ENVIROMENTÁLNE TECHNOLÓGIE – nové stroje a zariadenia. RECYKLÁCIA – triedenie a úprava odpadov. OBNOVITEĽNÉ ZDROJE ENERGIE – energetická a materiálová efektívnosť.

Progresívne technológie výstavby betónových mostov


S cieľom čo najviac zefektívniť výstavbu mostov v rôznych geografických, geologických a spoločenských podmienkach sa za posledných niekoľko rokov vo svete vyvinuli mnohé inovatívne stavebné postupy a konštrukčné riešenia. Článok prináša prehľad štyroch najrýchlejšie sa rozvíjajúcich progresívnych technológií výstavby mostov, ktoré sa začali výraznejšie formovať až začiatkom 21. storočia a majú veľký potenciál rozvoja v budúcnosti.

Flexi-arches (Flexibilné oblúky) [7]

Oblúkové mosty patria medzi najefektívnejšie mostné konštrukcie s dlhou životnosťou a pôsobivým estetickým vzhľadom. Ich výstavba sa však v posledných desaťročiach v Európe výrazne zredukovala. Dôvodom je najmä prácnosť ich zhotovenia, a tak ich postupne nahradili iné typy konštrukcií aj v miestach, kde je geológia pre ich stavbu priaznivá. Železobetónové doskové a trámové mosty malých rozpätí však čelia postupnej degradácii a ich životnosť je v porovnaní s nevystuženými betónovými alebo predtým používanými kamennými oblúkovými mostami výrazne kratšia. Jednou z možností, ako sa vrátiť späť k oblúkovým mostom tak, aby boli cenovo konkurencieschopné už pri výstavbe, je najnovšia technológia vyvinutá vo Veľkej Británii pod názvom FLEXI-ARCH.

Most postavený technológiou FLEXI-ARCH sa svojím statickým pôsobením podobá na kamenný oblúkový most. Oblúk je poskladaný z jednotlivých prefabrikovaných betónových dielov, ktoré majú tvar „klenákov“, tvarovo podobných tým, aké sa používajú pri výstavbe kamenných mostov. Tieto betónové „klenáky“ sa vyrobia na mieru podľa projektu – uložia sa vedľa seba na vodorovnú podlahu a pri hornom povrchu sa prepoja polymérnou výstužou zaliatou v 40 mm hrubej vrstve malty (obr. 1). Je teda možné jednoducho ich transportovať ako doskový element. Oblúk sa vytvorí až pri zdvíhaní, keď sa medzery pri spodnom povrchu uzavrú a oblúk sa vytvorí pôsobením vlastnej tiaže (obr. 2). V tejto fáze drží oblúk svoj tvar ťahanou polymérnou výstužou na rube klenby. Veľkou výhodou tejto konštrukcie je jej ľahká preprava a montáž bez použitia podpernej skruže.


Obr. 1: Pozdĺžny rez segmentom FLEXI-ARCH pred jeho zodvihnutím [7]

Obr. 2: Osadzovanie segmentu FLEXI-ARCH [7]

Vo Veľkej Británii sa za posledných pár rokov postavilo už niekoľko desiatok menších mostov tohto typu a momentálne je vo vývoji technológia pre väčšie rozpätia a viacpoľové mosty v kombinácii s visutým pásom (obr. 3). Predpokladané maximálne rozpätie pre takýto typ konštrukcie pre diaľničné mosty je 25 – 30 m a pre mosty pre peších až do zhruba 40 m.


Obr. 3: Koncept kombinácie technológie Flexi-arch s visutým pásom [7]


Organic prestressing systems (systémy s organickým predpätím) [10]

Organické predpätie (OP) je pojem, ktorý sa začal používať na počítačom riadené predpätie, ktoré reaguje na aktuálnu napätosť, resp. deformácie konštrukcie. Predpínacie káble sa napínajú postupne s narastajúcou deformáciou konštrukcie, vďaka čomu je možné optimálne využitie materiálu v každej fáze. Aplikácia organického predpätia sa v mostnom staviteľstve využíva najmä pri návrhu nových výsuvných skruží a montážnych žeriavov. Princíp fungovania takejto skruže je zobrazený na obr. 5 – postupne, ako stúpa zaťaženie skruže čerstvým betónom, sa napínajú káble OP. Následne po vytvrdnutí betónu sa predpätie postupne uvoľní, čím dôjde k odskruženiu budovanej časti mosta. Vďaka tejto technológii je možné dosiahnuť menšiu hmotnosť skruže, čo má priaznivý vplyv na montážne štádium, prípadne možno dosiahnuť väčšie rozpätia pre danú technológiu. Na Slovensku je momentálne v prevádzke jedna skruž z Portugalska, ktorá technológiu OP využíva. Prvýkrát bola na Slovensku nasadená pri výstavbe mosta na úseku Selenec –Beladice neďaleko Nitry v roku 2009 (obr. 6). Technológia OP sa postupne vyvíja a má čoraz častejšie aplikácie. Podľa článku P. Pacheca [10] bude vďaka nej možné v dohľadnom časee zväčšiť doteraz známe optimálne rozpätia pre niektoré technológie výstavby betónových mostov až o niekoľko desiatok metrov. Na obr. č. 4 sú znázornené používané rozpätia pre rôzne technológie a možnosť ich zväčšenia použitím OP pre daný typ skruží.


