Co to jest łożysko garnkowe i gdzie się je stosuje

Łożysko garnkowe to jeden z najważniejszych elementów w konstrukcji mostów i dużych obiektów inżynierskich, który odpowiada za przenoszenie sił pomiędzy ustrojem niosącym a podporami, umożliwiając jednocześnie odpowiednie ruchy i obroty wynikające z odkształceń konstrukcji. W praktyce mostowej pełni ono funkcję połączenia elastycznego – stabilnego w kierunku pionowym, ale pozwalającego na ograniczone przemieszczenia poziome oraz rotacje. Nazwa łożyska garnkowego pochodzi od jego charakterystycznej budowy, przypominającej garnuszek lub cylindryczny pojemnik, wewnątrz którego pracuje specjalny elastomer. Pomimo swojej pozornie prostej formy, jest to zaawansowany element inżynierski, który musi spełniać surowe wymagania nośności, trwałości i bezpieczeństwa, określone między innymi w normach PN-EN 1337 (segregator na egzamin ustny - pytania i opracowane odpowiedzi).

Zasada działania łożyska garnkowego

Zasada działania łożyska garnkowego opiera się na wykorzystaniu elastyczności gumy (elastomeru) zamkniętej w stalowym cylindrze, zwanym garnkiem. Elastomer w tym układzie pracuje w ściskaniu, a nie w rozciąganiu czy ścinaniu, co zapewnia bardzo wysoką nośność. Na gumę działa stalowy tłok, który przekazuje obciążenia z konstrukcji mostu (program TESTY UPRAWNIENIA BUDOWLANE - wersja na komputer). Dzięki ograniczeniu swobody elastomeru przez ścianki garnka możliwe jest uzyskanie znacznych sił pionowych przy zachowaniu niewielkich przemieszczeń obrotowych.

W górnej części łożyska znajduje się często stalowa płyta ślizgowa, która – w połączeniu z teflonową (PTFE) powierzchnią – umożliwia ruchy poziome konstrukcji wywołane skurczem, pełzaniem betonu, zmianami temperatury lub przemieszczeniami podpór. W zależności od konfiguracji łożysko garnkowe może być stałe, jednokierunkowo przesuwne lub wielokierunkowo przesuwne. W wersji stałej nie dopuszcza się ruchów poziomych, w przesuwnych natomiast ruch jest umożliwiony w jednym lub kilku kierunkach, zgodnie z potrzebami konstrukcji.

Precyzyjne prowadzenie przemieszczeń ustroju niosącego

Najczęściej łożyska garnkowe stosuje się w mostach drogowych i kolejowych o dużych rozpiętościach oraz w obiektach inżynierskich, w których występują znaczne siły pionowe. Dzięki swojej budowie łożyska te mogą przenosić obciążenia rzędu nawet kilku tysięcy ton. Są one wykorzystywane w nowoczesnych konstrukcjach mostowych z betonu sprężonego, żelbetu, stali, a także w układach zespolonych. Stosuje się je tam, gdzie wymagana jest wysoka trwałość oraz precyzyjne prowadzenie przemieszczeń ustroju niosącego, szczególnie w mostach o dużych różnicach temperatury lub o długich przęsłach. Znajdują zastosowanie również w wiaduktach, estakadach miejskich, a nawet w konstrukcjach przemysłowych, takich jak estakady technologiczne czy platformy pod urządzenia o dużej masie (segregator aktów prawnych).

Budowa łożyska garnkowego

Budowa łożyska garnkowego jest wynikiem dążenia do połączenia zalet łożysk stalowych i elastomerowych. W tradycyjnych łożyskach elastomerowych cała praca odkształceniowa odbywa się poprzez ścinanie gumy, co ogranicza ich nośność. W łożyskach garnkowych elastomer jest zamknięty w stalowej obudowie, dzięki czemu może przenosić znacznie większe siły pionowe bez utraty stabilności. Ruch obrotowy odbywa się poprzez deformację elastomeru, który zachowuje się jak płyn o ograniczonej ściśliwości, natomiast ruchy poziome są możliwe dzięki warstwie ślizgowej PTFE i płycie stalowej z gładką powierzchnią. W nowoczesnych rozwiązaniach stosuje się systemy uszczelnień, które chronią elastomer przed działaniem wilgoci i zanieczyszczeń, a także elementy zabezpieczające przed przesunięciem w przypadku wystąpienia sił sejsmicznych lub uderzeń.

Zaletą łożysk garnkowych jest ich bardzo duża nośność przy stosunkowo niewielkich wymiarach. Mogą przenosić nie tylko ogromne siły pionowe, ale również momenty obrotowe oraz siły poziome wynikające z tarcia i dylatacji. Ich konstrukcja jest kompaktowa, co ułatwia montaż i konserwację. W porównaniu do klasycznych łożysk elastomerowych są trwalsze i bardziej odporne na starzenie się materiału. Właściwie zaprojektowane łożysko garnkowe może pracować nawet kilkadziesiąt lat bez konieczności wymiany, o ile jest regularnie kontrolowane i konserwowane.

