Železničný most s konštrukčným systémom extrémne stlačenej stavebnej výšky

Pôvodný stav
Zdroj: mapy.cz

Stavebný objekt, ktorý je predmetom tohto článku, je súčasťou stavby Rekonštrukcia ŽST Chrastava. V rámci rekonštrukcie železničnej stanice a priľahlých traťových úsekov bolo navrhnuté nové smerové a výškové vedenie.

Mostné objekty boli v závislosti od ich stavu, nových geometrických pomerov trate a požiadaviek investora v rôznej miere rekonštruované. Predmetný železničný most, vedúci ponad miestnu komunikáciu spájajúcu priemyselnú zónu s českým mestom Chrastava, sa nachádza v tesnej blízkosti železničnej stanice.

Existujúci stav

V súčasnosti prevádza most dve koľaje ponad miestnu komunikáciu na ulici U Nisy. Každá koľaj vedie po samostatnej oceľovej konštrukcii, priestor medzi nimi je vyplnený oceľovými plechmi. Nosná konštrukcia je uložená na železobetónovom úložnom prahu. Murivo opôr je kamenné, spevnené injektážou a s povrchom upraveným betónovou stierkou.

Prieskum neodhalil prítomnosť oceľovej výstuže v oporách. Murivo opôr má množstvo priesakov, výluhov a trhlín aj napriek izolácii v predpoliach, jeho stav sa výrazne zhoršuje. Pod úložným prahom prvej opory vpravo sú viditeľné deformácie s nebezpečenstvom mierneho poklesu úložného prahu.

Situácia stavby
Situácia stavby | Zdroj: mapy.cz

Vzhľadom na zhoršujúci sa stav opôr sa neodporúčalo ich zachovanie, naopak, bolo žiaduce opory nahradiť a upraviť ich umiestenie tak, aby nedochádzalo k nárazu vozidiel do opôr. Úložné prahy tvorí päť železobetónových dielov. Krídla opory sú šikmé, na oporu O1 nadväzujú krídla zo železobetónu, a to vrátane ríms.

Krídla sú kamenné, okrem krídel opory O1 nemajú povrchovú úpravu. Na ľavé krídlo nadväzuje krátky kamenný múrik. Prechod železničného zvršku na most je zabezpečený pomocou prefabrikovaných železobetónových rímsových múrov, ktoré boli pridané v rámci rekonštrukcie úložných prahov a podložiskových blokov v roku 2013. Most je kolmý, dĺžka premostenia je 4,45 m s rozpätím nosnej konštrukcie 5,1 m.

Predošlý stupeň dokumentácie

V stupni dokumentácie na účely územného rozhodnutia bola navrhnutá oceľová konštrukcia z hrubostenných plechov konštrukčného systému extrémne stlačenej stavebnej výšky podľa MVL 115, typ 1, s priebežným koľajovým lôžkom. Každá prevádzaná koľaj mala byť uložená na samostatnej nosnej konštrukcii. Dolný plech mostovky mal byť vystužený priečnymi výstuhami.

Osová vzdialenosť koľají bola z dôvodu umiestnenia objektu v blízkosti stanice menšia. Medzi oceľovými prvkami nosnej konštrukcie bolo potrebné zabezpečiť na nevyhnutnú údržbu priestor so šírkou minimálne 600 mm. Vzhľadom na navrhovanú geometriu koľaje a zvolený systém nosnej konštrukcie však nebolo možné zaistiť šírku koľajového lôžka, ktorú požaduje predpis SŽ S3.

Po rokovaní s investorom stavby bola udelená výnimka z tohto predpisu a určená podmienka dodržať vzdialenosť konštrukcie od hrany podvalu minimálne 200 mm. Spodná stavba mala zostať z veľkej časti pôvodná. Opora by sa odbúrala po úroveň úložných prahov, zvyšok spodnej stavby by sa asanoval v rôznom rozsahu pomocou mechanického tryskania.

Pôvodný stav
Pôvodný stav | Zdroj: mapy.cz

Nový návrh

V ďalšom stupni projektovej dokumentácie došlo k výrazným zmenám. Vznikla požiadavka rozšíriť cestnú komunikáciu pod mostom, keďže v aktuálnom stave neumožňuje prejazd nákladnej kamiónovej dopravy bez obmedzenia. V novom návrhu sa preto komunikácia rozšírila.

