Projekt D4R7: Ako prebiehali zaťažovacie skúšky Dunajského súmostia?

PPP projekt D4R7 predstavoval od začiatku jednu z najväčších aktivít v budovaní dopravnej infraštruktúry minimálne na európskej úrovni. Celý projekt pozostávajúci z takmer 60 km diaľničnej pozemnej komunikácie (27 km diaľnice D4 a približne 32 km rýchlostnej cesty R7) má niekoľko technicky aj vizuálne náročných a exponovaných častí.

Rozsah prác pritom spočíva nielen v realizácii spomínanej 60-kilometrovej hlavnej trasy, ale zahŕňa aj výstavbu 14 križovatiek, 116 mostných objektov vrátane veľkého mosta cez Dunaj s pôdorysnou plochou viac ako 100 000 m², ako aj všetky požadované bezpečnostné opatrenia, protiradarovú tieniacu stenu pri letisku, betónové zvodidlá, oceľové zábrany, celý odvodňovací systém, protihlukové steny a inteligentné dopravné systémy.

Zároveň zahŕňa tzv. kompenzačné opatrenia s ohľadom na územie NATURA 2000. Nepochybne najimpozantnejším dielom je však 6. most cez Dunaj (Lužný most) a priľahlé ramená s celkovou dĺžkou takmer 3 km. Toto dunajské súmostie je dokončené a čoskoro bude odovzdané do užívania (obr. 1). Je teda čas na krátku bilanciu.

Stavba, ktorá rozpráva sama za seba

Na úvod si dovoľujeme uviesť vyjadrenie zástupcu generálneho riaditeľa spoločnosti D4R7 Construction, s. r. o., pána Gonzála Fernándeza Leóna: „My všetci v D4R7, ako aj v našich materských spoločnostiach, cítime, že sa tento projekt blíži ku koncu a radi by sme ocenili výsledok úsilia, ktoré sa sústredilo na jeden cieľ, úsilia silnej skupiny profesionálov rôzneho pôvodu a zamerania, ktorí tento projekt poňali ako osobnú a životnú výzvu.“

„Každý moment tohto úchvatného diela obohatil každého z nás iným spôsobom, a to hneď od jeho počiatočných fáz až po uvedenie jednotlivých úsekov do prevádzky. Teraz nastal čas, aby toto dielo slúžilo verejnosti, čo je koniec koncov podstatou všetkých verejnoprospešných stavieb. Nebolo to ľahké, museli sme prekonať množstvo prekážok, ale keď ovládate všetky nástroje a obklopíte sa dobrými ľuďmi, ktorí aj výborne zvládajú svoje úlohy, výsledky sa dostavia a všetko funguje,“ vysvetľuje.

„Pokiaľ ide o most cez Dunaj, nech tento priestor poslúži ako pozvánka pre všetkých, aby sa prišli pozrieť na toto veľké dielo verejnoprospešnej výstavby. Na to, aby ste stavbu spoznali, sa na ňu musíte zahľadieť a v tomto prípade sa budete pozerať na most kolosálnych rozmerov. Jeho veľkosť musíte vnímať z diaľky. Odporúčam preto, aby ste tak urobili na pokojných brehoch rieky pri západe slnka a uvidíte, že táto stavba rozpráva sama za seba,“ hovorí.

„Ak by som však mal doplniť môj komentár, treba povedať, že je výsledkom využitia inovatívnych stavebných systémov, ktoré boli riadne a efektívne uvedené do praxe s cieľom dosiahnuť čo najvyššiu kvalitu a zachovať maximálny ohľad na životné prostredie, a to od jej hlbokých základov až po posledné dokončovacie práce,“ dodáva Fernández León.

Projektovanie a realizácia, základné parametre súmostia

Na projektovaní sa podieľali viacerí špičkoví projektanti pod vedením odborníkov zo spoločností Dopravoprojekt, a. s., Bratislava, a Torroja Ingeniería, s.l.p., Madrid. Premostenie pozostávajúce zo štyroch samostatných a bezprostredne na seba nadväzujúcich mostov prevedie ponad Dunaj a priľahlé územie s vodnými plochami štyri pruhy diaľnice a chodníky pre chodcov na jednej strane a cyklistov na druhej strane.

