Mosty - jak lepiej dbać o ich bezpieczeństwo?
Otwarty w 1967 r. most w Genui był dość specyficzną konstrukcją. Zaprojektował go zmarły w 1989 r. włoski inżynier Riccardo Morandi, podwieszając całą konstrukcję na betonowych cięgnach, zamiast zastosowania typowych lin stalowych. Według informacji podawanych przez media, obecnie na świecie istnieją jeszcze tylko dwa takie mosty - w Libii i Wenezueli. Czy powodem zawalenia było właśnie to nietypowe rozwiązanie, w którym doszło do uszkodzeń betonowych struktur? A może przyczyny są bardziej ogólne?
Infrastruktura się starzeje
Do momentu, gdy coś pójdzie nie tak, infrastruktury przeważnie się nie zauważa. Po katastrofie w Genui pojawiły się obawy co do ogólnego jej stanu w wielu krajach świata - wszędzie tam, gdzie z powodu braku środków finansowych odracza się remonty i wszelkiego rodzaju prace konserwacyjne. W samych tylko USA zaległości w naprawach mostów wyceniano na ponad 100 mld dolarów. W krajach rozwiniętych duża część obecnie służącej infrastruktury zbudowana została jeszcze w pierwszej połowie XX wieku.
Przeprawy drogowe i kolejowe powstały więc często w innej epoce technologicznej i dla innego natężenia ruchu, niż to przewidują dzisiejsze standardy. Przede wszystkim jednak - po prostu mocno zdążyły się postarzeć.
Według ogłoszonych po katastrofie szacunków włoskiego Instytutu Technologii Budownictwa, ok. 70% włoskich obiektów inżynierskich ma ponad pięćdziesiąt lat i wymaga pilnych remontów. Daje to liczbę 10,5 tys. mostów i tuneli.
- Kiedy wiek takich obiektów przekracza pięć dekad, a notuje się na nich wysokie natężenie ruchu, włącza się dzwonek alarmowy - oświadczył Antonio Occhiuzzi, szef Instytutu Technologii Budownictwa, cytowany przez agencję ANSA.
Włoskie Ministerstwo Infrastruktury i Transportu ogłosiło, że wszczęło postępowanie w sprawie zarządcy krajowych autostrad, spółki Autostrade per l’Italia, "opiekującej się" również feralnym mostem. W wydanej nocie resort poinformował, że zażądał od firmy przedstawienia szczegółowego raportu, zawierającego rejestr wszystkich prac wykonanych w celu zagwarantowania bezpieczeństwa na obiekcie w Genui.
W toku dyskusji na temat bezpieczeństwa infrastruktury na terenie całej Europy pojawiły się informacje o badaniach przeprowadzonych przez jedno z francuskich ministerstw, z których wynika, że stan tamtejszych mostów jest "straszny" - ponad osiemset z nich grozi zawaleniem w ciągu kilku lat. Mimo nacisków opinii publicznej lista niebezpiecznych obiektów nie została upubliczniona. Podano jedynie, że budżet na ich konserwację i remonty powinien być dwa razy większy niż obecnie wydatkowane środki.
W serii publikacji, jakie powstały po sierpniowym wypadku, przypomniano też m.in. amerykański raport National Bridge Inventory. Zgodnie z nim prawie 55 tys. mostów w samych Stanach Zjednoczonych zostało wręcz sklasyfikowanych jako "strukturalnie wadliwe". Amerykanie mają własną bolesną historię katastrof mostowych. Do najbardziej znanych należała ta z 15 grudnia 1967 r., kiedy to Silver Bridge, wiadukt łączący Ohio i Wirginię Zachodnią, niekontrolowany wcześniej aż przez szesnaście lat, zapadł się do rzeki Ohio, zabijając 46 osób (3). Przyczyną katastrofy było pęknięcie jednego z elementów zawieszenia konstrukcji.
W USA tamto tragiczne wydarzenie zapoczątkowało nową erę w dziedzinie bezpieczeństwa przepraw mostowych. Katastrofa doprowadziła do opracowania nowych norm, które wymagają, aby mosty i ich części składowe kontrolowano co najmniej raz na dwa lata.