Ob. 4: Používané rozpätia pre rôzne technológie výstavby betónových mostov [10]

Obr. 5: Príklad skruže s aplikáciou organického predpätia (OP) [10]

Obr. 6: Výsuvná skruž s technológiou OP nasadená na výstavbe mosta pri Nitre


Technológia 3D tlače

3D tlač objektov sa objavila prvýkrát v 80. rokoch 20. storočia na výrobu jednoduchých plastových predmetov. Postupne, so zdokonaľovaním technológie a výkonu počítačov, sa 3D tlač začala vo veľkom presadzovať v najrôznejších odvetviach priemyslu. Bolo preto len otázkou času, kedy sa objaví aj v stavebníctve. Prvé reálne stavebné konštrukcie sa touto technológiou, s využitím betónu a veľkej 3D tlačiarne, postavili začiatkom 21. storočia. Aj keď zväčša išlo len o prefabrikáciu 3D tlačou, postupne sa zrodila myšlienka tlače stavebných objektov ako jedného celku (obr. 7).


Obr. 7 – Schematické znázornenie výstavby konštrukcie budovy prostredníctvom 3D tlače [5]

Predpokladá sa, že technológia za najbližších 20 rokov dosiahne takú úroveň, že bude možné postaviť jeden kompletný rodinný dom vrátane inštalácií a rozvodov za 24 hodín [5]. Nejde pritom o sériovú výrobu, ale každý dom môže byť unikátny podľa požiadaviek zákazníka s takmer akokoľvek zakrivenými stenami v 3D priestore.

Materiál, ktorý sa na tlač stavebných konštrukcií používa pri 3D tlači, je zväčša vysokohodnotný vláknobetón s rýchlym nábehom pevnosti. Výstuž je pri tejto technológii riešená prostredníctvom spojkovaných krátkych oceľových kusov alebo je nahradená vláknami v betóne. V prípade, že vytlačený element slúži len ako stratené debnenie, je výstuž viazaná štandardne vo forme armokošov. Výstavba vodorovných konštrukcií (preklady, stropy) sa vykonáva prefabrikáciou, a to tak, že sa na vodorovnej ploche 3D tlačou vyhotoví daný segment a ten sa vyloží prostredníctvom žeriava, ktorý je súčasťou 3D tlačiarne. Na demonštráciu potenciálu výstavby pomocou 3D tlače bola v roku 2015 postavená v Číne 5-poschodová budova z veľkých 3D tlačených dielcov (obr. 8).


Obr. 8 – Veľkoformátové segmenty zhotovené 3D tlačou [5]

Pri stavbe betónových mostov sa dá očakávať aplikácia tejto technológie najmä pre lávky pre peších menších rozpätí v ťažko prístupnom teréne (obr. 9) a pre rôzne tvarované piliere, ktoré vďaka 3D tlači môžu ľahko nadobudnúť takmer akýkoľvek tvar. Pri väčších mostoch je možné 3D tlač využiť nepriamo už dnes na výrobu zložitého debnenia rôznych nosných či dekoračných prvkov.


Obr. 9 Vizualizácia konceptu stavby betónového mosta 3D tlačou [6]

Vďaka 3D tlači je možné veľmi jednoducho vrátiť mostom späť dekoračné detaily, ktoré v snahe zjednodušiť a zlacniť výstavbu mostov v 20. storočí takmer úplne vymizli. Do stavebníctva sa postupne vrátia späť tvary nosných konštrukcií, ktoré sa napriek ich výhodnému statickému pôsobeniu (napr. priestorové škrupiny) stavali pre zložité debnenie veľmi ojedinele.


Technológia 3D tlače nie je však výlučne doménou betónových konštrukcií a v posledných rokoch sa rozvinula aj v rámci výstavby kovových konštrukcií, kde ponúka úplne nové možnosti tvaru (obr. 10).


