Experimentálna analýza 100 rokov starého priehradového mostného nosníka typu Visintini

V súčasnosti ubehlo od začiatku rozmachu železobetónového mostného staviteľstva už viac ako jedno storočie, takže sa veľmi často stretávame s požiadavkami na stanovenie zostatkovej životnosti existujúcich mostov a na možnosti ich rekonštrukcie. Žiaľ, nie vždy možno zachovať pôvodnú konštrukciu mosta, a to najmä z dôvodu zvýšených požiadaviek na zaťažiteľnosť či šírkové usporiadanie. 

Z obdobia začiatku 20. storočia sa v strednej Európe zachovalo už len veľmi málo mostov a ešte menej je medzi nimi takých, ktorých konštrukciu tvoria priehradové nosníky. Jeden takýto raritný most, tvorený železobetónovými priehradovými nosníkmi typu Visintini, sa nachádzal v maďarskom okrese Nýiregyháza.

Most už nevyhovoval dnešným požiadavkám a musel byť kompletne prestavaný. Jeden z jeho nosníkov sa však podarilo v rámci spolupráce s Maďarskom previezť do Technického a skúšobného ústavu stavebného v Bratislave a podrobiť experimentálnej analýze. Most, ktorého súčasťou bol skúmaný nosník, bol postavený niekedy v období rokov 1910 a 1919 na ceste tretej triedy nad riekou Érpatak pri obci Nyírszőlős, kde slúžil na dopravu až do roku 2012. Výsledky experimentálnych meraní poskytujú hodnotný súhrn poznatkov o fyzikálnom a chemickom stave ojedinelého, približne 100 rokov starého železobetónového priehradového mostného nosníka typu Visintini.

Trochu z histórie

Prvé patenty týkajúce sa betónu vystuženého oceľovými prútmi pochádzajú z 50. a 60. rokov 19. storočia, pričom prvý železobetónový most sveta bol postavený v roku 1875 J. Monierom, ktorý predtým vlastnil patent na výrobu kvetináčov vystužených drôtovým pletivom. Po prvom patente na železobetónové mosty typu Monier sa postupne objavujú aj ďalšie patenty na stavbu železobetónových mostov a stropov, ako napríklad patenty Wünsch, Melan, Hennebique, Coignet, Freytag, Wayss a pod. Tieto prvé patenty z konca 19. storočia sa líšia najmä spôsobmi vystuženia oblúkov a trámov, neskôr (začiatkom 20. storočia) sa však začínajú objavovať aj mosty s vyľahčenými stenami, ako je to napríklad v prípade mosta pri Krapine v dnešnom Chorvátsku (obr. 1).

Obr. 1 Most s vyľahčenými stenami komory v meste Krapina (Chorvátsko) zo začiatku 20. storočia [4]

Medzi nevšedné patenty z tejto doby patrí aj nosník Franza Visintiniho, ktorý si dal patentovať železobetónové prefabrikované priehradové nosníky najskôr v Rakúsko-Uhorsku a neskôr, v roku 1903, aj v Amerike (obr. 2). Vo svojom patente opisuje výhody tohto systému tak, že konštrukčný materiál je len v tých častiach, kde je naozaj potrebný, zároveň otvory v stropoch umožňujú prestup potrubí. V týchto nosníkoch sa používala klasická betonárska výstuž, avšak často v kombinácii s plochými valcovanými tyčami [3].

Obr. 2 Visintiniho patent z roku 1903

Tieto nosníky sa používali aj na stavbu mostov, najmä v rokoch 1910 až 1920 [3]. Dobová fotografia z transportu takéhoto prefabrikovaného mostného nosníka (obr. 3) sa zachovala v knihe Massivbrücken gestern und heute [2] a pochádza zo stavby mosta v nemeckom meste Erdmannsdorf v roku 1910.

