MOSTOWNICTWO INSPIRACJĄ NOWYCH KIERUNKÓW BADAWCZYCH

w modelu konstrukcji są dopuszczalne bez szkody dla wystarczającej dokładności obliczeń.

Dlatego w mostownictwie szczególnego znaczenia nabierają weryfikacja i walidacja modeli obliczeniowych. To stosunkowo nowa dziedzina badań doświadczalnych i analiz numerycznych, intensywnie obecnie rozwijana., również i w naszym kraju.

Projektowanie na trwałość, najnowsza tendencja w projektowaniu mostów (tendencja IV), do końca nawet jeszcze oficjalnie nie znormalizowana, oparta jest na ujęciach probabilistycznych, a więc ma swe podstawy naukowe. Podstawy takie można też wskazać w wielu innych zakresach mostownictwa [5]. O praktycznych natomiast aspektach normalizacji obszernie traktuje artykuł [13].

Warto zauważyć, że wymienione tendencje rozwojowe mostownictwa występują właściwie wbrew obowiązującym normom, które „całkują” zastaną wiedzę naukową i techniczną. Szczegółowo to uzasadniono w pracy [5]. Ograniczając się do własnego podwórka, można tu podać przykłady pierwszego krajowego zastosowania taśm kompozytowych typu CFRP do wzmocnienia mostu [14] lub pierwszego konstrukcyjnego użycia betonu samozagęszoczonego do budowy mostu [15]. Zastosowania te nie wynikały przecież z żadnych postanowień normowych; były pokłosiem dociekań i badań naukowych.

Śmiałość i nowatorskość konstrukcyjna i materiałowa oraz skala nowych obiektów mostowych, wobec dążenia do pełnego bezpieczeństwa i komfortu ich użytkowania, skłania także do obserwacji i rejestracji ich zachowania w czasie eksploatacji (tendencja V). Stąd rozwój metod diagnozowania i bieżącego monitorowania zachowania obiektów. Jest to bardzo wyraźna obecnie tendencja, także w Polsce. Oczywiście chodzi tu o mosty mające wyjątkowe znaczenie. W tym zakresie mostownictwo korzysta z osiągnięć technicznych elektroniki i informatyki, ale zebrane i przetworzone dzięki nim dane pomiarowe mają duże znaczenie poznawcze, a więc naukowe.

Powiązania rozwoju mostownictwa i rozwoju nauki są tematem bardzo obszernym Tu tylko zasygnalizowano niektóre z nich. Nie można jednak pominąć faktu, że w Polsce bardzo wyraźny wkład w rozwój mostownictwa mają ludzie nauki związani z tym działem budownictwa. Dowodów na to jest aż nadto i są (lub powinny) być powszechnie znane.

Związki świata nauki i świata praktyki mostowej są u nas bardzo silne. To także pozytywnie oddziaływuje na kształcenie kadr dla mostownictwa.

8. MOSTOWNICTWO INSPIRACJĄ NOWYCH KIERUNKÓW BADAWCZYCH

Wspomniano już kilkakrotnie, że mostownictwo wielokrotnie w swej długiej historii było źródłem podejmowania i rozwoju nowych kierunków badawczych. Nie będziemy tu podawać owych historycznych przykładów. Aby zilustrować to zjawisko oddziaływania mostownictwa na naukę posłużymy się jednym tylko, ale bardzo wymownym i bardzo aktualnym przykładem. Dotyczy on efektów reologii betonu w mostach o przęsłach wykonywanych za pomocą metody betonowania nawisowego. Bardziej obszerne ujecie tego tematu znaleźć można w publikacji [16]. Bezpośrednią inspiracją do jej napisania była publikacja [17] oraz własne doświadczenia z doradztwa naukowego podczas budowy nowego mostu przez Wisłę w Sandomierzu, oddanego do użytku w 2011 roku (rys. 6).

W wymienionej publikacji [17] zebrano dane dotyczące pionowych przemieszczeń środka rozpiętości głównych przęseł 56 obiektów mostowych, wykonywanych w różnych latach za pomocą metody betonowania nawisowego (rys. 7 i 8). Przemieszczenia te są przedstawione w funkcji czasu liczonego od chwili zwarcia konstrukcji przęseł. W podpisie rys. 8 umieszczono wszystkie potrzebne objaśnienia wykresów.

Na podstawie wykresów pokazanych na rys. 7 można sformułować co najmniej dwie ważne dla praktyki projektowania uwagi.

