку за счет сокращения количества отдельных деталей. Традиционный военный мост может потребовать тысячи отдельных штифтов, болтов и шайб. Современные системы используют самоблокирующиеся штифты и , которые нельзя сбросить или потерять, и которые могут быть установлены одним рабочим без дополнительных инструментов. Это сокращение количества деталей не только ускоряет сборку, но и упрощает логистику, поскольку риск отсутствующих или несоответствующих компонентов резко снижается.

Подробнее об исторической эволюции модульных военных мостов см. в этой инженерной ссылке на мост Бейли, который остается эталоном, по которому измеряются все системы быстрого развертывания.

Использование легких материалов

Модульная конструкция сама по себе не может достичь самого быстрого времени развертывания, если сами компоненты слишком тяжелы для обработки без тяжелых кранов. поэтому достижения в материаловедении были критическими, с переходом к высокопрочным, легким сплавам и композиционным материалам, которые поддерживают структурную целостность при резком снижении веса.

Алюминиевые сплавы стали стандартным материалом для многих систем брусчатки быстрого развертывания.Алюминиевый мостовый мост армии США (ATB), например, использует алюминиевый сплав 5083-H321, который обеспечивает прочность выхода, сравнимую со структурной сталью, примерно на треть веса. Это позволяет переносить секции мостов на вертолетах CH-47 Chinook или транспортировать их на более легких транспортных средствах, что позволяет развертывать в районах, недоступных для тяжелой техники.Сэкономление веса также снижает нагрузку на фундамент, позволяя мосту размещаться на более простых, менее подготовленных опорах или даже непосредственно на улучшенных грунтовых площадках.

Еще более продвинутыми являются композитные материалы, изготовленные из углеродного волокна или армированных стекловолокном полимеров (CFRP и GFRP). Эти материалы предлагают соотношение прочности к весу, которое превышает как сталь, так и алюминий в 5 и более раз. Композитные трусовые мосты разрабатываются для сил специальных операций и гуманитарных миссий, где воздушный транспорт является единственным вариантом. 60-футовый композиционный трусовый мост может весить менее 10 000 фунтов — достаточно легкий, чтобы его можно было перевозить одним тяжелым вертолетом или буксировать за легким служебным транспортным средством.

Преимущества легких материалов выходят за рамки транспортной доступности. Они также ускоряют сборку, потому что отдельные компоненты могут обрабатываться небольшими командами без помощи подъемных устройств. Недавнее полевое испытание моста из углеродного волокна Инженерным корпусом армии США показало, что команда из четырех человек может собрать 40-футовый пролет всего за два часа. Пониженный вес также снижает риск травмирования рабочего во время ручной обработки.

Однако легкие материалы создают новые проблемы с конструкцией. Они, как правило, имеют более низкую жесткость, чем сталь, что может привести к проблемам вибрации и отклонения при динамической нагрузке. Последние инновации решают эту проблему с помощью гибридных конструкций , которые сочетают алюминиевые аккорды с составными элементами сети, или с помощью методов клеевого связывания, которые создают более жесткие соединения. Кроме того, передовые покрытия и анодирующие процессы обеспечивают коррозионную стойкость в суровых чрезвычайных условиях, от прибрежных зон соленой воды до засушливых пыльных регионов.

Для технического обзора свойств материала, используемого в военном мостовом деле, обратитесь к этому отчету о производительности алюминиевого мостового моста из журнала Bridge Engineering.

Быстрые транспортные средства

Даже самые модульные, легкие мостовые компоненты будут иметь ограниченное применение, если они не смогут быстро позиционироваться и подключаться к полю. Разработка специализированных транспортных средств для развертывания изменила правила игры, превратив то, что когда-то было медленным ручным процессом, в высокомеханизированную операцию.

