Doskové mosty so zabetónovanými nosníkmi a ich uplatnenie v praxi

V rámci rekonštrukcie mosta v obci Prituľany navrhol projektant doskovú nosnú konštrukciu so zabetónovanými nosníkmi. Technické riešenie vychádzalo zo situovania pôvodnej konštrukcie a z požiadavky zachovania výškového vedenia priľahlej komunikácie. Integrovanou súčasťou nosnej konštrukcie sú oceľové nosníky modifikovaných tvarov. 

Použitím oceľových T-prierezov sa pri zachovaní rovnakej teoretickej momentovej odolnosti a tuhosti mosta podarilo znížiť spotrebu konštrukčnej ocele asi o 40 % v porovnaní s nosnou konštrukciou vyhotovenou zo zváraných alebo z valcovaných oceľových I-nosníkov.

Doskové mosty so zabetónovanými oceľovými nosníkmi predstavujú konštrukčný systém využívaný pri malých a stredných rozpätiach. Pri prvých návrhoch sa využívali ako tuhá výstuž koľajnice, neskôr sa začali používať zvárané alebo valcované oceľové profily. V súčasnosti platná norma Eurokód 4 [1 až 4] obsahuje konštrukčné požiadavky a návrhový postup pri mostoch so zabetónovanými nosníkmi, vyžaduje však použitie prierezov v tvare I. Dovoľuje sa ale aplikácia plasticitného výpočtu prierezu. Predpokladom je, aby sa poloha plastickej neutrálnej osi nachádzala v stene oceľového nosníka.

Horná pásnica prierezu je preto v blízkosti neutrálnej osi a jej príspevok k ohybovej odolnosti je minimálny. Splnenie podmienky polohy plastickej neutrálnej osi sa vyžaduje na zabezpečenie spriahnutia, keďže tento konštrukčný systém nevyužíva žiadne spriahajúce prostriedky. Výsledky experimentálneho výskumu uskutočneného na Stavebnej fakulte Technickej univerzity v Košiciach sa aplikovali pri návrhu spriahnutého mosta na ceste III-3822 v obci Prituľany.

Výskum doskových mostov so zabetónovanými nosníkmi

Spoluautori tohto článku zo Stavebnej fakulty Technickej univerzity v Košiciach sa dlhodobo zaoberajú výskumom doskových mostov so zabetónovanými oceľovými nosníkmi s cieľom zefektívniť návrh týchto mostov znížením spotreby ocele pri zachovaní rovnakej únosnosti a tuhosti konštrukcie. Pri dos­kových mostoch s prierezom v tvare T sa dosiahla úspora materiálu hornej pásnice. Spriahnutie sa zabezpečilo použitím spriahajúcej lišty, ktorej opodstatnenosť pri návrhu spriahnutých oceľovo-betónových prvkov sa skúmala na Stavebnej fakulte Technickej univerzity v Košiciach už v minulosti.

Skúšobné vzorky

Na experimentálny výskum sa navrhli dva typy vzoriek. Prvý typ skúšobných vzoriek (obr. 1), použitých ako porovnávacie vzorky, tvorili vzorky navrhnuté v súlade s požiadavkami normy s oceľovým prierezom v tvare I. Základné parametre porovnávacích vzoriek boli takéto:

• šírka betónového prierezu: 670 mm,
• výška betónového prierezu: 270 mm,
• oceľový prierez valcovaný: IPE200,
• teoreticky vypočítaný moment odolnosti s požitím zistených materiálových charakteristík: 107,93 kNm,
• teoreticky vypočítaná ohybová tuhosť prierezu: 11 959 kPa . m⁴.

Obr. 1 Vzorky s I-prierezom

Pri druhom type experimentálnych vzoriek sa navrhol oceľový nosník s T-prierezom. Tento prierez vznikol pozdĺžnym rozrezaním valcovaného nosníka s prierezom I. Rez vytváral zároveň hrebeňovú lištu na hornom okraji nosníka (obr. 2). Parametre skúšaných vzoriek tohto typu boli:

• šírka betónového prierezu: 670 mm,
• výška betónového prierezu: 270 mm,
• oceľový prierez valcovaný: IPE220/2,
• teoreticky vypočítaný moment odolnosti s použitím zistených materiálových charak­teristík: 99,91 kNm,
• teoreticky vypočítaná ohybová tuhosť prierezu: 13 036 kPa . m⁴.

Obr. 2 Vzorky s T-prierezom

Výsledky skúšok

Počas experimentálnych meraní sa sledovali hodnoty priehybu skúšaných vzoriek. Priebeh zmeny priehybu v závislosti od veľkosti zaťaženia je znázornený na obr. 3. Statické skúšky sa ukončili pri nadmernom narastaní priehybu, čo signalizovalo plastizáciu prierezu. Tomuto stavu zodpovedal experimentálne zistený plastický moment odolnosti, ktorý predstavoval pri skúšaných vzorkách s I-prierezom 124,8 kNm a pri vzorkách s T-prierezom 117,0 kNm. V percentuálnom vyjadrení to znamenalo zvýšenie oproti teoretickej momentovej odolnosti o viac ako 15 % pri vzorkách s prierezom I a o viac ako 17 % pri vzorkách s prierezom T.

