Přínos prefabrikace pro ekonomická a efektivní řešení mostních konstrukcí

• Foto

Článek se v této souvislosti zaměřuje pouze na jednu oblast celé problematiky, a to na zhodnocení přínosu prefabrikace pro ekonomické řešení návrhu a výstavby mostních konstrukcí. Využití prefabrikace lze zjednodušeně rozdělit na dvě oblasti, a to na využití typových nebo systémových prvků a na využití prefabrikace ve formě speciálních prefabrikovaných dílců navržených pouze pro konkrétní mostní objekt. Článek se věnuje především první oblasti – využití systémových prvků, tj. dle dřívější terminologie typových prvků.

VÝVOJ V OBLASTI PREFABRIKACE
Historie prefabrikace je prakticky stejně dlouhá jako historie betonu. Od prvních kroků došlo díky výzkumu, technickému vývoji a zavedením moderních technologických postupů k výraznému zvýšení užitkové hodnoty prefabrikovaných konstrukcí. Začátky širšího rozvoje prefabrikace jsou spojeny s obnovou a rozvojem infrastruktury po 2. světové válce, kdy bylo třeba ve velmi krátké době vybudovat stovky mostních konstrukcí, bytových a průmyslových staveb. Postupem času došlo k podstatnému vývoji názorů a technologických postupů. Změna přístupu vycházela zejména ze zkušeností s prvními aplikacemi prefabrikovaných prvků a zejména s využitím prefabrikovaných předpjatých prvků. Rozhodující změna ve využívání prefabrikace souvisela s myšlenkou využívání spřažených prefabrikovaných konstrukcí. Tento typ konstrukcí využívá kladných vlastností obou technologií, tj. jak výhody prefabrikace (rychlá výstavba, kontrola jakosti dílců před montáží, využití prvků z vysokohodnotného betonu, odstranění nutnosti používání pomocných skruží apod.), tak i výhody monolitických betonových konstrukcí (zajištění dokonalého spojení jednotlivých dílců, vytvoření kvalitního podkladu pro izolační souvrství apod.) V současnosti se vývoj prefabrikovaných konstrukcí ubírá směrem k využívání robustních prvků, odstraňují se subtilní detaily a rovněž v případě monolitických částí konstrukce se preferují masivnější monolitické prvky. Cílem všech těchto opatření je zvýšit užitkovou hodnotu těchto konstrukcí, zvýšit životnost a trvanlivost a omezit náklady na údržbu konstrukcí v průběhu životnosti konstrukce.

Je ale potřebné zdůraznit, že se tyto změny netýkají pouze oblasti prefabrikace, ale jde o snahu týkající se všech železobetonových a předpjatých konstrukcí. Typickým příkladem je výrazné zvýšení krytí výztuže. Dnes jsou požadovány několikanásobky původních hodnot. Dopad na konstrukce a na návrh je zásadní.

Na jedné straně tato opatření vhodně provedená vedou k zvýšení životnosti, na druhé straně je nutno pečlivě řešit otázku ekonomie návrhu, výstavby a celkové koncepce.

Problém starších typů prefabrikovaných konstrukcí nespočíval většinou v jejich statickém řešení nebo nedostatečné únosnosti jednotlivých částí konstrukce. Problém byl především v používání subtilních monolitických spojů, kde nebylo možno dosáhnout potřebné pevnosti a požadovaných vlastností betonu a v absenci spřažené desky, která by vytvořila dokonalý podklad pro izolační souvrství. Další kapitolou byla samozřejmě kvalita dokončovacích prací na stavbách, kvalita použitých materiálů a koncepce uspořádání mostního vybavení. Vady těchto částí konstrukcí pak následně vedly k postupné devastaci a k celkovému znehodnocení mostních konstrukcí.

Příkladem je most u obce Kbel (obr. 1) na rychlostní komunikaci na Mladou Boleslav. Prefabrikované nosníky byly narušeny slanou vodou vnikající do konstrukce. Z podrobné diagnostiky je patrné, že ani nízké krytí odpovídající tehdejší době a ani další již zastaralé návrhové parametry by nevedly ke znehodnocení nosníků a bez závad v izolaci a odvodnění by konstrukce mohla sloužit ještě dlouhou dobu. Po zhodnocení narušení betonu bylo rozhodnuto o výměně celé nosné konstrukce.

PŘÍKLADY VYUŽITÍ PREFABRIKACE V ZAHRANIČÍ 
V řadě zemí je použití prefabrikovaných mostních konstrukcí silně rozšířeno. Můžeme jmenovat Holandsko, Belgii, Itálii, Španělsko, UK a zejména USA a Kanadu, kde prefabrikované mosty tvoří až 50 % trhu. Naopak v Německu, Francii a např. Kanadě tvoří prefabrikované mosty do 20 % podílu na trhu. Obecně lze říci, že v obdobích silného ekonomického růstu se buduje větší množství prefabrikovaných konstrukcí, v období stagnace naopak méně.