Rovnako bola snaha vytvoriť dostatočnú svetlú výšku pod mostom, ktorá viedla k vytvoreniu návrhu s premostením s dĺžkou 10 m a voľnou výškou pod mostom približne 4,4 m. Keďže nová konštrukcia je viac ako dvakrát taká dlhá ako pôvodný návrh a prevádzané koľaje sa smerom k stanici zbiehajú, vznikol problém dodržať požiadavku minimálnej vzdialenosti medzi oceľovými prvkami.

Riešením bol alternatívny návrh nosnej konštrukcie železobetónovej dosky so zabetónovanými oceľovými nosníkmi, uloženej po celej šírke na ozuboch. Táto konštrukcia by niesla obe koľaje súčasne, bez výnimky na nutnú šírku koľajového lôžka. Niveleta koľaje by však musela byť zvýšená o viac ako 700 mm. Táto skutočnosť by predstavovala zásadnú zmenu architektonického návrhu stanice.

Takisto čas výstavby takejto konštrukcie by bol v porovnaní s pôvodným návrhom dlhší. Už pri uvažovaní s kratším časom výstavby podľa pôvodného návrhu bol tento objekt rozhodujúci pre dĺžku výluky na trati, čo spoločne s nežiaducimi zmenami riešenia stanice nakoniec rozhodlo o nevhodnosti tejto alternatívy.

Geometriu koľají sa podarilo upraviť tak, aby bolo možné aj v kritickom priereze na konci mosta dodržať minimálnu vzdialenosť medzi konštrukciami. V konečnom stave sa tak podarilo navrhnúť dva samostatné mosty s priamou konštrukciou paralelne od seba, uložené kolmo na opory.

Tvar oceľových prvkov bol optimalizovaný tak, aby bola výška hlavných nosníkov maximálna a vytvorila najväčší priestor pre koľajové lôžko. Zároveň bola snaha, aby pod každou koľajou vznikol Železničný most s konštrukčným systémom extrémne stlačenej stavebnej výšky Stavebný objekt, ktorý je predmetom tohto článku, je súčasťou stavby Rekonštrukcia ŽST Chrastava.

V rámci rekonštrukcie železničnej stanice a priľahlých traťových úsekov bolo navrhnuté nové smerové a výškové vedenie. Mostné objekty boli v závislosti od ich stavu, nových geometrických pomerov trate a požiadaviek investora v rôznej miere rekonštruované. Predmetný železničný most, vedúci ponad miestnu komunikáciu spájajúcu priemyselnú zónu s českým mestom Chrastava, sa nachádza v tesnej blízkosti železničnej stanice.

Pôvodný stav (zdroj: mapy.cz) Situácia stavby (zdroj: mapy.cz) _IS621.indb 64 9.11.2021 16:52:19 65 Špeciál: Mostné staviteľstvo www.inzenyrske-stavby.cz rovnaký most napriek odlišnému prevýšeniu koľaje a smerovému vedeniu. To znamenalo nájsť kritické miesto na moste, kde bude možné navrhnúť nosník tak, aby výškový rozdiel medzi horným povrchom pásnice a štrkovým lôžkom nepresiahol 50 mm podľa zásad ČSN 73 6201.

Priečny a pozdĺžny rez mosta vedúceho ponad miestnu komunikáciu spájajúcu priemyselnú zónu s českým mestom Chrastava
Priečny a pozdĺžny rez | Zdroj: Archív autora

Tak vznikol návrh konštrukcie s ľavým nosníkom nižším ako pravým. Výška nosníkov v pozdĺžnom smere sa mení odlišným sklonom, ľavý nosník klesá v sklone 0,12 %, pravý nosník v sklone 0,36 %. Odvodnenie zabezpečuje doska v spáde 1 % klesajúcom v smere staničenia.

Pásnice hlavných nosníkov sú v priečnom smere vyspádované smerom do koľajového lôžka v sklone 2,5 %. Steny hlavných nosníkov majú tvar lichobežníka s miernym skosením na pozdĺžnych hranách. Konštrukcia bola navrhnutá s uložením na dve ložiská na každej opore.

Aby bolo možné splniť prísne podmienky limitného priehybu nad podperou (maximálne 3 mm), bol koncový priečnik navrhnutý ako zváraný nosník s výstuhami. Objekt sa nachádza v staničnom obvode. Na zabezpečenie požadovaného voľného mostného prierezu VMP 3,0 sú na vonkajších nosníkoch uchytené konzolové lávky so zábradlím.

Prechod medzi mostom a traťou bol vytvorený rovnobežnými železobetónovými krídlami s rímsou. Hranica stavby a blízkosť miestnej komunikácie na strane smerom k stanici si vyžiadali pomerne dlhé krídla s dĺžkami 4,6 až 9,0 m. Na strane smerom k stanici nadväzujú krídla na gabionový múr. Prechodová oblasť bola navrhnutá podľa zásad MVL 102. Geológia v blízkosti objektu si vyžiadala hĺbkové zakladanie opôr a krídel na mikropilótach.