Vzorky s T-prierezom sa overovali aj pri dynamickom zaťažení. Výsledky experimentov preukázali, že navrhované riešenie je vhodné pri doskových mostoch. Uvedený návrh je však obmedzený na mosty podopreté počas realizácie, ktoré nemajú samonosnú funkciu v štádiu betónovania dosky. Na základe výsledkov experimentov vypracovali autori výskumu návrhový list použiteľný v projektovej praxi. Jeho súčasťou je výpočtový postup na posúdenie ohybovej odolnosti doskových mostov so zabetónovanými nosníkmi s T-prierezmi, posúdenie pou­žívateľnosti a spriahnutia. List obsahuje aj základ­né konštrukčné požiadavky na mosty so zabetónovanými nosníkmi.

Obr. 3 Závislosť zmeny priehybu od veľkosti zaťaženia nosníkov

Rekonštrukcia mosta 3822-002 Prituľany

Mostný objekt prekonáva vodný tok Pritulianskeho potoka (obr. 4), pričom jeho poloha je z hľadiska obslužnosti okolitého územia veľmi dôležitá. Z pohľadu dopravy je jediným prístupovým mostným objektom do obce, na ktorý nadväzujú miestne komunikácie tvoriace bypass súbežne s cestou III-3822. Projekt rekonštrukcie mosta [5] vypracovala pre správcu (Správa a údržba ciest Prešovského samosprávneho kraja v Prešove) spoločnosť Amberg Engineering Slovakia, s. r. o., Bratislava.

Obr. 4 Most v obci Prituľany – pohľad na vtok

Charakteristika pôvodného mosta

Nosnú konštrukciu pôvodného mosta tvorí 14 ks oceľových nosníkov U 400, ktoré sú uložené na oporách. Oceľové nosníky sú stužené v priečnom smere profilmi I 80. Na hornej úložnej pásnici je osadené drevené debnenie z fošní s hrúbkou 40 mm, na ktorých je vybetónovaná doska mostovky s hrúbkou približne 200 mm. Na moste je osadená rímsa, v ktorej je zabudované zábradlie. Prechodová doska na mieste nebola identifikovaná a možno očakávať, že sa ani žiadna nevybudovala. Krídla mosta sú rovnobežné, nachádza sa na nich rímsa so zábradlím. Na strane výtoku, vľavo po prúde potoka Pritulianka, sa nachádza zárubný múr. Predpokladáme, že objekt je založený na plošných základoch. Most je smerovo v priamej, výškovo je v minimálnom pozdĺžnom sklone.

Poruchy nosnej konštrukcie sú spôsobené nevhodným technickým riešením konštrukčných detailov, ktoré v kombinácii s nárastom zaťaženia v čase spôsobili trvalé zvislé deformácie a vybočenie oceľových nosníkov U 400. Pri prejazde ťažkých vozidiel po moste cítiť chvenie nosnej konštrukcie. Debnenie z fošní je miestami prehnité. Betón mostovky v oblasti krajných nosníkov je degradovaný a rozpadáva sa. Oceľové prvky nosnej konštrukcie sú skorodované (obr. 5). Opory mosta sú zarastené vegetáciou, pričom časť opôr je vymytá pôsobením erózie Pritulianskeho potoka. Viditeľný povrch betónov na oporách je aj napriek statickým poruchám nosnej konštrukcie bez zjavných trhlín. Podľa TP 075 Evidencia cestných lávok a mostov možno stavebnotechnický stav objektu hodnotiť na základe prehliadky stupňom VII – havarijný.

Obr. 5 Most v obci Prituľany – stav existujúcej nosnej konštrukcie

Opis novej konštrukcie mosta

Z dôvodu havarijného stavu pôvodného objektu sa pristúpilo k rekonštrukcii mosta. Vzhľadom na výrazné priestorové obmedzenia staveniska v obci, postup výstavby, ako aj dodržanie nízkej stavebnej výšky nosnej konštrukcie mosta z dôvodu zachovania prietoku rieky vychádza ako najvhodnejšie riešenie použitie spriahnutého doskového mosta so zabetónovanými oceľovými nosníkmi. Nosnú konštrukciu bude tvoriť železobetónová doska s priemernou hrúbkou 430 mm z betónu C 35/45 so zabetónovanými oceľovými nosníkmi (trieda pevnosti S 355) s konštrukčnou mäkkou výstužou triedy B500 B. V priečnom smere bude tvoriť nosnú konštrukciu 10 ks oceľových zváraných nosníkov v tvare T v osovej vzdialenosti 700 mm. Rozmery spodnej pásnice budú 280/20 mm, stenu nosníka bude tvoriť pásnica 260/10 mm. Šírka nosnej konštrukcie 7 100 mm bude na celom moste konštantná (obr. 6). Dĺžka premostenia bude 11 000 mm (šikmá), dĺžka nosnej konštrukcie bude 12 770 mm (šikmá).