Tomu zodpovedá aj šírka mosta 35 m, ktorá spolu s ostatnými parametrami robí toto súmostie výnimočným. Ide o tieto štyri mosty (obr. 2):

• SO 205 Most na D4 nad Jaroveckým ramenom s celkovou dĺžkou 783,5 m (53,0 + 10 b) c) × 67,5 + 52,5 m),
• SO 200-01 Most na D4 cez kajakársku a veslársku dráhu s celkovou dĺžkou 470,0 m (130,0 + 210,0 + 130,0 m),
• SO 200-02 Most na D4 cez rieku Dunaj s celkovou dĺžkou 428,0 m (127,5 + 170,0 + 127,5 m),
• SO 206 Most na D4 nad Biskupickým ramenom s celkovou dĺžkou 1250,5 m (65,0 + 16 × 70,0 + 62,5 m).

Geometria priečneho rezu všetkých mostov je zosúladená tak, aby spĺňala požadované nároky a zároveň aby mosty navzájom tvarovo korešpondovali. Nosná konštrukcia mostov je navrhnutá ako komorová z pozdĺžne aj priečne predpätého betónu, s veľkými obojstrannými konzolami, ktoré podopierajú prefabrikované železobetónové tyčové vzpery.

Priečny rez bol vyhotovený v dvoch fázach. V prvej fáze sa vybudovalo jadro mostnej komory s využitím vahadlovej metódy letmej betonáže (stredné mosty ponad veslársku dráhu a cez Dunaj), alebo sa postupovalo metódou pole za poľom s využitím výsuvnej skruže (krajné mosty – západné a východné predmostie).

Postranné konzoly mostovky, podoprené prefabrikovanými vzperami vo vzájomnej vzdialenosti 5 m uloženými na jadre komorového trámu, boli realizované v druhej fáze s použitím betónovacieho vozíka.

Jadro mostnej komory na predmostiach bolo navrhnuté so zredukovanou šírkou (14,3 m), aby bola jeho hmotnosť nižšia a aby sa tak umožnilo zhotoviteľovi využiť dostupné technológie výstavby, čo vyvolalo potrebu nezvyčajne širokých postranných konzol (2 × 10,1 m). Na hlavných, letmo betónovaných mostoch, malo jadro komory šírku 16,3 m a konzoly mali šírku 2 × 9,1 m (obr. 3).

Statická analýza

Statická analýza mosta bola vykonaná prevažne programom MIDAS CIVIL na priestorových modeloch, ktoré analyzovali pôsobenie konštrukcie počas prevádzky a takisto počas výstavby. Priestorové pôsobenie konštrukcie sa študovalo na konštrukciách z dosko-stenových a prútových prvkov. Vplyv šmykového ochabnutia na veľkosť spolupôsobiacej šírky hornej a spodnej dosky prierezu sa vypočítal pomocou dosko-stenového modelu.

Keďže namáhanie normálovou silou prenáša celý prierez, bola časť dosiek mimo spolupôsobiacej šírky umiestnená do ťažiska prierezu. Množstvo predpínacej výstuže ovplyvnili hlavne kritériá medzného stavu používateľnosti. Návrh priečnej výstuže vychádzal z posúdenia medzného stavu únosnosti na kombináciu účinkov šmyku, krútenia a priečneho ohybu. Priestorové pôsobenie konštrukcie a jej návrh v priečnom smere sa overili dosko-stenovým modelom.

Dôležité detaily sa overili na vybraných častiach konštrukcie zostavených z priestorových prvkov a metódou „strut and tie“. Výpočet nadvýšenia sa robil na globálnom prútovom modeli v programe MIDAS CIVIL so zohľadnením postupu výstavby a sadania vzhľadom na zadané pružinové podoprenie pilót.

Funkcie dotvarovania, ktoré sú použité v odporučení fib z roku 2010 a v eurokódoch, dávajú menšie dlhodobé deformácie ako funkcie CEB-FIP z roku 1978, ktoré boli použité na prútovom modeli. Z tohto dôvodu sa vytvoril kombinovaný model, ktorý sa skladal zo strednej náhradnej steny (vystihovala pôsobenie stien nosníka), pozdĺžnych prútov (vystihovali pôsobenie hornej a spodnej dosky) a z dosko-stenových prvkov (vystihovali pôsobenie vonkajších konzol).

