Kaarsild — määratlus, ehitus ja tööpõhimõte

Kaarsild — selge ülevaade määratlusest, ehitusest ja tööpõhimõttest. Tutvu kaarekonstruktsioonide tüüpid, tugipostide rolli ning viaduktide eripäradega.

Kaarsild on sild, mille mõlemas otsas on tugipostid, mis on kujundatud kumera kaarega. Kaarsillad toimivad nii, et silla kaal ja koormused kantakse osaliselt üle horisontaalsele tõukele, mida hoiavad mõlemal pool asetsevad tugipostid. Viadukt (pikk sild) võib koosneda mitmest kaarest. Tänapäeval kasutatakse tavaliselt siiski muid odavamaid konstruktsioone.

Mis on kaarsilla tööpõhimõte?

Kaarsilla põhitunnus on see, et kaar kannab peamiselt surve (compressive) jõude. Raskusjõud ja koormused liiguvad läbi kaare horisontaalsete ja vertikaalsete jõududena abutmentide ehk tugipostide suunas. Tugipostid peavad vastu pidama horisontaalsele tõukele — seetõttu on abutmentide ja aluspinna tugevus kaarsildade puhul eriti oluline. Kui horisontaalset tõuket ei saa maapinna kaudu vastu võtta, kasutatakse silla otsade ühendamiseks tõmmetalasid ehk sidemeid (näiteks seotud-kaar ehk tied-arch), mis viivad tõuke tagasi sillaplaadile.

Ehitusmaterjalid ja -meetodid

• Müüritud ja kivikaar — antiik- ja keskaegsed kaarsillad on sageli kivist või tellistest müüritud. Need toimivad peaaegu üksnes survega ja nõuavad tugevaid vundamente ning ehitamiseks ajutist tellingut (kesking).
• Betoonkaar — raudbetoonist kaared võivad olla valatud vormi sisse (formaaltöö) või ehitatud segmentidena ja ankurdunud. Raudbetoon võimaldab erinevaid kuju- ja optimeerimisvõimalusi.
• Teraskaared — suurtel avadel kasutatakse terast, mis võimaldab hõredamaid ja pikemaid kaari. Teraskaared ehitatakse tihti poolitena ja monteeritakse kokku kas tellingu või kaablite abil (nt Sydney Harbour Bridge, New River Gorge Bridge tüüpi konstruktsioonid).
• Ehitusmeetodid — väiksematel kaarilõikudel kasutatakse vormtööde ja tellingute meetodit; suuremad teras- või segmendikaared võidakse ehitada riputuse või kantilever-meetodiga, kus kaare pooled monteeritakse mõlemalt poolt ja ühendatakse keskel.

Kaarsilla tüübid

• Deck arch (sillaplaat asub kaare kohal) — sõidutee on kaare kohal, koormus kandub otseselt kaarele.
• Through arch (sild kulgeb läbi kaare) — kaar ulatub üle sillaplaadi ja sillaplaat riputatakse kaare külge riputuspulkadega.
• Tied-arch (sidetega kaar) — horisontaalne tõuge maandatakse silla otsa ühendava tõmbetala kaudu, vähendades abutmentidele langevat horisontaalset survet.
• Mitmekaarne viadukt — pikkade jaotustega sillad koosnevad mitmest järjestikust kaarest.

Eelised ja puudused

• Eelised: esteetiline väljanägemine, hea koormuskandvus surve tingimustes, pikk kasutusiga (kivist/raudo betoonist kaared võivad kesta sajandeid), sobiv tee- ja raudteerakendusteks.
• Puudused: abutmentide ja vundamentide tugevus peab olema väga suur (suured horisontaalsed jõud), ehituskulud ja ajakulu võivad olla suuremad võrreldes lihtsate talasildadega, vähem sobiv väga pikaks avatseks kui näiteks rippsillad või kaabelsild.

