Spřažené ocelobetonové železniční mosty

Doc.Ing. Tomáš Rotter, CSc., Fakulta stavební ČVUT v Praze

1. Úvod

Spřažené ocelobetonové železniční mosty s kolejovým ložem lze uplatnit v případě dostatku stavební výšky, kdy je možné navrhnout most s horní mostovkou. Použití spřažené ocelobetonové konstrukce je po všech stránkách výhodné a je proto správné tento typ konstrukcí pokud možno vždy využívat. Výhodami spřažených ocelobetonových železničních mostů jsou: jednoduchá konstrukce na výrobu, montáž a udržování, dobré statické působení mostu z hlediska kvality jízdní dráhy i z hlediska odezvy konstrukce na dynamické a únavové zatížení, nižší hlučnost konstrukce v porovnání s konstrukcí s ocelovým žlabem pro kolejové lože, dlouhodobě nízké náklady na údržbu, garantovaná požadovaná životnost mostu, příznivé pořizovací náklady aj. Mezi výhody lze zařadit i skutečnost, že spřažená betonová deska plní současně dvě funkce: jednak je součástí hlavního nosného průřezu a jednak vytváří žlab pro kolejové lože. Naopak nevýhodami těchto konstrukcí jsou: potřeba vyšší stavební výšky než u konstrukce ocelové, větší hmotnost konstrukce (hlavně s ohledem na spodní stavbu mostu), většinou delší doba montáže.

Vše, co zde bylo uvedeno, platí v plné míře pro prosté nosníky. Betonová deska je namáhána převážně tlakem a ocelová část spřaženého průřezu naopak tahem. Tím jsou výhodně využity přirozené vlastnosti obou materiálů a dále lze průřezy ocelových nosníků klasifikovat do třídy 1, příp. 2 a tudíž lze využít únosnosti plně zplastizovaného ocelobetonového průřezu.

V případě spojitých nosníků tyto přirozené statické výhody klesají, protože v oblasti záporných ohybových momentů je ocelová část průřezu namáhána tlakem a betonová deska tahem. V důsledku toho bývá průřez ocelového nosníku klasifikován do třídy 3 nebo dokonce 4, tudíž lze využít pouze pružné únosnosti průřezu, příp. únosnosti efektivního průřezu. Dále je nutné zabezpečit tahové síly v betonové desce. Celkově lze říci, že efektivnost použití spřažených ocelobetonových železničních mostů pro spojité nosníky klesá. Přesto lze spojité nosníky většinou preferovat před řetězcem prostých nosníků. Hlavním důvodem je výrazně příznivější průběh průhybu a dále menší počet mostních závěrů. Průběh průhybu je zvlášť významný u mostů navržených na vyšší nebo vysokou rychlost.

2. Tvary příčných řezů

Z hlediska hlavního nosného systému můžeme spřažené ocelobetonové železniční mosty s horní mostovkou s kolejovým ložem navrhnout buď jako deskové nebo trámové. Deskové mosty, provedené jako zabetonované nosníky, jsou vhodné pro menší rozpětí. Vyznačují se velmi malou stavební výškou. Jejich nevýhodou je velká spotřeba oceli. Naopak výhodou je jednoduchá montáž a minimální nároky na údržbu.

Trámové spřažené ocelobetonové železniční mosty můžeme rozdělit na nepředpjaté nebo předpjaté, plnostěnné nebo příhradové, jednokolejné nebo dvoukolejné, s kolejí v přímé nebo s kolejí v oblouku, mosty přímé nebo mosty v oblouku, mosty kolmé nebo mosty šikmé aj. Vzájemnou kombinací jednotlivých typů můžeme dostat velké množství různých konstrukcí spřažených ocelobetonových trámových železničních mostů s horní mostovkou s kolejovým ložem. Nejčastějším případem jsou plnostěnné trámové mosty, s kolejí v přímé, mosty přímé a kolmé. Různé tvary příčných řezů jsou uvedeny na obr.1.

Obr.1 Tvary příčných řezů plnostěnných trámových mostů

Předpjaté spřažené ocelobetonové mosty by bylo možno použít u spojitých trámových mostů. A sice vnesením předpětí v oblasti záporných ohybových momentů tak, aby betonová deska byla trvale namáhána tlakem. Avšak s ohledem na dotvarování betonu a na konstrukční komplikace vnesení předpínací síly do betonové desky není předpínání v tomto případě to nejlepší konstrukční řešení. Technicky i ekonomicky se jeví jako vhodnější přenesení tahových sil v betonové desce pomocí měkké výztuže.

Dalším speciálním typem předpjatých spřažených ocelobetonových trámových mostů jsou mosty z nosníků Preflex. Jedná se o dvojitě spřažené a předpjaté nosníky, které je možno použít na železniční mosty v omezeném rozsahu rozpětí v případech extrémně stlačené stavební výšky. V České republice nebyl tento konstrukční systém dosud realizován.

Většina spřažených ocelobetonových trámových mostů je nepředpjatá. Pro jednokolejné mosty je staticky i ekonomicky výhodné použití dvou ocelových nosníků spřažených s betonovou deskou. Pouze v případě omezené stavební výšky lze navrhnout čtyři ocelové nosníky menší konstrukční výšky. Za cenu vyšší spotřeby oceli získáme možnost využití výhod mostu s horní mostovkou. Spřažený ocelobetonový průřez může být také komorový, se svislými nebo šikmými stěnami. Komorový průřez je staticky opodstatněný při vzniku kroutícího momentu po délce mostu, což je v případě přímého mostu s kolejí v oblouku, u mostu v půdorysném oblouku, u výrazně šikmého mostu nebo u dvoukolejného mostu. Mosty s komorovým průřezem jsou výrobně složitější a tudíž dražší než mosty otevřeného průřezu s ocelovými I nosníky.

