Modelovanie stavebných procesov realizovaných vrtuľníkmi

• Foto

Proces výstavby je charakteristický pestrou technologickou skladbou a širokým rozsahom využitia stavebných strojov a mechanizácie, a tým aj spolupôsobením pracovných čiat rozličných počtov a profesií. Ich množstvo so zložitosťou stavby vzrastá, čo zvyšuje nároky na koordináciu a organizáciu výstavby. Takto definovaný systém obsahuje mnoho vzájomne sa ovplyvňujúcich činiteľov, ktorých správanie sa neraz nie je možné exaktne predvídať.

Každá stavba je unikátna, situovaná v konkrétnom prostredí. Charakter a miera náhodnosti sú v podstatnej miere určené práve prostredím stavby. Atmosférické vplyvy vo forme poveternostných podmienok výrazne ovplyvňujú výber technológie a priebeh stavebných prác aj v prípade klasickej „pozemnej“ výstavby. Vrtuľníky sa však pohybujú v trojrozmernom priestore – v atmosfére, a teda sú pri práci zasahované poveternostnými podmienkami v podstatne vyššej miere. Myšlienka náhodnosti výrobného procesu musí preto rešpektovať aj iné, špecifické, faktory. Medzi ne patrí najmä teplota a tlak vzduchu, nadmorská výška a rýchlosť i smer vetra.

Dopravné zápchy, poruchy strojov a dopravných prostriedkov, nepriaznivé poveternostné podmienky, indispozícia zamestnancov a pod., ovplyvňujú intervaly príjazdu vozidiel na stavenisko, časy trvania manipulácie, nakládky, vykládky a v neposlednom rade aj trvanie realizácie samotných stavebných procesov. Miera tohto vplyvu sa v čase mení a má náhodný charakter. Dopravné prostriedky, stroje, pracovné čaty aj stavebné materiály teda vstupujú do tohto systému s vlastnou mierou náhodnosti, čo tiež prispieva k tomu, že stavebné procesy podliehajú náhodným vplyvom.

Modelovanie takéhoto stavebného procesu pomocou bežných deterministických algoritmov je v dôsledku uvedených osobitostí značne komplikované až nemožné. Priblížiť sa ku skutočnosti, odohrávajúcej sa za podmienok charakteristických pre letecké práce, nám umožní simulačné modelovanie, pomocou ktorého vieme napodobniť náhodný charakter stavebnej výroby [1].

Hlavnou úlohou pri tvorbe simulačného modelu je predovšetkým spoznať prácu vrtuľníkov a všetko, čo na ňu vplýva. Pre túto analýzu je vhodné oprieť sa aj o historický vývoj ich využitia v stavebnom priemysle.

ROK 1957: STAVEBNÝ PRIEMYSEL OBJAVUJE MOŽNOSTI VRTUĽNÍKOV
Prvopočiatky využitia vrtuľníkov v stavebníctve na území bývalého Československa siahajú do roku 1957, kedy bola realizovaná doprava technického zariadenia na strechu 42 m vysokej budovy. V tomto období neboli uskutočňované práce ekonomicky sledované a sčasti mali charakter výcviku, resp. pomoci armády stavebnému priemyslu [2].

Špeciálne práce s vrtuľníkmi nadobudli inštitucionálny rozmer v roku 1961. V tomto roku vtedajšie Československé aerolínie, závod Agrolet (neskorší Slov‑air Bratislava), zakúpili 2 stroje typu Mi‑1 a Mi‑4, s pomocou ktorých sa až do roku 1968 overovali možnosti uplatnenia vrtuľníkov pri rôznych druhoch stavebných prác. Vrtuľníky Mi‑1 a Mi‑4 však nemali postačujúcu nosnosť (max. 200 – 1 300 kg) a navyše boli vybavené iba jedným piestovým motorom. Po havárii vrtuľníka typu Mi‑4 počas demontáže nákladnej lanovej dráhy v Sirku (okres Revúca), v roku 1966, boli tieto „experimenty“ pozastavené. Hlavnou úlohou sa tak stalo nájdenie takého typu vrtuľníka, ktorý by vyhovoval všetkým požiadavkám na vykonávanie stavebno‑montážnych prác [3].

