Mosty wiszące w międzynarodowych patentach, cz. 1

W Stanach Zjednoczonych od 2012 r. patenty przyznawane są na 20 lat z możliwością przedłużenia na kolejne lata, w Polsce to maksymalnie 20 lat od daty zgłoszenia. Patent jest ważny w kraju, w którym został wydany, ale istnieje możliwość uzyskania ochrony wynalazku w innych krajach świata. Po okresie wygaśnięcia patentu staje się on dobrem publicznym, a tym samym przyczynia się do powszechnego rozwoju techniczno-technologicznego. Jest wiele powodów, dla których patenty są zgłaszane do urzędów patentowych. Jest to ochrona rozwiązań przed nieautoryzowanym wykorzystaniem przez osoby lub firmy, komercjalizacja wynalazku, a więc zwiększenie zysków, wzrost wartości rynkowej asygnowanej firmy, kontrolowanie działań konkurencji w danej dziedzinie czy wreszcie podniesienie prestiżu wynalazcy. W USA w 2023 r. wydano blisko 350 tys. patentów (ryc. 1), dla porównania w tym samym roku w Polsce było to skromne 2208 patentów (ryc. 2). Zastanawiająca jest tak ogromna dysproporcja. Zapewne przyczyn jest wiele i nie wiążą się one wyłącznie z brakiem innowacyjności lub inżynieryjnej kreatywności w naszym kraju.

Rozwiązania techniczne i technologiczne opisywane w patentach są publikowane w ogólnodostępnych bazach danych krajowych biur patentowych. Choć stanowią istotny zasób wiedzy w danej dziedzinie techniki i technologii, są w dużej mierze niezauważane i niedoceniane przez inżynierów, naukowców. studentów. Zawarta w nich wiedza techniczna jest często bagatelizowana, mimo że może być inspiracją dla nowych pomysłów i rozwiązań czy też znacznym zaoszczędzeniem czasu i pieniędzy na odkrywanie rozwiązań już istniejących. Ponadto patenty dokładnie opisują tło techniczne, uzasadniają ich powstanie, co z kolei przyczynia się do wzbogacenia wiedzy w danej dziedzinie.

We współczesnym konkurencyjnym świecie patenty odgrywają również ważną rolę jako wiążące dokumenty prawne, które bezpośrednio wpływają na wartość komercyjną firm. Dobrym przykładem są firmy farmaceutyczne i softwarowe. Zarejestrowane i wydane patenty można odszukać w takich wyszukiwarkach, jak np. EPO Espacenet (europejska baza danych), USPTO (USA), UPRP (Polska) czy też na stronie Google Patents (międzynarodowa baza danych).

W artykułach publikowanych przeze mnie w „Nowoczesnym Budownictwie Inżynieryjnym” dotyczących historii mostów wiszących, płyt ortotropowych, mostów o długich przęsłach czy w opisie konkretnych konstrukcji mostowych przedstawiłem niektóre patenty amerykańskie, brytyjskie i niemieckie. Ich zaprezentowanie nie było wiodącym tematem artykułu, a jedynie uzupełnieniem bądź informacją techniczną. Dlatego w kolejnych częściach tego artykułu spróbuję dokonać przeglądu niektórych patentów konstrukcji mostów wiszących w aspekcie historycznym, wydawanych w USA, Chinach, Wielkiej Brytanii, Francji, Niemczech, Japonii i Korei Południowej. Oczywiście nie jest możliwe omówienie wszystkich opatentowanych rozwiązań w tej dziedzinie, gdyż są one liczone w dziesiątkach tysięcy na świecie. Istotne natomiast jest wskazanie takich rozwiązań, choć wybór jest całkowicie subiektywny, które znacząco przyczyniły się do rozwoju konstrukcji mostów wiszących. Ponadto sądzę, że należałoby również wspomnieć o tych rozwiązaniach, które z różnych powodów nie zostały zrealizowane, a są niezwykle oryginalne i inspirujące na tle pozostałych.