Analýza preukázala, že výpočet nadvýšenia pomocou prútového modelu s uvážením CEB-FIB modelu z roku 1979 a nadvýšenia z kombinovaného modelu, ktorý vychádzal z fib 2010, dávajú približne zhodné výsledky, preto boli v projekte použité.

Je vhodné poznamenať ešte, že výsledná konštrukcia všetkých štyroch mostov je z hľadiska statického pôsobenia pomerne komplikovaná, čo spôsobuje „fázový“ postup výstavby, a to v pozdĺžnom smere (vahadlá z lamiel rôzneho veku a kompletné mostné polia s konzolami), ako aj v priečnom smere (komorové jadro a krajné konzoly).

Preto pôsobenie mostovky v pozdĺžnom smere ovplyvňujú rôzne faktory, ako sú:

• Šmykové ochabnutie – z dôvodu značnej šírky mostovky bude rozdelenie normálových napätí po šírke hornej aj spodnej dosky nerovnomerné.
• Redistribúcia normálových napätí pozdĺž mostovky počas jej životnosti – k redistribúcii dôjde z dôvodu komplikovaného postupu výstavby, počas ktorého sa menia statické schémy; spôsobuje ju proces zmrašťovania a dotvarovania „v snahe prispôsobiť sa“ definitívnej statickej schéme.
• Redistribúcia normálových napätí po šírke mostovky počas jej životnosti – pôjde o redistribúciu napätí medzi komorovým jadrom prierezu a krajnými konzolami z dôvodu rozdielneho priebehu dotvarovania a zmrašťovania na týchto dvoch častiach konštrukcie, ktoré majú rozličný vek a geometriu (tvar, rozmery).

V prvom kroku sa tieto pozdĺžne javy analyzovali na prútovom výpočtovom modeli. Dostupné komerčné výpočtové softvéry umožňujú namodelovať a analyzovať aj komplikované postupy výstavby, takže je možné sledovať aj vývoj napätosti v čase, zohľadniac pritom aj zmenu priečneho rezu (prenos napätí medzi komorovým jadrom a krajnými konzolami).

Nerovnomerné rozdelenie napätia v šírke prierezu možno posudzovať v súlade s eurokódmi, referenčnými normami v tomto projekte, s použitím metódy účinnej šírky. K dispozícii sú tri rôzne postupy výpočtov, ktoré sú uvedené v EC 2 (Betónové konštrukcie. Časť 1.1., Kap. 5.3.2.1.), EC 3 (Oceľové konštrukcie. Časť 1.5., Kap.3.2.) a v EC 4 (Spriahnuté konštrukcie. Časť 1.1., Kap. 5.4.1.2.).

Použite EC 2 sa zdá byť prirodzeným, keďže mostovky sú zhotovené z betónu, EC2 však počíta so zjednodušujúcimi výpočtovými postupmi, zatiaľ čo EC 3 obsahuje celistvejšie ponímanie problému. V našom prípade ide o ešte zložitejší problém, a to vzhľadom na mimoriadnu dĺžku aj šírku mostovky, preto treba aj tieto aspekty vnímať veľmi komplexne a opatrne.

Dôsledné poznanie efektu šmykového ochabnutia má pritom v štádiu projektovania veľký význam a môže priniesť výrazné úspory. S dôrazom na nehomogénnosť formulácií a veľké rozmery konštrukcií bola vypracovaná štúdia MEF s cieľom presne definovať efekt šmykového ochabnutia. Táto štúdia sa vhodne využila pri kalibrácii klasických prútových výpočtových modelov a pri optimalizácii návrhu.

Jedným z výsledkov bolo zníženie množstva predpínacích káblov, čo umožnilo výstavbu mostov výlučne s použitím vnútornej predpínacej výstuže. Použitie externého predpätia vo vnútri jadra komory, ktoré sa vyžadovalo a bolo použité pri iných nedávnych podobných stavbách, v tomto prípade nebolo potrebné.

