Progresívne technológie výstavby mostov vo svete

Článok sa venuje progresívnym technológiám výstavby mostov, ktoré sa prezentovali na kongrese FIB v Bombaji (India) v tomto roku [1] alebo ktoré boli uverejnené v národných správach zúčastnených krajín [2]. Vybrané technológie sú inovatívne z hľadiska rýchlosti výstavby, úspory materiálu, prípadne predĺženia životnosti konštrukcie.

Slovensko vždy patrilo medzi krajiny, v ktorých sa nové technológie výstavby betónových mostov rýchlo udomácnili a niektoré z nich sa zdokonalili tak, že dosiahli európsku špičku. Z mnohých z nich vyzdvihnem napríklad technológiu letmej montáže. Československo ako prvé v Európe úspešne aplikovalo túto technológiu pri výstavbe železničných mostov pri Margecanoch a Jaklovciach v roku 1967. Výborným príkladom svetového úspechu je aj technológia letmej betonáže, ktorá dosiahla na území SR svoj vrchol pri stavbe mosta Lafranconi v roku 1991 – budovaná konzola dosiahla dĺžku 120 m, čím sa v tom čase zaradila medzi najväčšie budované betónové konzoly na svete. Podobných príkladov sa dá nájsť viacero, takže Slovensko môže byť na svoje mostné staviteľstvo právom hrdé a malo by v tomto trende naďalej pokračovať.

Vo svete sa za posledné štyri roky objavili viaceré nové technológie výstavby betónových mostov, ktoré našli uplatnenie pri rôznych projektoch budovania cestnej a železničnej infraštruktúry. V článku prinášam tie najzaujímavejšie z nich a verím, že budú dobrou inšpiráciou pre investorov, projektantov a zhotoviteľov. Slovensko by sa aj naďalej malo držať výroku T. Baťu: „Sme malý národ, a preto sa musíme učiť všade vo svete“.

Mosty s tzv. motýlími stenami („Butterfly web bridges“)

Priekopníkom tejto novej technológie je Japonsko, kde sa za posledné štyri roky začali stavať štyri diaľničné mosty s využitím „motýlích stien“. Názov pochádza zo vzhľadu prefabrikovaných stenových prvkov, ktoré majú tvar motýlích krídiel (obr. 1). Steny sa zhotovujú z predpätého vláknobetónu s pevnosťou 80 MPa bez použitia mäkkej betonárskej výstuže. Vlákna v betóne majú dĺžku 22 mm, priemer 0,2 mm a ťahovú pevnosť minimálne 2 000 MPa (tieto isté vlákna sa používajú na vystužovanie automobilových pneumatík a sú na trhu dostupné). Predpätie je navrhnuté na pokrytie ťahových zón.Statické pôsobenie týchto stien možno prirovnať k pôsobeniu priehradovej sústavy (Double warren truss) na obr. 2. Keďže steny sú pomerne tenké, je nevyhnutné stužiť mostovku priečnymi trámami v približne 3-metrových intervaloch.

Obr. 1  Prefabrikát v tvare motýlích krídiel

Obr. 2  Analógia statického pôsobenia s priehradovou sústavou

Parametre mostov s motýlími stenami, ktoré sa v súčasnosti stavajú v Japonsku:

• most Takubogawa: výstavba letmou betonážou, 10-poľový rámový most s maximálnym rozpätím 87,5 m,
• most Akutagava: maximálne rozpätie 75 m, stavaný letmou betonážou; redukcia vlastnej tiaže s použitím motýlích stien umožňuje výstavbu 6-metrových segmentov (namiesto 4-metrových), čo urýchľuje výstavbu približne o 50 %,
• most Mukogawa: 5-poľový rámový most typu extradosed s maximálnym rozpätím 100 m; mostovka má šírku 24 m,
• most Okegawa: celková dĺžka mosta je 3 089 m s maximálnym rozpätím 45 m; most je stavaný technológiou letmej montáže s ohľadom na nutnosť stihnúť výstavbu za 18 mesiacov vrátane vypracovania výkresovej dokumentácie.

