Přepočet železničního mostu v km 41,791 trati Tábor – Písek, Červená nad Vltavou

• Foto

Hlavním cílem projektu bylo stanovení zatížitelnosti a posouzení přechodnosti stávající konstrukce. Dále pak na základě výsledků přepočtu navrhnout způsob opravy ocelové konstrukce pro dosažení požadované přechodnosti.

Při přepočtu je využita Příloha F metodického pokynu, která umožňuje nastavit úroveň spolehlivosti dle stáří mostu a předpokladu jeho zbytkové životnosti. Na základě těchto veličin se stanovily hodnoty dílčích součinitelů zatížení a materiálu.

Součástí projektu na statický přepočet bylo zejména:

• ověření rozměrů ocelové konstrukce a spodní stavby (globální zaměření, lokální oměření průřezu),
• vyhotovení výkresů (stávajícího stavu) nosné ocelové konstrukce a spodní stavby,
• podrobná prohlídka ocelové nosné konstrukce mostu se stanovením korozních úbytků prvků OK,
• zkoušky vzorků oceli (mechanické zkoušky, metalografické zkoušky, chemické složení),
• podrobná prohlídka kamenného zdiva opěr a pilířů (nadvodní části),
• vlastní zpracování statického přepočtu (určení zatížitelnosti, posouzení přechodnosti),
• provedení statické a dynamické ověřovací zatěžovací zkoušky (ověření reálného chování),
• návrh konstrukčních a stavebních úprav na mostním objektu.

POPIS STÁVAJÍCÍHO STAVU
Stávající železniční jednokolejná mostní konstrukce o pěti mostních otvorech má celkovou délku mostu 284,20 m. Mostní konstrukce je tvořena v prvním a pátém mostním otvoru kamennou klenbovou konstrukcí a v druhém až čtvrtém otvoru ocelovou příhradovou konstrukcí.

Klenba v otvoru 1 je polokruhová tloušťky 0,7 m se světlostí otvoru 6,0 m. Vlastní kamenná klenba je z tesaných kamenů. Klenba v otvoru 5 je obdobné konstrukční úpravy se světlostí otvoru 8,0 m. Křídla opěr jsou rovnoběžná kamenná s římsou z kamenných bloků.

V poli 2, 3 a 4 je příhradová nýtovaná ocelová konstrukce rombické soustavy se svislicemi s mezilehlou mostovkou. Rozpětí polí je 84,40 + 84,40 + 84,40 m = 253,2 m. Ve středním poli jsou vloženy dva klouby tzn., že konstrukce působí jako staticky určitá tzv. „Gerberův nosník“ viz obr. 2. Krajní nosníky jsou s převislými konci s vyložením 3 × 8,44 = 25,32 m. Vložené pole má rozpětí 4 × 8,44 m = 33,76 m. Délka příhrad je po délce konstrukce shodná 8,44 m. Mezilehlé svislice jsou v polovině příhrady zapojené do styčníku křížení diagonál. Příhradová konstrukce je vytvořena celkem z 3 × 10 = 30 příhrad.

Horní pás je „Pí“ průřez složený s plechů a úhelníků základní výšky 0,529 m. Dolní pás je tvořen dvojicí obrácených T profilů. Svislice jsou z I profilů v dolní části příhradových a v horní části plnostěnných. Vložené pole je v místě horního a dolního pásu uloženo kluzně v podélném a svislém směru a pevně v příčném směru. Pohyb je vymezen prostřednictvím kluzných desek.

Nadpodporové svislice a svislice v místě vloženého kloubu jsou příhradové vícestěnné uzavřené obdélníkové průřezy. Průřez svislice vloženého pole je vytvořen do kříže + ze čtveřice průběžných úhelníků. Svislice vloženého pole je uložena v cca polovině výšky na tangenciálních ložiskách (pevných u P2 a podélně pohyblivých u P3). Svislice je od horního pásu k ložisku tlačená a od ložiska k dolnímu pásu tažená. Stabilizace svislice v rovině nosníku je pomocí vodorovného prutu (táhla/vzpěry) vedeného od svislice do styčníku křížení diagonál.