Obr. 3 Transport nosníka typu Visintini pri stavbe mosta v Erdmannsdorfe (Nemecko) v roku 1910 [2]

Niekoľko mostov tohto typu bolo postavených aj v bývalom Rakúsko-Uhorsku, do dnešných dní sa z nich však zachovalo len zopár. Jedným z nich bol aj most pri maďarskej obci Nyírszőlős nad riekou Érpatak. Tento most bol pre nevyhovujúce šírkové usporiadanie a nízku zaťažiteľnosť v roku 2014 nahradený novým mostom, pričom jeden z originálnych nosníkov v rámci odbornej spolupráce Slovenska a Maďarska previezli do Bratislavy, kde ho experimentálne odskúšali.

Stručný opis mosta

V čase výstavby mosta, ktorá je datovaná v období rokov 1910 až 1919, bolo Slovensko a Maďarsko súčasťou Rakúsko-Uhorska. Takmer o 100 rokov neskôr sa obe tieto krajiny na výskume priehradového nosníka spolupodieľali.

Pôvodný most (obr. 4) pozostával z desiatich paralelných priehradových nosníkov s rozpätím päť metrov, pričom nosníky boli vždy zdvojené a uložené v piatich pároch. Železobetónová mostovka s hrúbkou 200 mm bola čiastočne spojená s hlavnými nosníkmi oceľovými prvkami. Výška nosníkov bola 690 mm, hrúbka hornej pásnice 140 mm, hrúbka spodnej pásnice a diagonál 90 mm.

Obr. 4 Jeden z nosníkov mosta pri obci Nyírszőlős (Maďarsko) počas demolačných prác

Vystuženie nosníka bolo vcelku unikátne, zhotovené so zámočníckou precíznosťou. Horný pás a diagonály boli vystužené klasickou betonárskou výstužou s hladkým povrchom a s rôznymi priemermi (v závislosti od zaťaženia jednotlivých prvkov), pričom tlačené prvky boli vystužené len konštrukčne. Spodný pás bol vystužený dvomi plochými valcovanými tyčami s rozmerom 60 × 10 mm. K spodnému oceľovému pásu bola výstuž diagonál pripojená pomocou hákov prechádzajúcich otvormi vyvŕtanými v strede výšky pásu (obr. 5). Výstuž zvislíc bola takisto ukončená hákom, ktorý prechádzal popod plochú valcovanú tyč spodného pásu. V priemere sa nameralo krytie výstuže v hrúbke 25 mm.

Obr. 5 Detail napojenia výstuže diagonál na spodný pás

Po odskúšaní nosníka sa betón mechanicky odstránil a výstuž sa očistila a zakonzervovala náterom. Časť takto zakonzervovanej výstuže nosníka je vystavená na katedre BKM Stavebnej fakulty STU v Bratislave (obr. 6).

Obr. 6 Očistená výstuž nosníka

Zistené vlastnosti železobetónového priehradového nosníka

Nedeštruktívne skúšky

Pevnosť betónu sa v prvej fáze stanovila nedeštruktívnym spôsobom pomocou Schmidtovho tvrdomeru. Namerané hodnoty sa upravili takýmito súčiniteľmi: vplyv veku betónu α_t = 0,90, vplyv vlhkosti betónu α_w = 0,85 a vplyv tvaru vzorky κ_e = 1,00. Priemerná hodnota informatívnej pevnosti z výsledkov skúšok bola 56,9 ± 7,4 MPa. Rozdiely medzi jednotlivými meraniami boli 13 %. Zaručená pevnosť v tlaku stanovená touto metódou bola 40,6 MPa.

Na nosníku sa vykonali aj merania permeability povrchu betónu pomocou Torrentovej metódy. Betón sa z hľadiska permeability klasifikoval touto skúškou v priemere ako „zlý“ – trieda 4 (z 5 možných tried).

