Systémy vystužených horninových konštrukcií: Výhody takýchto oporných múrov a mostných opôr

Vystužené horninové konštrukcie majú v súčasnosti nesmierne výhody pri budovaní oporných múrov, mostných opôr a krídiel opôr. Článok sa zameriava na systémy vystužených horninových konštrukcií s betónovými panelmi v líci, pričom približuje ich hlavné komponenty, statické pôsobenie aj návrhové postupy a zároveň poukazuje na výhody týchto systémov v porovnaní s tradičnými gravitačnými konštrukciami.

Poznáte výhody Klubu ASB? Stačí bezplatná registrácia a získate sektorové analýzy slovenského stavebníctva s rebríčkami firiem ⟶

Z technologického hľadiska rozdeľujeme vystužené horninové konštrukcie na tri základné typy podľa použitého lícového prvku:

• konštrukcie s drôtokamennými košmi va líci, ktoré predstavujoú poddajné líce;
• konštrukcie s betónovými panelmi v líci v čiastočnej výške, ktoré predstavujú polotuhé líce;
• konštrukcie s betónovými tvarovkami v líci, ktoré predstavujú tuhé líce konštrukcie.

Typ lícového prvku nemá len estetickú funkciu, vzhľadom na tuhosť, resp. poddajnosť je jedným z kľúčových faktorov pri návrhu vystužených horninových konštrukcií. Všetky spomenuté typy lícových prvkov konštrukcií sa pritom zaraďujú medzi bezúdržbové.

V posledných rokoch sa tieto typy konštrukcií veľmi často používajú predovšetkým v dopravnom staviteľstve – zúčastneným stranám poskytujú značné výhody a predstavujú šikovnú alternatívu k tradičným gravitačným konštrukciám, ako sú gabionové alebo betónové múry. Svoje uplatnenie nájdu aj v pozemnom staviteľstve, kde v súčasnosti začínajú byť trendom najmä vzhľadom na vizuálnu a environmentálnu stránku.

V porovnaní s gravitačnými konštrukciami patria medzi hlavné výhody vystužených horninových konštrukcií tieto charakteristiky:

• znížené nároky na zakladanie,
• využitie lokálneho materiálu,
• hospodárnosť návrhu,
• priaznivejšie rozloženie napätí v konštrukcii,
• možnosť realizácie v zimnom období,
• rýchlosť výstavby,
• široká ponuka riešení.

Systém vystužených horninových konštrukcií MacRes®

K systémom vystužených horninových konštrukcií (VHK) s betónovými panelmi v líci sa radí aj systém MacRes®, ktorý je jedným z hlavných systémov VHK v portfóliu Maccaferri. Ide o pomerne známy a používaný systém pri výstavbe oporných múrov, mostných opôr a mostných krídiel v dopravnej infraštruktúre, a to aj v Európe, aj vo zvyšku sveta.

Systém MacRes® (obr. 1) tvoria subtílne betónové lícové prefabrikáty s hrúbkou iba 14 cm, ktoré sú v kombinácii s výstužnými geopásmi ParaWeb® hlavnými nosnými komponentmi systému. Tieto hlavné prvky systému dopĺňa vhodná zásypová zemina, či už vo forme lokálneho, alebo dovezeného materiálu, čo predstavuje významnú výhodu z hľadiska nákladov a časovej efektívnosti.

Okrem vyššie uvedených hlavných komponentov zahŕňa systém MacRes® aj ďalšie komponenty, ktorých účelom je dotvoriť optimálny systém z hľadiska statického pôsobenia a technológie výstavby. Patria k nim vopred zabudované polymérne úchyty MacLoop, ktoré zabezpečujú spoj medzi betónovým prefabrikátom a výstužnými geopásmi.

Na vytvorenie poddajnej konštrukcie, ktorá je schopná absorbovať veľké deformácie (čo je žiadané najmä v seizmických oblastiach), sa medzi jednotlivé panely v horizontálnej škáre umiestňujú gumové podložky. Vo vertikálnych škárach pracujú panely systémom pero-drážka, čo predstavuje pružné, resp. kĺbové uloženie každého panelu.

