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La Technique Française du Béton / The French Technology of Concrete

Viaduc en U – Mise en place de voussoirs préfabriqués pour le projet de métro léger de Uijeongbu (Corée du Sud) / U-Concept viaduct – Precast segmental application to Uijeongbu LRT project (South Korea) Mohamed Akraa, Eric Pruvost & Antoine Paumier

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VIADUC EN U – MISE EN PLACE DE VOUSSOIRS PRÉFABRIQU ÉS POUR LE PROJET DE MÉTRO LÉGER DE UIJEONGBU

(CORÉE DU SUD)

U-CONCEPT VIADUCT – PRECAST SEGMENTAL APPLICATION T O UIJEONGBU LRT PROJECT (SOUTH KOREA)

Mohamed AKRAA, Eric PRUVOST, Antoine PAUMIER

SYSTRA

1. PRÉAMBULE

Uijeongbu, importante agglomération de la périphérie nord de Séoul, verra la première application concrète du viaduc en U (un brevet SYSTRA) en Corée du Sud. Pour ce projet, SYSTRA a réalisé les Etudes Détaillées du viaduc et fournit une assistance technique sur site pour le contrôle d’exécution des travaux. Afin d’atténuer l’impact sur la circulation déjà difficile, il a été décidé d’utiliser une méthode de construction de type voussoirs préfabriqués avec mise en œuvre par poutres de lancement. La souplesse et la rapidité de cette méthode de pose allant naturellement de pair avec l’innovation technologique que constitue le viaduc en U. La conception du viaduc par SYSTRA s’est axée sur l’optimisation et la standardisation de la structure, ce qui permet à la fois de s’adapter aux contraintes de budget et aux difficultés de construction en zone urbaine dense. Les études ont finalement abouti à une section type optimisée, permettant d’inclure deux voies ainsi que l’ensemble des équipements système et les contraintes d’exploitation du matériel roulant. De simples ajustements sur les longueurs des voussoirs de clé ou sur piles permettent de s’adapter facilement aux variations de longueurs de travée, sans augmenter significativement le nombre de coffrages, d’où des économies supplémentaires au final.

1. ABSTRACT

Uijeongbu City, a major satellite town at the northern outskirts of Seoul, features the first application of U-shape structure design concept viaduct (a SYSTRA license) in South Korea. SYSTRA carried out Detailed Design of the viaduct and provides Construction Supervision assistance on site. To mitigate impacts on already congested downtown traffic, viaduct span erection using precast concrete segments erected with Launching Girders was selected as the construction method. This provides convenient and fast installation as a natural complement to the cutting edge technology of U-shape structure concept viaduct. The SYSTRA design focused on structure optimization and standardization to accommodate both budget and construction sequence constraints for this project located in a dense urban location. The design led to an optimised typical section, with capacity for two tracks, all necessary E&M systems and train operation requirements. Adjustments on key and end segment lengths enable a very flexible distribution of spanning, without major impact on mould numbers, hence further budget savings.


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2. INTRODUCTION

Le projet de métro léger de Uijeongbu (UJB-Light Rail Transit) est un projet d’investissement privé de type Construction-Cession-Exploitation (Build-Transfer-Operate), contracté par le Groupement d’entreprises GS, selon le règlement sur les Projets Privés d’Infrastructure (Private Participation in Infrastructure), avec la municipalité de Uijeongbu, importante agglomération située à la périphérie nord de Séoul. Le Groupement a choisi le concept de structure en U pour réaliser la totalité des 11km de la ligne, afin d’améliorer l’aspect architectural des ouvrages et de bénéficier des capacités améliorées d’intégration des systèmes et du matériel roulant, qu’apporte la section intérieure du U. La construction par voussoirs préfabriqués, typique des applications de la structure U, a été exigée par la Municipalité, car considérée comme le meilleur moyen de réduire les difficultés occasionnées par les travaux sur les axes à circulation réduite, avec en plus un calendrier très serré de mise en service.

3. DONNÉES GLOBALES DU PROJET

3.1 . Généralités

- Longueur de la ligne : 11 km, (construit en viaduc)

- Stations : 15 stations passagers et 1 dépôt - Longueur type d’une station : 35 m - Charge du véhicule (train léger type VAL -

Siemens) : 115 kN / essieu (système sur pneus)

- Longueur cabine : 26 m / paire - Début de la construction : Juillet 2007 - Mise en service prévue : Août 2011

3.2 . Conception

- Travée isostatique type : 30 m - Longueur maximum de travée (ouvrage

continu) : 45 m - Longueur maximum de travée (ouvrage

FCM) : 70 m - Largeur de section type : 7,5 m - Largeur maximum de section : 8,5 m - Longueur de voussoir type : 3,3 m - Nombre total de travées : 306 - Nombre total de voussoirs : 3216

