Posúdenie železničných oceľových mostov v Bratislave

Pri riešení železničných mostov sa v praxi často stretávame s úlohami, ktoré si v prvej fáze pri určení efektivity budúcej prevádzky objektu vyžadujú posúdenie existujúcej mostnej konštrukcie. V tomto článku je spracovaný prehľad vykonaných analýz dvoch železničných mostov pochádzajúcich z obdobia prvej polovice 20. storočia, kde bolo potrebné stanoviť únosnosť na prevádzkové zaťaženie a klasifikovať kategóriu zaťaženia trate, ako i určiť prípustnú rýchlosť na týchto mostoch pri zohľadnení ich aktuálneho technického stavu. Závery prepočtu boli podkladom na definovanie ďalšieho postupu návrhu rekonštrukcie, prípadne prestavby daných železničných mostov podľa požiadaviek investora a správcu objektu.

Stanovenie zaťažiteľnosti a overenia priechodnosti pri prevádzkovom zaťažení D4 železničných mostov vychádza zo Smernice ŽSR [1]. Zaťažiteľnosť mostnej konštrukcie alebo jej časti je pomer najvyšších prípustných účinkov zvislého premenného krátkodobého zaťaženia železničnou dopravou z hľadiska medzných stavov únosnosti a používateľnosti k účinkom, ktoré v mostnej konštrukcii alebo jej časti vyvodí zaťažovací model LM71.

Železničný most v km 51,368 trate Devínska Nová Ves – Štúrovo (Červený most)Opis konštrukcie

Červený most leží v intraviláne mesta Bratislava v traťovom úseku Lamač – Bratislava, hlavná stanica. Most preklenuje mestskú komunikáciu, chodník pre chodcov a cyklistov, potok Vydrica s priľahlým údolím toku (obr. 1). Most je šesťpoľový, za sebou nasleduje dvojica trojpoľových spojitých konštrukcií s rozpätiami 3 × 32,40 m (v koľaji č. 1), respektíve 3 × 32,60 m (v koľaji č. 2). Koľaje na moste sú v smerovom oblúku. Oceľové konštrukcie sú plnostenné, nitované so zapustenou mostovkou. Hlavné nosníky sú vyrobené z ocele triedy 52, mostovka a ostatné časti mosta z ocele triedy 37. Spodnú stavbu tvorí dvojica masívnych krajných opôr a päť medziľahlých pilierov. Piliere sú betónové, obložené kameňom (obr. 2). Most bol realizovaný v rokoch 1947 – 1948. Na konštrukcii sa v roku 2006 až 2011 vykonali revízne prehliadky, ktoré konštatovali zásadné nedostatky. Nosná konštrukcia vykazovala množstvo chýbajúcich, respektíve voľných nitov, na nosných prvkoch a prípojoch sa zistil úbytok materiálu (10 – 30 %) z dôvodu korózie (obr. 3). K najzávažnejším nedostatkom patrilo zistenie výskytu trhlín na krčných uholníkoch pozdĺžnikov železničnej mostovky.

Obr. 1  Červený most

Obr. 2  Piliere Červeného mosta

Obr. 3  Červený most – pohľad zhora, železničný zvršok

Výpočet a postup

Na globálnu analýzu nosnej konštrukcie sa použil priestorový výpočtový model. Úbytky materiálu zistené na základe merania sa zapracovali do modelu. V prvej fáze sa stanovila zaťažiteľnosť prvkov nosnej konštrukcie normovým zaťažením LM 71. Hlavný nosník a priečniky vyhoveli zaťažiteľnosti LM 71, prepočtom sa však zistilo, že žiaden z pozdĺžnikov nosnej konštrukcie nevyhovuje tomuto zaťažovaciemu modelu. Najnižšia zaťažiteľnosť prvku vyšla pri vnútornom pozdĺžniku, a to na úrovni 0,51. V ďalšom kroku sa posudzovala konštrukcia z hľadiska prevádzkového zaťaženia reprezentovaného modelom D4. Nevyhoveli vonkajší a vnútorný pozdĺžnik, pretože ich únosnosť pokrýva len 87 % zaťažiteľnosti daného prvku. Možno konštatovať, že nosná konštrukcia Červeného mosta so zohľadnením existujúceho stavu nevyhovuje zaťažiteľnosti prevádzkovým modelom D4. Na odstránenie týchto nedostatkov sa navrhuje úprava na pozdĺžnikoch spočívajúca v zmene spodného pásu nahradením existujúcich uholníkov L80 × 80 × 10 novými nerovnoramennými uholníkmi L80 × 120 × 12, ktoré budú na miesta pôvodných uholníkov spätne prinitované. Touto konštrukčnou úpravou pozdĺžnikov sa zabezpečí dostatočná zaťažiteľnosť pre triedu D4. V rámci dynamického výpočtu sa vyhodnotili frekvencie a tvary vlastného kmitania mostnej konštrukcie a sledoval sa priebeh vývoja napätia na jednotlivých prvkoch nosnej konštrukcie, premiestnenia bodov pri prejazde súprav s pohyblivým zaťažením a priebeh zrýchlenia v uzloch konštrukcie pri rôznych rýchlostiach pojazdu. Cieľom výpočtu bolo stanovenie rozkmitov napätí na najviac exponovaných prvkoch s následným určením zvyškovej životnosti mostnej konštrukcie. Vypočítaná hodnota 1. vlastnej ohybovej frekvencie sa nachádza v odporúčanej frekvenčnej oblasti podľa [3]. Vyhodnotenie prevádzkového zaťaženia z pohľadu historického vývoja železničnej prevádzky v predmetnom úseku trate sa spracovalo na základe analýzy dopravy v období rokov 1948 – 2010 [4]. Z dostupných podkladov sa určili časové etapy s príslušnou intenzitou dopravy, ktorým boli priradené charakteristické vlakové súpravy určené na nákladnú a osobnú dopravu (tab. 1). Na návrh súprav sa použili konkrétne lokomotívy jazdiace v danom období s presnými schémami náprav (geometria a zaťaženie na nápravu) prevádzkovaných vozňov. Zároveň sa časovým obdobiam a vlakom priradili rýchlosti súprav, ktoré vstupujú do výpočtu.