Każdego roku, w ramach programu nadzorowanego przez Federalny Zarząd Dróg Krajowych Departamentu Transportu Stanów Zjednoczonych, przeprowadza się kontrole ponad 300 tys. mostów, czyli mniej więcej połowy tego rodzaju konstrukcji wzniesionych w USA. Mimo to katastrofy mostów i wiaduktów wciąż się tam zdarzają. Na początku 2018 r. zapadła się kładka dla pieszych na Florydzie (4). Niby skala niewielka, ale też zginęli ludzie.
W Polsce i lepiej, i gorzej
Także w Polsce zainteresowaliśmy się stanem naszych mostów i wiaduktów. Według danych Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad opublikowanych w tym roku, w najgorszym stanie są u nas obiekty na drogach gminnych i powiatowych. Przeprowadzona dwa lata temu kontrola NIK wykazała, że wiele z nich znajdowało się w złym stanie technicznym, bo nie przeprowadzano ich remontów, ani nie zabezpieczano na ten cel pieniędzy.
Przeprowadzone oględziny 339 obiektów mostowych wykazały, że w co trzecim nie usuwano nawet uszkodzeń zagrażających bezpieczeństwu ruchu lub grożących katastrofą budowlaną. Fatalnie oceniono także przeprowadzane przez zarządców dróg kontrole stanu technicznego. Zdaniem specjalistów z NIK, większość z nich wykonywała je nieprawidłowo.
Mimo jednak wykrytych licznych nieprawidłowości GDDKiA ogólnie ocenia, że w Polsce stan mostów na drogach krajowych w ostatnich latach nieznacznie się poprawia. Ze specjalnie wystosowanego w tej sprawie komunikatu wynika, że na 19 tys. km dróg krajowych dyrekcja zarządza ponad 7 tys. obiektów mostowych, z których wszystkie są na bieżąco monitorowane, a raz w roku przeprowadzana jest ich kontrola.
Paradoksalnie nienajgorszy ogólny stan polskiej infrastruktury mostowej - co zauważali po wypadku w Genui wypowiadający się eksperci - stanowi skutek zapóźnień w jej budowie w naszym kraju. Powstała ona w dużej mierze dopiero w ostatnich kilkunastu latach, od razu w nowych, znacznie lepszych i bezpieczniejszych technologiach niż w przypadku obiektów dawno wybudowanych na Zachodzie.
Polską "specjalnością" są nie zawalenia, lecz pożary mostów. 14 lutego 2015 r. ogień dotkliwie uszkodził most Łazienkowski. Zaczęło się od pożaru znajdujących się pod nim desek, po praskiej stronie Wisły. Ten sam obiekt płonął zresztą już czterdzieści lat wcześniej, 29 września 1975 r., co zwróciło wówczas uwagę na konieczność prawnego uregulowania stanu zabezpieczenia przeciwpożarowego mostów. Analiza rozwoju pożaru oraz akcji gaśniczej wykazała m.in., że projektanci, stosując w konstrukcjach palne materiały, izolacje oraz otuliny instalacji energetycznych i rurociągów, nie przewidzieli włazów do wprowadzenia sprzętu gaśniczego i środków gaśniczych.
W naszym kraju podstawy formalno-prawne systemu oceny stanu technicznego obiektów budowlanych użyteczności publicznej, w tym dokonywanie przeglądu ich stanu technicznego, oparte są na Prawie budowlanym, a wynikają z jego art. 62. Obiekty powinny być w czasie użytkowania poddawane przez właściciela lub zarządcę okresowym kontrolom.
Pierwsza, przeprowadzana co najmniej raz w roku, polega na sprawdzeniu stanu technicznego elementów budynku oraz instalacji narażonych na szkodliwe wpływy atmosferyczne i niszczące działania rozmaitych czynników występujących podczas użytkowania obiektu. Druga, dokonywana co najmniej raz na pięć lat, polega na sprawdzeniu stanu technicznego i przydatności do użytkowania obiektu, jego estetyki oraz otoczenia. Powinno nią być objęte również badanie instalacji elektrycznej i piorunochronnej w zakresie stanu sprawności połączeń, osprzętu, zabezpieczeń i środków ochrony od porażeń, oporności izolacji przewodów oraz uziemień instalacji i urządzeń.
