TECHNICKÉ VZDĚLÁVÁNÍ MLÁDEŽE, MODEL PRO VÝUKU MOSTNÍCH KONSTRUKCÍ Ing. Radim Nečas, Ph.D., Ing. Ivana Švaříčková, Ph.D. VUT Brno, fakulta stavební Ing. Miloš Filip PREFA KOMPOZITY, a.s. Technical education for young people, teaching model for bridge constructions The Czech Republic is currently facing a shortage of technically trained people. Thus the future of competitiveness is under threat. This contribution describes the possibility of increasing the education of the youth in the civil engineering through a visual teaching aid. Specific construction elements of the construction set are relatively easy to assemble into a total of 14 other type of bridge constructions and each of them can be used as a model for the explanation of basic static and dynamic principles of this construction. 1. ÚVOD Česká republika se v současnosti potýká s nedostatkem technicky vzdělaných lidí, což v kontextu stále vzrůstajícího technického rozvoje společnosti může být jedním z důvodů snížení hospodářské i kulturní konkurenceschopnosti naší země. Počet absolventů VŠ sice poměrně rychle narůstá, avšak nárůst zaznamenávají především obory humanitní a ekonomické. Technické a přírodovědecké obory stagnují. V populaci se vyskytuje jen omezené procento lidí s rozvinutými technickými vlohami. Tyto jejich přirozené předpoklady je tak nutno podporovat a rozvíjet pomocí odpovídajících výukových metod a pomůcek. Tento příspěvek prezentuje právě jednu z názorných didaktických pomůcek, která bude bezesporu přínosem pro zvýšení vzdělanosti mládeže ve stavebním oboru. Jedná se o stavebnici, jejíž specifické konstrukční prvky lze poměrně snadno sestavit do celkem 14 typově odlišných mostních konstrukcí, na kterých pak mohou být vysvětleny základní statické a dynamické principy příslušného typu konstrukce. 2. TECHNICKÁ VZDĚLANOST MLÁDEŽE Potřeba a idea vzniku nových technických didaktických pomůcek vznikla v rámci projektu na podporu technického vzdělávání dětí a mládeže Technické školky, který byl zahájen v Brně v roce 2010 z iniciativy členů brněnského klubu České manažerské asociace, pracovníků společností Prefa Kompozity a EGPI Uherský Brod a v neposlední řadě vedení mateřské školky a školy Pramínek, o.p.s.. Cílem projektu je ve spolupráci s akademickými pracovníky z VUT v Brně hravou formou přiměřenou věkovým možnostem dětí a mládeže podporovat a rozvíjet jejich technické myšlení, tvořivost, manuální zručnost a verbální a technické schopnosti. Dětem a mládeži je tak dána příležitost vybrat si (resp. vymyslet si) konstrukci či model inspirovaný vlastními představami, následně si vyrobit funkční model, který pak mohou využít ke hře a mají možnost podělit se o svůj objev s ostatními. V průběhu tohoto procesu si tak děti a mládež osvojí některé základní principy techniky. Jde
o spojení a souvislosti takových dějů, jaké jsou běžné u některých inovačních procesů v technických oborech: představa návrh (zobrazení) - výroba prezentace. U dětí a mládeže se tak rozvíjí myšlení, fantazie, zručnost a verbální projev. V rámci projektu je zpracováno několik základních úloh se zaměřením na obory: stavebnictví, strojírenství a elektrotechniky. Každá úloha je konzultována s pedagogickými pracovníky a doplňována o zkušenosti získané v testovacím období. Výstupem by pak měl být podrobný metodický materiál určený pro pedagogy spolupracujících škol. Cílem projektu je nejen vzbudit u dětí a mládeže zájem o techniku a dále jej prohlubovat, ale také podpora celkové technické a vědecké gramotnosti, tedy schopnosti všech žáků přijímat s porozuměním základní poznatky vědy a techniky a uvědomovat si, jak ovlivňují život každého z nás. 2.1. Úloha mostní konstrukce Jedna z úloh zmíněného projektu technického vzdělávání dětí a mládeže se týká mostních konstrukcí. Již malé děti si při hře například v rámci snahy překonat určité terénní překážky intuitivně staví mosty z běžných předmětů, které je obklopují a nevědomky tak aplikují některé technické principy, bez toho aniž by jim byly cíleně vysvětleny či prezentovány. V rámci uvedeného projektu tak vznikla idea vzniku stavebnice, která by dětem a mládeži přirozeně umožnila navázat na tyto prvotní hry s technikou a umožnila jim modelovat lanové a obloukové mostní konstrukce, které jsou vizuálně i technicky zmenšeným obrazem konstrukcí skutečných. Obr. 1 Základní nákres stavebnice mostních konstrukcí 3. MODEL PRO VÝUKU MOSTNÍCH KONSTRUKCÍ Model pro výuku mostních konstrukcí představuje názornou didaktickou pomůcku vhodnou pro všechny stupně škol zejména technického zaměření, neboť různé věkové kategorie si ze hry vezmou odpovídající informace a zkušenosti. Jedná se o stavebnici, pomocí které lze sestavit až 11 typů lanových a 3 typy obloukových mostů. Sestavené typy konstrukcí přitom věrně napodobují reálné mosty včetně jejich základního statického působení. Jednotlivé prvky stavebnice umožňují sestavení také dalších variant dle fantazie dětí i dospělých, přičemž úspěšné sestavení nosného systému bez dodatečných podpor (prvků, které nejsou součástí stavebnice) rozvine jejich statické myšlení.