3.3 . Production

- Nombre de coffrages : 17 (4 types) - Capacité de production de l’aire de

bétonnage : 10 voussoirs / jour - Capacité de stockage : 350 voussoirs - Poutres de lancement : 3 éléments

(équipement NRS) - Cycle de montage standard : 3 jours/ travée

2. INTRODUCTION

The Uijeongbu LRT project is a Build–Transfer-Operate (BTO) Light Rail Transit (LRT) private investment project, contracted by GS Consortium under the framework of the Private Participation in Infrastructure act (PPI) with Uijeongbu City, a major satellite city at the northern outskirts of Seoul. The Consortium opted for U-shape structure concept solution to build the 11km viaduct section, in order to enhance the aesthetical signature of the civil work outlines and benefit from the U-shape inner section properties for eased E&M and Rolling Stock integration. Precast segmental construction is typical of the U-shape structure concept and was a major request from the City because it is regarded as a significant benefit for the project to mitigate difficulties due to narrow working areas caused by traffic congestion and a tight schedule for the start of operation service.

3. PROJECT OVERALL DATA

3.1. General

- Project length : 11 km, (all built as viaduct) - Stations : 15 passenger stations plus 1

depot - Station length : 35 m - Light train load (VAL system by Siemens) :

115 kN / axle (rubber tire system) - Car-unit length : 26 m / pair - Construction start : July 2007 - Planned Operation start : August 2011 -

3.2. Design

- Typical simple span : 30 m - Maximum span length (continuous bridge) :

45 m - Maximum span length (FCM bridge) : 70 m - Typical section width : 7.5 m - Maximum section width : 8.5 m - Typical segment length: 3.3 m - Total number spans : 306 - Total number segments : 3216

3.3. Production

- Mould number :17 (4 types) - Casting yard production capacity : 10

segments / day - Stacking capacity : 350 (double layer

stacked segments) - Launching girder : 3 sets (supplied by NRS) - Standard erection cycle : 3 days / span



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4. OPTIMISATION DE L’ÉTUDE DÉTAILLÉE

4.1 . Optimisation de la section

L’étude d’optimisation a permis avec l’examen approfondi des interfaces systèmes (E&M) de réduire la largeur de la section, tout en incorporant les gabarits du matériel roulant déjà en phase finale de développement. La section de base peut être visualisée comme un large U, qui avait déjà été sélectionnée par le client au préalable.

4. DETAILED DESIGN OPTIMIZATION

4.1.Section optimization

The optimization study and thorough interface review with E&M parties resulted in a reduction of the section width, capable to accommodate the already advanced development of the Rolling Stock system. The section base is a large double U-shape and was preliminarily selected by the client.

Figure1: Preliminary E&M interface integration study

Etude préliminaire d’intégration d’interfaces E&M

Toutes les interfaces systèmes comme les dégagements de gabarit dynamique, rail de guidage ou support d’alimentation et équipement fixe de signalisation, situés au niveau de la voie ou sur les côtés, ont été introduits comme paramètres d’étude des sections préliminaires afin de trouver un équilibre optimal entre la réduction de section et les marges de sécurité minimum, nécessaires pendant la construction, l’exploitation et la maintenance. L’intégration se traduit aussi par l’utilisation des semelles latérales comme cheminement d’évacuation des passagers en zone courante, comme nez de quai en station et aussi l’utilisation de l’intérieur des âmes comme supports de chemins de câbles.

4.2 . Optimisation des travées

L’essentiel de l’étude des travées s’est focalisé sur la standardisation des longueurs de travées isostatiques autour de 30-35m, afin de limiter le nombre de sections, et ainsi couvrir un maximum de portées avec un minimum de coffrages, ce qui simplifie grandement la construction.

All typical E&M system interfaces such as dynamic gauge clearances, power / guidance rail and fixed signalling equipment, located at track level or at viaduct sides were input into the preliminary sections design parameters in order to find an optimum balance between section reduction and maximum safety margin for construction installation, operation and maintenance. The combination of lateral flanges with the U-shape structure, serving as passenger emergency walkways as well as platform edges in stations and the use of inner webs serving as cable tray supports, result in a fully integrated section.

4.2.Span optimization

Most of the span study focused on standardizing simple span lengths between 30-35m, in order to limit the number of design sections, hence optimizing construction methods, and mould numbers for precast segments.


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Cependant, en raison de nombreux carrefours se trouvant sur le tracé du projet (celui-ci est majoritairement aligné au milieu des grands axes de circulation), il a été nécessaire d’introduire des types d’ouvrages complémentaires (continu, FCM), afin d’atteindre les portées minimales nécessaires aux passages de ces intersections. Ces portées allongées vont de 45 à 70m.