Monitorowanie mostów to zresztą nie tylko ocena konstrukcji. Może również obejmować monitorowanie masy pojazdów przejeżdżających przez most, zwłaszcza pod kątem przekraczania masy dopuszczalnej.
Nie lekceważ niczego
Przyczyny kolejnych katastrof mostowych to nie czarna magia i fatum, na które ludzie nie mają wpływu. Zazwyczaj chodzi o dość dobrze znany i niestety wielokrotnie przerabiany w tragiczny sposób katalog ludzkich błędów i zaniedbań. Należą do nich: stosowanie gorszej jakości materiałów lub pogorszenie ich jakości w trakcie eksploatacji, zmęczenie elementów konstrukcji, drgania, długotrwałe obciążenia i przeciążenia, problemy związane z integralnością fundamentów, słabości projektu albo wręcz popełnione przez inżynierów lub architektów kardynalne błędy.
Do tego dochodzą warunki pogodowe, zwłaszcza wiatr. Spektakularna katastrofa mostu wiszącego w Tacoma, mająca miejsce 7 listopada 1940 r. w północno-zachodniej części Stanów Zjednoczonych, była jednym z pierwszych wypadków, zwracających uwagę inżynierów na wpływ parcia wiatru na konstrukcję jako oddziaływania dynamicznego, które należy uwzględnić podczas projektowania. Przyczyną katastrofy, oprócz niedostatecznej sztywności przęseł, była także niewystarczająca stateczność aerodynamiczna i będąca jej skutkiem zbieżność częstotliwości drgań przęseł i pylonów, co spowodowało efekt rezonansowy, który dziś jest dobrze znanym zjawiskiem.
Beton i stal, najpowszechniej stosowane materiały w infrastrukturze mostowej, z wiekiem ulegają naturalnej degradacji. Są atakowane przez zmiany temperatury, zimowe zamarzanie, wilgoć w atmosferze i agresywne czynniki w powietrzu lub na jezdni, np. sól drogową. Korozja odsłoniętych elementów metalowych to jedno. Drugie groźne zjawisko stanowi zaś korozja stali użytej do zbrojenia betonu, zwiększająca jej objętość i powodująca wewnętrzne naprężenia konstrukcji, co może prowadzić do pęknięć lub uszkodzeń całego układu konstrukcyjnego.
Jeśli konstrukcja jest regularnie kontrolowana, istnieje szansa na wczesne wychwycenie wielu zagrożeń. Konwencjonalne techniki oględzin, czyli obserwacja mostu z bliska i ostukiwanie go młotkiem, to obecnie zdecydowanie za mało. Bardziej precyzyjną ocenę zachowania i bezpieczeństwa materiału oraz konstrukcji można uzyskać, stosując systematyczne i skuteczne metody badań nieniszczących. Od lat znane są różne techniki takich badań, np. metodami radarowymi, termografii w podczerwieni i akustycznymi. W ostatnich latach coraz częściej stosuje się systemy czujników monitorujących poszczególne elementy.
Podstawą jednak jest zrozumienie, że inżynieria mostów nie kończy się po zakończeniu inwestycji i dopuszczeniu obiektu do ruchu. Właściwa pielęgnacja podczas długiego życia obiektu jest tak samo ważna, jak dobry projekt, użycie wysokiej jakości materiałów i zapewnienie solidnego wykonania podczas budowy.
Okres przydatności do użycia
Uważa się, że nowoczesne mosty są projektowane na sto lat. Nie oznacza to oczywiście, że nie będą służyć dłużej - np. Forth Bridge w Szkocji (5) otwarto w 1890 r. i wciąż ma się on całkiem dobrze. Każdy wie, że jest też mnóstwo mniejszych mostów, zbudowanych z kamienia, które funkcjonują od wielu setek lat. Choć więc most ma swoisty "termin ważności", to podstawą do decyzji o jego losie jest rzeczywisty stan konstrukcji, a ten określa się za pomocą wspomnianych kontroli i monitoringu.
