Železniční estakáda přes Masarykovo nádraží v Praze v km 3,993 HK

Transkript

1 Železniční estakáda přes Masarykovo nádraží v Praze v km 3,993 HK Jan Pěnčík 1 Abstrakt Součástí stavby Nové spojení v Praze je čtyřkolejná železniční estakáda přes Masarykovo nádraží o délce 450 m. V rámci kontrolní činnosti byla provedena prostorová analýza vybraných polí (krajního a typického) nosné konstrukce. K prostorové analýze byl použit program ANSYS. V příspěvku jsou popsány výpočtové modely včetně typů prvků použitých pro modelování jednotlivých konstrukčních částí a řešené zatěžovací stavy s příklady výsledků. Summary Construction Nové spojení" in Prague includes a multi span railway bridge consisting of four tracks which passes over Masaryk s railway station. Its length is approximately 450 m. The program ANSYS was used to produce simulated control tests and analysis in 3D of selected spans (outer and typical) of the bridges supporting structure. The attached paper contains detailed analysis models including the element types which were used for the modelling of the individual structural parts and solved load cases with examples of their results. 1) Pěnčík Jan, Ing., Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavební mechaniky, Veveří 95, Brno, tel.: , pencik.j@fce.vutbr.cz - 1 -

2 1. Úvod Zvyšující se důraz na kvalitní tranzitní železniční spojení vyžaduje výstavbu nových tratí a rekonstrukce tratí současných, a to jak v celé ČR, tak zejména v Praze. V ní je nyní kapacitně a částečně i technicky pouze jediné dvojkolejné spojení mezi Libní a Masarykovým nádražím. Mezi Hlavním nádražím Vysočany, Holešovicemi a Libní je pouze spojení jednokolejné. Toto jednokolejné spojení je současně svými směrovými i sklonovými poměry dávno nevhodné (výstavba v roce 1872). Vlakové soupravy mohou po těchto stávajících tratích projíždět rychlostí 50 km/hod, někde navíc s omezením na 30 km/hod. V některých úsecích, např. na Hrabovské spojce, jsou z důvodů náročných sklonových poměrů dokonce vyloučeny jízdy vybraných rychlíkových souprav. Navíc mezi Vysočany a Masarykovým nádražím zatím žádné přímé spojení neexistuje [1]. K odstranění tohoto nevyhovujícího stavu bylo rozhodnuto vybudovat dvoukolejné propojení Hlavního nádraží se železničními stanicemi v Libni, Vysočanech a Holešovicích. Současně je plánováno dvoukolejné propojení těchto stanic s Masarykovým nádražím. Tato stavba má označení Nové spojení. Pro cílový stav kolejového uspořádání, včetně všech návazností na okolí, je třeba vybudovat 267 stavebních objektů, např. dva dvoukolejné tunely, kolektory, železniční mosty a opěry atd. Celá stavba se investičně přiblíží k 10 miliardám Kč [2]. Investorem stavby je Správa železničních dopravních cest, s. o. a Stavební správa Praha. Finanční prostředky na projekt poskytuje Státní fond dopravní infrastruktury [3]. Zhotovitelem stavby je sdružení Pražské spojení zahrnující firmy Skanska ŽS, a. s., SUDOP Praha a.s., SSŽ, a. s., Metrostav, a. s. a Subterra, a.s. Další zúčastněnou organizací jsou České dráhy a.s. Velmi důležitým objektem stavby Nové spojení je čtyřkolejná železniční estakáda přes Masarykovo nádraží (objekt SO860) o délce 450 metrů, která překlene tratě Libeň Hlavní nádraží a Praha Trutnov. Generálním projektantem stavby je SUDOP Praha a.s. Urbanistické a architektonické řešení zpracovali Ing. arch. P. Kotas a Ing. arch. P. Šafránek. Konstrukční řešení zpracoval Ing. R. Šafář [4]. a) b) Obr. 1 Nosná konstrukce železniční estakády přes Masarykovo nádraží (a), pohled na železniční estakády přes Masarykovo nádraží z perspektivy pěšího (b) [5] 2. Popis konstrukce Nosná konstrukce objektu SO860 Železniční estakády přes Masarykovo nádraží v km 3,993 HK je vyrobena z předpjatého betonu. Při její výstavbě se kombinuje technologie prefabrikovaného a monolitického betonu. Nosná konstrukce je navržena jako spojitá o 12 polích, situovaná ve směrovém oblouku, rozpětí polí v ose nosné konstrukce je 39,90+34,90+9x37,00+31,50 m (obrázek 2)

