Železniční most z lehkého betonu

Klíčová slovní spojení:

lehký hutný beton z expandovaného kameniva s přídavkem obyčejného kameniva ( LWAC), „klasický“ monolitický železobeton ( NWC), polorám s náběhy a se skříňovými opěrami, zabetonované nosníky s lehkým konstrukčním betonem, Liapor, nízkoúdržbová konstrukční varianta.

Souhrnné informace

Nový přes ulici Ptáckou ( silnice I/38) je situován na místě bývalého úrovňového křížení žel. trati Mladá Boleslav - Stará Paka s uvedenou komunikací. Tento objekt je součástí investiční akce Města Mladé Boleslavi – Křižovatka Ptácká – Laurinova. Most je situován v těsné blízkosti okružní křižovatky. V přípravné dokumentaci byla navržena konstrukce jednopolového prostého nosníku–žlb. deska se zabetonovanými nosníky. Sou-částí opěry č.1 byl otvor pro podchod pro pěší. V dalším stupni – PSŘ navrhl zpracovatel sloučení podchodu a křížení komunikace do jednoho otvoru a především změnu konstrukčního schématu . Místo prosté deskové konstrukce byl navržen žlb. polorám s náběhy a se skříňovými opěrami se záměrem odstranit ložiska a dilatační závěry jako problematická místa z hlediska údržby - tzv. nízkoúdržbová konstrukční varianta. S ohledem na navazující žlb. zdi, do kterých je sevřeno žel. těleso a to, že se jedná o most v intravilánu, nebylo zvoleno i při zvětšeném rozpětí řešení s ocelovou konstrukcí s dolní mostovkou s kolejovým žlabem (hlučnost, narušení celkového vzhledu).
Na základě konzultací s Českými drahami byla upravena dispozice ( původně kopírující tvar komunikací navazujících na okružní křižovatku ) především u opěry č.1, kde byl upraven úhel křížení opěry s osou koleje.

Základní parametry mostu:

Jednokolejný směrově zakřivený most, kolej ve směrovém oblouku o R=330m, převýšení p=50mm, kolej stoupá 2,21% a 0,63 %, na mostě je výškový lom nivelety, svršek S49 na betonových pražcích SB 8. Světlost mezi opěrami v ose mostu 19 241 mm, šířka mostu 6315 mm, MPP 2,5 R, návrhové zatížení vlak Z. Volná výška pod mostem 5249 mm, přemostěná překážka silnice I/38, chodník pro pěší.

Vývoj koncepce řešení ve stupni PSŘ

Konstrukční výška mostu je limitována s ohledem na volnou výšku pod mostem (včetně rezervy) a podélný profil v rozhodující větvi komunikace hodnotou 1000 mm. Nejprve byl proveden návrh pro výše uvedené schéma pro žlb. monolitickou konstrukci- deska s náběhy vetknutá do opěr (dále pro srovnávání bude označován NWC dle zahr. pramenů) – jakost C 40/50-2bb. Při tomto materiálu se podařilo nadimenzovat rozhodující průřezy jen za cenu víceřadé výztuže max. profilu R32 s komplikovaným rozmístěním výztuže a problematickým probetonováním v místě stykování výztuže. Hodnota průhybu od nahodilého zatížení činila 18,2 mm (tj.L/1050). Jako druhý krok bylo zvoleno řešení za použití lehkého hutného betonu z expandovaného kameniva s přídavkem obyčejného kameniva (dále označován LWAC dle zahr. pramenů, někdy též LWC,LWA, SLC). Důvodem pro zvolení tohoto materiálu bylo snížení vlastní hmotnosti nosné kce a snížení celkového podílu dlouhodobých složek zatížení včetně ověření, zda dojde ke snížení celkové plochy a příznivějšímu využití betonářské výztuže. Pro toto použití hovoří mj. blízkost vhodné betonárny, která má zkušenosti s výrobou takových betonů a je technologicky napojena na výrobce expandovaného kameniva LIAS Vintířov. Toto řešení vzniká za podpory výrobce keramického kameniva, spolupráce je pokračováním využití tohoto kameniva v železničním mostním stavitelství – viz náš příspěvek "Železniční most v km 426,737 tr. P-Bubeneč-Kralupy n.Vlt.-Úholičky" v tomto sborníku, který se týká využití mezerovitého lehkého betonu.