Dla mostów budowanych w Europie od połowy ubiegłego wieku, w trakcie powojennego boomu gospodarczego i szybkiej rozbudowy sieci autostrad, nominalny wiek użytkowania wynosi często pięćdziesiąt lat. Tak było właśnie z obiektem w Genui. Wiele z europejskich mostów przekracza właśnie lub wkrótce przekroczy planowany okres eksploatacji.
Ryzyko pogorszenia właściwości betonu zbrojonego może być przyspieszone przez wiele czynników. W przypadku mostów zaprojektowanych w latach 60. XX wieku obciążenia na nich wywierane stały się znacznie większe, ponieważ zwiększyło się zarówno natężenie ruchu, jak i rozmiar samochodów czy waga aut ciężarowych. Nie bez znaczenia są również ekstremalna pogoda i klęski żywiołowe.
W normalnym cyklu życia większość mostów zbudowanych z żelbetonu może przetrwać sporadyczne zdarzenia takie jak burze, wichury czy trzęsienia ziemi. Jeśli jednak konstrukcja została wcześniej osłabiona, a podatności na zagrożenia nie wykryto i nie naprawiono w trakcie regularnych inspekcji, to prawdopodobieństwo kłopotów się zwiększa.
Wszystko to nieuchronnie prowadzi do konieczności przeprowadzania dodatkowych prac konserwacyjnych i wprowadzania elementów wzmacniających, takich jak dodatkowe płyty stalowe, szklane lub wzmacniane włóknami węglowymi na częściach krytycznych, mające przywrócić lub zwiększyć wytrzymałość obiektów w porównaniu z tym, co uznawano za konieczne w trakcie projektowania. Przykładowo, w latach 2001-2010 sieć Network Rail w Wielkiej Brytanii zastosowała polimery ze specjalnymi włóknami w celu wzmocnienia ponad dwudziestu mostów obsługujących ruch drogowy lub kolejowy.
By most nie rdzewiał
Nie należy zapominać o korozji, przed którą trzeba chronić mosty. Jest to sam w sobie obszerny temat, więc w tym raporcie potraktujemy go skrótowo.
W konstrukcjach mostowych występują, ogólnie rzecz biorąc, trzy rodzaje korozji: chemiczna, mechaniczna i taka, która zachodzi przy równoczesnym działaniu czynników chemicznych i mechanicznych.
Występująca w stali zbrojeniowej korozja jest korozją elektrochemiczną. Chronić się przed nią można, zmieniając potencjał elektrodowy na granicy metal-środowisko. Przesunięcie potencjału w stronę katodową powoduje uzyskanie stanu odporności metalu. Stosowane są również powłoki antykorozyjne - jest wiele ich typów. Wiadukty mostu Siekierkowskiego i most Łazienkowski w Warszawie zabezpieczone zostały systemem z gruntem etylokrzemianowym wysokocynkowym, powłoką epoksydową i nawierzchniową powłoką polisiloksanową.
Dwa typy systemów antykorozyjnych - z gruntem etylokrzemianowym wysokocynkowym i z gruntem cynkowym natryskiwanym cieplnie - są w literaturze fachowej uważane za te o najwyższej trwałości antykorozyjnej. Pierwszy stanowi najczęściej stosowany na świecie system do zabezpieczeń dużych, nowych konstrukcji mostowych. Jest to jedyna powłoka, która wiąże się chemicznie z podłożem, co po pełnym utwardzeniu zapewnia jej wysoką przyczepność do podłoża. Nieorganiczna budowa sprawia, że staje się odporna na warunki atmosferyczne, wiele chemikaliów, temperaturę i obciążenia mechaniczne.
Tego typu powłoki charakteryzują się bardzo długą stabilnością połysku i koloru - ich energia wiązań jest wyższa niż energia padającego promieniowania, w związku z czym nie ulegają one degradacji.