V roku 1967 československá armáda získala vtedy nový typ vrtuľníka – dodnes rozšírený stroj Mi‑8, vybavený dvomi turbínovými motormi. Dva vrtuľníky tohto typu boli pridelené vtedajšiemu Vojenskému leteckému a výskumnému stredisku 031 Praha‑Kbely, kde sa v marci 1968 uskutočnil skúšobný let s oceľovou podperou lanovej dráhy v podvese a jej pokusné usadenie na presne stanovený cieľ. Po vykonaní skúšobných letov bol spracovaný technologický postup a vyrobené prípravky pre zabezpečenie prvej akcie – dopravy a montáže 35 ks oceľových rúrových podpier sedačkovej lanovky Špičák – Pancíř v Železnej Rude. Montáž prebehla v dňoch 28. mája – 1. júna 1968 a aj napriek nepriazni počasia (dážď, nízka oblačnosť a silný vietor) boli práce vyhotovené len za 5 hod. 38 min. čistého letového času. Realizácia tejto montáže klasickou technológiou pritom počítala so 73 pracovnými dňami a cenou vyššou o 297 253,70 korún československých [3].

Vďaka pozitívnemu ohlasu uvedenej akcie sa montáž lanových dráh stala hybnou silou ďalšieho rozvoja v tejto oblasti. Hlavným iniciátorom využitia vrtuľníkov v segmente stavebno‑montážnych prác bol niekdajší podnik Transporta z Chrudimi, ktorý tieto lanovky vyrábal a mal záujem na zefektívnení realizácie stavieb v náročných podmienkach, v tej dobe stále málo mechanizovaných [4].

V nadväznosti na úspešnú montáž oceľových podpier sa v nasledujúcom období, do konca roku 1970, s pomocou vrtuľníka Mi‑8 overovali ďalšie druhy stavebných prác. Ich spoločným menovateľom bola doprava bremien s maximálnou hmotnosťou 3 000 kg v podvese vrtuľníka. Postupne bola overená a uskutočnená napr. betonáž základových konštrukcií, montáž vysokých oceľových stožiarov elektrického vedenia, montáž potrubných mostov, obnova zastaraných výrobných hál s komplikovaným prístupom, montáž a demontáž oceľových komínov a zariadení na strechy hál, montáž a demontáž anténnych systémov, vežových žeriavov a pod. [3]

Tieto činnosti sú s rôznymi obmenami dodnes základom „vrtuľníkového programu“ v stavebnom sektore.

VRTUĽNÍKY V SÚČASNOM STAVEBNÍCTVE
Vrtuľník je v súčasnosti najrozšírenejší typ lietadla s kolmým štartom a pristátím, schopný letieť všetkými smermi a, na rozdiel od klasických lietadiel, umožňujúci aj zastavenie vo vzduchu – visenie. Svojmu uplatneniu v stavebníctve „vďačí“ práve kombinácii týchto špecifických vlastností [2].

V rokoch 2011 – 2012 prebiehala výstavba prepojenia severnej a južnej strany Chopku v Nízkych Tatrách lanovými dráhami. Náročná stavebná akcia s charakterom logistickej výzvy bola úspešne realizovaná i vďaka pomoci vrtuľníka. Na ťažko prístupnom stavenisku, situovanom na oboch stranách nízkotatranského hrebeňa aj tesne pod vrcholom Chopku vo výške 2003 m n. m., našli vrtuľníky uplatnenie v rámci betonárskych i montážnych procesov.

Typovo podobný projekt sa v rokoch 2011 – 2014 realizoval aj na najvyššej českej hore Sněžke (1 603 m n. m.). Autodomiešavače dopravovali čerstvý betón pre druhý úsek trasy novej lanovky do lokality Lví důl, kde sa prekladal do betonárskych košov s objemom 0,7 m³ a ďalej dopravoval vrtuľníkom. Postupne bolo dopravených viac ako 500 m³ čerstvého betónu. Najdlhšia vykládka autodomiešavača trvala takmer 5 hodín, čomu zodpovedalo použitie receptúr čerstvého betónu s predĺženým časom spracovateľnosti. Na stavbe bol nasadený vrtuľník typu Mi‑8T s maximálnou nosnosťou v podvese 2 500 kg, na vrchole Sněžky obmedzenou na 2 000 kg. Vzhľadom na spotrebu leteckého paliva (800 l/h) sa vrtuľník využíval aj pri spiatočnom lete zo svahov Sněžky. Počas týchto letov dopravoval vyťažený materiál, uložený do tzv. bagov na miesta, odkiaľ mohol byť prepravovaný bežnou technikou [5].

