Fibre-reinforced Concrete speeds up Metro Phoenix Light Rail Extension Construction

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Le béton renforcé de fibres accélère la construction du prolongement du métro léger de Phoenix

Ariz4 Workers from Arizona Materials spread fresh concrete over the last section of the northern spur Phoenix Metro Valley light rail line extension. Using fibre-reinforced concrete enhances worker safety because they don’t have to navigate stepping over rebar while they pour and spread the concrete. Credit: Photo by Charlie Leight/ASU News

L'utilisation de béton renforcé de fibres au lieu de dalles soutenues par des barres d'armature pour la construction de prolongements du métro léger de Metro Phoenix donne un nouveau sens au transport en commun rapide. Des mois de temps de construction sont réduits à des semaines, ce qui ajoute des économies de coûts, la durabilité et la sécurité des travailleurs au mélange.

Une collaboration entre l'Arizona State University, la Phoenix Valley Metro Regional Transportation Authority et Kiewit-McCarthy, l'entreprise de construction du projet, a commencé par une proposition de mise à niveau des matériaux de Barzin Mobasher, professeur d'ingénierie structurelle à l'École d'ingénierie durable et de l'environnement bâti. .

La barre d'armature, ou barre d'armature, est en acier et noyée dans du béton pour renforcer les structures. Selon Mobasher, plus de 60 % du volume de béton utilisé dans le monde a une efficacité de traction nulle et est incapable de supporter une charge. Cela rend le béton utilisé dans les structures porteuses comme le rail léger sensible aux fissures, qui commencent très petites et se développent sans entrave jusqu'à ce qu'il y ait un défaut dans la structure.

L'incorporation de barres d'armature fournit la force portante requise pour la plupart des constructions à base de béton. Cependant, la pose de barres d'armature est coûteuse, laisse une empreinte carbone considérable, présente des risques pour la sécurité des travailleurs et, surtout, prend beaucoup de temps. À mesure que la fissuration inévitable du béton s'intensifie et que les barres d'armature se corrodent, des travaux d'entretien, de réparation et de réhabilitation supplémentaires sont nécessaires, ce qui augmente encore les coûts et perturbe le voisinage.

La proposition de Mobasher a simplifié les défis du projet d'extension du métro léger et a fourni un nouveau système réussi "juste en faisant un changement dans les critères de conception - en utilisant des fibres dans le mélange de béton au lieu de renforcer avec des barres d'armature", a-t-il déclaré.

Au lieu d'utiliser deux couches de barres d'armature dans des directions transversales pour soutenir la voie électrifiée du métro léger dans les extensions, l'approche de conception et de validation de Mobasher a pris en compte à la fois des fibres d'acier et de polymère ajoutées directement dans le béton, éliminant complètement le besoin de renforcement des barres d'armature. Enfin, les fibres d'acier ont été choisies par Valley Metro pour le projet d'extension nord-ouest.

De fines fibres d'acier et de polypropylène sont utilisées dans le mélange de béton pour l'extension du métro léger de Phoenix Valley Metro. L'utilisation des fibres au lieu des barres d'armature réduit les coûts et le temps de construction, réduit l'empreinte carbone et augmente la durabilité.

Pour valider la proposition, une série de tests d'aptitude au service ont été effectués dans le laboratoire de structure et de matériaux d'ASU. Les tests ont consisté à créer des maquettes grandeur nature pour le béton armé et le béton renforcé de fibres, dans les mêmes proportions que les sections grandeur nature. Des essais côte à côte ont permis de comparer la résistance et la flexibilité ainsi que de documenter la fissuration du béton et la sensibilité à la fatigue.

Le processus de test a également prévu des économies de coûts et de temps de construction. Par exemple, la construction par mile de l'extension à l'aide de barres d'armature a été projetée à 231 jours, tandis que l'utilisation de béton renforcé de fibres l'a réduite à 121 jours, avec une économie de plus de 12 millions de dollars.

"L'idée de prendre plusieurs longues barres d'armature d'un demi-pouce de diamètre, séparées de 12 à 18 pouces et intégrées dans une cage à 12 pouces au-dessus du sol et de les remplacer par un matériau fibreux de 2 pouces de long et seulement 1/ 32e de pouce de diamètre et mélangé au béton, peut sembler non compétitif à grande échelle », a déclaré Mobasher.

«Mais si vous avez des milliers de ces petites fibres réparties là-dedans, elles deviennent beaucoup plus efficaces pour arrêter les fissures – fonctionnant comme de petits pansements pour maintenir les fissures fermées et transférer la charge. (béton renforcé de fibres) peut être conçu pour supporter jusqu'à 40 % sans précédent de la capacité de charge de traction du béton.

