Zavěšený most přes řeku Labe u Poděbrad
První diagnostikovanou konstrukcí je mostní objekt nacházející se ve Zlínském kraji (okres Vsetín) nedaleko obce Hrachovec (obr. 1). Jedná se o jednopolový zavěšený most převádějící komunikaci 3. třídy přes Rožnovskou Bečvu. Mostovku tvoří prefabrikované předpjaté segmenty (upravené KA nosníky), které jsou uloženy na dvojici předpjatých T nosníků, které jsou zavěšeny pomocí závěsů na dvojici prefabrikovaných předpjatých pylonů. Spodní stavbu tvoří masivní železobetonové monolitické opěry s železobetonovými úložnými prahy. Most byl postaven roku 1992 podle projektu projekční kanceláře Dopravní stavby Olomouc.
Druhou stavbou je mostní objekt ve Středočeském kraji (okres Nymburk) nedaleko města Poděbrady (obr. 2). Jedná se o třípolový zavěšený most, který převádí dálnici D11 přes řeku Labe. Most je tvořen prefabrikovanou letmo montovanou segmentovou komorovou konstrukcí. Zavěšení je realizováno jako harfové, na dvou pylonech situovaných nad vnitřními pilíři, konstrukce je zavěšena v jedné rovině v ose mostu. Most byl postaven roku 1990 podle projektu stejné kanceláře.
1. DIAGNOSTICKÝ PRŮZKUM ZÁVĚSŮ
U obou popisovaných mostů byl proveden maximálně šetrně základní diagnostický průzkum závěsů, přičemž veškeré sondy byly po ukončení průzkumu zapraveny a přetěsněny [1] a [2]. U mostu poblíž obce Hrachovec bylo navíc požadováno určení silového namáhání jednotlivých závěsů v průběhu rektifikace v roce 2019.
1.1 Akustické trasování
Kontrola injektáže všech závěsů v Hrachovci metodou akustického trasování prokázala, že průměrně 95,71 % injektáže v závěsech mostu je soudržná s vnitřním povrchem ocelové chráničky. Pouze lokálně byla zastižena místa s odtrženou injektážní maltou od vnitřního líce trubky, v procentuálním vyjádřením se jedná o 4,29 %.
Samotné akustické trasování závěsů mostu přes Labe bylo provedeno z pracovní plošiny ve dvanácti převážně svislých měřících pásech po délce (obr. 3 a obr. 4). Červená barva na obrázku č. 4 znamená velkou pravděpodobnost nevyplnění závěsu injektáží (zvonivá až křaplavá zvuková odezva), oranžová barva signalizuje odtržení injektáže od obalu (zvonivá odezva) a zelená barva indikuje, že injektáž je v pořádku, tj. soudržná s trubkou tvořící obal závěsu (dunivá odezva).
1.2 Vizuální kontrola vnějšího obalu závěsů včetně kontroly PKO
Současně s prováděním akustického trasování bylo vizuálně kontrolováno také poškození PKO a mechanické poškození ocelové trubky obalu závěsů. V případě poškození PKO závěsů se vizuální prohlídka zaměřila na oděrky, lokální zmenšení tloušťky nátěru, korozi, případně nedokončený nátěr. V případě mechanického poškození bylo sledováno, jestli se jedná o promáčklinu, ohnutí a zda je či není poškození ještě z doby výstavby.
1.3 Vizuální kontrola injektáže
Odtržení ocelové trubky závěsu od injektáže v cca 30 až 50 % délky bylo ověřeno včetně následné kontroly stavu injektáže a její vlhkosti na několika místech semi-destruktivními sondami skrze šroubení závěsů nebo řezanými sondami (obr. 5). Předpínací lana v místě drobných kaveren mají pouze povrchovou korozi (pravděpodobně již ze stavby). V téměř všech sondách byla zastižena plná injektáž s lany bez koroze. Rovněž ve všech závitových otvorech umístěných ve spodní části závěsů byla nalezena injektáž, která plní ochrannou pasivační funkci všech 18 předpínacích lan.
1.4 Diagnostika kotev
Během diagnostického průzkumu byly také vizuálně zkontrolovány vybrané kotvy závěsů. Kontrolována byla celistvost ochrany prostoru kotevních kuželíků ochrannými kryty, vyplněnost obalů mazivem a celkový stav kotev. Nebyly zastiženy žádné stopy vlhkosti, vytékající vody ani koroze předpínacích lan. Ve všech obalech bylo zastiženo dostatečné množství maziva chránící kotevní kuželíky proti vniku vzdušné vlhkosti (obr. 6).
