Měřicí technologie při rekonstrukci předpjatého mostu Gagarin

• Foto

ÚVOD
Za účelem prokázání dostatečné kvality materiálů mostu Gagarin byla předem provedena jeho diagnostika [1] a statická analýza. Cílem diagnostiky bylo získat data a podklady pro plánovanou rekonstrukci mostu a pro rozhodnutí, zda je smysluplné ponechat a zesílit stávající konstrukci nebo zda stávající konstrukci snést a realizovat výstavbu mostu zcela nového. Diagnostika byla doplněna základním statickým přepočtem zatížitelnosti stávající konstrukce a výpočtem zesílení, který předběžně prokázal vhodnost rekonstrukce i po statické stránce. Diagnostika mostu Gagarin prokázala dostatečnou kvalitu betonu hlavní nosné konstrukce, která byla nutným předpokladem pro další, odhadem 50leté využívání mostu a která také umožňovala realizovat zesílení konstrukce. Konstrukci bylo navrženo efektivně zesílit spřažením s novým korytem štěrkového kolejového lože a dodatečným předepnutím volnými kabely pro zatížení SW2 – tzv. Schwerwagen a tím dosáhnout zvýšení přechodnosti až na 180 % UIC. Hmotnost nového koryta se štěrkovým ložem se sice zvýšila o 50 %, ale analýza dokládala téměř dvojnásobné zmenšení průhybů vlivem významného zvýšení tuhosti hlavní nosné konstrukce. Zvýšení vlastní tíhy konstrukce bylo ovšem „daní“ za smysluplnou rekonstrukci, která by umožnila nejen zvýšení zatížitelnosti, ale také strojní čištění průběžného štěrkového lože. Její krátkodobý i dlouhodobý účinek na plně předpjatou konstrukci včetně zvýšení předpětí novými kabely vyžadovaly provést podrobná měření deformační odezvy konstrukce i spodní stavby, a to nejenom v krátkodobém, ale pokud možno i v dlouhodobém horizontu. Následná porovnání s chováním uvažovaných modelů konstrukce umožní potvrzení jejich správnosti, případně může vést ke zpřesnění návrhu rekonstrukce podobných typů železničních mostů.

Na základě zkušeností z předchozích projektů např. [2], [3] byly na konstrukci instalovány dva měřicí systémy – tenzometrický a geodetický. Technologie zesílení konstrukce byla průběžně vyhodnocována prostřednictvím tenzometrického a geodetického měřicího monitorovacího systému pro měření přetvoření a prostorových posunů již v průběhu rekonstrukce během jednotlivých fází výstavby (sledován  byl zejména vliv odtížení původním svrškem a štěrkovým ložem a následné přitížení novou konstrukcí) a dále při zatěžovací zkoušce mostu [4], [5], [6]. Ze získaných dat jsou v následujícím textu uvedeny vybrané výsledky ilustrující moderní a pokročilé možnosti průběžného sledování při náročné rekonstrukci.

Mostní konstrukce a princip její rekonstrukce
Původní konstrukce mostu Gagarin byla postavena v letech 1960 až 1961. Směrové řešení je v oblouku s poloměrem R = 450 m. Založení mostu je plošné. Jednotlivá pole jsou prostá s teoretickým rozpětím 30,00 m. Jsou sestavena ze čtyř předpjatých nosníků tvaru „I“ o výšce 2,0 m a šířce 0,96 m se stejnou šířkou přírub. Nosníky jsou sestaveny ze tří dílců. Dílce jsou spojeny dobetonovanou příčnou spárou a podélným předpětím. K podélnému předpětí bylo tehdy užito 30 kabelů z usměrněných patentovaných drátů Ø P 4,5 mm. Podélné spáry mezi nosníky byly zabetonovány a všechny čtyři nosníky byly příčně tuze spojeny (zmonolitněny) příčnými předpínacími kabely procházejícími dolní a horní přírubou. Stávající mostní svršek se štěrkovým ložem z hlediska šířkových a výškových parametrů v dnešní době již nevyhovoval a to zejména pro technologii průběžného strojního čištění.