Obr. 10 Možné optimalizované tvary kovovej konštrukcie stavanej 3D tlačou [1]


Výstavba, monitorovanie a sanácie mostov s využitím dronov

Okrem 3D tlače sa v posledných rokoch objavujú aj čoraz častejšie aplikácie využitia dronov, ktorých plný potenciál ešte nebol ani zďaleka objavený. V roku 2015 bol dronmi postavený prvý experimentálny lanový most [3]. Drony viazali laná nie podľa striktne daného naprogramovaného postupu, ale podľa algoritmov, ktoré lanovú konštrukciu modifikovali aj počas stavby podľa reálne zameraných rozpätí a odchýlok od projektu (obr. 11). Lanová lávka bola schopná udržať človeka, ktorý po nej prechádzal.


Obr. 11: Experimentálna výstavba lanového mosta dronmi [3]

Ďalšou aplikáciou v stavebníctve je využitie dronov na stavbu ciest. Jedna svetoznáma firma vyrábajúca stavebné mechanizmy prednedávnom vyvinula dronmi ovládané stroje na výstavbu násypov, pričom drony neustále zameriavali skutočný progres, ktorý porovnávali s projektom a navigovali jednotlivé mechanizmy bez ľudskej posádky. Podobne možno postupovať aj pri stavbe jednoduchých mostov.

Ďalšou oblasťou, kde sa začínajú drony v rámci mostov čoraz častejšie nasadzovať, sú obhliadky mostov, kde majú veľký potenciál najmä v mapovaní neprístupných častí konštrukcie vysoko nad terénom (obr. 12). Dáta z kamery a detektorov sa spracujú buď manuálne v kancelárii, alebo ich priamo vyhodnocuje počítač. Drony sa potom dajú využiť aj v niektorých prípadoch v rámci sanácie, ako napr. v prípade obnaženej výstuže, keď je možné v niektorých prípadoch aplikovať reprofilačnú hmotu priamo dronmi. Okrem toho sa drony môžu využiť na dopravu ľahkých dielcov na ťažko prístupné miesta, prípadne na monitorovanie priebehu výstavby či uskutočnenie geodetických 3D meraní. 


Obr. 12: Využitie donov pri monitoringu mostov a geodetických prácach

Tak ako každá technológia, aj 3D tlač a drony majú svoje negatívne stránky a nehodia sa na akúkoľvek výstavbu či typ konštrukcie. Je však zrejmé, že stojíme na prahu podobnej revolučnej zmeny v stavebníctve, akú spôsobila kedysi prefabrikácia. Zmena, samozrejme, nenastane zo dňa na deň, avšak technológia 3D tlače a drony si postupne určite nájdu svoje miesto, kde im budú iné technológie konkurovať veľmi ťažko. Vyspelé výpočtové programy v súčinnosti s 3D tlačou, robotmi a dronmi v 21. storočí výrazne ovplyvnia charakter stavebníctva tak, ako ho poznáme dnes.


Poďakovanie: Príspevok vznikol s finančnou podporou Agentúry na podporu vedy a výskumu v rámci zmluvy č. APVV-0442-12.

Recenzovaný článok je čiastočne skrátený, upravený pre širšiu čitateľskú obec.


Literatúra:

[1] H. Russel: Build or print, Bridge 3/2015, ISSN 1359-7493

[2] http://mx3d.com/projects/bridge/

[3] http://www.ukconstructionmedia.co.uk/news/rise-of-the-machines-quadcopter-drones-build-rope-bridge/

[4] http://www.viatechnik.com/3d-printing-and-looming-changes-in-the-construction-industry/

[5] http://www.contourcrafting.org/

[6] https://futurevision.rga.com/2014/04/robot-3d-prints-bridge-out-of-sand/


 [7] A.E. Long, D. McPolin, S. Nanukuttan, A. Gupta, D. Robb: FlexiArch-Stress Ribbon combination for multi-span pedestrian bridges, in: Multi-Span Large Bridges, Taylor & Francis Group, London, 2015, ISBN 978-1-138-02757-2 


[8] B. Eichwalder, J. Kollegger, M. Kleiser: Durable expansion joint for long integral abutment bridges, in: Concrete – Innovation and Design, fib Symposium, Copenhagen, 2015,


[9] A. Ferreira, B. Lima, F. Lopes & P. Pacheco: Comparative study of prestressing consumptions in 7 different constructive methods for 75 m multi-span box girders, in: Multi-Span Large Bridges, Taylor & Francis Group, London, 2015, ISBN 978-1-138-02757-2 


[10]  P. Pacheco, H. Coelho, A. Resende, D. Carvalho & I. Soares, High productivity in bridge construction – the OPS effect, in: Multi-Span Large Bridges, Taylor & Francis Group, London, 2015, ISBN 978-1-138-02757-2 



doc. Ing. Peter Paulík, PhD.

STU Ba, Stavebná fakulta,

Katedra betónových konštrukcií a mostov

www.svf.stuba.sk/kbkm

Fotogaléria k článku