Mosty z kompozytów odpornych na wstrząsy

most

Mosty są obecnie jednymi w głównych elementów infrastruktury transportowej. Tylko w Stanach Zjednoczonych istnieje 575 tysięcy mostów przy autostradach, a 5 miliardów dolarów z budżetu federalnego jest corocznie przeznaczanych na remonty.

W ciągu kilku ostatnich lat na świecie zaobserwowano wzrost aktywności sejsmicznej, co stanowi ogromne zagrożenie dla wytrzymałości i dobrej kondycji mechanicznej mostów. Trzęsienia ziemi w USA, Japonii, Tajwanie, Chinach, Chile, Turcji powodowały niejednokrotnie zawalenia mostów. Dlatego inżynierowie szukają sposobu, aby zminimalizować wpływ fal sejsmicznych poprzez modyfikację istniejących mostów oraz zastosowanie nowoczesnych materiałów do budowy przyszłych.

Większość mostów obecnie wykonanych jest z żelbetu, czyli kompozytu stali i betonu. Najważniejszymi funkcjami stalowego zbrojenia zalanego betonem jest przenoszenie obciążenia stałego (własnego) oraz użytkowego (transport, piesi).

Beton przenosi naprężenia ściskające, jednak jego wytrzymałość na rozciąganie jest bardzo mała. Stal w kompozycie żelbetowym przenosi głównie naprężenia rozciągające, choć często stosuje się zbrojenie ściskane. Takie połączenie stali i betonu pozwala konstruować nie tylko mosty ale i budynki. Często spotyka się zbrojenie w postaci prętów, lin, strun, kabli i siatek. Właściwa współpraca betonu i stali w konstrukcji możliwa jest dzięki przyczepności betonu do stali (w celu jej zwiększenia stosuje się pręty żebrowane) oraz zbliżonej rozszerzalności termicznej obu materiałów.

Kombinacja ta jest wygodna i ekonomiczna, jednak mosty z betonu i stali nie wytrzymują silnych trzęsień ziemi (7,0 lub wyższej w skali Richtera). Konwencjonalne żelbetowe kolumny podczas trzęsienia ziemi mogą zostać trwale odkształcone i uszkodzone, przez co stają się niebezpieczne i bezużyteczne dla użytkowników.

Dzięki finansowaniu z National Science Foundation (NSF) i z pomocą Network for Earthquake Engineering Simulation (NEES) inżynier M. Saiid Saiidi z University of Nevada (UNR) wraz z kolegami opracował rozwiązanie. Wykorzystali m.in. tzw. materiały inteligentne jako alternatywę dla stali i betonu w mostach.

Alternatywa dla stali to materiały z pamięcią kształtu (z ang. shape memory alloys – SMA), których unikalne zdolności pozwalają na powrót materiału do kształtu wyjściowego po wcześniejszym podgrzaniu lub poddaniu działania pola magnetycznego.

Stop tytanu i niklu (NiTi), czyli popularny nitinol, został przetestowany przez naukowców z UNR pod względem przydatności do budowy mostów. Stopy NiTi posiadają unikalne zdolności nawet wśród materiałów SMA. Podczas, gdy większość materiałów z pamięcią kształtu jest wrażliwa tylko na zmiany temperatury, nitinol jest dodaktowo superelastyczny. Oznacza to, że wartości naprężenia zbrojenia pozostają w przybliżeniu na tym samym poziomie aż do momentu deformacji drutu. Proces ten nie jest wywołany przez temperaturę tylko przez naprężenia odkształcające. Naprężenia generowane podczas trzęsienia mogą być absorbowane, a materiał może powrócić do pierwotnego kształtu. W rzeczywistości, superelastyczność NiTi jest od 10 do 30 razy większa od elastyczności stali.

Stopy nitinolu do tej pory były stosowane przy produkcji drutów łukowych, stentów, elementów do leczenie złamań, w chirurgi, w czujnikach temperatury, elementach ruchomych mechanizmów (np. dłonie robota, siłowniki), silnikach cieplnych, urządzeniach dźwigowych, a nawet zabawek. A od teraz, w inżynierii sejsmicznej.

