TECHNOLOGIE PŘEDPJATÉHO BETONU PŘI STAVBĚ MOSTU PŘES ŘEKU EBRO VE ŠPANĚLSKU BRIDGE ACROSS THE RIVER EBRO, CATALONIA, SPAIN

Transkript

1 TECHNOLOGIE PŘEDPJATÉHO BETONU PŘI STAVBĚ MOSTU PŘES ŘEKU EBRO VE ŠPANĚLSKU BRIDGE ACROSS THE RIVER EBRO, CATALONIA, SPAIN Jiří Stráský, Diego Cobo, Petr Novotný, Ingrid Raventos Most přes řeku Ebro Lo Passador je popsán z hlediska architektonického a konstrukčního řešení i postupu výstavby. Most je tvořen samokotvenou visutou konstrukcí o třech polích s r ozpětími m. Mostovka je zavěšena na čtyřech visutých kabelech situovaných v ose mostu. Torzně tuhá mostovka je tvořena spřaženým čtyřkomorovým nosníkem se třemi stěnami, zakřivenou spodní pásnicí a betonovou mostovkovou deskou. Střední stěna proměnné výšky, která vychází nad mostovkovou desku a nahrazuje tak závěsy klasických visutých konstrukcí, přirozeně odděluje vozovkovou část od klidové poloviny určené pro cyklisty a chodce. 1 The bridge across the River Ebro Lo Passador is described in terms of its architectural and structural solution, static and dynamic analyses and a process of the construction. The bridge forms a self-anchored suspension structure of three spans of lengths m. The deck is suspended on four suspension cables situated in the bridge axis. The torsionally stiff deck is formed by a composite four cell box girder formed by three steel webs, curved bottom flange and a concrete deck slab. The central web of a variable depth that protrudes above the deck slab and substitutes suspenders of the classical suspension structures naturally divides a local highway from pedestrian and cyclist routes. The suspension cables have an arrangement similar to the arrangement of external cables of prestressed concrete structures září 2010 prezident Katalánska slavnostně otevřel nový most přes řeku Ebro (obr. 1). Most nahrazuje přívoz, který spojoval malá katalánská města Deltebre a Sant Jaume d Enveja situovaná po obou stranách řeky těsně před jejím ústím do moře a převádí jak silniční, tak i cyklistickou a pěší dopravu (obr. 2). S ohledem na prominentní polohu mostu, který je situován v rekreační oblasti v těsném sousedství turistických stezek, bylo rozhodnuto vypsat na nalezení nejlepšího řešení mezinárodní architektonicko-konstrukční soutěž. Byl specifikován plavební profil a místa napojení na stávající komunikace. Bylo požadováno navrhnout zajímavou konstrukci, která odpovídá měřítku krajiny i kulturní tradici spojovaných měst. Aby mostem nebyla přehlušena krajina, byla také specifikována maximální výška konstrukčních prvků nad hladinou řeky do 20 m. Dvoukolová soutěž proběhla v roce V prvním kole byla hodnocena odborná kvalifikace soutěžících firem; v druhém kole, do kterého postoupilo pět firem, byly hodnoceny návrhy mostů. Je zajímavé, že v porotě byli mimo politiků převážně profesoři z Barcelonské University a jen jeden architekt. Posuzována byla tedy nejen krása mostu, ale i konstrukční a statická efektivita a elegance řešení. Soutěžní návrh vypracovaný firmou Stráský, Hustý a Partneři společně s projekční kanceláři Tec4 z Barcelony získal první cenu a byl vybrán k realizaci. Konstrukci mostu tvoří samokotvená visutá konstrukce, u které jsou tradiční závěsy nahrazeny závěsnými stěnami (obr. 3). Vítězný tým dále vypracoval nabídkový projekt i realizační dokumentaci stavby. Při zpracování projektu jsme se snažili aplikovat naši filozofii návrhu mostů. Je zřejmé, že základní funkcí mostu je bezpečně a hospodárně převést dopravu přes překážku. A architektura mostu musí vyjádřit tuto základní funkci. To však neznamená, že architektura mostu je determinována jen tímto základním požadavkem. Je samozřejmé, že most musí být krásný, proporční a musí odpovídat měřítku krajiny, jeho konstrukce by měla vyjadřovat současnou dobu a pokrok ve vědě i technologii. A především, musí zajistit bezporuchový provoz most tedy musí dobře sloužit uživatelům. Popisovaný most spojující dvě města převádí nejen osobní vozidla, ale i veš- 6 BETON technologie konstrukce sanace 4/2011

