Když zkolabuje mostní jeřáb – přepočet Motsa Bridge v Izraeli

• Foto

ÚVOD

Dílo sestává ze dvou paralelních mostních konstrukcí: Severní most o délce 730,2 m a Jižní most o délce 681,21 m a počtu 11 polí, respektive 10 polí. Maximální délka pole na obou mostech je 68,19 m. Tyto parametry dělají z projektu nejdelší letmo montovanou konstrukci v Izraeli.

Po kompletaci prvních tří polí Severního mostu byla realizace díla významně poznamenána nehodou montážního jeřábu, který byl použit pro dopravu a montáž prefabrikovaných segmentů. Po nehodě muselo následovat zastavení stavebních prací na několik měsíců, a aby mohlo dílo být zdárně dokončeno, vyžádala si situace intenzivní nasazení jak projektanta, tak i zhotovitele.

POPIS PROJEKTU

Návrh mostu byl limitován několika základními požadavky, které ovlivnily jeho výslednou podobu a zvolený způsob výstavby.

Lokalita

Projekt se nachází v blízkosti obce Motsa v mělkém údolí, které je klasifikováno jako chráněné území. Navíc, zhruba v polovině mostu, se nachází archeologicky cenná lokalita opevnění římských legionářů, jejíž existence se datuje do 1. století před Kristem.

Z výše uvedených podmínek vyplynul výběr postupu výstavby, který minimalizuje nutné zásahy do krajiny a čas potřebný k realizaci díla. Pro postup výstavby byla zvolena letmá montáž s využitím montážního výsuvného jeřábu (anglicky tzv. Launching gantry). Montážní jeřáb je umístěn na nosné konstrukci, dopravuje prefabrikované segmenty do jejich finální pozice a postupuje vpřed společně s výstavbou.

Charakteristiky projektu

Mosty se nachází v půdorysném směrovém oblouku o poloměru 550 m s niveletou stoupající v podélném směru v hodnotě 4,87 %.

Šířkové uspořádání severního i jižního mostu o celkové šířce 15,7 m bylo navrženo pro tři jízdní pruhy. Nosná konstrukce byla navržena jako komorový, spojitý nosník z dodatečně předpjatého betonu (obr. 2), využívající systému volných předpínacích kabelů spojitosti. V případě potřeby umožňuje tento systém vlastníkovi výměnu jednotlivých předpínacích kabelů. Komorový průřez má konstantní výšku 3,0 m s příčně předpjatou horní deskou a spodní deskou o proměnné tloušťce v podporové oblasti. Volba konstantní výšky průřezu a její hodnota vyplynula z požadavků na výstavbu, jednak ze strany mostárny (jednodušší bednění, detaily výztuže a rychlejší výroba), a dále nosností montážního jeřábu a dopravních prostředků, které limitovaly maximální váhu segmentu na 100 tun. Kromě proměnné tloušťky spodní desky byly všechny ostatní rozměry průřezu po délce neměnné. To výrazně pomohlo zjednodušit bednění a urychlilo celkový proces výroby, transportu a montáže segmentů.

Spodní stavba je charakterizována architektonicky jednoduchými pilíři s dříkem konstantního průřezu 5 × 3,2 m a rozšířenou hlavou pilíře. Výška pilířů je v rozmezí od 6 m do 30 m. Založení bylo typicky složeno ze 16 vrtaných pilot o průměru 750 mm.

Postup návrhu

Metoda Design-Build umožnila výbornou a efektivní spolupráci mezi projektantem a zhotovitelem. Od počátku projektu bylo zřejmé, že metoda výstavby a parametry montážního jeřábu budou hrát klíčovou roli při návrhu nosné konstrukce. Rozměry komory, tloušťky stěn, i množství betonářské a předpínací výztuže byly optimalizovány pro konkrétní řešení zhotovitele.