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Thin fibres of steel and polypropylene are being used in in the concrete mixture for Phoenix Valley Metro’s light rail extension. Using the fibres instead of rebar cuts costs and construction time as well as decreasing the carbon footprint and increasing sustainability. Credit: Photo by Charlie Leight/ASU News

"Nous avons effectué les tests de fatigue pour simuler des conditions allant jusqu'à 45 ans de service à des charges attendues beaucoup plus élevées comme preuve de concept, et ils ont accepté l'approche proposée", a déclaré Mobasher à propos des approbations de Valley Metro et de la ville de Phoenix. "Ce fut une expérience formidable pour eux d'économiser la quantité de matériaux utilisés et, en même temps, de pouvoir réaliser le projet à des coûts bien inférieurs au budget initial et dans un délai beaucoup plus rapide."

Le projet Valley Metro devrait servir de prototype pour des mises à niveau similaires de métro léger à l'échelle nationale et sera présenté lors d'un atelier international sur le béton renforcé de fibres organisé par l'ASU en septembre.

Construction d'extensions

Un obstacle majeur à l'approbation par la communauté du train léger sur rail est les mois de perturbation du quartier pendant la construction. L'utilisation de béton renforcé de fibres au lieu de conceptions soutenues par des barres d'armature réduit considérablement les perturbations en semaines ou, dans certains cas, en jours.

Les travailleurs se préparent à couler la dernière section de béton pour l'embranchement nord de la ligne de métro léger au nord de l'avenue Dunlap sur la 25e avenue le 5 mai. Le mélange de béton renforcé de fibres incorpore du polypropylène ou des fibres d'acier, qui sont beaucoup moins coûteuses et chronophages. que la méthode traditionnelle de renforcement des barres d'armature.

Andrew Haines, chef de projet pour Jacobs Engineering à Tempe, a attribué le succès du changement de matériaux à "la remise en question de l'accepté".

"Il existe une manière acceptée de faire du béton armé aux États-Unis, en particulier en ce qui concerne le métro léger", a déclaré Haines. "Je pense que les ingénieurs entrent dans cette voie de juste" Nous devons le faire d'une certaine manière, c'est comme ça que ça a toujours été fait ", et il a été très difficile de changer cela - d'accepter quelque chose de nouveau.

"Le placement du béton avec les fibres a été très simple", a déclaré Haines. "Il n'y a pas de renfort - il n'y a pas de barres dans la dalle de la voie sur laquelle les travailleurs peuvent essayer de marcher et peut-être glisser. Donc, c'est juste la terre préparée et les rails sont en place et le béton est placé autour - le renforcement fait partie intégrante du béton.

La capacité de développer des échantillons de matériaux et de les tester dans les laboratoires de l'ASU a été un élément majeur de la mise en œuvre du changement, selon Haines.

"Nous avons fait tout ce qu'il fallait pour que cela soit mis en œuvre sur le terrain", a-t-il déclaré. "Et le résultat semble être phénoménal."

Selon Mobasher, les fibres sont ajoutées au mélange de béton à l'usine avant d'être transportées par les camions de béton prêt à l'emploi jusqu'au chantier de construction. L'ensemble du mélange est ensuite déchargé et s'auto-consolide, laissant une surface de béton lisse et finie.

"Le travail qui prenait des semaines à effectuer est terminé en quelques heures car nous n'avons pas besoin d'une équipe pour poser les barres d'armature en acier, les connecter, s'assurer qu'elles sont toutes correctement soudées ensemble et que les composants sont tous mis à la terre. ", a déclaré Mobasher.
Construction d'extensions
Le professeur Barzin Mobasher de l'ASU (deuxième à partir de la gauche), avec l'école d'ingénierie durable et de l'environnement bâti de l'Ira A. Fulton Schools of Engineering, regarde les ouvriers couler la dernière section de l'éperon nord de la vallée de Phoenix

En plus de réduire les coûts de main-d'œuvre et d'équipement, des économies sont associées à des exigences de sécurité plus courtes sur les chantiers de construction et à des coûts d'expédition et de production de béton inférieurs. De plus, les retards de circulation et la perte de productivité dus aux fermetures de voies sont considérablement réduits.

Et bien que le passage des barres d'armature aux fibres d'acier permette de réaliser d'importantes économies de coûts, des économies supplémentaires sont également réalisées par les différents types de fibres.

"Avec l'acier par rapport à la fibre polymétrique, il y a une énorme différence de poids", a déclaré Haines.

Le professeur Barzin Mobasher de l'ASU (deuxième à partir de la gauche), de l'école d'ingénierie durable et de l'environnement bâti de l'Ira A. Fulton Schools of Engineering, observe les travailleurs couler la dernière section de l'embranchement nord de l'extension du métro léger de Phoenix Valley.

Avec les barres d'armature, "nous utilisons 65 livres d'acier", a déclaré Haines. "La production d'acier produit beaucoup de gaz à effet de serre - et beaucoup d'énergie pour produire de l'acier. Il y a beaucoup moins d'énergie à utiliser des fibres polymères et synthétiques. Nous n'utilisons que 12 livres de fibres de polypropylène contre 65 livres d'acier, donc il y a des économies là-bas.

Le projet utilise également des sections de béton plus minces que nécessaire pour supporter et protéger les barres d'armature.

