ZAVĚŠENÁ LÁVKA PŘES DÁLNICI D1 V BOHUMÍNĚ CABLE STAYED PEDESTRIAN BRIDGE ACROSS THE MOTORWAY D1 AT BOHUMIN

Transkript

1 ZAVĚŠENÁ LÁVKA PŘES DÁLNICI D1 V BOHUMÍNĚ CABLE STAYED PEDESTRIAN BRIDGE ACROSS THE MOTORWAY D1 AT BOHUMIN 1 Obr. 1 Lávka přes dálnici D1 Fig. 1 Pedestrian bridge across the motorway D1 Obr. 2 Podélný řez Fig. 2 Elevation Obr. 3 Příčný řez, a) mostem, b) mostovkou Fig. 3 Cross section, a) bridge, b) deck Obr. 4 Mostovka Fig. 4 Deck Lenka Zapletalová, Petr Mojzík, Jiří Stráský, Peter Pitoňák 2 Zavěšená lávka pro pěší přemosťující dálnici D1 je popsána s ohledem na architektonické a konstrukční řešení, statickou a dynamickou analýzu a technologii výstavby. Most celkové délky 115,26 m má dvě pole, která jsou zavěšena na středním pylonu tvaru písmene V. Osa lávky je v půdorysném oblouku s poloměrem 220 m. Mostovka z vysokopevnostního betonu je tvořena středním páteřním nosníkem s nesymetrickými konzolami. Pylon je sestaven ze dvou ocelových komorových nosníků vyplněných betonem. Lávka tvoří integrální konstrukční systém, u kterého je mostovka rámově spojená s pylonem a opěrami. A cable stayed pedestrian bridge across the D1 motorway is described in terms of the architectural and structural solution, static and dynamic analysis and technology of construction. The bridge of the total length of m has two spans that are suspended on a central V shaped pylon. The bridge axis is in a plan curvature with a radius of 220 m. The deck from highstrength concrete is formed by a central spine girder with non-symmetrical cantilevers. The pylon is formed by two steel boxes that are filled with concrete. The bridge forms an integral structural system in which the deck is frame connected with the pylon and abutments. 3a 3b 8 BETON technologie konstrukce sanace 4/2012

2 4 V prosinci 2011 byla předána veřejnosti lávka, která v Bohumíně převádí pěší a cyklistickou dopravu přes dálnici D1, silnici I/67 a upravené koryto potoka Bajcůvky (obr. 1). Lávka celkové délky 115,26 m má dvě pole s rozpětími 54, ,29 m (obr. 2). Její osa je ve vrcholovém zakružovacím oblouku s poloměrem 500 m a ve výrazném půdorysném oblouku s poloměrem 220 m. Mostovka celkové šířky 7,6 m je tvořena páteřním nosníkem vystupujícím nad povrch komunikací a tvořícím přirozené rozhraní mezi částí pro pěší a cyklisty (obr. 3 a 4). Chodník šířky 2,25 m a cyklostezka šířky 3 m jsou vedeny po oboustranných konzolách. Aby nosník nebyl namáhán kroucením, je delší konzola vylehčena kazetou. Mostovka je zavěšena na středním pylonu tvaru písmene V prostřednictvím mnohonásobných závěsů semi-radiálního uspořádání. Pylon je ocelový, vyplněný betonem. Most tvoří integrální konstrukční systém, v kterém je mostovka rámově spojena s pylonem a vetknuta do krajních opěr. Protože v půdoryse konstrukce působí jako oblouk vetknutý do krajních opěr, vyvolávají objemové účinky změnu jeho vzepětí. Aby bylo namáhání pylonu co nejmenší, je pylon v příčném směru co nejštíhlejší (obr. 5). Snahou autorů projektu bylo navrhnout úspornou konstrukci jemných rozměrů odpovídajících lidskému měřítku, konstrukci, jejíž krása vychází ze statické funkce. Současně takřka bezúdržbovou konstrukci tvořenou robustním průřezem bez dutin, ložisek, kloubů a tlumičů vibrací. Štíhlou konstrukci, která nevyvolává u chodců nepříjemné pocity způsobené chvěním od pohybu chodců a větru. Obr. 5 Pylon Fig. 5 Pylon Obr. 6 Bednění kazet Fig. 6 Waffle formwork Obr. 7 Podhled mostu Fig. 7 Bridge ceiling /2012 technologie konstrukce sanace BETON 9