2 Obr. 1 Most přes řeku Ebro Fig. 1 Bridge across the Ebro River Obr. 2 Mostovka (vizualizace) Fig. 2 Deck Obr. 3 a) Podélný řez, b) půdorys Fig. 3 a) Elevation, b) plan Obr. 4 Příčný řez mostovkou uprostřed rozpětí Fig. 4 Cross section of the deck at mid-span Obr. 5 Vnitřní podpěra: a) příčný řez, b) podélný řez, c) řez C-C, d) řez B-B, e) řez A-A Fig. 5 Intermediate support: a) cross section, b) elevation, c) section C-C, d) section B-B, e) section A-A 3a 112 Ebro b kerou dopravu zajišťující provoz měst. Protože chůze v blízkosti hlučných aut a výfukových plynů není příjemná, rozhodli jsme se oddělit automobilovou dopravu od cyklistické a pěší dopravy. Pro toto oddělení jsme využili základní nosné prvky konstrukce, které jsou situovány v ose mostu: pylony, visuté kabely a závěsné stěny (obr. 2). Spojili jsme tak jejich nosnou a provozní funkci. Vozovka je situována na jedné straně konstrukce a cyklistické a pěší pruhy jsou umístěny na straně druhé u moře. Cyklistický a pěší pruh je oddělen klidovým prostorem s lavičkami. Dostatečně široký pruh vytváří prostor nejen pro dopravu, ale i pro místo pro setkání, posezení a oddech. Protože most křižuje řeku pod šikmým úhlem, umožnilo situování základních nosných prvků v ose mostu výrazně zjednodušit spodní stavbu. Zavěšení v ose také umožnilo navrhnout jasně čitelnou konstrukci. Most v každém pohledu vytváří tvarově čistou konstrukci. Jak mostovka s římsou, tak i spodní stavba a pylony mají shodné tvarování zdůrazňující proudnicový tvar konstrukčních prvků. Aby mohly být navrženy co nejštíhlejší, kombinují ocel s betonem. Konstrukce je štíhlá, transparentní, visuté kabely spolu se závěsnou stěnou připomínají lana a plachty plachetnic plujících pod mostem. 5a c 5d 5e b /2011 technologie konstrukce sanace BETON 7

3 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ Most má tři pole s rozpětími m (obr. 3). Mostovku výšky 2,08 m tvoří čtyřkomorový nosník proudnicového průřezu se zakřiveným podhledem (obr. 2 a 4). Nosník je rámově spojen s jednosloupovými podpěrami, které plynule přecházejí v nízké pylony výšky 8 m (obr. 5). Průřez pilířů se postupně mění od kruhového do eliptického (obr. 6). Mostovka celkové šířky 19,3 m je zavěšena na čtyřech visutých kabelech, které přecházejí přes nízké pylony a jsou na obou koncích mostu kotveny v koncových příčnících. Protože klasické závěsy, přenášející zatížení z mostovky do visutých kabelů, by byly příliš krátké a v mnoha případech by byly tvořeny jen na údržbu komplikovanými koncovkami, nahradili jsme je průběžnou stěnou proměnné výšky (obr. 7). Maximální výška stěny je v místě největšího ohybového namáhání, které je u visutých konstrukcí přibližně ve čtvrtině rozpětí hlavního pole. Pro omezení hluku tvoří mostovku ocelový nosník se spřaženou betonovou deskou. Vlastní ocelová konstrukce je tvořena dvoukomorovým nosníkem s velmi vyloženými konzolami. Ocelová konstrukce je po třech metrech ztužena příčníky, které podepírají spřaženou mostovkovou desku. Na koncích mostu je nosná konstrukce zesílena ocelobetonovými koncovými příčníky přenášejícími reakce z krajních ložisek