Rt. 122 Highway Bridge Design and Construction 
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Abstract 
This project focused on the redesign of a typical two lane highway overpass. The basis of 
the design followed AASHTO specifications and used the LRFD method. To complement our 
hand calculations, we used Risa-2D to calculate live and dead loads. Along with designing the 
bridge, we performed a life-cycle cost analysis which included environmental impact, 
construction practices, and material selection.  
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Authorship 
 
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Capstone Design 
Along with completing our Major Qualifying Project, we must complete our Capstone 
Design Requirement.  This capstone design requirement followed the ABET guidelines and 
show our ability to design a system which included economic, environmental, social, health and 
safety, and sustainability aspects (Commission, 2007).  
One goal of our project was to perform a cost analysis for both the initial construction 
and the life-cycle. This cost analysis showed the economical impact of this bridge. It also gave us 
an understanding on how different aspects of a construction project can affect the cost of a large 
scale project.  
While we designed this bridge, we made sure to keep in mind the environmental impact 
of this project. This was done by lessening the initial impact the project has on resources. We 
also looked into using recycled building materials and recycling construction debris. 
This bridge will have a large social aspect. Along with hopefully having less of an impact 
on the environment, this will affect the common people because it is necessary for traffic flow. 
Once this bridge is completed, it will improve the flow of traffic. Also, during construction, the 
affect the work has on passing motorists, bicyclists, and pedestrians must constantly be kept in 
mind (Highway, 2009).  
In the design of the Rt. 122 bridge, we also considered public health and safety. This 
bridge followed AASHTO LRFD design, which is commonly used to design bridges. This 
system used load and resistance factors to ensure a stable bridge with sufficient strength.  In 
addition to this, during construction of the bridge, we established practices for traffic control in 
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order to protect motorists, bicyclists, pedestrians, and construction workers on the site. Also, the 
current bridge has issues which make it unsafe to people who use it, such as low visibility and 
low clearance. We looked into ways at making these issues less prevalent.  
Lastly, we focused on sustainability. Sustainability is the ability to meet the needs of the 
present without compromising the ability of future generations to meet their own needs 
(Commission, 2007). We looked at site design. One way to help with sustainability is through 
storm water management. We also looked at using local plants in the landscaping of the area 
once the bridge is complete. We also considered different ways to manage storm water runoff.  
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Contents 
Abstract ........................................................................................................................................... 1
 
Authorship .................................................................................................................................. 3
 
Capstone Design ......................................................................................................................... 4
 
Contents ...................................................................................................................................... 6
 
List of Tables ............................................................................................................................ 10
 
1.
 
Introduction ........................................................................................................................... 11
 
2.
 
Background ........................................................................................................................... 12
 
2.1
 
Rt. 122 Highway Overpass ............................................................................................. 12
 
2.1.1 Issues with the bridge ................................................................................................... 13
 
2.1.2 Structural Problems ...................................................................................................... 13
 
2.1.3 . Design Problems ........................................................................................................ 14
 
2.2
 
Overview of Bridge Components ................................................................................... 16
 
2.3
 
Wearing Surface ............................................................................................................. 17
 
2.4
 
Bridge Deck .................................................................................................................... 17
 
2.5
 
Primary Members ........................................................................................................... 18
 
2.5.1
 
Rolled Beam............................................................................................................ 18
 
2.5.2
 
Pre-stressed Concrete Girders ................................................................................. 19
 
2.5.3
 
Steel-Concrete Composite Box Girders .................................................................. 20
 
2.6
 
Secondary Members ....................................................................................................... 22
 
2.7
 
Abutments ...................................................................................................................... 22
 
2.8
 
Piers ................................................................................................................................ 24
 
2.9
 
Bearings .......................................................................................................................... 25
 
3.
 
Methodology ......................................................................................................................... 27
 
3.1
 
LRFD Design ................................................................................................................. 27
 
3.1.1
 
Composite Deck Design ......................................................................................... 28
 
3.1.2
 
Composite Girder Design ....................................................................................... 30
 
3.1.3 
 
Pre-Stressed Concrete ............................................................................................. 31
 
3.2
 
Cost Analysis .................................................................................................................. 36
 
3.2.1
 
Initial Cost ............................................................................................................... 36
 
3.2.2 Life -Cycle Cost ........................................................................................................... 37
 
3.3
 
Construction Phase ......................................................................................................... 38
 
3.3.1
 
Traffic Control ........................................................................................................ 38
 
3.3.2
 
Site Design .............................................................................................................. 40
 
4.
 
