Zděné klenby železničních mostů

Ačkoliv již nejsme tak často svědky výstavby nových zděných mostů, tvoří stávající zděné mosty na železnici cca 30 % všech evropských, železničních mostů. V České republice je to 35 %, v Německu okolo 27 %, ve Francii 43 %. Pokud nebudeme hovořit pouze o mostech, ale o mostních objektech a do statistik zahrneme i propustky, můžeme hovořit až o 60 % mostních objektů provozovaných v rámci železniční infrastruktury Evropy. Jen pro zajímavost, v Portugalsku tvoří zděné mostní objekty 89,8 % všech mostních objektů na železnici, ve Francii 76,8 %.

V České republice je situace poněkud odlišná. Při započítání propustků do statistiky, procentuální zastoupení zděných mostů na železnici klesne na cca 19 %. Přesto je zřejmé, že hovoříme o typu objektů, které mají stále velký význam pro železniční provoz. A které již prokázaly svou značnou životaschopnost. Bylo by zřejmě velmi zajímavé pokusit se o srovnávací analýzu nákladů životního cyklu jednotlivých typů mostních konstrukcí. Možná bychom s jistým překvapením začali uvažovat o renesanci zděných mostů alespoň v určitém spektru rozpětí klenbových konstrukcí. Konec konců zdící prvky v pozemním stavitelství do dneška nikdo nezatracuje.

Věnujme se ještě chvíli suché statistice. Podle průzkumu UIC (Mezinárodní železniční unie) jsou zděné, železniční mosty z 85 % tvořeny jedním mostním polem, z 5 % dvěma poli, z cca 4 % třemi poli; zbytek mostů je tvořen více jak třemi mostními poli. Tato statistika je již zatížena mnoha chybami včetně metodologických chyb, ale pro základní orientaci může být užitečná. Stejně tak zajímavé je rozložení konstrukcí z hlediska délky rozpětí. Ze zděných mostních objektů tvoří 60 % objekty s rozpětím do 2 m; dle našich zvyklostí označované za propustky. Do kategorie rozpětí od 2 do 5 m spadá cca 20 % objektů; do kategorie 5 až 10 m cca 11 % objektů. Zbytek něco málo pod 10 % tvoří objekty s rozpětím větším jak 10 m.

Z hlediska stáří přesahuje 80 % zděných, železničních mostních objektů stáří 100 let. Mladší než 50 let jsou pouhé 3,5 % objektů. 85 % objektů je v rámci hodnocení příslušných správců infrastruktury označováno za dobré; pouze 1 % objektů se nachází ve vážném, nevyhovujícím stavebním stavu. Toto jedno procento ovšem tvoří, v rámci celkového počtu, tisíce konstrukcí (včetně propustků).

Uvedené statistiky snad dokladují, že zabývat se zděnými mosty má svůj význam. Tyto objekty již prokázaly svou životnost a z dnes preferovaného pohledu návrhové životnosti 100 let ve velkém počtu tuto hodnotu překračují. Při správné péči, údržbě, případně dalších stavebních zásazích, lze jejich užívání dále prodloužit.

PROJEKT UIC - MASONRY ARCH BRIDGES
Předchozí text představuje, mimo jiné, jakousi sumarizaci důvodů, které vedly Mezinárodní železniční unii (UIC) k otevření projektu Masonry Arch Bridges (MAB), masivní klenbové mosty. Projekt, jehož stěžejní části byly realizovány v letech 2003 – 2007, se zabýval zděnými klenbovými mosty železniční infrastruktury, jejich diagnostikou, dohlédací činností, hodnocením, přepočty a údržbou. V rámci projektu bylo zpracováno velké množství materiálů, které jsou k dispozici pro interní potřebu železničních organizací, participujících na projektu. V letech 2008 až 2009 probíhaly práce na přípravě stěžejního výstupu projektu, jímž je UIC CODE 778‑3 Recommendations for the inspection, assessment and maintenance of masonry arch bridges (Doporučení pro kontrolu, hodnocení a údržbu zděných klenbových mostů). Tento dokument byl vydán tiskem v dubnu roku 2011. Je poskytován ze strany UIC za úhradu a tvoří v současné době zřejmě nejaktuálnější materiál, který se snaží komplexně postihnout problematiku mostních kleneb v rámci provozované železniční infrastruktury. Stručnou informaci o uvedené směrnici UIC se pokusím prezentovat v následující části textu.

