Optimalizace návrhu a úprav mostů z hlediska celoživotních nákladů

• Foto

STÁVAJÍCÍ STAV A VARIANTY ŘEŠENÍ
Stávající mostní objekt má nosnou konstrukci o třech prostě uložených polích rozpětí 9,60 + 10,23 + 9,77 m. Nosnou konstrukci tvoří prefabrikované železobetonové nosníky Hájek o výšce průřezu 0,5 m. Šířka mostu v poli č. 2 a 3 je cca 9,8 m, šířka mostu v poli č. 1 je proměnná od 9,8 do cca 16,2 m. V prvním poli jsou proto nosníky uloženy vějířovitě, zatímco ve druhém a třetím poli jsou nosníky uloženy rovnoběžně. Na nosnících je vrstva spádového betonu tl. cca 0,06 až 0,40 m. Pohled na stávající most je na obr. 1.

Mostní objekt vykazuje řadu závad, k nimž patří především poškozená vodotěsná izolace a s tím související zatékání do konstrukce, degradovaný beton nosné konstrukce, spodní stavby i vybavení (říms), výluhy pojiva a krápníky na podhledu nosné konstrukce a zkorodovaná betonářská výztuž nosné konstrukce, spodní stavby i vybavení.

Pro řešení vzniklé situace byly navrženy následující variantní přístupy:

• oprava a zesílení stávající konstrukce,
• výstavba nové konstrukce: monolitická železobetonová spojitá deska,
• výstavba nové konstrukce: monolitický předpjatý dvoutrám,
• výstavba nové konstrukce: přesypaná železobetonová klenba.

Oprava a zesílení konstrukce zde byly navrženy v poměrně značném rozsahu a výsledkem je prakticky „maximální možná“ cena za opravu – jedná se o ohraničení ceny opravy „shora“ (podrobné varianty úpravy a zesílení stávající konstrukce v závislosti na požadovaných parametrech – zejména šířkovém uspořádání a zatížitelnosti – se v současné době dále rozpracovávají). Proto je tato varianta poměrně nákladná a patří k nejdražším z těch, které byly posuzovány. To však v žádném případě neznamená, že by nemělo smysl stávající konstrukce opravovat a zesilovat – pouze je nutno nalézt optimální rozsah těchto opatření (včetně požadované zatížitelnosti objektu) a jejich vhodné načasování. V popisované variantě se předpokládalo především odstranění stávajícího mostního svršku a vybavení, demontáž prefabrikovaných nosníků, odbourání a úprava horní části spodní stavby pro osazení ložisek, sanace povrchu spodní stavby, osazení nových elastomerových ložisek, sanace povrchu prefabrikovaných nosníků a vlepení spřahovací výztuže do vrtů v jejich horním povrchu, zpětné osazení prefabrikovaných nosníků, betonáž monolitických částí nosné konstrukce – nadpodporových příčníků a spřažené železobetonové desky, realizace nového mostního svršku a mostního vybavení.

Opravená konstrukce byla posouzena pro zatížení odpovídající skupině pozemních komunikací 1 podle ČSN EN 1991-2 Zatížení mostů. Protože takto uvažované pohyblivé zatížení má větší účinnost než zatížení uvažované při návrhu objektu a protože i šířka vozovky na mostě byla zvětšena, bylo nutno konstrukci zesílit pomocí spolupůsobící spřažené železobetonové desky, která byla rovněž využita pro změnu statického působení nosné konstrukce z řady prostých nosníků na spojitý nosník. Pro zvýšení účinnosti spřaženého průřezu bylo nutno předpokládat podepření nosníků během betonáže desky (tzv. betonáž na lešení). Zatím nebylo provedeno obdobné posouzení spodní stavby, které bude ještě nutné provést v následujícím období.

