Súčasný stav spriahnutých oceľobetónových konštrukcií

• Foto

VHODNÁ DISPOZÍCIA

Klasická konštrukcia mosta, najmä pri obmedzenej stavebnej výške a menších rozpätiach preferuje viaceré nosníky, priečnymi stužidlami previazané do roštu. Výška oceľových nosníkov je optimálne od 1/20 do 1/30 rozpätia. Väčšia hodnota z tohto rozmedzia sa berie pri jednoducho uložených nosníkoch alebo v prípade koncových polí spojitého mosta. Menšia hodnota blízka 1/30 rozpätia sa použije pre vnútorné polia. Krajné rozpätia je preto výhodné skrátiť na 0,60 až 0,85 dĺžky vnútorných polí, aby nosníky dosahovali konštantnú výšku.

Príkladom tejto koncepcie sú dva paralelné samostatné oceľobetónové mosty o štrnástich poliach [4]. Ich rovnaké rozpätia sú 21,0 + 3 × 26,0 + 8 × 25,0 + 2 × 20,0 m. Priečny rez obidvoch mostov má rovnakú skladbu. Pozostáva zo štyroch zváraných nosníkov z ocele pevnostnej triedy S 355 a mostovkovej dosky hrúbky 300 mm z monolitického betónu C 35/45. Nosníky sú vo vzájomnej vzdialenosti väčšinou 3,0 m. V prvých dvoch poliach tento rozostúp vzrastá z 3,0 m na 3,5 m. Výška nosníkov v medzipodperovej oblasti je 1,10 m. Iba v krajných rozpätiach ju zväčšili na 1,20 m. Priamymi nábehmi pri vnútorných pilieroch výšku zväčšujú o 0,3 m na veľkosť 1,80 m. Horné pásnice stálej šírky 360 mm sa zmenou hrúbky od 20 do 40 mm prispôsobujú namáhaniu. Spodné pásy nemenej šírky 650 mm majú konštantnú hrúbku 40 mm. Spriahnutie oceľových nosníkov s betónovou doskou zaisťujú tŕne s hlavou ∅ 19 × 150 mm, navarené na pásnice oceľových nosníkov. Steny sú z plechov hrúbky od 12 do 16 mm. V tretinách rozpätia umiestnili plnostenné zvárané priečne stužidlá. Nad vnútornými podperami majú priehradovú skladbu z valcovaných HEB profilov. Betonárska výstuž dosky B500 B je triedy ťažnosti B.

Most alternatívnej dispozície iba z dvoch hlavných nosníkov s nabetónovanou spolupôsobiacou mostovkovou doskou sa ukazuje ako optimálny. Nárokuje si menej zabudovaného materiálu. Zjednodušuje jeho výrobu a montáž. Avšak pri poškodení jedného z nosníkov je obmedzená prevádzka na celom moste. Niektoré národné aplikačné dokumenty preto pre tento nosný systém predpisujú zvýšené parciálne súčinitele spoľahlivosti. Most Vršok na diaľnici D3, zatiaľ v polovičnom šírkovom usporiadaní zodpovedajúcom komunikácii R 11,5/80 zo Svrčinovca do Skalitého cez potok a údolie ilustruje túto dnes preferovanú koncepciu [5]. Jeho nosnú konštrukciu tvorí spojitý spriahnutý trám o šiestich poliach s rozpätiami 69,0 + 81,0 + 87,0 + 75,0 + 63,0 + 45,0 m celkovej dĺžky 422,0 m.

Dva hlavné oceľové nosníky osovo vo vzájomnej vzdialenosti 6,7 m majú konštantnú výšku 4,94 m. Namáhaniu sa prispôsobujú zmenou hrúbky pásnic a kvality materiálu. Od pevnostnej triedy S355, S420 až po S460. Spriahnutá mostovková doska, ako nosný podklad vozovky z betónu C 35/45 a výstuže B500 má základnú hrúbku 300 mm. Priamymi nábehmi narastá na 550 mm nad nosníkmi. Spolu s rímsami vytvára šírku nosnej konštrukcie 13,41 m. Na konci mosta rozšírenú na 15,91 m z dôvodu prechodu na odpočívadlo.