Montážní jeřáb (obr. 3)
Zhotovitel (Danya-Cebus) byl schopen velmi krátce po zahájení projektu vybrat dodavatele montážního jeřábu. Volba padla na typ montážního jeřábu disponujícího třemi hlavními podporami, který kromě transportu segmentů může sloužit jako stabilizační prvek pro zajištění vahadla proti ztrátě stability. Tato vlastnost jeřábu byla klíčová při návrhu množství vahadlových předpínacích kabelů a návrhu dočasných montážních podpor. Montážní jeřáb byl speciálně navržen a vyroben pro projekt Motsa.

Po kompletaci Severního mostu se jeřáb vrátil zpět zpátky na začátek mostu, kde byl přes spojené podpory příčně přesunut na Jižní most.

Prefabrikované segmenty byly dovezeny na staveniště na podvalnících a vyzdviženy na nosnou konstrukci pomocí speciálně navrženého portálového jeřábu, který byl napevno připevněn u prvního pilíře (obr. 4). Tahačem na mostovce pak byly přepraveny až k samotnému montážnímu jeřábu.

Montážní podpěry
Z důvodu výšky pilířů až 30 metrů nad terénem, byla místo klasické ocelové skruže navržena lehká ocelová konstrukce, která byla přikotvena k pilířové hlavě pomocí předpínacích tyčí. Úkolem této montážní „svorky“ (obr. 5) bylo podepřít a stabilizovat vahadlo během montáže prvních pěti párů segmentů. Poté již mohly být na vahadlo umístěny dvě podpory montážního jeřábu, který přebral stabilizační úlohu vahadla. V ten moment bylo vahadlo usazeno na finální ložiska a dočasná „svorka“ mohla být odstraněna.

Konstrukce svorky umožňovala zhotoviteli provádět geometrickou rektifikaci vahadla pomocí čtveřice hydraulických lisů a speciálně navrženého kluzného nosníku povolujícího horizontální posuny.

Jelikož svorka nemusela zajišťovat stabilitu celého vahadla, ale pouze prvních 5 párů segmentů, vyústil její návrh v lehkou a jednoduchou konstrukci. Instalace montážní svorky byla rychlá a jednoduchá a zhotovitel si vystačil se třemi kusy pro výstavbu obou dvou mostů, což znamenalo významnou úsporu času a peněz ve srovnání s tradiční ocelovou skruží.

REALIZACE

Harmonogram montáže nosné konstrukce byl značně napnutý, počítal s dokončením jednoho mostního pole každé 3 týdny a finálním dokončení nosné konstrukce za pouhý jeden a půl roku.

Počáteční fáze

Rozpis prací počítal s realizací opěr a náspů až v konečné fázi projektu, a tak nebylo možné začít s montáží segmentů od konce mostu. Montáž bylo tedy nutné zahájit na pilířích B a C. První pilířové segmenty byly usazeny na pilíře pomocí mobilního jeřábu. Příhradový nosník montážního jeřábu byl nejprve sestaven na zemi a poté vyzdvihnut pomocí mobilních jeřábů na již připravené podpory na pilířových segmentech B a C. V následující fázi montážní jeřáb vystavěl vahadla B a C s prefabrikovanými segmenty dodávanými z podvalníků na úrovni terénu. Po dokončení a předepnutí pole B/C kabely spojitosti bylo možno montážní jeřáb posunout do pozice pro montáž vahadla D a bylo též možno na konci již dokončené nosné konstrukce instalovat pevný jeřáb pro dodávku segmentů.

