Článek pojednává o projektu ocelového železničního mostu, který za daných okrajových podmínek musel být navržen jako šikmý s úložným úhlem 41 ° při rozpětí 97,5 m. Jedná se o první železniční most v České republice, který využívá síťovaný oblouk. Most je zajímavý nejen složitou geometrií a celkovým zpracováním designu, ale také mnoha technickými detaily, které bylo nutno vyřešit. Raritou je pak robustní řešení styčníků táhel, které jsou natupo svařovány s táhly a táhla tak nejsou rektifikovatelná.
Základní údaje o mostě v novém stavu
Předmětný most převádí dvoukolejnou železniční trať Hohenau (ÖBB) – Přerov přes odlehčovací rameno řeky Dyje cca 2,4 km jižně od železniční stanice Břeclav (měřeno po trati). Nosná konstrukce (NK) mostu je ocelová s hlavními nosníky tvořenými tzv. síťovaným obloukem. Rozpětí nosné konstrukce je 97,500 m, konstrukční výška NK mostu je 15,64 m v polovině rozpětí, šikmost mostu je levá (úložný úhel 41 °), VMP 3,0 v přímé. Nová traťová rychlost je 160 km/h (původně 100 km/h). Pro každou kolej je navržena samostatná NK. Na jednom hlavním nosníku je osazeno 40 ks táhel, tj. 80 ks na jednu NK, průměry táhel jsou 90 mm vyjma krajních táhel, která jsou průměru 120 mm. Hmotnost jedné ocelové konstrukce mostu je necelých 1000 tun. Pro NK byla použita ocel S355 a pro táhla jemnozrnná ocel jakosti NL se zaručenou mezí kluzu při dané tloušťce táhel fy = 460 MPa.
Zadavatelem stavby je Správa železniční dopravní cesty, státní organizace, Stavební správa Východ. Projektantem mostu je společnost EXprojekt, s. r. o., zhotovitelem je Firesta-Fišer, rekonstrukce, stavby, a. s.
Zdůvodnění stavby
Dosavadní prototypové řešení přímého upevnění železničního svršku s dilatačními zařízeními na stávajícím mostě díky interakci se železničním svrškem přetěžovalo podélně pevná ložiska kratšího pole stávajícího mostu až do vzniku závad v uložení ložisek (nízká kvalita betonu – zatlačování a naklánění ložisek) a na železničním svršku (nerovnoměrné poklesy a dilatace mezi jednotlivými nosnými konstrukcemi v místech dilatačních zařízení a v místě pevných ložisek). Možnost rektifikace dilatačních zařízení železničního svršku (umístěných přímo na plechové mostovce stávajícího mostu) byla vzhledem k poklesům NK mostu již vyčerpána. Stávající NK včetně spodní stavby díky těmto důvodům nevyhovovala požadavkům na zvýšení traťové rychlosti. Investorem byla také prověřena efektivita případného zásahu do prototypového systému upevnění svršku spolu s výstavbou nových pilířů. Toto řešení se však ukázalo jako neefektivní jak ekonomicky, tak technicky. Důvodem k následnému rychlému řešení stavby byl kromě příležitosti čerpání prostředků z OPD1 také závazek zvýšení traťové rychlosti na základě smluv na mezinárodní úrovni (mezinárodní program Railjet).
Příprava projektu
Okrajové podmínky zadání a termíny projekčních prací
Zadání projektu v tomto případě jednoznačně ovlivnilo zvolené technické řešení. Základními požadavky zadavatele bylo financování stavby z OPD1, zahájení realizace stavby nejpozději v roce 2015 a zvýšení traťové rychlosti v řešeném úseku na 160 km/h. Z těchto důvodů bylo s ohledem na nutné profinancování stavby z OPD1 navrhnout takové technické řešení, které bude možné realizovat bez vyřizování územního řízení a bez potřeby provádění studií dopadu stavby na životní prostředí (perličkou je, že v lokalitě hnízdí orel mořský a také se zde nachází více než osm různých druhů zájmů ochrany životního prostředí – nadregionální biokoridor a Ramarský mokřad nevyjímaje). Břeclavská opěra mostu je navíc součástí protipovodňové hráze, která v úhlu cca 41 ° navazuje na železniční trať. Správce toku, Povodí Moravy, s. p., požadoval odstranění původních pilířů z koryta toku na základě zkušeností se záplavami v předchozích letech.
