Lanové mosty

Vývoj, úspěchy a možnosti

Lanové konstrukce jsou nejmladší, nejrychleji se rozvíjející a nejperspektivnější mostní systémy.

Lanové mosty jsou podkategorií zavěšených konstrukcí. Lanový most je podobný zavěšenému mostu, protože má věže a mostovku podepřenou lany; jeho diagonální lana však přenášejí svislá zatížení z mostovky přímo na věže. Hlavní mostovka lanového mostu tak funguje jako spojitý nosník na kabelových podpěrách (pružnějších než podpěry pilířů) s dodatečnou tlakovou silou v celé mostovce. Lanový most je také předpjatý systém, protože jeho lanové podpěry jsou dodatečně napjaté, aby vyrovnávaly značnou část svislých zatížení na hlavní mostovku.

Most Strömsund ve Švédsku, dokončený v roce 1956 s hlavním rozpětím 182 metrů (597 stop), je považován za první moderní lanový most. Během následujících 65 let zaznamenaly lanové mosty dramatický nárůst počtu nových konstrukcí i úspěchů v oblasti dlouhých rozpětí. Do roku 1995 existovaly pouze 3 lanové mosty s rozpětím nad 500 metrů (1 640 stop), o 25 let později již existuje 67 lanových mostů s rozpětím nad 500 metrů (z toho tři nad 1 000 metrů neboli 3 280 stop). Dalších 29 mostů s rozpětím nad 500 metrů, z nichž některé přesahují 800 metrů (2 624 stop), je v současné době ve výstavbě.

Efektivní řada lanových mostů směřuje k ještě větším rozpětím. Žádný jiný mostní konstrukční systém nevykazuje tak rychlý vývoj. Většina lanových mostů je vizuálně krásná a některé z nich patří k nejpůsobivějším inženýrským počinům.

Původ a precedenty

Idea lanového systému byla pravděpodobně inspirována padacími mosty středověkých hradů a lanovými stěžni vysokých lodí. Vůbec první doložené vyobrazení lanového mostu se objevuje v Machinae Novae, knize Fausta Veranzia vydané v roce 1615.

Předchůdci moderních lanových mostů se objevili v 19. století v podobě různých hybridních kombinací závěsných systémů s přídavnými diagonálními přímými kabely, jako v případě Albertova mostu ve Velké Británii (1873). Nejznámější z těchto hybridních konstrukcí je Brooklynský most, New York, 1883, s hlavním rozpětím 486 metrů (1594 stop), u něhož John Roebling použil diagonální kabely pro ztužení konstrukce.

V šedesátých a sedmdesátých letech 20. století byl systém dále rozvíjen, aby nahradil mnoho mostů zničených v Německu během druhé světové války. V tomto období se systém používal také pro střešní konstrukce vyžadující dlouhé prostory bez sloupů v budovách. Zpočátku se lanové konstrukce používaly pro rozpětí mostů od 60 do 250 metrů (196 až 820 stop), ale dnes překlenují mnohem větší vzdálenosti a jsou jediným systémem, který v superdlouhých rozpětích konkuruje zavěšeným mostům. Jejich rozpětí vzrostlo na 302 metrů (990 stop) v roce 1959 u Severinského mostu (Německo), na 404 metrů (1 325 stop) v roce 1974 u mostu Saint Nazaire (Francie) a na 856 metrů (2 808 stop) v roce 1995 u Normandského mostu Michela Virlogeux (Francie). Dnes má nejdelší rozpětí tohoto systému Ruský ostrovní most (Rusko), 1 104 metrů (3 622 stop), dosažené v roce 2012 (obrázek 1).

V USA můžeme zmínit druhý most Sunshine Skyway Bridge s rozpětím 366 metrů (1 200 stop) z roku 1987 (Florida), Dames Point Bridge s rozpětím 396 metrů (1 300 stop) na Floridě a Arthur Ravenel Bridge s rozpětím 471 metrů (1 545 stop) z roku 2005 (Jižní Karolína).

Specifika systému

Hlavními prvky lanového mostu jsou věže nebo pylony, mostovka (mostovky), lanové podpěry, kotvení a základy. Věž a pylon jsou zaměnitelné pojmy; lehčí, štíhlé věže se často nazývají pylony. Klasické lanové mosty jsou symetrické s jedním středním rozpětím, dvěma bočními rozpětími a dvěma věžemi; taková je většina lanových mostů s rozpětím nad 600 metrů. Záložní kabely mohou přesahovat několik bočních rozpětí.