Magický překrok
Přechod mezi stavem, ve kterém je vahadlo stabilizováno montážní svorkou do stavu, ve kterém je jeho stabilita zajištěna tuhostí montážního jeřábu, byl pracovně nazván „magický překrok“. Návrh a pečlivá realizace překroku byly nesmírně důležité pro hladký průběh montáže vahadla. Magický překrok je tvořen následujícími kroky:

a) Montážní jeřáb je posunut k dalšímu pilíři, kde je zastabilizován pomocí přední skládací podpory.
b) Pilířové segmenty (zárodky) jsou usazeny na hydraulické lisy.
c) První podpora montážního jeřábu je umístěna na pilířové segmenty.
d) Prvních pět párů prefabrikovaných segmentů je osazeno (obr. 6)
e) Druhá podpora montážního jeřábu je umístěna na krajní segment vahadla. První podpora je následně přesunuta na protější stranu vahadla (obr. 7)
f) Injektáž ložisek na pilíři.
g) Hydraulické lisy na montážní svorce jsou spouštěny a veškeré zatížení plynoucí z tíhy vahadla a montážního jeřábu je přeneseno do ložisek a podpor jeřábu.
h) Od tohoto momentu je rotace vahadla z důvodů nesymetrického zatížení bráněna tuhostí nosníku montážního jeřábu (obr. 8).

V momentě, kdy je montážní jeřáb používán jako stabilizační prvek vahadla, je důležité mít dobrý přehled o silách v jeho podporách. Společně s ložiskem tvoří 3podporový jeřáb staticky neurčitý systém, ve kterém je přerozdělení sil závislé na poměrné tuhosti montážního jeřábu a betonového průřezu.

Z tohoto důvodu byla od dodavatele montážního jeřábu požadována důkladná dokumentace popisující každý jednotlivý krok výstavby včetně očekávaných reakcí v jednotlivých podporách. Projektant (FINLEY) zohlednil toto montážní zatížení při výpočtu rotace vahadla a pro získání pozice jednotlivých segmentů při výstavbě.

Nehoda montážního jeřábu

Během příprav k výsunu montážního jeřábu směrem k pilíři E severního mostu došlo k selhání zádržného systému nosníků a jeřáb se tak celý sesunul na mostovku a následoval 25 m pád na zem (obr. 9). Při nehodě nebyl naštěstí nikdo vážně zraněn, nicméně celé staveniště bylo okamžitě uzavřeno na 2,5 měsíce.

Průběh nehody
Nehoda nastala při příčném posunu jeřábu během přípravy k výsunu na pilíř E. Náhle a bez varování selhal zádržný systém, kterým byly nosníky ukotveny k podpoře a nosníky začaly pod vlivem podélného sklonu klouzat z podpor nazad. Protože se most nachází ve směrovém v oblouku, narazily nosníky nejprve na okraj mostovky, odkud se zřítily na zem a v půlce přelomily. Nosník, podpory a veškeré vybavení jeřábu byly poškozeny neopravitelným způsobem a musely být sešrotovány. Ačkoliv byli během nehody na staveništi přítomní pracovníci zhotovitele, skončila naštěstí celá nehoda pouze lehkými zraněními a šokem.

Po nehodě následovala důkladná prohlídka nosné konstrukce a spodní stavby. Naštěstí došlo pouze k nekritickému poškození okraje komory v místech, kde nosníky jeřábu sklouzly po mostovce dolů: několik segmentů mělo vytrhané kotvy příčného předpjetí a zohýbanou betonářskou výztuž.

Zhotovitel nasadil krizový management a zaktivoval okamžitě veškeré své kapacity, aby uvedl staveniště znovu do provozu. Během jednoho měsíce bylo rozhodnuto, že pro montáž všech polí, která se nacházela mimo ochranné pásmo, bude použit mobilní jeřáb. Na velké úpravy terénu nebyl čas, takže byl zhotovitel nucen použít největší mobilní jeřáb dostupný na trhu a po mnoho měsíců hradit náklady s tím spojené.

Pro ostatní části mostu, kde nebylo použití mobilního jeřábu možné, bylo brzy zřejmé, že bude nutno najít náhradní montážní jeřáb. Výroba a dodávka dalšího, nového montážního jeřábu, šitého na míru projektu nepřipadala z časových důvodů v úvahu. Bylo tedy rozhodnuto zakoupit starší montážní jeřáb s klasickým systémem dvou podpor, který mohl být rychle dopraven na staveniště a uveden do provozu.