do středních stěn. Mostovka je s pylony a vnitřními podpěrami spojena rámově, na krajních opěrách je uložena na dvojicích všesměrných ložisek, které jsou v ose mostu doplněny o vodící ložiska přenášející příčné síly od větru. Na opěrách je také konstrukce doplněna o tzv. stoppery (shock transition units), které spolu s pilíři přenáší případný náraz lodí a zlepšují dynamickou odezvu konstrukce (obr. 8). Pylony a pilíře jsou tvořeny ocelovými sloupy vyplněnými betonem (obr. 5). Pilíře jsou navíc obetonovány. Vnější železobetonový plášť se významně podílí na přenosu zatížení v pilíři; výjimkou je oblast spojení s mostovkou tento detail je navržen pouze z oceli, plechy jsou zde lokálně zesíleny až na tloušťku 100 mm. Krajní opěry jsou komorové, předpokládá se, že se v nich vybuduje informační středisko, popřípadě přírodovědné muzeum. Opěry jsou založeny na vrtaných pilotách. 8 BETON technologie konstrukce sanace 4/2011

4 10a 73 Ls 15,7 356/25 298/25 PE 225/13 injektáž ŘEZ A - A' ŘEZ B - B' ŘEZ C - C' R = 5,7m 10b uzavírací plech tepelná izolace prostor pro usměrnění lan uzavírací plech B PE 225/13 teleskopické uzavírací svar spojení pe trubek tepelná izolace Obr. 6 Vnitřní podpěra (vizualizace) Fig. 6 Intermediate support Obr. 7 Konstrukční řešení (vizualizace) Fig. 7 Structural arrangement Obr. 8 Uspořádání ložisek a stopperů (vizualizace) Fig. 8 Arrangement of bearings and stoppers Obr. 9 Visuté kabely (vizualizace) Fig. 9 Suspension cables Obr. 10 Sedlo: a) příčný řez, b) podélný řez Fig. 10 Saddle: a) cross section, b) longitudinal section Obr. 11 Deviátor: a) částečný podélný řez konstrukcí, b) podélný řez, c) příčný řez Fig. 11 Deviator: a) partial elevation of the structure, b) longitudinal section, c) cross section Obr. 12 Visutý kabel vedený podél střední stěny Fig. 12 Suspension cable lead along the central wall 11a 11b 12 detail A ŽB deska injektáž stěna příčníku 73 Ls 15,7 PE 225/13 11c 273/12,5 L = 0,25 m R = 5,7 m 273/12,5 L = 0,25 m R = 5,7 m PE 225/13 73 Ls 15,7 Mostovková deska byla betonována až po smontování ocelové konstrukce do ztraceného bednění tvořeného ve střední části horní pásnicí středních komor a v krajních částech vlnitým plechem uloženým na příčníky. Mostovka je nesena a předepnuta čtyřmi visutými kabely situovanými v ose mostu (obr. 7 a 9). Visuté kabely jsou tvořeny 73 lany Ø15,7 mm. Kabely jsou průběžné a jsou kotveny v koncových ocelobetonových příčnících (obr. 8). Na pylonech jsou podporovány sedly z ocelových trubek s poloměrem zakřivení 5,7 m (obr. 10). Trubky jsou zde podporované svislými výztuhami. Předpínací lana jsou po celé délce vedena a zainjektována v polyethylenových trubkách ohýbaných v deviátorech tvořenými ocelovými trubkami osazenými ve svislých výztuhách střední stěny (obr. 11 a 12). Po dokončení stavby byly kabely překryty krycími stěnami (obr. 22). V části mezi pylonem a střední stěnou vyčnívající nad povrch vozovky jsou visuté kabely vedeny v ocelových trubkách přivařených jak k trubkám sedla, tak i ke střední stěně. V době výstavby přenášely trubky tíhu montované konstrukce, po napnutí předpínacích lan, kdy došlo k jejich odlehčení, se výrazně podílí na přenosu namáhání od nahodilého zatížení. Konstrukční řešení visutých kabelů bylo vyvinuto z řešení použitého při stavbě zavěšeného mostu přes Labe u Poděbrad a u stavby lávky přes Švýcarskou zátoku Vranovské přehrady [1]. Je nutno si uvědomit, že je základní rozdíl mezi namáháním nosných kabelů zavěšené a visuté konstrukce. Závěsy zavěšené konstrukce jsou namáhány silami, které podle polohy zatížení