Transport kolejowy: Mosty i wiadukty II

Jeżeli tekst będzie zbyt nudny, przeglądnijcie chociaż obrazki.

Na początek kilka pojęć z fizyki, żeby zrozumieć jakie siły działają na konstrukcję (będzie możliwie krótko i bezboleśnie). Dla lepszego zrozumienia tematu proponuję wyposażyć się w pudełko zapałek i na bieżąco robić doświadczenia.

Belka i wspornik

L – długość belki (rozpiętość pomiędzy podporami).
P – siła wyrażona w kN: 1 kN = 1000*N ≈ 1000*0,1 kG ≈ 100 kg wolnego obciążenia (mogą wystąpić również inne siły, niewynikające z grawitacji, wtedy nie możemy stosować prostego przeliczenia na kg).
f – strzałka ugięcia, należy zapamiętać ogólną zasadę, że ugięcie nie powinno być większe niż rozpiętość belki podzielona na 400 (f ) ze względu na wygodę użytkowania (kryterium użytkowalności). Ugięcie większe niż L/200 zaczyna grozić katastrofą budowlaną.
A, B – podpory przegubowe. Zapewniają podparcie dla sił pionowych, ale pozwalają na obrót. Występują w wersji przesuwnej w poziomie oraz nieprzesuwnej.

Moment zginający i siła

Wyobraźcie sobie, że trzymacie w ręku flaszkę... Jak długo (bez zmęczenia) jesteście w stanie trzymać ją w ręce opuszczonej pionowo w dół? Flaszka oddziałuje na waszą rękę siłą rozciągającą wzdłuż ręki (kierunek normalny N) o wartości 1 flaszkoniutona. Teraz wyciągnijcie wyprostowaną rękę z flaszką przed siebie. Siła grawitacji ciągnie flaszkę w dół z tą samą wartością, ale utwierdzeniem jest teraz wasz bark, a ręka jest wspornikiem. Na bark działa moment zginający M o wartości flaszkoniuton * długość waszego ramienia (kNm).

Nie da się utrzymać flaszki zbyt długo w ten sposób. Siedząc w pracy przy komputerze szef mógłby to zauważyć, a poza tym ręka bardzo szybko się męczy. Dlaczego? Moment jest bardzo niekorzystnym oddziaływaniem. Ogólnie materiały bardzo dobrze znoszą siły normalne (wzdłużne). Stal ma wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie na poziomie 200 MPa (100N/cm^2, czyli dla stali 2 tony obciążenia na 1 cm^2 przekroju pręta),drewno 10 – 30 MPa, natomiast beton na ściskanie ma 30 – 50 MPa, a na rozciąganie 1 – 2 MPa. Moment natomiast wywołuje zginanie, które prowadzi do zniszczenia o wiele szybciej niż rozciąganie.



Zginanie sprawia, że dolne warstwy belki są rozciągane, a górne ściskane. Im dalej od środka przekroju belki, tym rozciąganie i ściskanie jest większe.



To dlatego w dolnych warstwach płyt i belek żelbetowych stosuje się zbrojenie ze stali, które ma przenosić całe rozciąganie wynikające z momentu zginającego. Jak już pewnie domyślacie się, kształt i wysokość belki ma duży wpływ na jej nośność. W środku przekroju siły są niewielkie, natomiast w warstwach skrajnych są one bardzo duże. Dlatego też projektuje się takie przekroje, które w środku mają mało materiału lub są wręcz puste.


Największy jednak wpływ na nośność ma rozpiętość podpór (długość belki). Moment rośnie wraz z długością belki i to na niego (Mmax) projektuje się przęsła mostowe. Wykres momentu wskazuje nam włókna najbardziej rozciągane. Żeby nie przedłużać i nie nudzić, wytłumaczę to metodą obrazkową.






Kończmy z psuciem zapałek. Mając tę niezbędną podstawę, możemy zabrać się za analizowanie obiektów mostowych od strony konstrukcji.

Mosty belkowe

Na pierwszy rzut oka mamy tutaj most łukowy. Most jednak jest jedną wielką belką swobodnie podpartą. Cały dół, czyli pomost i belki pod nią, jest rozciągany, górna część (w kształcie łuku) jest ściskana. W środku przekrój jest wyższy ze względu na największy moment zginający. Jeden z elementów całości pracuje jako łuk, ale globalnie most łukowy to nie jest.


Tutaj mamy uciąglone belki, podparte w wielu miejscach. W takim schemacie statycznym największe momenty występują nad podporami. Oszczędzę Wam tłumaczenia belek z wieloma podporami ( Źródło).

Mosty łukowe

Ten most jest już łukowy. Czym różni się od poprzednika? Konstrukcja nośna w postaci łuków jest samonośna. Pomost z jezdnią jest podwieszony na wieszakach i nie pełni prawie żadnej funkcji w przenoszeniu obciążeń na podpory.