U spojitých nosníků pracujeme vždy s proměnným průřezem po délce mostu. Proměna průřezu může být zajištěna buď pouze změnou tloušťky stěny a změnou průřezu pásnic při konstantní výšce ocelového nosníku nebo může být provedena navíc i proměnou výškou ocelového nosníku. Proměna průřezu po délce mostu je vyvolána dále proměnnou spolupůsobící šířkou betonové desky a různým efektivním průřezem.

3. Deska mostovky a prvky spřažení

Deska mostovky se v současné době navrhuje téměř výhradně jako monolitická. Zalomení betonové desky do tvaru žlabu (obr.1a) je pracné a již se téměř nepoužívá. Mnohem výhodnější je navrhnout desku v zásadě přímou (obr.1b až e). Mezi ocelovými nosníky má deska vodorovný dolní líc a horní pásnice ocelových nosníků jsou do desky zapuštěny. Dolní líc desky na konzolách může být šikmý v závislosti na zmenšující se tloušťce desky. Horní líc betonové desky je většinou ve sklonu pro zajištění příčného odvodnění. Deska je tudíž po šířce většinou proměnné tloušťky. Běžně se tloušťka betonové desky pohybuje v rozmezí 300 až 400 mm.

Boky žlabu a římsové nosníky jsou vytvořeny nespolupůsobícími betonovými prvky, monolitickými nebo prefabrikovanými. Tyto prvky nemohou spolupůsobit s hlavním nosným průřezem z důvodů statických. Jinak by totiž v horních vláknech těchto prvků vznikala neúměrně velká normálová napětí od svislého ohybu konstrukce.

V případě velké osové vzdálenosti ocelových nosníků, např. u dvoukolejných mostů se dvěma příhradovými hlavními nosníky, je výhodné navrhnout betonovou desku příčně předepnutou. Tento způsob řešení je v zahraničí běžný, u nás dosud nebyl uplatněn.

Nejčastějšími prvky spřažení jsou v současné době trny. Navrhují se dva až čtyři vedle sebe v závislosti na velikosti podélné smykové síly. Statické a konstrukční potíže však vznikají v případech přenosu velkých podélných smykových sil, což se objevuje u spřažených příhradových mostů a u mostů s velkou osovou vzdáleností ocelových nosníků. Řešením potom může být použití perforované lišty jako prvku spřažení. Perforovaná lišta může mít různou výšku a mohou být použity i dvě paralelní lišty. Nevýhodou tohoto prvku spřažení je vyšší cena perforované lišty vyráběné individuálně.

4. Statický výpočet

Statický výpočet může být proveden buď s použitím ČSN 73 6203 pro stanovení zatížení včetně součinitelů zatížení a dále s ČSN P ENV 1994-2 pro návrh a posouzení konstrukce nebo s použitím ČSN P ENV 1991-3 pro stanovení zatížení a s ČSN P ENV 1994-2 pro stanovení součinitelů zatížení, pro návrh a posouzení konstrukce.

Výpočet vnitřních sil se provádí na konstrukci pružně působící, avšak s respektováním proměny průřezu po délce nosníku. Navržené průřezy je nutno posoudit z hlediska mezního stavu únosnosti a mezního stavu použitelnosti. V mezním stavu únosnosti lze v případě ocelového průřezu klasifikovaného do třídy 1 nebo 2 využít plného zplastizování spřaženého ocelobetonového průřezu, v případě třídy 3 lze únosnost stanovit pouze na základě pružného působení a v případě třídy 4 je nutno redukovat ocelový průřez s ohledem na mezní štíhlosti tlačených částí průřezu. Ve všech případech je však zapotřebí posoudit nosník v mezním stavu použitelnosti, kdy od provozního zatížení musí nosník zůstat v pružném stavu.

5. Závěr

Spřažené ocelobetonové železniční mosty jsou výhodné z hlediska provozního, výrobního, montážního i ekonomického. Jsou s nimi dlouholeté dobré zkušenosti. Pro návrh a posouzení těchto mostů existují stabilizované normy. Je proto účelné tyto mosty navrhovat vždy, kdy je k dispozici dostatek stavební výšky.

Příspěvek byl vypracován za podpory výzkumného záměru MSM 210000001 Funkční způsobilost a optimalizace stavebních konstrukcí.

Literatura:

1. Rotter,T.-Studnička,J.: Ocelové konstrukce 30. Ocelové mosty. Skriptum ČVUT v Praze, 2001.
2. Rotter,T.-Studnička,J.: Ocelové konstrukce 30. Ocelové mosty, pomůcka pro cvičení. Skriptum ČVUT v Praze, 2001.
3. ČSN 73 6203 Zatížení mostů.
4. ČSN P ENV 1991-3 Zásady navrhování a zatížení konstrukcí. Část 3: Zatížení mostů dopravou.
5. ČSN P ENV 1994-2 Navrhování spřažených ocelobetonových konstrukcí. Část 2: Spřažené ocelobetonové mosty.

zpět na seznam