Statika

Výpočtový model nosnej konštrukcie bol vytvorený v programe MIDAS Civil 2021, ktorý funguje na princípe metódy konečných prvkov. Bol vytvorený dosko-stenový model s obdĺžnikovými a trojuholníkovými prvkami s hranou s maximálnou dĺžkou približne 100 mm.

Každý prvok konštrukcie bol modelovaný s presnou geometriou, vrátane výstuh hlavných nosníkov a, samozrejme, aj priečnika nad podperami. Samotné podpery boli modelované ako bodové podopretie jedného uzla.

Na skúšobných výsledkoch nebolo zjavné, že by kvôli bodovému podopretiu vznikli extrémne špičky vo výsledkoch, resp. na rozhodujúce posúdenia takéto špičky nemajú vplyv. Každé zjednodušenie modelu bolo vítané. Nástroj automatického „meshovania“ v programe MIDAS má svoje špecifiká a obmedzenia, dosiahnutie spojenia každého prvku si tak vyžiadalo mnoho pokusov a iterácií.

Najkomplikovanejšie bolo spojiť každú vnútornú výstuhu hlavného nosníka so stenami nosníka a zároveň so spodnou doskou. Určite nebolo šťastné trvať na presnej geometrii a v budúcnosti by autor určite zvolil jej zjednodušenie, samozrejme, s dôrazom na bezpečnosť. Výsledná sieť konečných prvkov svojou podrobnosťou a presnosťou dostatočne vystihovala skutočnú konštrukciu.

Výpočtový model nosnej konštrukcie
Výpočtový model nosnej konštrukcie | Zdroj: Archív autora

Zaťaženie na moste zodpovedalo požiadavkám ČSN EN 1991-2 a ČSN EN 1990 a bolo modelované podľa presnej polohy koľaje na moste. Zaťaženie od podvalu bolo roznesené v sklone 4 : 1 v koľajovom lôžku a v sklone 1 : 1 na hrúbke spodnej dosky po jej strednicu.

Bola zistená zaťažovacia plocha, na ktorú sa aplikovali hodnoty zvislého zaťaženia – či už stáleho zaťaženia koľajového roštu, alebo premenného zaťaženia vlakovej dopravy. Pri polohe koľaje na moste sa počítalo s možným posunom o hodnotu 100 mm vľavo a vpravo.

Vzhľadom na to, že ľavý a pravý nosník majú odlišnú výšku, boli modelované dva stavy. V jednom prípade sa počítalo so zaťažením s najväčším vplyvom na pravý nosník, v druhom prípade na ľavý nosník. Nešlo iba o samotnú polohu zaťažovacej plochy, ale aj o smer predpísanej excentricity podľa ČSN EN 1991-2.

Smerové oblúky na moste majú, samozrejme, len jeden smer, a preto aj odstredivá sila musí pôsobiť vždy v jednom smere. Kombináciou všetkých vplyvov s premennou polohou, resp. smerom pôsobenia, bolo možné spoľahlivo obsiahnuť každý najmenej priaznivý prípad pre oba nosníky.

Vzhľadom na väčšie množstvo typov zaťaženia a nutnosť vystihnúť najnepriaznivejšiu polohu zaťaženia pre oba nosníky bolo modelovanie zaťaženia prácne. Všetky zaťaženia sa aplikovali ručne, premenné zaťaženie od dopravy bolo umiestnené v prvom prípade uprostred rozpätia konštrukcie, v druhom nad podperou. To sa týkalo nielen zaťažovacieho modelu LM71, ale aj bočného rázu a mimoriadneho zaťaženia od vykoľajenia.

Účinky vodorovného zaťaženia pôsobiaceho v rovine odlišnej od roviny strednice dosky sa aplikovali v dvoch zložkách. Momentový účinok bol modelovaný ako priťaženie, resp. odťaženie zaťažovacej plochy. Vodorovná posúvajúca sila bola vnesená samostatne v rovine strednice dosky.

Zaťaženie sa modelovalo podľa presnej polohy koľaje na moste.
Zaťaženie sa modelovalo podľa presnej polohy koľaje na moste. | Zdroj: Archív autora

Všetky kombinácie jednotlivých zaťažovacích stavov, skupiny zaťažení od dopravy, návrhové situácie a kombinácie pre rôzne posudky boli vytvorené ako obálky v MIDAS-e. Vzhľadom na to, že všetky zaťaženia, ktoré boli roznášané na zaťažovaciu plochu, ako aj zaťaženia s možným pôsobením v dvoch smeroch aplikované dvojmo, bolo vo finále nevyhnutné vytvoriť približne 78 kombinácií.