5. RÉSULTATS DES ÉTUDES DÉTAILLÉES

Une fois les sections préliminaires définies, les premiers calculs ont conduit à les répartir en trois largeurs différentes (7,5 m, 7,9 m & 8,5 m), afin de tenir compte de l’impact de la courbure de l’alignement plan (rayon mini R=60 m) sur le positionnement des gabarits de train en courbe, tout en conservant la section minimum en compression, ce, sans pour autant avoir recours à des bétons de résistance plus élevée (72% du béton utilisé est de type résistance à la compression 42 MPa sur cyllindre). En introduisant finalement les contraintes de répartition de travées liées aux fondations des piles, la répartition finale des ouvrages devient :

• Travées isostatiques : 20 m à 35 m (60% de la longueur du projet)

• Travées continues: 22 m à 45 m (27%) • FCM (construction en encorbellement) : 35 m

à 70 m (13%) Les dernières pistes d’optimisation se sont concentrées sur la standardisation de la longueur des voussoirs eux-mêmes, rendue possible par ajustement des longueurs de voussoir de clé ou sur pile, dont les traitements particuliers n’ont qu’un faible impact sur la chaîne de production globale.

5.1 . Travées isostatiques

Le projet comporte 225 travées isostatiques avec la répartition de largeurs de voussoirs suivante : 7,5 m (85%), 7,9 m (11%) et 8,5 m (4%)

However, due to numerous crossroads encountered by the project alignment which is centred along the city downtown main road network, it was necessary to introduce additional designs such as U-shape structure concept continuous bridge and FCM bridge, to reach necessary minimum spans at overpass areas. These spans range from 45 to 70m.

5. DETAILED DESIGN OUTPUT

After preliminary sections were set, first calculations led to distribute sections in three different widths (7.5 m, 7. 9m & 8.5 m) in order to mitigate plan alignment curve impact on gauge check (sharpest radius R=60 m) and attain minimum compressive resistance sections without requiring excessive higher resistance concrete (72% of total concrete is grade 42MPa on cylinder). Span lengths and types were then distributed as follows considering substructure constraints:

• Single spans : 20 m to 3 5m (60% of project length)

• Continuous spans: 22 m to 45 m (27%)

• FCM (free cantilevered): 35 m to 70 m (13%)

The last optimisation efforts focused on standardizing segment length by adjusting key segment and end segment lengths which have a very low impact on the production line.

5.1.Simple span

The project is composed of 225 single spans with following section width distribution: 7.5 m (85%), 7.9 m (11%) and 8,5 m (4%)

Figure 2 : Section de la travée isostatique type de 7,5 m / Simple span typical 7.5m section



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La longueur des voussoirs préfabriqués varie de 1,85 m à 3,3 m, avec une longueur type de 3,3 m. Les autres longueurs de voussoirs sont utilisées pour réaliser les 12 travées différentes rencontrées sur le projet en ajustant la longueur des voussoirs situés près du voussoir central.

5.2 . Structures continues

Le projet comporte 35 structures continues à 2 ou 3 travées. Des largeurs plus importantes (7,9 m - 85% et 8,5 m – 15%) que pour les travées isostatiques (7,5 m) ont été nécessaires pour supporter l’augmentation des portées centrales (jusqu’à 45 m) nécessaires aux traversées de grands carrefours, mais aussi pour satisfaire des contraintes d’intégration d’équipements en station ou de surcharges de voie d’aiguillage (les stations et les aiguillages sont tous situés sur des ouvrages continus pour des raisons liées aux exigences système sur les longueurs d’expansion). La méthode de pose par poutre de lancement est similaire au cas des travées isostatiques, avec au surplus la nécessité d’assurer la continuité géométrique entre les travées adjacentes par le coulage en place d’un joint d’environ 100 mm, à l’aide d’un mortier à haute résistance. Pour tenir compte de la direction de lancement, il a fallu dimensionner asymétriquement les voussoirs sur piles, comme montré en figure 3.

Precast segments lengths vary from 1.85 m to 3.3 m, with typical length at 3.3 m. The other segment lengths are used to achieve the 12 different span lengths encountered on the project by adjusting length of segments located close to the mid span.

5.2.Continuous structures

The project is composed of 35 continuous 2 or 3 span structures. Larger cross section widths (7.9 m - 85% and 8.5 m – 15%) than the simple spans (7.5m) have been necessary to accommodate the longer central spans (up to 45 m) required for major road crossings, station integration and heavy equipment track crossover loads (stations and crossovers are located on continuous bridges in order to comply with system requirements related with structure expansion length. The construction method of segment erection by launching girder is similar to the single span structure, with geometry control between adjacent spans implemented by using 100mm cast in place joints using high resistance mortar. To account for launching girder erection direction, it was necessary to develop an asymmetrical intermediate pier segment design. as is shown in Fig.3.

