Statický výpočet výměny pňovanského mostu otáčením

Úvod

Unikátní výměna tří polí mostu přes vodní nádrž Hracholusky otáčením se uskutečnila na přelomu let 2018 a 2019. Průběh celé operace navrhla a zrealizovala firma MCE Slaný, s.r.o., spolu se SMP CZ, a.s. Návrh a statický výpočet nové konstrukce provedla společnost TOP CON servis s.r.o., statický výpočet montáže byl zpracován týmem z katedry ocelových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební ČVUT v Praze. Celkem tři shodné ocelové nýtované příhradové konstrukce (K02, K03 a K04 – značeno od Pňovan), každá o rozpětí 57,0 m a hmotnosti 140 t, byly uloženy téměř 50 m nad hladinou vodní nádrže Hracholusky na zděných pilířích. Konstrukce, které byly uvedeny do provozu na přelomu 19. a 20. století, převáděly trať 177 mezi železničními stanicemi Pňovany a Blahousty. Po téměř 130 letech provozu bylo rozhodnuto vyměnit je za nové, neboť již nesplňovaly nároky na moderní železniční dopravu a jejich rekonstrukce by se nevyplatila.

Komplikovaný a těžko přístupný terén kladl vysoké nároky na výměnu staré mostní konstrukce (SOK) za novou mostní konstrukci (NOK). Tradiční způsoby výměny, např. výsunem či snesením jeřáby, byly s ohledem na náročný terén obtížné. Spuštění SOK na ponton nebylo možné kvůli dlouhodobě nízké hladině vody v přehradě. Nápad uplatnit unikátní montážní postup vznikl ve firmě MCE Slaný s.r.o., která jej po projednání se správcem (Správou železnic, s.o.) ve spolupráci s generálním dodavatelem (SMP CZ, a.s.) uskutečnila. Myšlenka spočívá v nasunutí nové konstrukce (NOK) v obrácené poloze (tedy „po mostovce“) na starou (SOK) a jejich vzájemném sepnutí. Následně je speciálními přípravky na opěrách otočena okolo podélné osy o 180°. Poté se po původní výsuvné dráze odsune SOK na předmontážní plošinu a celý proces se zopakuje pro další pole. Podrobný popis montáže byl popsán v časopise Stavebnictví č. 10/2020 na str. 22 až 27 (od autora Vladana Michalíka), následující text je zaměřen zejména na statický výpočet montážních stavů.

Popis konstrukcí

Pro lepší orientaci v následujících odstavcích jsou na obr. 3 definovány jednotlivé součásti otáčeného soumostí:
■ stávající ocelová konstrukce (SOK);
■ nová ocelová konstrukce (NOK);
■ spínací příhradový nosník (dále označován též jako „rošt“, v úvodních fázích montáže sloužil zároveň jako výsuvná dráha);
■ otáčedla (nepohyblivá a pohyblivá část);
■ spojovací prvky mostních konstrukcí a roštu (spojovací ocelové bloky, příčníky, předepnutá táhla);
■ ztužující prvky (pylony se závěsy).

Modely pro statický výpočet

Před zahájením rekonstrukce bylo ze stávající konstrukce na různých místech odebráno celkem sedm vzorků oceli z každého pole ocelového mostu (ztužení, hlavní nosník apod.) pro zjištění materiálových charakteristik a chemického složení oceli původního mostu. Byla zjištěna průměrná mez kluzu o velikosti 256 MPa, mez pevnosti 346 MPa a průměrná tažnost zhruba 36 %. Z chemického složení vyplynulo, že ocel stávajících konstrukcí je dobře svařitelná. Dále byly provedeny postupně dva podrobné korozní průzkumy, z nichž vyplynula míra oslabení konkrétních prvků. Některé prvky byly korozí téměř nedotčené, jiné byly zcela porušené. Oslabení jednotlivých prvků bylo velmi proměnlivé i pro různá pole. Navržený postup montáže sestával z řady kroků, statické posouzení vyžadoval zejména v těchto fázích:
■ výsuv NOK na rošt připevněný na SOK (obr. 4);
■ sepnutí všech částí soumostí (SOK, rošt, NOK, otáčedla);
■ všechny pozice během otáčení soumostí.