Stručné seznámení s Liaporem a lehkým hutným betonem (LWAC)

LWAC je materiál, na který je třeba nazírat jako na variantu ke „klasickému“ (NWC) železobetonu. Masovému používání tohoto materiálu v podstatě brání pouze omezené možnosti výrobců kameniva, v našich zeměpisných šířkách se jedná o LIAS Vintířov LSM, k.s., který dodává toto kamenivo pod obchodním označením Liapor. Liapor je velmi lehký granulát vyráběný expandováním přírodního jílu. Svou podstatou se Liapor řadí mezi keramické hmoty. Vzhledem ke způsobu zpracování výchozí hmoty se ke standartním vlastnostem keramických materiálů (pevnost, malá nasákavost, stálost, zdravotní nezávadnost) přidává u Liaporu např. velmi nízká objemová hmotnost, vyni-kající tepelně izolační vlastnosti. Liapor se vyznačuje granulovanou formou s téměř kulovými zrny s vnitřní stejnoměrnou pórovitou strukturou a uzavřeným slinutým po-vrchem. Liapor je technicky označován jako lehké pórovité kamenivo z expandovaného jílu ( jako lehké kamenivo je označováno kamenivo s objemovou hmotností do 2000 kg/m3 – u Liaporu je tato hmotnost v rozmezí 500-1500 kg/m3). Liapor se dále nejen mechanicky odolný, ale také chemicky stabilní. Zrno odolává kyselinám a louhům, ve vodě je stabilní a neutrální, nerozpouští se a neuvolňuje škodlivé výluhy a plyny. Liapor v žáru vzniká, je mu také odolný – je objemově stálý do teploty 1050oC a je klasifikován jako nehořlavý. Liapor není hygroskopický a nepřijímá vlhkost ze vzduchu. Vzhledem k porézní nekapilární struktuře je umožněno rozpínání zmrzlé vody v zrnech a proto Liapor odolává opakovanému zmrazování a dodává vynikající mrazuvzdornost i výrobkům, v kterých je použit. Celkový obsah síry je 0,2 až 0,5% hmotnosti, obsah sirníků činí 0,02 až 0,05% hmotnosti a obsah chloridů činí 0,005 až 0,01% hmotnosti – proto Liapor dobře vyhovuje pro použití pro vyztužený a předpjatý beton včetně vysokohodnotných betonů.
Při výrobě betonové směsi vyšších pevností se používá přídavek drobného těženého kameniva ve frakci 0-4 a hrubého těženého kameniva ve frakci 4-8. U čerpatelných betonů je zrnitostní křivka doplněna frakcí 0-1 a popílkem. Oproti NWC je u čerpání těchto betonů specifickým problémem tlak v čerpacím potrubí, kdy při překročení limitních hodnot dojde k vtlačení většiny záměsové vody do porézních zrn a tím se zhorší podmínky pro čerpání betonu. Proto je hodnota vodního součinitele při záměsi u těchto betonů uváděna s rozmezím od 0.55 do 0,6, protože určitou roli sehrává i vlhkost kameniva a proto je třeba určitých zkušeností při výrobě. Proto i průkazní a kontrolní zkoušky je třeba provádět pro stav směsi, kdy je uložena a hutněna po čerpání, nikoliv pouze odebráním z přepravníku. Zde je již poměr v/c nižší.
V zásadě jsou lehké hutné betony čerpatelné od objemové hmotnosti 1600 kg/m3, pro nižší objemovou hmotnost je nutno použít přepravní kontejnery i velkoobjemové ( díky nízké hmotnosti materiálu).
Obdobně se využívá tohoto keramického materiálu pro mezerovité betony, kdy objemová hmotnost je v rozmezí 750-1200 kg/m3 podle požadovaných vlastností.

Obvyklé aplikace LWAC v zahraničí v mostním stavitelství

Zde uvádíme několik silničních mostů realizovaných v minulých letech. LWAC se používá jak pro nosnou konstrukci z předpjatého betonu, tak pro žlb. nebo pouze pro mostovkovou desku nebo chodníky . První realizace započaly již před 80 lety.

Stolma Bridge-Norsko – 94+301+72 m – LWAC ve středním poli – realizace 2000,

Stovset Bridge-Norsko – 100+220+100 – LWAC ve středním poli – realizace 1994

Koningspleijbridge Arnhem-Nizozemí – 80+133+80 – LWAC ve stř. poli - 1986

Neuse River Bridge – Sev. Karolina – LWAC – mostovka na estakádě

Benicia-Martinez Bridge- Kalifornie – estakáda – pole 161-200 m – LWAC-2001

V zahraničí je použití tohoto materiálu vcelku oblíbené nejen pro redukci přenášené vlastní hmotnosti, ale také z důvodů cenových – jedná se o cca 10% a větší finanční úsporu ve vztahu k NWC dle typu konstrukce.