Patenty i bibliografia piśmiennictwa z zakresu konstrukcji mostów wiszących

Konstrukcja mostu wiszącego składa się z pylonów (wież), pomostu (belki mostowej), głównych kabli nośnych, bloków kotwiących kable nośne, lin wieszakowych i ukośnych lin odciągowych. Przeważająca część patentów dotyczy projektowania, wykonania i technologii montażu tych części mostów. Niewątpliwym impulsem do tworzenia nowych, często innowacyjnych rozwiązań jest rosnąca rozpiętość przęsła głównego mostu wiszącego i związane z tym zapewnienie bezpieczeństwa oraz opłacalności budowy. Można przytoczyć wiele przykładów potencjalnych przepraw o rozpiętości przekraczającej 1000 m, które nie zostały zrealizowane z powodu wysokich kosztów, np. mosty nad Cieśniną Gibraltarską lub Cieśniną Mesyńską. Na terenie Polski takim przykładem jest most Tczewski (1857) [1]. Carl Lentze (1801–1883), główny projektant przeprawy kolejowej nad Wisłą w Tczewie (niem. Dirschau), pierwotnie rozpatrywał budowę mostu wiszącego o rozpiętości 158 m, jednak z powodu wysokich kosztów zrezygnował z jego budowy i przyjął koncepcję mostu kratowego, wzorowanego na walijskim moście Britannia. Niestety żadna dokumentacja lub ilustracje mostu wiszącego nie przetrwały do dziś, jednak możliwe, że Lentze projektował most wiszący, bazując na własnych planach mostu nad Renem w Kolonii (1849).

Jednym ze sposobów obniżenia kosztów budowy jest zmniejszenie masy własnej mostu wiszącego przy jednoczesnym zachowaniu jego wytrzymałości i stabilności aerodynamicznej. Nadrzędnym warunkiem konstrukcji jest to, aby była zbudowana w sposób przewidywalny i racjonalny, spełniając bezkompromisowo wymagania dotyczące bezpieczeństwa w szerokim tego słowa znaczeniu przez okres co najmniej stuletniej eksploatacji.

Tragedia mostu Tacoma Narrows w 1940 r. zwróciła uwagę inżynierów na zachowanie się długich przęseł mostów wiszących w warunkach silnego wiatru. Część ich wynalazków dotyczy kontrolowania drgań mostu przez wprowadzenie różnego rodzaju technicznych rozwiązań do ich tłumienia.

Pomocną wskazówką dotyczącą zakresu rozwoju współczesnych mostów wiszących, w tym ewidencji amerykańskich patentów, jest praca Arne Arthura Jakkula (1904–1953) A History of Suspension Bridges in Bibliographical Form (1941) [2]. Jest to pierwsze opracowanie, w którym próbuje się usystematyzować ewolucję tych konstrukcji na podstawie dostępnych, publikowanych informacji, od momentu pojawienia się pierwszych konstrukcji wiszących do 1940 r., a więc w okresie pierwszych 130 lat rozwoju współczesnych mostów wiszących. Informacje bibliograficzne zostały zebrane w siedmiu działach: konstrukcje niemetalowe, konstrukcje metalowe, rozwój mostów wiszących, konstrukcja, budowa, teoria, materiały i badania oraz projektowanie. W trzecim dziale poświęconym rozwojowi mostów wiszących znajdują się m.in. odniesienia i informacje dotyczące patentów, wynalazków i nowych innowacji z zakresu konstrukcji mostów wiszących. Opracowanie to obejmuje tylko amerykańskie patenty i zawiera zasadniczo podstawowe informacje o mostach. Szczegółowe opisy są dostępne po odszukaniu podanego numeru patentu w bazie danych amerykańskiego urzędu patentowego. We wstępie tego opracowania autor pisze: „Zanim nastąpi rzeczywisty postęp w nauce jakiejkolwiek gałęzi inżynierii, student musi wiedzieć, gdzie znaleźć to, co zostało napisane na ten temat i dowiedzieć się czegoś o historii swojej gałęzi specjalizacji. Oznacza to, że bibliografia publikowanych materiałów na jakiś szczególny temat staje się życiową koniecznością. W niniejszym opracowaniu podjęto próbę dostarczenia takiej bibliografii z zakresu mostów wiszących i chociaż wiadomo, że nie jest ona kompletna – ponieważ takie badania nigdy nie są kompletne – uważa się, że jest zdecydowanie najpełniejsza, jaka została do tej pory zebrana” [2]. Trzeba jednak przyznać, że w dobie współczesnego rozwoju Internetu i szerokiej dostępności do informacji technicznych online, studiowanie konstrukcji mostowych na świecie stało się nieskomplikowane i nadzwyczajnie oszczędzające czas w poszukiwaniu informacji w książkach, czasopismach czy innych źródłach. Bez wątpienia postęp komputerowo-informatyczny nie dezawuuje celu pracy wykonanej przez Jakkulę i dla zainteresowanych mostami stanowi nieocenione, usystematyzowane źródło wiedzy techniczno-historycznej. Jako ciekawostkę warto dodać, że Jakkula był doktorantem prof. Stephena Timoshenki na Uniwersytecie Michigan (1934) i jest autorem pracy doktorskiej „The Theory of the Suspension Bridge” (1936).