Tuntud näited ja ajalugu

Kaarsillad on väga vana konstruktsioonitüüp — roomlased ehitasid monumentaalseid akvedukte ja sillaid (nt Pont du Gard Prantsusmaal). Keskajas ja varauusaegses Euroopas levisid kivist kaarsillad (nt Ponte Vecchio, Rialto silla varasemaid osi). Tänapäeval on tuntud suured teraskaared, nagu Sydney Harbour Bridge (ajalugu ja konstruktsioonid näitavad, kuidas terasvõimalused laiendasid kaare kasutust pikematel avadel). Modernsed näited sisaldavad ka suuri ehitiste peenhäälestust, kus kasutatakse sidemeid ja komposiitmaterjale.

Hooldus ja eluiga

Kaarsillad võivad olla väga vastupidavad, kuid nõuavad perioodilist kontrolli: pragude, korrosiooni (teras), betooni karbonatsiooni ja vundamendi liikumiste jälgimist. Õige projekteerimine vundamendile ning regulaarne hooldus pikendavad silla kasutusiga oluliselt.

Kaarsillad on seega konstruktsioonilt lihtsa printsiibiga, kuid tehniliselt nõudlikud varustus- ja vundamentlahenduste poolest. Valik kaarsilla ja alternatiivsete konstruktsioonide vahel sõltub eelarvest, kohast, geotehnikast ja nõutavast avast.

Lihtsad survekaarsillad

Lihtsate materjalide eelised

Kivi, telliskivi ja muud sarnased materjalid on survetugevusega. Nad on üsna tugevad nihkesuunas. Kuid nad ei suuda vastu pidada suurele jõule tõmbetugevusele. Seetõttu on müüritud võlvisillad projekteeritud nii, et need on pidevalt survestatud. Iga võlv on ehitatud ajutise valeraami, nn tsentrina, kohale. Esimestel survekaarsildadel kandis silla keskel asuv kiilakivi ülejäänud silla raskust. Mida rohkem kaalu silla peale pandi, seda tugevamaks muutus selle konstruktsioon. Müüritud kaarsildades kasutatakse kaare kohal täitematerjali (tavaliselt tihendatud killustikku), et suurendada silla omaraskust. See takistab ka seda, et koormuse liikumisel üle silla ei tekiks pingeid kaarekihis. Kasutati ka raudbetooni. Müüritise (lõigatud kivi) kasutamisel lõigatakse külgede nurgad, et minimeerida nihkejõude. Kui kasutatakse juhuslikku müüritist (lõikamata ja töötlemata kivid), on need kokku mörsitud. Mördil lastakse kõveneda enne valeseinte eemaldamist.

Ehitusjärjekord

• Kui kaared on paigutatud vooluveekogusse (paisudele või kaldale), siis vesi suunatakse ümber. Nii saab kruusa kõigepealt välja kaevata ja asendada hea aluspinnaga (tugevast materjalist). Sellele püstitatakse või tõstetakse vundamendipostid kuni võlvide kavandatava aluse kõrguseni. See on punkt, mida nimetatakse vedruks.
• Falsework centering (inglise keeles: arch frame) ehitatakse tavaliselt saematerjalist. Mitme kaarega silla iga kaar tekitab kõrvalolevatele võlvidele tõuke. Seetõttu on vaja, et kõik silla kaared tõstetakse korraga või et kasutatakse väga laiu tugiposte. Lõpukaartest tulenev tõukejõud võetakse maasse kanjoni seinte juures asuvate tugevate (vertikaalsete) tugipostide abil.
• Mitu kaarekest on (või üks kaarekest on) ehitatud üle tsentreeringu. Kui iga põhikaare tünn on konstrueeritud. Kaared stabiliseeritakse (või kaare stabiliseeritakse) täitemüüriga. Need võivad olla laotud horisontaalsete jooksvate sidekordade (kihtide) kaupa. Need võivad moodustada kaks välisseina, mida nimetatakse spandrellideks, mis täidetakse sobiva lahtise materjali ja killustikuga.
• Tee on asfalteeritud ja sillale suunavad liiklust parapetiseinad.

Tööprotsess Limyra Rooma sillal: valesild viidi teise avasse kohe, kui alumine võlvribi oli valminud.

Küsimused ja vastused

K: Mis on võlvisild?

K: Kuidas töötavad kaarsillad?

K: Kas viadukte saab teha kaarsildadest?

K: Kas tänapäeval kasutatakse viaduktide puhul tavaliselt muid konstruktsioone?

Otsing