Skutečná únosnost 115 let starého mostu v Petrově

Článek popisuje provedení zcela atypické zatěžovací zkoušky, která byla provedena v červenci na mostě v Petrově u Šumperka za podpory Ředitelství silnic a dálnic ČR. Zkouška byla provedena na 115 let starém příhradovém nýtovaném silničním mostě. Celý zkušební program se skládal z dlouhodobého monitoringu, zesílení konstrukce pomocí metody SMA (shape memory alloys) pro zlepšení únosnosti a únavové odolnosti. Následně byl most uzavřen a byla provedena série dynamických zkoušek (modální analýza) na mostě bez poškození a mostě s provedením řízených poškození. Na závěr byla provedena zkouška s využitím 475 t zatížení. Při zkoušce byl most podrobně sledován za pomoci 96 snímačů, laserového skenování a geodetického měření. Nejvýznamnější výsledky jsou zde prezentovány.

POPIS MOSTNÍ KONSTRUKCE

Jedná se o ocelový trámový příhradový most s dolní mostovkou. Most má jedno pole o rozpětí 21,03 m. Most je výrazně šikmý, šikmost je 52°. Světlost mostního otvoru v šikmé je 20,25 m. Most překonává řeku Desnou. Světlá výška pod mostem je cca 3,0 m. Na mostě je dvoupruhová vozovka, chodníky na mostě nejsou. Světlá šířka mostu je 7,05 m.

Hlavní nosnou konstrukcí mostu jsou dva ocelové příhradové nosníky, které jsou v osové vzdálenosti 7 510 mm. Nosníky mají 8 příhrad svislicové soustavy, sudé svislice jsou vynechané. Výška nosníků je 2 970 mm. Hlavní nosná konstrukce je otevřeně uspořádaná. Nosníky jsou nýtované. Pruty nosníků jsou jednostěnné. Horní pás je průřezu T, dolní pás je obráceného průřezu T, diagonály a svislice jsou členěné pruty složené ze čtyř, příp. dvou úhelníků. V úrovni dolních pásů hlavních nosníků je příhradové ztužení. 

Hlavní nosná konstrukce je uložena pomocí 6 ocelových ložisek na opěry. Na Rýmařovské opěře jsou 3 ložiska podélně pohyblivá, na Šumperské opěře jsou 3 ložiska pevná. 4 ložiska jsou umístěna v osách hlavních nosníků a 2 podružná ložiska jsou uprostřed podporových příčníků.

Mostovka se skládá z příčníků, podélníků, římsových nosníků a mostin Zorés. Vnitřní příčníky jsou orientovány kolmo k podélné ose mostu v osových vzdálenostech 5 050 mm a jsou připojeny k hlavním nosníkům ve styčnících dolního pásu. Krajní příčníky u opěr jsou šikmé. Příčníky jsou nýtované nosníky tvaru I o výšce 758 mm. Podélníky jsou v osových vzdálenostech 1 170 mm a jsou připojeny k příčníkům tak, že horní pásnice podélníků a příčníků lícuje. Podélníky jsou válcovaného průřezu o výšce 350 mm. Římsové nosníky jsou umístěny 225 mm od osy hlavního nosníku, jsou to nýtované nosníky o výšce 420 mm.

Vozovka se skládá ze štěrku tloušťky 85 až 175 mm. Horní povrch štěrkové vrstvy je ve střechovitém spádu. Na štěrkové vrstvě je asfaltová vozovka. Na mostě je oboustranné ocelové zábradlí.

Opěry jsou šikmé a křídla jsou rovnoběžná. Opěry jsou betonové. Pod ložisky jsou kamenné úložné kvádry výšky 500 mm. Opěry jsou založeny plošně na betonovém základu.

V evidenci BMS je udaná zatížitelnost V_n = 4 t a Vr = 5 t. Most byl postaven mostárnou bratří Kleinů v roce 1906 (Zöptauer und Stefanauer Eisebau und Eisehütten a. g. Zöptau), viz obr. 2.

EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM

Investor ŘSD ČR již dlouho plánoval výměnu uvedeného mostu z důvodu velmi špatného stavu mostovky a spodní stavby. Nicméně, problémy se získáním stavebního povolení tento proces dlouhodobě blokovaly. V roce 2019 bylo stavební povolení vydáno a byl i vysoutěžen zhotovitel stavby. Toto byla i možnost využít most pro vědecké účely. Po zvážení možností, byl připraven následující experimentální program:

• zřízení dlouhodobého monitoringu mostu v 96 místech (tenzometry, teplotní snímače, snímače dráhy a zrychlení),
• zesílení vybrané části mostu,
• provedení zatěžovací zkoušky před a po zesílení pro prověření jeho funkčnosti,
• provedení modální analýzy mostu pro nepoškozený stav a pro stav po provedení umělého poškození s cílem zjištění možností detekce tohoto poškození,
• lokální zatěžovací zkouška korodované mostovky z mostnic Zores,
• zatěžovací zkouška s extrémním účinkem až do porušení hlavního nosníku.

V tomto příspěvky jsou prezentovány výsledky posledních dvou částí programu.

ZKOUŠKA LOKÁLNÍ ÚNOSNOSTI MOSTOVKY

Zatěžovací zkouška mostovky byla provedena z pomoci betonových panelů o celkové hmotnosti 17 t a velikosti 1 × 3 × 0,215 m. Ty byly uloženy na dřevěné podkladky velikosti 0,5 × 0,5 m jako simulace kolového zatížení. S ohledem na nepřístupnost mostovky nebyl ale před zkouškou stav mostnic znám.