3 Obr. 2 Nosná konstrukce objektu SO860 podélný řez [6] Typický příčný řez nosné konstrukce je navržen jako tří-komorový (obrázek 1a, 3a), v krajním poli jako pěti-komorový (obrázek 3 b), s výškou v polovině rozpětí polí 3,20 m a nad mezilehlými pilíři s výškou 3,70 m. Zvětšení výšky příčného řezu je provedeno v dolní desce příčného řezu jejíž tloušťka se mění z 0,30 m v polovině rozpětí polí na 0,80 m nad mezilehlými pilíři. Nosná konstrukce je vyztužena příčníky, které ztužují konstrukci v podélném směru obvykle v 1/16 rozpětí polí a slouží rovněž jako deviátory volných kabelů. a) b) Obr. 3 Nosná konstrukce objektu SO860 typický příčný řez (a), příčný řez v krajním poli (b) [6] Nosná konstrukce je v podélném směru předepnuta dvěmi soustavami kabelů vnitřními kabely se soudržností vedenými ve stěnách a vnějšími volnými kabely vedenými ve střední komoře. Kromě podélného předpětí je nosná konstrukce předepnuta v příčném směru v horní části, tj. v horní desce, pomocí kabelů se soudržností a v dolní části, tj. v dolní desce, pomocí předpínacích tyčí. Stěny příčného řezu jsou v oblasti podpor předepnuty svislými přepínacími tyčemi. Svislé předpětí je rovněž použito k předepnutí mezipodporových příčníků. 3. Analýza nosné konstrukce V rámci kontrolního přepočtu byl firmou Stráský, Hustý a partneři s.r.o. vypracován - 3 -

4 odborný posudek spočívající v provedení kontroly statického řešení nosné konstrukce objektu SO860. Dílčí částí posudku byla prostorová analýza nosné konstrukce typického [7] a krajního [8] pole Výpočtové modely Výpočtové modely typického a krajního pole nosné konstrukce byly vytvořeny podle výkresové dokumentace předané generálním projektantem stavby firmou SUDOP Praha a.s. a projektantem nosné konstrukce (Ing. P. Šafářem). Materiálové a průřezové charakteristiky byly uvažovány podle statického výpočtu, popř. podle upřesněných hodnot předaných projektantem nosné konstrukce. K analýze typického a krajního pole nosné konstrukce byl použit program ANSYS Výpočtový model typického pole Výpočtový model typického pole byl tvořen třemi typickými poli délky 37,00 m. S ohledem na uspořádání podélného předpětí byla modelována pole mezi podpěrami P6 až P9 (obrázek 2). Příčný řez nosné konstrukce byl při vytváření modelu rozdělen na 7 částí, které odpovídají technologii výstavby příčného řezu (obrázek 4): 1. základní část z monolitického betonu (dolní deska s náběhy se stěnou tloušťky 1,30 m), 2. horní monolitická deska, 3. dolní prefabrikát D, 4. horní prefabrikát v místě střední komory HS, Obr. 4 Příčný řez nosné konstrukce dělení na 5. výztuhy dolního prefabrikátu, konstrukční části 6. horní prefabrikát v místě krajní komory HP, 7. mezipodporové příčníky a ztužující příčníky. K modelování geometrie nosné konstrukce byly použity prostorové konečné prvky typu SOLID45. Tyto prvky byly rovněž použity k modelování ložisek, roznášecích desek příčného předpětí v horní a dolní části příčného řezu a roznášecích desek svislého předpětí stěn a mezipodporových příčníků (obrázek 5). K modelování roznášecích desek podélného předpětí, na koncích typických polí a v místě příčníků Obr. 5 Detaily části nosné konstrukce: ložiska (8), roznášecí pro kotvení volných kabelů, byly desky příčného předpětí v dolní části příčného řezu (9), použity skořepinové konečné prvky roznášecí desky příčného předpětí v horní části příčného typu SHELL63. řezu (10), roznášecích desek svislého předpětí stěn a K zahrnutí vlivu předpětí byly mezipodporových příčníků (11) použity dva přístupy. Podélné předpětí, tj. vnitřní kabely se soudržností a vnější volné kabely, bylo modelováno pomocí -4-