1.5 Měření vlhkosti injektáže závěsů RH metodou
Pro stanovení vlhkosti betonu je možné využít semi-destruktivní i nedestruktivní metody. Standardní a referenční metodou je semi-destruktivní metoda gravimetrická dle ČSN EN ISO 12570, kdy je odebrán vzorek materiálu a vlhkost vzorku se stanovuje z poklesu jeho hmotnosti po vysušení při 105 °C. Pro stanovení vlhkosti injektáže nedestruktivně byla zvolena metoda měření vzdušné vlhkosti v modifikaci dle ASTM F2170. V našem případě bylo využito pro měření vlhkosti injektážního betonu existující šroubení v závěsech, kdy potřebný měřicí prostor vytvoříme náhradou krycího víčka kontrolního otvoru za snímač vlhkosti vlastní konstrukce (obr. 7). Naměřená vzdušná vlhkost v dutině pod snímačem byla od 88 % RH. Ve třinácti případech vzdušná vlhkost překročila rozsah snímače (99,9 % RH). Přitom vzdušná vlhkost v hodnotách 90 % RH a více odpovídá dle sorpčních křivek pro cementovou maltu vlhkosti přes 5 % hmotnosti.
2. MĚŘENÍ SIL V ZÁVĚSECH
Určení silového namáhání jednotlivých závěsů na zavěšené konstrukci je výhodné pro kontrolu namáhání již při výstavbě konstrukce. Napnutí jednoho závěsu větší silou způsobí povolení sousedních závěsů. Povolený závěs pak kmitá s větší amplitudou s vlivem na únavové namáhání spojů s nosnou konstrukcí. Stanovení sil v závěsech má význam ale i za provozu mostu, kdy slouží jako podklad pro návrh případné rektifikace, nebo pro diagnostické účely.
Silové namáhání závěsů lze poměrně přesně stanovit pomocí měření dynamických vlastností. V průběhu opravy mostu u obce Hrachovec byla navíc dynamická metoda stanovení sil ověřena tenzometrickým měřením při dopínání závěsů zespodu (kotvy opatřeny rektifikačními maticemi). Tato kalibrace dynamického měření potvrdila správnost metodiky a stanovila vhodnost použití pro složitý systém lanového závěsu zainjektovaného v ocelovém obalu, přičemž stejný typ lanového závěsu byl použit i pro most přes Labe u Poděbrad.
Dynamickým měřením frekvencí akcelerometry osazenými na závěs pomocí magnetu (obr. 10) je možné určit celkovou napínací sílu v závěsu v různých okamžicích v průběhu rektifikace a po opětovném zakotvení. Měření lze provádět kdykoliv v budoucnosti, za předpokladu definování výchozího stavu sil v závěsech po dokončení výstavby či opravy mostu. Tenzometrickým měřením pomocí strunových tenzometrů lze spojitě monitorovat změny přetvoření korespondující se změnami silového namáhání při dopínání závěsů.
Dynamické měření závěsů mostu Hrachovec se záznamem kmitání bylo provedeno v srpnu a listopadu roku 2019. V srpnu bylo provedeno první měření za účelem kalibrace určení sil pomocí dynamického měření s výpočtem frekvenčních spekter kmitání a výpočtu silového napnutí ze vztahů pro předpjatý vetknutý prut [4]. Listopadové měření bylo provedeno pro stanovení výchozích hodnot sil v závěsech po dokončení opravy mostu a pro případné dlouhodobé, opakované sledování mostu.
Pro kalibraci dynamického měření byly v součinnosti se stavbou vybrány závěsy Z37L a Z37P a později závěsy Z38L, Z45L a Z46L. Záznamy kmitání (obr. 8) byly podrobeny frekvenční analýze metodou FFT v softwarovém prostředí NV4 BMC Messsysteme, časové okno Hanning (obr. 9). Rozlišovací krok frekvence Δf = 0,02 Hz.
Ze zjištěných vlastních frekvencí „struny“ fn lze, při dostatečně přesné známosti měrné hmotnosti µ a volné vibrační délky l, určit napínací síly [3], [4], přičemž metoda určování sil v napnutých závěsech měřením vlastních frekvencí při správném určení kmitající délky l dává dobré výsledky pro závěsy o relativně větších délkách – lze odhadnout cca > 12 m. Při menších délkách již hraje značnou roli volba a uplatnění vlivu okrajových podmínek a reálné provedení koncových částí konstrukce závěsu.
Měření dynamických veličin v průběhu napínání závěsu probíhalo dle předem daného harmonogramu. Změření síly v závěsu před napínáním (původní stav). Dále zaznamenání hodnot při napínání, kdy došlo k vyrovnání původní síly v závěsu (uvolnění kotvy, vytvoření drobné mezírky mezi kotvou a kotevní deskou). Následovalo měření po napnutí závěsu na požadovanou sílu, měření pro drobné přetažení napětí před zakotvením, a nakonec pro finální zakotvení a uvolnění závěsu z hydraulického lisu (tabulka 1).