Tenzometry byly osazeny na horní a dolní vlákna průřezu mostnic Zores, jak je vidět na obr. 3.

Celkový dosažený průhyb mostnic byl jen 1,4 mm (relativní průhyb mezi podélníky) a maximální dosažené napětí 130 MPa. Tyto výsledky ukázaly velký vliv spolupůsobení s vozovkou. Porovnáme‑li výsledky s modelem bez vozovky, je patrné, že vliv tuhosti a únosnosti vozovky na redukci napětí a průhybu je cca 35 %, což lze označit za významné.

Pro dosažení předpokládané meze kluzu by bylo nutno dosáhnout zatížení 33 t, což odpovídá nápravovému zatížení 66 t, což ukazuje na mimořádnou odolnost i poměrně značně zkorodované mostovky staré 115 let, na které nebyla provedena jakákoliv stavební údržba.

Po demolici mostu byl posouzen i stav mostnic Zores. Jak je vidět na obr. 6, mostnice vykazují korozní poškození, které se pohybuje v rozmezí 10 – 20 %.

GLOBÁLNÍ ZKOUŠKA MOSTU DO PORUŠENÍ

Globální zkouška mostu byla svým rozsah výjimečná. Jejím hlavním cílem bylo:

• analyzovat chování mostu v nelineární zatěžovací fázi, po překročení meze kluzu,
• zjištění skutečné únosnosti mostu,
• zjistit nelinearity pro validaci numerického modelování.

Zatížení bylo prováděno pomocí betonových panelů velikosti 3 × 1 × 0,215 m. Ty byly umístěny do šesti vrstev o celkové výšce 1,29 m. Následně bylo na most osazeno 158 pastových pytlů naplněných štěrkem o velikosti 1,05 × 1,05 × 1 m, postupně skládaných do stabilní pyramidy. Celkové zatížení pak bylo 253,3 t (panely) a 253,3 (big-bagy) and 4,4 t štěrk pod panely, celkem 475 t. Poloha zatížení je vidět na obr. 7.

Zatěžování probíhalo ve dvou dnech. V prvním dni se most zatížil až na bezpečnou pružnou mez. Následně ráno bylo zahájeno zatěžování až do maxima. Za pomoci big-bagů. V této fázi bylo patrné progresivně nelineární chování, jak je vidět na obr. 8.

I když celkového kolapsu mostu nebylo dosaženo, řada prvků byla nevratně poškozena, jak je patrné z reziduální trvalé deformace. Je to patrné na diagonále RD3, která dosáhla plastifikace a následně docházelo k rapidnímu nárůstu přetvoření směrem ke kritickému zatížení. Podobné chování je patrné i na horním pase.

Trvalá deformace se projevila i na průhybu. Na levém nosníku byla trvalá deformace 10 mm, na pravém pak 25 mm (což odpovídá 40 % celkové svislé deformace).

Zajímavé chování bylo zaznamenáno na ložiskách. Vodorovná tuhost byla značná zejména v případě pohyblivých ložisek (UXL5 a UXR5, viz obr. 11). Jejich posun byl menší než posun pevných ložisek (pro představu, při volných ložiskách by vodorovný posun byl 14 mm, dosažený posun byl jen 1,5 mm). To je známkou jednak koroze v ložiskách, ale zejména vlivu omezení deformace NK na konci. Důvod byl nalezen po demolici mostu. Koncový příčník byl zafixován do závěrné zídky v důsledku nedávné opravy, což významně znemožnilo dilatační kapacitu mostu. Zablokování konců NK je patrné i z laserového skenování. Po srovnání původní (žluté) a výsledné (červené) polohy mostu je patrné, že posun ložisek byl zcela minimální, viz obr. 12.

Co se týče průhybu, jediné vysvětlení dosaženého průhybu je, že nýtované styčníky nedosáhly pouze prokluzu v pootočení, ale i prokluzu v podélném směru prvků. Tento prokluz a související lokální plastifikace byla cca 1 mm u dolního pasu a u diagonál v tlaku.

Na základě vyhodnocení měření a numerického nelineárního modelu byla stanovena kritická mezní reálná únosnost na hodnotu F_cr = 5 070 kN (tedy 516 t).

ZÁVĚR

Provedení této zatěžovací zkoušky bylo unikátní možností pochopit skutečné působení ocelového nýtovaného mostu. Při zkoušce bylo zjištěno mnoho významných a důležitých informací. Hlavní závěry lze rekapitulovat jako:

• nápravová únosnost mostovky z mostnic Zores lze stanovit na hodnotu 66 t
• odběrem materiálových vzorků byla zjištěna v kritickém místě cca o 25 % vyšší mez kluzu, než bylo předpokládáno,
• globální zkouška ukázala chování mostu v pružné, plastické a nelineární oblasti,
• trvalá deformace se dá vysvětlit pouze prokluzem v nýtovaných styčnících,
• omezeni posunu koncového příčníku zabetonováním do závěrné zídky významně ovlivnilo chování mostu. Posuvná ložiska se prakticky neposouvala ani při takto extrémním zatížení.

PODĚKOVÁNÍ
Příspěvek byl vypracován v rámci řešení projektu DG18P02OVV033 Metody pro zajištění udržitelnosti ocelových mostních konstrukcí industriálního kulturního dědictví podporovaném Ministerstvem kultury ČR.

doc. Ing. Pavel Ryjáček, Ph.D.
Vojtěch Stančík, J. Braun, Jiří Litoš
ČVUT v Praze, Fakulta stavební

Petr Jašek
Nedoma & Řezník, s. r. o.