Realizácia

Hlavné údaje

Pôdorysná plocha mosta: 100 000 m²
Pilóty: 18 000 bm pilót s priemerom 1 200, resp. 1 800 mm
Betón: 110 000 m³
Betonárska výstuž: 22 000 t
Predpínacia oceľ: 3 700 t

Monolitická spodná stavba spočíva na pilótových základoch. Najnáročnejšie bolo zakladanie dvoch návodných pilierov mosta cez Dunaj. Vŕtané pilóty s priemerom 1 800 mm v koryte Dunaja dosahovali dĺžku až 42 m. Spolu ich bolo 26 a boli vŕtané z dočasného umelého ostrova (pod každým pilierom) zhotoveného pod ochranou štetovnicovej steny. Nepretržitý prístup na tieto umelé ostrovy zabezpečovali pontóny z bližšieho brehu.

Zakladanie mosta cez veslársku dráhu bolo jednoduchšie, pracovný priestor sa vytvoril na dočasne prisypaných polostrovoch z každého brehu. Medziľahlé piliere boli založené na 30 pilótach s dĺžkou 29 m a priemerom 1 800 mm. Na pilieroch sú uložené po dve ložiská, z ktorých najťažšie má hmotnosť 20 t.

Nosná konštrukcia týchto dvoch hlavných mostov bola zhotovená technológiou letmej betonáže. Oba mosty majú premennú výšku prierezu – od 4,3 m v strede rozpätia do 10,0 m nad pilierom mosta cez Dunaj, resp. 13,0 m nad pilierom mosta cez veslársku dráhu. Na štartovacie zárodky s dĺžkou približne 20,0 m boli nasadené betonárske vozíky s nosnou kapacitou 450 t čerstvého betónu.

S ohľadom na „tesný“ časový harmonogram výstavby sa súčasne použili štyri páry vozíkov (lamely mali dĺžku od 3,8 m pri pilieri do 5,0 m v strede rozpätia). Na moste cez Dunaj sa nimi zhotovilo 16 lamiel a na moste cez veslársku dráhu 20 lamiel na každej strane vahadla. Po „počiatočnom zapracovaní“ sa dosahoval bežný pravidelný pracovný cyklus 7 dní. Most cez rieku Dunaj bol dokončený (spojenie vahadiel) 9. júna 2020 a most cez veslársku dráhu 1. júla 2020.

Následne sa betónovali krajné konzoly (obr. 4). Jadrá nosnej konštrukcie oboch predmostí – na západe cez Jarovecké rameno (53,0 + 10 × 67,5 + 52,5 m) a na východe cez Biskupické rameno (65,0 m + 16 × 70,0 m + 62,5 m) – boli zhotovené technológiou výsuvnej skruže. Súčasne boli nasadené dve skruže, pričom obidvomi sa dosahoval pravidelný 18-dňový pracovný cyklus. Na každej strane sa dosiahol najkratší pracovný cyklus 14 dní, ktorý umožnilo „skracovanie“ času na vnesenie prvej fázy predpätia.

S odstupom dvoch polí za práve betónovaným poľom sa postupne po úsekoch s dĺžkou 20 m budovali krajné konzoly – nasadené boli tri betonárske vozíky, ktoré slúžili aj na montáž prefabrikovaných vzpier.

Táto fáza zahŕňala priečne predpínanie (4-lanové nesúdržné káble v plochých kanálikoch) hornej dosky nosnej konštrukcie a predopnutie druhej časti pozdĺžnej predpínacej výstuže, ktorá zároveň zabezpečila elimináciu ťahových napätí v konzolách. Pre predpätie v pozdĺžnom smere je navrhnutých osem 31-lanových súdržných káblov pre každú fázu.

Zaťažovacia skúška

V dňoch 3. 5. 2021 až 9. 5. 2021 vykonal Technický a skúšobný ústav stavebný statickú a dynamickú zaťažovaciu skúšku dunajského súmostia.

Statická zaťažovacia skúška

Porovnávacie hodnoty pretvorení od skúšobného zaťaženia stanovili statickým výpočtom konštrukcie v rámci prípravy zaťažovacej skúšky projektanti mostných objektov. Vo výpočte sa počítalo so zaťažením od vozidiel s hmotnosťou 30 t. Pri kratších poliach bolo v jednom poli 8 vozidiel, pri dlhších poliach 12. Účinnosť skúšobného zaťaženia bola odvodená od priehybu od častých hodnôt normového zaťaženia (zaťažovací model LM1) a pohybovala sa v rozmedzí 0,74 až 0,98.