V rámci statického výpočtu byla vyhotovena řada modelů. První z nich byly výhradně prutové, ty se postupně zpřesňovaly a upravovaly na základě dosažených výsledků. Vizualizace jednoho z modelů ve fázi otočení o 45° je znázorněna na obr. 5 a porovnána s fotografií z vlastního provádění. Výsledné modely využívaly potom prutové i deskostěnové prvky, zohledněny byly všechny typy excentricit. SOK byla detailně modelována včetně korozního oslabení, které na některých prvcích dosahovalo až 100 % (především ztužení dolního pasu). Deskostěnové dílce byly použity pro celou konstrukci otáčedla a dále v některých částech styčníků ostatních konstrukcí. Všechny výpočetní modely byly vytvořeny v programu SCIA Engineer 2018 a 2019.

Zatížení konstrukcí bylo pro všechny fáze uvažováno v souladu se soustavou evropských norem řady ČSN EN. Zásadním zatížením byla vlastní tíha všech konstrukcí, u SOK byla zohledněna i tíha doplňkových prvků (styčníkových plechů, příložek, nýtů apod.). Zatížení větrem bylo uvažováno pro celou dobu montáže podle ČSN EN 1991-1-4, ovšem snížené (s dvouletou dobou návratu). Pro samotný výsuv a otáčení bylo povoleno zatížení větrem o maximální rychlosti 3 m/s. Teplotní rozmezí bylo uvažováno 0–40 °C. Obojí bylo během montáže pečlivě monitorováno. Soumostí bylo modelováno pro různá natočení konstrukce s krokem 45° (0°, 45°, 90°, 135°,180°). Vnitřní síly z jednotlivých modelů byly následně vyhodnocovány v tabulkovém procesoru.

S ohledem na rozdílnou tuhost SOK a NOK docházelo k významnému namáhání podélným smykem mezi jednotlivými ocelovými částmi soumostí. Dobré výsledky nepřinášelo ani uvolnění smykového spojení (umožnění prokluzu) ani ztužování spojení masívními ocelovými bloky. U „tuhého“ řešení byl hlavním problémem přenos sil do horního pasu SOK, jenž byl výrazně napaden korozí, a bylo velmi obtížné navrhnout spolehlivé spoje. Nakonec bylo po dohodě s prováděcí společností zvoleno sepnutí konstrukcí předepnutými tyčemi Dywidag, ocelovými příčníky a podložením masivními ocelovými svařenci (obr. 6). Nastavení předpínacích sil bylo poměrně náročné, protože bylo potřeba zajistit dostatečné předpětí ve všech fázích otáčení, ovšem nepřemáhat horní pas zbytečně vysokým předpětím táhel. Prvky soumostí (s výjimkou otáčedel) byly namáhány ve všech fázích montáže výhradně pružně, částečná plastifikace byla umožněna (s ohledem na dostatečnou tažnost oceli) pouze u některých tažených prutů dolního ztužení SOK.

Modelování otáčedla

Konstrukce soumostí byla modelována současně s otáčedly. Samotná otáčedla byla ve výpočetním modelu vytvořena deskostěnovými prvky, modely s prutovými prvky se v tomto případě vůbec neosvědčily. Speciální prutové prvky (působící pouze v tahu či v tlaku) byly použity jen lokálně pro modelování šroubů a prvků teflonového lože, po němž se rotor pohyboval (obr. 7).

Výpočet byl u většiny modelů prováděn podle teorie II. řádu metodou GMNIA, tedy globálním vyhodnocením imperfektní konstrukce s využitím geometrické i materiálové nelinearity modelu. S ohledem na rychlost výpočtu byla zvolena modifikovaná Newton-Raphsonova metoda iterace. Tento postup umožňoval využít plastifikací oceli v oblastech lokálních špiček napětí u otáčedel (obr. 8). Další části konstrukce, jak již bylo uvedeno, se chovaly výhradně pružně.