Výsledkem jednání s úřady a se složkami investora stavby je jednopolový most, který musel být navržen jako šikmý, aby respektoval stávající úhel křížení, nezmenšil celkovou průtočnou kapacitu koryta a aby nezasahoval do těsnicího jádra protipovodňové hráze. Oproti očekávanému třípolovému mostu se takto projekční příprava násobně zkomplikovala.
Termíny projekčních prací
Díky nutnosti financování stavby z OPD1 vznikly velmi náročné časové podmínky pro projekční práce, které znamenaly nutnost rozdělit projekční přípravu v poslední fázi na PSŘ a DPSŘ. Všechny projekční stupně mostu zpracovala společnost EXprojekt – harmonogram přípravy stavby viz obr. 3.
Rozsah průzkumných prací, zatěžovací zkoušky pilot vodorovnou silou
S ohledem na velmi složité základové podmínky (zvodnělé jemné písky pod neúnosnou vrstvou jílu) a historicky potvrzené problémy se zakládáním v dané lokalitě při výstavbě předchozích mostů bylo nutno provést kromě standardních průzkumů (4krát kopaná sonda pro hloubku založení, 4krát průvrt opěr, 4krát IG vrtaná sonda, 4krát IG penetrační sonda) také zatěžovací zkoušku pilot pro stanovení jejich pracovního diagramu – odezvy na vodorovné zatížení. Tyto hodnoty byly potřebné pro sestavení výpočetního modelu interakce kolej – most. Také bylo nutno ověřit vrtatelnost pilot malou soupravou, která by se vešla pod stávající most. Pro tento účel byly v rámci projekční přípravy zhotoveny 4 ks nesystémových pilot, z nichž dvě byly podrobeny účinkům vodorovných sil. Vrtatelnost malou soupravou se nepotvrdila (hmotnost soupravy je pouze necelých 8 tun a nebyla schopna provrtat relativně tuhé jíly začínající v hloubce cca 3 m až 6 m). Technické řešení mostu muselo být na základě průzkumu upraveno a začátek stavby musel být přesunut již na konec roku 2014.
Specifické znaky mostu
Rozpětí 97,5 m a šikmost mostu 41 °
Díky stanovisku správce povodí, který požadoval vymístit pilíře z koryta řeky a nesouhlasil se zásahem do protipovodňové hráze, která navazuje na stávající břeclavskou opěru, bylo nutno pro dodržení termínu zahájení realizace stavby navrhnout nové opěry umístěné před stávajícími, které mají šikmý líc. To si vyžádalo jednopolovou, šikmo uloženou konstrukci. Nebylo tak nutné vyřizovat územní řízení a projekt díky tomu směřoval k profinancování z OPD1.
Statický systém – síťovaný oblouk
První posuzovanou variantou statického systému mostu byl tzv. Langerův trám, který ale při daném rozpětí a při dané šikmosti neměl dostatečnou tuhost a vykazoval nevyhovující vlastní frekvence, navíc vlastností Langerova trámu je kmitání mostovky ve tvaru přibližně sinusové vlny prvního ohybového tvaru s amplitudami přibližně ve čtvrtinách rozpětí, a proto pro něj platí přísnější limity vlastních frekvencí. Na základě provedených výpočtů a testů kombinovaných statických soustav (testován byl také Langerův trám s menším počtem přidaných šikmých táhel) bylo následně přistoupeno k návrhu tzv. síťovaného oblouku, který v prvním vlastním tvaru kmitá na celé délce rozpětí a má výrazně větší tuhost, která přispívá k redukci nežádoucích efektů šikmého uložení. Porovnání vlastních frekvencí a jejich limitů jasně ukázalo na nutnost použití statického schématu „síťovaný oblouk“. Díky šikmosti mostu bylo nutno mnoho částí mostu posuzovat pomocí deskostěnových modelů, které je možno vidět na webové stránce věnované mostu www.mostoskar.cz.