Figure 3 Typical 3-span U-concept continuous bridge (35+45+35) elevation Ouvrage type à 3 travées continues (35+45+35) – Elévation longitudinale

Figure 4: Alignment plan view showing station location and main road crossing

Vue en plan du tracé général montrant l’emplacement des stations et des intersections principales


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5.3 . Ouvrages en encorbellements successifs (FCM)

Le projet comporte 11 structures de type FCM avec des travées centrales allant de 45 m à 70 m. Ces structures ont été conçues pour des portées supérieures à 45 m (limite supérieure des structures continues) ou pour le cas de travées supérieures à 35 m avec des rayons très serrés en plan; ces structures sont construites avec des voussoirs préfabriqués de hauteur variable, mais de longueur type 2,5 m et largeur 7,9 m. La conception a été standardisée pour maintenir une bordure en béton uniforme et le même schéma de précontrainte pour la section supérieure en U. Les ajustements de longueur sont obtenus simplement par suppression successive du voussoir adjacent au voussoir sur pile, à partir de la travée la plus longue, avec aussi suppression des câbles de précontraintes correspondants.

5.3.Free cantilevered structures (FCM)

The project includes 11 FCM structures with central span ranging from 45m to 70m.

These structures have been designed for span lengths greater than 45m (upper limit of continuous structures) or for very sharp plan radius combines with span lengths over 35m, and are constructed of precast segments with 2.5m length, 7.9m width and variable heights. The design has been standardized in order to maintain a uniform concrete outline and same prestressing layout for the upper U-shape section. Span length change is achieved simply by removing the segment adjacent to the pier diaphragm from the original longest span case and also removing related unnecessary tendons.

Figure 5: FCM (45+70+45) elevation (End span) / FCM (45+70+45) Elévation (travée de rive)

Figure 6: FCM typical section showing continuity of track section outline,

while bottom U-box ensures structural integrity Section type représentant la continuité de la section du U au niveau de la voie et le U inférieur qui permet

d’assurer le complément de résistance et la variation de hauteur



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6. APPLICATION CHANTIER

6.1 . Aire de bétonnage

L’aire de bétonnage a été construite à proximité de la zone du dépôt en bout de ligne du projet, sur le site d’une ancienne base militaire américaine, avec une surface totale d’environ 3,8 hectares. Elle est à peu près répartie en deux parties égales, une pour la production et l’autre pour le stockage des voussoirs. La préfabrication se fait sur trois lignes principales, avec deux grues utilisées pour le transfert des cages d’armatures vers les coffrages et trois portiques d’une capacité de levage de 45 à 65 tonnes pour le déplacement des voussoirs. Une aire supplémentaire de stockage a été crée par la suite pour permettre plus de flexibilité dans la production.

6. CONSTRUCTION FEEDBACK

6.1.Casting yard

The casting yard was built nearby the depot area at the end of the project line on a former US Army military base with total area around 3.8 hectares (9.4 acres). It is roughly split into two halves, one for production and the other for stacking segments. Production is distributed among three main lines, with two tower cranes used for transporting rebar jigs to the moulds and three gantry cranes with lifting capacity of 45 to 65 tons for segment handling. An additional stacking yard was later opened to allow more production flexibility.

Figure 7: Casting yard general layout

Plan de masse de l’aire de production (préfabrication + stockage)

Figure 8: Casting yard overall view with gantry crane Line 1 Vue générale de l’aire de stockage depuis l’aire de préfabrication avec portique Ligne 1


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6.2 . Photos du site

Figure 9 : Levage d’un demi-voussoir sur pile

Pier segment lifting (simple span)

6.2.Site photo focus

Figure 10: Launching girder during positioning stage Poutre de lancement pendant la phase de ripage

(à vide)

Figure 11: Typical simple span erection completed / Travée isostatique type après pose terminée

7. CONCLUSION

Le projet de métro léger de la ville d’Uijeongbu constitue la première application concrète du viaduc en U par voussoirs préfabriqués en Corée. Les avantages conceptuels intrinsèques au viaduc en U et qui se caractérisent notamment au niveau de l’amélioration de l’aspect architectural ou par la facilité d’installation dans un contexte de centre-ville congestionné, ont été pleinement confirmées pendant la construction. Cette réussite a été possible essentiellement grâce aux efforts d’optimisation menés au stade du dimensionnement des sections et des travées types, en anticipant l’intégration des interfaces systèmes et les contraintes locales de production et de mise en place des voussoirs.

7. CONCLUSIONS

The Uijeongbu LRT U-concept is the first application of precast segmental construction method for light metro project in Korea. It fully achieves its main design objectives and construction advantages through enhanced aesthetical urban integration and fast installation amongst traffic congestioned city road network.

This was possible by optimization of viaduct section and spanning techniques which anticipated E&M system interfaces integration and segment production/erection requirements.

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