Technická univerzita Ostrava 1 VÝSTAVBA MOSTŮ (2018 / 2019) M. Rosmanit B 304 miroslav.rosmanit@vsb.cz 2 Způsoby zakládání mostů požadavky závisí na: - velikosti zatížení - vlastnostech podloží - hloubkách únosných vrstev - hydrotechnických poměrech rozlišujeme základy: - plošné, hlubinné a zvláštní 1
Způsoby zakládání mostů plošné základy 3 - dělí se na patky, pásy, desky, krabicové a montované - hloubka musí splňovat podmínky nepromrzavosti a dostatečné únosnosti zákadové zeminy - statické působení je vždy ve vzájemné interakci základu a zeminy (např. Winkler-Pastrnakův model podloží) C 1 C 2 w q - integrační konstanta (pružinová tuhosti podloží) [kpa/m] - integrační konstanta (smyková tuhost podloží) [kpa/m] - svislý průhyb - zatížení Způsoby zakládání mostů plošné základy 4 - stanovení parametrů tuhosti podloží je problematické (jeho tuhost závisí na úrovni napjatosti) - MKP modely zahrnují geostatická napětí v jednotlivých vrstvách geologického profilu, aktivní hloubu a tvar základu - velmi závisí na zatížení základové spáry (určení kontaktního napětí) - jsou budovány z prostého, nebo železového betonu - stavební jámy jsou tvořeny bočně vymezenými svahy, paženými nebo štětovými stěnami nebo chráněnou jámou (kesony apod.) deformace desky na pružném poloprostoru 2
5 Způsoby zakládání mostů hlubinné základy - piloty přenesení zatížení do hlubších vrstev (únosnost, stlačitelnost, podzemní voda, podemletí) - jsou vhodné, pokud jsou levnější než plošný základ do hloubky cca 4 m (úspora hmot a snížení pracnosti) - piloty do Ø 500 mm mají malou ohybovou tuhost pouze tlakové namáhání (pilotové uspořádání viz. obr.) 6 Způsoby zakládání mostů plošné vs. hlubinné základy 3
7 Způsoby zakládání mostů hlubinné základy - beraněné piloty - ŽB čtvercové 300/300 a 350/350, délky do 15 m, předpjaté Ø 330 500 mm, délky do 20 25 m - předražené nebo pažené piloty betonují se do dutiny vytvořené pomocí výpažnice - vrtané piloty betonované do otvorů vytvořených vrtnou soupravou, uplatňují se při větších hloubkách a při větších průřezech (Ø 400 1700 mm) - nejčastěji se používají piloty větší než Ø 600 mm, které dokáží přenést svislé zatížení větší než 1000 kn a také smyk a ohyb - nemohou se použít pouze na měkkém jílovém podloží a kyprých píscích 8 Způsoby zakládání mostů hlubinné základy - studny a kesony - používaly se často v minulosti, dnes jsou plně nahrazeny velkoprůměrovými polotami - studny dutá válcová, nebo hranolová tělesa, dole i nahoře otevřená, které se budují nad místem uložení a spouštějí se podhrabáváním - kesony dutá tělesa, nahoře uzavřená, ze kterých se v průběhu spouštění do zvodnělé zeminy vtlačuje stlačený vzduch 4
9 Způsoby zakládání mostů zvláštní způsoby zakládání - pouze při mimořádných geotechnických nebo stavebních podmínkách - nahrazení neúnosné zeminy - mechanické zlepšování rostlé zeminy (trvalé odvodňování, zhutňování, přísady do základové půdy injektáž a stabilizace) - chemická změna základové půdy - aplikace vyztužené zeminy 10 - opěry oddělují násyp od mostního otvoru - tvoří podpory nosné konstrukce - zprostředkovávají přechod mostu do tělesa komunikace - jsou namáhané silami z nosné konstrukce a bočním tlakem zeminy - jejich tvar závisí na výšce zemního tělesa, stavební výšce mostu, zatížení, ložiscích a dilatace mostní konstrukce 5