Patent Jamesa Finleya

O pierwszym patencie wydanym przez amerykańskie biuro dla mostu wiszącego, który otrzymał James Finley (1756–1828), pisałem w artykule poświęconym dwustuletniej historii mostów wiszących [3]. Niestety oryginał patentu z lat 1808/1810 nie zachował się, podobnie jak setki innych patentów, które spłonęły w pożarze budynku biura patentowego w 1836 r. Opis mostu znamy jedynie z zachowanych listów Finleya. W 2008 r. Muzeum Historii stanu Pensylwania ufundowało i umieściło przed biblioteką w miejscowości Uniontown tablicę pamiątkową poświęconą Jamesowi Finleyowi, która honoruje autora pierwszego amerykańskiego patentu mostu wiszącego (ryc. 3).

Zamieszczony szkic (ryc. 4) autorstwa Williama Stricklanda w czasopiśmie „The Port Folio” (1810) jest jednym z nielicznych szkiców mostu Findleya wraz z elementami mocowania łańcucha nośnego w Falls of Schuylkill. Konstrukcja mostu o długości 93 m i szerokości 5,5 m powstała w 1808 r. i wymiarami była zbliżona do pierwszego mostu Finleya zbudowanego w pobliżu Jacobs Creek w Pensylwanii.

Patenty Johanna A. Roeblinga

Johann August Roebling (1806–1869), projektant i inżynier, budowniczy mostów Niagara Falls (1855), Cincinnati – Covington (1867) i autor projektu mostu Brooklińskiego (1883), uzyskał dwa amerykańskie patenty – w 1846 r. (US 4710; ryc. 5) i w 1847 r. (US 4945; ryc. 6). 

Patent US 4710 dotyczy nowej metody zakotwienia kabli i łańcuchów mostu wiszącego w miejscach, gdzie nie ma twardego podłoża, takiego jak skały. Z tego też powodu konieczne było wybudowanie muru, bloku oporowego dla przeciwdziałania siłom powstałym w kablach nośnych.

Roebling, opisując nowe rozwiązanie, zaznaczył: „Mój plan zakotwienia różni się bardzo istotnie od dotychczasowego sposobu. Stosuje się go głównie dla takich lokalizacji, gdzie nie ma skały i gdzie trzeba wykonać sztuczne zakotwienie. W większości przypadków praktyka polegała na opieraniu się naciskowi płyt kotwiących, do których przymocowane są łańcuchy lub liny i które ciągnęło się pod ziemią w prostej linii, bezpośrednio przez dużą masę litego muru, zbudowanego albo w formie łuków, albo prostych ścian, i opierającego się o przyczółki, na których stoją wieże podtrzymujące łańcuchy lub kable. W tym przypadku nacisk przenoszony jest na niewielką powierzchnię kamiennego muru, który musi być wykonany z dużą starannością i z najlepszego materiału, aby zapobiec pęknięciu płyty kotwiącej i nieregularnemu osiadaniu muru. A ponieważ podstawa tego muru jest niewielka, jego długość musi być proporcjonalnie duża, aby zapewnić niezbędny opór. W miejsce bezpośredniego oparcia płyty kotwiącej na ścianę kamienną stosuję w mojej metodzie system belek, które służą jako fundament dla muru powyżej, rozprowadzają duży nacisk płyt kotwiących na dużej powierzchni murów, zmniejszając tym samym jego długość lub głębokość, a dzięki swojej podatności i sprężystości zapobiegają pękaniu płyt kotwiących. Wolę wyginać łańcuchy lub kable pod ziemią, zamiast ciągnąć je prosto. Zgodnie z moją praktyką otaczam całe żelazo pod ziemią cementem i zamurowuję je solidnym murem, zamiast pozostawiać otwarty kanał, jak ma to miejsce w przypadku większości mostów wiszących. Cement, którym otaczam łańcuchy lub kable, skutecznie chroni je przed rdzewieniem” [4].