« Nous utilisons environ 20 % de béton en moins, ce qui signifie que nous utilisons 20 % de ciment en moins », a déclaré Haines.

Un avantage secondaire non négligeable de l'élimination des barres d'armature est une réduction de la corrosion potentielle associée des courants vagabonds dans un système de transport en commun électrifié.

Sécurité des travailleurs

Marcher sur des barres d'armature instables enfouies dans du béton frais est une tâche difficile.

"Imaginez marcher sur du verre déchiqueté dans une pièce sombre tout en pelletant de la boue humide qui pèse environ 80 livres. C'est ainsi que les 25 milles précédents ont été construits », a déclaré Mobasher.

« Tout ce que nous avons fait, c'est retirer la cage des barres d'armature pour que les travailleurs finissent la dalle sans trébucher alors qu'ils naviguent sur les barres d'armature dans une couche de 12 pouces qui ne peut pas supporter leur poids. Maintenant, ils se tiennent sur un sol solide alors qu'ils coulent le béton autour des rails.

"Le type de béton que nous utilisons ici est du béton renforcé de fibres", a déclaré Farhad Rahimi, responsable de l'assurance qualité pour la ville de Phoenix. «Il n'y a pas de barre d'armature là-dedans. C'est de la fibre à l'intérieur du béton, ce qui rend la constructibilité beaucoup plus facile que les barres d'armature et beaucoup plus rapide. Quant à la qualité, nous obtenons la même qualité que celle que nous obtenons du béton (standard). Et, nous avons obtenu la résistance à la traction dont nous avons besoin.

La pose du béton est « toujours un travail très dur et à forte intensité de main-d'œuvre », a déclaré Mobasher, « mais certainement plus humain. J'ai tellement de respect pour ces travailleurs de la construction.

"La mission de l'ingénierie durable est de se concentrer sur des améliorations durables des conditions humaines, qui incluent à la fois la sécurité des travailleurs et de l'environnement", a-t-il déclaré.
Le béton renforcé de fibres accélère la construction du prolongement du métro léger de Phoenix
Les travailleurs de Kiewit-McCarthy Joint Venture, Arizona Materials, Fleming and Sons Concrete Pumping et Valley Metro se préparent à couler la dernière section de l'embranchement nord de la ligne de métro léger Phoenix Valley Metro au nord de Dunlap Avenue sur la 25e Avenue le
Avantages en matière de durabilité

"Ce que nous avons appris au cours des 50 dernières années en science des matériaux, c'est que plus nous examinons de près une microstructure, mieux nous pouvons comprendre les matériaux à un niveau macro", a déclaré Mobasher.

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Workers from Kiewit-McCarthy Joint Venture, Arizona Materials, Fleming and Sons Concrete Pumping and Valley Metro prepare to pour the last section of the northern spur extension of the Phoenix Valley Metro light rail line north of Dunlap Avenue on 25th Avenue on May 5. Credit: Photo by Charlie Leight/ASU News

Le but de l'ingénierie durable est de concevoir le matériau à un niveau différent qui peut ne pas sembler intuitif, mais qui possède des qualités de charge qui améliorent la longévité tout en réduisant l'empreinte carbone.

« Quand on regarde l'empreinte carbone des matériaux de construction, quand on considère le béton et l'acier, on se rend compte que nous utilisons environ 30 milliards de tonnes de béton chaque année dans le monde. Nous utilisons également environ 500 millions de tonnes de barres d'armature pour renforcer ce béton afin de supporter la charge.

"C'est une quantité importante d'empreinte carbone à cause de ces deux ingrédients seulement, car vous ne pouvez pas utiliser de béton sans le renforcer."

De plus, les tests valident la stabilité pendant plus de 45 ans, avec une durée de vie probable dans les conditions climatiques de Phoenix de plus de 100 ans, selon Mobasher.

L'une des missions de Mobasher est de mettre ces technologies concrètes durables à la disposition d'autres villes et communautés. Des formules concrètes similaires ont été utilisées dans le monde entier, mais elles s'accompagnent souvent de contraintes propriétaires.

"Dans notre laboratoire, nous fournissons une base scientifique pour la validation de la conception des composants structurels en combinant les codes de conception, les outils de conception analytiques et de simulation informatique", a déclaré Mobasher.

« Ensuite, nous allons un peu plus loin pour vérifier les résultats avec des tests à grande échelle sous les mêmes charges qui préoccupent les concepteurs. Cette approche nous donne la possibilité de composer le niveau de surrésistance et de prudence avec lequel les ingénieurs sont à l'aise pour la durée de vie.

Les laboratoires de recherche structurelle de l'ASU ont été impliqués dans de nombreux défis de ce type - traitant des applications minières, des structures environnementales, des canaux, de la conception de ponts et des structures en acier - et ont été une ressource continue pour tester de nouvelles technologies à la fois pour l'industrie et les communautés.