11 Monolitické gravitační opěry - prostý nebo železový beton, min. C 16/20 (životnost) - proti vodorovným složkám zatížení vzdoruje především vlastní tíhou - rozměry a tvar navrhujeme tak, aby výslednice sil zůstala v jádru průřezu - největší přípustná výstřednost (excentricita) výslednice sil vyplývá z rozevření pracovní spáry na max. ½ plochy, za předpokladu vyloučeného tahu - bezpečnost proti překlopení musí být min. 1,5-násobná - bezpečnost proti posunutí musí být min. 2,0-násobná 12 Monolitické gravitační opěry 6
13 Monolitické gravitační opěry - uvažují se mnohé zatěžovací stavy, závisí na postupu stavebních prací - např. u malých mostů můžeme opěru nejdříve zasypat a následně budovat horní stavbu (přitížení náspu bez působení reakce z horní stavby), - v definitivním stádiu se musí uvážit přitížení náspu dopravou a min. reakce na mostě a také min. reakce při provozu 14 Monolitické gravitační opěry - tlak zásypu na podzemní konstrukci závisí na tuhosti a interakci mezi zeminou a konstrukcí - zemní tlak se vždy musí uvážit v souvislosti s příslušnými přetvořeními a pohyby konstrukce - z toho pak vyplývá reakce v ložisku a velikost zemního tlaku (tlak zeminy v klidu) - pro nesoudržné zeminy 7
15 Monolitické gravitační opěry - stabilitní posudek (překlopení, posunutí) je nutné provést ve všech charakteristických spárách opěry - I. pracovní, II. základová - napětí v betonu se posuzuje ve spáře I. - ve spáře II. mezní namáhání základové zeminy - spára III. (základový výstupek) působí jako krátká konzola prokazuje se napětí v hlavním tahu - gravitační opěry vycházejí mnohdy mohutné (velký zemní tlak) - navrhují se konstrukční úpravy pro posun výslednice sil na základové spáře (zešikmení líce nebo rubu opěry, podseknutí opěry, Chaudyho nebo Schroeterovy desky 16 Monolitické gravitační opěry 8
Rozepřené opěry 17 - pokud je poměr výšky opěry ku rozpětí mostu větší než cca 1/3 je možné uložit konstrukci na obou stranách pevně příznivé ovlivnění nosné ŽB konstrukce (tlak) - doporučuje se použití až do 15 20 m pro silniční i železniční mosty - pevné ložisko (nejčastěji ŽB vrubový kloub) zamezuje posun konstrukce - u malých mostů (15 m) jsou posuny a natočení malá Rozepřené opěry 18 - u těchto opěr uvažujeme zatížení bočním zemním tlakem jako tlakem zeminy v klidu (E0) - opěry se posuzují ve vzájemné interakci se základovou zeminou v závislosti na její poddajnosti (pružné podloží) - rozepřené opěry vycházejí štíhlejší než gravitační, také tlaky na základovou půdu jsou menší (rovnoměrnější) - křídla se od těchto opěr zásadně oddělují 9
Rozepřené opěry 19 20 ŽB a vylehčené opěry - u méně únosné půdy (problémy s napětími v úrovni základové spáry) se kvůli snížení hmotnosti uplatňují lehčí ŽB opěry a křídla (poměrně tenké desky, stěny, žebra ), nebo duté opěry - uplatňuje se ŽB rámová konstrukce spojená s křídly - tvar a rozměry se volí tak, aby byla zajištěna stabilita opěry po dobu výstavby a v provozu 10
21 ŽB a vylehčené opěry 22 ŽB a vylehčené opěry - nejpoužívanější typ ŽB opěry je tzv. členěná svahová opěra - může být vytvořena jako monolitická, nebo jako montovaná z jednotlivých prvků: - rámová příčel (úložný práh) - stojka (sloupy nebo stěny) - základ (patky nebo ŽB pás); nebo založení na pásu na pilotách 11
23 ŽB a vylehčené opěry Pilotové opěry 24 - opěra je tvořena úložným prahem, který je připojený na beraněné nebo vrtané piloty - používá se u hluboko uložených únosných vrstev, při vysoké hladině podzemní vody - podle přenosu zatížení do zeminy rozlišujeme opřené piloty nebo plavající piloty, skupinově nebo samostatně rozmístěné 12