Roebling w zgłoszeniu patentu podaje przykłady zrealizowanych konstrukcji, w których jego rozwiązanie miało już zastosowanie. Dla potwierdzenia sprawdzonej metody przywołuje most wiszący First Point nad rzeką Monongahela w Pittsburghu i konstrukcje akweduktów, nad budową których prowadził nadzór inżynieryjny.

W kolejnym patencie uzyskanym rok później (US 4945) opisuje, posługując się załączonymi rysunkami, metodę montażu kabli wiszących nad rzeką lub doliną. Przedstawia sposób układania stalowych drutów między pylonami z zastosowaniem „latającego”, drewnianego koła, przeciąganego za pomocą tymczasowej, pomocniczej liny. W uzupełnieniu tego rozwiązania należy nadmienić, że podobny pomysł zademonstrował ponad dekadę wcześniej francuski inżynier Louis-Joseph Vicat (1786–1861), który udoskonalił budowę kabli nośnych z pojedynczych drutów w mostach wiszących Marca Seguina we Francji [3].

Patent Leona Moisseiffa i Fredericka Lienharda

Leon Moisseiff i Frederick Lienhard, autorzy udoskonalonej teorii mostów wiszących, w patencie US 2178147 (ryc. 7) z 1939 r. doprecyzowali rozwiązanie Roeblinga zakotwienia kabli nośnych, wprowadzając indywidualną regulację splotów kabli nośnych i innowacyjną metodę ich naciągu. Wynalazcy napisali, że głównym celem tego rozwiązania jest zapewnienie prostego i kompaktowego zakotwienia, w którym kąt rozwarcia zostanie zredukowany do minimum, utrzymując tym samym maksymalne wygięcia dowolnego splotu w granicach zakresu sprężystości. Ponadto celem jest też zapewnienie takiego zakotwienia, w którym końce kabli głównych będą łatwo dostępne do napinania splotów w takiej kolejności, aby zapobiec przekrzywieniu i niezrównoważonym naprężeniom.

Patent Jacoba Londona

Projekt mostu Tacoma Narrows, w którym głębokość pomostu wraz z usztywnieniem została zredukowana do minimum z powodu oszczędności finansowych, implementował dużą elastyczność pomostu, a w związku z tym dużą amplitudę pionowego ugięcia przęsła środkowego. W celu redukcji oscylacji kratownic usztywniających i belek pomostu powstałych pod wpływem wiatru, ruchu samochodowego lub zmian temperatury Jacob London w patencie US 2217593 (ryc. 8) przedstawił rozwiązanie tego problemu. Przewiduje ono zastosowanie sztywnych, ukośnych rozpór lub odciągów od pylonów do lin nośnych oraz usztywnienie pomostu podobnymi odciągami w środkowej części przęsła, gdzie kabel nośny znajduje się w najniższym, parabolicznym położeniu. Była to pierwsza próba poprawy zachowania się stosunkowo wiotkiego pomostu znajdującego się pod wpływem obciążeń dynamiczno-statycznych.

Interesujący jest fakt zastosowania koncepcji usztywnienia kabli nośnych przez sztywne powiązanie środkowego przęsła w najniższym jego punkcie z pomostem w kolejnych wiszących mostach Tacoma Narrows (1950, 2007). Podobne rozwiązanie zastosowano w mostach wiszących Bay (1937) i Carquinez nad Zatoką San Francisco (2003), wzdłuż drogi I-80. Jednak co ciekawe, nie mają tego rozwiązania najdłuższe mosty wiszące w USA, takie jak Verrazzano (1964), Golden Gate (1937) i Mackinac (1957).