Asymetrické lanové mosty mají jedno hlavní a jedno boční rozpětí s jednou věží. Víceramenné lanové mosty mají dvě nebo více (obvykle stejných) hlavních rozpětí. Několik příkladů je znázorněno na obrázku 2.

U lanových mostů se používají některá dílčí dělení: extradisponované, podélné (podpůrné), kolébkové, obrácené Finkovy příhradové a tensegrity. Kabely na věžích mohou být uspořádány v paralelním (harfovém), vějířovém, hvězdicovém nebo smíšeném uspořádání. Pro věže se používají různá konstrukční řešení: jednoduché pylony, dvouramenné portály (svislé, mírně šikmé, volně stojící nebo vzájemně propojené jako portálový rám, s oblouky ve tvaru písmene „A“, „H“, „Y“ nebo obráceného „Y“).

Věže mohou být průběžné nad i pod palubou a podpírat palubu i lana, nebo může horní část podpírat pouze lana, zatímco paluba-nosník je podepřena přímo pilíři. Příklady jsou uvedeny na obrázku 3.

Základní konstrukční materiály používané u lanových mostů jsou:

• Pro paluby: železobetonové nebo předpjaté, kompozitní betonovo-ocelové nebo ortotropní ocelové paluby;
• Pro mostovky:
• Pro věže: ocelové, železobetonové nebo předpjaté, kompozitní ocelobetonové;
• Pro kabely: vysokopevnostní ocelové dráty, obvykle třídy 270 (270 ksi neboli 1 860 MPa), sestavené ze 7 drátů o průměru ⅜ palce (9.5 milimetrů) podle normy ASTM A886, jiných ocelových drátů vyšší třídy, polymerů vyztužených uhlíkovými vlákny (CFRP) nebo kompozitů. V minulosti se používal předpjatý beton, ale je třeba se mu vyhnout, protože se ukázalo, že při některých poruchách, jako je Morandiho most, není bezpečný;
• Pro pilíře a základy: železobeton s pilotami nebo bez nich v závislosti na půdě.

Pro mosty s dlouhým rozpětím, základy na měkkých půdách nebo pro mosty ve vysoce seizmických oblastech je vhodnější použít převážně ocelové konstrukce, aby se snížila vlastní hmotnost a související síly při zemětřesení.

Koncepční návrh

Nejdůležitější částí návrhu mostu je celková koncepce konstrukce a jejích prvků: výběr vhodného konstrukčního systému pro most s ohledem na jeho specifickou funkci, umístění na místě a požadovaná rozpětí. Vhodně zvolená koncepce určuje účinnost a hospodárnost mostu, šetří materiál, náklady a čas výstavby. Dobrá koncepce návrhu minimalizuje problémy a budoucí potíže jak v projekční kanceláři, tak na staveništi.

Pro návrh prvních lanových mostů používali inženýři relativně malý počet kabelů. Po získání větších zkušeností a se zavedením softwaru pro navrhování konstrukcí mohli inženýři použít větší počet kabelových vzpěr, což snížilo nároky na mostovku a vedlo k větší efektivitě a delším rozpětím.

Základy navrhování lanových mostů jsou následující: svislá zatížení na mostovce jsou podporována diagonálními kabelovými vzpěrami, které tato zatížení přenášejí na věže. Na věži jsou vodorovné složky kabelů z hlavního rozpětí v rovnováze se složkami z bočních/přilehlých rozpětí. Věže podpírají a přenášejí svislé zatížení na základy. Podobně jsou kumulativní tlakové vodorovné složky zatížení z hlavního rozpětí v rovnováze s tlakovými složkami zatížení z bočních rozpětí. Celý mostní systém je tedy v rovnováze s převažujícími tlakovými silami ve věžích a systému mostovky a s tahovými silami v lanových podpěrách. Systém je samovyvážený za předpokladu, že jsou všechny prvky správně navrženy tak, aby unesly maximální nároky nejvyšší možné kombinace zatížení.

Úkolem pro projektanta je zvolit vhodnou kombinaci z mnoha možných variant uspořádání věží, lanových podpěr a palubních systémů. Stejně jako všechny zavěšené konstrukce jsou i lanové mosty citlivé na deformace a je nutné kontrolovat deformovaný stav systému pro všechny kombinace zatížení, včetně těch v různých fázích výstavby.

