Rapporto di progetto: Costruire un collegamento da Detroit a Windsor

La torre delle scale completamente installata, in alto sopra il fiume coperto di nuvole. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

Nell'ottobre 2020, Universal Manufacturing si è rivolta a DH Charles Engineering (DHC) per avviare il processo di pianificazione volto a garantire ai lavoratori l'accesso alla cassaforma rampante in calcestruzzo per i piloni del nuovo ponte internazionale Gordie Howe.

Fase 1 della torre scale. Collocata a terra, consentiva l'accesso dal livello fino a ~215 piedi, consentendo l'accesso alla prima serie di getti di calcestruzzo. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

I requisiti di accesso alle torri scale dovevano fornire un accesso secondario al posto dell'accesso dell'ascensore alla cassaforma di arrampicata, affrontando anche l'uscita di emergenza se gli ascensori non fossero stati operativi. Il pacchetto di disegni, preparato da Universal e rivisto e timbrato da DHC, delineava sezioni dettagliate delle torri scale che sarebbero state costruite a livello e sollevate in posizione man mano che i getti del pilastro progredivano in altezza. Per questo motivo, le torri scale dovevano avere la capacità di aumentare in altezza insieme ai pilastri stessi. Inoltre, c'era il problema della stabilità laterale. Con un sito di progetto direttamente sulle rive del fiume Detroit e destinato a rimanere in posizione per anni, l'impalcatura sarebbe stata soggetta ad alcune delle condizioni meteorologiche stagionali più rigide possibili.

Come ulteriore complicazione, a causa della forma a traliccio dei pilastri, per ogni piede di altezza aumentata i pilastri si sarebbero spostati di 2 pollici di lato, raggiungendo infine un'altezza massima di oltre 72 piedi rispetto al punto di partenza alla base. Poiché le torri delle scale avrebbero dovuto essere rigidamente legate ai pilastri per la stabilità laterale, ciò significava che man mano che l'impalcatura aumentava in altezza, i tiranti sarebbero diventati sia più lunghi che più asimmetrici. Superare questo ostacolo critico sarebbe diventato un aspetto fondamentale della progettazione dell'impalcatura.

Man mano che i pilastri aumentavano in altezza, si inclinavano l'uno verso l'altro, incontrandosi infine in cima. Ciò ha creato la complessa sfida progettuale di grandi distanze di collegamento e di collegamento a una struttura la cui posizione cambiava con l'altezza. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

Pianificazione per l'altezza

Come nostro vicino del nord, non dovrebbe sorprendere che il Canada sia uno dei principali partner commerciali degli Stati Uniti. Ma ciò che può sorprendere è l'enorme quantità di scambi commerciali che si sposta tra i due: oltre 664 miliardi di dollari solo nel 2021. Ancora più impressionante è che quasi un quarto di quegli scambi commerciali si sposta sul fiume Detroit tra la città canadese di Windsor e Detroit, MI. È per questo motivo che nel 2004 è iniziato un nuovo ponte che collega le due città di accesso. Dopo oltre un decennio di pianificazione e preparazione, la costruzione del ponte internazionale Gordie Howe è iniziata nel 2018 da un consorzio di società di costruzioni che si sono unite come Bridging North America (BNA). Alla fine, il ponte si estenderebbe per oltre mezzo miglio, con l'iconica sagoma del ponte definita da due piloni a forma di A che si innalzano per 722 piedi sopra il fiume.

Torri scale durante la Fase 2, che mostrano il complesso design dei tiranti che fissano le torri ai pilastri angolati che sarebbero stati utilizzati in tutte e 3 le fasi. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

Nel 2020, BNA ha incaricato Universal Manufacturing di fornire una soluzione per l'accesso dei lavoratori alla cassaforma rampante in calcestruzzo che sarebbe stata utilizzata per gettare il pilastro del ponte US Main Span. Raggiungendo infine un'altezza di quasi 550 piedi dal livello del suolo alla giunzione delle due gambe, l'altezza e la geometria del design del pilastro erano significative. E mentre sarebbero stati disponibili paranchi per materiali, la necessità di una fonte di uscita sicura, affidabile e a prova di errore per i lavoratori durante tutta la fase di costruzione era fondamentale.

Fattori di progettazione

Durante il processo di progettazione iniziale, sono stati presi in considerazione molteplici fattori. All'inizio del progetto erano necessarie due torri scale separate, poiché lo spazio tra le due gambe del pilastro era troppo grande per essere colmato tra le due forme di arrampicata. Una volta raggiunta un'elevazione di circa 225 piedi su entrambe le gambe, è stato installato un ponte pedonale in cima alla cassaforma di arrampicata e la torre scale sud avrebbe continuato a salire fino all'altezza richiesta di quasi 550 piedi.