Po pierwsze, widoczne jest, że w początkowym okresie 1000 dni od zwarcia konstrukcji przęseł, przemieszczenia narastają w sposób liniowy w czasie wyrażonym w skali logarytmicznej. Pozostaje to w sprzeczności z wynikami obliczeń opartych na standardowych

Rys. 6. Nowy most przez Wisłę w Sandomierzu, 85,80 + 3 x 95.40 + 84,80 m, 2011 rok

Rys. 7. Przemieszczenia pionowe środka rozpiętości przęseł 56 mostów (dodatkowy opis – rys. 5) [17].

Rys. 8. Powiększony wykres dotyczący jednego z mostów spośród pokazanych na rys. 7.

Oś pozioma - czas liczony od zwarcia konstrukcji i wyrażony w skali logarytmicznej;

Oś pionowa - stosunek przemieszczenia przęsła do jego rozpiętości, wyrażony w [%];

Pozioma linia przerywana – h/l = 1/800 (wartość dopuszczalna);

Dwie krótkie pionowe kreski na linii przerywanej – 40 lat i 100 lat po zwarciu konstrukcji przęseł.

lub rekomendowanych modelach pełzania opartych na założeniu, że zjawisko pełzania betonu dąży asymptotycznie do pewnej skończonej, granicznej wartości. Dane zebrane na rys. 7 wskazują, że takiej wyraźnej asymptoty nie ma i że krzywa narastania przemieszczeń od pełzania betonu po około 1000 dniach staję się krzywą logarytmiczną. To stwarza możliwość realistycznego przewidywania zachowania konstrukcji po wielu latach przez stosowanie ekstrapolacji liniowej.

Po drugie, pomierzone wartości przemieszczeń lub wartości otrzymane na podstawie liniowej ekstrapolacji wskazują, ze spośród 56 przedstawionych na rys. 7 przypadków, przemieszczenia 43 przęseł przekroczą w ciągu mniej niż 100 lat dopuszczalną wartość l/800.

A trzeba pamiętać, że to 100 lat właśnie uważane jest za okres użytkowania obiektów mostowych rozpatrywanego tu rodzaju. Ponadto, przemieszczenia 33 przęseł spośród 56 przekroczą wymienioną granicę w okresie krótszym od 40 lat, a przemieszczenia 20 przęseł – w okresie 25 lat.

Według autorów publikacji [17], dane zebrane i pokazane na rys. 7, ewidentnie wskazują, że modele pełzania betonu przyjmowane do projektowania mostów o znacznych rozpiętościach przęseł, wykonywanych metodami wspornikowymi (tj. przede wszystkim za pomocą betonowania nawisowego), nie wystarczają do przewidywanie wieloletnich efektów tego zjawiska w konstrukcji. Tego rodzaju obiekty są, jak się okazuje, bardzo wrażliwe na pełzanie betonu. Dlatego konieczne jest ich zdaniem opracowanie i stosowanie w projektowaniu nowych, bardziej realistycznych modeli pełzania. Potrzeba ta wynika też z przesłanek ekonomicznych, ponieważ straty spowodowane nieodzownym pracami przywracającymi żądaną niweletę przęseł, bądź straty spowodowane przedwczesnym wyłączeniem mostu z ruchu i wynikające w obu tych sytuacjach z niewłaściwego modelu pełzania betonu, mogą być bardzo duże.

Warto również zwrócić uwagę, że znane obecnie powszechnie wyniki badań laboratoryjnych pełzania betonu są ograniczone do czasu ich wykonywania, nie przekraczającego co najwyżej kilku lat. Jak wynika z przytoczonych tu obserwacji konstrukcji mostowych, jest to czas zbyt krótki do weryfikacji i kalibracji efektów pełzania w okresach obejmujących dziesięciolecia. To stanowi jeszcze jeden argument za

opracowaniem nowego modelu bardzo długotrwałego pełzania betonu, który mógłby stanowić podstawę do ujęć normowych przydatnych do przewidywania w projektowaniu efektów takiego właśnie pełzania. Jak wynika z publikacji [17], działania takie zostały już na świecie podjęte.