Donedávna sa výlučne navrhovali samostatné mosty pre každý jazdný pás diaľnice. Najmä z dôvodu minimálneho obmedzovania dopravy počas udržovacích prác. Z ekonomických dôvodov sa dnes pripúšťa navrhovať jedinú nosnú konštrukciu, prevádzajúcu cez prekážku obidva diaľničné pásy. Výhodne pritom na polovicu sa zníži počet pilierov. Náklady na ich výstavbu a zakladanie neúmerne narastajú s výškou, zvlášť nad 40 m. Životnosť oceľových nosníkov v porovnaní s betónovou mostovkou je oveľa väčšia. Umožňuje výmenou rekonštruovať nosný podklad vozovky a dôkladne obnoviť povrchovú ochranu. Odstránenie dosky jazdného pruhu a doprava po priľahlej časti mostovky predstavuje zaťažovací stav, ktorý treba uvážiť už pri projektovaní mosta. Niekedy žiada predimenzovať hlavné nosníky, preberajúce excentrické zaťaženie a z neho plynúce krútiace účinky. Zdvojený diaľničný most pri Mengusovciach o jedenástich poliach s rozpätiami 20,550 + 9 × 25,685 + 20,550 m a celkovej šírky 27,95 m má skladbu tohto charakteru [6]. V polí iba 1,1 m vysoké štyri hlavné nosníky, priamymi nábehmi zväčšujú výšku nad piliermi na 2,2 m, teda až na dvojnásobnú hodnotu. Tuhé priečne stužidlá menlivej výšky od 0,7 do 1,6 m boli potrebné na ich dostačujúce prepojenie. Umožnili priečne ušetriť dva vnútorné piliere a široký most spoľahlivo uložiť iba na krajné kruhové stĺpové podpery.

Komorový prierez s vysokou torznou tuhosťou sa skôr uprednostňuje pri zakrivených mostoch. Pri zníženej konštrukčnej výške tiež výhodne viacfunkčne využíva jednotlivé konštrukčné časti. Napriek menšej výslednej spotrebe materiálu je menej výhodný z aspektu výroby a doby výstavby. Most 150 m dlhý o troch poliach s rozpätiami 45 + 60 + 45 m na diaľnici D3 zo Svrčinovca do Skalitého má pod jazdným pásom dokonca dva komorové trámy [7]. Priečny roznos excentrických účinkov pohyblivého zaťaženia pritom zabezpečuje iba 300 mm hrubá mostovková doska z betónu C 35/45.

PREFEROVNÁ KONŠTRUKCIA

Materiálové aspekty

Nosníky mosta sa prednostne zhotovujú z ocele pevnostnej triedy S 355. Eurokód aj naša STN EN 1994‑2 [2] umožňuje používať ocele vyššej pevnostnej triedy iba do S 460. Aj v tomto prípade však predpisuje ohybovú odolnosť redukovať zmenšovacím faktorom β podľa čl. 6.2.1.2 (2) a obr. 6.3. V strojárstve bežne využívajú materiály s medzou klzu do 1 100 MPa. Skúsenosti aj s oceľami vyššej pevnosti S 690 sú nateraz v spriahnutých mostoch nepostačujúce.