Výhodami tejto novej technológie sú najmä:

• zrýchlená výstavba,
• nižšia hmotnosť nosnej konštrukcie (dôležitý aspekt najmä v seizmickej oblasti); celková redukcia hmotnosti je asi 10 %,
• možné zvýšenie maximálneho rozpätia betónových predpätých komorových mostov (z dnešných približne 250 m teoreticky až na viac ako 400 m); maximálne možné rozpätie sa zvyšuje vďaka nižšej hmotnosti stien, ktoré pri vysokých prierezoch predstavujú podstatnú časť tiaže konštrukcie.

Obr. 3  Most Takubogawa, pohľad na letmú betonáž

Obr. 4  Výstavba mosta Okegawa

Podľa časopisu Bridge [3] ide síce o malú inováciu, v skutočnosti však môže predstavovať začiatok revolúcie výstavby komorových betónových mostov. Doslova môže ísť o tzv. Lorenzov motýlí efekt (fyzikálny jav teórie chaosu) v betónovom mostnom staviteľstve.

Most typu extradosed s oceľovou priehradovou stenou komory

Most Fudo postavený v Japonsku s dĺžkou 590 m a maximálnym rozpätím poľa 155 m bol realizovaný v roku 2010 a predstavuje prvý betónový most na svete typu extrado­sed s priehradovou stenou komory. Z dôvodu zníženia tiaže samotnej konštrukcie (potrebného v seizmicky aktívnej zóne) sa klasická betónová stena komory nahradila oceľovou priehradovou sústavou (typu Warren) zhotovenou z oceľových profilov s kruhovým prierezom.

Obr. 5  Most Fudo, Japonsko

Obr. 6  Vizualizácia mosta Fudo a pohľad dovnútra komory

Prvý železničný most na svete zhotovený z UHPFRC

Japonsko našlo ako prvé dostatok podpory zo strany železníc, odvahy zo strany mostárov (samozrejme podporenej najnovšími poznatkami a výskumom) a vhodnú konštrukciu na výstavbu prvého železničného mosta na svete zhotoveného z ultravysokopevnostného vláknobetónu (UHPFRC). Využitie UHPFRC vyplynulo z potreby nahradiť existujúci železničný most novým mostom, ktorý však musel mať z dôvodu rozšírenia koryta rieky už väčšie rozpätie (1,65-násobne). Využitie UHPFRC umožnilo udržať hrúbku dosky tohto predpätého mosta na 250 mm aj pri zväčšení rozpätia (namiesto 390 mm), čo by bolo potrebné pri klasickom betóne. Okrem hlavných napätí sa overovala aj strata stability stienok klopením.

Obr. 7  Prvý železničný most na svete zhotovený z UHPFRC

Obr. 8  Porovnanie mosta z UHPFRC a mosta z klasického betónu

Výstavba mostných pilierov otočením do finálnej polohy

Technológia výstavby pilierov v zvislej polohe a ich následného otočenia do šikmej definitívnej pozície sa vo svete použila už niekoľkokrát, keďže zjednodušuje a urýchľuje výstavbu vysokých šikmých pilierov. Viadukt Tres Voltas postavený v roku 2011 na ostrove Mont Saint Michel je príkladom opodstatneného a rentabilného využitia tejto technológie. Komplikovaná geológia a málo únosné vrstvy podložia si vynútili výstavbu dvoch dvojíc šikmých pilierov (s výškou 60 a 90 m). V definitívnej polohe majú piliere hlavicu kolmú na os nosnej konštrukcie. Odklon dvojice pilierov od zvislice nie je rovnaký a filozofia ich návrhu vychádza z nulového ohybového momentu na základy pilierov od stálych zaťažení. Vďaka šikmým pilierom sa zredukovalo maximálne rozpätie mosta, zjednodušilo sa zakladanie a urýchlila sa výstavba.

