Stav ocelových mostů po sto letech v provozu

Přestože se na našem území setkáváme s použitím nosných železných prvků ve stavebních konstrukcích již v období vrcholné gotiky, k významnějšímu rozšíření kovových konstrukcí jako takových mohlo dojít až po přechodu od řemeslného zpracování železa k jeho průmyslové výrobě. Technologie průmyslové výroby železa, zprvu v koksových vysokých pecích (pol. 18. století), pudlovacích pecích (80. léta 18. století), přes výrobu tekuté plávkové oceli (poč. 19. století) až k výrobě oceli v konvertorech (od pol. 19. století), pak vzhledem ke stále se zlepšujícím mechanickým vlastnostem ocelí, jejich vyšší produkci i klesající ceně, etapizovala i způsob návrhu a výroby mostních konstrukcí. Válcování ocelových plechů, které navázalo na mnohem starší postupy při válcování plechů z měkkých kovů, počíná sestavením válcovacích linek (1760), které přecházejí s nástupem železnic na válcování profilů, zprvu kolejových (20. léta 19. století), později úhelníků, T profilů a konečně i konstrukčních I a U profilů. Spojovací technologie šroubováním, nýtováním a kovářským svařováním v ohni, byly známy již z dob antiky a pro mostní konstrukce byly pouze přejaty a technologicky vylepšeny. Ke svařování elektrickým obloukem pak dochází až ve 20. letech 20. století.

V oblasti teorie konstrukcí je nutné připomenout, že Velká Británie založila své mostařské umění na práci řemeslníků¹, kteří se spoléhali hlavně na množství materiálových zkoušek a z chování konstrukcí odvozenou empirii; teoretických znalostí nabývali až mnohem později². Naproti tomu Francie, která se v realizaci kovových mostních konstrukcí za Británií zprvu opožďovala³, měla již na konci 18. století založeny skvělé inženýrské školy, jejichž výuka se opírala o precizní matematické modely. Základní výpočetní teorie z oblasti pružnosti tak shrnul Claude-Louis Navier (1826) a vliv posouvajících sil popsal Jean-Claude de Saint-Vénant (1853)⁴. Díky Benoit Clapeyronovi bylo možné řešit spojité nosníky pomocí třímomentové rovnice⁵. Významný vliv německy hovořících zemí pro výpočty mostních konstrukcí zahájil František Josef Gerstner se svými materiálovými zkouškami i shrnutím všech dosavadních znalostí stavební mechaniky⁶, deformací mostní konstrukce se zabýval Johann Schwedler⁷, příhradové nosníky řešil graficky Karl Cullmann⁸ a počátkem 60. let 19. století publikoval svou teorii kloubových spojitých nosníků i August Ritter ⁹.

Nejstarší evropské kovové mosty, pomineme-li mosty řetězové, byly konstruovány z šedé litiny (Ironbridge přes řeku Severn, Anglie, 1779), z níž se odlévaly i typové prvky, které se kombinovaly s nýtovanými prvky ze svářkového železa (v českých zemích je jako první vyráběla mostárna Vítkovických železáren od 50. let 19. století). V roce 1868 se však zřítil železniční litinový most přes Prut u Černovic (Ukrajina) a od dalších staveb litinových mostů tak bylo ustoupeno, stávající se začaly postupně vyměňovat za mosty ocelové (k poslední výměně litinového mostu došlo v roce 1894 v Děčíně). Další velkou kapitolou byly mosty visuté, z nichž první na evropském kontinentě postavil Bedřich Schnirch ve Strážnici na Moravě v roce 1824 ¹⁰, Schnirch pak navrhl řadu dalších mostů u nás (Loket, 1836; most Františka Josefa v Praze, 1841; nebo podolský most přes Vltavu, 1848), ale i mimo naše území (ve Vídni to byl například první visutý železniční most na světě). Podolský most byl v roce 1960 demontován a přenesen do Stádlece, kde je zachován dodnes. Plnostěnné trámové mosty byly konstruovány již od 40. let 19. století (Conway, Wales), u nás se dochovala řada historických typových silničních mostů (například Jablonec nad Jizerou). Plnostěnné trámové mosty se díky snadnější údržbě a velké únosnosti konstruují až do současnosti, již od poloviny 19. století však souběžně s nimi byly navrhovány i materiálově úspornější trámové mosty příhradové, které byly inspirovány dřívějšími mosty dřevěnými a které byly postupně tvarově optimalizovány a jako takové se navrhují rovněž až do současnosti¹¹. Jedním z hnacích motorů prudkého industriálního rozvoje v českých zemích na přelomu devatenáctého a dvacátého století bylo budování dopravní infrastruktury. V té době bylo nejen v českých zemích ale také ve světě realizováno velké množství nýtovaných mostních konstrukcí. Na rozdíl od jiných evropských států přežila na území českých zemí velká část z těchto mostních konstrukcí obě světové války a slouží tak svému účelu dodnes. Tyto mosty se bohužel blíží (nebo již překračují) své plánované životnosti 100 let. Cílem tohoto příspěvku je poskytnout informaci o současném stavu stávajících ocelových a ocelobetonových mostních konstrukcí. Stav konstrukcí je v první části příspěvku popsán prostřednictvím provedené statistické analýzy poruch železničních mostů a mostů pozemních komunikací (PK). Ve druhé části příspěvku jsou rekapitulovány poznatky z četných prohlídek stávajících historických konstrukcí.