Ocele zvýšenej pevnosti bežne vedú k úspore materiálu. Rozsah zvárania alebo menšie náterové plochy ďalej znižujú výrobné náklady. Menej materiálu, s ktorým sa manipuluje alebo vyžaduje prepravu zhospodárňuje takisto vlastnú montáž. Redukovaná hmotnosť má menšie nároky na výkon zdvíhacích zariadení. Nezanedbateľne ovplyvňuje spodnú stavbu mosta a jeho zakladanie. Subtílnejšie konštrukčné prvky otvárajú väčší priestor na tvorbu ľahkých vzhľadovo atraktívnych konštrukcií. Menšia vlastná tiaž a z nej plynúce redukované stále zaťaženie produkuje redukované hodnoty vnútorných sily v najviac exponovaných prierezoch, zvlášť pri medziľahlých podperách mosta. Mosty so zníženými nárokmi na materiál spĺňajú súčasné trendy trvalo udržateľného vývoja, keďže šetria prírodné zdroje. Nakoniec ocele vyššej pevnosti, vďaka rozvoju technológií výroby, majú dnes zaručenú zvariteľnosť ako aj vyhovujúcu vrubovú a lomovú húževnatosť.

Výrobné náklady a spôsob výstavby významne ovplyvňujú výslednú cenu konštrukcie. Okrem toho najmä stabilitné problémy niektorých konštrukčných častí mosta neumožňujú plne využiť zväčšenú pevnosť ocele. Vhodným riešením je hybridná konštrukcia. Únavová pevnosť sa žiaľ iba zanedbateľne zvyšuje s rastúcou triedou ocele. Pri väčších rozpätiach začína prevládať vlastná tiaž mosta. Pozitívne ovplyvňuje amplitúdy rozkmitov napätí od pohyblivého zaťaženia. Spolu s menej náročným premenným zaťažením mostov na pozemných komunikáciách potláčajú problém únavy a nároky na kvalitnejšie konštrukčné detaily.

Steny so štíhlosťou hw/tw nad 60 majú pevnosť v tlaku neovplyvnenú kvalitnejšou pevnostnou triedou ocele. Iba efektívna plocha tlakom namáhanej časti neumožňuje plné využitie materiálu. Hybridné nosníky s rôznou pevnosťou ocele pásnic a steny by pritom v medznom stave používateľnosti nemali splastizovať priľahlú časť steny. Lokálna plastifikácia od návrhového zaťaženia v medznom stave únosnosti má byť vratná. Na splnenie tejto podmienky stačí, aby pevnosť ocele pásnic nebola viac ako 1,5 násobok pevnosti steny.

Stabilitné efekty

Od tvaru pásnic závisí ohybová odolnosť nosníkov. Majú spĺňať klasifikáciu do triedy 3 alebo ešte nižšej. Vzdialenosťou stuženia a vhodným postranným podoprením sa optimálnejšie reguluje problém klopenia, najmä v montážnom štádiu. Spodná pásnica, najmä zo vzhľadových dôvodov by nemala meniť šírku. Namáhaniu je lepšie ju prispôsobiť zmenou hrúbky. V poli niekedy jej štíhlosť prekračuje limitnú štíhlosť triedy 3. V tejto oblasti je však pásnica ťahaná a tým plne využitá. Horná pásnica môže po dĺžke meniť šírku, keďže po spriahnutí je táto zmena ťažko vnímateľná. Podmienka klopenia determinuje jej minimálny prierez. Osobitne v etape montáže a betonáže ešte bez spriahnutia s mostovkovou doskou.