Georadary i czujniki
Badania mostów i ich elementów - przede wszystkim filarów - wykonuje się za pomocą urządzeń zwanych georadarami. Działają na takiej samej zasadzie, jak radary znane z wojskowości - emitują wiązkę fal, a następnie rejestrują powrót tych, które się od czegoś odbiły. Dzięki temu przekazują informacje o stanie analizowanego materiału.
Najczęściej stosowane georadary emitują mikrofale. Tak jak w wielu badaniach naukowych, potrzebny jest tu pewien kompromis. Im dłuższa fala, tym głębiej można penetrować beton, ale pomiar nie jest dokładny. Z kolei im fala krótsza, tym zajrzeć można płycej, bo szybciej się rozprasza, za to dokładność jest wyższa. Ponadto krótsze fale to większa moc, ale i większa szkodliwość dla ludzi, o czym warto pamiętać.
W użyciu są też radary wykorzystujące ultradźwięki - przypominają działaniem badania USG. Niestety, beton szybko je pochłania, więc nie pozwalają na głębokie pomiary.
Badania za pomocą georadarów mają na celu wykrycie wad struktury materiału, pustych przestrzeni i różnic w gęstości betonu, osłabiających jego strukturę i mogących stać się początkiem pęknięć. Służą też szukaniu delaminacji, czyli miejsc, w których beton odchodzi od zanurzonych w nim metalowych prętów. Namierzają wreszcie i same stalowe elementy konstrukcji, których dokładne rozmieszczenie może nie być znane z uwagi na wiek mostu i zagubienie się schematów.
Georadary mocowane są do stelaży dołączanych do filarów. Mogą po nich jeździć w górę i w dół, dokonując pomiaru na praktycznie całej wysokości filaru. Po sczytaniu wnętrza konstrukcji wzdłuż jednej linii pionowej stelaż przesuwa urządzenie w lewo lub w prawo i proces powtarza się - bez udziału człowieka, zgodnie z wcześniej wprowadzonymi parametrami, takimi jak prędkość przesuwania czy odległość kolejnych profili od siebie.
Zawalenie się mostu przez rzekę Missisipi w amerykańskim Minneapolis w sierpniu 2007 r. uznawane jest za symboliczny początek ery montowanych na stałe czujników. W wieczornych godzinach szczytu obiekt zawalił się bez ostrzeżenia, zabijając trzynaście osób i raniąc 145. Obsługiwał ruchliwą ośmiopasmową autostradę i został wybudowany w 1967 r. Jego "termin ważności" wynosił pięćdziesiąt lat.
W przyrodzie nie wydarzyło się nic szczególnego, a most nie był zbyt stary. Podlegał regularnym kontrolom, zgodnie z przepisami. A jednak doszło do tragedii. Po dochodzeniu specjaliści doszli do wniosku, że winę ponosiły wady materiałowe elementów mostu, trudne do wykrycia w normalnym trybie. Wielu badaczy doszło więc do wniosku, że czas sięgnąć po nowsze technologie monitorowania stanu konstrukcji, które mogłyby pomóc w wykrywaniu uszkodzeń, sprawdzaniu stanu konstrukcji po klęskach żywiołowych i zapobieganiu awariom. Szansę na taki ciągły pomiar i gromadzenie danych daje właśnie rozwój technologii czujników.
Spośród wielofunkcyjnych i precyzyjnych systemów warto wymienić:
- światłowodowe system czujników, w których sygnały świetlne są modyfikowane, gdy konstrukcja jest poddawana naprężeniom. Czujniki te mogą być wbudowane w konstrukcję lub znajdować się na zewnątrz;
- systemy mikro-elektromechaniczne, czyli małe układy elektroniczne i mechaniczne o rozmiarach zbliżonych do zwykłej monety, mogące dokonywać pomiarów i zapewniać bezprzewodową transmisję danych;
- GPS - do pomiarów ruchu mostu bywa używana nawigacja satelitarna. Analiza lokalizacji nadajników pokazuje, jak obiekt "wędruje" pod wpływem naprężeń;
- systemy monitoringu wizyjnego i bezkontaktowe techniki pomiarowe - ze względu na kwestie bezpieczeństwa i higieny pracy oraz trudności w dostępie do niektórych miejsc montaż czujników bywa skomplikowany. Rozwiązaniem mogą być wtedy systemy oparte na wizji, czyli działaniu kamer ustawionych tak, aby zbierały obrazy z określoną częstotliwością. Dzięki zastosowaniu sprzętu o wysokiej rozdzielczości, uzyskiwane informacje mogą być tak dokładne, jak te zbierane za pomocą zaawansowanych czujników. Awaryjnie da się nawet wykorzystywać do tego celu zwykłe smartfony (6) i kamery w stylu GoPro.