Jako kontrolní měření prováděné kalibrace byl navržen a dne 15. 8. 2019 osazen uzavřený systém tenzometrického měření sledující změny přetvoření a napětí v závěsech (obr. 11). Měřicí zařízení tvořily povrchové strunové tenzometry se svařitelnými koncovými bloky typu 0VK4000VS00 od výrobce SISGEO S.R.L.
Tenzometrickým měřením není možno zjistit počáteční napjatost ani aktuální sílu v závěsu. Je však možné určit změnu napjatosti a nárůst/pokles síly v závěsu v průběhu měření (obr. 12).
Tenzometrické měření změn silového namáhání v závěsech potvrdilo provedenou kalibraci dynamického měření. Příkladem uveďme hodnoty pro závěs Z38P a Z45P. Síla v závěsu Z38P dne 25. 11. 2019 určená tenzometrickým měřením za výše uvedených předpokladů a výpočtů nabývá hodnoty 1 275 kN. Síla určená z dynamických vlastností dne 25. 11. 2019 na stejném závěsu je 1 285 kN. Změnu sil v průběhu předpínání a vlivem různých fází výstavby lze potvrdit uvedenými výsledky popisujícími silové změny v závěsu. Při dopínání závěsu Z38P vzrostla síla o 552 kN. Dopnutím sousedních závěsů Z39P a Z40P nastal pokles síly v závěsu Z38P o 200 kN a po aplikaci mostního svršku vzrostla síla o 238 kN na konečných 1 275 kN. Síla v závěsu Z45P dne 25. 11. 2019 určená tenzometricky nabývá hodnoty 1 416 kN a síla určená dynamicky pak 1 478 kN. Shoda určení síly v závěsu je do 5 %.
3. ZÁVĚR
Dynamické měření lze s výhodou využít v budoucnu pro jeho jednoduchost. Uchycení akcelerometru na závěs nevyžaduje žádný zásah do konstrukce závěsu, přičemž měření lze provádět i za provozu. Předpokladem je určení výchozího stavu (sil v jednotlivých závěsech) za předchozí správné kalibrace měřického systému. V budoucnu pak je možné určit pomocí akcelerometrů změny sil v závěsech např. z důvodů reologických změn.
Kalibrace dynamického měření byla na mostě u Hrachovce provedena porovnáním sil na hydraulickém válci při dopínání závěsů a porovnáním s tenzometrickým měřením sil na vybraných závěsech. V našem případě bylo měření provedené z důvodu kalibrace ve velmi dobré shodě s údaji stanovenými odečtem z hydraulického válce – shoda do 6 %.
Použitá metoda určování sil v napnutých závěsech měřením vlastních frekvencí dává dobré výsledky pro závěsy o relativně větších délkách (cca > 16 – 20 m). Při menších délkách již hrají značnou roli volba a uplatnění vlivu okrajových podmínek a reálné provedení koncových částí konstrukce závěsu.
V článku byly popsány vybrané metody pro diagnostiku závěsů a následné měření sil v závěsech u dvou zavěšených mostů. Provedené diagnostické průzkumy závěsů pomohly při realizaci oprav a ověřily možnosti rozšíření diagnostických metod o pokročilé postupy a nové metodiky.
Ing. Radim Nečas, Ph.D.
Ing. Ladislav Klusáček, CSc.
Ing. Jan Koláček, Ph.D.
Ing. Adam Svoboda
Martin Olšák
Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně
LITERATURA (VOLITELNÉ) DLE ČSN ISO 690:2011:
[1] KLUSÁČEK, Ladislav a kol. Most ev.č. 01873-1 přes Rožnovskou Bečvu před obcí Radonice, Diagnostický průzkum mostu a ověření rektifikace závěsů. Brno, 03/2020.
[2] KLUSÁČEK, Ladislav a kol. Diagnostický průzkum závěsů mostu přes Labe u Poděbrad. Brno, 08/2020.
[3] GEIER, R., De ROECK, G., PETY, J. Cable Force Determination for the Danube Channel Bridge in Wienna, Structural Engineering International 3/2005
[4] NEČAS, M. Měření napětí v táhlech pomocí vlastních frekvencí, BP FEL ČVUT Praha 2010
Poděkování
Teoretické podklady pro prezentované výsledky byly získány za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím TA ČR v rámci projektu CK01000042 „Upřesnění zbytkové únosnosti předpjatých mostů“. Dynamická a tenzometrická měření byla realizována a vyhodnocována za pomoci Ing. J. Veselého, Ing. L. Bobka a Ing. M. Požára.
