Elastické závěry mostů pozemních konstrukcí

ilustrační foto - silniční most Krka - Chorvatsko

1. Úvodní část

„Konstruktéři a stavitelé našich komunikací používají na mostních konstrukcích Elastické Mostní Závěry(EMZ) jednak podle všeobecně platných technických předpisů a jednak podle zvyklostí jednotlivých dodavatelů-výrobců. Vlastní provádění se podle toho také v některých detailech liší. Základním úkolem  je  porozumět konstrukci a funkci EMZ a stanovit potřebné zkoušky a podmínky návrhu, včetně prováděcích postupů tak, aby konstrukce EMZ pracovaly spolehlivě.“

Z tohoto úvodu B.K.Bramela, aj. [1] je patrné, že problémy, s kterými se setkáváme při návrhu a provádění EMZ u nás, nejsou jen naše lokální, ale jsou doslova celosvětové.

„Problematika elastických mostních závěrů.“ Je u nás řešena v tříletém grantu GAČR.

Problematika elastických závěrů na mostech byla aplikována do naší technické legislativy v TP MD ČR a do stavební praxe na začátku 90tých let a to převzetím zahraničních technických specifikací, materiálů a technologií, bez bližších empirických a analytických postupů při řešení vhodných algoritmů pro výběr technicky a kvalitativně nejvhodnějšího řešení.

Realizované elastické mostní závěry na konkrétních stavbách pozemních komunikací v ČR nemají mnohdy požadovanou kvalitu a některé konstrukce závěrů již po krátké době provozu vykazují nadměrné deformace a poruchy.
Proto byly navrženy a provedeny experimenty k ověření zásad pro provádění elastických mostních závěrů. Pokračují zkoušky EMZ s hmotami různých výrobců. Při větších tloušťkách vozovkových souvrství na mostech, tj. 90-135 mm jsou kontaktní plochy mezi hmotu závěru a přiléhající konstrukcí vozovky silně namáhány. Důvodem je značná velikost síly potřebné k požadovanému protažení hmoty elastického závěru a zejména protichůdnost požadavků na ni kladených. Na jedné straně to je dosažení její „únosnosti“ pro přenesení svislého kolového zatížení do podkladu, na straně druhé pak nároky na pružnost této hmoty z důvodů umožnění celkové deformace závěru nejen v podélné ose nosné konstrukce mostu pro definované rozmezí teplot.

Pokud je vyhověno požadavkům na „únosnost“ a zvýší se podíl kameniva v materiálu závěru, pak je vyšší pravděpodobnost ke vzniku trhlin ve vlastní hmotě a obzvláště v oblasti spojů s vozovkovým souvrstvím. Jestliže se naopak zvýší celkový objem zálivkové hmoty v materiálu závěru oproti podílu kameniva, je závěr sice pružnější, ale dochází k jeho následnému vyjíždění.
Další z častých poruch je porušení vlastní hmoty konstrukce vozovky v  kontaktní tzv. přechodové oblasti po obou stranách elastických mostních závěrů. Z tohoto důvodu bude v rámci projektu sledována i  přilehlá oblast vozovky v napojení na EMZ.
Ústup od navrhování a provádění elastických mostních závěrů na mostech s dilatačními pohyby menšími než 30 mm, tj.na více než 60% mostů z jejich celkového množství v ČR, není řešením ekonomickým ani logickým. Je třeba zde také upozornit na přednost EMZ z hlediska hlučnosti.

2. Program projektu

Cílem grantového projektu je zabývat se komplexně výše specifikovanou problematikou. Na základě průzkumů a zkoušek ověřit, jak některé charakteristické vlastnosti komponentní hmoty EMZ tvořené kamenivem a zálivkovou hmotou, tak i dispoziční detaily konstrukčního uspořádání závěru včetně specifikace požadavků na „přechodové“ pásy vozovkových souvrství a navrhnout jejich konkrétní  řešení.

Hlavní cíle:

• upřesnit recepturu pro optimální složení komponentní hmoty EMZ, tj.poměru zálivkové hmoty a kameniva při respektování kriterií požadované průtažnosti a únosnosti v tlaku,
   
• experimentální ověření receptur hmoty a jejich kriteriální optimalizací zjistit přímou závislost míry protažení na velikosti použité síly,
   
• ověření mezního smykového napětí ve spoji hmoty s různými typy podkladů,
  
• ověření mezního tahového napětí ve spoji hmoty s různými materiály vozovkových souvrství resp.přechodových pásů,
   
• zhodnocení významu přechodových pásů,
   
• na základě výsledků experimentů realizace zkušebního EMZ v terénu. Ve 3.roce řešení výzkumného projektu budou odebrány vzorky ze zkušebního úseku (úseků) EMZ a ve vztahu k průběhu dlouhodobých deformací bude vyhodnocena jejich celková kvalita,
   
• na základě výsledků zkoušek vzorků a sledování realizovaných EMZ upřesnit metodiku pro návrh EMZ a přechodových pásů včetně receptur.

