Analýza a návrh mosta nad veslárskou dráhou na diaľnici D4

Príspevok opisuje rozbor 470 m dlhého diaľničného mosta na D4 v hlavnom meste SR Bratislave. Most je súčasťou 2 941,55 m dlhého (786,95 + 470 + 430 + 1 254,60 m) diaľničného súmostia cez rieku Dunaj a jej okolie.

Hlavné pole predpätého trojpoľového komorového mosta s dĺžkou 210 m predstavuje najdlhšie pole, aké bolo kedy na Slovensku postavené technológiou letmej betonáže. Výška prierezu sa pohybuje od 4,30 m v poli do 13,0 m pri pilieroch.

Prierez so šírkou 34,5 m nesie 4-pruhovú vozovku, chodník a cyklistický chodník. Jadro mostného objektu sa budovalo technológiou letmej betonáže. Konzolové dosky s priečnym rezom sa realizovali dodatočne po vybudovaní jadra prierezu.

Mostný objekt je v poradí druhým zo štyroch mostov dunajského súmostia, ktoré prevádzajú diaľnicu D4 ponad rieku Dunaj, inundačné územie Dunaja a priľahlé oblasti v celkovej dĺžke 2 941,50 m.

Všetky mosty majú jednokomorovú nosnú konštrukciu s obojstrannými konzolami podopretými železobetónovými prefabrikovanými vzperami pre obidva dopravné smery. Budovanie nosnej konštrukcie v priečnom smere bolo navrhnuté v dvoch etapách. Nosná konštrukcia je predpätá v pozdĺžnom aj priečnom smere.

Most nad veslárskou dráhou

Mostný objekt bol navrhnutý ako trojpoľový spojitý komorový nosník z dodatočne predpätého betónu s dĺžkou 470,0 m a s dĺžkou polí 127,5 + 210,0 + 127,5 m. Postavený bol technológiou letmej betonáže s rozpätím hlavného poľa 210 m.

Výška jadra prierezu je premenlivá, od 4,30 m v strede rozpätia a v mieste krajných podpier po 13,0 m v mieste medziľahlých podpier. Nosná konštrukcia má pozdĺž mosta konštantnú celkovú šírku 34,50 m a je uložená na oceľové ložiská s pevným uložením na pilieri D2. Nosná konštrukcia je z dodatočne predpätého betónu C50/60.

Spodnú stavbu mosta tvorí spoločná podpera s mostom nad Jaroveckým ramenom, dve medziľahlé podpery a koncová podpera spoločná s mostom cez Dunaj. Spoločné piliere pozostávajú z dvojice stĺpov s rozmermi 3,15 × 2,10 m, ktoré sú v spodnej časti spojené stenou navrhnutou tak, aby umožňovala správne seizmické správanie. Spoločné krajné piliere sú založené na pilótach s priemerom 1,2 m a dĺžkou 20,0 m.

Medziľahlé podpery sú navrhnuté ako dvojice šikmých driekov votknutých do základového bloku s výškou 5,0 m a sú založené hĺbkovo na pilótach s priemerom 1,8 m a s dĺžkou 29,0 m. Vrchná časť driekov pilierov je prepojená v priečnom smere 2,5 m vysokým tuhým nosníkom, aby sa dosiahol rámový efekt. Na hlavici piliera je dvojica ložísk.

Postup výstavby nosnej konštrukcie

Komorové jadro prierezu sa budovalo z dvoch zárodkov po lamelách symetricky z oboch  medziľahlých pilierov. Na zabezpečenie stability nosnej konštrukcie počas výstavby boli vahadlá podopreté dočasnými stojkami umiestnenými v krajných poliach.

Konzola vahadla mala 20 lamiel. Jadro prierezu v krajných poliach mosta sa realizovalo na dočasnej podpernej skruži. Zmonolitnenie vahadiel sa zrealizovalo najskôr v krajných poliach a následne v strednom poli.

Po výstavbe jadra prierezu komorového nosníka sa po celej dĺžke mosta zrealizovalo predpínanie káblov spojitosti vedených v dolnej doske jadra prierezu. Pomocou dvoch montážnych vozíkov sa osadili prefabrikované vzpery a vybetónovali sa krajné konzoly mostovkovej dosky. Následne bola mostovka predopnutá v priečnom smere.

Statická analýza

Mostný objekt s rozpätím 210 m a zodpovedajúcimi rozmerovými parametrami si pri použitej  technológii výstavby vyžadoval pri návrhu aj posudzovaní osobitý prístup s potrebou  analyzovať možnosti vzniku  rizikových konštrukčných detailov.

Na tento účel sa vytvorili viaceré výpočtové modely, aby sa dosiahlo čo najvernejšie správanie konštrukcie, okrem prútového modelu bol spracovaný aj priestorový model zohľadňujúci priestorové pôsobenie konštrukcie a jej postupnú výstavbu.

S ohľadom na mimoriadne rozpätie sa veľká  pozornosť venovala určeniu nadvýšenia segmentov počas výstavby. Mostná konštrukcia sa analyzovala s použitím programového systému MIDAS Civil.

Globálny model konštrukcie bol zostavený z prútových prvkov (obr. 5) spolu so spodnou stavbou a s pilótami. Tento model vystihuje podrobný postup výstavby v dvoch etapách, postupné predpínanie pozdĺžnych káblov a vplyv zmrašťovania a dotvarovania betónu.

Odozva podložia sa modelovala pomocou tuhosti pružín po dĺžke pilót, ktoré vystihujú zloženie základovej pôdy a deformácie podložia pri zaťažení. Tuhosti podložia sa overovali pomocou špeciálneho geotechnického softvéru a výsledkami geotechnického monitoringu. Napätia a deformácie boli v etapách výstavby a v prevádzke posúdené podľa eurokódov platných  na Slovensku (STN EN).