Výstavba konstrukcí z předpjatých nosníků má dlouholetou historii. První aplikace se objevily již těsně před 2. světovou válkou v Německu, rozvoj nastal během války v UK, kdy bylo třeba rychle nahrazovat poškozené konstrukce. Od té doby se používání nosníků rozšířilo prakticky po celém světě. Doménou prefabrikovaných mostů byly nejprve mosty o malém rozpětí a konstrukce, které bylo nutno v poválečném období rychle vybudovat. To se týkalo zejména Evropy. S postupem času se rozpětí zvyšovalo z původního maxima okolo 35 m až na rozpětí kolem 50 m.

Při návrhu a výstavbě prefabrikovaných mostních konstrukcí se projevila v jednotlivých zemích odlišnost přístupu techniků k řešení některé problematiky, které vycházejí z místních podmínek, historického vývoje, požadavků na vnější vzhled, funkčnosti a životnosti.

V tomto ohledu je zajímavý přístup k řešení, který je ovlivněn vnějším ekonomickým prostředím v jednotlivých zemích a snahou o dosažení vysoké konkurenceschopnosti. Tento aspekt je vždy nutno korigovat zejména s ohledem na společenskou poptávku v tom kterém regionu, která je opět dána historickým vývojem, požadavky na vzhled, funkčnost, platné technické předpisy atd. Z těchto důvodů bude v dalším textu vidět mírně odlišný přístup k řešení problematiky v různých zemích. Zejména se to týká požadavků na životnost a vzhled konstrukce, nicméně základní principy řešení jsou si velmi podobné a liší se jen v drobných detailech.

Francie
Škála používaných konstrukcí je poměrně široká a pro rozpětí od 20 do 45 m jsou nejčastěji používány nosníky tvaru T a I s profilovanou vylehčenou stěnou a komorové uzavřené nosníky se spřaženou deskou. Preferuje se minimální počet nosníků v příčném řezu, konstrukce se navrhují jako spojité. Z estetických důvodů se minimalizuje počet ložisek v příčném řezu. Z významných aplikací jsou to např. i příjezdové rampy mostu v Saint Nazaire přes Loire (obr. 2). Celkem 52 polí po 50,7 m.

Německo
První příklady využívání předpjatého betonu se objevují již před 2. světovou válkou v roce 1938. Na obrázcích 4 a 5 můžeme vidět mostní konstrukci, která se velmi blíží dnešnímu řešení, a je na svoji dobu vzniku velmi moderní a nadčasová. Důkazem je i to, že po 68 letech je konstrukce bez vad a stále v provozu.

V současné době v Německu platí poměrně přísná pravidla, za kterých lze používat prefabrikované konstrukce u mostních objektů. Tato pravidla pro federální dálnice vznikla v roce 1993. Z těchto pravidel uvádíme některé nejdůležitější údaje.

• Rozpětí do 35 m,
• Šikmost ne menší než 36°,
• Poloměr zatáčky u vícepolových mostů větší než 500 m,
• Nepoužívat pro větší mosty přes údolí a řeky,
• Konstrukce musí mít na prefabrikovaných prvcích vždy monolitickou spřaženou desku,
• U vícepolových mostů musí být zajištěna spojitost v podélném směru,
• Nepoužívat příčné předpětí pro ztužidla a hlavy pilířů,
• Minimalizovat počet ložisek,
• Používat tvar příčného řezu T, nikoli I. Na přírubách nosníků I zůstává ležet ptačí trus,
• Minimalizovat počet dilatačních závěrů,
• Budovat oddělené konstrukce pro každý jízdní směr,
• Mosty vždy s izolací a ochranou izolace,
• Z estetických důvodů jsou preferovány zapuštěné příčníky, které nevyčnívají pod spodní líc nosníků,
• Je preferováno vnější předpětí,
• Konstrukce navrhovat tak, aby byly snadno kontrolovatelné.

Tyto zásady ovlivnily návrh mostů z podélných prefabrikátů. V současné době je zhruba 15 % moderních mostů budováno z podélných prefabrikátů. Z výše uvedených důvodů se používají hlavně nosníky tvaru T. Dále uvádíme některé příklady (obr. 6 – 9).

USA
Jednou ze zemí, kde je prefabrikace při stavbě mostních konstrukcí široce využívána, jsou Spojené státy americké. Pro výstavby jsou zde často využívány nosníky, které jsou určeny pro rozpětí až 50 m. Vzhledem k silnému tlaku na rychlost výstavby a její ekonomii jsou nosníky optimalizovány. Tato snaha v některých případech vede k potlačení estetiky a mosty jsou navrhovány ryze účelově.

Konstrukce jsou navrhovány ze štíhlých nosníků, hmotnost dílců pro rozpětí 45 až 50 m se pohybuje kolem 80 až 90 t. Konstrukce se navrhují jako předem předpjaté nebo jako hybridní, tedy s kombinací předpínání předem a dodatečného dopínání.