3 8 9 Obr. 8 Mostovka, kotvení závěsů a předpínací kabely Fig. 8 Deck, stays anchoring and prestressing tendons Obr. 9 Kotevní přípravek Fig. 9 Anchoring weldment Obr. 10 Příčný řez pylonem, a) v místě kotvení závěsů, b) typický Fig. 10 Pylon s cross section, a) at stays anchors, b) typical Obr. 11 Kotvení závěsů v pylonu Fig. 11 Stays anchoring at the pylon Obr. 12 Vodorovné nadvýšení pylonu Fig. 12 Pylon s horizontal camber Obr. 13 Krajní opěra Fig. 13 End abutment 10a 10b 12 KONSTRUKCE LÁVKY Mostovka Mostovka je zhotovena z monolitického dodatečně předpjatého vysokopevnostního betonu C55/67-XF1. Zavěšení mostovky na ocelobetonový pylon je realizováno sedmnácti symetrickými páry lanových závěsů. Mostovka šířky 7,6 m je tvořena lichoběžníkovým páteřním nosníkem konstantní výšky 1 m, jenž vynáší konzolové desky pro pěší a pro cyklisty. V důsledku rozdílnosti šířkového uspořádání chodníku a cyklostezky jsou i délky vyložení rozdílné. Pro eliminaci účinků kroucení je delší vyložená deska cyklostezky na spodním povrchu vylehčena v pravidelném rastru 2 m velkoplošnými kazetami (obr. 6 a 7). Hloubka vylehčení je proměnná od 100 do 150 mm, vlastní tvar kazety je kombinací lichoběžníku a na něj navazujícího půlkruhu. Kotvení lanových závěsů k mostovce je zajištěno ocelovými kotevními přípravky tvořenými svislými plechy kapkovitého tvaru, které jsou doplněny o vodorovné a svislé koncové plechy, které byly zabetonovány do páteřního nosníku (obr. 8 a 9). Přímka každého závěsu prochází rovinou styčníkového plechu, plechy jsou tudíž různoběžné s osou páteřního nosníku. Tvar každého styčníkového plechu je originální. Přípravky byly osazeny na čtyři šrouby umožňující jejich výškovou rektifikaci. Podélné předpětí je vyvozeno čtyřmi dvanáctilanovými kabely systému Skanska. Předpětí bylo vyvozeno až po zavěšení mostovky. Závěsy Nosná konstrukce je zavěšena prostřednictvím plně uzavřených lan systému Pfeifer s charakteristickou pevností MPa a modulem pružnosti 160 GPa. Horní vidlicové koncovky lan kotvené ke styčníkovému plechu pylonu jsou pevné, spodní kotvené v kotevním přípravku zabetonovaném v páteřním nosníku jsou rektifikovatelné. Prvních sedm párů závěsů u pylonu je z lan PV 115 (průměr 35 mm), zbylých deset párů pak z lan PV 150 (průměr 40 mm). Pylon Ocelobetonový pylon tvaru písmene V má výšku 25,4 m a je tvořen dvojicí ocelových komůrkových průřezů 600 x 800 mm vyplněných betonem, ve spodní a horní části spojených ocelovou stěnou tloušťky 80 mm (obr. 10). Pylon je rámově spojený s mostovkou. V horní části jsou komory zkráceny na 315 mm a spojující stěna jimi prochází. Na tuto stěnu je navařeno pod rozdílným úhlem šest kotevních plechů závěsů. Úhel, pod kterým jsou plechy přivařeny, je dán půdorysným zakřivením konstrukce. Kotevní vidlice závěsů jsou chráněny krycím plechem navazujícím na tvar typického průřezu (obr. 11). Předpínací výztuž prochází komorami pylonu v ocelových trubkách, betonářská výztuž je napojena na pylon 10 BETON technologie konstrukce sanace 4/2012