Наиболее ярким примером является система Мост средней дальности (MGB), используемая силами НАТО.МГБ представляет собой модульный мостовый мост, который может быть собран без тяжелых кранов, с использованием козловой козловой тяги, которая поднимает и помещает каждую секцию. Сам козловой мост катится вдоль завершенной части моста, позволяя строить мост от одного берега к другому в процессе, называемом продольный запуск . Этот метод устраняет необходимость в кране или лесов на дальней стороне зазора, которые могут быть недоступны или удерживаются враждебными силами.

Совсем недавно системы, такие как Быстро установленный мост (REB) , разработанные армией США, используют гидравлическую пусковую установку, установленную на тяжелом грузовике. Пусковая установка разворачивает и расширяет мост, как гигантский разводной мост, а затем опускает его на подготовленные примыкания. Вся операция может быть завершена экипажем из трех человек менее чем за 30 минут. REB может охватывать промежутки до 150 футов и поддерживать военные нагрузки до MLC 120 (самая тяжелая классификация военных грузов).

Также появляются коммерческие адаптации. Гидравлический мост развертывания (HDB) от Acrow использует аналогичную концепцию, но предназначен для реагирования на гражданские чрезвычайные ситуации. HDB транспортируется на стандартном полуприцепе и использует механизм складывания фермы, который расширяется пневматически и гидравлически. После установки ферма запирается, и палуба выскальзывает из ракеты-носителя. Система может быть отвезена на место, развернута и открыта для движения в течение 90 минут.

К ключевым особенностям современных транспортных средств развертывания относятся:

Инструменты подключения с помощью энергии: Гидравлические гаечные ключи, толкатели и автоматизированные системы болтов интегрируются в транспортное средство развертывания, уменьшая физические усилия, необходимые для сборки.

Мониторинг нагрузки в режиме реального времени: Датчики на пусковой установке обеспечивают обратную связь о выравнивании, уровне и распределении нагрузки, обеспечивая безопасное и точное размещение.

Многопролетная способность: Некоторые транспортные средства могут последовательно запускать несколько секций моста, чтобы прочесывать более длинные промежутки, с промежуточными опорами, размещенными той же системой.

Улучшенный мост Риббон (IRB) представляет собой вершину быстрого развертывания для плавучих мостов, но даже для стационарных мостов с трусами тенденция к полностью автономным системам развертывания с одним транспортным средством, которые требуют минимального экипажа и достигают времени установки, измеряемого в минутах, а не часах.

Инновационные технологии подключения

Стыки и соединения в мосту с фермой являются наиболее частыми сбоями, и они также являются основным узким местом во время сборки. Традиционные стальные мосты полагаются либо на сварку (которая медленна и требует квалифицированной рабочей силы), либо на клепки / болты (что занимает много времени и требует многочисленных поворотов гаечного ключа). Для аварийного развертывания скорость и надежность имеют первостепенное значение, что приводит к разработке нескольких инновационных методов соединения.

Пенельные штифты быстрого выпуска являются простейшим и наиболее распространенным новшеством. Эти штифты имеют пружинный механизм блокировки мяча, который обеспечивает их на месте после вставки через предварительно выровненные отверстия. Никаких инструментов не требуется — штифты просто толкаются на место, пока они не щелкнут. Несколько штифтов могут быть вставлены за секунды, и их пленочная конструкция предотвращает их падение в воду или грязь. Для критических соединений, ланьярды безопасности прикрепляют штифты к мостовой структуре.

Обостренные соединения с предустановленными механизмами блокировки также значительно продвинулись. Преднатяженные болты с интегральными нагрузочными шайбами позволяют рабочим затягивать соединения с точным требуемым крутящим моментом с помощью одного хода гидравлического инструмента. Некоторые системы используют самозапирающиеся гайки, которые имеют пластиковую вставку или эллиптические искажения резьбы, что предотвращает рыхление под вибрацией, устраняя необходимость в шайбах блокировки или соединениях, блокирующих нити.