Po tym jak tajfuny Sinlakuand w 2008 r. i Morakot w 2009 r. spowodowały m.in. zawalenie się ponad stu mostów - głównie wskutek działania mas wody i niesionych przez nią obiektów w powodziach - oraz śmierć wielu osób, inżynierowie z Tajwanu postanowili zbudować systemy monitoringu bezprzewodowego, umożliwiające zbieranie danych z sieci czujników i lepsze poznawanie mechanizmu powstawania drgań prowadzących do niszczenia mostów.
Główną część stworzonego przez nich systemu stanowiła skrzynka do monitorowania danych, w której umieszczono akcelerometr trójosiowy, dwuosiowy inklinometr oraz inteligentny moduł rejestrujący. Zewnętrzne sensory w systemie to termometr, wodowskaz i przepływomierz. Dzięki tym przyrządom można natychmiast monitorować siły działające na konstrukcję mostu, nachylenie i zmiany temperatury, jednocześnie sprawdzając poziom wody w rzece i zmiany prędkości przepływu. Gdy połączy się to z systemami wizyjnymi, jesteśmy w stanie w całości analizować zachowanie przeprawy poddanej silnym wpływom zewnętrznym.
Sieć sensorów rozmieszczonych w elementach konstrukcji mostu - przewodowa czy też bezprzewodowa - tworzy swoistą mapę jego stanu, pozwalając "na żywo" śledzić wszystko, co się w nim i na nim dzieje. Jednak rozmieszczanie urządzeń w strukturach nie jest ani proste, ani tanie. Obecnie badacze pracują nad technikami budowy mostów od razu z wbudowanym sprzętem kompatybilnym z Internetem Rzeczy.
Nad swoistą stalową siatką z metalu lub tworzyw sztucznych, którą zatapiano by w cemencie tworzącym struktury mostu pracują specjaliści na Uniwersytecie Michigan. Będąca we wnętrzu elementów konstrukcyjnych sieć reagowałaby na naprężenia i lepiej sygnalizowała problemy niż czujniki na zewnątrz.
Naukowcy z Michigan eksperymentują także z "farbą" wykonaną z nanorurek węglowych, którą chcieliby stosować na powierzchniach, w celu wykrywania korozji i pęknięć. Ponieważ nanorurki węglowe przewodzą prąd elektryczny, możliwe byłoby wykrywanie słabości strukturalnych poprzez zmiany przewodzenia.
Dron - alternatywa bezpieczna i tania
Z pomocą w inspekcji mostów spieszą również drony. Okazują się skutecznym narzędziem do zbierania wysokiej jakości danych z trudno dostępnych miejsc (7). Już w 2015 r. inżynierowie z firmy Shafer, Kline & Warren, wspólnie z naukowcami z Uniwersytetu w Missouri, opracowali wyspecjalizowany model drona, którego zadaniem była inspekcja mostów. Obecnie taka inspekcja stanowi nieco ryzykowne przedsięwzięcie. Może prowadzić do obrażeń lub nawet śmierci - robotnicy muszą wspinać się na konstrukcję lub używać specjalistycznego sprzętu, by uzyskać dostęp do elementów na dużych wysokościach. Drony eliminują to ryzyko. Dzięki swoim niewielkim rozmiarom oraz kamerom wysokiej rozdzielczości mogą dostać się w niemal każdy zakamarek, przekazując technikom obraz poszczególnych elementów konstrukcji. Znacznie skraca to również czas inspekcji, redukując koszty.
