R2 – Kriváň-Mýtna – prefabrikovaný variant mostov pre zefektívnenie času výstavby

Príspevok sa zaoberá zmenou technológie pôvodne monolitických mostov na prefabrikované. Cieľom bolo primárne zefektívniť výstavbu, ale sledovať aj ekonomický aspekt inžinierskeho diela. Výnimočné je práve využitie montovaného spoja firmy Peikko, zvyčajne používané pri pozemných stavbách (halách).

Vďaka tomuto typu spoja je možná rektifikácia a zároveň sa nevyžadujú iné podperné konštrukcie. Tento spoj nielenže spĺňa 100 % tuhosť v porovnaní s monolitickým spojom, a po úpravách aj požiadavku trvanlivosti pre daný objekt, ale má aj ETA certifikát a zaužívané návrhové postupy. Primárne bude predstavený prvý realizovaný objekt tohto druhu na Slovensku.

Objekty pod cestnými násypmi sú častým inžinierskym dielom pozemných komunikácií. Využívané sú nielen na prechod vozidiel, ľudí, ale často aj riek, prípadne vytvárajú biokoridory. Účelom objektu je prenos zaťaženia zo zeminy nad ňou a, samozrejme, zaťaženia dopravou. Konceptom vybranej nosnej konštrukcie je líniová stavba na princípe rámu.

Celkovo sa riešili 3 objekty na trase rýchlostnej cesty R2 Kriváň-Mýtna. Aj keď boli objekty podobné, líšili sa nielen zaťažením a šikmosťou, ale aj konceptom nosnej konštrukcie.

Pôvodný monolitický variant

Hlavný koncept pôvodnej nosnej konštrukcie bol rám, v rámci objektov sa v zásade líšilo len založenie objektov. Každý priečny rez bol v hornej časti tvorený rohovým nábehom (obr. 1).

Spodná časť sa líšila v závislosti od spôsobu založenia, no v zásade pre všetky objekty sa zvažovalo aj zachytenie ohybového momentu v päte stien objektov. Pri návrhu prefabrikovaných variantov sa preto vychádzalo aj z týchto predpokladov. Šírky objektov merané v osi boli v predbežnom riešení uvažované nasledovne: 52,444 m pre SO 201, 57,410 m pre SO 203 a 62,513 m pre SO 204. Z veľkosti objektov je zrejmé, že samotná konštrukcia debnenia by bola značná položka v rozpočte. Takže okrem optimalizácie hrúbok nosných prvkov bola dôležitým aspektom optimalizácie technológia výstavby.

Riešenie priečneho rezu

V prvotných fázach projektu bolo zvažovaných viacero variantov pre posúdenie najekonomickejšieho typu. Rozhodujúcim kritériom boli prepravné možnosti (maximálna váha 1 prefabrikovaného prvku) a čo najväčšia šírka prvkov, aby sa minimalizoval počet styčných škár, ktoré sa museli hydroizolovať.

Hlavným rozdielom v prvotných variantoch bolo riešenie prenosu ohybových momentov v rohoch. V hornej časti to vždy boli rámové rohy, no v spodnej časti buď dodatočné zakotvenie, prípadne dodatočné zmonolitnenie, alebo aby základová doska bola súčasťou stien. Hlavné rozdiely boli komplikovanosť a trvanlivosť spojov. Na začiatku sa veľkou výhodou zdali vrubové kĺby. Ich funkčnosť bez dodatočných kotviacich prvkov a s nimi spojená trvanlivosť a dlhodobá odolnosť boli zo statického dôvodu ideálnym riešením (obr. 2 a 3).

Pri prvotných výpočtoch a optimalizácii hrúbok nosných prvkov sa ekonomicky výhodnejšie začali javiť varianty s kotvením do základovej dosky. Pri porovnaní variantov SO 201, kde hlavným kritériom šírky prvkov bola prepravná hmotnosť, to vyšlo 2,00 m ku 1,00 m v prospech kotveného variantu. Preto sa do ďalšej fázy vybral variant s kotvením.

Možnosti kotvenia stien mostov

Kým uloženie dosky na krátku konzolu so šmykovými tŕňmi sa zdalo byť jednoznačnou voľbou, kotvenie stien do základov malo nespočetný počet možností. Využiť sa dajú spojky výstuže, zalievanie vloženej výstuže, mechanické, prípadne chemické kotvy. V prípade nami vybraného typu steny v tvare obráteného L, ktorý je nesymetrický, je nutné zvažovať aj montážne štádium. Preto je v prípade dobetónovania nutné dodatočné zakotvenie v montážnom štádiu, prípadne uvažovanie o podpernej konštrukcii, ktorej sme sa chceli vyhnúť (obr. 4).

Pri hore uvedených možnostiach kotvenia boli vždy otázka spoľahlivosti a deklarácia parametrov tuhosti a odolnosti. Preto sa pre finálny návrh použilo, síce v tomto type objektu neobvyklé, no v pozemnom staviteľstve známe systémové kotvenie zvislých prefabrikovaných prvkov k základom. Skrutkové spoje, ktoré sa pôvodne plánovali, je nutné mať na Slovensku prístupné z dôvodu inšpekcie počas životnosti stavby.