Výpočtom sa sledoval aj vývoj zrýchlenia vo zvislom smere. Na zabezpečenie pohodlia cestujúcich vo vlaku sa na jednoducho podopretých konštrukciách odporúča neprekročiť 3,5 m/s2. Porovnávacie kritérium sa prekročilo pri rýchlosti osobného vlaku 100 km/h. Maximálne zrýchlenie vo zvislom smere dosahuje v treťom poli hodnotu 3,91 m/s2. Pri pohybe osobných vlakov na moste rýchlosťami vyššími alebo rovnými 100 km/h môže dochádzať k zníženiu pohodlia jazdy cestujúcich. V analýze bola použitá zaťažovacia súprava zostavená z desiatich vozňov zaťažovacej triedy D4 (4 × 22,5t/voz.) s rôznymi rýchlosťami pojazdu: 10, 30, 60 a 80 km/h. V súčasnosti je na mostnom objekte obmedzená rýchlosť pre kategóriu zaťaženia D4 na 30 km/h. Bežná osobná prevádzka je povolená pri rýchlosti 80 km/h. Za predpokladu úpravy konštrukcie a príslušného monitoringu v ďalšom časovom horizonte užívania objektu možno uvažovať o úprave predpísanej rýchlosti pre kategórie zaťaženia D2 – D4 na 60 km/h. V prípade posúdenia pozdĺžnikov je rozhodujúci nápravový tlak (pre triedy D2 – D4 je na úrovni P = 22,5 t), preto je nutné obmedzenie rýchlosti na 60 km/h aplikovať na všetky vlaky spadajúce do týchto kategórií zaťaženia. Zisťovanie zostatkovej únavovej životnosti jestvujúcich oceľových nitovaných železničných mostov nie je obsiahnuté v súčasne platných normových predpisoch. Princíp posúdenia použitý pri Červenom moste vychádza z [2]. Výpočty nadväzujú na dynamickú analýzu prevádzky mosta v období rokov 1948 – 2010 (obr. 4). Z hľadiska únavovej životnosti sa preverili tri prvky železničnej mostovky. Zo súčtového grafu porovnávacích napätí sa odčítali hodnoty rozkmitov napätia, ktorým sa v jednotlivých zaťažovacích obdobiach priradila početnosť. Takto spracované rozkmity napätí a ich príslušné početnosti sa prevzali do grafu napäťového spektra v časovom období od spustenia prevádzky po súčasnosť. Uvedené spektrá napätia sa porovnali s krivkou únavového porušenia (S-N krivkou). Následne sa z uvedených hodnôt dopočítala zostatková únavová životnosť mosta v rokoch (tab. 2). Z hľadiska zostatkovej únavovej životnosti má prvok 5118 reprezentujúci ľavý pozdĺžnik mostovky vyčerpanú únavovú životnosť. Ostatné pozdĺžniky v krajných poliach spojitej konštrukcie dosahujú podobné rozkmity napätí ako prvok 5118. Pri rovnakom počte zaťažovacích cyklov možno závery aplikovať na ďalšie pozdĺžniky a ich únavovú zostatkovú životnosť predpokladať v intervale rokov 2011 – 2014.