Nový postup montáže

Mezi největší výzvy nového montážního postupu a zařízení patřily: únosnost základů, únosnost montážní podpory, nové rozložení montážního zatížení a ovlivnění geometrie prefabrikovaných segmentů. Protože návrh nosné konstrukce i postup montáže byly optimalizovány pro původní montážní jeřáb, bylo nutno celý návrh přepočítat a přeposoudit.

Založení
Významným pozitivem 3podporového montážního jeřábu je značná redukce momentů na založení od asymetrického zatížení na vahadlo. Bylo veliké štěstí a snad i prozíravost projektanta spodní stavby, že již původní návrh nebral toto v potaz a tak bylo založení navrženo s dostatečnou rezervou pro přenos asymetrického zatížení od plného vahadla. V případě, že by tomu tak nebylo, býval by musel zhotovitel zřejmě buď sehnat nový 3podporový jeřáb, nebo hledat jiné metody výstavby.

Montážní podpěry
S novým montážním jeřábem, který neumožňoval stabilizaci vahadla, bylo nutno přebudovat celý postup montáže a přeposoudit stabilitu vahadla. Montážní svorka navržená pro použití s původním montážním jeřábem neměla dostatečnou kapacitu na montáž kompletního vahadla. Bylo tedy nutné navrhnout nový systém montážní podpory. Nejlepším řešením se ukázal návrh ocelové skruže zakotvené do pilíře, která přenášela montážní zatížení přímo na základovou patku. Návrh skruže využil modulární systém, takže bylo možné z jednotlivých dílců dosáhnout jakékoli výšky, která byla pro daný pilíř potřeba. Stejně jako montážní svorka, byla i skruž vybavena systémem pro vertikální a horizontální rektifikaci geometrie vahadla během výstavby.

Na některých pilířích byla základová patka již ukryta pod vrstvou zeminy, až několik metrů silnou. Na těchto místech nově navržené řešení sestávalo z existující montážní svorky a asymetricky umístěné jednoduché ocelové stojky (obr. 10). Montážní postup pak sestával z umístění prvních 5 párů segmentů na montážní svorce a následném přitížení ocelové stojky pomocí prefabrikátů a jeřábu. V ten moment byla ložiska na pilíři vyinjektována a montážní svorka odejmuta. Celý systém i postup montáže byly navrženy tak, aby bylo dosaženo stupně bezpečnosti proti překlopení alespoň 1,5.

Přeposouzení konstrukce
Nejmarkantnější změna oproti původním předpokladům spočívala ve změně montážního jeřábu. Nový 2podporový jeřáb byl o 10 % těžší než původní (348 tun oproti 315 tunám, nezatížený), ale ještě významnější byl rozdíl mezi maximální silou od podpory: 357 tun oproti 305 tunám v původním návrhu, tedy téměř 17% navýšení.

Řešením byla úzká spolupráce s dodavatelem jeřábu a snaha najít takové pozice pro podpory, které ještě umožnily bezproblémovou montáž krajních segmentů a zároveň významně nezvyšovaly nadpodporové momenty v nosné konstrukci.

Kapacita nosné konstrukce musela být zvýšena především v podélném směru pomocí předpínacích tyčí a maximalizací napínací síly předpínacích kabelů. V konečném součtu tak bylo možno použít v podstatě původní návrh bez větších změn. Toto bylo velmi důležité, protože v momentě, kdy došlo k nehodě prvního montážního jeřábu, bylo již mnoho prefabrikovaných segmentů vyrobeno, a mohly tak být bez komplikací použity.

Nový postup výstavby
Jelikož nedošlo k odložení data předání díla ze strany investora, byl zhotovitel nucen hledat cesty, jak výstavbu urychlit a dohnat téměř 4 měsíční zpoždění. Velká část spodní stavby již byla dokončena, a tak bylo přistoupeno k montáži segmentů na několika pilířích ve stejnou chvíli. Tento postup výrazně urychlil montáž nosné konstrukce a snížil čas potřebný na dokončení (obr. 11).

