ENVIROMENTÁLNE TECHNOLÓGIE – nové stroje a zariadenia. RECYKLÁCIA – triedenie a úprava odpadov. OBNOVITEĽNÉ ZDROJE ENERGIE – energetická a materiálová efektívnosť.

VYUŽITIE EXTERNÉHO PREDPÄTIA PRI REKONŠTRUKCII HAVARIJNÉHO STAVU MOSTA RUŽÍN


V poslednom čase sa na Slovensku čoraz väčšia pozornosť venuje starnúcej infraštruktúre pri zvýšenej premávke na cestných mostoch. Niektoré predpäté mosty postavené v 60. rokoch sú v súčasnosti v prevádzke už vyše 50 rokov, čo sa prejavuje na ich zlom technickom stave. Na viacerých konštrukciách sú pozorované viaceré vážne poruchy ako nadmerné deformácie, rozsiahle trhliny, silná degradácia predpätia a pod. Tieto poruchy majú pôvod v tzv. detských chorobách a okrem iného sa ako významný faktor ukazuje kvalita realizačných prác. Ide predovšetkým o veľmi nízku úroveň ochrany predpínacej výstuže. Tento príspevok sa zaoberá návrhom rekonštrukcie mosta na báze zmeny statického systému a aplikácie externe vedeného predpätia. Východiskovým podkladom pre rekonštrukciu bola podrobná analýza porúch a výsledky numerickej analýzy, ktoré boli použité na stanovenie aktuálnej predpokladanej úrovne pôvodného predpätia. Most bol postavený v roku 1967 metódou letmej montáže ponad VN Ružín, ako jeden z prvých segmentových mostov realizovaných na Slovensku.

Mimoriadna prehliadka mosta č. 547020 cez VN Ružín na ceste II/547 potvrdila kritický, havarijný stav. Na základe zistených skutočností došlo zo strany KSK k uzavretiu mosta. Proces verejného obstarávania rekonštrukcie daného objektu vybral spoločnosť Strabag, s. r. o., na realizáciu prác. Koncepčný návrh následne vypracoval doc. Ing. Martin Moravčík, PhD., zo Stavebnej fakulty Žilinskej univerzity a spoločnosť Dopravoprojekt, a. s., divízia Prešov a zrealizovala projekt rekonštrukcie. Uvedený návrh rekonštrukcie mosta prešiel v procese verejného obstarávania odsúhlasením hodnotiacou komisiou objednávateľa. Rekonštrukcia sa začala v máji 2017 a skončila v decembri 2017.

POPIS PÔVODNEJ MOSTNEJ KONŠTRUKCIE A ZISTENÝCH PORÚCH 

Most bol realizovaný v roku 1967. Mostný objekt tvorí rámová konštrukcia s rozpätiami 38,5 + 77,0 + 38,5m s posuvným kĺbom uprostred stredného poľa. Na moste je asfaltová vozovka šírky 7,50 m a obojstranné chodníky šírky 1,25 m. Celková dĺžka mosta je 154,80 m. Nosná konštrukcia mosta bola vybudovaná technológiou symetrickej letmej montáže z oboch pilierov v symetrických vahadlách. Priečny rez rámovej priečle tvoria dva samostatné komorové prierezy premennej výšky. Medzi vahadlá boli v priečnom smere dodatočne osadené železobetónové doskové prefabrikáty rebrového prierezu. Priečne stužidlá boli vybudované ako monolitické a sú vo vzdialenosti 23,0 m od pilierov, koncové sú nad uložením a v mieste posuvného kĺbu. Každé vahadlo bolo predopnuté 39 konzolovými káblami z patentovaných drôtov 24 f 7,0 mm, ktoré sú vedené v tzv. vaničke hornej dosky komory. Spodnú stavbu tvoria 2 krajné gravitačné opory s rovnobežnými gravitačnými krídlami a 2 medziľahlé piliere. NK je na krajných oporách uložená na výkyvné ŽB steny. Piliere tvorí dvojica stĺpov obdĺžnikového prierezu. Betonáž prebiehala do strateného debnenia, tvoreného betónovým prefabrikátom. Zakladanie spodnej stavby bolo navrhnuté plošné, na základových pätkách, obr. 1.



Hlavnou príčinou uzatvorenia mosta bol zistený nadmerný priehyb v strede stredného poľa, ktorý bol nameraný v rozsahu okolo 210 mm. Rovnako došlo k otváraniu stredovej dilatácie s viditeľným poklesom hlavne vahadla v smere od Margecian, obr. 2.



Obr. 2 Viditeľná deformácia vahadla a otváranie stredovej dilatácie

Podrobnou diagnostikou mosta uvedenou v [1] sa ukázali aj primárne príčiny zlého stavu konštrukcie. Ako hlavná príčina daného stavu bola nevhodná koncepcia vedenia predpínacích káblov, ktoré boli uložené na hornom povrchu segmentov vo „vaničke“ a následne zaliate spádovou vrstvou betónu. Zálievka nebola všade dobre zrealizovaná, nachádzalo sa v nej napr. kamenivo s rozmerom zrna okolo 30 mm alebo nezaliate kaverny, obr. 3. Z toho dôvodu sa dá predpokladať, že časť predpätia pôsobí ako nesúdržné predpätie. Efekt zatekania káblov bol zvýraznený aj zle realizovanou izoláciou mostovky s nenatavenými kusmi izolácie, čo sa neskôr potvrdilo pri búracích prácach. Navyše oproti pôvodonej PD boli niektoré káble pôdorysne posunuté práve na kritickom vahadle smerom k vonkajšiemu okraju, ku ktorému bola mostovka vyspádovaná a uložené odvodňovače. Na kontrolných odhaleniach z hornej strany mostovky bol zistený veľmi premenlivý stav korózie predpínacích drôtov, prakticky od zdravých drôtov bez znakov korózie až po odkorodovanie celého prierezu drôtu, teda (0 – 100 %), obr. 3.    


Voda, ktorá sa dostávala cez poškodenú izoláciu a zálievkovú hmotu na segmentoch, prechádzala a ústila až po kotvenie káblov, ktoré sa robili pôvodným klinovým systémom kotvenia. Väčšina kotiev silne pretekala, čo bol dôkaz o netesnosti po dĺžke káblov, obr. 4. Okrem uvedených kardinálnych vplyvov, spôsobujúcich pokles predpätia, ktorý bol preukázaný aj geodeticky, zameraním deformácie konštrukcie, sa ukázala aj nízka kvalita cementovej zálievkovej hmoty v kontaktných škárach medzi segmentmi, ktoré mali šírku 40-50 mm. S veľkou pravdepodobnosťou však došlo už v procese predpínania k významnejším poklesom predpätia vplyvom zvýšeného stlačenia zálievok. Túto skutočnosť sa však exaktne nepodarilo preukázať, pretože chýbalo pôvodné geodetické zameranie mosta po finálnom predopnutí, resp. pred kolaudáciou.


Ostatné poruchy zistené na moste prakticky zodpovedali stavu mosta po 50-ročnej exploatácii. Veľkou výhodou, ktorá do istej miery predznačovala možnosti statického riešenia zosilnenia NK mosta, bola dobrá kvalita betónov, či už samotných prefabrikovaných segmentov mostovky, monolitických zárodkov, ale aj pilierov. To znamená, že východiskový predpoklad na aplikáciu zmeny statického systému a pridania ďalšieho predpätia do mostovky bol splnený. V priebehu sledovania a diagnostiky mosta sa vykonalo viacero nedeštruktívnych, ale aj deštruktívnych skúšok pevnosti betónu, ktoré stanovili nasledujúce priemerné tlakové pevnosti: segmenty = 51,20 MPa, zárodky = 45,10 MPa, driek pilierov = 32,80 MPa, (skruž pilierov 40,50 MPa). Kontrola stupňa karbonatizácie betónu a obsahu chloridov rovnako potvrdili pomerne dobrý stav betónu.



Obr. 4 Pohľad na odhalenú pretekajúcu kotvu v komore mosta



VÝPOČTOVÝ MODEL KONŠTRUKCIE A STANOVENIE ZOSTATKOVEJ KAPACITY PREDPÄTIA 

Hlavným cieľom diagnostiky bolo stanovenie funkčnosti a zostatkovej kapacity predpätia v nosnej konštrukcii so zámerom správne definovať veľkosť prídavného predpätia, ktoré sa bude zvažovať v koncepte rehabilitácie mosta. Z toho dôvodu bolo treba vytvoriť výpočet na fázovanom výpočtovom modeli, jednak s pôsobením na samostatnom vahadle, jednak na posúdenie účinkov na finálnej konštrukcii, obr. 5.



Obr. 5 Výpočtový model celej konštrukcie

Zvyšková kapacita predpätia bola stanovená z numerického modelu vahadla iteračným spôsobom, porovnávaním teoretických a nameraných deformácií vahadla. Namerané hodnoty boli získané z nezávislých geodetických meraní, ktoré sa robili ešte koncom roku 2016, pred uzatvorením mosta, ako aj meraniami počas diagnostiky mosta pred jeho rekonštrukciou, obr. 6. Hodnoty deformácií sa sledovali hlavne v strede hlavného poľa a pri oboch samostatných meraniach sa pomerne dobre zhodovali. Priemerná hodnota deformácie v tomto mieste z r. 2016 bola –208 mm, (mínus znamená smerom nadol) a nameraná priemerná deformácia z r. 2017 bola –195 mm. Hodnota deformácie, ktorá sa predpokladala a ktorá zohľadňovala všetky priťaženia stálymi zložkami zaťaženia, straty predpätia v čase, ako aj účinok dotvarovania betónu stanovený podľa noriem [3 a 4] bola –66 mm. To znamená, že rozdiel teoretickej hodnoty deformácie od priemeru všetkých meraní bol –136 mm. Na túto hodnotu sa potom kalibroval účinok pôvodného predpätia, ktorý vo výsledku dosiahol len okolo 68 % svojho predpokladaného pôvodného účinku, obr. 6.



Obr. 6 Výsledky analýzy predpätia a namerané deformácie



PROJEKT A REALIZÁCIA REKONŠTRUKCIE MOSTA 

Rekonštrukcia mosta primárne spočívala v zmene statického systému a vnesení dodatočného predpätia do nosnej konštrukcie. Zmena statického systému pozostávala v zmonolitnení stredového kĺbu, čím došlo k odbúraniu problematických deformácií dvoch na seba nadväzujúcich konzol. Zmonolitnením došlo k zásadnému zvýšeniu tuhosti stredného poľa a zároveň k zníženiu reakcie na dodatočne vnesené zaťaženia, preto fixácia konštrukcie na zmenený statický systém sa realizovala na odľahčenej konštrukcii o mostný zvršok. Pred samotným zmonolitnením došlo k roztlačeniu vahadiel nosnej konštrukcie, obr. 7. Týmto spôsobom sa eliminovali účinky dodatočného predpätia na podpery. Na roztlačenie sa použili 4 lisy (umiestnené v priestore stredového kĺbu), každý s nosnosťou 200 t. Na stabilizáciu roztlačených vahadiel do zmonolitnenia sa použili oceľové profily HEB300.


Obr. 7 Roztláčanie vahadiel nosnej konštrukcie

Dodatočné predpätie sa vnáša prostredníctvom voľnej predpínacej výstuže. Predpínacie káble boli rozdelené do dvoch skupín. Prvá skupina káblov pozostáva zo 4 ks lán 15 x Ls 15,7/1 860 vedených priamo v hornej časti dvojkomorového prierezu, obr. 8. Tieto káble dopĺňajú účinky pôvodného predpätia vedeného vo „vaničke“. Druhá skupina káblov pozostáva zo 4 ks deviovaných lán 15 x Ls 15,7/1 860. V krajných poliach sú káble deviované k spodným doskám dvojkomorového nosíka prostredníctvom vybudovaných betónových deviátorov, obr. 8. Tie boli vybudované v miestach pôvodných stužujúcich priečnikov. Nad podperami sa káble zdvíhajú k horným doskám dvojkomorového nosníka prostredníctvom pôvodných nadpoperových priečnikov, ktoré boli zosilnené z pôvodných 0,3 m na 0,5 m, obr. 8. V strednom poli káble vychádzajú z dvojkomorového nosníka a sú deviované prostredníctvom oceľových deviátorov umiestnených v 1/3 rozpätia pod NK, obr. 9. Deviované káble vykrývajú účinky dopravného zaťaženia a znižujú šmykové namáhanie konštrukcie zdvihovými účinkami.

Obidve skupiny káblov sú vedené kontinuálne cez celú NK a sú kotvené v zosilnených koncových priečnikoch, odkiaľ sa realizovalo aj predpínanie. Ako prvé boli predpínané priame káble a následne lomené. Predpínanie sa robilo dvojfázovo, v prvej fáze bolo vyvodené napätie na úrovni 50 % a v druhej fáze boli káble dopnuté na 100 % hodnoty finálneho napätia. Finálna hodnota napätia predpínacích lán bola stanovená na úrovni 1 200 MPa. Káble sú vedené a chránené v HDPE kanálikoch f 110 x 5,3 mm, ktoré sú vyplnené injektážnou maltou.




Obr. 8 Vedenie káblov v komore (betónový deviátor a nadpodperový priečnik)




Obr. 9 Pohľad na oceľový deviátor a koncový priečnik

Na krajných oporách a vymenili výkyvné ŽB steny za hrncové ložiská. Na každej opore bol dvojkomorový nosník podopretý dvoma kyvnými stenami, ktoré nahradili štyri hrncové ložiská. NK počas búrania výkyvných stojok a následne počas budovania úložných blokov pod ložiskami bola stabilizovaná tromi lismi, uloženými na dočasnej konštrukcii z oceľových profilov HEB300, obr. 10.




Obr. 10 Výmena výkyvných stien za hrncové ložiská

Mostný zvršok bol navrhnutý tak, aby spĺňal požiadavky na šírkové usporiadanie, ale zároveň nepriťažoval nosnú konštrukciu. Výmena mostného zvršku pozostáva z vybudovania spádovej (betónovej) vrstvy, odvodňovacieho a izolačného systému, chodníkových dosiek, bezpečnostných zariadení, vozovky a mostných záverov.





Obr. 11 Pozdĺžny a priečny rez – po rekonštrukcii


 

ZÁVERY

Výsledky cielenej diagnostiky, efektívneho statického návrhu zosilnenia NK, ako aj kvalitného zrealizovania všetkých rekonštrukčných prác na moste sa po ich dokončení úspešne overila statická zaťažovacia skúška, obr. 12, ktorá prebehla koncom roku 2017. Skúška bola vykonaná s účinnosťou zaťaženia h = 0,88, ktoré bolo stanovené vzhľadom na normové zaťaženie podľa Eurokódu. Jej výsledky potvrdili správnosť výpočtových predpokladov a preukázali spoľahlivé fungovanie nosnej konštrukcie. V priebehu tohto roku má navyše prebiehať na moste dlhodobý monitoring napätosti pri prevádzkovom zaťažení.



Obr. 12 Statická zaťažovacia skúška

Aj tento príklad riešenia havarijného stavu na moste poukazuje na zvýšenú potrebu klásť v súčasnosti dôraz na sledovanie a včasnú, cielenú diagnostiku starších mostných konštrukcií, ktoré dnes majú 50-60 rokov prevádzky za sebou. Sú to hlavne predpäté konštrukcie, na ktorých sa začínajú výraznejšie prejavovať viaceré koncepčné nedostatky svojej doby. Včasným zásahom sa nielen predchádza materiálnym a spoločenským stratám, ale pôvodnú konštrukciu možno ešte veľakrát využiť a efektívne sanovať tak, aby spoľahlivo plnila svoju funkciu aj v ďalšom období.



Poďakovanie

Tento príspevok vznikol za finančnej podpory grantovej agentúry VEGA, číslo 1/0336/15 a 1/0045/19.


Literatúra

[1]       MORAVČÍK, M. a kol.: Diagnostika a statické posúdenie mosta na ceste II/547, ponad VN Ružín, SvF ŽU, Žilina, 2017

[2]       MORAVČÍK, M: Navrhovanie predpätých konštrukcií podľa európskych noriem, Edis ŽU, Žilina, 2017

[3]       STN EN 1992-1-1: Navrhovanie betónových konštrukcií, Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby

[4]       STN EN 1992-2: Navrhovanie betónových konštrukcií, Časť 2: Betónové mosty

[5]       DOPRAVOPROJEKT, a. s.: Projektová dokumentácia Odstránenie havarijného stavu mosta II/547 020 ponad VN Ružín


Prof. Ing. Martin Moravčík, PhD.

Žilinská univerzita v Žiline

martin.moravcik@fstav.uniza.sk


Fotogaléria k článku