"Nous voulons montrer que le processus de construction (en béton renforcé de fibres) peut être un projet de bricolage pour les communautés locales travaillant avec des entreprises de construction locales", a déclaré Mobasher. "Nous pouvons montrer que la collaboration entre les municipalités, l'industrie, les agences gouvernementales et les universités peut s'unir pour partager les ressources, réduire les coûts et accroître la durabilité."
NJC.© Info Arizona State University

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Fibre-reinforced Concrete speeds up Metro Phoenix Light Rail Extension Construction

Using fibre-reinforced concrete instead of rebar-supported slabs for constructing Metro Phoenix light rail extensions is giving new meaning to rapid transit. Months of construction time are being reduced to weeks, adding cost savings, sustainability and worker safety to the mix.

A collaboration between Arizona State University, the Phoenix Valley Metro Regional Transportation Authority and Kiewit-McCarthy, the project’s construction firm, began with a materials upgrade proposal from Barzin Mobasher, an ASU professor of structural engineering in the School of Sustainable Engineering and the Built Environment.

Reinforcing bar, or rebar, is made of steel and embedded in concrete to strengthen structures. According to Mobasher, more than 60% of the volume of concrete used throughout the world has zero tensile efficiency and is unable to carry load. This makes concrete used in load-bearing structures like the light rail susceptible to cracks, which begin very small and grow unhindered until there is a fault in the structure.

Incorporating rebar provides the loadbearing strength required for most concrete-based construction. However, laying rebar is costly, leaves a dramatic carbon footprint, presents worker safety risks and above all, takes a great deal of time. As the inevitable concrete cracking escalates and the rebar corrodes, additional maintenance, repair and rehabilitation are required, further adding to costs and neighbourhood disruption.

Mobasher’s proposal simplified challenges for the light rail extension project and delivered a successful new system “just by making one change in the design criteria – using fibres in the concrete mix instead of reinforcing with rebar,” he said.

Instead of using two layers of rebar in cross directions to support the light rail’s electrified track in the extensions, Mobasher’s design and validation approach considered both steel and polymeric fibres added directly into the concrete, completely eliminating the need for rebar reinforcement. Finally, steel fibres were chosen by Valley Metro for the northwest extension project.

To validate the proposal, a series of serviceability tests were conducted in ASU’s Structural and Materials Lab. Testing involved creating full-size mock-ups for both rebar-reinforced concrete and fibre-reinforced concrete, in the same ratios as full-size sections. Side-by-side testing allowed comparisons of strength and flexibility as well as documentation of concrete cracking and fatigue susceptibility.

The testing process also projected cost and construction time savings. For example, the per mile construction of the extension using rebar was projected at 231 days, while using fiber-reinforced concrete reduced it to 121 days, with a cost savings of more than $12 million.

“The idea of taking several long rebars that are half an inch in diameter, separated by 12 to 18 inches and built into a cage that is 12 inches above ground and replacing them with a fibre material, which is 2 inches long and only 1/32nd of an inch in diameter and mixed in with the concrete, might seem on scale non-competitive,” Mobasher said.

“But if you have thousands of those small fibres distributed in there, they become much more effective in arresting the cracks — working as small Band-Aids to keep the cracks closed and transfer the load. (Fibre-reinforced concrete) can be designed to bear up to an unprecedented 40% of the tensile load capacity of concrete.”

“We did the fatigue tests to simulate conditions for up to 45 years of service at much higher expected loads as proof of concept, and they accepted the proposed approach,” said Mobasher of the approvals from Valley Metro and the city of Phoenix. “It’s been a tremendous experience for them to save the amount of materials used and, at the same time, to be able to meet the project at costs much lower than the original budget and in a much faster time frame.”

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The Valley Metro project is expected serve as a prototype for similar light rail upgrades nationally and will be presented at an international Fibre-Reinforced Concrete Workshop hosted by ASU in September.

Extension Construction

A major obstacle for community approval of light rail transit is months of neighbourhood disruption during construction. Using fibre-reinforced concrete instead of rebar-supported designs significantly reduces disruption to weeks or, in some cases, days.

Workers prepare to pour the last section of concrete for the northern spur of the light rail line North of Dunlap Avenue on 25th Avenue on May 5. The fibre-reinforced concrete mixture incorporates polypropylene or steel fibres, which are much less expensive and time-consuming than the traditional rebar reinforcement method.

Andrew Haines, project manager for Jacobs Engineering in Tempe, attributed the success of the materials change to “challenging the accepted.”

“There’s an accepted way of doing reinforced concrete in the United States, especially with regard to light rail,” Haines said. “I think engineers get into this track of just, ‘We’ve got to do it a certain way, that’s how it’s always been done,’ and it’s been very difficult to change that — to accept something new.

“The placement of the concrete with the fibres has been very simple,” Haines said. “There’s no reinforcement — there’s no bars in the track slab for workers to try to walk on and perhaps slip on. So, it’s just the prepared earth and the rails are in place and the concrete gets placed around it — the reinforcement is integral with the concrete.”

The ability to develop material samples and test them in the ASU labs was a major component of implementing the change, according to Haines.