Průřezy diagonál jsou většinou z H příhradového nebo plnostěnného profilu. Diagonály ve středech polí, kde dochází ke střídání tlaku a tahu, jsou z uzavřených obdélníkových příhradových průřezů.

Mostovka je mezilehlá prvková tvořená podélníky a příčníky. Výška horního pásu nad TK je cca 1,2 m. Podélníky výšky 0,6 m jsou plnostěnné nýtované I profily v osové vzdálenosti 1,8 m. Podélníky působí jako spojité průběžné. Příčníky jsou příhradové výšky 1,6 m. Příčníky podpírají podélníky ve vzdálenosti 4,22 m a jsou přes styčníkové plechy připojeny ke svislicím a mezilehlým svislicím.

Mezilehlá mostovka přináší značné konstrukční nevýhody a výrazně omezuje prostorovou průchodnost mostní konstrukce. Návrh mezilehlé mostovky byl patrně dán architektonickým záměrem konstruktérů mostu.

Ocelová konstrukce je ztužena pouze v úrovni dolního pásu vodorovným ztužením z dvojice úhelníků (křížový členěný prut). Příčný řez je ztužen příčným příhradovým diagonálním ztužením a dolním příhradovým příčníkem výšky 0,42 m.

Spodní stavba je kamenná. Opěry a krajní pilíře P1 a P4 navazují na klenbové konstrukce krajních otvorů. Pilíře P1 a P4 vytváří zároveň závěrnou zeď pro nosnou konstrukci v hlavním poli.

Pilíře P2 a P3 jsou obdélníkového průřezu celkové výšky 59,5 m. V hlavě je šířka 7,90 m a délka 5,0 m. Dřík pilíře se lineárně rozšiřuje směrem k patě pilíře. V polovině výšky jsou základní rozměry dříku šířka 10,750 m a délka 7,850 m. Do této výšky byla provedena přizdívka kamenným zdivem tl. 0,95 m jako ochrana před účinky vody z Vodní nádrže Orlík. Zdivo pilíře P2 a pilíře P3 je z nepravidelného lomového kamene. Založení spodní stavby je na skalním podloží vltavských břehů.

Z hlediska postupu montáže se jednalo o první letmou montáž ocelové konstrukce v Čechách (českých zemích). Konstrukce mostu se montovala symetricky od opěr směrem ke středu. Krajní pole se montovala klasicky na dřevěné skruži. Konzoly a vložené pole se montovaly pomocí derikového jeřábu letmo. Most byl dokončen v říjnu 1889 a stal se druhou nejvyšší mostní stavbou v Rakousku. Jeho výška ode dna Vltavy k úrovni kolejí je ~69,5 m.

DOKUMENTACE ROZMĚRŮ MOSTNÍ KONSTRUKCE
S ohledem na absenci archivní dokumentace a značnou členitost konstrukce byla využita technologie 3D laserového zaměření v kombinaci s klasickými metodami dálkoměrného zaměřování. Hlavní výhodou použité technologie zaměření mostní konstrukce byly scany nepřístupných bodů ocelové konstrukce a spodní stavby, terénu (vegetace odfiltrována) přímo v globálních souřadnicích S‑JTSK.

Lokální oměření průřezů bylo provedeno pomocí posuvných měřítek za pomoci horolezecké techniky. Na základě oměření rozměrů průřezů, rozměrů styčníkových plechů a polohy nýtů byly zkonstruovány detaily ocelové konstrukce. Následně byly do 3D scanů (mračen bodů) vkládány připravené části OK s cílem stanovit jejich prostorovou polohu tak, aby odpovídala zaměření tzn., aby se jednotlivé hrany prvků kryly s mračnem bodů. Výsledkem bylo detailní osové schéma všech prvků ocelové konstrukce, které bylo základním podkladem pro výpočetní model. Z těchto podkladů byly vyhotoveny přehledné výkresy stávajícího stavu mostní konstrukce a podrobných výkresů OK.

Vlastní hmotnost ocelové konstrukce byla nezávisle stanovena pomocí prostorového 3D tělesového modelu celé konstrukce mostu, který byl konstruován při vytváření výkresu stávajícího stavu. V grafickém programu byly modelovány veškeré detaily včetně styčníkových plechů. Při modelování byly průběžně řešeny veškeré prostorové kolize, což zajišťovalo správnost modelovaného konstrukčního detailu a veškerých jeho návazností.