Porovnání konstrukce při použití LWAC a NWC

Pro porovnání byla ponechána stejná konstrukční výška nosné konstrukce včetně náběhů. Snížením vlastní tíhy nosné konstrukce došlo k příznivějšímu rozdělení vlivu jednotlivých složek zatížení a ke snížení návrhových veličin – viz grafy za textem. Pro navržený beton LC 40/44 s objemovou hmotností 1600 kg/m3 je nutná výztuž ve vetknutí umístěna v jedné řadě, vyhovuje profil R32. Výztuž v poli navržená pro mezní stav únosnosti ( R25/100 mm) byla pro mezní stav použitelnosti - průhyb uprostřed - zvětšena na R32/100 mm. Průhyb od nahodilého zatížení činí po této úpravě 19,6 mm tj-. cca L/980. Při návrhu konstrukce je třeba věnovat zvýšenou pozornost vlivu smrštění a dotvarování, které u tohoto materiálu má významnější vliv než u „klasického“ železobetonu (NWC). Pro dosažení průhybu od nahodilého zatížení s kriteriem L/800 lze snížit konstrukční výšku na 900 mm. Konstrukce z LWAC byla navržena i v opěře a to cca od výšky 2 m nad komunikací. Konstrukce s použitím LWAC umožňuje výrazné snížení betonářské výztuže především z hlediska stavu mezní únosnosti ( v poli i v podpoře ), pro mezní stav použitelnosti je množství výztuže v poli pro oba materiály srovnatelné , čili v celkovém součtu je množství výztuže ( včetně přesahů při stykovaní) při použití LWAC nižší než při použití NWC.

Navržené řešení

Při konzultacích s pracovníky ČD byla preferována při použití lehkého konstrukčního hutného betonu konstrukce se zabetonovanými nosníky. Zpracovatel s ohledem na dříve zpracované varianty řešení ve stupni PSŘ ponechal řešení s nosníky s náběhy vetknutými do skříňových opěr, přestože toto řešení vyžaduje dořešení způsob vetknutí do opěr. Ocelové nosníky v počtu 8 ks ( á 650 mm ) jsou navrženy z profilu HEB 700 v poli ( cca L/27,4), výška s náběhem u podepření činí 1100 mm na délce 1300 mm. Vrstva betonu nad nosníky činí 120 mm z konstrukčních důvodů – římsy, rámový roh. Konstrukční výška činí 820 mm – tj. cca L/23,45. Ocelové nosníky jsou na koncích propojeny koncovým ocelovým příčníkem, přes který jsou nosníky ukotveny do LWAC příčníku výšky 1000 mm, který je součástí opěry. Kotvení je navrženo z přepínacích tyčí. Průhyb této konstrukce činí 8,65 mm – čili cca L/2225. Římsy jsou taktéž navrženy z LC 40/44. Odvodnění je s ohledem na sklon navrženo za opěrou, hydroizolace NAIP dle schválených typů pro ČD.
Založení objektu je plošné, základová spára je mimo dosah maximální spodní vody. Základovou spáru tvoří nesoudržné zeminy písčitého a štěrkového charakteru s čočkami soudržné zeminy. Založení mostu komplikuje křížení s trasou kanalizace, vodovodu a také provizorní přeložka žel.–především z hlediska zajištění stavební jámy.
Technologie vlastní betonáže (pravděpodobně nejprve v rozmezí 0,1-0,9L bez podepření, pak ostatní části včetně rámové rohu po dopnutí táhel) , receptura betonové směsi a rozvržení etap prací se v současné době nachází ve fázi řešení variant, aby mohl být stanoven závazný postup pro dodavatele formou ZTKP.

Závěr

Mostní konstrukce z lehkého konstrukčního hutného betonu již mají své místo v silničních mostech. V železničních mostech dle dosud dostupných pramenů nebyl tento materiál použit (mimo MLB pro výplně). V ČR je první realizovanou vlaštovkou s použitím lehkého hutného betonu montovaná lávka pro pěší v Českých Budějovicích.
Je zřejmé, že konstrukce z lehkého betonu tvoří konkurenceschopnou alternativu ke konstrukcím z normálního betonu tam, kde vlastní tíha konstrukce tvoří velkou část zatížení, jako např. tento rámový most, kde nosnou konstrukci tvoří masivní betonová deska. Úspora vlastní tíhy umožnila navrhnout výztuž rámového rohu jednou řadou výztuže, zatímco při použití normálního betonu by bylo nutné navrhnout výztuž ve dvou řadách. V aktuální variantě řešení - zabetonované vetknuté nosníky - snižuje použití lehkého betonu namáhání v kritickém místě - v rámovém rohu. Úspora hmotnosti je navíc dosažena při použití vcelku jednoduchého tvaru příčného řezu.
Jednou z nevýhod lehkého betonu je naopak nižší modul pružnosti oproti normálnímu betonu. To komplikuje návrh v místech, kde rozhoduje mezní stav použitelnosti (průhyb od nahodilého zatížení). Dále je třeba věnovat pozornost dotvarování a smršťování, jejichž vliv je větší, než u normálního betonu.

zpět na seznam