Historyczny rozwój konstrukcji mostowych, cz. 2

Pierwsza część artykułu, omawiała początki i rozwój mostów od prymitywnych konstrukcji do starożytnych inżynierii, ewolucję mostów od średniowiecza, a także wpływ wojen na rozwój technologii mostowej. Druga część omawia kwestie związane z mostami spawanymi, żelaznymi, betonowymi, wiszącymi oraz z trendami w projektowaniu konstrukcji mostowych.

Mosty spawane i żelazne

Wczesne ślady łączenia ze sobą metali znajdujemy już w starożytności. W literaturze można natknąć się na Glaukosa z Chios, który wynalazł sztukę lutowania żelaza [26]. Przykładem, a jednocześnie dowodem na osiągnięcia starożytnego świata w tym zakresie, jest między innymi żelazna kolumna w Delhi. Jest wykonana z bardzo czystego żelaza i ma około 7 m wysokości. Najciekawsze jest to, że mimo upływu czasu kolumna ta nie wykazuje oznak korozji. Technologia zastosowana do wykonania obiektu była wyjątkowo zaawansowana jak na swoje czasy. Kolumnę odlano jako solidny monolit, a następnie osadzono na miejscu. Naukowcy wciąż badają, w jaki sposób starożytnym rzemieślnikom udało się osiągnąć taki poziom czystości żelaza i jak zabezpieczyli ją przed korozją [27].

Pierwszymi mostami wykorzystującymi metale były mosty odlewane. Wykorzystanie nowego materiału było na tyle istotne, że zwrócono uwagę na to, że żelazo lane ma większą wytrzymałość na rozciąganie niż pozostałe konstrukcje. Największą zaletą jest jednak jego bardzo duża wytrzymałość na ściskanie. Pierwszym tego typu mostem była konstrukcja mostu żelaznego w Coalbrookdale. Jest to jeden z najbardziej znanych zabytków przemysłowych na świecie. Zbudowany w 1779 r., uważany jest za pierwszy most wykonany w całości z żelaza i symbolizuje rewolucję przemysłową oraz osiągnięcia technologiczne tamtej epoki. Most żelazny został zaprojektowany przez inżyniera Thomasa Farnollsa Pritcharda. Za budowę konstrukcji odpowiedzialny był Abraham Darby, który był pionierem innowacyjnej metody przetapiania żelaza na koks. Most ma około 30 m długości i składa się z połączonych ze sobą żeliwnych elementów łukowych wspartych na granitowych kolumnach. Wykorzystanie żelaza jako głównego materiału konstrukcyjnego było wówczas rewolucyjne i zapoczątkowało nową erę w budowie mostów.

Most żelazny w Coalbrookdale szybko stał się symbolem postępu technicznego i przyciągnął uwagę naukowców, inżynierów i podróżników z całego świata. Dziś most ten zachwyca zwiedzających swoją majestatyczną konstrukcją i stanowi ważny punkt na mapie kraju jako dziedzictwo przemysłowe. W 1986 r. został wpisany na Listę Światowego Dziedzictwa UNESCO jako symbol narodzin rewolucji przemysłowej i odwagi inżynierskiej [28].

Omawiając mosty odlewane, nie sposób nie wspomnieć o konstrukcjach spawanych, są znacznie trwalsze niż nitowane czy klejone. Spawanie pozwala na bardziej równomierne i niezawodne łączenie elementów konstrukcyjnych, co zwiększa odporność mostu na obciążenia dynamiczne i statyczne. Miejscowe spawanie może zwiększyć trwałość konstrukcji, redukując naprężenia lokalne. Mosty spawane są bardziej odporne na korozję i starzenie się materiału niż mosty nitowane. Połączenia spawane można w pełni zabezpieczyć przed czynnikami atmosferycznymi, co pozwala wydłużyć trwałość mostu [29]. Konstrukcje spawane mogą być wykonane z cieńszych materiałów, dzięki czemu takie mosty są lżejsze, ale równie wytrzymałe. Ponadto spawanie umożliwia bardziej elastyczne konstruowanie mostu, co prowadzi do bardziej efektywnego wykorzystania materiałów. Na uwagę zasługuje również szybkość budowy; proces wznoszenia mostu spawanego jest mniej czasochłonny niż na przykład mostu nitowanego [30].

W 1927 r. pierwszym na świecie kolejowym mostem spawanym stał się most nad rzeką Turtle Creek w Piisburgu, gdzie znany jest również jako Turtle Creek Viaduct. Uznawany jest za konstrukcję pionierską pod względem wykorzystania nowej technologii łączenia metali, co pozwoliło na zwiększenie wytrzymałości przeprawy, jednocześnie redukując czas i koszt budowy. Z kolei pierwszym na świecie spawanym mostem drogowym jest przeprawa na rzece Słudwi pod Łowiczem. Budowę mostu rozpoczęto w 1926 r. Pierwotnie projektowano go jako most nitowany ze spawanymi splotami i belkami poprzecznymi, ostatecznie jednak zdecydowano się przeprojektować wszystkie połączenia na połączenia spawane. Most posiada jedno przęsło z jazdą dołem o rozpiętości w świetle 26 m, którego głównym elementem nośnym są spawane dźwigary kratownicowe [9].