Warto także podkreślić, że obserwacje zrelacjonowane w publikacji [17] znajdują pełne potwierdzenie w innych źródłach, zarówno polskich [18], jak i zagranicznych, na przykład dotyczących dużych mostów norweskich [19]. Do obu tych publikacji nawiązano szczegółowo w cytowanym już artykule [16], w którym podjęto również próbę wyjaśnienia przyczyn nadmiernego, tj. większego od przewidzianego obliczeniowo, pełzania betonu w konstrukcjach mostowych. Praktyczne i formalne aspekty reologicznych przemieszczeń przęseł są przedmiotem najnowszej pracy [20].

Opisane przypadki, zaczerpnięte z obserwacji zachowania rzeczywistych konstrukcji mostowych, wskazują na niewystarczalność dotychczasowych ujęć efektów pełzania;

przyjmowane do projekty modele nie opisują dobrze rzeczywistości. Jest to jedne z najnowszych przykładów, że mostownictwo generuje nowe obszary poszukiwań badawczych.

Ogólne i szczegółowe postulaty badawcze, wynikające z obserwacji i rejestrowania zachowania rzeczywistych konstrukcji mostowych pod różnego rodzaju obciążeniami (także wiatrowymi), a także wynikające z badań stanu technicznego obiektów, sformułowano w cytowanym już opracowaniu [3]. Postulaty te dotyczą przede wszystkim mechaniki konstrukcji i materiałów (por. tablica 1), w tym także materiałów niekonwencjonalnych.

Dlatego nie będziemy postulatów tych powtarzać, natomiast zwrócimy uwagę w syntetycznym skrócie na niektóre tylko sprawy, które można ująć następująco.

Wobec wyspecjalizowanych, zaawansowanych obliczeniowych systemów komputero- wych, statyka konstrukcji jest już zasadzie problematyką przebrzmiałą naukowo. Uściślonych i przydatnych do praktyki rozwiązań mogą jeszcze wymagać co najwyżej niektóre zagadnienia szczegółowe, na przykład stateczność lokalna w mostowych elementach powłokowych. Wzrasta natomiast znaczenie właściwego modelowania konstrukcji, co powinno mieć odzwierciedlenie także w dydaktyce na wyższych uczelniach technicznych.

Do najbardziej nośnych poznawczo należy dynamika i aerodynamika złożonych układów konstrukcyjnych, które zgodnie z tendencją do indywidualizowania form architektonicznych i konstrukcyjnych mostów, są coraz częściej projektowane i budowane.

Zagadnienia cieplne nabierają w mostownictwie coraz większego znaczenia i to zarówno w fazie ich wznoszenia, jak i eksploatacji. Konsekwencje przemieszczeń konstrukcji oraz stanu naprężeń w jej elementach spowodowane dobowymi i sezonowymi zmianami temperatury mogą być w niektórych przypadkach bardzo poważne. Trzeba pamiętać, że na przykład wprowadzenie do mostownictwa konstrukcji o ograniczonym lub częściowym sprężeniu miało swe źródło w uszkodzeniach licznych mostów w Niemczech. Konstrukcje o pełnym sprężeniu mają małą zdolność do adaptacji pod wpływem nieprzewidzianych (lub przewidzianych niedostatecznie dokładnie) w projekcie pół odkształceń, w tym przypadku termicznych.

Najbardziej nośne poznawczo są zagadnienia dotyczące zastosowań w mostownictwie materiałów niekonwencjonalnych, głównie kompozytów polimerowych typu FRP. Jak zwrócono już uwagę w punkcie 7. tego opracowania, zastosowania te są obecnie jedną z najsilniejszych tendencji rozwojowych tego działu budownictwa. Praktyka wyprzedza tu znacznie teorię, nie mówiąc już o oficjalnych ujęciach normowych. Określanie trwałości obiektów z FRP lub budowanych na przykład z użyciem niemetalicznego zbrojenia biernego lub sprężającego, to ogromne jeszcze pole badawcze.

Dużym wyzwaniem badawczym jest w technologii betonu taki świadomy dobór jego składników i struktury wewnętrznej, aby uzyskać żądane cechy materiałowe

i odpowiednią trwałość w skali makro, czyli w zastosowaniu konstrukcyjnym (ang. internnal curing). Jest to jeden z najnowszych obecnie kierunków badawczych rozwijanych na świcie z myślą o zastosowaniach konstrukcyjnych.

Postulaty badawcze wynikające z praktyki mostownictwa można by kierować także pod adresem innych nauk rozwijanych w obrębie techniki i wymienionych w tablicy 1.

Wymagałoby to jednak opracowania znacznie szerszego od przedstawianego tutaj.