Steny prepájajú pásnice a prenášajú najmä priečne sily. Z tejto primárnej funkcie plynie ich hrúbka. Mosty väčších rozpätí majú vysoké štíhle steny. Pevnosť oproti vydúvaniu sa stáva alternatívnym dimenzačným kritériom. Zvislé výstuhy vo vhodnej vzájomnej vzdialenosti môžu ovplyvniť šmykovú pevnosť steny. Pozdĺžne výstuhy primárne zvyšujú pevnosť tlačenej časti, zvlášť pri napätiach od zvislého ohybu. Pozitívne modifikujú aj jej odolnosť šmykovým účinkom produkujúcim vydúvanie. Zvislé výstuhy sú potrebné v miestach priečnych priehradových stužidiel alebo diafragiem. Ich vzdialenosť plynie tiež z požiadavky vylúčiť klopenie tlačených pásnic v montážnom štádiu. Priečne vystužené steny môžu byť tenšie s dostačujúcou šmykovou pevnosťou. Náklady na výstuhy a ich privarenie robia túto alternatívu menej konkurenčnou v porovnaní s nosníkom s nevystuženou hrubšou stenou. Priečne výstuhy príliš vzdialené však nemajú vplyv na stabilitu. Z toho plynie, že sú úplne zbytočné ďalšie medziľahlé rebrá medzi priečnym stužením. Tak namiesto zmeny stranoveného pomeru poľa steny sa v súčasnosti preferuje zväčšená hrúbka plechu steny. Dosiahne sa tým efektívnejšie potrebná šmyková pevnosť. Dokonca aj pri výške steny až 4,0 m môže nevystužená stena predstavovať priaznivejšiu konštrukčnú dispozíciu. Norma STN EN 1933‑1‑5 [8] predpisuje umiestniť zvislé výstuhy v blízkosti zmeny hrúbky steny. Inak treba zohľadniť prídavné účinky spôsobené náhlou zmenou prierezu o excentricitu vnútorných síl. Optimálna poloha styku steny preto niekedy určuje miesto výstuh.

Vzdialenosť priečnych stužidiel je daná ich funkciou. V montážnom štádiu najväčšou voľnou dĺžkou tlačených pásnic, pri ktorej nedochádza ku klopeniu. V definitívnom štádiu majú spoľahlivo prenášať premenné zaťaženie do nosného systému a viacfunkčne využiť konštrukčné súčasti mosta. Z vnútornej strany stužia stenu nosníka. Nakoniec majú minimalizovať zmenu prierezu distorziou. Z tohto aspektu ich stačí dať do polovice a štvrtiny rozpätia alebo najviac do vzájomnej vzdialenosti 12 m.

SPRIAHNUTÉ PRIEHRADOVINY

Spriahnuté priehradové mosty môžu byť konštrukčným systémom nielen hospodárnejším ale tiež architektonicky atraktívnejším [10]. Na vylúčenie preklzu sa do vzájomnej stykovej plochy umiestňujú prvky spriahnutia. Nad uzlami priehradoviny, teda v mieste zmeny osovej sily v páse má pozdĺžna šmyková sila výrazné špičky. Významné z aspektu namáhania na únavu. Nateraz ich pri navrhovaní až príliš aproximatívne zohľadňujú tým, že k pozdĺžnemu šmyku stanovenému zo zvislej priečnej sily prirátajú rozdiel pásových síl v uzle, uvažovaný na určitej dĺžke.

Experimenty na spriahnutých nosníkoch môžu poskytnúť výstižnejšie výsledky. Štyri zhodné oceľové priehradové nosníky o rozpätí 3,75 m v tvare podľa obr. 5 mali pripojenú betónovú dosku tŕňmi priemeru 10 mm výšky 50 mm situovanými iba v uzloch.

Pri tejto konštrukčnej dispozícii nosníkov sú pozdĺžne sily vnášané do dosky iba lokálne. Prúty priehradoviny boli z ocele S 235. Horný pás tvorila polovica profilu IPE 160, dolný pás mal uzavretý prierez z dvoch zvarených profilov UPE 120. Krajné diagonály mali uzavretý prierez SHS 70 × 70 × 6.3 a vnútorné zase zhotovený z SHS 40 × 40 × 3. Spolupôsobiaca doska 800 × 100 mm bola z betónu C 25/30. Nosník pri skúške zaťažoval lis cez roznášací rošt dvoma silami v tretine rozpätia (obr. 6).

Pomerné pretvorenia v pásoch a vybratých výplňových prútoch sa registrovali šestnástimi odporovými tenzometrami. Na obr. 5 označenými ako T1 až T16. Na koncoch nosníkov boli snímače na registráciu vzájomného preklzu dosky a nosníka. Snímače priehybov P 22 a P 24 registrovali premiestnenia v mieste uloženia a snímač P 23 registroval priehyb v strede rozpätia. Hodnoty nameraných priehybov lineárne rástli do zaťaženia silou 325 kN. Táto hodnota zodpovedá teoretickej sile, stanovenej postupom podľa STN EN 1994‑2 [2]. Celkový priehyb pri ďalšom zaťažovaní rástol mierne nelineárne až do výslednej plastickej veľkosti 33 mm.