Na analýzu priečneho smeru sa okrem globálneho modelu použil dosko-stenový model časti mosta, ktorý obsahoval aj priečne predopnutie mostovkovej dosky. Na kontrolu extrémne namáhaných detailov, kde mohlo dôjsť k vzniku trhlín, sa použila priehradová analógia spolu s výpočtom na modeli z objemových prvkov.

Návrh a posúdenie konštrukcie počas výstavby – stabilitné podopretie vahadla

Počas výstavby vahadiel bola ich stabilita zabezpečená jedným dočasným pilierom, ktorý bol umiestnený 8,6 m od osi pilierov D2 a D3 smerom do krajného poľa.

Dočasné piliere boli s vahadlom spojené predpínacími káblami, ktoré boli kotvené v pomocnom priečniku v komore vahadla. Výpočtové modely na posúdenie dočasného piliera boli vytvorené úpravou globálneho výpočtového modelu tak, aby vystihovali rozhodujúci dočasný stav na posúdenie stability vahadla.

Posúdenie konštrukcie počas výstavby a prevádzky

Opísaný globálny prútový model konštrukcie sa použil na vykonanie časovo závislej analýzy tak, aby sa posúdili všetky zaťaženia od jednotlivých štádií výstavby až po projektovanú životnosť 100 rokov. Zohľadnili sa všetky zaťaženia vrátane seizmických, reologické vlastnosti betónu a relaxácia predpínacích lán.

Analýza postupu v druhej etape výstavby bola časovo náročná, pretože bolo potrebné podrobne analyzovať viacero rôznych postupov betonáže, či už s jedným, alebo dvomi betonárskymi vozíkmi mostovkovej dosky. Podstata analýzy spočívala v dosiahnutí optimálnych hodnôt napätí jednak v jadre prierezu, ako aj v minimalizovaní ťahových napätí v konzolových doskách.

Kontrola napätí (tlakových aj ťahových) sa vykonala pri hornom aj spodnom povrchu komorového nosníka, a to podľa podmienok pre charakteristickú, častú aj kvázi stálu kombináciu v čase spustenia mosta do prevádzky (T = 0) aj v čase konca jeho životnosti (T = 100 rokov).

Posúdenie konštrukcie v priečnom smere

V medznom stave používateľnosti sa kontrolovali kritériá obmedzenia napätia v charakteristickej a kvázi stálej kombinácii a šírka trhlín v častej kombinácii. Priečna výstuž bola navrhnutá na kombináciu účinkov priečneho ohybu, pozdĺžneho šmyku, šmykového ochabnutia a krútenia, ako aj lokálnych účinkov od kotvenia predpínacích káblov.

Výpočet nadvýšenia

Výpočet nadvýšenia sa realizoval  na globálnom prútovom modeli so zohľadnením postupu výstavby a sadania vzhľadom na zadané pružinové podopretie pilót. Vzhľadom na veľký rozptyl hodnôt pomerných pretvorení od dotvarovania a zmrašťovania a veľké množstvo neistôt, ktoré ovplyvňujú výsledky, sme porovnali rôzne modely dotvarovania a zmrašťovania podľa týchto noriem:

• STN EN 1992-2, príloha B,
• Model Code 1978 (CEB-FIP) (použitý na výpočet nadvýšenia na Moste Lanfranconi v Bratislave),
• Model Code 2010 (fib).

Pri návrhu výpočtu nadvýšenia sa zhodnotili aj porovnania výsledkov teoretických a skutočných deformácií na existujúcom Moste Lanfranconi nad riekou Dunaj v Bratislave postavenom v roku 1978.

Vytvoril sa aj kombinovaný model, ktorý pozostával z prútových aj dosko-stenových prvkov. Prútové elementy sa použili na hornej doske jadra so šírkou 16,3 m a na spodnej doske komory. Dosko-stenové prvky sa použili na steny komory a vonkajšie konzolové dosky. Tento kombinovaný model umožnil postihnúť aj dotvarovanie stien komory od šmyku a vplyv šmykového ochabnutia konzolových dosiek. V tomto modeli sa zjednodušene zohľadnil aj pravdepodobný vznik trhlín v konzolových doskách a stenách komory.

Pri stanovení výsledného nadvýšenia sa zohľadnili aj možné nepriaznivé odchýlky zaťaženia a predpätia od stredných hodnôt podľa STN EN 1990, STN EN 1991-1-1 a STN EN 1992-2.

Analýzou výsledkov rôznych modelov a rôznych funkcií dotvarovania a zmrašťovania sme dospeli k záveru, že výpočet nadvýšenia na prútovom modeli, na ktorom bolo použité dotvarovanie a zmrašťovanie podľa Model Code 1978, a výpočet nadvýšenia na kombinovanom modeli s dotvarovaním a zmrašťovaním podľa Model Code 2010 boli približne rovnaké.

Záver

Súmostie bolo z hľadiska výstavby a spojazdnenia diaľnice D4 na kritickej ceste. Zvolený spôsob budovania konštrukcií umožnil skrátiť čas výstavby na minimum. Nosná konštrukcia mostného objektu bola ukončená v októbri 2020.

V máji 2021 sa na moste vykonala statická a dynamická zaťažovacia skúška, pričom namerané priehyby a vlastné frekvencie boli v súlade s požiadavkami slovenskej národnej normy. V súčasnosti most cez veslársku dráhu, ktorý bol daný do užívania na jeseň 2021, vytvára pozoruhodné konštrukčné dielo v synergii s okolitým prírodným prostredím.