Obecnie na rynku oferowane są wyspecjalizowane systemy do inspekcji obiektów budowlanych za pomocą dronów - np. produkty firmy Bentley, przeznaczone do modelowania rzeczywistości, które oferują wyrafinowane techniki analizy danych z inspekcji przez generowanie precyzyjnych modeli 3D z fotorealistycznymi teksturami, wykorzystywanymi jako warstwa podstawowa. Dodatkowo uczenie maszynowe pomaga w automatyzacji powtarzalnych i żmudnych czynności.
Pokora wobec natury
Mosty oczywiście należy kontrolować, ale warto też zastanowić się nad ich konstrukcją. W końcu most w Genui, pomijając możliwe inne przyczyny katastrofy, był, według wielu opinii, źle zaprojektowany. Może trzeba też sięgnąć po inne materiały, poza dyżurnymi betonem i stalą. Niedawno w Polsce, w Błażowej, powstał most z tworzyw kompozytowych, które są lżejsze i równie wytrzymałe, choć nie brakuje wokół nich kontrowersji.
Most to definicyjnie konstrukcja rozpięta poziomo pomiędzy podporami, której funkcją jest przenoszenie obciążeń pionowych. Podstawowa wersja jest dość prosta - dwa wsporniki podtrzymują belkę.
Problemy inżynieryjne, które muszą być rozwiązane nawet w tej prostej formie, są nieodłącznie związane z każdym rodzajem mostu - wsporniki muszą być wystarczająco wytrzymałe, aby utrzymać konstrukcję w górze, a rozpiętość pomiędzy wspornikami należy dostosować do zdolności przenoszenia obciążeń. Rozpiętości są zazwyczaj możliwie najkrótsze. Duże rozpiętości mają uzasadnienie w tych miejscach, gdzie trudniej o trwałe fundamenty, np. nad głębokimi ujściami rzek.
Konstrukcja mostu, która najlepiej służy interesowi publicznemu, ma trzy cele. Powinna być jak najbardziej wydajna, oszczędna i elegancka.
Wydajność jest naukową zasadą, w której kładzie się nacisk na redukcję materiałów przy jednoczesnym zwiększeniu użyteczności. Oszczędność jest zasadą społeczną, która kładzie nacisk na obniżenie kosztów budowy i utrzymania przy jednoczesnym zachowaniu efektywności. Wreszcie elegancja to symboliczna lub wizualna zasada, która nadaje wartość osobistemu wyczuciu artystycznemu projektanta, oczywiście bez obniżania wydajności czy ekonomiczności.
Z uwagi na sposób podparcia przęsła mosty dzielimy na: wolnopodparte, wspornikowe, łukowe, wantowe (podwieszane) i wiszące, o przęsłach stałych lub ruchomych (mosty zwodzone, obrotowe, uchylne i przetaczane). Z uwagi na liczbę przęseł możemy wyróżnić mosty jedno-, dwu-, lub wieloprzęsłowe. W zależności od rodzaju pomostu wyróżniamy mosty płytowe, belkowe, skrzynkowe, a także sklepione, łukowe i kratownicowe (8).
Most belkowy jest najczęściej spotykaną formą konstrukcyjną. Belka, zginając się, przenosi obciążenia działające pionowo. Podczas wyginania się mostu jest on poddawany poziomej kompresji w górnej części, zaś rozciąganiu - w dolnej. Wsporniki przenoszą obciążenia z belki w pionie do fundamentów.
Most kratownicowy jednoprzęsłowy jest jak belka wolnopodparta, ponieważ przenosi obciążenia pionowe poprzez zginanie. Zginanie prowadzi do ściskania w górnych elementach kratownicy i rozciągania w dolnych. W ukośnych, zależnie od rozmieszczenia, występuje rozciąganie lub ściskanie. Kratownice są popularne, ponieważ poprzez stosunkowo niewielkie ilości materiału przenoszone są duże obciążenia.