La torre delle scale è completamente installata e il nuovo molo è quasi a piena altezza. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

Una volta che Universal Manufacturing e BNA si sono accordate su un concetto generale, Chris Cox di Universal ha contattato Mark Palmatier di DH Charles Engineering. Fin dall'inizio, un aspetto significativo della progettazione dell'impalcatura era l'altezza massima che doveva essere raggiunta. A quasi 550 piedi di altezza, solo il peso dei componenti dell'impalcatura stessi in una torre di scale continua avrebbe superato le capacità dei componenti, anche prima di tenere conto di qualsiasi tipo di carico vivo dei lavoratori.

Insieme a questo, e forse al più grande ostacolo di progettazione, c'era la necessità di garantire che le torri delle scale fossero saldamente fissate alle strutture del molo. Per un sistema che sarebbe stato in atto per più stagioni e soggetto ad alcuni degli ambienti più difficili, un sistema di tiranti rigido e robusto era essenziale e divenne un punto focale della progettazione.

A causa della forma a trave del pilastro del ponte, man mano che le gambe del pilastro aumentavano in altezza, si inclinavano l'una verso l'altra e alla fine si incontravano in cima. Dal punto di vista della progettazione dell'impalcatura, ciò creava una situazione di layout e di ancoraggio sempre più complessa: man mano che l'impalcatura diventava progressivamente più alta, la struttura a cui l'impalcatura era ancorata per la stabilità laterale si allontanava sempre di più. Alla fine, è stato determinato un approccio in tre fasi come il miglior equilibrio per fornire un accesso che raggiungesse quasi 550 piedi di altezza. La base dell'impalcatura sarebbe stata impostata a livello e avrebbe raggiunto un'altezza massima di ~214 piedi.

Le scale hanno rappresentato un'opzione di uscita di emergenza fondamentale per i lavoratori in cima al molo alto 550 piedi. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

A quel punto, una struttura di piattaforma in acciaio sarebbe stata fissata al pilastro del ponte su cui sarebbe stata posizionata la torre delle scale della Fase 2 e si sarebbe allungata per altri 157 piedi di altezza. Una seconda piattaforma in acciaio sarebbe stata ancorata alla struttura del ponte a circa 371 piedi dal suolo. Ripristinata su questa piattaforma finale, la scala della Fase 3 avrebbe raggiunto i 173 piedi e avrebbe consentito l'accesso al punto in cui si sarebbero incontrate le due gambe del telaio ad A. Per ogni torre delle scale appoggiata sulle piattaforme, la base è stata spostata per posizionare la torre delle scale in modo da affrontare la pendenza del pilastro. Le piattaforme di ripristino in acciaio sono state infine progettate da un ufficio di consulenza separato, quindi il carico e le potenziali forze di progettazione che sarebbero state impartite dalle torri delle scale sono state fornite e coordinate con il team di progettazione della piattaforma.

Una volta gestiti l'altezza e il peso delle scale, l'attenzione si è spostata sui tiranti dell'impalcatura. Collocati sulle rive del fiume Detroit e notevolmente più alti di qualsiasi struttura circostante, ci sarebbe stato poco sollievo dai forti venti che possono formarsi nella regione. Ciò sarebbe stato particolarmente vero per l'impalcatura più alta della Fase 3.

Raggiungere il cielo

Non solo avrebbe visto la piena forza di velocità del vento fino a 105 mph, ma anche nella sezione più alta, la torre delle scale sarebbe stata spostata dalla struttura del pilastro di quasi 20 piedi in due direzioni. Ciò significava che qualsiasi rinforzo al pilastro avrebbe visto un intenso carico asimmetrico con lunghezze di tiranti superiori a 25 piedi. Per garantire che le forze che sarebbero state raccolte dalla torre delle scale fossero conteggiate accuratamente, ogni fase delle scale è stata costruita in un modello di analisi degli elementi finiti e analizzata in varie condizioni di carico del vento. I modelli non solo hanno considerato l'altezza di ogni sezione di scala costruita, ma anche l'elevazione e la durata della sua installazione. In ogni posizione di tirante, le forze massime e minime sono state raccolte e utilizzate per calcolare il carico del caso peggiore sia in tensione che in compressione.

Progettate per crescere con l'avanzare del progetto, le torri scala fornivano accesso a molteplici aspetti del ponte, dal piano stradale del ponte alla cassaforma del pilastro. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

A causa delle distanze che dovevano essere coperte dalle traversine, si è deciso fin dall'inizio di utilizzare capriate modulari come componenti rigide delle traversine, ulteriormente rinforzate da tubi laterali e connessioni a morsetto tra le capriate. Sfruttare la resistenza intrinseca del doppio travetto in un componente prefabbricato ha reso l'installazione notevolmente più semplice rispetto al tentativo di ottenere la stessa configurazione con tubi di traversine individuali. Poiché le lunghezze e gli angoli delle traversine variavano in ogni posizione delle traversine man mano che il pilastro si spostava rispetto alle scale, è stato modellato il rinforzo a ogni livello delle traversine, con un totale di 26 modelli al completamento del progetto.

Per il suo lavoro, DHC si è aggiudicata il premio Scaffold & Access Industry Association Industrial Collaborative Project of the Year Award 2023.