mohou mít hodnotu větší i menší než je hodnota síly od zatížení stálého. Tomu pak odpovídá únavové namáhání dané rozdílem maximálního a minimálního namáhání násobeným součinitelem únavového zatížení, který se běžně uvažuje hodnotou 0,4. Naopak nosné kabely visutých mostů jsou od různých poloh nahodilého zatížení vždy namáhány silami, jejichž hodnota je vždy větší než hodnota síly od zatížení stálého. Tomu pak odpovídá podstatně menší únavové namáhání. Proto převážná většina realizovaných visutých mostů je navržena tak, že hlavní visuté kabely nelze vy - měnit. V případě popisovaného mostu pak bylo únavové namáhání lan velikos- 4/2011 technologie konstrukce sanace BETON 9

5 13a b 500t c BETON technologie konstrukce sanace 4/2011

6 Obr. 13 Postup stavby Fig. 13 Construction sequences Obr. 14 Postupná montáž konstrukce Fig. 14 Progressive erection of the structure Obr. 15 Vyzdvihování střední části mostovky Fig. 15 Lifting of the central section of the deck Obr. 16 Zdvihací rám s předpínacími pistolemi Fig. 16 Lifting frame with prestressing jacks Obr. 17 Výpočtový model Fig. 17 Calculation model Obr. 18 Postupná betonáž mostovkové desky a průběhy napěti Fig. 18 Progressive casting of the deck slab and courses of the stresses Obr. 19 Úprava napětí ve visutých kabelech Fig. 19 Adjustment of stresses at suspension cables Obr. 20 Deformace mostovky v průběhu výstavby Fig. 20 Deformation of the deck during construction 17 18a 18c 18b 18d ti jen 15 MPa. To umožnilo použít sedlo, které je podobné sedlům prvních betonových zavěšených mostů [2], [3], u kterých byly kabely tvořené až 93 lany Ø15,5 mm ohýbány a zainjektovány v ocelových trubkách. Podobné řešení bylo nedávno použito u řady extradosed mostů, u kterých je PE obal a ochranný tuk monostrandů odstraněn a lana jsou zainjektována v ocelových trubkách [4]. Protože trubky mají kruhové zakřivení a jsou vloženy do trubky většího průměru, lze kabely vyměnit. Dodavatelé předpínacích systémů nedávno vyvinuli sedla, ve kterých jsou monostrandy tvořící kabely vedeny v jednotlivých trubkách sestavených ve větší trubce zabetonované v pylonu. Jednotlivá lana pak lze poměrně snadno vyměnit. Toto uspořádání odstraňuje tzv. fretting problem. Při zvýšení zatížení se totiž zvětšuje protažení lan, které s ohledem na zakřivení není rovnoměrné. Proto se lana mohou o sebe třít a vzájemně se proškrábat, prodřít (anglicky fret). Je samozřejmé, že tento efekt závisí na velikosti únavového zatížení a na poloměru zakřivení. Kasuga v [5] uvádí výsledky únavových zkoušek závěsů tvořených devatenácti lany Ø15,2 mm ohýbaných v poloměru 3 m. První z drátů, z kterých jsou svinuta předpínací lana, se porušil při únavovém zatížení 50 MPa. Je tedy zřejmé, že nová, podstatně dražší sedla jsou nutná jen u výrazně únavově namáhaných konstrukcí. Pro kabely vedené v poloměru 5,7 m a namáhané únavovým namáháním 15 MPa bylo proto možné použít tradiční řešení. Místo vnitřní ocelové trubky však byla použita silnostěnná PE trubka. Dodavatel předpínacího systému BBR zkouškami prokázal, že radiální síly od ohýbaných lan PE trubku nepoškodí. Je tedy zřejmé, že při částečně omezeném provozu lze visuté kabely také postupně vyměnit. Na vnější straně je vozovka ohraničena svodidlem tvaru New Jersey doplněném o madlo, ve kterém je umístěno osvětlení, na vnitřní straně je vozovka ukončena svodidlem tvořeným silnostěnnou trubkou podporovanou sloupky. Toto svodidlo je také situováno u cyklistického pruhu. Také v těchto f S [MPa] zmenšení napětí Uz [m] napětí před zakotvením napětí po zakotvení průměrné napětí uvažované ve výpočtu vyzvednutí OK uvedení do provozu po předepnutí po 30 letech 4/2011 technologie konstrukce sanace BETON 11