Okrem finančnej úspory a vhodného statického pôsobenia poskytuje systém MacRes® aj estetickú alternatívu k tradičným gravitačným konštrukciám, najmä k uholníkovým železobetónovým múrom. Svojím flexibilným konštrukčným systémom predstavuje zároveň vhodnú technológiu na budovanie vysokých zemných konštrukcií.

Ďalšou výhodou je spôsob realizácie, kde dochádza k súčasnému budovaniu priľahlého násypu, resp. nevystuženej časti násypu cestného telesa. Nie je nutné čakať na dobudovanie celej konštrukcie, čo umožňuje veľmi efektívnu realizáciu celého diela.

So súčasnou „zelenou“ dobou prináša tento systém výhodu aj vo forme veľmi nízkych emisií CO₂. Podieľa sa na tom viacero faktorov, medzi ktoré patrí najmä využitie lokálneho zásypového materiálu, obmedzenie použitia betónu a použitie geosyntetických materiálov s nízkou hmotnosťou.

Rozmach používania vystužených horninových konštrukcií v dopravnom staviteľstve súvisí s rozvojom výroby geosyntetických materiálov, v tomto prípade výstužných, v kombinácii s rôznymi typmi lícového prvku. Geosyntetické materiály poskytujú vo všeobecnosti alternatívu k prírodným materiálom, ktorých začína byť nedostatok a často predstavujú nákladné riešenie, a geosyntetika sa javí ako veľmi efektívna alternatíva.

Statické pôsobenie

Vystužené horninové konštrukcie sú svojím konštrukčným systémom navrhnuté tak, aby aktívne prispievali k prenosu dopravného zaťaženia. Pri systéme MacRes® poskytuje kĺbové uloženie panelov a pružné spojenie s výstužnou geosyntetikou potrebnú štrukturálnu integritu a zároveň zabezpečuje efektívne rozloženie napätí v konštrukcii a pod ňou.

Pri návrhoch sa stretávame aj s nenáročnými zaťaženiami, ako napríklad v prípade cyklotrás, ale aj so zaťaženiami z cestnej a zo železničnej dopravy, či dokonca so zaťaženiami od priamo založených mostných opôr. Spolu so zohľadnením výšky konštrukcie a typu zásypového materiálu predstavujú tieto účinky vstupné údaje na analýzu konštrukcie, čo prináša aj rôzne materiálne nároky na konštrukciu.

Veľkou výhodou systému MacRes® je variabilita jeho návrhu, ktorá spočíva vo voľbe, resp. návrhu výstužnej geosyntetiky, čo do pevnosti a dĺžky, a vo voľbe pevnosti a hustoty polymérnych, vopred zabetónovaných úchytov. Variabilitu návrhu dopĺňa aj možnosť vystužených či nevystužených lícových panelov. Tieto skutočnosti a možnosti sú základom návrhu konštrukcie a zabezpečujú optimálne a efektívne riešenie v každej situácii.

V súčasnosti možno na analýzu takéhoto druhu konštrukcie použiť komerčné softvéry, ako napríklad GEO 5, pričom medzi základné posudky patria:

• preklopenie a posunutie konštrukcie,
• posunutie po výstuhe,
• únosnosť podložia,
• interná stabilita – pretrhnutie a vytiahnutie výstuh, únosnosť spoja,
• globálna stabilita.

Vybrané referencie

Cesta I/35 Liberec, úprava úseku Klatovská – Košická

Súčasťou tohto projektu bola rekonštrukcia mosta ev. č. 35-022.2, spočívajúca v náhrade pôvodnej mostnej estakády novým mostom s jedným poľom s nadväzujúcimi vystuženými horninovými konštrukciami s betónovými panelmi, na ktorých sú priamo založené opory mosta. Jednou z požiadaviek návrhu riešenia rekonštrukcie existujúceho mostného objektu bola aj minimalizácia vplyvu stavebných prác na súbežne vedenú železničnú trať.