A dlaczego łuki są takie fajne? Bo w większości przypadków nie trzeba ich zbroić.



Łuk jest konstrukcją samozaciskającą. Kamienie mają kształt stożków, o ścianach równoległych do promienia łuku. Każdy z kamieni opiera się na dwóch sąsiednich. Jeżeli zapewnimy kamieniom na samym dole pewne i nieprzesuwne podparcie, to taki łuk przetrwa wieki nawet bez zaprawy. Wykres momentów dla łuku leży po jego zewnętrznej stronie, co oznacza, że od wewnątrz (od dołu) łuk jest w całości ściskany. Nie ma rozciągania, nie ma pękania, nie ma ugięć, nie ma zbrojenia, nie ma łożysk, nie ma problemu. W sytuacji idealnej mamy ciąg łuków, które wzajemnie napierają na siebie, dzięki czemu nie musimy obawiać się, że któraś z podpór przesunie się, co groziłoby katastrofą mostu.



Jeżeli odwrócimy wszystko do góry nogami, mamy łuk w całości rozciągany (stal lubi to). Na powyższym przykładzie elementem łukowym jest pas dolny, a pas górny i pomost stanowią element spinający, zapobiegający zamykaniu się ramion łuku (tu wszystko jest na odwrót niż w normalnym łuku). Skratowania utrzymują całość w odpowiednim układzie i podpierają lokalnie pomost. Biorąc pod uwagę to co napisałem wcześniej na temat belek, można kłócić się, czy ten most nie jest przypadkiem belką... Globalnie jest belką, ale jego największy element pracuje jako łuk.

Mosty wiszące i podwieszane

Idźmy dalej śladem łuków odwróconych. Jaki jest najmocniejszy element konstrukcyjny? Rozciągana stalowa lina lub pręt. W jakiej pozycji najlepiej jest takiej linie? A, niech se wisi tak jak jej się chce. Rozwieśmy ją między dwoma wieżami i niech sama się ułoży, a wieże zakotwimy gdzieś w teren, żeby się nie złożyły do środka. Teraz zawieśmy pod naszą liną wieszaki z mniejszych linek, do których przyczepimy pomost i Golden Gate gotowy.


A teraz dla odmiany, zbudujmy kilka dupnych wież (pylonów) i podwieśmy do nich każdy kolejny metr pomostu. Uzyskamy dzięki temu stabilniejsze, bezpieczniejsze i łatwiejsze w konserwacji mosty podwieszane.

Mosty wspornikowe jeszcze raz

Jak widać, taka konstrukcja może bez większych problemów przenosić bardzo duże obciążenia. Dodatkowym atutem były względy technologiczne. Most nie wymagał rusztowań, a budowa postępowała równomiernie w dwie strony od środka pylona. Na samym końcu na most wciągano środkowe przęsła.

Mosty sprężone

Dobra, jeżeli doczytaliście już tak daleko, to pora na wyższą szkołę jazdy. Nieważne jak wytrzymałe będzie zbrojenie belki żelbetowej, w pewnym momencie pod wpływem rozciągania stal zbrojeniowa będzie się delikatnie wydłużać. Konstrukcja będzie się trzymać solidnie, ale ugięcie nie pozwoli normalnie korzystać z mostu. Weźmy więc naszą belkę i w strefie rozciąganej wstawmy plastikową rurkę przez całą długość belki.


Teraz przeciągnijmy przez rurkę stalową linę. Z jednej strony zakręćmy nakrętkę, a z drugiej zacznijmy naciągać linę tak mocno, że ojapierdole... Strefa rozciągana nagle zaczyna być bardzo intensywnie ściskana. Uzyskaliśmy belkę, która w stanie bez obciążenia zamiast uginać się w dół, wybrzusza się do góry. Rewelacja! Zamiast rozpiętości 30 m na żelbecie możemy nagle zrobić 40 m przy prawie takim samym przekroju. Oczywiście nie ma nic za darmo. Wszystkie materiały muszą być lepsze i mocniejsze, a technologia i maszyny o wiele droższe.

Mosty Exstradosed

Zupełnie nieoczekiwanym rozwiązaniem jest połączenie mostów podwieszanych, belkowych i sprężonych.


Więcej na temat mostów extradosed można przeczytać tutaj: źródło.

Mam nadzieję, że udało mi się pobieżnie, ale mimo wszystko ciekawie przedstawić temat konstrukcji mostowych. Tradycyjnie zachęcam do własnych poszukiwań i obserwacji otaczającego nas świata techniki.

Wyczerpałem również chyba do końca temat kolejowy. Mam nadzieję, że był on ciekawy i w istotny sposób zmienił Wasze patrzenie na całość zagadnienia (tak jak obiecałem na samym początku). Jeżeli mimo wszystko chcielibyście kontynuować serię, to proszę o propozycje potencjalnych tematów w komentarzach.

<<< W poprzednim odcinku