Směrnice obsahuje šest kapitol a čtyři přílohy:

1. Introduction – Úvod
2. The structure and behaviour of masonry arch bridges
   – Konstrukce a chování zděných mostních kleneb
3. Examination, monitoring and condition appraisal
   – Průzkum, sledování a hodnocení stavu
4. Assessment of masonry arch bridges
   – Posuzování zděných mostních kleneb
5. Maintenance and repair of masonry arch bridges
   – Údržba a opravy zděných mostních kleneb
6. Subjects that require further research and development
   – Oblasti vyžadující další výzkum a vývoj

• Appendix A – Comparison of methods of analysis
  – Porovnání metod analýzy
• Appendix B – Specific masonry arch bridge assessment methods
  – Konkrétní metody hodnocení zděných mostních kleneb
• Appendix C – Determination of masonry properties
  – Stanovení vlastností zdiva
• Appendix D – Determination of soil properties
  – Stanovení vlastností zemin

CHOVÁNÍ ZDĚNÝCH MOSTNÍCH KLENEB
Jak již bylo řečeno, klenby železničních mostů patří mezi nejstarší konstrukce mostů, které v masivním počtu stále provozuje většina evropských, ale i mimoevropských železnic. S ohledem na svůj charakter vykazují velkou životnost, kterou můžeme dále prodloužit při pečlivé péči o tyto objekty. Podmínkou této péče je poznání, jakým způsobem tyto konstrukce přenášejí externí zatížení, tedy znalost jejich chování.

Porozumění způsobu, jakým mostní klenba reaguje na proces zatěžování, je zásadní pro celý proces jejího hodnocení. I u konstrukčně relativně jednoduché mostní klenby dochází k poměrně složitému chování v závislosti na způsobu jejího zatěžování. Citlivost (reakce, odezva) se mění s tím, jak se mění (roste) zatížení mostu. Běžné provozní zatížení, které nedosahuje mezí únosnosti konstrukce, způsobuje zcela rozdílné efekty než zatížení na hranici únosnosti.

Klíčem k pochopení klenbových mostů, významnější než u jiných konstrukcí, je pojem silový tok. Vnitřní síly jsou v odezvě na vnější zatížení „přitahovány“ tuhostí. Silový tok vždy preferuje takzvané tuhé, nepoddajné cesty před těmi pružnými. Avšak ve chvíli kdy tyto nepoddajné (tuhé) cesty selžou, sleduje silový tok cesty pružnější. Cesta silového toku se bude lišit v případě běžného provozního zatížení a v případě zatížení, které reálně dosahuje meze únosnosti.

Pro komplexní posouzení chování klenbového mostu může být nejtěžší docenit rozdíly v tuhosti, které se mohou v celém konstrukčním systému objevit. Například průčelní zdi klenbových mostů mohou být více než o jednu řádovou hodnotu tužší než vlastní klenba.

V praxi se pochopitelně klade důraz na bezpečnost před selháním konstrukce. Metodika, jakým způsobem se stanoví rezerva mezi kritériem provozuschopností a mezní kapacitou, není pro pochopení chování klenby podstatná. Naopak užitečné je rozumět chování klenby při dosažené mezní kapacitě, přestože v praxi tento krok nepřipouštíme.

Před tím než konstrukce selže, vyčerpá všechny možné cesty, kterými může proudit silový tok, aby přenesl zatížení přes daný konstrukční prvek. Je-li těchto cest málo a jsou podobné, (což je obvykle případ prvků ocelových mostních konstrukcí) je jednoduché si je představit. Pokud je jich mnoho a jsou odlišné, potom může být složitější udělat si o jejich průběhu představu.

Případ, kdy by vnitřní síly v klenbě byly tak vysoké, že by selhání vlivem podrcení předcházelo informacím o mechanismu kolapsu, je velmi vzácný. Mnohem pravděpodobnější je, že v konstrukci klenby dojde k deformaci, vychýlení, dříve než zatížení dosáhne mezních hodnot.