3. Průběžné výsledky z roků 2004 - 2005

Současný stav poznatků:

Rešeršní činností byly získány další podklady o vývoji EMZ. Ukazuje se, že i přes dosti rozšířené jejich použití v praxi se vyskytují závady, jejichž příčiny nejsou zřejmé. Vyskytují se závady, které ovlivňují nejen komfort jízdy, ale především velmi snižují trvanlivost mostů a zvyšují náklady na opravy. Složení hmot a jejich vlastnosti jsou obvykle výrobním tajemstvím firem. Není jednotný názor na tloušťku EMZ a úpravu styčné spáry mezi vozovkou a EMZ.

Z provedených rešerší jsme získali poměrně dosti informací a „doporučení“ pro tvarové uspořádání EMZ. Převažují doporučení pro lichoběžníkový typ EMZ, který má příznivý vliv na průběh lokálních napětí v oblasti napojení hmoty EMZ na konstrukci přilehlé vozovky, obzvláště na prvním spoji ve směru převládající dopravy.

Obr. 1 Ukázka obdélníkového typu EMZ

Obr.2 Ukázka provedení lichoběžníkového EMZ

Poměrně velké rozdíly jsou v doporučeních tloušťky EMZ. Zatím co anglicko/americká  provenience doporučuje tloušťku do 70 mm, německá na této horní doporučené hodnotě teprve začíná a doporučuje tloušťku v rozmezí 70-160 mm. Podle našich zkušeností se přikláníme spíše k menším tloušťkám, což potvrzuje i sledování dosud provedených EMZ a jejich poruch. K jedné z hlavních závad tj.odtržení vlastní hmoty závěru od přilehlé vozovky dochází převážně u závěrů s tloušťkou nad 100mm
Další  rozdíly jsou i v názoru na přípustnou velikost maximálního vodorovného posunu v místě elastického závěru. (Viz následující příklady:)

Současné české směrnice

• max.vodorovný dilatační posun do 30mm (v odůvodněných případech až do 40mm),
• max.svislý posun do 5mm.

Německé směrnice ZTV-BEL-FǗ uvádějí jako hranici použití systému EMZ celkový vodorovný posun max.37,5mm(+25mm a -12,5mm) a celkový svislý posun max.5mm.

Dle Department of Transport Standard BD 33/88 je doporučován typ mostního závěru i s ohledem na ekonomická hlediska – mostní závěr typu EMZ je doporučován pro rozmezí vodorovného dilatačního posunu od 5ti do 40mm a svislého posunu do 3mm.

K zajímavému zjištění z hlediska kombinace podmínek povolených deformací svislých od zatížení(závisí na tloušťce EMZ) tak vodorovných dochází tým řešitelů uvedených ad [1] 

• tloušťce závěru 50mm   – povolený max.vodorovný posun 57mm
• při tloušťce závěru 100mm - povolený max.vodorovný posun 49mm!! 
  (Opět potvrzení, že při větší tloušťce závěru není „kapacita“ EMZ větší, ale naopak.

Existují i práce, které se zabývají matematickým řešením napjatosti a namáhání v lokální oblasti spoje EMZ/přilehlá vozovka, namáhané svislým zatížením dopravou a adhezním třením mezi kolem a povrchem vozovky. Jen málo materiálů se zabývá komplexním zatížením konstrukce EMZ, včetně teplotních změn atp.

Hlavně však chybí  poznatky ze zkoušek na vzorcích namáhaných různými typy zatížení za různých okrajových podmínek, což předpokládá řešení tohoto projektu, jak již bylo zmíněno.

Prohlídky EMZ

Od „Mostního a silničního vývoje Brno“ [3] byly získány materiály a výsledky průzkumu EMZ z března a září r.1998.
V rámci našeho projektu byly z tohoto průzkumu, pro možnost porovnání nových pozorování, vybrány některé mostní objekty a některé další mosty byly vybrány z realizací z pozdější doby a v roce 2004 provedeny prohlídky celkem 33 mostních objektů, kde se vyskytovala různá poškození EMZ, která se většinou kumulují do následujících závad:

• netěsnost závěru                                                                       15 případů
• netěsnost způsobená odtržením ve spoji EMZ/vozovka      6 případů
• trhliny v samotných závěrech                                                  10 případů
• prosedlost hmoty EMZ a vyjeté koleje                                  10 případů
• rozježděné okraje hmoty EMZ                                                11 případů

V roce 2005 pokračujeme v prohlídkách EMZ s tím, že opět byly pro porovnání sledovány mostní objekty z prohlídek roku 2004 a k nim dále připojeny některé nově vytypované mosty.