“We did all the right things to get this implemented in the field,” he said. “And the result seems to be phenomenal.”

According to Mobasher, the fibres are added into the concrete mix at the plant before being transported by the ready-mix trucks to the construction site. The entire mix is then discharged and self-consolidates, leaving a smooth, finished concrete surface.

“The work that used to take weeks to be done is finished in a matter of hours because we don’t need a crew laying up the steel rebars, connecting them, making sure they are all adequately welded together and that the components are all grounded,” Mobasher said.
Extension Construction
ASU Professor Barzin Mobasher (second from left), with the Ira A. Fulton Schools of Engineering’s School of Sustainable Engineering and the Built Environment, watches workers pour the last section of the northern spur of the Phoenix Valley

In addition to cutting worker and equipment costs, there are savings associated with shorter security requirements at construction sites and lower shipping and concrete production costs. Also, the traffic delays and lost productivity due to lane closures are significantly reduced.

And while there are significant cost savings due to switching from rebar to steel fibres, additional savings are realized by the different types of fibres as well.

“With steel versus polymetric fibre there’s a tremendous difference in weight,” Haines said.

ASU Professor Barzin Mobasher (second from left), with the Ira A. Fulton Schools of Engineering’s School of Sustainable Engineering and the Built Environment, watches workers pour the last section of the northern spur of the Phoenix Valley Metro light rail extension.

With rebar, “we’re using 65 pounds of steel,” Haines said. “The production of steel produces a lot of greenhouse gasses — and a lot of energy to produce steel. There’s a lot less energy in using polymeric and synthetic fibers. We’re only using 12 pounds of polypropylene fibers vs. 65 pounds of steel, so there’s a savings there.”

The project also uses thinner sections of concrete than required to support and protect rebar.

“We’re using about 20% less concrete, which means we’re using 20% less cement,” Haines said.

A not-insignificant side benefit of eliminating rebar is a reduction of associated potential corrosion from the stray currents in an electrified transit system.

Worker safety

Walking on unstable rebars buried in fresh concrete is a challenging task.

“Imagine walking on shredded glass in a dark room while shovelling wet mud that weighs about 80 pounds. That is how the previous 25 miles or so was built,” Mobasher said.

“All we did was take out the rebar cage out so workers are finishing the slab without tripping as they navigate rebar in a 12-inch layer that can’t support their weight. Now, they are standing on solid ground as they pour the concrete around the rails.”

“The type of concrete we are using here is fibre-reinforced concrete,” said Farhad Rahimi, quality assurance manager for the city of Phoenix. “There is no rebar in this. It’s fiber inside the concrete, which makes the constructability much easier than rebar, and much faster. As for the quality, we get the same quality as we get from (standard) concrete. And, we got the tensile strength we need.”

Laying the concrete is “still very hard, labour-intensive work,” Mobasher said, “but definitely more humane. I have so much respect for these construction workers.

“The mission of sustainable engineering is to focus on long-lasting improvements of the human conditions, which includes both worker and environmental safety,” he said.
Fibre-reinforced Concrete speeds up Metro Phoenix Light Rail Extension Construction
Workers from Kiewit-McCarthy Joint Venture, Arizona Materials, Fleming and Sons Concrete Pumping and Valley Metro prepare to pour the last section of the northern spur extension of the Phoenix Valley Metro light rail line north of Dunlap Avenue on 25th Avenue on
Sustainability benefits

“What we have learned in the last 50 years in materials science is that the closer we look at a microstructure, the better we can understand materials at a macro level,” Mobasher said.

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The whole purpose of sustainable engineering is to design the material at a different level that may not sound intuitive, but that has load-bearing qualities that enhance longevity while reducing the carbon footprint.

“When we look at the carbon footprint of the construction materials, when we consider concrete and steel, we realize that we use about 30 billion tons of concrete every year throughout the world. We also use about 500 million tons of rebar for reinforcing that concrete to carry the load.

“That is a significant amount of carbon footprint because of just these two ingredients, because you cannot use concrete without providing reinforcement for it.”

Additionally, the testing validates stability for more than 45 years, with a likely service life under Phoenix climate conditions of more than 100 years, according to Mobasher.

One of Mobasher’s missions is to make these sustainable concrete technologies available to other cities and communities. Similar concrete formulas have been employed around the world, but they often come with proprietary constraints.

“In our laboratory, we provide a scientific basis for the design validation of structural components by combining the design codes, analytical and computer simulation design tools,” Mobasher said.

“Then we go a step further to verify the results with full-scale tests under the same loads the designers are concerned about. This approach gives us the ability to dial in the level of over-strength and conservativeness the engineers are comfortable with for the service life.”

ASU structural research labs have been involved with many such challenges – dealing with mining applications, environmental structures, canals, bridge design and steel structures – and have been an ongoing resource for testing new technologies in for both industry and communities.

