Článek našeho projektanta ze slovenského oddělení mostů Igora Niko o náročné rekonstrukci železničního mostu s konstrukčním systémem extrémně stlačené stavební výšky. Text vyšel v časopisu Inžinierske stavby / Inženýrské stavby a týká se mostního objektu, který je součástí našeho projektu rekonstrukce ŽST Chrastava. 

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 požiadavkám investora v rôznej miere rekonštruované.

Ide o železničný most ponad miestnu komunikáciu spájajúcu priemyselnú zónu s mestom Chrastava. Most sa nachádza v tesnej blízkosti železničnej stanice.

Existujúci stav

Pôvodný stav | Zdroj: mapy.cz

Most v súčasnosti prevádza dve koľaje ponad miestnu komunikáciu na ulici U Nisy. Každá koľaj je vedená po samostatnej oceľovej konštrukcii. Priestor medzi konštrukciami 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 napriek izolácii v predpoliach. Stav muriva sa výrazne zhoršuje. Pod úložným prahom prvej opory vpravo sú viditeľné deformácie s nebezpečenstvom mierneho poklesu úložného prahu. Vzhľadom na zhoršujúci sa stav opôr nebolo odporúčané ich zachovanie. Bolo žiadúce opory nahradiť a upraviť ich umiestenie, aby nedochádzalo k nárazu vozidiel do opôr.

Úložné prahy sú tvorené z piatich dielov, ktoré sú železobetónové. 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. Tie boli pridané v rámci rekonštrukcie úložných prahov a podložiskových blokov v roku 2013.

Most je kolmý, dĺžka premostenia je 4,45m s rozpätím nosnej konštrukcie 5,1m.

Predošlý stupeň dokumentácie

V stupni dokumentácie pre územné rozhodnutie 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 kvôli umiestneniu objektu v blízkosti stanice menšia. Bolo nutné zabezpečiť medzi oceľovými prvkami nosnej konštrukcie priestor na nevyhnutnú údržbu minimálne 600 mm. Vzhľadom na navrhovanú geometriu koľaje a zvolený systém nosnej konštrukcie 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 ostať z veľkej časti pôvodná. Opora by sa odbúrala po úroveň úložných prahov, zvyšok spodnej stavby by sa sanoval v rôznom rozsahu pomocou mechanického tryskania.

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 bola komunikácia rozšírená. Rovnako bola snaha vytvoriť dostatočnú svetlú výšku pod mostom. Bol vytvorený návrh s premostením dĺžky 10 m a s voľnou výškou pod mostom cca 4,4 m.

Keďže nová konštrukcia je viac ako dvakrát tak dlhá ako pôvodný návrh a prevádzané koľaje sa smerom ku stanici zbiehajú, vznikol problém pri požiadavke dodržať minimálnu vzdialenosť medzi oceľovými prvkami.

Vznikol teda 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. Taktiež doba výstavby takejto konštrukcie by bola dlhšia v porovnaní s pôvodným návrhom. Už pri uvažovaní kratšej výstavby pôvodného návrhu bol tento objekt rozhodujúci pre dĺžku výluky na trati, čo spoločne s nežiadúcimi zmenami riešenia stanice nakoniec rozhodlo o nevhodnosti tejto alternatívy.

Geometriu koľají sa podarilo upraviť tak, aby aj v kritickom priereze na konci mosta bolo možné dodržať minimálnu vzdialenosť medzi konštrukciami. V konečnom stave bolo možné navrhnúť dva samostatné mosty s priamou konštrukciou paralelne k sebe, uložených kolmo na opory. Tvar oceľových prvkov bol optimalizovaný tak, aby výška hlavných nosníkov bola maximálna a vytvorila najväčší priestor pre koľajové lôžko. Zároveň bola snaha, aby pod každou koľajou vznikol rovnaký most napriek odlišnému prevýšeniu koľaje a smerovému vedeniu. Znamenalo to teda nájsť kritické miesto na moste, kde bude možné navrhnúť nosník tak, aby výškový rozdiel medzi horným povrchom pásnice a štrkovým lôžkom nepresiahol 50mm podľa zásad ČSN 73 6201.

Priečny a pozdĺžny rez

Vznikol tak návrh konštrukcie s ľavým nosníkom nižším ako pravým. Výška nosníkov v pozdĺžnom smere sa mení odlišným sklonom, ľavý nosník klesá 0,12%, pravý nosník 0,36%. Na zabezpečenie odvodnenia je 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 navrhnutý koncový priečnik 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 ku stanici si vyžiadali pomerne dlhé krídla, 4,6 m až 9,0 m. Na strane smerom ku stanici krídla nadväzujú na gabiónový 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 doskostenový model s obdĺžnikovými a trojuholníkovými prvkami s hranou maximálnej dĺžky cca 100 mm.