Obr. 2 Dílčí prvky stavebnice modelu pro výuku mostních konstrukcí Stavebnice slouží zejména k rozvoji technického myšlení (např. i metodou pokus omyl) a k rozvoji jemné motoriky. Cílem hry je pochopit základní principy chování konstrukce a možnosti, jak ji ovlivnit, např. přeskládáním dílků či vhodnějším umístěním lan. Celá stavebnice je rozložitelná na jednotlivé dílky (Obr. 2). Mezi základní prvky stavebnice patří základní rám, rámové prvky mostních podpor a pylonů, prvky mostovky a oblouků, dále lanka a spojovací materiál. 3.1. Zavěšené a visuté mosty Základem pro stavbu mostu je rám, do kterého lze v několika pozicích osadit podpěry, pylony nebo obloukové prvky. Mezi krajními opěrami je následně uložena mostovka tvořená hranoly, která je ztužena dvojicí lanek představující její předpětí. Pouhým uložením mostovky na podpěry vzniknou nejjednodušší typy mostů ve formě předpjatých pásů (Obr. 3). Obr. 3 Mostní konstrukce tvořené předpjatým pásem Další typy mostů lze konstruovat vhodným umístěním pylonů a lan do nosného systému konstrukce. Praktickou aplikací teoretických znalostí, případně jejich prohloubením, takto
ze stavebnice vznikají modely mostů zavěšených (Obr. 4) a visutých (Obr. 5). V případě chybného pochopení principů chování konstrukce je na modelu okamžitě vidět účinek. Obr. 4 Zavěšené mostní konstrukce I u dětí, které si odborné znalosti ještě neosvojili, ukáží okamžité reakce modelu na jakýkoliv nesprávný zásah, jaké řešení je správné a proč. Stavebnice tedy umožní, aby mohly být s danou problematikou úměrně věku a schopnostem seznamovány děti od nízkého věku až po studenty středních a vysokých škol. Obr. 5 Visuté mosty
3.2. Obloukové mosty Obloukové mosty patří mezi nejkrásnější mostní konstrukce u nás i ve světě. Jejich architektonický tvar má tedy ve stavebnici oprávněně svoje místo. Oblouková žebra lze sestavit v různém rozpětí a vzepětí, čímž vznikají 3 základní typy obloukových konstrukcí s horní a mezilehlou mostovkou (Obr. 6). Obr. 6 Obloukové mosty 4. DIDAKTICKÉ MOŽNOSTI STAVEBNICE Sestavení několika modelů zavěšených, visutých a obloukových mostních konstrukcí je základní podstatou stavebnice. Formou hry lze pochopit základní statické systémy mostních konstrukcí malých i velkých rozpětí. Na již sestaveném modelu mohou děti, mládež i dospělí i bez dalších zvláštních technických znalostí pochopit některé další problémy ovlivňující návrh těchto mostů v praxi. Namátkou lze na modelech sledovat: závislost velikosti předpínací síly na vzepětí předpjatého pásu mostovky (Obr. 7), závislost velikosti předpětí visutých kabelů na celkovou geometrii visutého mostu, vliv zakotvení/prokluzu lan v pylonu na průhyb mostovky v přilehlých polích, pochopení vlivu vetknutí podpor do základového rámu, změna tuhosti konstrukce v podélném směru po předepnutí mostovky, Obr. 7 Závislost velikosti předpínací síly na vzepětí předpjatého pásu
průhyb mostovky od provozního (nahodilého) zatížení, sledování průhybu mostní konstrukce při přejezdu vozidel (Obr. 8), pochopení principu letmé montáže obloukových mostů, rozdíl v tuhosti konstrukcí lanových a obloukových, atd. Obr. 8 Průhyb mostu při přejezdu vozidel 5. ZÁVĚR V současné době probíhá seznamování studentů s tematikou mostních konstrukcí převážně na vysokých školách technického zaměření za pomocí nákresů a fotografií, případně exkurzí na skutečné stavby. Tato stavebnice umožní, aby mohly být s danou problematikou přiměřeně věku a schopnostem seznamovány již děti a mládež na nižších stupních škol. U dětí (stavebnice bude sloužit především jako hračka) půjde především o rozvoj jemné motoriky a částečně pomocí metody pokus-omyl i pochopení konstrukce. Na středních odborných a vysokých školách bude model sloužit k pochopení nosného systému konstrukce. Technické řešení a základní vzhled popisované stavebnice je chráněn užitným a průmyslovým vzorem. Při sestavení jednotlivých konstrukčních systému mostů byly ve stavebnici využity výsledky řešení projektu Ministerstva průmyslu a obchodu Impuls FI - IM5/128 Progresivní konstrukce z vysokohodnotného betonu. Příspěvek byl vypracován v rámci výzkumného záměru MSM 0021630519 Progresivní spolehlivé a trvanlivé nosné stavební konstrukce. Ing. Radim Nečas, Ph.D., Ing. Ivana Švaříčková, Ph.D. Vysoké učení technické v Brně, Stavební fakulta, Veveří 95, 662 37 Brno Telefon: 541147855 E-mail: necas.r@fce.vutbr.cz, svarickova.i@fce.vutbr.cz Ing. Miloš Filip Prefa Kompozity, a.s., Kulkova 10/4231, 615 00 Brno Telefon: 541583292 E-mail: filip@prefa.cz