Celková hmotnost ocelové nosné konstrukce byla stanovena virtuálním měřením na 866,7 t. Hmotnost revizních lávek a podlahových plechů činí 97,1 t. Celková hmotnost modelovaných částí ocelové konstrukce dle 3D statickém výpočetního modelu je 678 t (pro objemovou tíhu oceli 7 850 kg.m^–3). Poměr modelované části ve statickém výpočetním programu a skutečné hmotnosti ocelové nosné konstrukce je ~1,28. Z hodnoty poměru hmotností je zřejmé, že nezanedbatelnou část vlastní hmotnosti OK tvoří její staticky nemodelované části tzn. styčníkové plechy, příhradové spojky členěných prutů, příčná diafragma prutů apod. Při uvážení očekávané přechodnosti mostní konstrukce tvoří vlastní tíha nezanedbatelnou část zatížení hlavního nosného systému. Z tohoto důvodu bylo nezbytné podrobné zpracování podrobného 3D tělesového modelu vlastní hmotnosti ocelové konstrukce.

MATERIÁLOVÉ ZKOUŠKY VZORKŮ OCELOVÉ NOSNÉ KONSTRUKCE
Pro ověření materiálových charakteristik ocelové konstrukce byly odebrány vzorky. Hlavním cílem zkoušek bylo zejména ověření výrobního postupu oceli tzn., zda se skutečně jedná o plávkovou ocel, protože pro mosty obdobného stáří se v Čechách používala svářková ocel (do roku 1895 až 1904).

Pro pokrytí možných odchylek materiálu různých částí ocelové konstrukce byly odebírány vzorky z plechu hlavního nosníku, z válcovaného profilu vodorovného ztužení (úhelník), ploché oceli výplňového prutu členěných prutů a nýtu.

Na vzorcích byly provedeny tyto základní druhy zkoušek: 

• zkoušky mechanické (tahem a rázem v ohybu vč. pracovních diagramů a modulu pružnosti E
• zkoušky metalografické (mikrostruktura) chemická analýza oceli

Z materiálových zkoušek vzorků oceli bylo zjištěno, že mez kluzu odpovídá charakteristickým hodnotám dle Metodického pokynu pro plávkovou ocel tzn. mez kluzu = 230 MPa a mez pevnosti f = 360 MPa. Naměřená mez kluzu u hlavních nosných částí byla od 248 MPa do 326 MPa a hodnoty pevnosti oceli od 359 MPa do 392 MPa. U nýtu byla dosažena mez kluzu f = 210 MPa.

Při zkouškách byla dosažena vysoká tažnost od 35% do 50%. Vlastnosti oceli v příčném směru a podélném směru se výrazně neliší, což je typickým znakem plávkové oceli. Modul pružnosti E byl naměřen od 192 GPa do 211 GPa, což je v průměru o cca 5% měně než u dnešních ocelí.

Z hodnot uhlíkového ekvivalentu 0,11 až 0,13 vyplývá nízký obsah legujících prvků, což odpovídá nelegované konstrukční oceli. Srovnání s dnes vyráběnou ocelí by bylo možné s ocelí S235JR.

PODROBNÁ PROHLÍDKA MOSTNÍ KONSTRUKCE
Korozní oslabení prvků ocelové konstrukce bylo dokumentováno pomocí tzv. Karet prvku. Jde o systém dokumentace korozního oslabení prvků, kdy je konstrukce rozdělena do skupin prvků. Jednotlivé prvky tak mají jednoznačné označení. Pro identifikaci polohy vady je dále použito lokální staničení prvku, které je relativní vůči délce prvku od 0 na začátku do 1 na konci prvku. V rámci prvku byly vady označovány pořadovým číslem. Pro popis vady bylo použito jednoznačné kódové označení W.X.Y.Z, kde W označuje Typ prvku (1. Svislice, 2. Styčníky dolního pásu, … 8. Horní pás, 9. Dolní pás …), X – Číslo příhrady (1 až 30), Y – Strana OK (1 – vlevo, 2 – vpravo), Z – Číslo vady v příčném řezu (1 Až 999). Fotodokumentace vad má shodné kódové označení. Takto bude možné vady sledovat při dalších prohlídkách. Pro přehlednost bylo korozní oslabení graficky vyneseno do osového schéma celé nosné konstrukce. Vyznačena byla délka poškození na prutu a šířka pak vyjadřovala rozsah poškození. Zobrazeny jsou pouze poruchy a poškození, která mají vliv na únosnost prutů tzn. staticky významné.