Pilotové opěry 25 26 Pilíře - pilíře, stěny, sloupy, stojky - převažuje svislé zatížení navrhují se výrazně štíhlejší než opěry, také tvary a průřezy jsou jednodušší - vodorovné zatížení vzniká od účinků brzdných a rozjezdových sil, tření v ložiscích, větru na nosnou konstrukci a pilíř, bočních rázů (železniční mosty) - přenos účinků vodorovných konstrukcí viz. obr. 13
Pilíře 27 - v prvním případě platí: pokud H < T - potom Δ = 0, jinak Δ > 0; předpokládáme, že opěra vzdoruje třecí síle - ve druhém případě velikost pohybu Δ vyplývá z řešení soustavy účinků vodorovného zatížení (při uvážení imperfekcí pilíře a účinků svislého zatížení dle teorie II. řádu) - pro třetí případ platí: pokud H < T - potom se konstrukce chová jako ve druhém případě, jinak je pohyb pilíře Δ určen velikostí třecí síly T 28 Pilíře - u návrhu pilířů umístěných v korytech řek, přehradách a jezerech se musí uvážit působení vodního vztlaku - pilíře zatížené prostými nosníky je zapotřebí posoudit na účinky rovnoměrné i nerovnoměrné zatížení (zatížení z jedné nebo obou stran) - ověřují se napětí betonu v nadzákladových spárách a zeminy v základové spáře - ověřuje se také bezpečnost proti překlopení okolo hrany základu (1,5-krát) a bezpečnost proti posunu podpory (2,0-krát) - pilíře, které jsou součástí rámových mostů a pružné podpory obloukových mostů se vyšetřují společně s nosnou konstrukcí jako jeden statický systém 14
29 Pilíře Monolitické pilíře - prostý beton, ŽB - v řekách se navrhují jako masivní, obtékaná část se obkládá kamenným zdivem kvůli erozi a estetice - u vysokých mostů volíme sloupové nebo stěnové pilíře, jejich tvar závisí na výšce, celkovém statickém působení, interakci s nosnou konstrukcí, základem a podzákladím 30 Pilíře Monolitické pilíře - typické tvary - typické průřezy 15
Pilíře Monolitické pilíře 31 - staticky působí jako prostorově excentricky tlačené ŽB pruty nebo stěny s různým uložením na koncích - nosná konstrukce se připojuje pomocí ložisek (pevný, posuvný), nebo kloubově (betonový kloub), nebo rámově - při posouzení je nutné posoudit všechny možné kombinace zatížení - v případě použití posuvného ložiska (s určitým odporem tření) je zapotřebí posoudit pilíř na oba stavy bez působení vodorovné třecí síly a s působením této síly Pilíře Monolitické pilíře 32 - u vysokých pilířů je významnou složkou návrhu stabilita konstrukce - cílem stabilitního výpočtu je získání (kritického) k-násobku zatížení, při kterém pilíř ztratí stabilitu (celkový determinant matice tuhosti konstrukce je roven 0) K e K G u elastická matice tuhosti geometrická matice tuhosti vektor deformací - výsledkem výpočtu jsou vlastní tvary konstrukce a jim odpovídající kritické k-násobky - nejdůležitější bývá většinou první vlastní tvar vybočení 16
33 Pilíře Monolitické pilíře - při velkých štíhlostech pilířů (λ = L e / i = 100-140) je nutné uvážit geometrickou nelinearitu, případně fyzikální nelinearitu betonu - (teorie II. řádu podmínky rovnováhy na zdeformované konstrukci) - nelineárním řešením může být prokázáno, že konstrukce ztratí stabilitu dříve, než podle klasického eulerovského přístupu Pilíře 34 Montované pilíře - prefabrikovaná podpora (mosty PK) - úložný práh (rámová příčel), stojka a základový pás - pata - zmonolitnnění, hlava - spojení pomocí kotevních šroubů 17