Priľnavosť povrchových vrstiev betónu k hlbším vrstvám je definovaná ako pevnosť v ťahu povrchovej vrstvy. Pevnosť v ťahu dosahovala relatívne vysoké hodnoty v rozmedzí 3 a 4 MPa. Posledným nedeštruktívnym meraním bolo meranie dynamického modulu pružnosti ultrazvukovou metódou. S výnimkou troch meraní sa hodnoty dynamického modulu pružnosti pohybujú medzi 24,9 a 34,9 GPa.

 

Zaťažovacia skúška nosníka

Priehradový nosník bol prevezený na Slovensko z Maďarska v rámci cezhraničnej odbornej spolupráce. Zaťažovaciu skúšku nosníka vykonali v laboratóriu TSÚS v Bratislave. Pred samotnou zaťažovacou skúškou vykonali statickú analýzu nosníka, pri ktorej sa ukázalo, že najvhodnejší spôsob zaťaženia nosníka predstavuje rovnomerné zaťaženie cez styčné uzly v hornom páse. Tento typ zaťaženia vyvodzuje vo všetkých prvkoch nosníka napätosť úmernú ich vystuženiu. Vychádzajúc z materiálových vlastností získaných výskumom na iných podobne starých mostoch bolo možné predpovedať maximálnu únosnosť nosníka a určiť jednotlivé zaťažovacie stupne. Počas zaťažovacej skúšky (obr. 7) sa okrem priehybu (obr. 8 a 9) sledovali aj pomerné pretvorenia vo vyznačených miestach a zaznamenával sa rozvoj a šírka trhlín.

Obr. 7 Zaťažovacia sústava nosníka

Prvé trhliny sa objavili na spodnej pásnici takmer okamžite na začiatku zaťažovacej skúšky, ku koncu dosiahli až 1,5 mm. Drobné trhliny sa v súlade s predpokladmi objavili aj v rámci ťahaných diagonál.

Obr. 8 Pretvorenie počas prvej fázy zaťažovania nosníka

Po ôsmom kroku (obr. 8), keď zaťaženie prekročilo 80 % predpokladanej únosnosti nosníka, je z priebehu pretvorení zrejmé, že výstuž dosiahla medzu klzu, a teda časť deformácie bola už trvalá, o čom svedčí aj zostatkový priehyb po odľahčení nosníka.

Obr. 9 Pretvorenie počas druhej fázy zaťažovania nosníka

Pomerné pretvorenia sa merali na krajných diagonálach a na hornej a spodnej pásnici v strede rozpätia. Po odľahčení nosníka z úrovne 90 % vypočítanej únosnosti sa všetky pomerné pretvorenia vrátili na pôvodné hodnoty, okrem spodnej pásnice. Priehradový nosník sa počas zaťažovania správal presne tak, ako sa predpokladalo na základe numerickej analýzy. Všetky uzly mali dostatočnú kapacitu a ich statické pôsobenie možno označiť za kĺbové.

Obr. 10 Priehradový nosník tesne po porušení a celkový kolaps nosníka

K porušeniu nosníka došlo roztrhnutím výstuže spodného pásu v mieste oslabenom otvorom, cez ktorý sa napájali výstuže diagonál (obr. 11). Skutočná nameraná únosnosť priehradového nosníka bola 102 % z vopred vypočítanej hodnoty. K takémuto presnému odhadu únosnosti pomohol jednak fakt, že tok síl v priehradovom nosníku je jednoznačný a uzly sa pri vysokých hodnotách zaťaženia správali ako kĺby, a takisto skutočnosť, že vlastnosti materiálov sa na základe predošlého výskumu podobne starých mostov dobre odhadli.

 Obr. 11 Roztrhnutie výstuže spodného pásu (pred celkovým kolapsom nosníka)

Hĺbka karbonatácie

Karbonatácia sa stanovovala na štyroch jadrových odvrtoch z priehradového nosníka pomocou fenolftaleínu. Nameraná hĺbka karbonatácie sa pohybovala v rozmedzí 13 až 33 mm, čo možno pri betóne starom približne 100 rokov považovať za relatívne nízku hodnotu.