Patent Holtona Robinsona i Davida Steinmana

Wkrótce po tragedii mostu Tacoma Narrows Holton Robinson i David Steinman zgłosili wniosek i uzyskali patent US 2333391 (ryc. 9) na rozwiązanie aerodynamicznej stabilizacji mostów wiszących. Przedstawiona w patencie analiza przepływu powietrza przez konstrukcję usztywnień i jezdni nawiązuje bezpośrednio do rozwiązania w patencie Jacoba Londona, jednak nie koncentruje się na wzmocnieniu olinowania, a na redukcji ciśnienia wiatru wokół usztywnienia i jezdni mostu. Autorzy patentu sugerują wprowadzenie w jezdni szczelin, otworów pokrytych siatką lub ażurowymi konstrukcjami w sąsiedztwie lub bardzo blisko zewnętrznych, pionowych powierzchni podatnych na wiatr. Ponadto wynalazek zakłada wykonanie gretingów dla chodników lub podłużnych części krawędziowych, w wyniku czego ciśnienie na górnej i dolnej powierzchni podwieszonej jezdni mostu będzie wyrównane. Robinson i Steinman uważali, że okratowane otwory lub szczeliny są pożądane w innych obszarach jezdni zawieszonej konstrukcji, głównie wzdłuż całej jezdni. Twierdzili, że ich rozwiązanie stanowi prostą i niedrogą metodę zapewnienia stabilności aerodynamicznej mostu wiszącego, polegającą na zapewnieniu swobodnego przepływu powietrza w wybranych obszarach przez konstrukcję jezdni mostu wiszącego.

Warto w tym miejscu przypomnieć, że wnioskowane rozwiązanie zostało zastosowane w późniejszych projektach firmy Steinmana dla mostów Mackinac (USA) i ponte de 25 Abril (Portugalia) [5]. Niestety skutkiem ubocznym wprowadzenia ażurowej konstrukcji na pasach jezdni jest nieznośnie wysokie natężenie hałasu od kół samochodowych podczas jazdy po gretingach. W środowisku miejskim, jak np. w Lizbonie, nieustanny, wysoki poziom hałasu jest niezwykle męczący dla mieszkańców okolicznych domów oraz turystów zwiedzających miasto.

Patent George’a A. Maneya

Problemem usztywnienia olinowania i pomostu zajął się również George Alfred Maney w patencie US 2380183 (ryc. 10). W środkowej części mostu wiszącego zaprezentował nowy rodzaj konfiguracji lin wieszakowych, wzmocnionych siatką pionowych, diagonalnych rozpór i odciągów pomiędzy kablami nośnymi i konstrukcją pomostu. Argumentował to tym, że pomimo braku elementów poddawanych ściskaniu wynalazek zapewnia dużą sztywność dynamiczną w stosunku do drgań rezonansowych w płaszczyźnie pionowej i uodparnia mosty wiszące na złożone drgania spowodowane wirami von Karmana. Oprócz zalet ekonomicznych ma też zredukować falowanie w płaszczyźnie pionowej i złożone drgania rezonansowe do niewielkich, pomijalnych wartości. Według autora patentu przedstawione rozwiązanie demonstruje konstrukcję wytrzymałą i niezawodną w użytkowaniu, wolną od drgań rezonansowych wywołanych przez obciążenia ruchome lub od zmieniającego się natężenia wiatru. Ponadto eliminuje niebezpieczeństwo wibracji aerodynamicznych i kreuje mechanizm, w którym wszystkie siły nośne powstałe przy zmiennych kątach natarcia wiatru są zerowe lub ujemne w usztywnieniu mostu.

Patent Ulricha i Klemensa Finsterwalderów oraz Hansa Stefaniaka

Inne podejście do zawieszenia pomostu w konstrukcjach wiszących prezentują Ulrich Finsterwalder i jego syn Klemens oraz Hans Stefaniak w patencie US 3673624 (ryc. 11) z 1972 r. Przywołując patent Gilberta Robertsa (US 3132363) dotyczący skrzynkowego i opływowego pomostu oraz ukośnych lin wieszakowych, wprowadzili koncept pojedynczego kabla nośnego umieszczonego w osi mostu. Autorzy wynalazku w celu zmniejszenia wpływu połączonych drgań zginających i skrętnych na stabilność mostu wiszącego zaproponowali opływowy kształt pomostu jako belki usztywniającej, która podtrzymywana jest przez pionowe liny wieszakowe wzdłuż całej długości przęsła środkowego.