7 21 22 trubkách je zabudováno osvětlení. Zábradlí u pěšího pruhu je tvořeno sloupky podporující široké madlo vyzývající k opření. Výplň tvoří lana sledující niveletu. Osvětlení je zde instalováno ve vysokém obrubníku, ve kterém jsou vedeny inženýrské sítě. Pěší a cyklistický pruh jsou odděleny pruhem laviček. POSTUP VÝSTAVBY Pro stavbu vnitřních podpěr byly u obou břehů postupně nasypány umělé poloostrovy, ze kterých byly vyvrtány 41,5 m dlouhé piloty průměru 1,8 m (obr. 13a). Nejdříve byl vybudován poloostrov na straně města Deltebre, po smontování ocelové konstrukce byla část zeminy odtěžena a použita pro stavbu poloostrova na straně města Sant Jaume d Enveja (obr. 14). V larsenových jímkách byly vybetonovány základy podpěr. Potom byly osazeny ocelové sloupy tvořící tuhé vložky vnitřních podpěr. Po jejich přikotvení k základům byly sloupy současně vyplněny betonem a obetonovány. Na umělých poloostrovech byl blokově smontován páteřní dvoukomorový nosník krajních polí s přečnívající konzolou do středního pole. Následně byl průřez doplněn o vnější ocelové konzoly. Potom byly osazeny ocelové sloupy a sedla pylonů, které byly po té vybetonovány. Následovalo osazení a přivaření trubek spojujících sedla pylonů se středními stěnami. Střední část ocelové konstrukce délky 61,4 m a hmotnosti 500 t tvořená dvoukomorovým nosníkem s konzolami byla sestavena na břehu a následně zaplavena pod most. Po zakotvení čtyř svislých kabelů byla konstrukce vyzdvižena do projektované polohy čtveřicí předpínacích pistolí (obr. 13b, 15 a 16). Polohu pistolí bylo možno směrově upravit, a tak se podařilo přesně navázat vyzdvihovanou část ocelové konstrukce na již smontované části. Po vložení a svaření vyrovnávajících plechů byla protažena a částečně napnuta předpínací lana tvořící vnější visuté kabely. Pro usměrnění lan byly v ocelových trubkách u pylonu vytvořeny kontrolní otvory. Po napnutí lan byly teleskopicky spojeny PE trubky, vložena tepelná izolace a přivařeny ocelové kryty otvorů. Zkouškami bylo prokázáno, že navržená izolace zajistí dostatečnou tepelnou ochranu předpínacích lan při přivařování krytů. Zvedaná část ocelové konstrukce působila před zabudováním jako prostý nosník a měla značný průhyb, který byl následně z velké části eliminován napínáním visutých kabelů (obr. 20). Tíha ocelové konstrukce tak byla ekonomicky přenášena tahem předpínacích kabelů. Následně byla vybetonovaná spřažená betonová deska a koncové příčníky. Deska byla betonována ve čtyřech stádiích, při kterých bylo také upravováno napětí v kabelech. Nejdříve byla vybetonována deska ve středním 6,3 m širokém pruhu (obr. 18a), který pak sloužil pro dopravu materiálu a pracovníků připravujících armaturu zbývající částí. Potom byly vybetonovány vnější konzoly (obr. 18b), krajní ztužení (obr. 18c) a svodidla a římsy (obr. 18d). Po té byly kabely dopnuty na projektované napětí. Aby po délce kabelu bylo dosaženo rovnoměrné namáhání lan a pylony nebyly namáhány třecí silou vzni kající v sedlech, bylo kotevní napětí v lanech po jejich napnutí zmenšeno o hodnotu tření, které vzniká mezi kotvami a pylony (obr. 19). Dále následovaly dokončovací práce a zatěžovací zkouška. Konstrukce byla vystavena pěti zatěžovacím stavům, které ověřily její ohybovou i torzní únosnost (obr. 21). STATICKÁ A DYNAMICKÁ ANALÝZA Při statickém výpočtu mostu byly respektovatovány španělské předpisy pro navrhování mostních konstrukcí a to pro určení zatížení (IAP