Při podrobné prohlídce byly zjištěny závažné poruchy, které jsou limitující pro zbytkovou životnost mostní konstrukce. Zejména se jedná o detail v místě připojení příhradové spojky členěného prutu mezi dvojici krčních úhelníků. V úzkém prostoru štěrbiny mezi krčními úhelníky se usazuje nečistota a stálou vlhkostí dochází k prokorodování celých přírub krčních úhelníků nebo výraznému koroznímu úbytku. Z hlediska možnosti opravy se jedná o neopravitelnou poruchu, kterou lze vyřešit pouze výměnou celého prvku. V čase se bude koroze těchto poruch zhoršovat. Z hlediska únosnosti jsou zjištěné poruchy významné a výrazně snižují únosnost prutů, která se bude rozvojem koroze dále snižovat. Při prohlídce byl zjištěn velký rozsah těchto poruch. Týká se prakticky všech pilířových svislic a převážně všech tažených diagonál. V mnohých případech bylo korozní poškození kryto silnou vrstvou nátěru, který byl však v místě poruchy na poklep dutý a pomocí kladívka bylo možné zkorodovanou přírubu krčního úhelníku zcela odstranit. Výměna všech těchto postižených prvků ve zjištěném rozsahu by v podstatě odpovídala výrobě repliky celé nosné ocelové konstrukce.

Dalším prvkem, který je výrazněji oslaben korozí jsou podélníky, kde dochází ve styčné spáře v uložení na horní pásnici příčníku ke korozním úbytkům krčních úhelníků. Poruchu lze opravit pouze výměnou podélníků.

Na spodní stavbě nebyly zjištěny staticky významné poruchy. Ze zaměření spodní stavby nevyplývají žádné deformace. Z těchto zjištěných skutečností lze usuzovat, že založení spodní stavby spolehlivě přenáší zatížení do skalního podloží.

STATICKÁ A DYNAMICKÁ OVĚŘOVACÍ ZATĚŽOVACÍ ZKOUŠKA
Statická a dynamická zkouška byla provedena dle odsouhlaseného programu. Podklady pro provedení zkoušek byly zpracovány v rámci statického přepočtu. Provedení zkoušky zajišťovala ČVUT v Praze, Fakulta stavební. Nezávislé kontrolní měření deformací technologii radarové interferometrie zajišťovala firma Vintegra, s. r. o. Výsledky zkoušek byly následně použity pro verifikaci výpočetních modelů s experimentálně zjištěnými hodnotami měřených veličin. Účelem bylo ověření účinků stávající dopravy na mostě tzn. ověření provozuschopnosti trati a dále ověření shody měřených veličin stanovených na výpočetním modelu mostu.

Při statické zatěžovací zkoušce bylo měřeno:

• svislý průhyb v místě max. průhybu a Gerberových kloubů (levý horní pás hlavního nosníku),
• normálové napětí na vybraných prvcích mostní konstrukce (horní pásy L/P ve středech rozpětí,
• tlačená krajní diagonála L/P, 2. příčník a příčník v místě Gerberova kloubu).

Při dynamické zatěžovací zkoušce bude měřeno:

• Odezva konstrukce na dynamické zatížení přejezdy zkušebního zatížení:
  • zrychlení svislé deformace uz a příčné deformace uy ve středu rozpětí a místě Gerberova kloubu,
  • normálové napětí na vybraných prvcích mostní konstrukce shodně se statickou zkouškou.

Jako zkušební zatížení bylo použito hnací vozidlo řady 751 (Bardotka) o hmotnosti 75 t. Současný provoz je zajišťován motorovou soupravou vozů 814‑914 (Regionova) o hmotnosti 40 t až 55 t, případně s doplněním o motorový vůz 810 nebo motorovou jednotkou 814‑014‑814 Regionova TRIO.