Zesílení vnějších oblouků, balast, koncová příčná výztuha, portál, propojky táhel
Podrobnější analýza ukázala, že je z důvodu šikmosti mostu nutno řešit odezvu konstrukce na zatížení dopravou dynamickým výpočtem. Šikmost uložení v daném případě generuje vodorovné výchylky při svislém zatížení, které sice nejsou pro NK mostu při daném rozpětí nijak zásadní, ale zato významně budí kmitání táhel díky vodorovným výchylkám oblouků, nejsou-li tuhosti mostu, ztužení a propojek táhel vhodně naladěny. Výsledkem výpočtu odezvy nosné konstrukce, který zpracoval doc. Ing. Pavel Ryjáček, Ph.D., kterému také touto cestou děkujeme za aktivní spolupráci a přínos celému projektu při velmi profesionálním zpracování expertního posudku našeho projektu, bylo zesílení ztužidel, zejména portálové diagonály, zesílení koncové příčné výztuhy (uzavřený trojstěnný průřez), zesílení koncových oblastí mostovkového plechu, zesílení průřezu vnějších oblouků (vnější oblouk je o 200 mm širší než vnitřní) a doplnění balastu do trámů hlavních nosníků (část trámů je vyplněna křemičitým pískem). Balast byl navržen také proto, že příznivě přispěl ke zjednodušení realizace táhel, která tak mohla být přivařována po etapách. Výstupem odezvy na dynamické zatížení byla také úprava navržených propojek táhel vložením pryžových profilů pro zlepšení útlumu.
Táhla a jejich montáž, měření
V první fázi projektu bylo prověřováno řešení mostní konstrukce s rektifikovatelnými táhly (např. typu Macalloy). Svařovaná táhla však v modelu pro dynamickou analýzu vykazovala výhodnější vlastnosti díky vyšší ohybové tuhosti v připojení, což mělo důležitý vliv právě na omezení možnosti kmitání táhel – tj. na jeden z nejdůležitějších faktorů železničního mostu (u železničních mostů tvoří složka zatížení dopravou podstatnou část z celkového zatížení a rozhoduje o dimenzích mostu především z hlediska únavy a mezního stavu (MS) použitelnosti na rozdíl od obdobných silničních mostů, kde většinou rozhoduje vlastní tíha konstrukce a odpadá tak u nich celá řada problémů).
Při detailní analýze problému ladění táhel jsme zjistili, že v daných časových možnostech stavby omezené krátkou výlukou železniční dopravy nebude možné ponechat na konstrukci měřicí aparaturu, bránící dalšímu postupu prací (jedná se o 6150 m kabelů, 368 tenzometrů, 169 měřených kanálů ve stavební buňce osazené na NK mostu), a následně ladit síly v táhlech po uvedení mostu do provozu. Proces totiž připomíná ladění harfy – je nutno zachovávat klimatické podmínky a napnutí každé struny (táhla) následně rozladí všechny (všechna) ostatní. Během montáže táhel konstrukce mostu (a především táhla) působí značně nelineárně (průhyby táhel během montáže dosahují něco málo přes 200 mm při délce táhla cca 13 m), což je oproti napnutým strunám harfy značná komplikace pro správné provedení výpočtu a pro koordinaci montáže.
Vezmeme-li v úvahu vlivy imperfekcí, svařování, sedání montážních podpěr a teplotní vlivy, je jasné, že před námi byla velmi složitá úloha z hlediska matematického zpracování do formy ucelených statistických vstupů a také z tvorby výstižného statického modelu, který musel být přesný, nikoliv sestavený „pouze“ na stranu bezpečnou.
Během projednání projektu na průběžných poradách se zástupci zadavatele stavby a na základě detailního zkoumání možnosti následných rektifikací táhel po dokončení montáže a díky požadavku budoucího správce nepoužívat běžnými prostředky nerevidovatelné detaily (závity, čepy a kontaktní plochy čepů, plochy mezi styčníkem a vidličkou – rektifikovatelná táhla by znamenala celkem více než 1600 takových detailů na celém mostě) bylo přistoupeno k návrhu svařovaných táhel bez závitů, umožňujících dodatečnou rektifikaci sil v táhlech.