Obr. 9  Schéma mosta Tres Voltas

Výstavba mosta bez mäkkej výstuže

Hlavnou príčinou skrátenej životnosti mnohých mostov je najmä korózia výstuže a s ňou spojená znížená nosnosť konštrukcie. Práve z tohto dôvodu sa výskum v posledných rokoch venuje predĺženiu životnosti železobetónových konštrukcií v rôznych prostrediach. Jedným z prístupov k tejto problematike podľa fib Model Code 2010 [4] je tzv. „avoidance of deterioration“ (zabránenie degradácii). Princíp tohto prístupu spočíva v takom návrhu, pri ktorom korózia nemôže nastať – napríklad použitím špeciálnej nehrdzavejúcej ocele alebo jej úplným vylúčením z konštrukcie tak, ako sa to uskutočnilo na moste Egg-Graben v Rakúsku (obr. 12). V konštrukcii hornej stavby tohto mosta sa vôbec nepoužila mäkká oceľ a predpínacie jednotky sú uložené v plastových rúrkach s vodotesnými obalmi kotiev, teda s teoreticky nekonečnou životnosťou.

Obr. 11  Mostovka mosta Egg-Graben bez použitia mäkkej betonárskej výstuže

Keďže horná stavba nie je vystužená betonárskou oceľou (obr. 11), nebolo potrebné izolovať mostovku. Most je dlhý 50 m s rozpätím oblúka 42 m a hrúbkou steny oblúka 400 až 500 mm. Z dôvodu eliminácie priehybu sa muselo debnenie mosta pri realizácii v strede oblúka nadvýšiť o 70 mm. Postavený bol v roku 2009 pod vedením prof. Kollegge­­ra z TU vo Viedni a v tomto roku získal na kongrese v Bombaji 1. cenu v kategórii Mosty (Award for outstanding concete structures).

Obr. 12  Oblúkový most Egg-Graben v Rakúsku

Výstavba mostov vyváženým zdvihnutím konštrukcie (balanced lift)

Metódu, ktorá umožňuje výstavbu mostov spĺňajúcich parametre jej použitia s úsporou 20 až 30 %, vyvinuli na TU vo Viedni. Spočíva vo výstavbe hornej stavby mosta vo zvislej polohe a jej následnom otočení do finálnej vodorovnej pozície. V Rakúsku sa po viacerých experimentoch vykonaných práve na viedenskej univerzite začala v tomto roku výstavba prvého takéhoto mosta s dĺžkou 50 m.

Obr. 13  Výstavba mostov vyváženým zdvihnutím (metóda A a metóda B)

Výstavba betónového mosta otočením do finálnej polohy

Táto technológia sa použila pri výstavbe čínskeho mosta v meste Wuhano. Voľba tejto technológie vyplynula z potreby postaviť most s minimálnym obmedzením koľajovej dopravy na 11 dráhach, ktoré most preklenuje. Samotná 5-komorová konštrukcia dlhá viac ako 120 m vážila 17 000 t, pričom celý proces otočenia trval približne 90 minút [5].

Obr. 16  Otáčanie betónového mosta v Číne

Integrované mosty s väčšími dĺžkami

Aj keď integrované mosty nie sú žiadnou novinkou a máme ich aj na Slovensku už niekoľko desiatok, stále sa plne nevyužíva ich potenciál a možnosti, ktoré ponúkajú. Najväčšou výhodou týchto mostov je minimálna údržba, keďže ich konštrukcia je zhotovená bez ložísk a dilatačných záverov. Práve tieto časti mosta majú najkratšiu životnosť a treba ich počas životnosti mosta niekoľkokrát opravovať a vymieňať. Nefunkčnosť ložísk a mostných záverov môže dokonca pri zanedbanej údržbe viesť k vážnym poškodeniam mostných konštrukcií a rapídne znížiť ich projektovanú životnosť.