Statická zatěžovací zkouška ukázala obdobné chování výpočetního modelu a reálné konstrukce, a to i přes ovlivnění deformací extrémním nárůstem teploty vzduchu v průběhu zkoušky od 18 do 29 °C. Zjištěná normálová napětí odpovídaly výsledkům modelu. Drobné odchylky mohly být způsobeny vlivem lokálního napětí v místě tenzometru.

Dynamická zatěžovací zkouška ukázala značné hodnoty zrychlení. Překročení kritéria pohody „přijatelná“, tj. 2 m.s^–2 je o cca 50 %. Toto lze označit na hranici akceptovatelnosti, s ohledem na charakter provozu dopravy a stáří konstrukce. Dynamická zkouška byla z důvodu vodorovného kmitání ukončena při rychlosti přejezdu hnacího vozidla 50 km.h^–1. Pro hlavní nosný systém byl vliv dynamických účinků poměrně nízký a dynamický součinitel 1,05 lze považovat za přiměřený.

Vlastní tvary a frekvence se po aktualizaci modelu a úpravě metody výpočtu na iteraci podprostoru dostaly do souladu s chováním konstrukce.

Účinky brzdných sil na napětí příčníků odpovídají výsledkům modelu a působící brzdné síle 135 kN.

Z výsledků nezávislého měření pomocí radarové interferometrie vyplývá také dobrá shoda předpokladů s experimentem.

VÝPOČETNÍ MODEL
Celá ocelová část mostní konstrukce byla modelována ve statickém mostním software MIDAS 2015 v2.2. Pro výpočet vnitřních sil globálního systému konstrukce byl vytvořen 3D prutový výpočtový model. Z důvodu přehlednosti výsledků a kapacity výpočetního softwaru byl základní model rozdělen na 2 modelové typy: 

1. globální statika nosné konstrukce (obálky pohyblivého zatížení; celkové kombinace zatížení),
2. analýza konstrukce (generované stavy od pohyblivého zatížení (stabilitní výpočet – vzpěrné délky prutů, nelineární výpočet – vliv II. řádu (imperfektní model), dynamický výpočet – vlastní tvary a frekvence)

Základem modelu je osové schéma konstrukce mostu dané systémovými osami, které bylo stanoveno při dokumentaci rozměrů stávající konstrukce. Průřezy jsou k osám připojeny s excentricitou dle skutečné polohy jejich těžiště, což je důležité pro stanovení odpovídajících přídavných („parazitních“) sil ΔMy a ΔMz ve styčníku. Součástí výpočetního modelu jsou i prvky železničního svršku z kolejnic a mostnic. Tyto prvky jsou modelovány tak, aby bylo zatížení roznášeno do podélníků a zároveň nespolupůsobily s globálním systémem.

Model mostní konstrukce obsahuje řadu vnitřních kloubů a nehmotných tuhých vazeb tak, aby bylo dosaženo správného působení. Tuhosti vnitřních kloubů mostovkové části byly upravovány na základě výsledků měření při ověřovací statické zkoušce mostní konstrukce.

Pro stanovení podélných a rotačních koncových tuhostí byl použit specializovaný program IDEA StatiCa modul Connection, který pracuje na principech nové metody CBFEM (component based finite element model). Tuhosti byly stanoveny na detailních modelech styčníků, kde počet nýtů odpovídal reálnému styčníku.

Vzhledem k tomu, že je model vytvořen z prutových prvků s celistvým průřezem bylo nutné uvážit vliv změny tuhosti u prutů, které jsou tvořeny složenými průřezy členěných prutů. K tomuto účelu byly vytvořeny porovnávací modely v programu SCIA ENGINEER 2008.1.

Pomocí vnitřních součinitelů tuhosti pak byly ve výpočetním modelu prutům přiřazeny koncové tuhosti v připojení ve styčníku a ekvivalentní tuhosti členěného prutu po celé jejich délce.