Geometrie segmentů
Zřejmě nejcitlivějším aspektem celého přeposouzení byl fakt, že mnoho segmentů Severního mostu bylo v době nehody již vyrobeno. V novém postupu výstavby se počítalo na mnoha pilířích s použitím mobilního jeřábu a i vahadla, která měla být sestavena montážním jeřábem, byla posuzována pro jiná zatížení. Jednotlivá pole byla zavírána v odlišném pořadí, na což je geometrie prefabrikovaných segmentů značně citlivá, protože při betonáži zavíracího segmentu dojde k „uzamčení“ geometrie vahadla. Navíc, přestože stavba se na 4 měsíce zastavila, mostárna dále produkovala nové segmenty, a tak byly některé kusy při montáži staré i 150 dní To bylo také nutno vzít v úvahu při novém výpočtu křivky nadvýšení.

Z výše uvedených důvodů byla celá stavba zkontrolována vahadlo po vahadlu a speciální montážní postupy byly navrženy, kde to bylo nutné. Většina rektifikace geometrie se odehrála v úrovni rotací vahadla, případně jeho celém posunu nahoru či dolů pomocí systému hydraulických lisů. Korekce byly použity i během montáže segmentů za použití malý ocelových plíšků vložených do spáry, s jejichž pomocí tak došlo k drobnému natočení krajního segment na potřebnou stranu. Dosažení finální geometrie spočívalo v úpravách tloušťky asfaltového krytu tak, aby výsledek byl perfektní.

Oprava nosné konstrukce
Při prohlídce, která následovala po nehodě montážního jeřábu, nebyly zjištěny žádné škody na spodní stavbě. Nosná konstrukce byla poškozena jen částečně a některé segmenty ztratily kotvy příčného předpětí (obr. 12). Příčné předpětí bylo navrženo pomocí monostrandů chráněných v tukovém obale, a tak bylo nutné vymyslet metodu pro znovuzavedení předpětí do konstrukce. Toho bylo dosaženo odříznutím poškozené částí segmentu, včetně kotev příčného předpětí. Předpínací lana byla nejdříve důkladně prohlédnuta a po té následovala instalace mechanické spojky, prodloužení lana, instalace nové kotvy, položení nové betonářské výztuže a betonáž. Následně mohla být předpínací lana znovu předepnuta a most byl tak uveden do původního stavu před nehodou.

ZÁVĚR

Návrh a realizace projektu Motsa je krásným důkazem důležitosti spolupráce mezi projektantem a zhotovitelem a ukazuje zřejmé výhody metody Design-Build. V klasickém a často používaném schématu Design-Bid-Build by byla takováto spolupráce těžko představitelná. V rámci metody Design-Build bylo pro zhotovitele i projektanta velmi jednoduché nastavit efektivní komunikaci a reagovat okamžitě na změny situace a přinášet dobrá řešení.

Již původní návrh mostu byl výsledkem důkladné optimalizace. Přesto bylo bez větších zásahů možné absorbovat zvýšené nároky na únosnost konstrukce z důvodů těžšího montážního jeřábu a jiného postupu montáže. I zde se ukazuje, jak důležité pro inženýra je opatrně vážit mezi dokonale vyladěným návrhem a skrytou rezervou vhodnou pro „neznámé“, které s sebou nese realita staveniště.

Redesign and Re-Sequencing of Motsa Bridge in Israel
The $170 million Road 1 Motsa Bridge near Jerusalem and Tel Aviv, Israel is part of the major highway system and is the main road into Jerusalem. It is one of the most important infrastructure projects carried out by the Ministry of Transport and Roads Company in the past several years. The project faced a major challenge due to an accident during construction that resulted in a total revision of the construction sequence.

Autor

• Ing. Potůček Jindřich