V zahraničí je používanie vrtuľníkov bežnou praxou. Vrtuľníky umožňujú realizovať stavebné práce v terénoch, kde by bolo nasadenie bežnej mechanizácie problematické z technického aj z environmentálneho hľadiska. Kompetentné úrady môžu v niektorých situáciách použitie klasickej technológie i obmedziť či zakázať, čo sa stalo aj v prípade výstavby 161 kV vedenia elektrizačnej prenosovej sústavy „Jack Rabbit‑Big Sky“ v USA. Terénne podmienky, ale najmä opatrenia na ochranu životného prostredia, neumožnili zhotovenie prístupových ciest, a tak sa väčšina stavebných prác (osadenie stožiarov vrátane výstroje, zhotovenie spätných zásypov, roztiahnutie a montáž vodičov) uskutočňovali zo vzduchu pomocou vrtuľníkov [6].

Vrtuľníky nachádzajú svoje uplatnenie nielen v exponovaných polohách hornatých krajín, ale tiež v zastavaných územiach, napr. pri montáži rozličných zariadení na strechy budov.

SIMULAČNÉ MODELOVANIE STAVEBNÝCH PROCESOV REALIZOVANÝCH VRTUĽNÍKMI
Príprava stavebných prác, ktoré si vyžadujú nasadenie vrtuľníkov, musí zohľadňovať vysokú závislosť na rôznych náhodných vplyvoch, a preto je pri tomto procese potrebné použiť náročnejšie metódy, ako je napríklad simulačné modelovanie. Prednosti simulačného prístupu sa prejavujú najmä v prípadoch, ak sa procesy nedajú popísať matematickými vzťahmi a ak sa chceme čo najpresnejšie priblížiť k realite. Stupeň presnosti sa určuje počtom simulačných behov.

Tvorbe simulačných modelov predchádza dôsledná analýza, ktorá sa na jednej strane týka podmienok výstavby, najmä poveternostnej situácie a dostupnosti terénu, a na druhej strane štúdie práce vrtuľníka a podmienok, za ktorých je schopný vykonávať požadovanú činnosť.

Výstupmi simulačných modelov sú charakteristiky navrhnutého systému, ako napríklad množstvo času potrebné na realizáciu projektu a jeho etáp, spotreba finančných a iných zdrojov, identifikácia problémových miest a pod. Takto získané informácie sa stávajú užitočným podkladom, vstupujúcim do rozhodovacieho procesu, ktorého cieľom je výber optimálneho variantu výstavby [7].

V súčasnosti na trhu existuje množstvo simulačných programov, z ktorých je možné zvoliť najvhodnejší pre vytvorenie modelu stavebného procesu realizovaného pomocou vrtuľníkov. Takto zostavený simulačný model zohľadňuje pôsobiace náhodné javy, medzi inými aj skôr uvedený vplyv poveternostných podmienok, ktoré pri tejto technológii výstavby najviac vplývajú na prácu vrtuľníka, a tiež na jeho nosnosť.

Jadro algoritmu takéhoto simulačného modelu tvorí stochastický generátor budúceho stavu počasia v mieste stavby. Do generátora vstupuje štatistický súbor historických dát o poveternostných podmienkach v danej oblasti. Na jeho základe, pomocou teórie pravdepodobnosti a matematickej štatistiky, generátor simuluje hodnoty jednotlivých meteorologických ukazovateľov, ktoré priamo ovplyvňujú nosnosť vrtuľníka pri jeho práci v sledovanom priestore a čase, ako je napr. množstvo zrážok, teplota a relatívna vlhkosť vzduchu, rýchlosť vetra atď. Ide teda o premenné, ktoré v konečnom dôsledku môžu mať vplyv na náklady, produktivitu práce, alebo môžu práce prerušiť [8].

Vytvorený simulačný model nám umožní v experimentálnej rovine overovať rozličné technologické postupy a varianty vyhotovenia plánovanej stavby bez nutnosti procesy fyzicky realizovať. Vďaka simulačnému modelu môžeme zistiť mieru vplyvu meniacich sa podmienok výstavby na prácu vrtuľníka a určiť pravdepodobnosť dosiahnutia požadovaných výstupov, ako je termín výstavby, kvalita aj cena.