 

Mechanické vlastnosti

Po zaťažovacej skúške nosníka sa zmerali mechanické vlastnosti betónu a výstuže. Výsledky skúšok mechanických vlastností na štyroch jadrových odvrtoch sú zhrnuté v tab. 1. Valcová pevnosť v tlaku sa prepočítala na kocky s hranou 150 mm z dôvodu približného zatriedenia do súčasných tried podľa STN EN 13791 [13].

Tab. 1 Objemová hmotnosť, modul pružnosti a pevnosť v tlaku stanovená na jadrových odvrtoch

Na základe uvedených výsledkov deštruktívnych skúšok bol betón podľa tabuľky 1 STN EN 13791 [13] zatriedený do pevnostnej triedy C 12/15 podľa STN EN 206 [14]. Celkovo sa odskúšalo osem kusov výstuže odobratých z nosníka. Povrchová úprava všetkých výstuží bola hladká (obr. 5).

Tab. 2  Mechanické vlastnosti betonárskej ocele priehradového nosníka

Závery

Z dosiahnutých výsledkov plynú tieto závery:

Vlastnosti betónu

Betón približne 100-ročného priehradového nosníka má takéto vlastnosti:

• Priemerná pevnosť betónu stanovená nedeštruktívne Schmidtovým tvrdomerom (na skarbonatovanom povrchu s hrúbkou 2 až 3 cm) bola až 57 MPa, čo je takmer trojnásobok oproti pevnostiam nameraným na odvrtoch (21 MPa po prepočte na kockovú pevnosť). V rámci realizovaného výskumu 100 rokov starých mostov sa viackrát pozoroval výrazný rozdiel medzi pevnosťami stanovenými Schmidtovým tvrdomerom na skarbonatovanom povrchu a pevnosťou stanovenou na odvrtoch. Nedeštruktívne skúšky často výrazne precenili reálnu pevnosť betónu v konštrukcii [17], takže bez doplnenia skúšok na vývrtoch môžu byť veľmi zavádzajúce. 
• Ťahová pevnosť 3 až 4 MPa stanovená na základe prídržnosti v rámci odtrhovej skúšky je pomerne vysoká a koreluje s vysokou pevnosťou v tlaku stanovenou nedeštruktívnym spôsobom. Obe tieto namerané pevnosti sú však v rozpore s pevnosťami stanovenými na odvrtoch. Tieto odchýlky možno zrejme pripísať hrubej vrstve skarbonatovaného betónu (13 až 33 mm).
• Hĺbka karbonatácie v rozmedzí 13 až 33 mm (priemerne 25 mm) je pri uvážení veku betónu (100 rokov), jeho nízkej pevnosti (C 12/15) a vysokej permeability, ako aj prostredia, akému bol nosník vystavený (XC3), pomerne nízka. 
• Betón vykazoval vysokú permeabilitu povrchových vrstiev. 
• Priemerný dynamický modul pružnosti zistený nedeštruktívne ultrazvukovou metódou (19,6 GPa po prepočte zmenšovacím súčiniteľom podľa ČSN 732011) je približne o 20 % vyšší ako normový modul pružnosti zistený na odvrtoch (16,0 GPa).

 

Správanie nosníka

Počas zaťažovacej skúšky sa priehradový nosník správal tak, ako sa predpokladalo na základe predchádzajúcej numerickej analýzy. Jasný tok síl, ktorý možno pri takejto konštrukcii predpokladať, umožnil stanoviť veľmi presne predpokladanú únosnosť pomocou jednoduchého výpočtového modelu. Rozdiel medzi predpokladanou a skutočnou únosnosťou bol približne 2 %. Veľký priehyb a nadmerný rozvoj trhlín svedčí o požadovanom ťažnom charaktere správania nosníka.