V další variantě se předpokládala kompletní náhrada stávajícího mostu novým objektem s monolitickou železobetonovou deskovou nosnou konstrukcí. Navržená konstrukce je spojitá a má tři pole o rozpětí 9,78 + 10,23 + 9,97 m. Deska je lokálně podepřena na mezilehlých podpěrách, které tvoří rámové stojky vetknuté do konstrukce. Na koncových opěrách se předpokládá uložení desky na elastomerová ložiska. Podélný řez navrženou konstrukcí je na obr. 2, příčný řez v místě opěry A (s největší šířkou mostu) je na obr. 3.

Ve třetí variantě je stávající objekt nahrazen objektem s monolitickou dvoutrámovou nosnou konstrukcí o jednom poli rozpětí 31,652 m. Nosná konstrukce je prostě uložená, z dodatečně předpjatého betonu a je uložena na čtyři vyztužená, směrově vedená elastomerová ložiska. Podélný řez je na obr. 4, půdorys je na obr. 5. V poslední dosud posouzené variantě je stávající mostní objekt nahrazen novou železobetonovanou přesypanou konstrukcí o světlé šířce 10,5 m. Podélný řez konstrukce je na obr. 6, půdorys je na obr. 7.

EKONOMICKÉ VYHODNOCENÍ
Pro stanovení nákladů na údržbu a opravy mostního objektu byla tato činnost rozdělena do dvou základních částí – běžná údržba (stavební i nestavební) a velké opravy, u kterých předpokládáme opakování vždy po 33 letech (tzn. dvakrát za stoletou životnost objektu). V rámci velké opravy, kromě varianty přesypané konstrukce, se předpokládala především výměna mostního svršku a mostního vybavení, výměna ložisek a mostních závěrů, oprava povrchu betonových konstrukcí (nosné konstrukce a spodní stavby) a obnova úprav pod mostem (dlažby apod.). Oprava povrchu betonových konstrukcí se uvažovala ve dvou dalších možných variantách – v první se předpokládalo odstranění povrchové vrstvy betonu v tloušťce 5 mm tlakovou vodou a oprava sanačními materiály (dále uvedeno jako „plná oprava“), zatímco ve druhé variantě se předpokládalo pouze očištění povrchu tlakovou vodou a nanesení ochranného nátěru na beton (dále uvedeno jako „redukovaná oprava“). Zpřesnění nutného rozsahu opravy povrchu betonových konstrukcí bude předmětem dalšího zkoumání.

Zásadní součástí „velké opravy“ přesypané konstrukce je obnova vodotěsné izolace. Ta je uvažována rovněž ve dvou dalších variantách – v první variantě se předpokládá kompletní odtěžení nadnásypu, výměna izolace a obnovení tělesa komunikace (dále „plná oprava“). Ve druhé variantě se předpokládá odtěžení pouze povrchové vrstvy nadnásypu a provedení tzv. plovoucí hydroizolace, uložené na vrstvě zhutněné zeminy v relativně malé hloubce pod vozovkou (dále „redukovaná oprava“).

V rámci ekonomického porovnání variant byly sestaveny výkazy výměr a rozpočty pro stanovení počátečních nákladů, nákladů na velké opravy a nákladů na odstranění objektů po uplynutí doby jejich životnosti. Běžná údržba byla každoročně uvažována částkou odpovídající 0,5 % počátečních nákladů. Celková životnost konstrukcí byla uvažována 100 let, včetně varianty „oprava a zesílení“ (vzhledem k poměrně značnému rozsahu opravy; stanovení zbytkové životnosti objektu bude však dále zpřesňováno). Náklady byly stanoveny v cenové úrovni druhé poloviny roku 2010. Zahrnují DPH ve výši 20 % i náklady na umístění stavby ve výši 5 % ze ZRN. Výsledné celoživotní náklady pro jednotlivé varianty řešení jsou uvedeny v tabulce 1 a 2 a v grafech na obr. 8 a 9. V tabulce 1 je uveden přehled dílčích nákladů stanovených pro jednotlivé varianty a jednotlivá opatření, zatímco v tabulce 2 je uvedeno porovnání celkových „celoživotních“ nákladů podle posuzovaných variant.