Výsledky těchto prohlídek jsou v současné době zpracovávány a budou vyhodnoceny v celkové souhrnné zprávě za rok 2005.

Vlastní  experimenty

Zatím byly navrženy tři druhy zkoušek pro sledování vybraných vlastností EMZ na vzorcích:

• zkouška opakovaného pojíždění kolem (odolnost proti tvorbě trvalých deformací): Zkouškou se simulují pouze svislé účinky silně usměrněné dopravy (deformace ve formě vyjetých kolejí). Jedná se o modifikovanou zkoušku předepsanou TP 109 změna č.1 - Asfaltové hutněné vrstvy se zvýšenou odolností proti tvorbě trvalých deformací. Rozhodujícím kritériem zkoušky je hodnota vyjeté koleje na EMZ po 10 tis. pojezdech a přírůstek hloubky vyjetých kolejí mezi 15-ti a 10-ti tis. pojezdy.
   
• smyková zkouška spojení vrstev stanovuje největší smykovou sílu na styku asfaltové vrstvy a konstrukce EMZ. Spolu se zjištěným přetvořením slouží hodnoty k posouzení kvality smykového spojení asfaltové vrstvy a EMZ. Zkušební postup je pozměněn oproti TP 109 - Smyková zkouška spojení vrstev podle Leutnera.
   
• zkouška roztažnosti a přilnavosti asfaltového pojiva pro EMZ slouží k určení roztažnosti a přilnavosti asfaltových hmot používaných při výrobě EMZ při nízkých teplotách. Pro tuto zkoušku se používá modifikovaný postup podle Rabeho.
  Zkušební tělesa pro zkoušky odolnosti proti tvorbě trvalých deformací a smykové zkoušky byly prováděny ve spolupráci se silniční laboratoří FSv ČVUT a firem Brex, OAT,ASEI a Firesta. V silniční laboratoři byla vyrobena polovina zkušebních těles z modifikované směsi AKMS s pojivem Olexobit 45, kterou dodala firma PSVS a.s. Pro zkoušku opakovaného pojíždění kolem byla vyrobena zkušební tělesa o rozměrech 300x150x50 mm. Takto připravená tělesa byla rozřezána na dvě poloviny tj. 150x150x50 mm a s hliníkovými formami předána zhotoviteli EMZ, který doplnil zkušební vzorek hmotou EMZ na výsledný rozměr 300x150x50 mm. Na takto připravených tělesech byly provedeny požadované zkoušky.

Zkušební tělesa pro smykovou zkoušku byla vyráběna také ve dvou etapách. První část tělesa, tzn. velké Marshallovo těleso o průměru 150 mm, bylo vyrobeno na Marshallově pěchu. Jednalo se opět o směs AKMS. Výška tělesa byla cca 90 mm. Na takto připravená tělesa byl v druhém kroku firmou Brex nanesen materiál EMZ. Zkoušky těles probíhají.

Sledování a prohlídky zkušebních EMZ in situ

Pro sledování EMZ v provozních podmínkách byly vybrány dva mostní objekty realizované v roce 2004:

• Most v Lovosicích ev.č.I/15-039d. Při rekonstrukci mostu byl proveden EMZ v šířce 200mm, tloušťce 50mm a délce 2 x 8 m.
   
• Most v Chocni přes železniční trať. Byl proveden EMZ v šířce 400mm, tloušťce 80 mm a délce 16 m.
   
• Pro 2. etapu v roce 2005 měření se předpokládalo s realizací na některém mostním objektu na stavbě D11.  Předpokládá se, že objekt bude v tomto roce uveden do provozu a že se na EMZ budou sledovat účinky velmi těžkého provozu. V těžkých podmínkách  se měla ověřit spolehlivost EMZ. Protože však vytypované objekty na dálnici D 11 nebyly dosud dokončeny,byly vybrány dva mostní objekty na rychlostní komunikaci I/13 Liberec-Stráž nad Nisou, které mají obdobné těžké dopravní zatížení a navíc budou pro podrobné sledování řešitelskému týmu tohoto projektu i přístupnější.

Pro tato sledování a měření jsou prověřovány možnosti dlouhodobého měření napětí a pohybů v oblasti EMZ.

Řešení projektu je podporováno grantovou agenturou ČR, projekt č. 103/04/0581.

Literatura

[1] Bramel B.K.,Dolan Ch.W.,Puckett J.A., Ksaibati K., Technická Universita Wyoming, USA
[2] TP 80 Elastický mostní závěr, MD ČR, Praha 2003
[3] Diagnostický průzkum stávajících mostních závěrů, Mostní a silniční vývoj. Brno