Betonový trámový most
Pozadí
Téměř 590 000 silničních mostů překlenuje vodní cesty, suché deprese, ostatní silnice a železnice po celých Spojených státech. Nejdramatičtější mosty využívají složité systémy, jako jsou oblouky, lana nebo příhradové nosníky vyplněné trojúhelníky, které přenášejí vozovku mezi majestátními sloupy nebo věžemi. Pracovním koněm systému dálničních mostů je však relativně jednoduchý a levný betonový trámový most.
Trámový most, známý také jako nosníkový most, se skládá z vodorovné desky podepřené na každém konci. Protože se veškerá hmotnost desky (a případných předmětů na desce) přenáší svisle na podpěrné sloupy, mohou být sloupy méně masivní než podpěry obloukových nebo visutých mostů, které část hmotnosti přenášejí vodorovně.
Jednoduchý trámový most se obvykle používá pro překlenutí vzdálenosti do 76,2 m (250 stop). Delší vzdálenosti lze překlenout spojením řady jednoduchých trámových mostů do tzv. spojitého rozpětí. Nejdelší most na světě, Lake Pontchartrain Causeway v Louisianě, je ve skutečnosti dvojice souběžných dvoupruhových spojitých mostů o délce téměř 24 mil (38,4 km). První z obou mostů byl dokončen v roce 1956 a skládá se z více než 2 000 jednotlivých polí. Sesterský most (nyní přenášející dopravu severním směrem) byl dokončen o 13 let později; přestože je o 228 stop delší než první most, obsahuje pouze 1 500 polí.
Most má tři hlavní prvky. Za prvé, spodní stavba (základ) přenáší zatíženou hmotnost mostu na zem; skládá se z prvků, jako jsou pilíře (nazývané také opěry) a opěry. Opěra je spojení mezi koncem mostu a zemí; poskytuje oporu koncovým částem mostu. Za druhé, nosná konstrukce mostu je vodorovná plošina, která překlenuje prostor mezi pilíři. A konečně mostovka mostu je dopravní plocha přidaná k nosné konstrukci.
Historie
Pravěký člověk začal stavět mosty napodobováním přírody. Když zjistil, že je užitečné chodit po stromě, který spadl přes potok, začal umisťovat kmeny stromů nebo kamenné desky tam, kde chtěl překonat toky. Když chtěl překlenout širší tok, přišel na to, jak do vody navršit kameny a mezi tyto sloupy a břeh položit dřevěné nebo kamenné trámy.
První doložený most popsal Hérodotos v roce 484 př. n. l. Skládal se z trámů podepřených kamennými sloupy a byl postaven přes řeku Eufrat asi o 300 let dříve.
Nejvíce se proslavili obloukovými mosty z kamene a betonu, Římané však stavěli také mosty trámové. Ve skutečnosti se nejstarší známý římský most, postavený přes řeku Tiberu v roce 620 př. n. l., nazýval Pons Sublicius, protože byl zhotoven z dřevěných trámů (sublicae). K římským technikám stavění mostů patřilo i používání kofferdamů při stavbě pilířů. Dělali to tak, že kolem zamýšleného místa sloupu zatloukli do země kruhové uspořádání dřevěných kůlů. Poté, co dřevěný kruh vyložili hlínou, aby byl vodotěsný, odčerpali vodu z ohrady. To jim umožnilo vylít beton pro základ sloupu.
Stavba mostů začala přecházet od umění k vědě v roce 1717, kdy francouzský inženýr Hubert Gautier napsal pojednání o stavbě mostů. V roce 1847 napsal Američan Squire Whipple spis A Work on Bridge Building, který obsahoval první analytické metody pro výpočet napětí a deformace v mostě. „Konzultační mostní inženýrství“ vzniklo jako obor v rámci stavebního inženýrství v 80. letech 19. století.
Další pokrok v konstrukci trámových mostů přinese především zdokonalení stavebních materiálů.
Stavební materiály a jejich vývoj
Většina dálničních trámových mostů je postavena z betonu a oceli. Římané používali při stavbě mostů beton z vápna a pucalanu (červený sopečný prášek). Tento materiál rychle tuhnul, a to i pod vodou, a byl pevný a vodotěsný. Ve středověku se v Evropě místo něj používala vápenná malta, která však byla rozpustná ve vodě. Dnes oblíbený portlandský cement, zvláštní směs vápence a jílu, vynalezl v roce 1824 anglický zedník Joseph Aspdin, ale jako základový materiál se začal široce používat až počátkem 20. století.
Beton má dobrou pevnost, aby odolal tlaku (tlakové síle), ale není tak pevný v tahu (tažné síle). V devatenáctém století proběhlo v Evropě a ve Spojených státech několik pokusů o zpevnění betonu zabudováním železa odolného proti tahu. Lepší verzi vyvinul v 80. letech 19. století ve Francii Francois Hennebique, který použil výztužné tyče z oceli. První významné použití železobetonu v mostě ve Spojených státech bylo u mostu Alvord Lake Bridge v sanfranciském parku Golden Gate; most, dokončený v roce 1889 a dodnes používaný, byl postaven s výztužnými pruty ze stočené oceli, které vymyslel konstruktér Ernest L. Ransome.