Toto číslo zahŕňa aj čiastkové obálky, kde skupina dopravného zaťaženia požaduje niektoré zložky s hodnotou nula, pri kombinácii vertikálneho a horizontálneho zaťaženia. Na vyhodnotenie zaťažiteľnosti bolo nutné vytvoriť samostatné zaťažovacie stavy, keďže pri zaťažiteľnosti bolo potrebné izolovať zvislé sily od LM71, čo nebolo potrebné pri bežnom posudku.

Rovnako hodnota dynamického súčiniteľa nadobúda iné hodnoty pri rôznych posudkoch – či už pri posudkoch únavy alebo pri pozdĺžnych a priečnych prvkoch. Vo viacerých prípadoch bolo jednoduchšie vytvoriť kópiu modelu a pozmeniť len hodnotu súčiniteľa.

Pri vyhodnocovaní výsledných napätí na konštrukcii sa množstvo kombinácií, resp. toto množstvo spoločne s hustotou siete konečných prvkov, ukázalo byť ako pomerne veľká záťaž pre hardvér. Zobrazenie výsledkov celkových obálok pre MSÚ, obsahujúcich všetky stavy vrátane rôznych polôh zaťažení, trvalo často aj viac ako 10 minút. Samotný výpočet trval pritom výrazne kratšie.

Dynamika

V rámci statického výpočtu sa muselo rozhodnúť o nutnosti vytvoriť pre konštrukciu dynamickú analýzu. Keďže konštrukcia prevádza trať s maximálnou rýchlosťou nižšou ako 200 km/h a predstavuje prostý nosník, musela sa overiť jej vlastná dynamická frekvencia podľa pravidiel v ČSN EN 1991-2, kapitola 6.4.

Na zistenie frekvencie sa použil rovnaký model ako na výpočet statických účinkov s tým, že všetko stále zaťaženie sa transformovalo na hmotu. Výsledkom bola vlastná frekvencia, ktorá zapadla do intervalu požadovaného normou. Most sa preto overil statickou analýzou s použitím dynamického súčiniteľa.

Na zistenie frekvencie sa použil rovnaký model ako na výpočet statických účinkov s tým, že všetko stále zaťaženie sa transformovalo na hmotu.
Na zistenie frekvencie sa použil rovnaký model ako na výpočet statických účinkov s tým, že všetko stále zaťaženie sa transformovalo na hmotu. | Zdroj: Archív autora

Vzhľadom na to, že išlo o prvé stretnutie autora s riešením dynamickej odozvy v programe MIDAS Civil, sa okrem dosko-stenového modelu vytvoril aj kontrolný prútový model a krátky ručný výpočet vlastnej frekvencie. Výsledkom ručného výpočtu bola frekvencia 10,34 Hz, výsledkom prútového modelu frekvencia 10,72 Hz a dosko-stenového modelu 8,25 Hz.

Medzi frekvenciami zistenými ručným výpočtom a jednoduchým prútovým modelom bol veľmi malý rozdiel, čo sa dalo očakávať vzhľadom na to, že aj tuhosť prierezu aj okrajové podmienky sú totožné. Pri porovnaní s dosko-stenovým modelom však už bola odchýlka výraznejšia. Spôsobila to odlišná tuhosť prierezu (výstuhy hlavných nosníkov) a skutočnosť, že doskový model nie je obyčajný prostý nosník, ale za podperami je ešte krátke vyloženie.

Samotný prierez konštrukcie sa po dĺžke mosta mení, čo sa pri zjednodušených výpočtoch takisto nezohľadnilo. Každopádne dosiahnuté výsledky boli presvedčivé a aj zjednodušené postupy by spĺňali podmienky na statický výpočet s použitím dynamického súčiniteľa.

Záver

Vzhľadom na priestorové obmedzenia v danom mieste a na geometriu prevádzaných koľají by bolo použitie iného nosného systému komplikované až nemožné.

Obmedzenia minimálnej hrúbky koľajového lôžka z hornej strany a požadovaný prejazdový profil cestnej komunikácie s rezervami od spodnej strany už neponechali mnoho priestoru na samotnú konštrukciu. Použitie systému extrémne stlačenej stavebnej výšky bolo v danom prípade veľmi vhodné.

Ing. Igor Niko, PhD.

Článok bol publikovaný v časopise Inžinierske stavby 06/2021.