Dnešní software pro navrhování konstrukcí výrazně pomáhá inženýrům při výpočtu lanových mostů. Po volbě hlavních parametrů systému je nezbytné stanovit počáteční rozměry a průřezy mostovky, kabelů a věží. Při stanovení těchto rozměrů pomůže jednoduchý návrhový postup.

Pro začátek může projektant použít náhradní prostě podepřený nosník pro stanovení přibližných ohybových momentů pro hlavní rozpětí mostovky. Předpětí lanových podpěr směrem nahoru může kompenzovat většinu momentů od stálých zatížení na palubě. Toho se dosáhne dodatečným napnutím kabelů po vztyčení hlavních prvků, aby se vyrovnalo trvalé zatížení, což vede k minimálnímu svislému ohybu v palubě-nosníku. Lana by měla být dodatečně napnuta tak, aby působila proti 50 % kombinovaných dočasných zatížení směrem dolů (živá zatížení, vítr, sníh, led a zemětřesení). Tímto způsobem se budou pracovní ohybové momenty palubního nosníku během provozu pohybovat přibližně mezi 50 % kladných momentů (od nejhorší kombinace dočasných zatížení) a 50 % záporných momentů od dočasných zatížení. Tento „první krok“ určuje návrhové momenty pro hlavní rozpětí palubního nosníku. Stlačení v palubním nosníku způsobené vodorovnými složkami sil od kabelových táhel je kumulativní součet těchto složek, přibližně 55 až 65 % celkového svislého zatížení na hlavní rozpětí v závislosti na rozpětí, počtu kabelů a výšce kabelových spojů na věži. Kumulativní tlaková síla (ΣPc) v palubním nosníku se rovná součtu všech tlakových sil Pci na kabelových přípojkách (obrázek 4) na palubě: tahová síla kabelu Pcable = Pv/sin α,

Pci je tlaková síla v palubním nosníku od vodorovné složky kabelové síly,

Pvi je svislá síla DL + LL působící na kabelový spoj u palubního nosníku plus svislá složka dodatečně působící tahové síly,

Li je vodorovná vzdálenost od tohoto spoje k věži a

Ht je výška tohoto kabelového spoje u věže nad palubou.

Zjednodušený počáteční výpočet kumulativní tlakové síly je dán:

kde:

ΣPc je kumulativní tlaková síla v palubním nosníku, maximální u věží,

ΣPv je součet všech svislých sil působících dolů na palubu hlavního rozpětí,

Lmax je délka hlavního rozpětí,

Ht je výška kabelových spojů na věži nad palubou, jak je znázorněno na obrázku 4 pro vějířové nebo harfové uspořádání kabelů, a

Lgr je celková délka skupiny kabelů pro harfové uspořádání.

Součet vodorovných sil všech kabelů na věži (od hlavního rozpětí) se rovná kumulativní tlakové síle v palubním nosníku hlavního rozpětí, vyvážené stejnou silou na opačné straně.

Tyto výpočty umožní konstruktérovi stanovit počáteční návrhové rozměry lan, palubního nosníku a věže, které se použijí v počítačovém modelu pro další úpravy a zdokonalení systému. Palubní nosník musí být navržen na tlak a ohyb od systému lanových podpěr a na typickou konstrukci mostovky pro svislá vlastní a živá zatížení. Výše popsaný počáteční přístup pomůže rychleji dosáhnout požadovaného konečného cíle.

Efektivita a hospodárnost

Mosty s lanovými nosníky jsou efektivní z hlediska nákladů, materiálů a času výstavby. Mají lepší účinnost než jiné mostní systémy, jejichž jediným konkurentem jsou zavěšené systémy, a zároveň umožňují jednodušší metody výstavby. Další výhodou lanových mostů je jejich větší efektivní rozpětí od 100metrových rozpětí (328 stop) až po více než 1 000metrová rozpětí (3 280 stop).

Mnohostranné možnosti tohoto systému poskytují inženýrům a architektům mnoho možností návrhu. Konstrukce „středně dlouhého rozsahu“ umožňují větší kreativitu, originalitu a možnosti pro inovativní práci. Lanový most nemusí být extravagantní. Nejjednodušší most s „upřímnou“ konstrukcí je často nejlepší a bývá elegantní a atraktivní.