 

Stanovenia parametrov

Pri posudzovaní starých mostov sa odporúča vykonať vždy odvrty z konštrukcie a nespoliehať sa len na nedeštruktívne stanovenie mechanických parametrov betónu.

Experimental evaluation of a 100 years old truss bridge girder of Visintini type

Today, more than a 100 years are gone since the beginning of wide use of reinforced concrete in bridge construction. For this reason, we are more and more often requested to evaluate the remaining service life of existing reinforced concrete bridges and to consider possibilities of their reconstruction. However it is not always possible to save the original structures because of the increased demands on their load bearing capacity, or their insufficient width not satisfying increased traffic demands. From the beginning of 20-th century only few bridges were preserved until today, and only a small fraction of them have their superstructure made of reinforced concrete truss girders. One such a bridge, having the superstructure made of reinforced concrete truss girders of Visintini type was located in Hungarian district Nyiregyháza.

 

TEXT: Peter Paulík, Patrik Ševčík, Katarína Gajdošová, Michal Bačuvčík, Jaroslav Halvonik
FOTO A OBRÁZKY: archív autorov

Peter Paulík, Katarína Gajdošová, Michal Bačuvčík a Jaroslav Halvonik pôsobia na Katedre betónových konštrukcií a mostov SvF STU v Bratislave. Patrik Ševčík pôsobí na v TSÚS v Bratislave.
Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-0442-12 a Univerzitného vedeckého parku STU Bratislava (ITMS: 26240220084).

 

Literatúra

1. WELLER, B. – TACHE, M.: Massive Brücken in Mitteldeutschland. Beton- und Stahlbetonbau, 101: 292–297, 2006, Nemecko.
2. DEINHARD, J.-M.: Massivbrücken gestern und heu­te. Vom Caementum zum Spannbeton. Band II. 1964. Wiesbaden/Berlin: Bauverlag.
3. BECHYNĚ, S.: Betonové mosty trámové a rámové. Technický průvodce 12 – Mostní stavitelství, 1954. Praha.
4. BEKE, J. – RICHTER, K. Vasbetétes betonszerkezetek, Budapešť, Maďarsko, 1906.
5. STN EN 12504-2: 2013 Skúšanie betónu v konštrukciách. Časť 2: Nedeštruktívne skúšanie. Stanovenie tvrdosti odrazovým tvrdomerom.
6. STN EN 12504-4: 2005 Skúšanie betónu. Časť 4: Určenie rýchlosti ultrazvukového impulzu.
7. STN EN 1015-12: 2001 Metódy skúšania mált na murovanie. Časť 12: Stanovenie prídržnosti zatvrdnutých spodných a krycích omietkových mált k podkladom.
8. Torrent, R. – Frenzer, G.: Study on methods to determine and judge characteristic values of the cover concrete on site. Bundesamt für Strassenbau, Bern, 1995.
9. STN 73 2030: 1977 A-1/88 Zaťažovacie skúšky stavebných konštrukcií. Spoločné ustanovenia.
10. STN EN 14 630: 2007 Výrobky a systémy na ochranu a opravu betónových konštrukcií. Skúšobné metódy. Skúšanie hĺbky karbonatizácie v zatvrdnutom betóne fenolftaleínovou metódou. 
11. STN ISO 6784: 1993 Betón. Stanovenie statického modelu pružnosti v tlaku.
12. STN EN 12504-1: 2010 Skúšanie betónu v konštrukciách. Časť 1: Vzorky z jadrového vŕtania. Odber, preskúmanie a skúška pevnosti v tlaku.
13. STN EN 13791: 2012 Stanovenie pevnosti betónu v tlaku v konštrukciách a v betónových prefabrikátoch.
14. STN EN 206: 2015 Cor. 1 – 2/15, NA – 11/15 Betón. Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda.
15. Paulík, P.: Historické aspekty hodnotenia spoľahlivosti betónových mostov. Habilitačná práca, 2017. Bratislava.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby 6/2017.