5 prostorových prvků typu LINK8. Příčné a svislé předpětí bylo modelováno pomocí metody ekvivalentního zatížení. Geometrie výpočtového modelu jednoho typického pole délky 37,00 m je zřejmá z obrázku 6 a 7. a) b) Obr. 6 Výpočtový model jednoho typického pole (a), detail nadpodporové části s kapsami pro napínání předpínacích tyčí v dolní desce (b) Obr. 7 Výsek výpočtového modelu jednoho typického s naznačení modelování podélného předpětí prvky typu LINK8 Při vytváření výpočtového modelu bylo nutné z důvodu výpočtové náročnosti a paměťových možností programu ANSYS v prostředí Windows XP použít symetrické a antimetrické okrajové podmínky v příčném směru v závislosti na charakteru zatížení (kapitola 3.2.). Výpočtový model byl tvořen uzly, prvky. Počet řešených stupňů volnosti byl Výpočtový model krajního pole Výpočtový model krajního pole byl tvořen krajním polem délky 39,87 m a dvěma přilehlými poli délky 34,90 m a 37,00 m. Na obrázku 2 se jedná o pole mezi opěrou O1 a podpěrou P3. Příčný řez nosné konstrukce byl rovněž při vytváření modelu rozdělen na 7 částí, které - 5 -

6 odpovídají technoligii výstavby příčného řezu (obrázek 8): 1. základní část z monolitického betonu (dolní deska s náběhy se stěnami tloušťky 0,80 m), 2. horní monolitická deska, 3. dolní prefabrikát D, 4. horní prefabrikát v místě střední komory HS, 5. výztuhy dolního prefabrikátu, 6. horní prefabrikát v místě krajní komory HP, 7. mezipodporové příčníky a ztužující příčníky. Obr. 8 Příčný řez nosné konstrukce dělení na konstrukční části K modelování jednotlivých konstrukčních částí krajního pole byly použity stejné prostorové konečné prvky jako v případě výpočtového modelu typického pole (obrázek 9). Oproti výpočtovému modelu typického pole, ve kterém byla všechna pole modelována pomocí prostorových prvků typu SOLID45, byl ve výpočtovém modelu použit přístup využívající kombinace prvků typu SOLID45 a SHELL63. Krajní pole bylo detailně Obr. 9 Detaily části nosné konstrukce: ložiska (8), roznášecí modelováno prvky SOLID45 a desky příčného předpětí v dolní části příčného řezu (9), přilehlá pole byla zjednodušeně roznášecí desky příčného předpětí v horní části příčného řezu modelována prvky SHELL63. (10), roznášecích desek svislého předpětí stěn a mezipodporových příčníků (11) Zvláštností krajního pole oproti typickým polím byly dvě stěny v příčném řezu (obrázek 8), které se směrem k podpěře P1 sbíhaly. Ke splynutí obou stěn došlo těsně před podpěrou P1, jak je zobrazeno na obrázku 10. a) b) c) Obr. 10 Základní část z monolitického betonu krajního pole (a), detail příčného řezu na opěře O1 (b) a podpěře P1 (c) s místem splynutí obou stěn a excentrickým uložením nosné konstrukce -6-

7 Při vytváření výpočtového modelu bylo rovněž nutné z důvodu výpočtové náročnosti a paměťových možností programu ANSYS v prostředí Windows XP použít symetrické a antimetrické okrajové podmínky v příčném směru v závislosti na charakteru zatížení (kapitola 3.2.). Výpočtový model byl tvořen uzly, prvky. Počet řešených stupňů volnosti byl Řešené zatěžovací stavy Výpočtové modely typického i krajního pole byly zatíženy stejnými zatěžovacími stavy. Zatěžovací stavy s okrajovými podmínkami v příčném směru byly zvoleny tak, aby bylo možné určit účinky od zatížení stálého G0, ostatního stálého G1, předpětí P a nahodilého zatížení V (zatěžovací soupravou byl zatěžovací vlak ČSD T [9]). Nahodilé zatížení bylo umístěno tak, aby vyvodilo extrémní účinky jednak v poli a jednak nad podporou při plném zatížení čtyř kolejí (model_2, model_4) a také při plném zatížení dvou kolejí na polovině mostu v příčném směru (model_3, model_5). Popis zatěžovacích stavů je uveden v tabulce 1 a jejich grafická interpretace je na obrázku 11. typické pole krajní pole Obr. 11 Výpočtové modely zatěžovací stavy a okrajové podmínky. Podle [9] bylo nahodilé zatížení při plném zatížení všech kolejí redukováno na 73% plného zatížení. Tab. 1 Výpočtové modely a zatěžovací stavy Model_2 Model_3 Model_4 okr. podmínky symetrie symetrie / antimetrie symetrie počet zať. kolejí ZS1 G0 + P G0 + G1 + P G0 + P ZS2 G1 + P Vmax pole G1 + P ZS3 G0 + G 1 + P Vmax pole G 0 + G1 + P ZS4 G1 + P + Vmax pole Vmax podpora G1 + P + Vmax pole ZS5 G1 + P + Vmax podpora Vmax podpora G1 + P + Vmax podpora kom. K1 = x ZS1 + ZS2 + ZS3 x kom. K2 = x ZS1 + ZS4 + ZS5 x Poznámka: Zatěžovací stavy, u kterých byly uvažovány antimetrické okrajové podmínky označeny v tabulce 1 modře. Model_5 symetrie / antimetrie 2 G0 + G1 + P Vmax pole Vmax pole Vmax podpora Vmax podpora ZS1 + ZS2 + ZS3 ZS1 + ZS4 + ZS5 v příčném směru jsou Výpočty provedené pomocí uvedených výpočtových modelů (model_2 až model_5) byly materiálově i geometricky lineární. -7-