Lanové mosty v sobě spojují eleganci, štíhlost a pocit robustnosti. Požadavek národní infrastruktury na větší počet mostů vyžaduje upřednostnění efektivity a hospodárnosti.

Inženýrské umění vyžaduje kreativitu a fantazii, ale inženýři by se měli vyvarovat opakujících se a nelogických tvarů. Kreativita je nezbytná, ale „přílišná originalita“ by se měla vyskytovat pouze v odůvodněných výjimkách (např, Christian Menn a Michel Virlogeux).

Pros a proti

Hlavní výhody systému jsou následující:

• Rychlá a relativně snadná výstavba, která vyžaduje méně času na vybudování
• Méně nákladná
• Více možností provedení
• Velký rozsah účinných rozpětí
• Silné a odolné konstrukce
• Atraktivní vzhled

Hlavní nevýhody systému jsou:

• Stále horší než visuté mosty pro superdlouhá rozpětí
• Vyžaduje kontrolu deformací za všech podmínek
• Vyžaduje zkušenosti s projektováním i výstavbou

Další vývoj

Stejně jako všechny ostatní mostní systémy se i lanové mosty neustále zdokonalují na základě vývoje vysokopevnostních materiálů a nových konstrukčních technologií. Pro inženýry jsou cennější úpravy zavedených konstrukčních systémů a novějších subsystémů. Kromě rostoucího počtu lanových mostů s delšími rozpětími (nad 600 metrů nebo přibližně 2 000 stop) se tento systém stále častěji využívá pro mosty pro pěší. Nižší zatížení a kratší rozpětí umožňují inženýrům zkoumat nové přístupy, čímž se stavba těchto mostů mění v testovací laboratoř pro inovace. Za takové můžeme považovat systémy příhradových podélníků s extradosed, under-spanped a inverted Fink, které jsou orientovány na vyšší účinnost.

Jednou z oblastí dalšího vývoje je snaha o kombinace/hybridy lanových a zavěšených mostních systémů pro dosažení superdlouhých rozpětí. Myšlenka spočívá ve zkrácení délky zavěšeného rozpětí posunutím opěrných bodů zavěšení směrem dovnitř podél rozpětí. Tím se sníží nejen délka zavěšeného rozpětí, ale i potřebná výška věže a zároveň se prodlouží světlé rozpětí. Toho se dosáhne pomocí „kabelových konzolových alternativ“ na mostních věžích, kdy se přidají „palubní“ kabelové pylony (obrázek 5). Při použití konzol o délce 500 metrů (1 640 stop) a lanových pylonů „na palubě“ na každé straně celkového světlého rozpětí 3 000 metrů (9 842 stop) se závěsná část zkrátí na 2 000 metrů (6 561 stop). Takové snížení by umožnilo použít hlavní závěsná lana velikosti a typu těch, která se již používají u mostů, jako je Akashi-Kaikyo o délce 1991 metrů (6 532 stop), pro mnohem delší hlavní rozpětí.

Závěry

Na základě současného technického pokroku a rychlého vývoje mohou lanové mosty v krátké době dosáhnout rozpětí 2400 až 2600 metrů; taková konstrukce bude vyžadovat věže vysoké asi 500 až 570 metrů (1640 až 1870 stop), což je vzhledem k již dokončeným mrakodrapovým konstrukcím dosažitelné. Tím se rozšíří rozsah účinnosti lanových mostů na velmi dlouhá rozpětí nad 2 000 metrů (6 561 stop). Hybridní systém lanových a visutých mostů by umožnil ještě delší rozpětí až 3 000 až 3 400 metrů (9 842 až více než 11 000 stop), zahrnující „čistě“ visutý most o délce „pouze“ 2 200 až 2 400 metrů (7 218 až 7 874 stop).

Na základě účinnosti a výhod lanových konstrukcí by američtí inženýři a dopravní agentury měli při plánování nových projektů uvažovat o větším počtu lanových mostů. Větší využívání lanových mostů může modernizovat infrastrukturu pomocí těchto efektivních, rychleji postavených a elegantních konstrukcí. Větší popularita lanových mostů může také pomoci naší profesi mostního inženýrství získat zpět vedoucí postavení v oblasti navrhování a výstavby mostů s dlouhým rozpětím.■