Zesílení konstrukce mostu Gagarin bylo vyvoláno plánovanou potřebou celkové rekonstrukce z důvodu jeho modernizace s cílem převedení vlaků UIC a také nového zatížení uvedeného v evropské normě pod zkratkou SW2. Původní předpjatá konstrukce byla zesílena spřaženou deskou ve tvaru koryta s průběžným štěrkovým ložem a dodatečným předpětím volnými kabely. Součástí sanace spodní stavby byla oprava a nové osazení ložisek. Statický výpočet předpokládal výstavbu zesilující konstrukce na původní nosné konstrukci po odstranění všech stávajících vrstev svršku až na horní povrch nosníků. Betonáž nového koryta štěrkového lože probíhala bez podepření nosníků a tíha čerstvého betonu byla přenášena původní, po snesení svršku odlehčenou, nosnou konstrukcí. Vliv zvětšené vlastní tíhy byl následně zmenšen dodatečným předpětím volnými kabely. Následovalo zabetonování kotevních oblastí, ošetření kotev původních, zhotovení štěrkového lože a koleje. Stav po rekonstrukci mostu je na obr. 1.

Tenzometrický měřicí systém
Most byl sledován v celém průběhu rekonstrukce tenzometrickým systémem, který je tvořen soustavou 36 strunových tenzometrů pro trvalé měření. Strunové tenzometry byly zabudovány pro zvýšení spolehlivosti získaných údajů do dvou mostních polí. Tenzometry byly osazeny jednak na povrch původních betonových nosníků a dále do betonu nového spřaženého železobetonového koryta. Na obr. 2 je uvedeno schéma umístění tenzometrů v příčném řezu mostu. Detail osazení tenzometrů na ocelové výztuži je na obr. 3. Pomocí měřicí ústředny (obr. 4) byly získané údaje průběžně zaznamenány a dálkovým přenosem dat prostřednictvím sítě GSM přenášeny do laboratoře k vyhodnocení. Změny přetvoření jsou strunovými tenzometry měřeny v jednotkách frekvence kmitání struny [Hz], které se početně převádějí na výsledné hodnoty v délkové míře v mikrometrech [μm]. Součástí strunových tenzometrů je i snímač teploty umožňující měření teploty v jednotkách stupňů Celsia [°C]. Měřená data byla registrována v intervalu 20 minut. Vybudovaný tenzometrický systém byl využíván pro měření v průběhu rekonstrukce i při ověřovací zatěžovací zkoušce. Po uvedení do provozu bude nadále sloužit k několikaletému monitorování chování zesílené konstrukce za provozu, což bude umožňovat získání dlouhodobých dat pro její analýzu a následnou interpretaci poznatků.

Měření napínací síly v předpínacích kabelech
V průběhu rekonstrukce i během dlouhodobého sledování bylo a nadále je prováděno rovněž měření předpínací síly v kabelech s využitím magnetoelastických snímačů instalovaných na sledovaných předpínacích kabelech (obr. 5). Snímače jsou založeny na principu měření magnetického toku v jednotkách miliWeber [mWb]. Při předpínání kabelů v místě kotevní oblasti (obr. 6) byla měřena změna magnetického toku, která je prostřednictvím kalibrační křivky (obr. 7) přepočítávána na sílu v kiloNewtonech [kN].