Zamocowanie lin wieszakowych do pomostu jest przegubowe lub elastyczne, dzięki czemu może on wykonywać ruchy kołysania wzdłuż podłużnej osi mostu. Liny wieszakowe są montowane do głównego kabla ułożonego w pionowej, środkowej płaszczyźnie mostu. Po obu stronach pomostu przewidziano perforowane, metalowe osłony o wysokości połowy wysokości pomostu, których konstrukcja, według autorów wynalazku, będzie eliminować oscylacje od zginania i skręcania. Ponadto wynalazcy preferują żelbetowe pylony w kształcie litery A, wzmocnione odciągami oporowymi po stronie przęseł bocznych. Sploty kabla nośnego, według patentu, będą skrzyżowane ze splotami kabli oporowych i zostaną zabetonowane w fundamentach po stronie przęseł bocznych.

Warto doprecyzować, że koncepcja monokabla nośnego dla mostu wiszącego została przedstawiona dekadę wcześniej przez prof. Fritza Leonhardta podczas konkursu na projekt mostu wiszącego w Lizbonie. W jego rozwiązaniu liny wieszakowe odchodzące od kabla nośnego znajdującego się w osi symetrii mostu były poprowadzone skośnie do krawędzi opływowego pomostu.

Patent Tadakiego Kawady i Kemichiego Maedy

Interesujące podejście do przeciwdziałania nadmiernym oscylacjom aerodynamicznym wiszących mostów z opływowym, skrzynkowym pomostem jak w patencie Gilberta Robertsa (kanadyjski patent CA 678259) przedstawili Tadaki Kawada i Kemichi Maeda (US 4665578; ryc. 12). Kawada jest autorem popularnej książki History of the modern suspension bridge: solving the dilemma between economy and stiffness [6]. Autorzy patentu, dostrzegając wiele zalet rozwiązania Robertsa zastosowanego w budowie mostu Severn, zwrócili uwagę na niedostateczny ciężar pomostu. Według nich lekka, smukła, skrzynkowa konstrukcja pogarsza zdolność tłumienia wibracji konstrukcji, a stosunkowo duże naprężenia wielokrotnie działające na wieszaki i dźwigar powodują ich uszkodzenie. Szczegółowo te uszkodzenia i badania na przykładzie mostu Severn Kawada opisał we wspomnianej wyżej publikacji. Aby przeciwdziałać tym zjawiskom, autorzy patentu zaproponowali umieszczenie dodatkowej masy, np. w postaci wody, betonu lub piasku, wewnątrz zamkniętej konstrukcji pomostu. Rozmieszczenie dodatkowej masy byłoby symetryczne wzdłuż podłużnej osi mostu, tak jak na szkicach załączonych do patentu. Zdaniem wynalazców proponowane rozwiązanie poprawia sztywność skrętną opływowego pomostu przez dodanie masy, która nie przyczynia się bezpośrednio do jego wytrzymałości. Ponadto autorzy, powołując się na eksperymenty w tunelu aerodynamicznym, stwierdzili, że prędkość początkową dla drgań zginająco-skrętnych można poprawić przez zwiększenie sztywności skrętnej przy jednoczesnym pełnym wykorzystaniu zalet ekonomicznych opływowego dźwigara skrzynkowego.

Patent Giorgia Diany

Inaczej do problemu zachowania się mostu wiszącego w warunkach trzepotania, czyli w warunkach, kiedy most podany jest odkształceniom zginająco-skrętnym, podszedł Giorgio Diana, profesor mechaniki stosowanej na Politechnice Mediolańskiej, autor patentu US 4741063 (ryc. 13). Zgodnie z wynalazkiem do konstrukcji mostu na sztywno przyłączone są profilowane, sterujące skrzydła o aerodynamicznym działaniu.