Results ................................................................................................................................... 42
 
4.1
 
LRFD Results ................................................................................................................. 42
 
4.1.1
 
Composite Deck ...................................................................................................... 43
 
4.1.2
 
Composite Girder .................................................................................................... 47
 
4.1.3
 
Pre-stressed Concrete .............................................................................................. 49
 
4.1.4
 
Abutment Design .................................................................................................... 53
 
4.2
 
Cost Analysis .................................................................................................................. 54
 
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4.2.1
 
Initial Cost ............................................................................................................... 55
 
4.2.2
 
Life-Cycle ............................................................................................................... 60
 
4.2.3
 
Cost Summary ......................................................................................................... 65
 
4.3
 
Construction Phase ......................................................................................................... 66
 
4.3.1
 
Traffic Control ........................................................................................................ 66
 
4.3.3
 
Material Selection ................................................................................................... 85
 
4.3.4
 
Site Design .............................................................................................................. 86
 
5.
 
Conclusions and Recommendations ..................................................................................... 89
 
5.1
 
LRFD Design ................................................................................................................. 89
 
5.2
 
Cost Analysis .................................................................................................................. 90
 
5.3
 
Site Management ............................................................................................................ 90
 
Sources .......................................................................................................................................... 92
 
Appendix A: Proposal ................................................................................................................... 95
 
Table of Figures ............................................................................................................................ 97
 
Abstract ......................................................................................................................................... 98
 
1.
 
Introduction ........................................................................................................................... 99
 
2. Scope and Methodology ......................................................................................................... 100
 
2.1 Construction Phase ........................................................................................................... 101
 
2.1.1 On-Site Preparation ........................................................................................................ 103
 
2.1.2 Traffic Control ........................................................................................................... 104
 
2.2 Material Selection ............................................................................................................. 105
 
2.3 LRFD Design .................................................................................................................... 108
 
2.4 Sustainability .................................................................................................................... 111
 
2.5 Life-Cycle Cost ................................................................................................................. 113
 
3. Capstone Design ..................................................................................................................... 114
 
4. Deliverables ............................................................................................................................ 116
 
5. Conclusion .............................................................................................................................. 118
 
Appendix B: Composite Deck Design ........................................................................................ 119
 
Appendix C: Composite Girder Design ...................................................................................... 151
 
Appendix D:  Pre-stressed Design .............................................................................................. 155
 
Appendix D: Bridge Inspection .................................................................................................. 163
 
Appendix E: Life-Cycle Cost Break Down ................................................................................ 173
 