Geodetický měřicí systém
Geodetický systém je tvořen soustavou vhodně rozmístěných měřických značek osazených na sledované konstrukci, vztažnou soustavou, použitými měřicími přístroji a technologií měření. Změna stavu konstrukce se projevuje změnou její geometrie a měření malých změn geometrických parametrů je p rávě těžištěm geodetického měřícího systému. Na rozdíl od tenzometrického systému, který je jednou pevně zabudován dovnitř konstrukce („navždy stejně“), geodetický měřicí systém tím, že většina jeho součástí není zabudovaných do konstrukce, umožňuje modifikovatelnost a přizpůsobení se daným podmínkám a potřebám monitoringu konstrukce. Důležitým aspektem geodetického systému je počet a rozmístění měřických značek na „konstrukci – objektová soustava“ – která je vždy navrhována společně se specialisty (projektantem, statikem stavebních konstrukcí, stavebním technologem aj.). Objektová soustava měřických značek pevně spojená se stavební konstrukcí je sledována od vztažné soustavy měřických značek, která není součástí stavební konstrukce a je vybudována mimo její předpokládanou deformační zónu. Geodeticky naměřené hodnoty od vztažné soustavy jsou z tohoto pohledu hodnotami absolutními. Výhodou výsledků získaných z geodetických dat je možnost vyhodnocovat prostorové geometrické vztahy na konstrukci v absolutních i ve volitelně relativních souvislostech dílčích konkrétních konstrukčních částí. Na obr. 8 je znázorněno rozmístění měřických značek na mostovce.

Pro účel sledování byly vyvinuty speciální elektronické měřické značky typu „světelný bod“ na bezdrátové dálkové ovládání, které jsou určeny pro měření ve dne i v noci. S nočním měřením je třeba počítat především při ověřovací zatěžovací zkoušce z důvodu snížení vlivu oslunění a teplotních změn na konstrukci.

Na obr. 9 je znázorněno rozmístění měřických značek na spodní stavbě. Detail měřické značky se světelným bodem je na obr. 10, detail měřické (nivelační) značky na podpěře spodní stavby je na obr. 11.

Hodnoty svislých změn spodní stavby byly očekávány v intervalu několika desetin milimetru až 1 milimetr. Z toho důvodu byly měřeny technologií velmi přesné nivelace s využitím přesného elektronického nivelačního systému Leica DNA03 nivelační latí s invarovou kódovou stupnicí určenou pro přesná průmyslová měření (obr. 12). Svislé posuny byly měřeny od stabilizovaných bodů vztažné soustavy stabilizovaných mimo deformační zónu stavby. Rozlišovací schopnost použitého měřicího nivelačního přístroje je 0,01 mm. Směrodatná odchylka nivelačního měření převýšení činila ±0,03 až ±0,05 mm na 30 m vzdálenosti měřických značek. Signifikantní změny na spodní stavbě v rámci celé sledované části konstrukce s pravděpodobností P = 0,95 (rozšířená nejistota) bylo možné interpretovat již od hodnot svislých změn větších než ±0,1 až ±0,2 mm.

Očekávané hodnoty průhybu středů sledovaných mostních polí se předpokládaly v intervalu několika desetin až několika milimetrů v závislosti na stavu konstrukce v konkrétní etapě její rekonstrukce.

Průhyby středů mostních polí byly měřeny na vnějších nosnících nosné konstrukce mostovky. Průhyby středů mostních polí byly měřeny technologií přesné trigonometrie s využitím elektronické totální stanice Topcon GTS-300 (obr. 14 a obr. 13) a měřických značek typu světelný bod (obr. 10). Schéma rozmístění geodetických měřických značek v řezu je obr. 14. Průhyb byl určován relativně od podpor z rozdílu převýšení měřických značek vypočtených z měřených zenitových úhlů měřených v jednotkách miliGon [mGon] a prostorových délek měřených v jednotkách metrů [m]. Úhly byly měřeny metodou v laboratorní jednotce s přesností ±0,5 mGon, což odpovídá přesnosti ±0,24 mm v prostorové poloze na 30 m vzdálenosti měřící stanice od měřeného místa. Signifikantní změny průhybu mostního pole s pravděpodobností P = 0,95 (rozšířená nejistota) bylo možno interpretovat již od hodnot svislých změn větších než ±0,5 až ±0,7 mm.