Výpočtový model nosnej konštrukcie

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, respektíve vplyv na rozhodujúce posúdenia takéto špičky nemajú. Každé zjednodušenie modelu bolo vítané.

Nástroj automatického „meshovania“ v programe MIDAS má svoje špecifiká a obmedzenia, dosiahnutie spojenia každého prvku si 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 zjednodušenie geometrie, samozrejme s dohliadnutím na bezpečnosť. Výsledná sieť konečných prvkov svojou podrobnosťou a presnosťou dostatočne vystihovala skutočnú konštrukciu.

Zaťaženie na moste zodpovedalo požiadavkám ČSN EN 1991-2 a ČSN EN 1990. Zaťaženie bolo modelované podľa presnej polohy koľaje na moste. Zaťaženie od podvalu bolor roznesené v sklone 4:1 v koľajovom lôžku a so sklonom 1:1 na hrúbke spodnej dosky, po jej strednicu. bola zistená zaťažovacia plocha, na ktorú boli aplikované hodnoty zvislého zaťaženia, či už stáleho zaťaženia koľajového roštu alebo premenného zaťaženia vlakovej dopravy.

Zaťaženie sa modelovalo podľa presnej polohy koľaje na moste. 

Poloha koľaje na moste bola uvažovaná 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 bolo zaťaženie uvažované s najväčším vplyvom na pravý nosník, v druhom prípade na ľavý nosník. Nejedná sa 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 boli aplikované 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 boli aplikované v dvoch zložkách. Momentový účinok bol modelovaný ako priťaženie, resp. odťaženie zaťažovacej plochy. Vodorovná posúvajúca sila bola vnesená samostatne v rovine strednice dosky.

Všetky kombinácie jednotlivých zaťažovacích stavov, skupiny zaťažení od dopravy, návrhové situácie a kombinácie pre rôzne posudky boli vytvorené ako obálky v MIDASe. Vzhľadom na to, že všetky zaťaženia, ktoré boli roznášané na zaťažovaciu plochu ako aj zaťaženia s možným pôsobením v dvoch smeroch, boli aplikované dvojmo a vo finále bolo nutné vytvoriť cca 78 kombinácií. Toto číslo zahŕňa aj čiastkové obálky, kde skupina dopravného zaťaženia požaduje niektoré zložky s hodnotou nula, pri kombinácií vertikálneho a horizontálneho zaťaženia. Pre vyhodnotenie zaťažiteľnosti bolo nutné vytvoriť samostatné zaťažovacie stavy, keďže pri zaťažiteľnosti bolo nutné izolovať zvislé sily od LM71, čo na bežný posudok nebolo potrebné. Rovnako hodnota dynamického súčiniteľa nadobúda iné hodnoty pre rôzne posudky, či už pre posudky únavy alebo odlišné hodnoty 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 ukázalo byť množstvo kombinácií, resp. množstvo kombinácií spoločne s hustotou siete konečných prvkov, ako celkom veľká záťaž pre hardware. Zobrazenie výsledkov celkových obálok pre MSÚ, obsahujúcich všetky stavy vrátane rôznych polôh zaťažení, trvalo často aj viac ako 10 minút. Samotný výpočet pritom trval výrazne kratšie.

Dynamika

V rámci statického výpočtu muselo byť rozhodnuté o nutnosti vytvoriť pre konštrukciu dynamickú analýzu. Keďže konštrukcia prevádza trať s maximálnou rýchlosťou menej ako 200km/h a ide o prostý nosník, musela byť overená vlastná dynamická frekvencia konštrukcie podľa pravidiel v ČSN EN 1991-2 kapitola 6.4.

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

Vzhľadom na to, že išlo o prvé stretnutie autora s riešením dynamickej odozvy v programe MIDAS Civil, okrem doskostenového modelu bol vytvorený aj kontrolný prútový model a krátky ručný výpočet vlastnej frekvencie.

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

Výsledok ručného výpočtu bola frekvencia 10,34 Hz, výsledok prútového modelu 10,72 Hz a doskostenového 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 doskostenovým modelom bola už 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 tiež nebolo pri zjednodušených výpočtoch zohľadnené. Každopádne, dosiahnuté výsledky boli presvedčivé a aj zjednodušené postupy by spĺňali podmienky pre statický výpočet s použitím dynamického súčiniteľa.

Záver

Vzhľadom na priestorové obmedzenia v danom mieste a 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 na samotnú konštrukciu mnoho priestoru neponechali. Použitie systému extrémne stlačenej stavebnej výšky bolo v danom prípade veľmi vhodné.

Článek je dostupný na stránkách vydavatelství časopisu Inžinierske stavby / Inženýrské stavby zde.