“We want to show that the (fibre-reinforced concrete) construction process can be a do-it-yourself project for local communities working with local construction companies,” Mobasher said. “We can show that collaboration between municipalities, industry, government agencies and universities can come together to share resources, cut costs and increase sustainability.”
NJC.© Info Arizona State University

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Vezelversterkt beton versnelt de bouw van de Metro Phoenix Light Rail-uitbreiding

Het gebruik van vezelversterkt beton in plaats van door wapeningsstaven ondersteunde platen voor het bouwen van Metro Phoenix lightrail-uitbreidingen geeft een nieuwe betekenis aan snelle doorvoer. Maanden bouwtijd worden teruggebracht tot weken, wat kostenbesparingen, duurzaamheid en veiligheid van werknemers toevoegt aan de mix.

Een samenwerking tussen de Arizona State University, de Phoenix Valley Metro Regional Transportation Authority en Kiewit-McCarthy, het bouwbedrijf van het project, begon met een voorstel voor materiaalupgrade van Barzin Mobasher, een ASU-professor bouwtechniek aan de School of Sustainable Engineering and the Built Environment .

Wapeningsstaaf of wapening is gemaakt van staal en ingebed in beton om constructies te versterken. Volgens Mobasher heeft meer dan 60% van het volume beton dat over de hele wereld wordt gebruikt geen trekefficiëntie en is het niet in staat om belasting te dragen. Dit maakt beton dat wordt gebruikt in dragende constructies zoals de lightrail gevoelig voor scheuren, die heel klein beginnen en ongehinderd groeien totdat er een fout in de constructie is.

Het opnemen van wapening zorgt voor de draagkracht die vereist is voor de meeste op beton gebaseerde constructies. Het leggen van wapeningsstaven is echter duur, laat een dramatische ecologische voetafdruk achter, brengt veiligheidsrisico's voor werknemers met zich mee en kost vooral veel tijd. Naarmate het onvermijdelijke scheuren in het beton escaleert en de wapening corrodeert, zijn extra onderhoud, reparatie en rehabilitatie vereist, wat de kosten en de ontwrichting van de buurt nog verder verhoogt.

Het voorstel van Mobasher vereenvoudigde de uitdagingen voor het lightrail-uitbreidingsproject en leverde een succesvol nieuw systeem op "gewoon door één wijziging in de ontwerpcriteria aan te brengen - vezels in de betonmix gebruiken in plaats van wapening met wapening", zei hij.

In plaats van twee lagen wapening in dwarsrichtingen te gebruiken om het geëlektrificeerde spoor van de lightrail in de uitbreidingen te ondersteunen, overwoog Mobasher's ontwerp- en validatiebenadering dat zowel staal- als polymeervezels rechtstreeks in het beton werden toegevoegd, waardoor wapening volledig overbodig werd. Ten slotte werden staalvezels gekozen door Valley Metro voor het noordwestelijke uitbreidingsproject.

Dunne vezels van staal en polypropyleen worden gebruikt in het betonmengsel voor de lightrailuitbreiding van Phoenix Valley Metro. Het gebruik van vezels in plaats van wapening verlaagt de kosten en bouwtijd, verkleint de ecologische voetafdruk en verhoogt de duurzaamheid.

Om het voorstel te valideren, werd een reeks bruikbaarheidstests uitgevoerd in het Structural and Materials Lab van ASU. Bij het testen werden mock-ups op ware grootte gemaakt voor zowel met wapening gewapend beton als met vezels gewapend beton, in dezelfde verhoudingen als secties op ware grootte. Zij-aan-zij testen maakten vergelijkingen van sterkte en flexibiliteit mogelijk, evenals documentatie van betonscheuren en vermoeidheidsgevoeligheid.

Het testproces voorspelde ook besparingen op kosten en bouwtijd. De constructie per mijl van de uitbreiding met behulp van wapening werd bijvoorbeeld geraamd op 231 dagen, terwijl het gebruik van vezelversterkt beton dit terugbracht tot 121 dagen, met een kostenbesparing van meer dan $ 12 miljoen.

"Het idee om verschillende lange wapeningsstaven te nemen met een diameter van een halve inch, gescheiden door 12 tot 18 inch en ingebouwd in een kooi die 12 inch boven de grond is en ze te vervangen door een vezelmateriaal, dat 2 inch lang is en slechts 1 / 32 inch in diameter en vermengd met het beton, lijkt op schaal misschien niet-competitief, 'zei Mobasher.

"Maar als je duizenden van die kleine vezels erin hebt verdeeld, worden ze veel effectiever in het stoppen van de scheuren - ze werken als kleine pleisters om de scheuren gesloten te houden en de belasting over te dragen. (Vezelversterkt beton) kan worden ontworpen om tot een ongekende 40% van de trekbelasting van beton te dragen.”

"We hebben de vermoeiingstests gedaan om omstandigheden voor maximaal 45 jaar dienst bij veel hogere verwachte belastingen te simuleren als proof of concept, en ze accepteerden de voorgestelde aanpak", zei Mobasher over de goedkeuringen van Valley Metro en de stad Phoenix. "Het is een geweldige ervaring voor hen geweest om de hoeveelheid gebruikte materialen te besparen en tegelijkertijd het project te kunnen realiseren tegen kosten die veel lager zijn dan het oorspronkelijke budget en in een veel sneller tijdsbestek."