Měření během otáčení a porovnání s modelem

Během otáčení soumostí probíhalo kontinuální měření poměrných deformací na několika předem určených místech (obr. 8). Tenzometry byly instalovány na konstrukci před otáčením, tedy v poloze 0⁰. Následující grafy na obr. 9 znázorňují postupné přírůstky napětí v bodech 4.1, 4.2, 5.1 a 5.2 na horním pasu SOK a jejich porovnání s hodnotami vypočítanými na upraveném numerickém modelu pro polohu 90⁰. Průřezy SOK u numerického modelu pro sledování nárůstu napětí při otáčení byly oproti původnímu modelu modifikovány, byly uvažovány průměrné korozní úbytky. Rozdíly mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami se pohybují od 1 do 20 %, a to jak na bezpečnou, tak na nebezpečnou stranu.

Zkušenosti z návrhu a posuzování konstrukce

Podélný smyk ve spojích
Významným bodem návrhu bylo zajištění smykového spojení mezi jednotlivými konstrukcemi soumostí, tedy NOK – rošt a rošt – SOK. Zvolené řešení (tuhé bloky a sepnutí předepnutými tyčemi) bylo sice funkční, ale velmi náročné na provedení. Velikost předpětí u jednotlivých bloků musela být nastavena velmi přesně, aby během žádné fáze otáčení nevymizelo, ale aby se současně nedeformoval horní pas SOK, který byl v některých místech výrazně napaden korozí. Na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí ČVUT v Praze byl nedávno zahájen výzkum zaměřený na optimalizaci tohoto bodu pro podobné způsoby výměny mostních konstrukcí.

Korozní oslabení
SOK tvořila nedílnou součást otáčeného soumostí, a proto bylo potřeba jeho skutečný stav co nejpřesněji zavést do výpočtu. Na první pohled „bezpečné“ zohlednění obálky korozních úbytků by ovšem pro některé fáze mohlo způsobit nesprávné přerozdělení sil a ve výsledku by bylo nebezpečné. V principu ovšem přesto „obálka“ korozních oslabení byla použita s výjimkou některých detailů, kde byla vyhodnocena jako nebezpečná.

Ověřovala se i varianta náhlého porušení některého prvku výrazně oslabeného dolního ztužení SOK. Dolní ztužení výrazně přispívá ke zvýšení tuhosti soumostí zejména ve fázích okolo 90°, na druhou stranu případný ráz způsobený náhlým kolapsem některého prvku by se jen velmi obtížně zaváděl do výpočtu. I proto byla zvažována možnost přerušení některých prvků ztužidla ještě před započetím otáčení a zvýšení zatížení pylonů se závěsy. Nakonec byla s ohledem na dostatečnou tažnost oceli SOK ztužidla ponechána. Tento předpoklad se během montáže potvrdil, k úplnému porušení (rázu) nedošlo v žádné fázi otáčení.

Modelování
Současná verze SCIA a obdobné statické inženýrské softwary již umožňují modelovat montážní fáze přímo v jednom modelu, což významně usnadňuje a urychluje výpočet. Jednou z variant je například způsob otáčení vlastní tíhy kolem konstrukce soumostí. Například v programu SCIA Engineer je možné zadat vlastní tíhu jako liniové zatížení na prut. Tímto způsobem lze gravitační sílu rozložit do dvou vektorů (směry Y, Z) a k nim následně přičítat přírůstky reprezentující změnu otočení kolem osy X. Jeden z autorů tohoto textu, Ing. Drábek, již podobný postup využil ve své diplomové práci (obr. 10).

Závěr

Metodu rekonstrukce spočívající ve výměně mostních konstrukcí výsunem a otočením kolem podélné osy vyvinula a realizovala firma MCE Slaný, s.r.o., a poprvé byla použita při rekonstrukci mostu přes vodní nádrž Hracholusky. Statický výpočet montážních stavů provedl tým z Fakulty stavební ČVUT v Praze. Tato unikátní metoda byla u mostu s obdobným rozpětím provedena poprvé v Evropě. Ukazuje možnosti a technickou zdatnost českých firem a jejich techniků. Stejně tak velmi dobře přispěla ke spolupráci firemního a vysokoškolského sektoru. V současné době probíhá na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební ČVUT v Praze výzkum zaměřený na optimalizaci uvedené metody výměny mostní konstrukce.