4 11 13 prostřednictvím mechanických šroubovaných spojek, přenos smykového napětí je zajištěn smykovými trny přivařenými k plechům pylonu. Ocelová kapotáž zajišťuje zachování vnějších hran páteřního nosníku i v místě styku mostovky s pylonem. Pylon musel být zhotoven s příčným nadvýšením 527 mm v jeho hlavě (obr. 12), neboť zavěšení půdorysně zakřivené mostovky způsobuje jeho příčnou deformaci. Spodní, více namáhaná část, je vyrobena z konstrukční oceli S460, horní pak z oceli S355. Injektáž betonem C30/37-XF1 probíhala s ohledem na velké příčné deformace pylonu při napínání závěsů až po zavěšení a předepnutí mostovky. Založení a spodní stavba Most je založen na velkoprůměrových pilotách průměru 900 mm, které jsou vetknuty do předkvartérního podloží, tvořeného neogenním jílem až jílovcem s vysokou plasticitou. Spodní stavbu tvoří krajní opěry integrované s nosnou konstrukcí a dvoustupňový základový blok pylonu. Opěry jsou tvořeny základem, závěrnou zídkou a dominující střední stěnou šířky 800 mm, jež vybíhá přes okraj základu směrem k pylonu a podepírá páteřní nosník mostovky, s kterým je monoliticky spojena (obr. 13). Tato stěna je vylehčena otvorem eliptického tvaru. Vetknutí pylonu do základového bloku je realizováno prostřednictvím kotevního přípravku tvořeného dvanácti šrouby M100, který je zabetonován do spodního základového bloku. Horní pohledová část základu vystupující nad terén má v půdorysu kruhový tvar průměru 3,6 m. Příslušenství Povrch lávky je pokryt přímopochozí hydroizolační stěrkou šedé barvy, přičemž finální posyp křemenným pískem je na páteřním nosníku a římsových parapetech vynechán. Zábradlí na cyklostezce je dvoumadlové výšky 1,4 m nad přilehlým povrchem vozovky, v části pro pěší pak jednomadlové výšky 1,1 m nad římsovým parapetem. Výplň ocelových rámů mezi svislými zábradelními sloupky osazenými v rastru 2 m je z tahokovu. Zábradlí na mostě je ukončeno železobetonovými zídkami obdélníkového tvaru. Prostor lávky je osvětlen LED diodovými pásky umístěnými v madle zábradlí. Pylon je nasvětlen čtveřicí reflektorových svítidel situovaných na římsách. V čelech páteřního nosníku je dvojice orientačních LED diodových světel. Bohužel vandalové zničili osvětlení ihned po otevření. STAVBA LÁVKY Po provedení pilot a spodní stavby byl osazen pylon. Ten byl již ve výrobně svařen do jednoho montážního celku a takto byl dopraven na stavbu. Zde byl osazen s velmi vysokou přesností, již 4/2012 technologie konstrukce sanace BETON 11

5 14 15a 15b 15c 15d 15e 16a 16b vyžadoval projekt nad rámec prováděcích norem, a to z důvodu vysoké citlivosti koncovek lan na vstřícnost styčníkových plechů. Mostovku nebylo možné vybetonovat a následně zavěsit v jednom pracovním taktu. Při jejím zmonolitnění s krajními opěrami by při zavěšování půdorysně zakřivené konstrukce byla do páteřního nosníku vnášena vysoká napětí od kroucení výrazně překračujících dovolená namáhání (obr. 14). Betonáž tedy probíhala po etapách, kdy v první fázi byla vybetonována střední část mostovky délky 88 m (2 x 44 m na obě strany od pylonu) (obr. 15a). Betonáž této etapy probíhala na kombinované pevné skruži složené z Doka věží doplněných MTP podpěrami situovanými v ose páteřního nosníku v rastru po 4 m a dvojicí MTP podpěr situovaných na konci obou vahadel. Po betonáži a dosažení předepsané pevnosti betonu byla Doka skruž odstraněna, neboť by bránila volné deformaci mostovky při zavěšování. Konstrukce byla od tohoto okamžiku podepírána již pouze MTP podpěrami (obr. 15b, 16a a 17). Uložení muselo umožnit pohyby konstrukce v příčném a podélném směru a zároveň dovolit její volné pootáčení. Zhlaví MTP podpěr bylo proto opatřeno kluznými modulárními ložisky, jejichž horní povrch byl namazán silikonovým mazivem. Pro zajištění stability vahadel byly na krajní dvojice podpěr osazeny ocelové příčníky HEA 1000, které byly prostřednictvím Schwupp tyčí spřaženy s průřezem mostovky (obr. 16b). Tyto dvojice koncových MTP podpěr byly při zavěšování mostovky v několika přesně definovaných krocích výstavby výškově rektifikovány tak, aby se uvolnilo napětí, které bylo do mostovky vneseno jejím postupným zkrucováním vyvolaným napínáním závěsů. Všechna tato nadvýšení byla navržena s cílem eliminovat deformace nosné konstrukce (NK) při zavěšování. Před betonáží této etapy musely být rovněž s vysokou přesností předepsanou projektem osazeny kotevní přípravky závěsů. Vzhledem k jejich vysoké hmotnosti bylo nutné jejich uchycení pomocí závitových tyčí M20 přes bednění k nosným prvkům skruže za současného použití matic a spojek umožňujících rektifikaci polohy. Betonáž první etapy NK byla prováděna s nadvýšením, jež sestávalo ze 12 BETON technologie konstrukce sanace 4/2012