Warunki klimatyczne

W praktyce projektowej łożyska garnkowe projektuje się i dobiera w oparciu o szczegółowe parametry konstrukcji mostu. Należy uwzględnić m.in. maksymalne obciążenie pionowe, dopuszczalne przesunięcia poziome, obroty, warunki klimatyczne oraz sposób przenoszenia sił poziomych. Wymaga się także odpowiedniego zabezpieczenia antykorozyjnego, szczególnie w przypadku mostów zlokalizowanych w środowiskach agresywnych, takich jak strefy nadmorskie, rejony przemysłowe lub obiekty, gdzie stosuje się środki odladzające. W tym celu stosuje się powłoki malarskie, ocynkowanie lub systemy ochrony katodowej. Często łożyska są również wyposażone w stalowe pokrywy zabezpieczające przed wnikaniem wody i brudu, co wydłuża ich trwałość eksploatacyjną (uprawnienia budowlane).

Proces montażu łożysk garnkowych wymaga dużej precyzji. Ich powierzchnie muszą być idealnie wypoziomowane i gładkie, aby uniknąć koncentracji naprężeń. Zazwyczaj umieszcza się je na specjalnych płytach kotwiących w przyczółkach i podporach pośrednich. Podczas montażu wykorzystuje się podnośniki hydrauliczne, które umożliwiają uniesienie konstrukcji i osadzenie łożysk w odpowiedniej pozycji. Po zakończeniu budowy łożyska są regularnie kontrolowane pod kątem zużycia, korozji, luzów oraz poprawności działania powierzchni ślizgowych. Ich stan techniczny jest kluczowy dla bezpieczeństwa całego obiektu – uszkodzenie łożyska może prowadzić do nierównomiernego przenoszenia obciążeń, co w skrajnych przypadkach grozi pęknięciami lub deformacjami konstrukcji mostu.

Wczesne wykrycie zmian w pracy łożysk

W nowoczesnych mostach łożyska garnkowe często są wyposażone w czujniki umożliwiające monitoring sił, przemieszczeń i temperatury. Takie rozwiązania są szczególnie istotne w konstrukcjach o strategicznym znaczeniu, takich jak mosty autostradowe, kolejowe lub w obiektach o zwiększonych wymaganiach bezpieczeństwa. Monitoring pozwala na wczesne wykrycie zmian w pracy łożysk, które mogą wynikać z przeciążeń, zużycia lub zmian w geometrii konstrukcji. Dzięki temu możliwa jest predykcyjna konserwacja, zapobiegająca kosztownym naprawom i przestojom (program egzamin ustny).

Porównując łożyska garnkowe z innymi rodzajami łożysk mostowych, można zauważyć, że stanowią one rozwiązanie pośrednie pomiędzy prostymi łożyskami elastomerowymi a zaawansowanymi łożyskami kulowymi. W stosunku do elastomerowych charakteryzują się znacznie większą nośnością, a w porównaniu z kulowymi – prostszą budową i niższym kosztem. Z tego powodu są one najczęściej wybieranym typem łożysk w średnich i dużych mostach betonowych oraz stalowych. Ich uniwersalność sprawia, że mogą być stosowane zarówno w przęsłach ciągłych, jak i w konstrukcjach ramowych czy belkowo-płytowych.

Zużycie elastomeru

Warto podkreślić, że prawidłowa praca łożyska garnkowego zależy nie tylko od jego projektu, lecz także od jakości wykonania i utrzymania. W praktyce najczęstszymi problemami są zanieczyszczenia powierzchni ślizgowych, zużycie elastomeru lub zatarcia spowodowane korozją. Dlatego każdy obiekt mostowy wyposażony w tego typu łożyska powinien być objęty programem okresowych przeglądów technicznych, obejmujących czyszczenie, smarowanie, kontrolę luzów i pomiar przemieszczeń. Tylko w ten sposób można zapewnić bezpieczną i długotrwałą eksploatację (opinie o programie).

Łożyska garnkowe stanowią zatem jeden z kluczowych elementów współczesnego mostownictwa. Ich konstrukcja łączy w sobie wytrzymałość, elastyczność i niezawodność, a jednocześnie pozwala na projektowanie mostów o coraz większych rozpiętościach i bardziej złożonych schematach statycznych. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych materiałów, takich jak wysokowytrzymałe stale, elastomery o podwyższonej odporności termicznej czy powłoki teflonowe o niskim współczynniku tarcia, łożyska garnkowe mogą bezpiecznie pracować w ekstremalnych warunkach przez dziesięciolecia. Wraz z rozwojem technologii monitoringu i utrzymania stają się one elementem nie tylko konstrukcyjnym, lecz także inteligentnym, wpisującym się w ideę nowoczesnej, trwałej i bezpiecznej infrastruktury mostowej.