Z hľadiska návrhu NK bolo rozhodujúcou podmienkou dosiahnuť dekompresiu kritického prierezu pre častú kombináciu zaťažení. Z toho dôvodu sa počítalo pri LM1 súčiniteľoch pri tandemovom systéme s ψ_1,1 = 0,75 a pri spojitom zaťažení s ψ_1,1 = 0,4.

Meranie zvislých posunutí sa vykonalo v každom poli všetkých štyroch mostov. Spolu sa skúškam podrobilo 36 mostných polí v celkovej dĺžke 2 932 m. Vo vybraných poliach sa z dôvodu overenia priečneho roznosu zaťaženia merali posunutia v strede poľa v bodoch a, b, c, d, e, f, g (obr. 5).

Meranie posunutí v poli sa vykonalo elektricky pomocou inkrementálnych snímačov IRC 305 LARM, s implementovaným rozhraním RS485, a zostavy PC cez komunikačný modul RS232. Meranie posunutí v poli 2 mosta 200.1 a 200.2 sa vykonalo opticky veľmi presnou niveláciou pomocou nivelačných prístrojov Leica DNA03. Priehyby konštrukcie boli kontrolované počas skúšky prenosom údajov on-line pomocou programu LabMer.

Meranie zvislých posunutí pilierov sa vykonalo opticky veľmi presnou niveláciou pomocou nivelačných prístrojov Leica Ni 002. Meranie zvislých posunutí pilierov v Dunaji sa vykonalo opticky zámerami na existujúce terčíky a prizmy, a to pred zaťažovacou skúškou a po nej. Spolu zaujali vozidlá pri zaťažovacej skúške 55 zaťažovacích polôh. Z toho na SO 205 19 polôh, na SO 206 27 polôh, SO 200-01 päť polôh a na SO 200-02 štyri polohy.

Zaťažovacie polohy spravidla pozostávali z troch fáz:

1. fáza: 50 % zaťaženia,
2. fáza: 100 % zaťaženia,
3. fáza: 0 % zaťaženia (odľahčenie).

Príklad výsledku merania deformácií v priečnom reze je znázornený na obr. 7. Počas zaťažovacej skúšky sa nezistil žiadny vznik trhlín. V priebehu statickej zaťažovacej skúšky sa veľmi presnou niveláciou kontrolovalo sadanie podperného systému, ktorý sa prejavil ako konsolidovaný. Namerané hodnoty nepresiahli svojou veľkosťou 0,30 mm a pohybovali sa na úrovni presnosti a neistoty merania.

Meraním zvislých posunov v mieste podoprenia sa sledovalo aj zatlačenie ložísk. Namerané hodnoty zatlačenia ložísk sa počas skúšky pohybovali do 0,95 mm, pričom po odľahčení sa ložiská vrátili do pôvodného stavu. Po matematickom spracovaní zápisov meraní sa v kritických prierezoch zistili hodnoty celkových, trvalých a pružných priehybov od skúšobného zaťaženia.

Príklad grafického spracovania výsledkov pri zaťažovacej polohe s maximálnou priehybovou a momentovou účinnosťou na moste SO 200-02 (vľavo) a SO 206 (vpravo) je prezentovaný na obr. 8. Posúdenia nameraných a teoretických pružných priehybov sa vykonali podľa STN 73 6209, čl. 58 a) podľa vzťahu α ≥ f_e / f_cal, kde f_e je nameraný pružný priehyb a f_cal je teoretický priehyb.

Kritérium, podľa ktorého α ≤ 1,05 (105 % v zmysle tabuľky 1 STN 73 6209 pre mosty spriahnuté a z predpätého betónu), bolo splnené vo všetkých prípadoch. Pomer priehybov nameraných pri zaťažovacej skúške a teoretických priehybov bol pri moste:

• SO 205 od 74 do 98 %,
• SO 206 od 71 do 104 %,
• SO 200-01 od 43 do 89 %,
• SO 200-02 od 61 do 96 %.