Průběžné sledování mostní konstrukce během její rekonstrukce
Cílem sledování mostní konstrukce během její rekonstrukce bylo ověření vlivu původní tíhy kolejového svršku na hlavní nosnou konstrukci, ověření vlivu zvětšené tíhy nového koryta a kolejového svršku na hlavní nosnou konstrukci a potvrzení vlivu dodatečného předpětí. Průběžně byly tenzometricky měřeny hodnoty přetvoření v nosné konstrukci, v dílčích etapách byly geodeticky měřeny svislé posuny mostních podpor a průhyby středů mostních polí. Na obr. 15 je na časové ose ukázka vyhodnocení vývoje průhybů středu mostního pole v průběhu dílčích etap rekonstrukce. Průhyby jsou vyhodnoceny od základního (výchozího) stavu – před rekonstrukcí (E0).

Hodnota průhybu +9,4 mm (nahoru) ve stavu E1 vyjadřuje změnu stavu nosné konstrukce po odbourání původního kolejového svršku, koryta a římsy až na úroveň nosné konstrukce, která tím byla odlehčena. Změna průhybu o +1 mm ve stavu v E2 oproti stavu E1 (celkově +10,4 mm od E0) vyjadřuje stav konstrukce těsně před betonáží. Změna průhybu je výsledkem manipulace s nosnou konstrukcí (nadzvednutí nosné konstrukce z ložisek a jejího opětovného uložení do původního stavu) a jejího částečného mírného předepnutí před betonáží. Relativní změna průhybu o –5 mm (pokles vůči E2) ve stavu E3 vyjadřuje účinek přitížení nosné konstrukce novým betonovým korytem s římsou a vliv předpětí. Nosná konstrukce je v této fázi ve středu mostního pole stále nadvýšená oproti původnímu výchozímu stavu (E0) o +5,4 mm. Ve stavu E4 je nosná konstrukce již v cílovém stavu po přitížení novým kolejovým ložem, tedy ve stavu těsně před ověřovací zatěžovací zkouškou a uvedením do provozu. Průhyb středu mostního pole se změnil vůči předchozímu stavu E3 o hodnotu –7,5 mm, přičemž výsledný průhyb činil –2,1 mm (pokles) od výchozího stavu E0. Výsledný stav po rekonstrukci korespondoval s teoretickým statickým modelem.

Ověřovací zatěžovací zkouška
Cílem sledování mostu v průběhu ověřovací zatěžovací zkoušky bylo potvrzení efektu zesílení konstrukce dodatečným předepnutím a spřažením a dále ověření rezervy v hlavní nosné konstrukci. Ověřovací zatěžovací zkouška vycházela ze zásad ČSN 73 6209 a ČSN 73 2030. Tenzometricky byla měřena přetvoření v nosné konstrukci. Geodeticky bylo měřeno zatlačení mostních podpor do podloží v dílčích zatěžovacích stavech (očekávané hodnoty – max. desetiny milimetru), stlačení ložisek (očekávané hodnoty – desetiny milimetru až max. milimetr), průhyb os dílčích nosníků nosné konstrukce ve středu mostních polí (očekávané hodnoty – milimetry). Zatížení mostního pole bylo vyvoláno břemenem tárovacího vozu o hmotnosti 120 tun (obr. 16). Průhyb dílčích nosníků ve středu mostního pole a stlačení ložisek bylo měřeno geodeticky velmi přesnou nivelací s rozšířenou nejistotou ±0,12 mm (pravděpodobnost P = 0,95, riziko nesprávného závěru a = 5 %). Naměřené hodnoty průhybu středů mostních polí činily 3,7 mm, stlačení ložisek činilo max. do 0,5 mm. Naměřené hodnoty korespondovaly s očekávanými, malé hodnoty stlačení prokázaly dobrou kvalitu rekonstrukce.