Instructión sobre las accíones a consíderar en el proyecto de puentes de carreteras) i pro vlastní posouzení spřažené konstrukce (Recomendaciones para el proyecto de puentes mixtos para carreteras RPX 95). Při návrhu bylo nutné zohlednit také účinky seismicity pro návrhové spektrum zrychlení podloží 0,07 g. Výpočet byl proveden spektrální analýzou. V nabídkovém projektu byla konstrukce analyzovaná programovým systémem ANSYS. Ocelová konstrukce byla modelována deskostěnovými prvky, betonové části byly modelovány prostorovými prvky. Byly ověřeny detaily přenosu zatížení v kotevních příčnících, mechanismus přenosu ohybových momentů mezi mostovkou a pilíři, vyhodnoceno smykové ochabnutí v příčném i podélném směru a byl vyšetřen mechanismus přenosu zatížení ze střední stěny komory do bočních stěn. V prováděcím projektu byla konstrukce ověřena programovým systémem MIDAS (obr. 17), který umožnil provést detailní časově závislou analýzu postupu výstavby. Vlivem dotvarování a smršťování betonu dochází v čase k výraznému přerozdělení napětí v kon strukci. Na obr. 18 je uveden průběh napětí po předepnutí, po zatížení konstrukce ostatním stálým zatížením a za třicet let v jednotlivých postupně betonovaných částech desky. Protože se tahová napětí blíží hodnotám pevnosti v tahu, bude beton porušen trhlinami. Tato skutečnost byla uvážena při analýze konstrukce redukováním 12 BETON technologie konstrukce sanace 4/2011

8 Obr. 21 Zatěžovací zkouška Fig. 21 Loading test Obr. 22 Dokončená konstrukce střední stěna a visuté kabely Fig. 22 Completed structure central wall and suspension cables Obr. 23 Dokončená konstrukce podhled Fig. 23 Completed structure view from bellow Obr. 24 Dokončená konstrukce Fig. 24 Completed structure 23 Investor Projekt Kontrola projektu Dodavatel Visuté kabely Gestió d Infraestructures, S.A.U. GISA, Barcelona SHP Brno společně se španělskou firmou Tec4, Barcelona APIA XXI FCC Construcción, Madrid systém BBR tuhosti desky, a to jak pro normálová, tak i smyková namáhání. Expertní posudek týkající se aerodyna mické stability mostu při dynamickém za tížení větrem zpracoval prof. Miroš Pirner na základě výsledků modální ana lýzy provedené v nabídkovém projektu. ZÁVĚR Most byl příznivě přijat jak odbornou, tak i laickou veřejností (obr. 22 a 23). Při projektu mostu byly aplikovány výsledky projektu Ministerstva průmyslu FD-K/092 Ekologické a estetické spřažené mostní konstrukce. Příspěvek byl vypracován v rámci výzkumného záměru MSM Progresivní spolehlivé a trvanlivé nosné stavební konstrukce. Prof. Ing. Jiří Stráský, DSc. j.strasky@shp.eu Ing. Petr Novotný, Ph.D. p.novotny@shp.eu oba: Stráský, Hustý and Partneři, s. r. o. Bohunická 50, Brno tel.: Diego Cobo del Arco, Ph.D. dcobo@tec-4.es Ingrid Raventos iraventos@tec-4.es oba: Tec4 Ingenieros Consultores C/ Lepant 350 3º, Barcelona, Spain tel.: Literatura: [1] Strasky J.: Stress Ribbon and Cable-Supported Pedestrian Bridges. ISBN: X, Thomas Telford Publishing, London 2005, 2nd edition 2011 [2] Mathivat J.: The cantilever construction of prestressed concrete bridges, John Wiley & Sons, New York 1983 [3] Muller J.: Reflections on cable-stayed bridges, Revue generale des routes et des aerodromes, Paris 1994 [4] Strasky J., Matascik M., Novak R., Taborska K.: Multi-Span Extradosed Viaduct in Povazska Bystrica, Slovakia, 3rd fib International Congress 2010, Washington, D.C. [5] Kasuga A.: Extradosed bridges in Japan, ASBI International Symposium on Future Technology for Concrete Segmental Bridges, San Francisco /2011 technologie konstrukce sanace BETON 13