Трение соединений — это новая технология, которая полностью устраняет необходимость в точном выравнивании отверстия. В этих системах элементы фермы зажимаются вместе с использованием высокопрочных болтов, которые развивают сопротивление трению между поверхностями. Сила зажима применяется с использованием гидравлического натяжителя, который может затягивать несколько болтов одновременно. Как только болты напрягаются, соединение может передавать полные расчетные нагрузки без какого-либо механического блокировки. Этот подход особенно ценен во враждебных средах, где рабочие могут быть под угрозой и должны быстро собираться, не беспокоясь о выравнивании дюжины болтовых отверстий.

Еще одним заметным новшеством является , используемый в некоторых композитных трусовых системах. Мужские и женские концы трусовых членов вставляются друг в друга, а затем рычаг кулачка поворачивается на 90 градусов, крепко стягивая члены. Замок обеспечивает как выравнивание, так и зажим на одной ступени, и рычаг может приводиться в действие даже при включении тяжелых перчаток.

Эти методы соединения не только экономят время, но и улучшают качество. Поскольку они предназначены для того, чтобы быть надежными - несоответствие физически предотвращается направляющими и скошенными краями - риск человеческой ошибки снижается. В чрезвычайных ситуациях, когда работники могут быть усталыми или работать под давлением, эта надежность бесценна. Чистый эффект заключается в том, что современный мостовый мост может быть собран экипажем с минимальной подготовкой, тогда как более старые системы требуют опытных строителей мостов.
Для детального сравнения методов крепления в военных мостах, в документе ResearchGate о технологиях быстрого соединения представлен отличный обзор механических инноваций, движущих этой областью.

Адаптивный и гибкий дизайн

Не бывает двух одинаковых аварийных сценариев. Мост, необходимый для ликвидации последствий наводнений в сельской местности, может потребовать 30-футового пролета для легких транспортных средств, в то время как для военной операции в городской местности может потребоваться 150-футовый пролет, способный поддерживать основные боевые танки. Исторически для каждого требования требовалось бы проектировать и изготавливать разные мосты, что приводило бы к большим запасам уникальных компонентов. Современные адаптивные конструкции преодолевают это с помощью одного семейства компонентов, которые могут быть настроены несколькими способами.

Телескопические мосты с фермами являются одним из таких нововведений. Эти мосты имеют вложенные секции, которые могут быть расширены или убраны для корректировки длины пролета с шагом. Телескопическая система может иметь номинальную длину 80 футов при коллапсе, но может быть расширена до 120 футов, вытаскивая внутреннюю секцию и блокируя ее на месте. Механизм блокировки использует сверхпрочные сдвигающие штифты, которые автоматически включаются по мере того, как секция достигает своего предполагаемого положения. Это позволяет использовать один мост для изменения ширины зазора без каких-либо изменений компонентов.

Модульная гибкость конфигурации является еще одной ключевой тенденцией.Тот же набор панелей может быть расположен как сквозная ферма (где движение проходит между фермами) для высоких транспортных средств, или как палубная ферма (где движение проходит поверх ферм) для областей с низким клиренсом.Перенастраивая те же части, аварийные менеджеры могут адаптировать мост к ограничениям места, таким как воздушные линии электропередач или высоты уровня наводнения.Некоторые системы также допускают переменную ширину , где дополнительные панели добавляются для расширения структуры для двухполосного движения или боковых дорожек для пешеходов.

Адаптивность распространяется и на проектирование фундамента и примыкания. Сборные, регулируемые примыкания могут быть размещены на неровном грунте без обширных раскопок. Некоторые системы используют свайные сваи или наземные якоря, которые могут быть установлены вручную или с небольшим гидравлическим приводом, что позволяет возводить мост на крутых берегах или мягкой почве без тяжелых фундаментных работ. Это имеет решающее значение в чрезвычайных ситуациях, когда время и оборудование ограничены.

Гибкость современных мостов с трусами также включает в себя возможность переноса нескольких типов нагрузки. Модульная система может быть рассчитана на гражданские нагрузки на шоссе (HS-20 или HS-25) или на военные нагрузки (MLC 50-120) в зависимости от используемой конфигурации и типа соединения. Просто добавив дополнительные диагональные элементы или усиливающие аккорды, грузоподъемность может быть увеличена без замены всей конструкции. Этот «потенциал роста» гарантирует, что одни и те же компоненты моста могут служить как первоначальному аварийному оказанию помощи, так и долгосрочной реконструкции.