Kým svetovým trendom je stavať čoraz väčšie množstvo nových mostov bez ložísk a mostných záverov, na Slovensku sa často aj tie najmenšie mosty stavajú ešte stále klasickým spôsobom, aj keď majú ideálne parametre na zhotovenie konštrukcie integrovaného mosta. Na porovnanie, vo Veľkej Británii je napríklad povinnosťou navrhnúť integrovaný most všade tam, kde je konštrukcia mosta kratšia ako 60 m a šikmosť mosta menšia ako 30°. V USA sa v rámci príručky NYSDOT zase odporúča výstavba integrovaných mostov všade tam, kde je konštrukcia mosta kratšia ako 140 m.

Obr. 17  Integrovaný most ponad Stöbnické údolie

Integrované mosty nemeckých vysokorýchlostných železníc

Koncepcia integrovaných mostov pre vysokorýchlostnú železnicu sa v Nemecku objavila už okolo roku 1990. Na základe nej sa postupne vyvinuli mosty pre „široké ploché údolia s priemernou hĺbkou“. Hlavný koncept spočíva vo vybudovaní predpätého betónového mosta so štíhlymi oceľovými stojkami zakotvenými v betónovom základe. Priemerné rozpätie poľa týchto mostov je okolo 20 m a most je ako celok rozdelený na niekoľko približne 120-metrových častí, avšak bez dilatácie koľají. Jedným z prvých integrovaných mostov vysokorýchlostnej železnice postavených podľa tejto koncepcie bol most ponad Stöbnické údolie , ktorý má dĺžku 297 m a bol dokončený v roku 2011.

Závery

Za posledné štyri roky sa vo svete postavilo niekoľko mostov s inovatívnym prístupom k ich riešeniu a výstavbe. Niektoré z nich, napríklad komorové mosty s odľahčenými stenami, môžu dokonca znamenať začiatok novej éry predpätých mostov s rozpätiami výrazne vyššími, než aké sa dali dosiahnuť klasickými plnostennými betónovými prierezmi. Ďalším novodobým trendom je stavať betónové mosty bez mäkkej výstuže z vysokohodnotného vláknobetónu, čím by sa mala výrazne predĺžiť ich životnosť. Vysokohodnotný vláknobetón sa postupne čoraz častejšie dostáva z úrovne výskumu na úroveň praktických aplikácií. V neposlednom rade badať výrazný svetový trend zavádzania integrovaných mostov všade tam, kde je ich výstavba možná. K tomuto kroku viedli nákladné opravy a údržby spojené s krátkou životnosťou mostných záverov a ložísk, ktoré sú problémom aj na našom území. Slovensko vždy patrilo medzi krajiny, ktoré nové technológie a nápady dokázali rýchlo adaptovať na domáce prostredie a vyťažiť z nich maximum. Verím, že tento trend bude aj naďalej pokračovať.

Príspevok vznikol s finančnou podporou
Agentúry na podporu vedy a výskumu v rámci zmluvy č. APVV-0442-12.

TEXT: Ing. Peter Paulík, PhD.
FOTO: archív autora

Peter Paulík pôsobí na Stavebnej fakulte STU v Bratislave, Katedre betónových konštrukcií a mostov.

Literatúra
1.    Improving Performance of Concrete Structures. Vol. I.: The 4th International FIB Congress 2014. Proceedings. Mumbai, India, 10. –14. 2. 2014. Hyderabad: IMC – FIB, 2014, ISBN 978-81-7371-919-6.
2.    Národné správy vybraných členských krajín fib (fib national reports: Czech Republic, Brazil, Denmark, Hungary, France, India, Japan, Norway, Portugal, Great Britain), 2014.
3.    Webbed feat, In: Bridge, č. 76, 2014, str. 38 – 40, ISSN: 1359-7493.
4.    FIB Model Code 2010, 2012, ISBN 978-2-88394-105-2.
5.    Dostupné online http://www.dailymail.co.uk/news/article-2540068/Chinese-engineers-build-17-000-ton-flyover-section-90-degrees.html.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.