8 4. Výsledky prostorové analýzy Vyhodnocení bylo provedeno pro modely a zatěžovací stavy uvedené v kapitole 3.2. Při vyhodnocení byl kladen důraz zejména na kontrolu normálových napětí SX a SZ, maximálních S1 a minimálních S3 hlavních napětí a smykových napětí ve svislé SYZ a vodorovné SXZ rovině. Pro ilustraci výsledků je na obrázku 12 až 15 zobrazen průběh svislé deformace UY [m] a průběh normálového napětí SZ [Pa] pro výpočtový model _2 a _4 pro zatěžovací stav ZS4, resp. pro výpočtový model _3 a _5 pro kombinaci K1 (tabulka 1). Pro jednotlivé konstrukční prvky nosné konstrukce byla na základě získaných výsledků určena místa s lokálními extrémy a místa s koncentrací napětí, např. oblasti podpor, příčníků, horní desky v místě mezipodporového příčníku atp. Shrnutím všech získaných výsledků bylo možné konstatovat, že napětí v konstrukci se pohybovaly v intervalu +3,5 MPa až 7,0MPa. V porovnání s dovolenými hodnotami napětí betonu v tlaku lze konstatovat jeho nízké využití (rezerva cca 40%). Obr. 12 Výpočtový model _2 (typické pole) průběh svislé deformace UY a normálového napětí SZ Obr. 13 Výpočtový model _4 (krajní pole) průběh svislé deformace UY a normálového napětí SZ Obr. 14 Výpočtový model _3 (typické pole) průběh svislé deformace UY a normálového napětí SZ - 8 -

9 Obr. 15 Výpočtový model _5 (krajní pole) průběh svislé deformace UY a normálového napětí SZ 5. Závěr Prostorová analýza typického a krajního pole poskytla projektantům představu o globálním chování nosné konstrukce a upozornila na slabá místa, resp. místa s možným výskytem extrémních napětí. Současně přispěla k rozhodnutí o nutné optimalizaci nosné konstrukce. Poděkování Autor příspěvku by rád poděkoval firmě Stráský, Hustý a partneři s.r.o. za umožnění spolupráce na kontrolním posudku nosné konstrukce objektu SO860. Jmenovitě by chtěl poděkovat prof. Ing. Jiřímu Stráskému, CSc. za konzultace a doc. Ing. Aleši Florianovi, CSc. za rady při zpracovávání modelu a pomoc při vyhodnocování výsledků. Literatura [1] Železnice v Praze s novou dimenzí, [2] První rok stavby "Nového spojení" v hlavním městě je za námi, [3] Nové spojení - hloubení si vyžádalo kubíků zeminy, [4] Nové spojení zásadní změna pražského železničního uzlu, [5] [6] Výkresová dokumentace generálního projektanta stavby SUDOP Praha a.s. [7] FLORIAN, A., PĚNČÍK J., Posouzení mostu přes Masarykovo nádraží, kapitola 2 Prostorová analýza typického pole, 1-156, Brno, 2005 [8] FLORIAN, A., PĚNČÍK J., Posouzení mostu přes Masarykovo nádraží, kapitola 4 Prostorová analýza krajního pole, 1-148, Brno, 2005 [9] ČSN Zatížení mostů - 9 -