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Het Valley Metro-project zal naar verwachting dienen als een prototype voor soortgelijke lightrail-upgrades op nationaal niveau en zal worden gepresenteerd tijdens een internationale Fibre-Reinforced Concrete Workshop georganiseerd door ASU in september.

Uitbreiding constructie

Een belangrijk obstakel voor goedkeuring door de gemeenschap van lightrail-vervoer zijn maandenlange ontwrichting van de buurt tijdens de bouw. Door gebruik te maken van vezelversterkt beton in plaats van door wapening ondersteunde ontwerpen, wordt de overlast aanzienlijk teruggebracht tot weken of in sommige gevallen dagen.

Werknemers bereiden zich voor om op 5 mei het laatste stuk beton te storten voor de noordelijke uitloper van de lightraillijn ten noorden van Dunlap Avenue op 25th Avenue. Het vezelversterkte betonmengsel bevat polypropyleen- of staalvezels, die veel minder duur en tijdrovend zijn dan de traditionele wapeningsmethode.

Andrew Haines, projectmanager voor Jacobs Engineering in Tempe, schreef het succes van de materiaalverandering toe aan "het uitdagen van het geaccepteerde".

"Er is een geaccepteerde manier om gewapend beton te maken in de Verenigde Staten, vooral met betrekking tot lightrail," zei Haines. "Ik denk dat ingenieurs op dit spoor komen van gewoon: 'We moeten het op een bepaalde manier doen, zo is het altijd gedaan', en het was erg moeilijk om dat te veranderen - om iets nieuws te accepteren.

"De plaatsing van het beton met de vezels was heel eenvoudig", zei Haines. "Er is geen versteviging - er zijn geen tralies in de spoorplaat waarop arbeiders kunnen proberen te lopen en misschien uitglijden. Dus het is gewoon de voorbereide aarde en de rails zijn op hun plaats en het beton wordt eromheen geplaatst - de wapening is een integraal onderdeel van het beton.

De mogelijkheid om materiaalmonsters te ontwikkelen en te testen in de ASU-laboratoria was volgens Haines een belangrijk onderdeel van de implementatie van de verandering.

"We hebben er alles aan gedaan om dit in het veld geïmplementeerd te krijgen", zei hij. “En het resultaat lijkt fenomenaal.”

Volgens Mobasher worden de vezels in de fabriek aan het betonmengsel toegevoegd voordat ze door de kant-en-klare vrachtwagens naar de bouwplaats worden vervoerd. Het hele mengsel wordt vervolgens afgevoerd en consolideert zichzelf, waardoor een glad, afgewerkt betonoppervlak overblijft.

“Het werk dat vroeger weken in beslag nam, is binnen enkele uren klaar, omdat we geen bemanning nodig hebben die de stalen wapeningsstaven oplegt, verbindt, ervoor zorgt dat ze allemaal goed aan elkaar gelast zijn en dat de componenten allemaal geaard zijn ', zei Mobasher.
Uitbreiding constructie
ASU-professor Barzin Mobasher (tweede van links), met de Ira A. Fulton Schools of Engineering's School of Sustainable Engineering and the Built Environment, kijkt toe hoe arbeiders het laatste deel van de noordelijke uitloper van de Phoenix Valley gieten

Naast het verlagen van de arbeids- en materiaalkosten, zijn er besparingen in verband met kortere veiligheidseisen op bouwplaatsen en lagere transport- en betonproductiekosten. Ook worden de verkeersvertragingen en productiviteitsverlies door wegafsluitingen aanzienlijk verminderd.

En hoewel er aanzienlijke kostenbesparingen zijn door de overstap van wapeningsstaal naar staalvezels, worden ook extra besparingen gerealiseerd door de verschillende soorten vezels.

"Met staal versus polymetrische vezels is er een enorm verschil in gewicht", zei Haines.

ASU-professor Barzin Mobasher (tweede van links), met de Ira A. Fulton Schools of Engineering's School of Sustainable Engineering and the Built Environment, kijkt toe hoe arbeiders het laatste deel van de noordelijke uitloper van de Phoenix Valley Metro lightrail-uitbreiding binnenstromen.

Met wapening "gebruiken we 65 pond staal", zei Haines. "De productie van staal produceert veel broeikasgassen - en veel energie om staal te produceren. Er zit veel minder energie in het gebruik van polymere en synthetische vezels. We gebruiken slechts 12 pond polypropyleenvezels versus 65 pond staal, dus daar is een besparing.

Het project maakt ook gebruik van dunnere stukken beton dan nodig is om wapening te ondersteunen en te beschermen.

"We gebruiken ongeveer 20% minder beton, wat betekent dat we 20% minder cement gebruiken", zei Haines.