Jedinou šancí, jak zvládnout stavbu v termínech dle harmonogramu zhotovitele, bylo přistoupit k řízené montáži táhel a aktivovat táhla v každé etapě rovnou takovými silami, aby po napnutí poslední sady táhel došlo k nastavení požadovaných výsledných sil ve všech táhlech mostu hned napoprvé. Další rektifikace táhel by s ohledem na zjištěnou citlivost vzájemných závislostí sil v táhlech nebyla prakticky proveditelná (znovu osazení ústředen a kabelů bez zachování kontinuity měření sil v táhlech nemá smysl). Fáze montáže táhel včetně aktivačních sil jsou s ohledem na velký počet obrázků k nahlédnutí na webu www.mostoskar.cz.
Táhla byla namontována v osmi fázích u první nosné konstrukce a v sedmi fázích u druhé nosné konstrukce – první zkušební fáze byla u druhé konstrukce vynechána. Jedna fáze trvala jednu noc (kvůli rovnoměrné teplotě celé NK mostu byla táhla napnuta a zavařena vždy v noci). Samotný návrh předpínacích sil a počet předepnutých táhel je přímo ovlivněn způsobem podepření při montáži, postup napínání táhel byl tedy vyčíslen na základě zhotovitelské dokumentace montáže OK mostu (jednalo se o 32 táhel bez předpětí, 8 táhel s konstrukčním předpětím do 30 kN a 40 táhel s předpětím nad 30 kN – předpětí se vnášelo utahováním závitových tyčí M36 provlečených přípravky na táhlech).
Před zahájením montáže táhel byl měřen vliv svařování na výslednou sílu v táhle a bylo provedeno dvoudenní testování NK a měření „hluchých“ napínání táhel za účelem kalibrace výpočetního modelu, který byl sestaven pro tyto účely parametricky. Také proběhla kalibrace měření teploty NK ve vazbě na dilataci NK (táhla, oblouky, mostovka a trámy).
Pozitivně na táhla působí také balast, který by nebyl potřebný v případě, že by byl časový prostor na realizaci spřažené ocelobetonové mostovky, kterou však z časových důvodů neumožnily přípustné výluky trati a požadavek na financování z OPD1 – nutnost zahájení realizace mostu v roce 2015.
Samotná problematika návrhu a následně řízení procesu aktivace táhel je natolik -náročná, že jí bude věnován některý z dalších článků. Bylo nutno vyvinout a naprogramovat unikátní metodu, která umožnila návrh postupu výstavby i přes silně nelineární chování táhel a zahrnula vliv celé řady statistických faktorů (vliv imperfekcí táhel, natočení konců táhel nerovnoměrným svařením, smrštění od svařování, rozptyl teploty NK/táhla, nedokonalosti podepření, nepřesnosti měření, ovlivnění fixace táhla po napnutí nahříváním pro svaření a další…). Výpočet tedy probíhal s volbou statisticky nejhorších parametrů pro historii každého táhla do daného posuzovaného bodu v čase. Pro každé táhlo v každém časovém uzlu tedy existoval jiný výpočet, který pro dané táhlo znamenal nejnepříznivější možnosti v celé historii montáže (to znamenalo pro všechna táhla volit pokaždé jiné vstupní parametry tak, aby výpočet pro řešené táhlo vykázal jeho co nejnepříznivější stav a následně podle toho navrhnout potřebnou aktivační sílu řešeného táhla, aby za provozu fungovalo lineárně). To vše bylo zahrnuto do automatizovaného nelineárního výpočtu postupu výstavby. Celý postup a také vývoj tzv. subnelineárního parametrického výpočtu bude s ohledem na rozsah postupně prezentován na webu www.mostoskar.cz.