Naměřené skutečné hodnoty přetvoření v nosné konstrukci v dílčích zatěžovacích stavech bylo možné v reálném čase on-line sledovat a optimálně řídit průběh ověřovací zatěžovací zkoušky zejména z hlediska skutečné doby potřebné pro dotvarování konstrukce a stanovení optimálních časových intervalů pro geodetická měření. Na obr. 17 je ilustrativně znázorněn graf průběhu tenzometricky naměřených přetvoření v dílčích zatěžovacích stavech. Pro ověření odezvy konstrukce bylo měření v dílčích zatěžovacích stavech provedeno opakovaně dvakrát.

Na obr. 18 je uvedena ukázka vyhodnocení nerovnoměrnosti stlačení ložisek v řezu nosnou konstrukcí při zatížení mostního pole břemenem tárovacího vozu 120 tun v zatěžovacím stavu ZS1. Stlačení ložisek bylo měřeno geodeticky velmi přesnou nivelací s rozšířenou nejistotou ±0,12 mm (pravděpodobnost P = 0,95, riziko nesprávného závěru a = 5 %). Hodnoty stlačení ložisek korespondovaly s očekávanými a relativně malé hodnoty prokázaly dobrou kvalitu jejich rekonstrukce.

Dlouhodobé sledování mostní konstrukce
Dlouhodobé sledování mostní konstrukce zahrnuje průběžné snímání hodnot strunových tenzometrů ve volitelně (i dálkově) nastavitelném časovém intervalu měřící ústřednou DataTaker DT85 vybavenou modemem pro přístup do sítě GSM, vnějším bateriovým zdrojem se solárním dobíjením. Obslužný komunikační program umožňuje spojení během předem plánovaných relací, kdy lze ověřit dálkově z pracoviště obsluhy (FAST VUT v Brně) stav všech parametrů ústředny, jejího napájení, aktuální data tenzometrických snímačů a lze provádět dálkový přenos naměřeného souboru údajů. Neméně důležitým efektem je také pouhé ověření skutečnosti, že systém je funkční a že není nutný osobní servisní zásah. Jako prevenci před vandalizmem bylo nutno osadit ústřednu na příčník mostního pilíře ve výšce cca 8 m (obr. 4), což se osvědčilo a to i za cenu ztíženého přístupu pro vlastní servisní zásahy
(nutnost stavby lešení nebo použití vysokozdvižné plošiny). Měření sil a jejich změn ve vybraných přepínacích lanech probíhají pouze v předem naplánovaných etapách podobně jako dlouhodobé geodetické sledování. Na obr. 19 je uvedena ukázka vývoje změn napětí horního povrchu původní betonové konstrukce na její levé a pravé straně v průběhu roku. Očekává se, že roční periodické teplotní vlivy budou moci být spolehlivě vyloučeny po tří- až čtyřletém sledování konstrukce.

Závěr
Realizovaný měřicí systém konstrukce splnil cíle a umožnil zachytit, číselně zdokumentovat a interpretovat všechny důležité fáze rekonstrukce, především míru vlivu tíhy původního koryta s kolejovým svrškem na hlavní nosnou konstrukci, míru vlivu manipulací s nosnou konstrukcí před betonáží nového koryta, stav zpětného uložení nosné konstrukce na renovovaná ložiska, míru vlivu zvětšené tíhy nového koryta na hlavní nosnou konstrukci, míru vlivu přitížení nosné konstrukce novým kolejovým svrškem, a míru vlivu přitížení břemenem
120 t při ověřovací zatěžovací zkoušce.

Konstrukce předpjatého mostu z roku 1961 byla zesílena a zatížitelnost byla zvýšena na 180 % vlaku UIC. Rozšířená mostovka umožňuje automatizovanou údržbu železničního svršku, její vlastní hmotnost je zvětšená o 50 % vzhledem k původní hmotnosti mostovky. Přitom bylo dosaženo významného ztužení hlavní nosné konstrukce a pružné průhyby při srovnatelném zatížení klesly na 60 % původních hodnot. Vybalancováním zvětšené tíhy nové mostovky dodatečným předepnutím kabely se dosáhlo dalšího trvání tlakové rezervy v betonu nosníků. Cena rekonstrukce byla cca 50 mil. Kč oproti ceně nového mostu cca 150 mil. Kč. Ukazuje se, že původní plně předpjaté železniční mosty je možné efektivně rekonstruovat a zesílit.