Použitý systémový spoj pomocou stĺpových pätiek BOLDA® a vysokopevnostných kotevných skrutiek spoločnosti Peikko má certifikát ETA-20/0529, kde sú deklarované parametre tuhosti, odolnosti na ohyb a aj na šmyk. Tieto faktory na 100 % nahrádzajú monolitický spoj, a teda aj rámový roh v styku so základom. Pre zachytenie šmykových síl bola k stenovým prefabrikátom privarená ešte šmyková zarážka profilu HEB 100.

Finálne spoje rámových konštrukcií napríklad pre SO 203 je možné vidieť na obr. 3.

Numerický model typových a atypických prvkov

Pre výpočet a návrh výstuže typových prefabrikátov bol použitý dosko-stenový model z 2D elementov. Uloženie doskových prvkov na krátke konzoly bolo modelované pomocou jednoduchého líniového kĺbu. Pre jeden z objektov sa overilo aj excentrické uloženie (pomocou tuhej väzby a líniového kĺbu), ale výsledky z jednoduchšieho MKP modelu vychádzali konzervatívnejšie.

Napojenie stenových prvkov so základovou doskou bolo pomocou tuhej väzby, ktorá zohľadnila vzdialenosť päty stenového prvku od osi dosky, a zároveň uľahčilo odčítania vnútorných síl na línii pre návrh kotevných prvkov. Podložie bolo modelované pomocou Winklerovho modelu len pod základovou doskou.

Z dôvodu šikmosti mostov boli na začiatku a na konci použité atypické prefabrikáty. Horné dosky museli byť lichobežníkového tvaru, steny s rôznymi šírkami, prípadne s rôznou šikmosťou. Základové dosky si zachovali tvar, zmena bola len v ich šírke (pre koncové prvky). Z dôvodu nerovnorodého uloženia doskových prefabrikátov na stenové prvky boli koncové časti mostov modelované ako celok, so zohľadnením postupu výstavby.

Pre koncové časti objektov museli byť naviac použité aj geomreže ParaWeb ME, ktoré boli kotvené na dlhšej strane stenových prvkov týchto koncových atypov. Geomreže zachytávali nerovnovážne pôsobenie horizontálnej zložky zemného tlaku zo strán rámového objektu. V prípade monolitického variantu by to mohlo byť riešené horizontálnou výstužou, no v prípade prefabrikovaného variantu by sme pre podobný efekt museli jednotlivé stenové prefabrikáty vzájomne spriahnuť pomocou predpätia (predpínacích tyčí) naprieč viacerými segmentmi.

Nakoniec sa pristúpilo k riešeniu pomocou geomreží, ktoré sa zakotvia dodatočne do stenových prefabrikátov pomocou vlepovanej výstuže rozmiestnenej 0,75 m po výške a 1,00 m po šírke. V numerickom modeli boli nahradené bodovými pružinami zodpovedajúcimi tuhosti geomreží. Jednotlivé susedné prefabrikované prvky v numerickom modeli neboli spojené, respektíve všetky stupne voľnosti boli uvoľnené.

Finálne riešenie a realizácia

V čase vydania článku sú zrealizované všetky objekty. Postup realizácie nosnej konštrukcie bol zvažovaný s 5 základnými fázami. 1. vykladenie prefabrikátov základových dosiek, 2. postupné ukladanie stenových prefabrikátov a následne ukladanie stropných prefabrikátov, 3. zmonolitnenie spoja stena – základová doska, 4. vybetónovanie poprsných múrikov, 5. utesnenie škár a hydroizolácia celej konštrukcie (obr. 5 a 6)

Závery

Ako sa ukazuje, možností, ako využiť prefabrikáciu v prípade mostov, je veľa. Pre čo najlepší ekonomický aspekt diela je nutné hľadať optimálny koncept nosnej konštrukcie a k nemu prislúchajúce konštrukčné detaily. Optimalizácia len na základe hmotnosti použitých materiálov (betón, výstuž, kotevné a iné špeciálne prvky) nie je v tomto prípade najšťastnejšie riešenie.

Práve technológia výstavby a strata potreby podperných konštrukcií rozhodli o najhospodárnejšom riešení. Využitie certifikovaného spoja bežne používaného v pozemnom staviteľstve bolo významným uľahčením nielen pri samotných posúdeniach kotvenia, ale aj pri dokladovaní ich odolnosti a trvanlivosti pre potreby objednávateľa.
Autor:  Ing. Kamil Laco, PhD., ConIS, s. r. o., Jurská 13770/25, 832 02 Bratislava, tel.: +421 907 900 746, e-mail: kamil.laco@conis.sk

Literatúra
[1] STN EN 1992-1-1 + A1 (2015) Eurokód 2. Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy (Konsolidovaný text).
[2] STN EN 1991-1-1:2007 Eurokód 1. Zaťaženia konštrukcií Časť 1-1: Všeobecné zaťaženia – Objemová tiaž, vlastná tiaž a úžitkové zaťaženia budov.
[3] STN EN 1991-1-5:2007 Eurokód 1. Zaťaženia konštrukcií Časť 1-5: Všeobecné zaťaženia Zaťaženia účinkami teploty.
[4] STN EN 1991-2:2007 Eurokód 1. Zaťaženia konštrukcií Časť 2: Zaťaženia mostov dopravou.

Zdroj: PR článok Peikko Slovakia s.r.o.