V pôvodnej dokumentácii boli navrhnuté železobetónové uholníkové múry so zásypom s vystuženými geomrežami za rubom, ktoré boli doplnené základovým železobetónovým kotevným prahom, založeným na pilótach a stabilizovaným zemnými lanovými kotvami. Obe opory s krídlami a uholníkové múry boli technicko-ekonomickou optimalizáciou navrhnuté ako vystužené horninové konštrukcie so zvislým lícom zo systému MacRes® (obr. 2 až 5).

Z technického hľadiska je nová konštrukcia rozdelená na tri časti:

Oporný múr – VHK 1. časť („Turnovská“)

Ide o vystuženú horninovú konštrukciu zo systému MacRes® s celkovou dĺžkou 93,00 m a premennou výškou od 2,90 do 5,80 m. Predstavuje jednostupňovú vystuženú zemnú konštrukciu, sklon líca je zvislý.

Opory mosta č. 10 a 20

Obe podpery mosta sú priamo založené na vystuženej horninovej konštrukcii so zvislým lícom zo systému MacRes®. Opory sú pôdorysne zalomené – opora č. 10 pod uhlom 110° a č. 20 pod uhlom 90°. Opora č. 10 má dĺžku 16,67 m a výšku 4,65 m, opora č. 20 má dĺžku 14,94 m a výšku 4,90 m.

Oporný múr – VHK 2. časť („Liberecká“)

Vystužená horninová konštrukcia zo systému MacRes® má celkovú dĺžku 183,00 m a premennú výšku od 2,10 do 10,30 m. Ide o jednostupňovú vystuženú horninovú konštrukciu, sklon líca je zvislý. Konštrukcia vedie v súbehu so železničnou traťou.

Najzložitejšie časti z pohľadu návrhu a výstavby boli mostné podpery č. 10 a č. 20 s maximálnou výškou 4,90 m, pri ktorých bola posúdená ich vnútorná a vonkajšia stabilita. Do všetkých panelov v častiach pod oporami je osadené zvýšené množstvo polymérnych úchytov v závislosti od výsledkov podrobného statického výpočtu a použili sa vysokopevnostné polymérne geopásy. Časť pohľadovej časti konštrukcie je ochránená antigrafity náterom.

Realizácia konštrukcie prebiehala v rokoch 2022 – 2023. Investorom je Ředitelství silnic a dálnic ČR, generálnym zhotoviteľom stavby bola spoločnosť Strabag, a. s., a projektantom spoločnosť M-Projekce, s. r. o.

Oporné múry zo systému MacRes® na území SR

Na území Slovenskej republiky sa zrealizovalo niekoľko konštrukcií systému MacRes® a výstavba viacerých konštrukcií práve prebieha. Medzi najzaujímavejšie projekty, ktoré sú momentálne vo výstavbe, môžeme zaradiť križovatku Triblavina ako spojenie diaľnic D1 a D4 (obr. 6), rýchlostnú cestu R3 Tvrdošín – Nižná nad Oravou a diaľnicu D1 Hubová – Ivachnová (obr. 7).

Súčasťou projektu križovatka Triblavina (D1/D4) sú tri samostatné stavebné objekty oporných múrov MacRes®, ktoré slúžia na rozšírenie existujúceho cestného telesa, a to objekty SO241-10, SO241-20 a SO242-20. Objekt SO242-20 predstavuje ako jediný dvojstupňový múr s maximálnou výškou približne 11 m. Súčasťou projektu sú aj krídla opôr budované technológiou MacRes®, ktorá bola zvolená pri množstve mostných objektov (SO203-01, SO232-01,02, SO232-08,09 a SO233-00).

Investorom stavby je Národná diaľničná spoločnosť, a. s., generálnym zhotoviteľom je spoločnosť Budimex Slovakia, s. r. o., a projektantom spoločnosti Dopravoprojekt, a. s., a GEOstatik, a. s. Na spomenutej stavbe R3 Tvrdošín – Nižná nad Oravou je v súčasnosti vo výstavbe stavebný objekt SO205. Ide o nepriamo založenú mostnú oporu a krídlo budované technológiou MacRes® so založením na kotevnom prahu.