Realizovaný měřicí systém umožňuje dlouhodobé několikaleté sledování konstrukce, přičemž takto získaná data budou sloužit pro detailní analýzu chování a vlastností zesílené konstrukce. Dlouhodobý monitoring hraje významnou roli z hlediska výzkumu a verifikace modelů chování stavebních konstrukcí a působí jako zpětná informační vazba o skutečném statickém chování konstrukce, přičemž výsledky lze využívat zejména pro vývoj nových stavebních konstrukcí stejného nebo podobného typu.

Tento příspěvek byl zpracován za podpory výzkumného záměru MSM 0021630519.

RECENZE/REVIEW
Příspěvek popisuje výjimečné sledování rekonstrukce železničního mostu z roku 1960, tedy zesílení a rozšíření předpjaté konstrukce po více než 50 letech. Vyvinutý měřicí systém umožnil měření již v etapě odlehčování původní konstrukce, při vlastní rekonstrukci a také již déle než rok úspěšné dlouhodobé sledování s dálkovým řízením a přenosem dat. Významné je sledování nejen hlavní nosné konstrukce, ale i spodní stavby včetně měření jejího dlouhodobého sedání. Technologii popsanou v článku lze doporučit pro sledování dalších neobvyklých a rozsáhlých mostních staveb a všude tam, kde je vhodné ověření shody návrhu a skutečného chování konstrukce.

doc. Ing. Zdeněk Bažant, CSc.,
bazant.z@fce.vutbr.cz,
Fakulta stavební
VUT v Brně

LITERATURA:
[1] Klusáček, L.: Železniční most Gagarin v km 5,872 trati Český Těšín – Ostrava Kunčice. Diagnostika mostu. KL-projekt, Brno, 2008
[2] Teršel, M.; Klusáček, L.: Závěry z tenzometrického měření Jezernického viaduktu. Konference ŽELEZNIČNÍ MOSTY A TUNELY, Praha, 2004
[3] Klusáček, L.; Pěnčík, J.; Bureš, J.; Vitula, A.: Měření přetvoření kleneb železničního viaduktu. Příspěvek na konferenci Experiment 04, ISBN 80-7204-354-4, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., Brno, 2004
[4] Klusáček, L.; Bureš, J.; Nečas, R.: Železniční most Gagarin v km 5,872 trati Český Těšín – Ostrava Kunčice. Sledování mostu v průběhu rekonstrukce. Souhrnná zpráva HS12938003, VUT v Brně, Fakulta stavební, 2009
[5] Klusáček, L.; Bureš, J.; Nečas, R.: Železniční most Gagarin v km 5,872 trati Český Těšín – Ostrava Kunčice. Ověřovací zatěžovací zkouška. Závěrečná zpráva HS12938003, VUT v Brně, Fakulta stavební, 2009
[6] Klusáček, L.; Bureš, J.; Nečas, R.: Průběžné tenzometrické a geodetické sledování rekonstrukce železničního mostu Gagarin v km 5,872 na trati Český Těšín – Ostrava Kunčice, příspěvek na konferenci Železniční mosty a tunely, SUDOP Praha a.s., Praha, 2011

Measuring Technology During Reconstruction Prestressed Gagarin Bridge
The paper presents the strain-gauge and geodetic monitoring during reconstruction of the prestressed railway bridge construction Gagarin with five spans, commissioned in 1961. The original prestressed construction was reinforced by composite slab-shaped channel with a continuous gravel ballast and free additional prestressing cables. Components of rehabilitation of the substructure were repairs and installation of the new bearings. The construction has been monitored during the single reconstruction stages, including the last phase – verification loading test.

Autoři

• Doc. Ing. Klusáček Ladislav CSc.
• Ing. Bureš Jiří Ph.D.
• Ing. Nečas Radim Ph.D.