Sterujące skrzydła mają symetryczny profil i są zamocowane tuż pod bocznymi krawędziami konstrukcji mostu, przy czym ich płaszczyzna symetrii jest nachylona względem płaszczyzny poziomej pomostu. Do każdego sterującego skrzydła przypisana jest inna, niepodnosząca, aerodynamiczna powierzchnia sterująca, np. krata, działająca zasadniczo w taki sposób, aby odchylić strumień wiatru. Podobne aerodynamiczne, sterujące skrzydła mogą być zamontowane powyżej pomostu, po obu jego stronach, na wysokości powyżej maksymalnej wysokości stałej konstrukcji pomostu, jak również powyżej wysokości pojazdów poruszających się po tym moście. Zgodnie z podstawową cechą wynalazku wszystkie sterujące skrzydła są stabilnie i sztywno zamocowane do konstrukcji zawieszenia mostu, tak aby tworzyć z mostem całość zdolną do dynamicznej reakcji w jednolity sposób na naprężenia określone przez wiatr.

Patent Tadakiego Kawady i współpracowników

Tadaki Kawada w nawiązaniu do swojego wcześniejszego patentu US 5539946 z 1996 r. uzyskał wraz ze współpracownikami dwa lata później patent US 5784739 (ryc. 14), którego celem jest przeciwdziałanie skutkom silnych burz i wiatrów w obszarze mostów wiszących o przęsłach środkowych przekraczających 2000 m.

Proponowane rozwiązanie ma na celu stworzenie mechanizmu tłumienia drgań pionowych i skrętnych w usztywniającym dźwigarze mostu wiszącego o bardzo długich przęsłach. Elementem stabilności, według autorów, jest dodatkowa masa umieszczona w środkowej części przęsła środkowego, po stronie nawietrznej mostu, na długości równej lub mniejszej 1/3 rozpiętości środkowego przęsła, tak aby masa osiągała 30% lub mniej ciężaru belki usztywniającej. Jednym z rozwiązań dodatkowej masy jest wykorzystanie zbiorników wodnych, z których każdy wyposażony jest w pompę i zawory. Są one rozmieszczone w usztywniającym dźwigarze na obu końcach wspomnianej środkowej części przęsła. W zależności od kierunku silnego wiatru woda w zbiornikach jest przepompowywana z jednej na drugą stronę przęsła. Dla zredukowania ciężaru proponowanej instalacji wodnej autorzy zasugerowali zastosowanie lekkich materiałów, takich jak plastik lub inne tworzywa sztuczne.

W normalnych warunkach atmosferycznych zbiorniki wodne dodatkowej masy są puste. Jeśli prognozowany jest tajfun lub cyklon, wtedy woda jest dostarczana do jednego ze zbiorników przez instalację wodną i zatrzymywana w nim przez okres trwania burzliwej pogody. Gdy ustalona ilość wody zgromadzi się wewnątrz zbiornika, woda z rury jest wypompowana w kierunku końców mostu w taki sposób, że woda gromadzi się tylko w zbiorniku. Po przejściu burzy zbiorniki są opróżniane. Opisany mechanizm działania dodatkowej masy wprowadzonej do dźwigara mostu jest podobny do stosowanego na statkach pasażerskich podczas sztormowej pogody, gdzie używa się zbiorników balastowych do zmninimalizowania bocznych przechyłów statku. Zaprezentowany w patencie koncept przewiduje ponadto dodatkowe poprzeczne podpory umieszczone po obu stronach końców masy dodatkowej w odległości 1/4 od pylonów. Można przypuszczać, że podpory te służą do odciążenia lin wieszakowych w miejscu dodatkowej masy w dźwigarze.

Patent firmy Hitashi Zosen

Inny patent japońskich inżynierów z firmy Hitashi Zosen, obecnie Kanadevia Corporation, US 5850652 (ryc. 15) z 1998 r. również koncentruje się na redukcji drgań dźwigara mostu wiszącego. Proponowane rozwiązanie sugeruje wprowadzenie do standardowego systemu zawieszenia kabli głównych pomostu dodatkowo lin wantowych. Zastosowanie hybrydowego, linowego systemu zawieszenia w mostach wiszących nie jest nowe. Johann A. Roebling wprowadził takie rozwiązanie podparcia pomostu mostu Brooklińskiego (1883), jednak kable wantowe zostały poprowadzone promieniście ze szczytów katedralnych pylonów w miejscu przechodzenia przez nie kabli głównych.