Finitný model spriahnutých nosníkov V3 a V4 využil systém Scia. Dôkladne zohľadňoval geometrické a materiálové charakteristiky konštrukčných elementov. Betónovú dosku aproximoval škrupinovými prvkami. Oceľovú časť prierezu stačilo nahradiť prútovými prvkami. Prvky spriahnutia v tvare tŕňov ∅ 10/50 v ich reálnej polohe boli modelované inými spôsobmi s cieľom korelácie s výsledkami experimentu.

Model uvažujúci príspevok betónovej obálky tŕňa výsledného priemeru ∅ 19 mm označovaný ako kompozitný prvok 1 výstižne kopíruje experimentálne priehyby na obr. 8a reprezentované bodkočiarkovanou čiarou. Postupný nárast napätí v priebehu zaťažovania nosníka, registrovaný tenzometrami v polovici rozpätia spriahnutej priehradoviny na hornom páse podľa obr. 8b dokumentuje menšiu zhodu.

ZÁVER

Konštrukcia bežných typov spriahnutých mostov v priebehu ich viac ako polstoročnej histórie sa postupne optimalizovala. Praxou overené pravidlá a z nich plynúce odporúčania propaguje príspevok. Uvádza tiež niektoré zásady vhodného návrhu tohto typu mostov. Ale aj možnosti a obmedzenia plynúce zo súčasných normových podkladov.

Spriahnuté priehradoviny predpokladajú výstižnejší spôsob návrhu spriahnutia. Nosníkové skúšky umožnili vyvinúť tri výpočtové modeli spriahnutia, simulujúce spolupôsobenie tŕňov s priľahlým betónom. Konfrontácia s výsledkami experimentov ilustruje ich výstižnosť.

LITERATÚRA:
[1] STN EN 1993‑1‑1 Eurokód 3. Navrhovanie oceľových konštrukcií. Časť 1‑1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy. SUTN 2006
[2] STN EN 1994‑2 Eurokód 4. Navrhovanie spriahnutých oceľobetónových konštrukcií. Časť 2: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre mosty. SUTN 2008
[3] BUJŇÁK, J.: Spriahnuté oceľobetónové konštrukcie. Žilinská univerzita v Žiline, 213 strán, EDIS 2017
[4] SO 211‑00 Most na R2 nad Slatinou a cestou III/05098 na stavbe „Rýchlostná cesta R2 Pstruša – Kriváň“. Záverečná správa zo zaťažovacej skúšky. Žilinská univerzita v Žiline, 2016
[5] SO 242‑00 Most „Vŕšok na diaľnici D3 v km 25,140“. Záverečná správa zo zaťažovacej skúšky. Žilinská univerzita v Žiline, 2016
[6] SO 206‑00 „Most cez rieku Poprad na D1 v km 15,00426“. Záverečná správa zo zaťažovacej skúšky. Žilinská univerzita v Žiline, 2015
[7] SO 202‑00 „Most na diaľnici D3 v km 28,320“. Záverečná správa zo zaťažovacej skúšky. Žilinská univerzita v Žiline, 2014
[8] STN EN 1993‑1‑5 Navrhovanie oceľových konštrukcií. Časť 1‑5: Nosné stenové prvky. SUTN 2006
[9] COMBRI Design Manual. Part II: State‑of‑the‑Art and Conceptual Design of Steel and Composite Bridges, 1st Edition, Stutgart, 2008
[10] BUJŇÁK, J. – MICHÁLEK, P.: Spriahnutie v oceľobetónovej priehradovine. 43. Aktív OK, 2018

Autor

• prof. Ing. Bujňák Ján CSc.