35 Úložný práh - soustředěné zatížení se přenáší z nosné konstrukce přes ložiska prostřednictvím úložného prahu do opěry - specifická součást opěry mostu samostatné posouzení - může působit samostatně (rámová příčel členěné opěry) nebo jako její součást (gravitační opěra) - pod ložisky vzniká namáhání v soustředném tlaku musí se použít ŽB - přenos tlaku se předpokládá roznosem v poměru max. 2:1 36 Úložný práh - zvýšení pevnosti v soustředném tlaku je podmíněné tím, že jsou zachyceny příčné tahy, které vznikají při roznášení tlaku z plochy F 2 na F 1 - výška úložného prahu se navrhuje 0,4 2,5 m, šířka je většinou stejná, jako tloušťka opěry nebo pilíře 18
Úložný práh - tahové napětí z příčného roznosu lze stanovit pomocí Mörschova vzorce (omezená platnost, která je většinou splněna) 37 - namáhání úložného prahu v podélném směru může být řešeno jako nosník konečné délky na pružném podkladě: φ s E 0 b = x/s - charakteristická délka - modul stlačitelnosti podkladu - šířka prahu Úložný práh - pro projekční praxi jsou zpracovány nomogramy 38 - pro statické řešení je vhodné použití MKP programu prostorová nebo (zjednodušeně) rovinná úloha - úložný práh působící samostatně jako nosný prvek je potřeba posoudit na globální účinky zatížení (ohyb, smyk, lokální účinky zatížení pod ložiskem) průběh příčných tahových napětí u horního povrchu a v roznášecí oblasti průběh tlakových napětí ve svislém směru 19
Související konstrukce 39 Křídla - křídla se spolupodílí na ukončení náspu v okolí podpory - mohou být rovnoběžná (nejlepší estetické působení), kolmá, šikmá nebo svahová (vždy oddělená dilatační spárou) Související konstrukce 40 Křídla - masivní křídla posuzujeme jako samostatně působící stěny na které působí zvětšený zemní tlak od pohyblivého zatížení na násypu - kratší rovnoběžná křídla (do 5 m - zavěšená křídla) je možno vybetonovat společně s opěrou - vyloží se jako konzoly (výztuž a betonáž v jednom celku) - delší křídla se oddělují dilatační spárou 20
Přechodové konstrukce 41 přechod z mostu na zemní těleso - dvě zcela odlišná prostředí z hlediska poddajnosti - dle dlouhodobé zkušeností dochází k deformaci zemního tělesa změna nivelety komunikace (nepříznivé z hlediska bezpečnosti dopravy) - za přechodovou oblast se považuje zemní těleso ve vzdálenosti 1,5 násobku výšky náspu (měřeno od rubu opěry) - navrhují se následující úpravy: Přechodové konstrukce 42 přechod z mostu na zemní těleso přechodový štěrkopískový klín - výška násypu do 3,0 m - důraz se klade na dokonalé zhutnění podloží zemního tělesa, zemního tělesa pod klínem a zhutnění samotného klínu - musí se zvolit vhodný materiál klínu a odvodnění rubu opory (dle místních podmínek) 21
Přechodové konstrukce 43 přechod z mostu na zemní těleso přechodový štěrkopískový klín - výška násypu do 3,0 m Přechodové konstrukce 44 přechod z mostu na zemní těleso přechodová deska - výška násypu nad 3,0 m - křížem vyztužená ŽB deska, nejčastěji monolitická, případně prefabrikovaná, délka se navrhuje 3 9 m - staticky působí jako deska na pružném podkladě, na jednom konci je kloubově podepřená na opěře 22
Přechodové konstrukce 45 přechod z mostu na zemní těleso přechodové mostní pole - prefabrikované železniční mosty - přechodové pole podepřené kloubově na podpoře a plovoucí opoře v násypu Literatura 46 1. Rotter, T.: Ocelové mosty, ČVUT Praha, 2006, ISBN 80-01-03410-0 2. Moravčík, M., Zemko, Š.: Betónové mosty 1 Všeobecná časť, Mosty zo železobetónu, Žilinská univerzita v Žiline, Žilina, Slovensko, 2004, ISBN 80-8070-258-6 3. kolektiv autorů: Navrhování mostních konstrukcí podle eurokódů, IC ČKAIT, 2010 4. Kvočák, V., Vičan, J., a kol.: Navrhovanie oceľových mostov podľa európskych noriem, TUKE Košice, 2013, ISBN: 978-80-553-1614-7 5. Schindler, A., Bureš, J.: SNTL Nakladatelství technické literatury, n. p., Praha 1975, 04-707-75 23