Innowacyjność patentu polega na tym, że liny wantowe rozchodzą się promieniście od wielopoziomowych, górnych rygli pylonowych w osi mostu do zewnętrznych krawędzi dźwigara. Dodatkowo patent wprowadza krzyżowe odciągi w środkowej części przęsła środkowego.

W nawiązaniu do tego patentu należy wspomnieć o hybrydowej konstrukcji mostu wiszącego Yavuz Sultan Selim (most Selima Groźnego, także Trzeci Most Bosforski, 2016), zaprojektowanego przez Michela Virlogeux i Jeana-François Kleina. Konstrukcja została określona przez autorów projektu jako wysoce sztywna HRSB (highly rigid suspension bridge), stąd możliwość poprowadzenia po niej ruchu kolejowego. Szeroki, opływowy, skrzynkowy pomost jest podtrzymywany przez trzy rodzaje olinowania: wantowy, wantowo-wieszakowy i wieszakowy [7].

Patent Uwe Starosseka

Kolejnym wynalazkiem mającym rozwiązać problem drgań superdługich mostów wiszących jest koncept urządzenia tłumiącego przedstawiony przez Uwe Starosseka (US 10196785; ryc. 16 i 17) z 2019 r. Jest to modyfikacja opisanego powyżej patentu US 4741063 (EP 0233528). Na podstawie badań modelowych autor stwierdził, że zaprezentowana konstrukcja podpartego, profilowanego skrzydła tłumiącego jest najbardziej efektywnym i niezawodnym sposobem zredukowania drgań zginająco-skrętnych mostu pod wpływem wiatru. Skrzydło bądź skrzydła wykonane z lekkich metali są rozmieszczone powyżej i poza zewnętrznymi krawędziami wzdłuż pomostu w odległości co najmniej d = 1,2 × 0,5 szerokości pomostu. Szerokość skrzydeł została określona na co najmniej w = 0,02 × szerokość pomostu. 

Opisana koncepcja demonstruje liczne warianty skrzydeł wzdłuż pomostu, po jego obu stronach, w tym równoległych, umieszczonych na wielu poziomach. We wszystkich przypadkach proponowane skrzydła tłumiące są podparte sztywną konstrukcją stalową zamocowaną do pomostu.

Literatura

[1] Zeugin der Geschichte: die Alte Weichselbrücke in Dirschau = Świadek przeszłości: dawny most przez Wisłę w Tczewie. Hrsg. Wieland Ramm, mit Beiträgen von Christoph Groh et al. Technische Universitat Kaiserlautern. Kaiserslautern 2004.

[2] Jakkula A.A.: A History of Suspension Bridges in Bibliographical Form. „Bulletin of the Agricultural and Mechanical College of Texas” 1941, Vol. 12, No. 7.

[3] Dąbrowiecki K.: Dwustuletnia historia rozwoju nowoczesnych mostów wiszących, cz. 1. Wiek XIX. „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” 2020, nr 2, s. 100–106.

[4] Dąbrowiecki K.: Most Brookliński – dzieło życia Roeblingów. „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” 2011, nr 5, s. 74–78.

[5] Dąbrowiecki K.: Lizboński most wiszący – ponte de 25 Abril. „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” 2019, nr 1, s. 56–59.

[6] Kawada T.: History of the Modern Suspension Bridge. Solving the Dilemma between Economy and Stiffness. ASCE Press, 2010.

[7] Dąbrowiecki K.: Dwustuletnia historia rozwoju nowoczesnych mostów wiszących, cz. 3. Wiek XXI. „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” 2020, nr 5, s. 100–108.

[8] Statista, www.statista.com (dostęp 5 kwietnia 2025).

[9] United States Patent and Trademark Office (USPTO, Amerykańskie Biuro Patentowe), www.uspto.gov (dostęp 5 kwietnia 2025).

[10] European Patent Office (EPO, Europejskie Biuro Patentowe), www.epo.org (dostęp 5 kwietnia 2025).

www.NBI.com.pl/branze/mosty