6 tří složek: nadvýšení výškové, nadvýšení vyvolané deformací v horizontální rovině a předtočení mostovky. Všechna nadvýšení byla navržena s cílem eliminovat deformace NK při zavěšování. Samotná montáž závěsů probíhala od středu mostu k jeho koncům, střídavě po dvou závěsech na levé a pravé straně lávky (obr. 15b, 15c a 18). Napínání závěsů bylo možné pouze za podmínky, že rozdíl teplot mezi osluněnými a neosluněnými částmi Obr. 14 Krouticí momenty, 1 mostovka betonovaná najednou, 2 mostovka betonovaná podle projektu ve dvou krocích Fig. 14 Torsional moments, 1 deck cast at one step, 2 deck cast according to design at two steps Obr. 15 Postup stavby Fig. 15 Construction sequences Obr. 16 Podepření mostovky, a) po celé délce, b) na koncích betonovaného úseku Fig. 16 Deck supports, a) along the whole length, b) at the ends of the cast section Obr. 17 Podepření mostovky Fig. 17 Deck supports Obr. 18 Zavěšení mostovky Fig. 18 Suspending of the deck Obr. 19 Kontrola sil v závěsech Fig. 19 Checking of stays forces Obr. 20 Výpočtový model Fig. 20 Calculation model 20 konstrukce nepřekročí hodnoty předepsané v projektu. Vzhledem k montáži v červencovém termínu a teplotám převyšujícím 30 ºC bylo nutné montážní práce provádět především v nočních hodinách. Napětí v závěsech bylo projektanty pečlivě monitorováno měřením poměrného protažení koncových tyčí závěsů (obr. 19). Následnými kroky výstavby bylo dobetonování krajních úseků mostovky (obr. 15d), předepnutí nosné konstrukce kabely podélného předpětí, rektifikace lanových závěsů na základě geodetického zaměření a měření sil v závěsech (obr. 15e). Posledním krokem byla betonáž výplně pylonu. Beton byl vytlačován od základu vzhůru. STATICKÁ A DYNAMICKÁ ANALÝZA Konstrukce mostu byla analyzována programovým systémem ESA. Mostovka, pylon, závěsy a piloty byly mo- 4/2012 technologie konstrukce sanace BETON 13