Nosná konštrukcia bude uložená na rekonštruovanom vystuženom úložnom prahu z betónu triedy C 35/45 na pružnom páse s hrúbkou 20 mm. Nová časť úložného prahu sa s pôvodnou časťou spojí pomocou lepenej výstuže. Geometria novej nosnej konštrukcie je daná smerovým a výškovým vedením cesty SO 101-00. Je navrhnutá v pozdĺžnom sklone 0,66 % a v priečnom strechovitom spáde 2,5 %. Spodnú stavbu mosta budú tvoriť dve pôvodné opory OP1 a OP2. Opory budú masívne, založené na plošných základoch. Po odbúraní časti pôvodných opôr sa zrealizuje úložný prah. Všetky časti spodnej stavby v trvalom styku so zeminou sa ochránia izoláciou. Na moste sú navrhnuté nové rímsy s rímsovým prefabrikátom. Šírka ľavej aj pravej rímsy bude 800 mm s vyložením 250 mm od hrany nosnej konštrukcie. Výška čela rímsy bude 750 mm. Priečny sklon ríms bude 4 % smerom k vozovke.

Obr. 6 Priečny rez mostom so zabetónovanými nosníkmi

Výpočtový model nosnej konštrukcie

Nosná konštrukcia mosta sa modelovala v programe Midas Civil (obr. 7). Okrem postupu výstavby nosnej konštrukcie, ktorý zohľadňuje bodové podoprenie oceľových T-prierezov (obr. 8), sa v programe modelovali aj reologické vlastnosti betónu.

Obr. 7 Model mosta v programe Midas

Záver

Pri návrhu a posúdení nosnej konštrukcie mosta, ako aj pri tvorbe jednotlivých detailov sa vychádzalo zo smernice Doskové mosty so zabetónovanými oceľovými nosníkmi modifikovaných tvarov [6], ktorú spracovali zamestnanci Stavebnej fakulty Technickej univerzity v Košiciach v rámci výskumných prác. Návrhom nosnej konštrukcie s použitím oceľových T-prierezov sa podarilo znížiť spotrebu konštrukčnej ocele približne o 40 % v porovnaní s nosnou konštrukciou vyhotovenou zo zváraných alebo valcovaných oceľových I-nos­níkov, a to pri predpoklade dosiahnutia rovnakej teoretickej momentovej odolnosti a tuhosti mosta. V súčasnosti sa na objekte rozbiehajú stavebné práce. Po ukončení rekonštrukcie mosta sa uskutoční zaťažovacia skúška nosnej konštrukcie s cieľom porovnať teoretické hodnoty priehybov a únosnosti s hodnotami zistenými počas skúšky. Do budúcnosti sa počíta s dlhodobým sledovaním mosta.

Obr. 8 Podoprenie mosta počas výstavby – model

Deck bridges with encased beams and their application in practice

The designer designed a deck bearing structure with reinforced beams for the reconstructed bridge in Prituľany. The technical solution was based on the situation of the previous structure and on the requirement to maintain of the adjacent communication. Integral parts of the bearing structure are steel beams of modified shapes. By using steel T-cross sections has been possible to reduce the structural steel by about 40% compared to a bearing structure made of welded or rolled steel I-beams. This reduce has been achieved while maintaining the same theore­tical torque and stiffness of the bridge.

Článok využíva výsledky výskumného projektu uskutočneného na Stavebnej fakulte Technickej univerzity v Košiciach, ktorý bol financovaný Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-15-0486 a projektom ITMS: 26220220124 Vývoj mostov so zabetónovanými nosníkmi modifikovaných tvarov.

TEXT: Ing. Ľubomír Kožlej, Ing. Konštantín Kundrát, CSc., Ing. Viktória Kožlejová, PhD., prof. Ing. Vincent Kvočák, PhD.
FOTO a OBRÁZKY: autori

Ľubomír Kožlej a Konštantín Kundrát pôsobia v spoločnosti Amberg Engineering Slovakia, s. r. o.
Viktória Kožlejová a Vincent Kvočák pôsobia na Stavebnej fakulte Technickej univerzity v Košiciach.

Literatúra

1. STN EN 1994 – 1 – 1: Eurokod 4 Design of composite steel and concrete structures. Part 1 – 1: General rules and rules for buildings.
2. STN EN 1994 – 2: Eurokod 4 Design of composite steel and concrete structures. Part 2: General rules and rules for bridges.
3. STN EN 1992 – 1 – 1: Eurokod 2 Design of concrete structures. Part 1 – 1: General rules and rules for buildings.
4. STN EN 1993 – 1 – 1: Eurokod 3 Design of steel structures. Part 1 – 1: General rules and rules for buildings.
5. Kolektív: Rekonštrukcia mosta 3822-002 Prituľany na ceste III-3822-HS. Dokumentácia na realizáciu stavby/Dokumentácia na ponuku, Amberg Engineering Slovakia, s. r. o., Bratislava, stredisko Košice, 2017.
6. Kvocak, V. and team: Deck bridges with Encased Filler-Beams of Modified Sections (Technical University of Košice).

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrske stavby 2/2018.