Dalším významným pokrokem v betonových konstrukcích byl vývoj předpínání. Betonový nosník se předpíná tahem za ocelová táhla procházející nosníkem a následným ukotvením konců táhel ke koncům nosníku. Tím na beton působí tlaková síla, která vyrovnává tahové síly, jež na nosník působí při zatížení. (Břemeno, které tlačí na vodorovný nosník, má tendenci ohýbat nosník uprostřed směrem dolů, což vytváří tlakové síly podél horní části nosníku a tahové síly podél spodní části nosníku.)
Předpětí lze aplikovat na betonový nosník, který je prefabrikován v továrně, přivezen na staveniště a zvednut na místo jeřábem; nebo jej lze aplikovat na beton odlitý na místě, který je vylit na konečném místě nosníku. Napětí může být aplikováno na ocelové dráty nebo tyče před vylitím betonu (předpínání), nebo může být beton vylit kolem trubek obsahujících nepředpjatou ocel, na kterou je napětí aplikováno po ztvrdnutí betonu (dodatečné předpínání).
Projektování
Každý most musí být před stavbou individuálně navržen. Projektant musí vzít v úvahu řadu faktorů, včetně místní topografie, vodních toků, možnosti tvorby říčního ledu, větrných poměrů, potenciálu zemětřesení, půdních podmínek, předpokládané intenzity dopravy, estetiky a omezení nákladů.
Kromě toho musí být most navržen tak, aby byl konstrukčně pevný. To zahrnuje analýzu sil, které budou působit na jednotlivé součásti dokončeného mostu. Na těchto silách se podílejí tři typy zatížení. Mrtvé zatížení se týká hmotnosti samotného mostu. Živé zatížení se týká hmotnosti dopravy, kterou bude most přenášet. Zatížení okolím se týká dalších vnějších sil, jako je vítr, případné zemětřesení a možné kolize dopravy s mostními podpěrami. Analýza se provádí pro statické (stacionární) síly mrtvého zatížení a dynamické (pohyblivé) síly živého zatížení a zatížení prostředím.
Od konce 60. let 20. století je všeobecně uznávána hodnota redundance při navrhování. To znamená, že most je navržen tak, aby porucha kteréhokoli prutu nezpůsobila okamžité zhroucení celé konstrukce. Toho se dosahuje tím, že ostatní pruty jsou dostatečně silné, aby poškozený prut kompenzovaly.
Výrobní proces
Protože je každý most jedinečně navržen pro konkrétní místo a funkci, liší se od sebe i proces výstavby. Níže popsaný proces představuje hlavní kroky při stavbě poměrně typického železobetonového mostu překlenujícího mělkou řeku s mezilehlými betonovými podpěrami sloupů umístěnými v řece.
V následujícím popisu jsou jako pomůcka pro názornost uvedeny příklady velikostí mnoha mostních dílů. Některé byly převzaty z brožur dodavatelů nebo standardních průmyslových specifikací. Jiné jsou detaily dálničního mostu, který byl postaven přes Rio Grande v Albuquerque v Novém Mexiku v roce 1993. Most o délce 1245 stop a šířce 10 jízdních pruhů je podepřen 88 sloupy. Obsahuje 11 456 metrů krychlových betonu v konstrukci a dalších 8 000 metrů krychlových v chodníku. Obsahuje také 6,2 milionu liber výztužné oceli.
Konstrukce
- 1 Kolem každého místa sloupu v korytě řeky je vybudována kofferdam a voda je čerpána zevnitř ohrady. Jedním ze způsobů založení je vyvrtání šachet skrz koryto řeky až do skalního podloží. Zatímco vrták vynáší zeminu ze šachty nahoru, do otvoru se čerpá jílovitá kaše, která nahrazuje zeminu a zabraňuje propadnutí šachty. Po dosažení správné hloubky (např. asi 80 stop nebo 24,4 m) se do šachty naplněné kalem (např. o průměru 72 palců nebo 2 m) spustí válcová klec z výztužné oceli (armatura). Na dno šachty se čerpá beton. Jak se šachta plní betonem, je kal vytlačován z horní části šachty, kde se shromažďuje a čistí, aby mohl být znovu použit. Nadzemní část každého pilíře může být buď vytvarována a odlita na místě, nebo může být prefabrikována a zvednuta na místo a připevněna k základu.