7 Obr. 21 Zatížení kabely a závěsy, a průběhy momentů, M p+z moment od předpětí a sil v závěsech, M g moment od zatížení stálého Fig. 21 Tendons and stays loading, and bending moments diagrams, M p+z moment due to prestress and stays forces, M g moment due to dead load Obr. 22 První vlastní ohybové frekvence: a) f o (1) = 1,358 Hz, b) f o (2) = 2,06 Hz Fig. 22 First natural bending frequencies: a) f o (1) = 1,358 Hz, b) f o (2) = 2,06 Hz Obr. 23 Lávka přes dálnici D1 Fig. 23 Pedestrian Bridge across the Motorway D1 Obr. 24 Lávka přes dálnici D1 Fig. 24 Pedestrian Bridge across the Motorway D a 22b Tab. 1 Porovnání teoretických a naměřených vlastních frekvencí Tab. 1 Comparison of theoretical and measured natural frequencies 23 Tvar kmitání Teoretická frekvence [Hz] Změřená frekvence [Hz] ohybový 1,42 1,6 ohybový 2,199 2,25 kroutivý 3,305 3,55 delovány pruty, koncové opěry včetně střední stěny deskostěnou (obr. 20). Pružné vetknutí pilot do zeminy bylo vystiženo pružinami. Vysoká hladina napětí v závěsech umožnila lineární analýzu konstrukce a superpozici výsledků řešení [1]. Síly v závěsech a průběh kabelů byly navrženy tak, aby radiální síly od kabelů spolu se závěsy vyrovnávaly účinky zatížení stálého, to znamená, že velikost a průběh momentů od obou zatížení byl stejný, ale opačného znaménka (obr. 21). Proto je mostovka od stálých zatížení namáhána převážně centrickým tlakem, konstrukce je tedy tvarově stálá a přerozdělení vnitřních sil v čase je minimální. Stejný výpočtový model sloužil pro následnou analýzu účinků nahodilého zatížení, větru a teplotních změn. Důležitá byla také dynamická analýza konstrukce. S ohledem na skutečnost, že frekvence prvních vlastních ohybových tvarů jsou v rozsahu frekvence lidských kroků (obr. 22), 14 BETON technologie konstrukce sanace 4/2012

8 24 byla konstrukce postupem uvedeným v [2] posouzena na vybuzené kmitání. Maximální amplituda kmitání max u = 0,53 mm, maximální rychlost kmitání max v = 0,005 m/s a maximální zrychlení a max = 0,26 m/s 2. Toto zrychlení je menší než přípustné zrychlení a lim = 0,596 m/s 2. Statické předpoklady a kvalita provedení byly ověřeny statickou a dynamickou zatěžovací zkouškou [3]. Při dynamické zkoušce byly nejdříve ověřeny vlastní tvary a frekvence kmitání (tab. 1). Dále byla konstrukce buzena náhodným a synchronizovaným přechodem chodců a přejezdem vozidla rychlosti 5, 10 a 15 km/h. Při buzení synchronizovanou dvojicí chodců bylo naměřeno maximální zrychlení a max = 0,018 m/s 2. Konstrukce lávky se před i po dynamickém zatěžování chovala pružně a nebyly odhaleny závady či poruchy globálního anebo lokálního charakteru. Konstrukce je velmi tuhá a uživatelé nemají nepříjemný pocit, když stojí anebo jdou po lávce. ZÁVĚR Výstavba lávky byla zahájena v červnu 2008, po vybudování spodní stavby však musela být na jaře roku 2009 pro nedostatek finančních prostředků přerušena. Stavba byla opět obnovena na jaře Lávka byla předána veřejnosti v prosinci 2011 (obr. 23 a 24). Architektonické a konstrukční Stráský, Hustý a partneři, s. r. o. řešení Projektová dokumentace Stráský, Hustý a partneři, s. r. o. (všechny stupně) Skanska a. s., divize Zhotovitel Silniční stavitelství, závod Mosty Realizace červen 2008 až prosinec 2011 Při návrhu mostu byly využity výsledky řešení projektu Ministerstva průmyslu a obchodu Impuls FI IM5/128 Progresivní konstrukce z vysokohodnotného betonu. Příspěvek byl vypracován v rámci výzkumného záměru MSM Progresivní spolehlivé a trvanlivé nosné stavební konstrukce. Literatura: [1] Strasky J.: Stress Ribbon and Cable- Supported Pedestrian Bridges. ISBN: X. Thomas Telford Publ., London 2005, 2nd edition 2011 [2] Stráský J., Nečas R., Koláček J.: Dynamická odezva betonových lávek, Beton TKS 4/2009, ISSN: [3] Inset, s. r. o.: Dálnice D47, stavba Bohumín státní hranice ČR-PR: Statické zatěžovací zkoušky mostů, Zpráva o dynamické zatěžovací zkoušce lávky SO 221, Ostrava 2011 Ing. Lenka Zapletalová Ing. Petr Mojzík Prof. Ing. Jiří Stráský, DSc. všichni: Stráský, Hustý a partneři, s. r. o. Ing. Peter Pitoňák Skanska, a. s. divize Silniční stavitelství, závod Mosty 4/2012 technologie konstrukce sanace BETON 15