Tab. 1  Reprezentačné zaťaženie železničnou dopravou v jednotlivých obdobiach

Tab. 2  Zostatková únavová životnosť

Obr. 4  Obdobie 2000 až 2010 – priebeh zmeny napätia pri prejazde vlaku Pn, pozdĺžnik

Železničný most v km 7,892 trate Bratislava Nové Mesto – Dunajská Streda
Opis konštrukcie

Železničný most nad Malým Dunajom je štvorpoľový a tvorí ho trojica oceľových konštrukcií a železobetónová doska. Maximálna traťová rýchlosť na moste je 80 km/h. Spodná stavba pozostáva z dvoch gravitačných betónových opôr a troch masívnych betónových podpier (obr. 5). Nosná konštrukcia 1. poľa s rozpätím 9,20 m je oceľová, plnostenná, nitovaná s hornou mostovkou. Je získaná zo staršej konštrukcie, ktorá bola upravená a osadená v roku 1963. Nosná konštrukcia 2. poľa s rozpätím 40,10 m je oceľová, priehradová, nitovaná s dolnou prvkovou mostovkou (obr. 6). Hlavné nosníky sú priehradové priamopásové so zvislicami. Roštová sústava prvkovej mostovky je tvorená nitovanými I-prierezmi pozdĺžnikov a priečnikov (obr. 7). Nosná konštrukcia 3. poľa je získaná zo staršej konštrukcie, ku ktorej boli prirobené konzoly slúžiace ako nosný prvok lávky pre chodcov. Bola vložená v roku 1963. Je oceľová, plnostenná, nitovaná s dolnou mostovkou s rozpätím 16,24 m. Nosná konštrukcia 4. poľa je železobetónová doska s rozpätím 2,85 m.

Obr. 5  Železničný most nad Malým Dunajom

Obr. 6  Železničný most nad Malým Dunajom – nosná konštrukcia 2. poľa

Obr. 7  Železničný most nad Malým Dunajom – roštová sústava prvkovej mostovky

Výpočet a postup

V rámci výpočtu boli vyšpecifikované prvky nosnej konštrukcie, ktoré vykazujú najnižšiu zaťažiteľnosť a sú do istej miery obmedzujúce z hľadiska zaistenia bezpečnej prevádzky mosta. Základným vyhodnocovaným výpočtovým modelom bol priestorový prútový 3D model (OK1, OK2 a OK3), respektíve doskový model (4. pole). Dynamické súčinitele na účinky príslušných častí nosnej konštrukcie sa určili na základe vzťahu pre bežne udržiavané trate podľa [3]. Parciálne súčinitele spoľahlivosti boli určené pre plánovanú zvyškovú životnosť objektu v rozsahu 3 až 10 rokov.
Pole č. 1. Pri hlavných nosníkoch priamo zaťažených železničným zvrškom (ľavý a stredný nosník) stredné úseky vyhovujú podmienke ZLM71 ≥ 1,0. Pri koncových prierezoch v blízkosti uloženia OK bola zaťažiteľnosť ZLM71 < 1,0 a bolo nutné pristúpiť k overeniu priechodnosti pri prevádzkovom zaťažení D4. Zaťažiteľnosť hlavného nosníka umiestneného pod chodníkom vyhovela. Porovnaním statických účinkov zaťaženia LM71 a účinkov prevádzkového zaťaženia v kombinácii so zohľadnením dynamických účinkov (pri rýchlosti 90 km/h) sa stanovilo, že trojica hlavných nosníkov vyhovuje z hľadiska priechodnosti v prípade traťovej triedy zaťaženia D4. Výsledky výpočtu zaťažiteľnosti prvkov zloženého priečnika preukázali, že všetky prvky vyhovujú. Pole č. 2. Výpočet zaťažiteľnosti hlavných priehradových nosníkov preukázal, že všetky prvky ľavého a pravého pásu vyhovujú. Pre pozdĺžniky platí, že minimálna dosiahnutá hodnota zaťažiteľnosti ZLM71 = 1,75. Zaťažiteľnosti ZLM71 koncových priečnikov sú v rozpätí 0,44 – 0,75 a v prípade medziľahlých priečnikov sa pohybujú medzi hodnotami 0,59 – 0,88. Keďže podmienka ZLM71 ≥ 1 nie je splnená, v prípade priečnikov bolo vypracované overe­nie priechodnosti pri prevádzkovom zaťažení D4 a následne tried D2 a C3. Nosná konštrukcia OK2 vyhovuje z hľadiska priechodnosti len traťovej triede zaťaženia C3 podľa UIC – Kodex 700V. Prvkom konštrukcie, ktorý bezprostredne určuje obmedzenie rýchlosti, je koncový priečnik nad pevným ložiskom.