Údaje v tabulkách se liší podle toho, zda obsahují i náklady na odstranění původní konstrukce před zahájením výstavby nového objektu (tato demolice by správně měla být přičtena k celoživotním nákladům původní konstrukce) a závisejí také na skutečnosti, zda obsahují plnou nebo redukovanou verzi velké opravy.

U přesypané klenuté konstrukce se redukovaná velká oprava uvažuje vždy, protože plná verze je v daném případě neefektivní a nebylo s ní dále počítáno (v případě započítání plné velké opravy by celoživotní náklady na přesypanou konstrukci byly ze všech posuzovaných variant nejvyšší).

Tabulka 1 – Přehled dílčích nákladů [tisíce Kč]

Tabulka 2 – Přehled celoživotních nákladů podle variant [tisíce Kč]

ZÁVĚR
Na přípravě posuzovaných variant a jejich vyhodnocení spolupracovali studenti Stavební fakulty ČVUT v Praze, a to Jan Bednář, Tomáš Havlík, Jakub Heřman, Martin Hulan, Viktor Chobot, Jaroslav Kukrecht, Milan Petřík, Vojtěch Sedmidubský, Jan Studený, Jan Vávra, Jana Vlachová a Jan Vrbata. Na základě provedeného srovnání lze konstatovat:

• pořizovací náklady tvořily ve všech posuzovaných případech pouze menší část celoživotních nákladů; převažující část nákladů životního cyklu tvořily náklady na údržbu a opravy konstrukcí,
• ve všech posuzovaných případech vykazuje nejnižší náklady životního cyklu varianta přestavby stávajícího objektu na přesypanou železobetonovou klenbu,
• cena „velké opravy“ bude ovlivněna rovněž náklady na uložení odpadů na skládkách, náklady z titulu omezení dopravní obslužnosti území apod. Přestože tyto faktory mají výrazně lokální charakter, lze obecně říci, že i z tohoto hlediska budou výhodnější varianty, při jejichž opravách a přestavbách vzniká méně odpadů a které vyžadují kratší dobu dopravních omezení.

Tento článek vznikl za finančního přispění MŠMT ČR, projekt 1M6840770001, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS a v rámci řešení výzkumného projektu č. SGS10/023/OHK1/1T/11, podporovaného ČVUT v Praze a výzkumného projektu č. 103/09/2059, podporovaného Grantovou agenturou ČR.

Článek je mírně rozšířenou verzí příspěvku, který byl prezentován na konferenci MOSTY 2011, jejímž mediálním partnerem je časopis SILNICE ŽELEZNICE.

RECENZE
Článek je velmi zajímavý a přináší důležité informace pro investora, který se často musí rozhodovat mezi variantami v článku popisovanými. Přesto by bylo zajímavé zabývat se i dalším činitelem, kterým je doba rekonstrukce. Ta je zejména na hlavních silničních tazích velmi potřebná a délka uzavírky může zásadně ovlivnit náklady uživatelů silnic.

Ing. Vladimír Brejcha, FEng.,
brejcha@smp.cz,
SMP CZ, a. s.

Optimalisation of bridge structures and their modifications from the point of view of whole-life costs
In the Czech Republic, there are currently about 16 500 bridges at roads and motorways, other bridges are located in municipalities and on railways. Maintenance, repairs and reconstructions of such a number of bridges are technically as well as financially very difficult. Total costs needed for bridges during their whole service life time are composed of initial costs, costs for maintenance and inspections and finally costs for removing of the structure. From this point of view, it is very important to use optimal bridge structures as well as optimal building measures in optimal time to achieve optimal technical state of the structures with minimum whole-life costs.

Autoři

• prof. Ing. Kohoutková Alena CSc., FEng.
• Prof. Ing. Křístek Vladimír DrSc., dr.h.c., FEng.
• Doc. Ing. Kolísko Jiří Ph.D.
• Ing. Šafář Roman Ph.D.
• Doc. Ing. Beran Václav DrSc.
• Ing. Brožová Lucie Ph.D.
• Ing. Střelcová Iveta
• Ing. Schneiderová-Heraldová Renáta Ph.D.
• Ing. Huňka Petr