Na stavbe D1 Hubová – Ivachnová prebieha momentálne dokončenie krídiel objektu SO203-00 budované technológiou MacRes® a na stavbe R2 Kriváň – Mýtna je čerstvo dokončený oporný múr SO230-00. V roku 2023 bola touto technológiou ukončená výstavba SO53-33-04 na projekte ŽSR, Uzol Žilina.

Oporné múry zo systému MacRes® na území ČR

Okrem realizácie uvedenej stavby cesty I/35 Liberec, úprava úseku Klatovská – Košická bol systém MacRes® použitý aj pri výstavbe diaľnice D55 Napajedla – Babice, SO255-00. Celková dĺžka múru je 109,50 m, maximálna výška približne 7,5 m. Objekt bol realizovaný v dvoch etapách – v prvej etape sa zrealizoval múr bez posledného radu panelov, v druhej etape, po skonsolidovaní a ustálení deformácií, boli na mieru vyrobené a následne nainštalované horné panely.

V súčasnosti prebieha výstavba štyroch objektov s využitím systému MacRes® na stavbe D1 Brno-centrum – Brno-juh. Objekty SO251-00 a SO252-00 sú už zrealizované a prebieha príprava objektov SO250-00 a SO253-00 s následnou realizáciou na jeseň tohto roka. Veľké množstvo referencií v posledných rokoch hovorí o pozitívnych skúsenostiach a ekonomickej a technologickej efektívnosti systému, ktorý sa stáva neoddeliteľnou časťou mnohých stavieb.

Záver

Spotreba umelých materiálov potrebných na budovanie (betón, výstuž, debnenie) je pri vystužených horninových konštrukciách v porovnaní so štandardnými gravitačnými múrmi minimálna. Takisto sa na rozdiel od štandardných konštrukcií, kde je nutné vykonávať mokré procesy, môže tento typ konštrukcií budovať v podstate celoročne aj pri nižších teplotách alebo pri horšom počasí, keďže predstavuje montovanú konštrukciu.

Doterajšie skúsenosti s výstavbou jednotlivých stavebných objektov systémom MacRes® ukazujú dennú produktivitu približne 50 m2 pohľadovej plochy pri postupnom budovaní konštrukcie jednou pracovnou skupinou zloženou zo 6 pracovníkov. V prípade realizácie porovnateľnej plochy pri štandardných oporných konštrukciách by bolo potrebné nasadiť minimálne ďalšie dve pracovné skupiny s kompletným technologickým vybavením (stroje, debnenie a pod.).

V neposlednom rade treba spomenúť, že si tieto konštrukcie spravidla nevyžadujú hĺbkové založenie, z čoho vyplýva ďalšia výrazná časová a ekonomická úspora. Ako vidieť aj z tohto článku, priestor pre inovácie a optimalizácie technických riešení existuje, či už v samotných projektoch, alebo aj v procese výstavby, a je nevyhnutné, aby sa tieto inovácie uplatňovali na dosiahnutie efektívnej dopravnej infraštruktúry.

Literatúra

1. Interná dokumentácia a portfólio MACCAFERRI CENTRAL EUROPE, s. r. o.
2. Jaroslav Adamec, Ing. Martin Hanuštiak, Ing. Tomáš Rezbárik: Mostní opěry a křídla budované systémem vyztužených zemních konstrukcí v české republice. Sborník 51. konference Zakládání staveb Brno 2023. ČGtS ČSSI Praha, 2023.
3. Jaroslav Adamec, Ing. Tomáš Rezbárik: mostní opěry a křídla budované systémem vyztužených zemních konstrukcí v české republice. Silnice, Železnice 2/2023.

TEXT: Ing. Martin Hanuštiak a Ing. Jaroslav Adamec, MACCAFERRI CENTRAL EUROPE, s. r. o
FOTO A OBRÁZKY: MACCAFERRI CENTRAL EUROPE, s. r. o.

Článok bol uverejnený v časopise IS 4/2024