Een niet onbelangrijk bijkomend voordeel van het elimineren van wapening is een vermindering van de bijbehorende potentiële corrosie door de zwerfstromen in een geëlektrificeerd doorvoersysteem.

Veiligheid van werknemers

Lopen op onstabiele wapeningsstaven begraven in vers beton is een uitdagende taak.

“Stel je voor dat je in een donkere kamer over versnipperd glas loopt terwijl je natte modder schept die ongeveer 80 pond weegt. Dat is hoe de vorige 25 mijl of zo werd gebouwd, 'zei Mobasher.

"Het enige wat we deden was de wapeningskooi eruit halen, zodat arbeiders de plaat afwerken zonder te struikelen terwijl ze door wapening navigeren in een laag van 30 cm die hun gewicht niet kan dragen. Nu staan ze op vaste grond terwijl ze het beton rond de rails gieten.”

"Het type beton dat we hier gebruiken is vezelversterkt beton", zegt Farhad Rahimi, kwaliteitsborgingsmanager voor de stad Phoenix. “Hier zit geen wapening in. Het is vezel in het beton, waardoor de constructie veel gemakkelijker is dan wapening, en veel sneller. Wat de kwaliteit betreft, krijgen we dezelfde kwaliteit als van (standaard)beton. En we hebben de treksterkte die we nodig hebben.”

Het beton leggen is "nog steeds erg zwaar, arbeidsintensief werk", zei Mobasher, "maar zeker menselijker. Ik heb zoveel respect voor deze bouwvakkers.

"De missie van duurzame engineering is om zich te concentreren op langdurige verbeteringen van de menselijke omstandigheden, waaronder zowel de veiligheid van werknemers als het milieu", zei hij.
Vezelversterkt beton versnelt de bouw van de Metro Phoenix Light Rail-uitbreiding
Werknemers van Kiewit-McCarthy Joint Venture, Arizona Materials, Fleming and Sons Concrete Pumping en Valley Metro bereiden zich voor om het laatste deel van de noordelijke uitloper van de Phoenix Valley Metro lightraillijn ten noorden van Dunlap Avenue op 25th Avenue op
Duurzaamheidsvoordelen

"Wat we in de afgelopen 50 jaar in de materiaalkunde hebben geleerd, is dat hoe beter we naar een microstructuur kijken, hoe beter we materialen op macroniveau kunnen begrijpen", zei Mobasher.

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Het hele doel van duurzame engineering is om het materiaal op een ander niveau te ontwerpen dat misschien niet intuïtief klinkt, maar dat wel dragende eigenschappen heeft die de levensduur verlengen en tegelijkertijd de ecologische voetafdruk verkleinen.

“Als we kijken naar de ecologische voetafdruk van de bouwmaterialen, als we kijken naar beton en staal, realiseren we ons dat we elk jaar ongeveer 30 miljard ton beton gebruiken over de hele wereld. We gebruiken ook ongeveer 500 miljoen ton wapening om dat beton te versterken om de lading te dragen.

"Dat is een aanzienlijke hoeveelheid koolstofvoetafdruk vanwege alleen deze twee ingrediënten, omdat je geen beton kunt gebruiken zonder er wapening voor te geven."

Bovendien valideren de tests de stabiliteit voor meer dan 45 jaar, met een waarschijnlijke levensduur onder Phoenix-klimaatomstandigheden van meer dan 100 jaar, volgens Mobasher.

Een van de missies van Mobasher is om deze duurzame betontechnologieën beschikbaar te maken voor andere steden en gemeenschappen. Soortgelijke concrete formules zijn over de hele wereld gebruikt, maar ze hebben vaak eigen beperkingen.

"In ons laboratorium bieden we een wetenschappelijke basis voor de ontwerpvalidatie van structurele componenten door de ontwerpcodes, analytische en computersimulatie-ontwerptools te combineren, " zei Mobasher.

“Vervolgens gaan we een stap verder om de resultaten te verifiëren met full-scale tests onder dezelfde belastingen waar de ontwerpers zich zorgen over maken. Deze aanpak stelt ons in staat om gedurende de hele levensduur het niveau van oversterkte en conservativiteit in te stellen waar ingenieurs zich prettig bij voelen.”

ASU structurele onderzoekslaboratoria zijn betrokken geweest bij veel van dergelijke uitdagingen - omgaan met mijnbouwtoepassingen, milieustructuren, kanalen, brugontwerp en staalconstructies - en zijn een doorlopende bron geweest voor het testen van nieuwe technologieën voor zowel de industrie als gemeenschappen.

"We willen laten zien dat het (vezelversterkte beton) bouwproces een doe-het-zelfproject kan zijn voor lokale gemeenschappen die samenwerken met lokale bouwbedrijven," zei Mobasher. "We kunnen laten zien dat samenwerking tussen gemeenten, industrie, overheidsinstanties en universiteiten samen kan komen om middelen te delen, kosten te besparen en de duurzaamheid te vergroten."
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Date de dernière mise à jour : 03/07/2023