Mosty a konstrukce v extrémních podmínkách

Obr. 1 - Statický systém konstrukce	Fotogalerie...

Zkušenosti a inspirace ze sympozia IABSE, Lisabon, září 2005

1. Úvod

V poslední době se čím dál častěji uplatňují v navrhování mostů a dalších umělých dopravních staveb nové pohledy s důrazem na jejich bezpečnost a celkovou odolnost. Bezpečnost hrála samozřejmě při návrhu těchto konstrukcí důležitou roli vždy, ale dnes vzhledem ke klimatickým podmínkám a geopolitickému vývoji ve světě nabývají na významu dříve zdánlivě nedůležité vlivy nebo dokonce vlivy zcela nové. Jde o účinky extrémních zatížení počínaje větrem charakteru současných tajfunů či hurikánů, přes vlivy požáru, velkých zemětřesení, vln tsunami a nárazy lodí až po vandalství a terorismus.

Právě otázkám chování mostů a dalších staveb v těchto extrémních podmínkách bylo věnováno jednání symposia mezinárodní asociace pro mosty a inženýrské konstrukce IABSE v září 2005 v Lisabonu. Zaměření symposia nebylo zvoleno náhodu, neboť kromě naléhavosti a aktuálnosti tématu uplynulo právě 250 let od tragického zemětřesení v Lisabonu a části Portugalska v roce 1755. Tímto zemětřesením a následnými tsunami byl zdevastován Lisabon a řada dalších portugalských měst s následky velmi podobnými těm, které nedávno zažila jihovýchodní Asie.

V tomto článku jsou uvedeny příklady způsobu řešení mostních staveb s akcentem na otázky bezpečnosti konstrukcí týkající se novodobých potřeb návrhu a odolnosti staveb proti náhodným či záměrným činům.

2. Několik praktických příkladů

Dánské ministerstvo dopravy nařídilo na základě několika desítek případů neúmyslné kolize lodi s pilířem mostu přepočítat a navrhnout opatření k zajištění bezpečnosti řady stávajících mostů a zavedlo povinnost vybrané novostavby mostních konstrukcí dimenzovat na účinky nárazu lodi. Je třeba si uvědomit, že zmíněné kolize lodí mohou být i úmyslné.

Příkladem konstrukce vystavené krátkodobě extrémním podmínkám, je případ kolapsu obloukové příhradové mostní konstrukce nedaleko města Liége v Belgii v roce 1985 (viz obr. 1 a 2 ve fotogalerii). Tento most se po výbuchu plynového potrubí vedeného pod mostovkou poblíž jedné z opěr mostu vlivem následného požáru zřítil během necelých 10 minut. Na univerzitě v Liége byla v roce 2004 provedena numerická simulace této události, která věrně namodelovala, co se v konstrukci při účincích od prudkého požáru při teplotě T max = 1100 ˚C dělo.

Ke kolapsu konstrukce došlo po 537 sekundách, což odpovídalo svědectví očitých svědků při skutečném požáru. Popsaná událost byla neúmyslná, v dnešní době si však lze snadno představit i úmyslný, tedy  teroristický čin se stejným účinkem. Provedená simulace a analýza vlivu takového namáhání je pak důležitá pro stanovení odolnosti konstrukce a pomůže případně najít řešení, jak lokální i celkovou odolnost konstrukce zvýšit, případně jak zvýšit bezpečnost řešení, aby k takovému případu nemohlo dojít.

Dalším příkladem posunu pohledu při navrhování mostních konstrukcí a důrazu na jejich odolnost je dopravní tepna Busan - George Fixed Link v jihovýchodní Koreji (následující obr. 3 a 4).

Obr. 3.: podélný řez trasou

Obr. 4.: pylon většího zavěšení mostu

Trasa, která se v současnosti realizuje a bude dostavěna v roce 2010 má celkovou délku 8,2 km a jsou na ní 2 velké zavěšené mosty o délkách 1642 m a 1855 m. Oba mosty jsou na otevřeném moři a jsou dimenzovány na extrémní vítr charakteru  tajfunu o rychlosti 288 km/hod, nárazy vln výšky až 13 m a na náraz těžké zaoceánské lodi.
Po nedávné zkušenosti s hurikány v Karibské oblasti a tsunami v Asii to nejsou hodnoty nijak přehnané.

Řada kolapsů pilířů nadjezdů nad pozemními komunikacemi v Evropě po nárazu automobilu (obr.5 ve fotogalerii) vedla k podrobnějším analýzám a k návrhu odolnějších konstrukcí spodní stavby, k zesílení některých stávajících konstrukcí a k úpravě návrhových standardů pro novostavby včetně vývoje nových vyztužovacích technik či vysokopevnostních kompozitních materiálů, např. u železobetonových pilířů. Důvodem k těmto opatřením jsou jak náhodné případy při dopravní nehodě, tak např. sesuv svahu, ale také záměrný čin.

Zajímavý a inspirující je rovněž případ analýzy zabývající se možným zřícením konstrukce lávky pro pěší v případě úmyslného vandalského činu od skupiny lidí, vypracované dvěma profesory z univerzity v Portu v Portugalsku (následující obrázky 6,7 a 8).

 
Obr. 6.: pohled na lávku pro pěší

Obr. 7.: podélný řez lávkou pro pěší

Obr. 8.: rozkmit konstrukce při úmyslném činu

Američtí mostní inženýři po teroristickém útoku 11. září 2001 začali věnovat podstatně větší pozornost než před tím analýze velkých mostů se závěsy (následující obr. 9) v případě, že jeden nebo více závěsů je současně nebo postupně vyřazeno z funkce. Dávají přednost dynamické simulaci účinků ztráty funkce závěsu před ekvivalentní metodou statickou (následjící obr. 10,11) a tyto analýzy používají ke stanovení tvrdších kritérií pro určení počtu závěsů, které ještě mohou chybět, aniž by došlo k progresivnímu kolapsu mostní konstrukce. Souběžná ztráta jednoho nebo více rozhodujících prvků mostu může být náhodná a neúmyslná, ale je rovněž lákavou výzvou pro případný záměrný teroristický čin.

 
Obr. 9.: celkový pohled na obloukový most


Obr. 10.: způsob zatížení při statickém výpočtu


Obr. 11.: způsob zatížení při dynamickém výpočtu

3. Závěr

Odolnost umělých dopravních staveb zvláště mostů a dalších inženýrských konstrukcí proti účinkům úmyslných destrukcí, jako jsou vandalské a teroristické činy, je nový fenomén v pohledu na bezpečnost konstrukcí, které jsou v těchto případech "ohroženy" kombinací zatížení od účinků požáru, tlakové vlny či extrémního větru charakteru hurikánu, seismických vlivů, nárazů vozidel, letadel a lodí nebo úmyslného poškození rozhodujících nosných prvků jako jsou závěsy, ložiska, diagonály a spoje. To přináší a ještě přinese do koncepčního řešení a  navrhování mostů nové pohledy kombinace, hodnoty a důrazy, kterými bude třeba na reálně hrozící nebezpečí reagovat.

V článku byly využity výsledky grantového projektu GAČR číslo 103/05/0904

4. Literatura

[1]  IABSE Report, Volume 90 - Structures and Extreme Events.