Budují se konstrukce jak prosté, tak i konstrukce spojité. Při výrobě nosníků se navrhují i náběhy ve spodních pásnicích. U spojitých konstrukcí se provádí spojování jednotlivých předem vyrobených nosníků nebo jejich částí nejen v oblastech nad vnitřními podporami, ale spojování je prováděno i pomocí širokých monolitických dodatečně betonovaných spár v polích v oblastech nulových momentů.

Kanada
Vývoj je velmi podobný jako u sousedních Spojených států amerických. Používají se nosníky se štíhlými stěnami a výškou až 2,30 m a pro rozpětí až do 50 m.

Velká Británie
Ve Spojeném království se prefabrikované konstrukce používají pro menší rozpětí (běžně do 30 m). Mosty většího rozpětí jsou z betonových prefabrikátů budovány omezeně. Preferuje se používání předem předpjatého betonu. Běžně se používají komorové prefabrikáty a nosníky obráceného tvaru T. Prefabrikované nosníky se začaly používat v průběhu 2. světové války a v 50. a 60. letech se přistoupilo k typizaci nejprve u nosníků pro menší a posléze i pro větší rozpětí.

Ostatní státy
V zemích jižní Evropy je prefabrikace velmi rozšířená. Kromě klasických nosníků tvaru T a I jsou zde s oblibou používány i prefabrikované nosníky s uzavřeným komorovým průřezem. Tyto konstrukce mají oproti klasickým nosníkům řadu statických a konstrukčních výhod, avšak konstrukce z nich postavené mají velké množství relativně malých a na kontrolu obtížných uzavřených dutin. Tento trend je opačný ve srovnání s Německem, Českou republikou a Slovenskem, kde se prefabrikáty s nekontrolovatelnými dutinami přestaly právě z důvodů nemožné revize vyrábět již na začátku 90. let 20. století. Silně rozšířená je prefabrikace i v Holandsku a severských zemích, zejména ve Finsku.

Z příkladů je vidět, že i ve vyspělých zemích je používání prefabrikace pro mostní konstrukce velmi časté. Nezřídka se jedná i o objekty pohledově exponované, přesto je vidět, že lze tento typ konstrukcí navrhnout s přijatelným vnějším vzhledem, aby celkový návrh byl po technické, estetické a finanční stránce považován za vyhovující.

Příklady využití prefabrikace v ČR
Podmínky pro systémovou typovou výrobu autoři vidí především u standardních, často se opakujících konstrukcí. Optimální jsou např. nosníky T93 nebo systémy pro malé přesypané mosty (např. TOM2). U velkých objektů je vhodné optimalizovat celkový návrh pro konkrétní objekt i za cenu větších změn prefabrikátů, atypických řešení apod.

LEGISLATIVA
Současná legislativa přináší pro výrobce prefabrikátů mnoho povinností. Výrobce musí mít vypracován systém řízení kvality, certifikaci, pravidelný dozor, pravidelné inspekce výroby betonu a další. Splnění požadavků legislativy je nejenom časově náročné, ale i velmi finančně nákladné.

To by mělo pro výrobce přinést jednodušší postup při uplatnění určitého výrobku pro konkrétní stavbu, samozřejmě při dodržení všech požadavků. Zjednodušeně řečeno, výrobek, který by splnil všechna kritéria, by nemusel procházet dalším schvalovacím procesem a dalšími zkouškami pro konkrétní objekt (při standardním využití).

ZÁVĚR
Ve světě je systém prefabrikovaných mostních konstrukcí velmi rozšířen. Mezi jeho hlavní výhody patří zejména vysoká efektivita z hlediska spotřeby stavebních hmot a úspornost z hlediska vynaložených finančních prostředků. Obě tyto výhody se navzájem doplňují. Jedná se především o standardní mostní konstrukce, které nejsou extrémně pohledově exponovány. Z uvedených příkladů je vidět, že je možno s využitím prefabrikovaných dílců budovat i konstrukce pohledově a esteticky velmi zdařilé, které snesou srovnání s monolitickými mostními konstrukcemi. Dalšího snížení nákladů je možno dosáhnout využitím opakovaných „systémových“ dílců.

Výhody tohoto řešení jsou následující:

• redukce nákladů na návrh,
• redukce nákladů na přípravu,
• zjednodušení údržby,
• zjednodušení legislativy a schvalování výrobků pro konkrétní objekt,
• redukce nákladů.

Všechny ostatní obecně známé výhody prefabrikace (nezávislost na klimatických podmínkách, rychlost výstavby, možnost dokonalé kontroly jakosti před montáží atd.) platí pochopitelně i v tomto případě.

Článek byl prezentován na konferenci MOSTY 2011, jejímž mediálním partnerem je časopis SILNICE ŽELEZNICE.

Precast Bridge Structures as an Economic and Effective Option
Using prefabrication in bridge engineering has long history. The article describes historical and actual aspects of prefabrication, with emphasis on current requirements on economy, durability and aesthetics.

Autoři

• Ing. Němec Pavel
• Ing. Klimeš Petr
• Ing. Duška Jan
• Ing. Komanec Jan