Mosty betonowe i wiszące

Pierwsze betonowe konstrukcje miały ograniczenia technologiczne i materiałowe pod względem jakości, wynikające głównie z właściwości pierwszych mieszanin betonowych. Odegrały jednak ważną rolę w rozwoju mechaniki mostów i utorowały drogę innowacjom oraz udoskonaleniom w tej dziedzinie. Beton używany w starożytnym Rzymie, w łacinie „opus caementicium”, był innowacyjnym materiałem budowlanym, który odegrał kluczową rolę przy budowie wielu imponujących konstrukcji, takich jak: akwedukty, baseny, mosty, kolumny, panteony etc. Opus caementicium różniło się od współczesnego betonu, ale było prekursorem tego materiału. Mieszanina zawierała wapień wapienny, wodę, żwir lub pokruszony wapień oraz popiół lub spiek wulkaniczny. Głównym składnikiem dodawanym do mieszanki była pozzolana, która zapewniała lepszą wytrzymałość na ściskanie i wodoodporność. Technika budowy Opus caementicium polegała na formowaniu warstw betonu w drewnianych skrzyniach lub formach, które następnie wypełniano mieszanką betonową. Po stwardnieniu betonu skrzynki zostały usunięte, pozostała po nich mocna i trwała konstrukcja [10]. Następnym etapem rozwoju było wynalezienie przez brytyjskiego budowniczego Josepha Aspdina cementu portlandzkiego w 1824 r. Proces wynalezienia tego rodzaju cementu był wynikiem długotrwałych badań i testów materiałów budowlanych, mających na celu stworzenie bardziej trwałego i wszechstronnego materiału budowlanego. Cement ten otrzymał nazwę „portlandzki”, ponieważ Joseph Aspdin zauważył, że jego kolor jest podobny do kamienia portlandzkiego charakterystycznego dla obszaru Portland w Anglii. Cement portlandzki odniósł natychmiastowy sukces dzięki swojej wytrzymałości, wszechstronności i dużej szybkości wiązania. Cement portlandzki stał się kluczowym składnikiem betonu, zapraw i innych materiałów budowlanych i jest obecnie najczęściej stosowanym rodzajem cementu na świecie. Jego wynalazek zapoczątkował nową erę w budownictwie, cement zmienił krajobraz miast i infrastrukturę na całym świecie [11].

Wykorzystanie samego betonu do budowy konstrukcji o dużej rozpiętości nie byłoby możliwe bez zastosowania zbrojenia stalowego, które zwiększa wytrzymałość na rozciąganie. Początki tzw. żelbetu sięgają końca XIX wieku, ale dopiero w XX w. żelbet stał się powszechnie stosowanym materiałem budowlanym dzięki badaniom francuskiego inżyniera Josepha Moniera. Początkowo w żelbecie stosowano zbrojenie w postaci siatek, prętów lub drutów umieszczanych wewnątrz konstrukcji betonowej. Później zastosowano techniki zbrojenia przed rozciąganiem i po nim, co dodatkowo zwiększyło wytrzymałość i trwałość żelbetu. Nowoczesny żelbet jest materiałem szeroko stosowanym w budownictwie ze względu na swoją wytrzymałość, trwałość i elastyczność projektowania. Jest szeroko stosowany przy budowie mostów, dróg, budynków mieszkalnych i komercyjnych oraz w wielu innych dziedzinach inżynierii. Jego rozwój i zastosowanie było ważnym krokiem w rozwoju nowoczesnego budownictwa, pozwalającym na wznoszenie większych i trwalszych konstrukcji [12].

Pierwszy znany most wykonany z żelbetu został zbudowany w Szwajcarii w 1877 r. Inżynier Joseph Monier zaprojektował i wybudował ten most, wykorzystując beton zbrojony jako materiał nośny, aby zwiększyć jego wytrzymałość. Most ten został zbudowany nad rzeką Versoix niedaleko Genewy i był jednym z pierwszych przykładów zastosowania żelbetu w budownictwie. Most Versoix był jednym z pierwszych dużych projektów, w których Monier zastosował tę technikę [13]. Jego betonowa i wzmocniona stalą konstrukcja zapewnia wytrzymałość i trwałość, co otworzyło nowe możliwości projektowania i budowy mostów oraz innych konstrukcji. Choć most ten został rozebrany w 1963 r., jego znaczenie jako pierwszego mostu zbudowanego z żelbetu jest niezaprzeczalne, a Monier w historii budownictwa zawsze będzie określany jest jako pionier tej technologii. Obecnie mosty betonowe są wznoszone na całym świecie ze względu na ich wytrzymałość, trwałość i stosunkowe niskie koszty budowy.