В случае изучения использования адаптивных мостов в реагировании на стихийные бедствия развертывание модульных мостов в Непале после землетрясения 2015 года показывает, как гибкие конструкции позволили гуманитарным конвоям пересекать непроходимые реки в течение нескольких дней после стихийного бедствия.

Влияние на реагирование на чрезвычайные ситуации

Быстро развертываемые мосты теперь позволяют службам быстрого реагирования, военным инженерам и гуманитарным организациям устанавливать критические пункты пересечения в течение нескольких часов, восстанавливая цепочки поставок и маршруты эвакуации, которые в противном случае оставались бы нарушенными в течение недель или месяцев.

В Реагировании на стихийные бедствия часто разница в скорости установки заключается в достижении изолированных сообществ и оставлении их в затруднительном положении. Во время сезона ураганов 2017 года в Карибском бассейне американские военные развернули несколько модульных мостов в Пуэрто-Рико и Виргинских островах США в течение 72 часов после выхода на сушу. Эти мосты заменили вымытые пролеты шоссе, позволив аварийным транспортным средствам добраться до больниц и распределительных центров. В 2010 году землетрясение на Гаити, единый пункт пересечения реки Артибонит в городе Миребале был восстановлен с использованием варианта моста Бейли, что позволило продовольствию и медицине достичь 250 000 перемещенных лиц.

В военных операциях способность быстро преодолевать разрыв является решающим тактическим преимуществом. Современные прединженерные трусовые системы в настоящее время являются стандартным оборудованием для боевых инженерных подразделений. Система MGB использовалась в Афганистане для быстрого прокладки ирригационных каналов и небольших рек, что позволяет бронетанковым патрулям обходить самодельные взрывные устройства (СВУ) на основных дорогах. Новая система единой модульной мостовой системы армии США, которая сочетает в себе возможности трусов и плавучих мостов, может развернуть 600-футовый переход менее чем за 10 часов по сравнению с несколькими днями с оборудованием предыдущих поколений.

Гуманитарное воздействие измеряется с точки зрения времени, сэкономленного и затронутых жизней. Исследование Всемирного банка подсчитало, что каждый день, когда мост выходит из строя в зоне бедствия, может снизить ВВП пострадавшего региона на 0,5% из-за потери торговли и производительности. Для изолированных сообществ потеря моста напрямую коррелирует с увеличением смертности от отсутствия медицинской помощи. Быстрое развертывание мостов сокращает это время восстановления на 70-80% по сравнению с традиционными методами реконструкции. Кроме того, поскольку мост может быть возведен местными работниками с минимальной подготовкой, он наращивает местный потенциал и снижает зависимость от иностранных инженерных команд.

Инновации также сделали развертывание аварийного моста более рентабельным. В то время как первоначальная цена покупки модульной системы ферм выше, чем традиционные материалы, экономия на транспорте (меньше грузовиков), рабочей силе (меньше экипажей) и времени (ранее повторное открытие) делает общую стоимость жизненного цикла значительно ниже. По оценкам Министерства обороны США, каждый час сэкономленного времени развертывания моста приводит к прямой экономии эксплуатационных расходов для типичного военно-инженерного батальона в размере 20 000 долларов США.

Несмотря на эти успехи, проблемы остаются. Политические и бюрократические препятствия часто задерживают развертывание заранее спроектированных мостов в зонах бедствий, и многие страны по-прежнему не имеют запасов соответствующих компонентов. Однако международные организации, такие как Управление Организации Объединенных Наций по обслуживанию проектов (УНП ООН) и Всемирная продовольственная программа , начали поддерживать глобальные запасы модульных мостов, предварительно размещенных в стратегических местах, для обеспечения быстрого реагирования при стихийных бедствиях. Тенденция ясна: по мере того, как технология становится более надежной и более простой в развертывании, она принимается на всех уровнях управления чрезвычайными ситуациями.