 
List of Figures 
Figure 1: Arial view of the bridge location (Google Earth) .......................................................... 13
Figure 2: Center reinforced concrete pier (Google Maps) ............................................................ 14
Figure 3: Damage From Collision ................................................................................................ 15
Figure 4: Superstructure and Substructure (Oklahoma Bridge Tracker, 2009) ............................ 17
Figure 5: Rolled Steel I-Beams (Foam Laminates of Vermont, 2008) ......................................... 19
Figure 6: Pre-stressed Concrete Bridge in Denver, Colorado (Colorado DOT, 2009) ................. 20
Figure 7: Multi-cell Box girder System (New Crossing, 2008).................................................... 21
Figure 8: Cross-Sectional Diagram ............................................................................................... 33
Figure 9: Loading .......................................................................................................................... 34
Figure 10: Dimensions of Rt. 122 Overpass ................................................................................. 43
Figure 11: Composite deck illustration ......................................................................................... 47
Figure 12: Cross Section of Pre-stressed Bridge .......................................................................... 49
Figure 13: Top View of Rt. 122 Overpass .................................................................................... 58
Figure 14: Drainage Structures on Rt. 20 Eastbound Under Rt. 122 Overpass ............................ 63
Figure 15: Drainage Structures on Rt. 20 Westbound Under Rt. 122 Overpass .......................... 64
Figure 16: Detour for southbound traffic on Rt 122 (taken from Google Earth) ......................... 68
Figure 17: Areal view of Rt. 122 showing obstacles for a temporary bridge (Google Earth) ...... 70
Figure 18: Dimensions of bridge showing sidewalks and center line .......................................... 71
Figure 19: Girder layout ................................................................................................................ 72
Figure 20: The layout of traffic flow during construction with the southbound lane of Rt. 122 
closed ............................................................................................................................................ 73
Figure 21: The layout of traffic flow during construction with the northbound land closed ........ 74
Figure 22: Standard traffic patterns (U.S. Department of Transportation, 2007) ......................... 76
Figure 23: Formulas for Tapers (U.S. Department of Transportation, 2007) ............................... 77
Figure 24: Shows a detour to get around ramp closings (Google Maps) ...................................... 79
Figure 25: Detour of Eastbound off ramp of Rt. 20 ...................................................................... 80
Figure 26: Traffic Control Plan for Rt. 20 When the Eastbound Lane is Closed ......................... 82
Figure 27: Traffic Control Plan for Rt. 20 When the Westbound Lane is Closed ........................ 83
Figure 28: Lagging Being Used as a Protective Barrier Below I-290 .......................................... 85
Figure 29: Google Map Site Design for Storage .......................................................................... 87
Figure 30: Areas for onsite Operations During Southbound Construction................................... 88
Figure 31: Areas for onsite Operations During Northbound Construction................................... 88
Figure 32: Picture of Rt.122 Bridge from Rt.20 (Google Earth) .................................................. 99
Figure 33: Arial view of the bridge and surrounding area (Google Earth) ................................. 100
Figure 34: Construction Phase Flow Chart ................................................................................. 102
Figure 35: Surrounding area showing storage locations (Google Earth) .................................... 104
Figure 36: Construction Phase Methodology ............................................................................. 105
Figure 37: Material options ......................................................................................................... 106
Figure 38: Framework for material selection .............................................................................. 106
Figure 39: Material Selection Methodology ............................................................................... 108
Figure 40: LRFD Design Flow Chart ......................................................................................... 109
Figure 41: LRFD Design Methodology ...................................................................................... 110
Figure 42: Sustainability Flow Chart .......................................................................................... 111
 
Figure 43: Sustainability Methodology ...................................................................................... 112
Figure 44: Life-Cycle Cost Analysis Flow Chart ....................................................................... 113
Figure 45: Life-Cycle Cost Analysis Methodology .................................................................... 114
Figure 46: Project Schedule ........................................................................................................ 117
10 
 
List of Tables 
Table 1: Section properties ........................................................................................................... 32
Table 2: General Information for Composite Deck Design .......................................................... 44
Table 3: RISA 2D Calculations for Un-factored Max Positive and Negative DL Moments ....... 45
Table 4: Composite Deck Reinforcement ..................................................................................... 46
Table 5: Un-factored Moments due to Dead and Live Loads ....................................................... 50
Table 6: Un-factored Shear ........................................................................................................... 50
Table 7: Pre-Stressed Frictional Loss ........................................................................................... 51
Table 8: Pre-Stressed Loss ............................................................................................................ 51
Table 9:Pre-stress loss Equations.................................................................................................. 51
Table 10: Moment Coefficients .................................................................................................... 52
Table 11: Jacking Force ................................................................................................................ 52
Table 12: Concrete Stress ............................................................................................................. 53
Table 13: Initial Cost Unit Prices .................................................................................................. 55
Table 14: Inflation Rates ............................................................................................................... 56
Table 15: Adjusted Unit Prices ..................................................................................................... 57
Table 16: Spacing of Reinforcing Steel Used to Calculate Quantity of Galvanized Reinforcing 
Steel............................................................................................................................................... 58
Table 17: Bridge Dimensions Used to Calculate Various Quantities ........................................... 58
Table 18: Total Initial Cost of Construction Materials ................................................................. 59
Table 19: Life-cycle repair frequencies ........................................................................................ 61
Table 20: Life-cycle Repairs ......................................................................................................... 65
Table 21: Initial and Life-Cycle Cost ........................................................................................... 65
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