- 2 Na břehu řeky, kde bude spočívat konec mostu, se připraví mostní opěry. Mezi horní částí břehu a dnem řeky se vytvoří a vylije betonová opěrná zeď, která slouží jako opěrná zeď pro zeminu za koncem mostu. V horní části zadní stěny se vytvoří římsa (sedlo), o kterou se opře konec mostu. Mohou být také zapotřebí křídlové zdi, které vystupují ze zadní stěny podél břehu řeky, aby zadržely výplňovou zeminu pro nájezdy na most.
- 3 V tomto příkladu bude most spočívat na dvojici sloupů v každém opěrném bodě. Spodní stavba je doplněna umístěním čepice (železobetonového nosníku) kolmo na směr mostu, která sahá od vrcholu jednoho sloupu k vrcholu jeho partnera. V jiných konstrukcích může most spočívat na různých konfiguracích podpěr, například na pravoúhlém pilíři o šířce mostu nebo na jediném sloupu ve tvaru T.
Nadstavba
- 4 K usazení ocelových nebo předpjatých betonových nosníků mezi po sobě jdoucími sadami sloupů po celé délce mostu se používá jeřáb. Nosníky jsou přišroubovány k hlavicím sloupů. U dálničního mostu v Albuquerque je každý nosník 6 stop (1,8 m) vysoký a až 130 stop (40 m) dlouhý a váží až 54 tun.
- 5 Přes nosníky jsou položeny ocelové panely nebo prefabrikované betonové desky, které tvoří pevnou plošinu a dokončují mostní svršek. Jeden z výrobců nabízí například 4,5 palce (11,43 cm) hluboký vlnitý panel z těžké (7- nebo 9-ti vrstvé) oceli. Další alternativou je ocelová forma pro betonovou plošinu, která bude vylita později.
Plošina
- 6 Na plošině nosné konstrukce je umístěna zábrana proti vlhkosti. Může být použit například polymerem modifikovaný asfalt nanášený za tepla.
- 7 Na vrcholu zábrany proti vlhkosti se zhotoví mříž z výztužných ocelových prutů; tato mříž bude následně zapouzdřena do betonové desky. Mřížka je trojrozměrná, s vrstvou výztužných prutů u dna desky a další u jejího vrcholu.
- 8 Vylije se betonová dlažba. Pro dálnici je vhodná tloušťka betonové dlažby 8-12 palců (20,32-30,5 cm). Pokud byly jako plošina nosné konstrukce použity zápustné formy, beton se nalije do nich. Pokud se bednění nepoužilo, může se beton nanášet pomocí skluzné dlažby, která rozprostře, zpevní a uhladí beton v jedné kontinuální operaci. V obou případech se na čerstvou betonovou desku nanese struktura odolná proti smyku, a to ručním nebo mechanickým drážkováním povrchu štětcem nebo drsným materiálem, například pytlovinou. Boční spáry se vytvářejí přibližně každých 15 stop (5 m), aby se zabránilo vzniku trhlin v dlažbě; přidávají se do forem před betonáží nebo se řežou po ztvrdnutí skluzné desky. K utěsnění spár se používá pružný tmel.
Kontrola kvality
Návrh a konstrukce mostu musí splňovat normy vypracované několika agenturami včetně Americké asociace státních úředníků pro dálnice a dopravu, Americké společnosti pro testování a materiály a Amerického institutu pro beton. V průběhu výstavby se testují různé materiály (např. betonové dávky) a konstrukční prvky (např. nosníky a spoje). Jako další příklad lze uvést projekt mostu v Albuquerque, kde byly provedeny statické a dynamické pevnostní zkoušky na vzorku základu sloupu, který byl postaven na stavbě, a na dvou výrobních šachtách.
Budoucnost
Mnoho vládních agentur a průmyslových sdružení sponzoruje a provádí výzkum s cílem zlepšit materiály a stavební techniky. Hlavním cílem je vývoj lehčích, pevnějších a odolnějších materiálů, jako je reformulovaný, vysoce výkonný beton, polymerní kompozitní materiály vyztužené vlákny, které u některých součástí nahradí beton, epoxidové nátěry a systémy elektrochemické ochrany zabraňující korozi ocelových výztuží, alternativní syntetická výztužná vlákna a rychlejší a přesnější zkušební techniky.
Kde se dozvědět více
Knihy
Brown, David J. Bridges. New York: Macmillan, 1993.
Hardesty, E. R., H. W. Fischer, R. W. Christie a B. Haber. „Bridge.“ In McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. New York: McGraw-Hill Book Company, 1987, s. 49-58.
Troitsky, M.S. Planning and Design of Bridges. New York: John Wiley & Sons, Inc. 1994.
Ostatní
„Obecné informace o betonové dlažbě“. Americká asociace pro betonovou dlažbu. http://www.pavement.com/general/conc-info.html (24. února 1998).
„Beam Bridge“. Nova Online „Super most“. Listopad 1997. http://www.pbs.org/wghb/nova/bridge/meetbeam.html (24. února 1998).
-Loretta Hall
.