Posúdenia trvalých priehybov voči celkovým nameraným priehybom sa vykonali podľa STN 73 6209, čl. 58 b) podľa vzťahu α1 ≥ f_r / f_tot, kde f_r je trvalý priehyb nameraný po odľahčení konštrukcie a f_tot je celkový nameraný priehyb. Kritérium, podľa ktorého α1 ≤ 0,20 (20 % v zmysle tabuľky 1 STN 73 6209 pre mosty spriahnuté a z predpätého betónu), bolo splnené vo všetkých prípadoch.

Pomer trvalých priehybov voči celkovým priehybom nameraným pri zaťažovacej skúške bol pri moste:

• SO 205 do 12,6 % (pričom maximálna nameraná hodnota trvalého priehybu bola 0,63 mm),
• SO 206 do 10,1 % (pričom maximálna nameraná hodnota trvalého priehybu bola 0,56 mm),
• SO 200-01 do 15,4 % (pričom maximálna nameraná hodnota trvalého priehybu bola 1,98 mm),
• SO 200-02 do 8,5 % (pričom maximálna nameraná hodnota trvalého priehybu bola 2,50 mm).

Dynamická zaťažovacia skúška

Dynamické zaťaženie mosta bolo vyvolané prejazdom nákladného automobilu s celkovou hmotnosť 31 t (obr. 9), a to hladkými jazdami a jazdami cez normovú prekážku a rýchlosťami 5, 10, 15, 20, 30, 40 a 50 km/h v obidvoch smeroch jazdy. Meranie kmitania mostnej konštrukcie sa v jednotlivých poliach vykonalo akcelerometrami a relatívnymi inkrementálnymi snímačmi priehybu.

Z nameraných časových záznamov zrýchlení, resp. výchyliek kmitania, sa FFT analýzou vypočítali amplitúdovo frekvenčné spektrá kmitania. Dominantné frekvencie amplitúdovo frekvenčných spektier nameraných pri dynamickej zaťažovacej skúške sa potom porovnali s vypočítanými vlastnými frekvenciami.

Príklad nameraného amplitúdovo-frekvenčného spektra kmitania poľa č. 1 mosta cez Dunaj (vľavo) a poľa č. 3 mosta cez Jarovecké rameno (vpravo) a ich porovnanie s vypočítanými vlastnými frekvenciami prezentuje obr. 9.

Zo záverov zaťažovacích skúšok vyplýva, že všetky mosty dunajského súmostia vyhoveli pri statickej a dynamickej zaťažovacej skúške z hľadiska zistených pretvorení a vlastných frekvencií kmitania požiadavkám STN 73 6209.

Záver

Mimoriadne náročná práca projektantov a staviteľov 6. mosta cez Dunaj, teda Lužného mosta je ukončená. Svojimi technickými parametrami sa zaraďuje medzi diela hodné zvláštneho zreteľa, a to nielen na Slovensku.

Autori tohto článku považujú za česť oboznámiť širšiu odbornú komunitu aspoň s niekoľkými údajmi. Už v predchádzajúcich číslach Inžinierskych stavieb boli uverejnené ďalšie zaujímavé informácie a čitatelia môžu nájsť viac podrobností aj v ďalších iných zdrojoch (časopisoch a konferenčných zborníkoch).

V tomto článku autori položili hlavnú pozornosť na záverečnú etapu – zaťažovaciu skúšku súmostia –, ktorou sa preukazuje jeho pripravenosť na uvedenie do používania.

Ľudovít Naď pôsobí v spoločnosti iS-Konzult, s. r. o., Košice, Juraj Kopčák v spoločnosti DOPRAVOPROJEKT, a. s., Bratislava, divízia Prešov, Adrián Chalupec a Martin Ondroš pôsobia v spoločnosti DOPRAVOPROJEKT, a. s., Bratislava, divízia Zvolen, Ramón Merino Martínez je zástupcom spoločnosti TORROJA INGENIERÍA, S.L.P. Madrid, Španielsko, Patrick Wagner je zástupcom spoločnosti D4R7 Construction, s. r. o., a Patrik Ševčík pôsobí v Technickom a skúšobnom ústave stavebnom, n. o., Bratislava.

Článok bol publikovaný v časopise Inžinierske stavby 04/2021.