Aby ocenić wydajność niklowo-tytanowych mostów, badacze analizowali trzy rodzaje kolumn mostowych: tradycyjnej ze stali i betonu, NiTi i betonu oraz, NiTi i kompozytów ECC (z ang. engineered cementitious composites – inżynieryjne kompozyty cementowe), które zawierają cement, piasek, wodę, włókna i inne substancje chemiczne. W celu wzmocnienia betonu inżynierowie użyli włókien szklanych oraz CRFP (tworzyw wzmacnianych włóknem węglowym). Oba materiały znacznie wzmocniły betonowe kolumny, które przetrwały symulację silnego trzęsienia tylko z drobnymi uszkodzeniami.

Najpierw naukowcy modelowali i testowali kolumny w programie OpenSEES (symulatorze trzęsienia ziemi opracowanym na University of California). Następnie zbudowali i testowali kolumny na stole wstrząsowym NEES. Wyniki modelowania oraz testów przeprowadzonych na stole wstrząsowym wykazały, że najbardziej wytrzymała była kolumna zbudowana z połączenia NiTi/ECC.

Inżynierowie obliczyli, że początkowe koszty typowego mostu wykonanego z nitinolowego zbrojenia oraz ECC będą około 3% wyższe niż koszty wykonania konwencjonalnego mostu. Jednak oszczędności na późniejszych kosztach utrzymania będą znacząco większe.

Źródło:
[1] http://www.nsf.gov/discoveries/disc_summ.jsp?cntn_id=128937 | 30.08.2013
[2] http://pl.wikipedia.org/wiki/%C5%BBelbet | 30.08.2013
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel_titanium | 30.08.2013
[4] Bridge / 橋(はし) by TANAKA Juuyoh (田中十洋), flickr.com, CC BY 2.0

3 komentarze
  1. BR Odpowiedz

    „Inżynierowie obliczyli, że początkowe koszty typowego mostu wykonanego z nitinolowego zbrojenia oraz ECC będą około 3% wyższe niż koszty wykonania konwencjonalnego mostu.”

    Czy aby na pewno zastąpienie „zwykłego”, taniego betonu i „zwykłej” stali, nowoczesnym stopem niklu i tytanu (sam tytan jest bardzo drogi, nie mówiąc już o wytworzeniu stopu nitinolu, który[jako proces] jest dość kosztowny i o wiele bardziej wymagający/skomplikowany niż wytworzenie stopu normalnej stali) oraz kompozytem cementowym z włóknami węglowymi, zmieni koszty wykonania owej konstrukcji mostu o MARNE 3% ? Czy to aby troszkę nie za mało? Gdyby to były faktycznie 3% to nie wiem czy w ogóle by wspominano o jakiejkolwiek różnicy w kosztach i nie nazwano projektów identycznymi w zakresie kosztów.
    To ja w takim razie chętnie wymienię stal na nitinol, a beton na nowoczesny kompozytowy cement z włóknami węglowymi jeśli ktoś jest chętny ;).

    • Marcin Włudyka Odpowiedz

      Tak podaje źródło. Późniejsze, niższe koszty utrzymania w stosunku do ceny obsługi mostów tradycyjnych powodują tak niewielką procentową różnicę w ogólnej wartości. Niestety, autorzy oryginalnej informacji nie podali dokładnego okresu czasu, jaki inżynierowie wzięli pod uwagę.

  2. BR Odpowiedz

    „…While the initial cost of a typical bridge made of nickel titanium and ECC would be about 3 percent higher than the cost of a conventional bridge, the bridge’s lifetime cost would decrease. …”

    Faktycznie tak napisali, jednak wydaje mi się, że zgubili z dwa zera przy tej trójce.
    Chodzi o to, że gdyby most z NiTi był tylko 3% droższy w wykonaniu („initial cost” – koszt początkowy, czyli koszt postawienia owego mostu) to już by takie mosty budowano bez zbędnych dywagacji. 3% z kilkuset milionów to „grosze”… biorąc to tak na „chłopski rozum” (bo ekspertem nie jestem) wykonanie takiego mostu z surowców hi-tech pewnie kosztuje 3x tyle co zwykłego, żelbetowego, czyli powinno być jakieś 300%, a nie 3%.

    Szkoda, bo widzę, że nie da rady zbytnio tego wiarygodnie sprostować, skoro w oryginale wkradł się najprawdopodobniej jakiś błąd. Nie mniej jednak bardzo ciekawy artykuł jak i cała strona.
    Pozdrawiam i dziękuję za miłą lekturę.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *