Efektivní zesílení zábradelního mostu na
třídu B

Anotace:

Popis zesilování zábradelní mostní konstrukce volnými kabely typu Monostrand. Efektivní metoda, která svou statickou účinností výrazně převyšuje ostatní metody zesilování stavebních konstrukcí a mostů. I u zdánlivě tuhé mostní konstrukce, kterou se jeví žlb. parapetní most malého rozpětí, lze touto metodou v podélných (parapetních) trámech a v příčnících výrazně změnit průhyb. U popisované konstrukce bylo předpětím dosaženo plného vyrovnání průhybů od vlastní tíhy.

1. Úvod

Mostní železobetonová konstrukce z roku 1932 byla po letech provozu převáděné silnice III.třídy navržena k zesílení a k celkové sanaci. Nosná konstrukce vykazovala po diagnostických zjištěních a po statickém přepočtu nízké zatížitelnosti: např. výhradní Vr = 12 tun - požadavek silniční dopravy (v zastoupení investora) byl zvýšit zatížitelnost na tř.B (dle ČSN 73 6203) tj. na Vr =40 tun.

Jednalo se o mostní objekt s jedním mostním otvorem přes řeku Dědinu, v úhlu křížení 78 g . Kolmá světlost činila 14,65 m , šikmá světlost 15,55 m , rozpětí nosné konstrukce 16,4 m , celková délka mostu byla 17,3 m . Konstrukce byla uložena na ocelolitinová (pevná a pohyblivá) ložiska na úložných žb. prazích. Šířkové uspořádání činilo 5,45 m mezi zvýšenými obrubníky, oboustranné chodníky 2x1,25 m. Světlá šířka mostu byla 7,95 m , celková šířka mostu činila 9,45 m .

Nosná konstrukce byla tvořena dvěma podélnými (parapetními, zábradelními) trámy výšky 2,40 m , šířky 0,75 m navzájem spojenými deseti příčníky rozměrů 0,65/0,30 m. Příčníky byly monoliticky spojené s žb. nosnou deskou tl. 0,16 m . Beton původní NK byl rozdílné kvality, ve statickém výpočtu bylo možno s jistotou počítat ( v tlačených průřezech) se značkou 170. Výztuž byla tvořena kruhovými průřezy C38 s hodnotami dovoleného namáhání při zatížení hlavním 120 MPa a při zatížení celkovém 140 MPa. Výztuž desky byla z důvodu zpřesnění výpočtu obnažena i nad podporami, tj. nad příčníky, a bylo konstatováno vyztužení spojité mostovky i na záporné momenty.

Na základě těchto zjištění bylo navrženo zesílení mostu předpínacími kabely složenými z chráněných lan MONOSTRAND L S 15,7 mm . Zesílení bylo konstrukčně vytvořeno systémem náhradních kabelových kanálků a předpínací kabely byly vloženy do podélných nosných prvků (parapetů) i do příčníků. Zesílení původní mostovky bylo navrženo nadbetonováním spřaženou ŽB deskou.

2. Zkušenosti a poznatky

Před vlastní sanací bylo nutno hloubkově injektovat trhliny v patkách parapetního trámu a následně vlastní sanační práce byly navrženy v těchto krocích :

  • důkladná předúprava degradovaného betonu celého mostu nejprve mechanicky a následně vysokotlakým vodním paprskem s rotační tryskou
  • pečlivé očištění obnažených a zkorodovaných ocelových výztužných vložek v celé mostní konstrukci nejprve mechanicky a následně vysokotlakým vodním paprskem s jednotryskovým (bodovým) nástrojem
  • provedení ochrany ocelových výztužných vložek silikátovými materiály
  • provedení zesilovacích prací mostní konstrukce jak vnesením předpětí, tak spřaženou deskou
  • aplikace adhézního můstku v celé ploše sanovaných betonů mostu
  • provedení hrubé a jemné reprofilace nosné konstrukce mostu (spodní stavba byla opravena pouze zainjektováním a provedením ochranného silikátového nátěru)
  • opatření vnitřní a horní plochy parapetních nosníků ochranným nátěrem

Při provádění předpínacích prací byly měřeny změny deformací hlavních (parapetních) nosníků i příčníků indukčnostními snímači dráhy s průběžným záznamem během předpínání.

Zesilování zábradelních mostů předpětím systémem náhradních kabelových kanálků přináší obecně řadu výhod:

  • Na rozdíl od lepené výztuže, která se aktivuje až po zatížení a tudíž se nespolupodílí na přenosu sil od stálého zatížení, se vnesením předpětí do konstrukce vyrovnává výrazná část vnitřních sil vzniklých od stálého zatížení; tím se účinně zlepšuje stav, kdy konstrukce není namáhána od nahodilého zatížení a pro přenos účinků nahodilého zatížení se vytváří potřebná rezerva.
  • Zvýšení zatížitelnosti touto metodou je běžně 200 až 300%; to je téměř řádově vyšší efekt než při použití lepené výztuže, kde podle zkušeností lze dosáhnout zlepšení o cca 30%.
  • Trhliny vzniklé statickým nebo dynamickým zatížením v tahových částech železobetonových konstrukcí výrazně urychlují proces koroze železobetonu. Vnesení tlakových sil předpětím dochází k uzavření těchto trhlin nebo nedochází již k jejím otevírání; tím se prodlužuje odolnost betonové konstrukce proti korozi.
  • Většinu prací spojených s touto technologii lze provést bez přerušení provozu na objektu nebo jen s jeho částečným omezením.
  • Při zesilování mostů předpínáním využíváme celou šířku intervalu stupně předpětí, při zesilování trámových mostů dosahujeme zpravidla stupně předpětí l = 0,15 až 0,25.
  • Ekonomické výhody: U mostů, které se zdají po statické stránce neopravitelné, nebo nelze jinými metodami dosáhnout požadované zatížitelnosti a kdy se přistupuje k demolici a výstavbě nového objektu, lze zpravidla za třetinu až polovinu ceny nového objektu dosáhnout požadovaných parametrů právě použitím této efektivní metody zvyšování zatížitelnosti.

Popisovaná mostní konstrukce je zesílena volnými kabely složenými z opláštěných předpínacích lan typu Monostrand NPE Ls 15,7 mm. Hlavní nosníky jsou zesíleny čtyřmi třílanovými kabely, příčníky jedním třílanovým kabelem a jedním lanem. Lana jsou umístěna částečně v náhradních kabelových kanálcích a částečně jsou opřena o podhledovou část nosníků.

Náhradní kabelové kanálky byly vyvrtány diamantovou technikou f 52 mm. Délka náhradních kabelových kanálků v hlavních nosnících je až 5 m. Pro provedení těchto dlouhých a přesných vrtů byl použit speciálně vyvinutý přípravek na uchycení vlastního vrtacího zařízení. Toto zařízení umožňuje provádění velmi přesných vrtů i pod malými úhly, které u hlavních nosníku kabelových kanálků byly 13,60 a 19,60.
Ukotvení lan bylo provedeno do třílanových kotev osazených na kotevních desky tl. 30 mm a umístěných do předem připravených kotevních sklípků. Sklípky byly vytvořeny diamantovou technikou v čelech nosníků. Osazení deviátorů bylo provedeno rovněž do předem připravených sklípků (vyřezaných diamantovou technikou).

Napínání kabelů probíhalo postupně. Nejdříve byly napínány kabely střídavě na obou hlavních nosnících. Následně se začalo s předpínáním příčníku od středu rozpětí mostu opět střídavě směrem k oběma opěrám. Napínací síly byly 192 kN pro každé lano s dobou podržení 3 minuty. Napínací síla se vnášela postupně po krocích a sledovalo se chování konstrukce. Napínání se provádělo jednolanovou pistoli s hydraulickým pohonem a bylo provedeno během 10 hodin. Skutečná protažení u všech lan byla v určené toleranci předem spočítaných teoretických protažení. I přesto, že lana mají opláštění PE folií, bylo po napnutí kabelů provedeno zainjektování kabelových kanálků. Injektáží se sledovalo mimo jiné důsledné vyplnění trhlin a místních nekvalit v betonu nosné konstrukce. Kotevní sklípky hlavních nosníků a příčníků se obetonovaly s dostatečným krytím.

Postup prací byl následující:

  • navrtání náhradních kabelových kanálků
  • provedení a osazení dodatečných deviátorů
  • vytvoření dodatečných kotevních oblastí a osazení kotev a podkladních desek
  • protažení lan a předepnutí
  • zainjektování kabelových kanálků a obetonování kotevních oblastí
  • betonáž spřažené desky
  • povrchová sanace konstrukce
  • provedení vozovky a chodníků

Při uvažování celkové tuhosti tohoto typu konstrukce (parapetní nosníky 0,75/2,40 m), teoretického výpočtu deformací od vnášených sil a skutečných (naměřených) deformací, se nelze ubránit zamyšlení nad příčinou zvýšených hodnot deformací – vzepětí hlavních nosníků vlivem předpínání dodatečně vneseného do konstrukce. Příčinou může být:

  • lokální poškození betonu trhlinami v původní tahové oblasti nosníků (a jejich následné uzavírání)
  • nízká (a velmi nestejnoměrná) tlaková pevnost betonu (s četnými kavernami) použitého konstrukčního betonu
  • Nepřesné stanovení přetvárných hodnot konstrukce. Stanovit přesný modul pružnosti u takové konstrukce je velmi složité; navíc v situaci konkrétní stavby, kdy jsme omezeni jak finančními prostředky tak i časově, je toto téměř nemožné.

Na grafu je uvedeno vzpínání mostu (negativní průhyby) zjišťované v závislosti na postupu předpínacích prací. V čase 0 až 6 hodin probíhalo střídavě předpínání kabelů na hlavních trámech. Je vidět, že nosníky se také střídavě přizvedávaly a tento jev osciloval kolem jisté střední hodnoty. Po ukončení předpínání (čas 6 hod) se negativní průhyby obou hlavních nosníků lišily jen minimálně (do 10%) a téměř dosáhly hodnot teoretických okamžitých průhybů od vlastní tíhy (5,0 mm výpočtový průhyb; -4,2 mm negativní průhyb od předpínání). Je zřejmé, že výpočtový statický efekt zesílení (zatížitelnost výhradní vzrostla z 16 na 40 t) je doprovázen příznivým deformačním účinkem předpínání. Použití metody vyrovnání zatížení volnými kabely (Load Balance Method) je zde názorně dokumentováno redukcí průhybů od vlastní tíhy konstrukce o téměř 85%.

Současně s nosníky se při předpínání negativně deformoval i střední příčník. Vlivem kroucení jeho deformace mírně „předbíhala“ hlavní trámy. V čase 6 hod až 10 hod pobíhalo následně předpínání příčníků. Zde je zajímavé, že negativní průhyb středního příčníku se zvyšoval při předpínání nejen jeho samého, ale i všech sousedních příčníků, a to prakticky stále o stejnou hodnotu. Analýza tohoto jevu ještě není ukončena; je však pravděpodobné, že jde o vliv roštové tuhosti mostovky a tuhosti v kroucení hlavních nosníků. Výsledný negativní průhyb středního příčníku oproti hlavním nosníkům byl změřen hodnotou –2,3 mm.

Uvedený příspěvek uvádí typický příklad efektivního užití volných kabelů při zesílení žb. mostní konstrukce běžného rozpětí systémem náhradních kabelových kanálků. Na konkrétní konstrukci je uvedeno standardní konstrukční řešení. Realizace proběhla v roce 2002; autorem konstrukčního a statického řešení zesílení byl Ing. L. Klusáček, CSc.; generálním dodavatelem SSŽ a.s.; zhotovitelem zesílení volnými kabely Ing. R. Mitrenga.