Most łukowy przenosi obciążenia przede wszystkim poprzez ściskanie, które działa na fundament w postaci sił z wektorami zarówno w pionie, jak i poziomie. Właśnie dlatego jego fundamenty muszą zapobiegać osiadaniu w pionie i przesuwaniu się w poziomie. Pomimo bardziej skomplikowanej struktury fundamentowej, sama konstrukcja wymaga zwykle mniej materiału niż most belkowy o tej samej rozpiętości.
Most podwieszany przenosi obciążenia pionowe przez naprężone liny – zarówno na wieże, które przenoszą obciążenia przez ściskanie pionowe na podłoże, jak i na kotwiczenia lin, które muszą być odporne na rozciąganie. Jego powierzchnia nie może poruszać się nadmiernie pod wpływem działających sił. Dlatego most musi być albo ciężki, albo sztywny, albo obie te cechy powinny występować łącznie.
Most wspornikowy jest zazwyczaj wykonany z trzech przęseł, z których te zewnętrzne są zakotwiczone zarówno na brzegu, jak i w dnie, np. rzeki mającej być przeciętej przeprawą. Wsporniki przenoszą obciążenia poprzez rozciąganie w partiach górnych i ściskanie w dolnych. Wieże wewnętrzne przenoszą te siły do fundamentu, a wieże zewnętrzne przenoszą siły przez rozciąganie na zewnętrzne fundamenty.
Mosty wiszące przenoszą pionowe obciążenia głównego przęsła za pomocą naprężonych, prawie prostych lin. Wieże przenoszą siły na fundamenty poprzez ściskanie w pionie. Siły rozciągające w linach również powodują kompresję pokładu mostu w poziomie.
Wydawałoby się, że odnośnie zasadniczych typów konstrukcji nic nowego nie da się wymyślić. A jednak trwają poszukiwania kolejnych form - choć gdy im się dokładniej przyjrzeć, okazuje się, że nie są wcale takie całkiem rewolucyjne.
Dwa lata temu prof. Wanda Lewis w Wyższej Szkole Inżynierii w Warwick zaproponowała nowe podejście projektowe do tworzenia mostów. Jej koncepcja to form-finding, czyli inspiracja światem przyrody, umożliwiająca projektowanie sztywnych struktur opartych wyłącznie na siłach ściskania lub rozciągania, bez naprężeń zginających, stanowiących o słabości konstrukcyjnej (9).
Prof. Lewis przez ćwierćwiecze badała formy i kształty obowiązujące w przyrodzie - kontury słojów drzewa, kształt liści, krzywiznę muszli, sposób, w jaki rozpościera się błona w bańkach mydlanych, liny czy łańcuchy swobodnie zwisające z punktów mocowania. Zauważyła, że we wszystkich tych naturalnych zjawiskach tworzą się proste wzorce naprężeń, które pomagają obiektom naturalnym bez trudu radzić sobie z działającymi na nie siłami.
Badania prof. Lewis nawiązują do znanych już od XVII wieku twierdzeń o optymalnym łuku. Już wtedy Anglik Robert Hooke demonstrował Towarzystwu Królewskiemu, że idealnym kształtem łuku mostu jest ten przypominający zwisający łańcuch - krzywa łańcuchowa, odwrócona na potrzeby budowli. Dziś mówilibyśmy o paraboli. Te naturalne rozkłady o najmniejszej energii prof. Lewis ujęła w formuły matematyczne, opublikowane na łamach "Proceedings of the Royal Society A".
Co więcej, mosty według tych wzorów były wznoszone na całym świecie od dawien dawna (10). Nie tylko one zresztą - np. sklepienia gotyckich budowli powstawały według pewnych naturalnych i optymalnych pod względem rozkładu sił wzorów. Most Morandiego w Genui nie miał jednak z nimi nic wspólnego. Był przykładem XX-wiecznej, nieco zadufanej w sobie, myśli technicznej. Może oprócz oczywistej dbałości o bezpieczeństwo, poprawność projektów i należyte monitorowanie stanu konstrukcji, przydałoby się też współczesnej inżynierii więcej pokory wobec natury, w szerokim tego słowa znaczeniu.
Mirosław Usidus
Zobacz także:
Rekordowo długi most
7 (+1) najbardziej niezwykłych i innowacyjnych mostów na świecie