Будущие тенденции в строительстве аварийных мостов

Темпы инноваций в области мостов быстрого развертывания не показывают признаков замедления. Заглядывая вперед, несколько новых технологий обещают еще больше раздвинуть границы возможного.

Самостоятельные мосты являются следующим рубежом. Исследователи разрабатывают фермс-системы, которые могут разворачиваться сами, подобно развертываемой антенне. Используя комбинацию пневматических приводов и сплавов с памятью формы, компоненты моста будут выходить из компактного контейнера и расширяться в свою окончательную форму без какой-либо ручной сборки. Инженерный научно-исследовательский центр армии США (ERDC) продемонстрировал прототип, который может развернуть 20-футовый пролет менее чем за пять минут. Масштабирование этой концепции до более длинных пролетов и более тяжелых нагрузок является активной областью исследований.

Сенсорно-интегрированные интеллектуальные мосты обеспечат в режиме реального времени структурный мониторинг здоровья. Волоконно-оптические датчики деформации и акселерометры, встроенные в состав фермы, могут обнаруживать перенапряжение, повреждение или усталость до того, как произойдет сбой. В аварийном сценарии эта информация может быть передана по беспроводной сети в командный центр, что позволяет инженерам быстро регулировать пределы нагрузки или развертывать подкрепления. Те же датчики могут также направлять автоматизированное техническое обслуживание, когда мост используется в течение более длительных периодов во время восстановления.

3D-печать начинает влиять на строительство мостов. В то время как полномасштабные печатные мосты пока невозможны для быстрого развертывания, 3D-печать может производить пользовательские разъемы, конечную арматуру и ремонтные детали на месте с использованием мобильных принтеров. Эта возможность уменьшит необходимость в накоплении десятков уникальных компонентов; вместо этого общий инвентарь элементов фермы может быть дополнен печатными частями для конкретных требований.

Сборка с помощью дронов является еще одним перспективным направлением. Малые дроны могут нести легкие кабели или направляющие канаты между секциями моста, помогая выравнивать компоненты на начальной стадии сборки. Более крупные беспилотники или автономные вертолеты могут точно размещать структурные элементы, уменьшая потребность в строительных лесах или кранах. В то время как все еще экспериментальные, ранние испытания Швейцарским федеральным технологическим институтом показали, что беспилотные летательные аппараты могут использоваться для наведения на веревки временных кабельных систем, которые позже направляют конструкцию фермы.

Устойчивые материалы также привлекают внимание. Биосодержащие смолы для композиционных материалов, переработанных алюминиевых сплавов и низкотемпературной углеродистой стали интегрируются в модульные мостовые системы. Для долгосрочных гуманитарных проектов эти устойчивые варианты уменьшают воздействие на окружающую среду усилий по оказанию помощи и согласуются с целями международного сообщества.

В конечном счете, цель всех этих инноваций состоит в том, чтобы сделать аварийное строительство моста таким же рутинным, как и установка палатки.С продолжением исследований и инвестиций может наступить день, когда полностью развертываемый мост через ферму может быть установлен одним оператором с помощью планшетного компьютера, превращая потенциально недельную инженерную задачу в быструю, стандартизированную процедуру, которая экономит время, деньги и жизни.

Путь от моста Бейли 1940-х годов к сегодняшним саморазвертывающимся, нагруженным датчиками адаптивным системам является свидетельством инженерной изобретательности человека. По мере того, как частота и тяжесть стихийных бедствий увеличиваются из-за изменения климата, а военные операции становятся все более экспедиционными, потребность в быстрых, надежных и универсальных решениях для мостов будет только расти. Инновации, описанные в этой статье, являются не просто инженерными вехами; они являются инструментами, которые позволяют реагирующим на уязвимость, восстанавливать связь и восстанавливать сообщества в самых сложных обстоятельствах.