Pole č. 3. Výsledky výpočtu týkajúce sa hlavných nosníkov preukázali, že tieto spĺňajú podmienku a z hľadiska priechodnosti vyhovujú traťovej triede zaťaženia D4. Podobne ako na mostnom poli č. 2 sa stanovením zaťažiteľnosti preukázalo, že mostovka je kritickým prvkom konštrukcie. Nosná konštrukcia OK3 vyhovuje traťovej triede D4 podľa UIC – Kodex 700V pre rýchlosť 10 km/h a traťovej triede D2 a C3 podľa UIC – Kodex 700V pre rýchlosť 30 km/h. Pole č. 4 (železobetónová doska). Zaťažiteľnosť dosky z hľadiska ohybovej odolnosti bola stanovená v strede rozpätia, z hľadiska šmykovej ohybovej odolnosti bola stanovená nad teoretickou podperou. Výsledok výpočtu zaťažiteľnosti prierezu preukázal, že doska vyhovuje. Dynamický výpočet sa spracoval pre všetky oceľové konštrukcie železničného mosta. Okrem vlastných frekvencií a tvarov vlastného kmitania konštrukcií sa v rámci výpočtu sledoval priebeh vývoja napätia na jednotlivých prvkoch nosnej konštrukcie, premiestnenia bodov pri prejazde súprav s pohyblivým zaťažením D4 a priebeh zrýchlenia v uzloch konštrukcie pri rôznych rýchlostiach pojazdu. Z hľadiska vlastných frekvencií sa preverilo, či sa vypočítaná hodnota 1. vlastnej ohybovej frekvencie nachádza v odporúčanej frekvenčnej oblasti podľa [3]. Pri OK1 je kritérium splnené a 1. vlastná ohybová frekvencia OK1 je v požadovaných medziach. Pri OK2 a OK3 kritérium nie je splnené a 1. vlastná ohybová frekvencia železničného mosta sa nachádza mierne nad hornou medzou vlastnej frekvencie. Podľa dostupných zistení na oceľových konštrukciách v období prevádzky neboli zaznamenané problémy s rezonanciou, prípadne nadmerným kmitaním konštrukcie, ktoré by ohrozovali bezpečnú prevádzku a geometriu polohy koľaje na moste.
Spodná stavba vyhovuje z hľadiska posúdenia stability – preklopenia, posunutia aj z hľadiska únosnosti základovej pôdy.

Záver

Prepočet mapujúci situáciu oboch mostných objektov poukázal na nutné bezodkladné riešenie ich stavu. Súčasné normové predpisy, tvoriace východisko pri stanovení zaťažiteľnosti, sa výrazne líšia od predpokladov určujúcich pohyblivé zaťaženie v čase návrhu mostných konštrukcií. Výsledný nárast účinkov premenného zaťaženia železničnou dopravou v porovnaní s pôvodnými výpočtovými postupmi sa negatívne prejavuje najmä na výsledkoch týkajúcich sa prvkov železničnej mostovky. Kombináciou zásahov do nosnej konštrukcie – odstránenie nedostatkov zistených in situ, úprava na základe odporúčaní zo statických a dynamických výpočtov, zníženie dynamických účinkov na konštrukciu vhodnou zmenou zvršku na moste a príslušného monitoringu – je možné zabezpečiť prevádzku objektov v horizonte 5 – 10 rokov. V priebehu roka 2014 je plánovaná realizácia rekonštrukčných prác na oboch objektoch. Vzhľadom na vek železničných mostov a ich doterajšie prevádzkové vyťaženie je po realizácii navrhovaných úprav nevyhnutné začať s prípravou projektovej dokumentácie na celkovú prestavbu, ktorá v plnom rozsahu zabezpečí splnenie narastajúcich požiadaviek železničnej dopravy.

TEXT: Ing. Martin Hukel, Ing. Juraj Dolnák, PhD.
FOTO: PRODEX

Martin Hukel je samostatný projektant mostov v spoločnosti PRODEX, spol. s r. o.
Juraj Dolnák je projektant mostov v spoločnosti PRODEX, spol. s r. o.

Literatúra
1.    Vičan, J. a kol.: Metodika výpočtu zaťažiteľnosti mostov dráhových komunikácií. Konečný návrh smernice pre GR ŽSR, 2002.
2.    JRC Scientific and Technical Reports: Assessment of Existing Steel Structures: Recommendations for Estimation of Remaining Fatigue Life, 2008.
3.    STN EN 1991-2 Eurokód 1: Zaťaženia konštrukcií, Časť 2: Zaťaženia mostov dopravou, 2006.
4.    Mladoniczky, M.: Rekonštrukcia mosta v km 51,368 trate Devínska Nová Ves – Štúrovo (Červený most), Analýza dopravy, 2011.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.