Zde se dostáváme k problému posuzování stávajících mostních kleneb v klasické optice posouzení kritického průřezu zatížením M, Q, N. Všimněme si, že naprostá většina norem či předpisů týkající se mostních kleneb se zabývá způsobem, jak posoudit kritický průřez, jaké zvolit okrajové podmínky, jakou metodiku, jakou teorii. Málokde se lze dopátrat doporučení, jak optimálním způsobem modelovat konstrukci klenby tak, abychom se dopátrali skutečného cíle našeho snažení, tj. mezního zatížení, které je klenba reálně schopna přenést. Znalost mechanismu kolapsu konkrétní konstrukce může být pro hodnocení zatížitelnosti, respektive přechodnosti, důležitější než posouzení únosnosti kritického průřezu od vnitřních sil získaných výpočtovým postupem na nereálném modelu chování klenby.

Pro posouzení únosnosti mostní klenby můžeme zvolit celou řadu postupů od relativně jednoduchých metod jako je MEXE po velmi sofistikované, na software náročné 3D analýzy. V případě mostních kleneb však může být podstatnější schopnost výsledky správně interpretovat na základě znalosti chování konstrukce a na základě znalosti algoritmu výpočtu, než samotný výsledek matematických operací. Například aplikace metody MEXE při znalosti teoretického pozadí, z něhož metoda MEXE vychází, může být rychlá a užitečná, stejně tak jako nebezpečná v případě mechanické aplikace bez znalosti souvislostí.

Při hodnocení existujících konstrukcí je třeba mít na zřeteli, že re-analýza neboli přepočet skýtá možnosti, které při návrhu nové konstrukce nemáme k dispozici. Analyzujeme-li již existující konstrukci s velmi nízkým výsledkem únosnosti a zatěžovaná konstrukce zůstává při adekvátním zatížení neporušená, bude zřejmě chyba v naší analýze, nikoliv v konstrukci. Může se na tomto místě zdát, že předchozí věta je školometská a zbytečná, praxe však často ukazuje, že tomu tak není.

Mezi důvody, proč naše analýza selhává, patří nejčastěji neadekvátní model, který nezohledňuje všechny cesty silového toku. Dalšími důvody může být špatná volba materiálových vlastností vstupujících do výpočtu nebo neadekvátní použití efektivní šířky při zohlednění třetí dimenze konstrukce u dvourozměrných modelů.

Pro pochopení chování mostní klenby je nutné znát skutečné chování tlakové čáry. Myšlenku tlakové čáry formuloval Robert Hooke na konci 17. století. Hookova představa chování klenby byla inverzí visícího řetězu (řetězovky). Když zatížíme řetěz, natáhne se, respektive uzpůsobí svůj tvar tak, aby nejlépe unesl zatížení (minimalizuje energii systému). Analogie s tlakovou čárou klenby je užitečná pro představu o významu tlakové čáry při chování klenby. Jedná se však pouze o analogii, chování klenby není ve skutečnosti inverzní k chování řetězu. Pro jakýkoliv systém zatížení nebo geometrii klenby existuje minimální tloušťka klenby schopná unést toto zatížení. Jestliže tloušťka klenby překročí své minimum, pak existuje celá řada potenciálních tlakových čar, které uvažované zatížení unesou. To je důležité právě při analýze mostních kleneb s proměnlivým, pohyblivým zatížením.

Z mnoha důvodů se jeví nejlepší posuzovat zděnou klenbu jako konstrukci z nesvázaných bloků. Je pak evidentní, že její stabilita zcela závisí na mechanice (geometrii) rovnováhy sil a ne na odolnosti materiálu.

ZÁVĚR
UIC CODE 778-3 lze doporučit k pozornosti všem projektantům, kteří se zabývají sanacemi zděných kleneb železničních mostů, ale také správcům těchto objektů. To byl i jeden z důvodů, který motivoval České dráhy, respektive Správu železniční dopravní cesty k participaci na projektu UIC – Masonry Arch Bridges. I když je směrnice primárně určena pro využití v oblasti železniční infrastruktury, věřím, že cca 140 stran textu skýtá zajímavé informace i pro oblast zděných kleneb mostů pozemních komunikací.

Wall Arches of Railway Bridges
The arches of railway bridges belong to the oldest bridge constructions that are in big numbers operated by most European and non-European railways. With respect to their character they show long period of services which can be further prolonged by careful maintenance of these objects. The condition of this maintenance is to know how these constructions transfer external load, that means to know their behaviour.

Autor

• Ing. Stečínský Bohuslav