ZÁVER
Vrtuľníky sú v službách slovenského (resp. bývalého československého) stavebníctva už takmer šesť desaťročí. V dôsledku úspechu počiatočných aktivít boli ich výhody objavené a využité v rôznych oblastiach stavebníctva. Predovšetkým v sťažených podmienkach výstavby dnes vrtuľníky predstavujú nástroj prvej voľby, bez ktorého by stavebné práce nebolo možné realizovať efektívne, alebo vôbec. Svoje uplatnenie nájdu pri širokom spektre činností v horách aj v zastavaných územiach.

V prípade návrhu stavebného procesu realizovaného vrtuľníkom sa kľúčovým kritériom stáva kritérium efektivity finálneho riešenia. Vzhľadom na špecifiká leteckých prác je obtiažne predpovedať a plánovať ich skutočný priebeh tradičnými deterministickými metódami. Vzniknutá nepresnosť pri časovom a nákladovom plánovaní potom negatívne ovplyvňuje proces návrhu adekvátnej technológie výstavby. Vhodným nástrojom na určenie optimálneho variantu je simulačné modelovanie, ktoré zachováva autentickosť premenlivej stavebnej reality.

Stavebné práce vykonávané vrtuľníkmi sú len jednými z mnohých činností, riešiteľnými pomocou simulačných metód. Množstvo okrajových podmienok a faktorov, ovplyvňujúcich letecké práce, však otvára dvere k uplatneniu simulácie tam, kde „tradičné“ prístupy zlyhávajú. Stavebné procesy tak v dôsledku kvalitnej prípravy môžu byť uskutočňované nielen progresívne a efektívne, ale aj bezpečnejšie a spoľahlivejšie.

Historické fotografie z výstavby sedačkovej lanovej dráhy Turecká – Krížna pochádzajú z osobného archívu p. Martina Vajsa.

LITERATÚRA:
[1] Hulínová, Z.: Analýza stavebných procesov z hľadiska ich modelovania. Bratislava, Nakladateľstvo STU 2011, ISBN 978‑80‑227‑3474‑5.
[2] Jindra, F.: Stavebně montážní práce s využitím vrtulníků v ČSSR. Praha, NADAS 1965.
[3] Kolektív autorov: Využitie vrtuľníkov v národnom hospodárstve. Bratislava, Dom techniky SVTS v Bratislave 1974.
[4] Hrubeš, V.: Využití vrtulníků v osmdesátých letech v ČSSR. In: Využitie vrtuľníkov v národnom hospodárstve – zborník prednášok, Tatranská Lomnica, 18. – 19.10.1988. Žilina: Dom techniky ČSVTS v Žiline 1988, s. 16–19.
[5] Veselý, J.: Přeprava betonu při stavbě lanovky na Sněžku. Beton – technologie, konstrukce, sanace. 2013, roč. 13, č. 6, s. 26–29. ISSN 1213‑3116.
[6] Fiske, A. – Dell, H.: Jack Rabbit‑Big Sky 161 kV National Forest Canyon Construction. In: Electrical Transmission and Substation Structures 2015: Technical Challenges and Innovative Solutions in Grid Modernization – Proceedings of the 2015 Electrical Transmission and Substation Structures Conference. American Society of Civil Engineers 2015, s. 23–34. ISBN 978‑078447941‑4.
[7] AbouRizk, S.: Role of Simulation in Construction Engineering and Management. Journal of Construction Engineering and Management. 2010, roč. 136, č. 10, s. 1140–1153. ISSN 0733‑9364.
[8] Shahin, A. – AbouRizk, S. M. – Mohamed, Y.: Modeling Weather‑Sensitive Construction Activity Using Simulation. Journal of Construction Engineering and Management. 2011, roč. 137, č. 3, s. 238–246. ISSN 0733‑9364

Modelling Construction Processes Carried out by Helicopters
Helicopters as “construction machinery” – since recent past this phrase has been attracting considerable attention. To some extent, the helicopters owe this to their unusual range of employment and exceptional technological possibilities. However, the history of their use in construction industry dates back more than a half century. Exceptional properties of helicopters given by the ability to maneuvre in a three dimensional space, however, take their toll in the form of great sensitivity to a whole number of factors influencing their operation and efficiency. An effective tool of construction-technological preparation enabling full use of the exceptional properties of helicopters and considering the whole range of effecting factors is simulation modelling.

Autoři

• Ing. Bisták Andrej
• doc. Ing. Hulínová Zdenka PhD.