ZÁVĚRY ZE STATICKÉHO PŘEPOČTU
Na základě výsledků z podrobné analýzy provedené v rámci statického výpočtu a výsledků z ověřovací statické a dynamické zkoušky byly u mostní konstrukce železničního mostu zjištěny konstrukční nedostatky, které zásadním způsobem ovlivňují chování ocelové konstrukce. Tyto nedostatky jsou dány poznáním a možnostmi v době jejího vzniku 1889 a lze je označit jako „vrozené vady“. V mnoha případech není jejích úprava konstrukčně vůbec možná. Zejména se jedná o absenci brzdného ztužení, nedostatečnou prostorovou tuhostí (nízká tuhost v kroucení) a konstrukční řešení členěných prutů. Dalšími konstrukčními nedostatky, které prakticky znemožňují účelný návrh konstrukčních úprav mostní konstrukce, jsou mezilehlá mostovka a statické řešení konstrukce mostu s vloženým polem.

Pro stanovení zatížitelnosti byly použity charakteristické kombinace zatížení dle ČSN EN 1990/A1 dle požadavků Metodickém pokynu. Součinitele spolehlivosti zatížení a materiálu byly použity pro stáří konstrukce > 90 let a zbytkovou životnost 5 let.

Aplikací normou požadovaného zatížení bylo zjištěno, že konstrukce není schopná přenášet současná normová zatížení, zejména zatížení větrem a brzdnými silami, která vyvozují enormní přídavná napětí v posuzovaných prvcích, což je dáno zejména absencí ztužidel, které by přenášely zatížení do globálního systému. Hodnoty zatížitelnosti prvků ocelové konstrukce se pohybovaly od –0,66 u příčného ztužení do 0,60 u horního pásu hlavního nosníku. Při záporné hodnotě zatížitelnosti konstrukce není přechodná žádným standardním schématem traťové třídy.

Dle požadavků ČSN EN 1990/A1 byl dále prověřen mezního stavu statické rovnováhy (EQU) při vzájemně působícím vodorovným zatížením větrem a svislým zatížením schématem „nezatíženého vlaku“. Při této kombinaci již vznikaly v ložiscích tahové reakce, tzn., že daný mezní stav nevyhovuje.

Po dohodě s objednatelem, bylo rozhodnuto, že bude globální stabilit a přechodnost posouzena pro specifickou délku vlaku tzn. délkově omezené schéma traťové třídy dle ČSN EN 15 528.

Z hlediska přechodnosti je kritickým prvkem ocelové konstrukce koncový příčník, jehož horní pás je namáhán převážně vodorovným ohybovým momentem od brzdných sil a zatížení větrem. Koncový příčník je přechodný traťovou třídou B1 při rychlosti 30 km.h^–1 s omezením délky na 30 m.

Mostní konstrukce je dále přechodná motorovou jednotkou TRIO, motorovou soupravou REGIONOVA + motorový vůz 810 a jednoduše hnacími vozy řady 749 a 754 (čtyřnápravový vůz 18 t/nápr.)

Dalším limitujícím prvkem jsou svislice, které jsou přechodné traťovou třídou B1 při rychlosti 30 km.h^–1 s omezením délky na tři vozy tzn. 45 m. Zatížení svislice je ve vazbě na příčník, který je do svislice připojen přes styčníkový plech. Zesílení svislice a tím zvýšení přechodnosti však není prakticky možné z důvodu konstrukčního řešení styčníku příčník/svislice. Účelné omezení namáhání svislice by bylo možné pouze doplnění vodorovného ztužení v úrovni mostovky, které však z důvodu mezilehlé mostovky nelze konstrukčně vytvořit. Jakákoli snaha o zvýšení přechodnosti svislic by znamenala rozsáhlý zásah, který nebude adekvátní svému výsledku.

S ohledem na stavební stav ocelové konstrukce a po vyhodnocení možnosti konstrukčních úprav jsou navrhovány jen opravy lokálního charakteru bez obnovy nátěrového systému. Zachování provozuschopnosti na trati je podmíněno realizováním výměny ocelové konstrukce s komplexní sanací spodní stavby v horizontu 5 let.

Recalculation of the Railway Bridge in km 41.791 of Tábor – Písek, Červená nad Vltavou Track
The subject of the project was the recalculation of the existing bridge in line with new principles defined by the Methodical Instructions for Specification the Load‑carrying Capacity of Railway Bridges in D Category, drawing from the set of applicable standards ČSN EN 1990 to 1996 and ČSN ISO 13 822.

Autoři

• Ing. Vlasák Martin
• Ing. Bartaloš Jan