Systém řízení dilatace mostu
S ohledem na dilatační délku mostu bylo nutno navrhnout systém pro řízení dilatace mostu (SŘDM) pro snížení napětí v kolejnicích od interakce kolej/most. Z důvodu šikmosti mostu mají jak páky SŘDM, tak samotná kotevní tyč výjimečné délky – kotevní tyč je kulatina průměru 200 mm a délky necelých 7 m a páky systému mají délku 3,15 m. U šikmého mostu je návrh SŘDM výrazně komplikovanější v řešení -geometrie detailů. Mimo jiné bylo obtížné vyřešit odizolování systému v místě kotvení proti účinkům bludných proudů. Principu a účelu SŘDM se v tomto článku nebudeme podrobněji věnovat.
Spodní stavba a založení, zemní kotvy
Díky výsledkům zatěžovacích zkoušek nesystémových pilot bylo přistoupeno k úpravě návrhu založení – mostní opěry jsou založeny na velkoprůměrových pilotách průměru 1,2 m a jsou kotveny vždy 8 ks trvalých lanových kotev (šestipramencových, délky vrtání 27 m pod úhlem 15 ° v jedné a 25 ° ve druhé řadě). Díky kotvení jsou splněna kritéria pro bezstykovou kolej stanovená v ČSN EN 1991-2. Pro přenesení účinků provozního zatížení (traťová třída D4 při rychlosti 160 km/h) však spodní stavba vyhovuje i bez zemních kotev (což bylo záměrem návrhu).
Architektonické a barevné řešení mostu, název mostu „Oskar“
Čistě bílá konstrukce plynulého tvaru odlehčená ustupující křivkou náběhu horní části trámu, černý spodek mostovky, pigmentovaný beton dříků opěr na přírodní tmavě šedou, propracovaný návrh zábradlí, žlutá táhla a ztužení oblouků – jako paprsky slunce – to vše dává mostu jméno po synonymu Slunce. Objevily se názory různých stran: „Proč se zabývat vzhledem – most není v intravilánu, nikdo jej neuvidí…“ a podobně. Kaž-dé inženýrské dílo si zaslouží péči o estetické působení, které je finálním výsledkem práce všech zúčastněných. Inženýrské dílo daných rozměrů, náročnosti a významu není možné zodpovědně pojmout bez ohledu na estetické působení. V tak klidné a nerušené lokalitě most působí velmi empaticky. Přítomnost stezky pro pěší vedoucí podél protipovodňové hráze nemůže být jediným důvodem pro snahu vytvořit k přírodě harmonický návrh.
Zatěžovací zkouška a dlouhodobý monitoring
Zatěžovací zkouška první nosné konstrukce mostu proběhla „na výbornou“; naměřené hodnoty změn sil v táhlech a průhyby mostu odpovídaly vypočteným hodnotám a potvrdily tak správnost projektu. Mostní konstrukce bude s ohledem na její složitost a atypičnost a využití celé řady nových postupů a detailů dále monitorována kontinuálním měřením po dobu 3,5 roku. V některém z dalších příspěvků bychom rádi výsledky monitoringu prezentovali.
Montáž druhé nosné konstrukce v traťové koleji č. 2
Díky zkušenostem z montáže první nosné konstrukce se podařilo zpřesnit montáž táhel a zlepšit sledování tvaru NK mostu. Zejména byl začleněn zpřesněný postup nastavení počátečních reakcí a provedly se drobné úpravy v metodě měření poklesů podpěr během montáže. Na obr. 14 je patrná fáze, kdy probíhá montáž táhel na druhé konstrukci. Po dokončení byla druhá mostní konstrukce příčně přesunuta do výsledné polohy.
Závěr
Díky úsilí týmu a spolupráci všech zúčastněných stran se podařilo navrhnout a následně realizovat unikátní inženýrské dílo, nesoucí v sobě celou řadu nových technických postupů a konkrétních poznatků, jež budou dále prezentovány, a mohou tak být využity projektanty a poslouží našim vysokým školám k rozšíření možností výuky. Za celý projekční tým si dovolím touto cestou poděkovat za příležitost takovýto projekt realizovat.
DAVID ROSE
foto archiv autora
Ing. David Rose (*1978)
vystudoval Vysoké učení technické v Brně, Fakultu stavební. Je autorizovaným inženýrem v oboru mosty a inženýrské konstrukce a specializuje se na navrhování ocelových mostů. V současnosti se věnuje vedení projektů ve vlastní firmě EXprojekt, s. r. o.