STATISTICKÁ ANALÝZA PORUCH OCELOVÝCH MOSTŮ

Prvním krokem pro zpracování statistické analýzy bylo vytvoření databáze poruch reprezentativního souboru mostních konstrukcí. V případě železničních mostů byl pro analýzu stavebního stavu vybrán soubor čítající 557 ocelových a ocelobetonových mostů středočeského kraje a hlavního města Prahy. Pro analýzu četnosti poruch byl vzhledem k značnému rozsahu soubor redukován na 118 mostů. Informace byly získány z protokolů podrobných prohlídek mostních konstrukcí, zapůjčených organizací SŽDC s. o. [1].

Statistický soubor vytvořený pro mosty PK sestává z 81 konstrukcí Libereckého a Jihomoravského kraje, přičemž data byla získána studiem údajů uvedených v zavedeném systému pro hospodaření s mosty BMS [2], [3]. Do databáze jsou zahrnuty jak ocelové, tak ocelobetonové mosty. Pro účely analýzy byl použit číselný kód, umožňující objektivní popis poruchy a snadnou následnou kvantifikaci poruch. Tento kód byl založen na principu existujícího kódu uvedeném v Katalogu závad mostních objektů pozemních komunikací [4]. Kód byl však modifikován tak, aby bylo umožněno jeho použití jak na mostech PK, tak na železničních mostech. Základní vlastností kódu bylo třídění poruch do kategorií podle příčiny vzniku a charakteru poruchy. Poruchy byly roztříděny do níže uvedených kategorií:

• Trhliny v betonových prvcích nosné konstrukce.
• Únavové trhliny v ocelových prvcích.
• Korozní oslabení ocelových prvků.
• Nesilová degradace prvků nosné konstrukce (vlivy zvětrávání, biologický a chemický rozpad).
• Účinky vnějšího zatížení (usmýknutí, přetržení a podobně).
• Poruchy izolace (vápenné výluhy, odkapávající voda a jiné známky poruchy izolace).
• Nadměrná deformace (průhyb, natočení, vybočení, kmitání a podobně).
• Závady vzniklé z důvodu provozu na mostě, nebo pod mostem.

Železniční mosty

Základním posuzovaným kritériem byl vliv stáří konstrukce na její poruchovost. Stávající železniční mosty s ocelovou nosnou konstrukcí v průměru dosahují stáří 78 let a blíží se tedy konci své návrhové životnosti. Ocelobetonové mosty se zabetonovanými nosníky (dále jen ZBN) dosahují průměrného stáří 58 let a spřažené ocelobetonové mosty 21 let. Významný počet mostů, zejména konstrukcí se ZBN, byl realizován v meziválečném období. Z tohoto důvodu byl statistický soubor pro účely analýzy rozdělen do skupin následovně:

• Mosty postavené před rokem 1918 (průměrné stáří mostů v souboru: 134 let)
• Mosty postavené v období 1918 až 1945 (průměrné stáří mostů v souboru: 90 let)
• Mosty postavené po roce 1945 (průměrné stáří mostů v souboru: 31 let)

Grafy na obr. 1 ukazují počet mostů dle stavebního stavu nosné konstrukce (NK) v závislosti na stáří, respektive pravděpodobnost, se kterou lze očekávat stavební stav NK v závislosti na stáří konstrukce. Ve zkoumaném statistickém souboru, čítajícím 557 mostů, bylo pouze 10 % mostů hodnocených stupněm 3 z hlediska stavebního stavu NK, přičemž mostů starších 100 let, které jsou již za hranou své plánované životnosti, se ve statistickém souboru vyskytuje kolem 40 %.

Výsledky také potvrzují předpoklad, že stavebním stavem 3 jsou nejčastěji hodnoceny nejstarší mosty. Na daném souboru bylo stupněm 3 hodnoceno 20 % ze všech mostů postavených před rokem 1918, tedy mostů kde již uplynula plánovaná doba životnosti konstrukce. Grafy na obr. 2 ukazují četnost jednotlivých typů poruch, respektive průměrný počet jednotlivých typů poruch na jeden most v závislosti na stáří konstrukce. Z výsledků je patrné, že na každý most postavený před koncem 1. Světové války připadá v průměru 11 poruch. Mosty z meziválečného období vykazují v průměru 10 poruch na jeden most. Nejmenší průměrný počet 5 poruch na jeden most připadá na mosty postavené po 2. Světové válce. Zdaleka nejčetnější poruchou ocelových mostů je korozní oslabení, které tvoří téměř 50 % ze všech nalezených poruch.

V další části analýzy byl sledován výskyt poruch v závislosti na typu mostovky (viz obr. 3). Zdaleka nejhorší výsledky pro toto kritérium vykazuje prvková mostovka. Na prvkových mostovkách byla vyhodnocena největší četnost poruch souvisejících s korozí a poruch vzniklých provozem (např. vypadávání drobného kolejiva). Na zkoumaném souboru mostů bylo také nalezeno celkem 15 únavových trhlin, přičemž všechny se vyskytovaly v detailech prvkových mostovek. Nebyla nalezena žádná trhlina v hlavních nosnících, nebo jiných prvcích, jejichž kolaps by mohl mít za následek havárii celé konstrukce. Povětšinou šlo o trhliny v detailu plošného uložení mostnice na podélník, podružných detailech přípojů prvkové mostovky, či přípojích ztužení.

Mosty pozemních komunikací

Jak již bylo dříve popsáno, v České republice jsou ocelové mosty PK ve výrazné menšině. Nejstarší ocelové mosty jsou nejčastěji realizovány jako trámové příhradové mosty s dolní mostovkou, či plnostěnné mosty s dolní mostovkou. V případě novějších konstrukcí bývají ocelové prvky často spřaženy s betonovou deskou tak, aby byly co nejvýhodněji využity vlastnosti obou materiálů. Při posouzení vlivu stárnutí konstrukce na její poruchovost byl statistický soubor podobně jako u železničních mostů rozdělen do tří kategorií:

• Mosty postavené před rokem 1920 (průměrné stáří mostů v souboru: 125 let)
• Mosty postavené mezi lety 1920 a 1980 (průměrné stáří mostů v souboru: 55 let)
• Mosty postavené po roce 1980 (průměrné stáří mostů v souboru: 23 let)

Základní kritérium analýzy sledovalo četnost a pravděpodobnost výskytu konstrukcí, hodnocených různým klasifikačním stupněm stavebního stavu nosné konstrukce dle ČSN 73 6221 [6] (viz obr. 4). Podle tohoto kritéria můžeme konstatovat, že 6 % všech ocelových mostů PK bylo hodnoceno nejhorším klasifikačním stupněm VII – havarijní stav a ve špatném stavu se nachází další 3 % konstrukcí daného statistického souboru čítajícího 81 mostů. Z výsledků také plyne, že stavební stav konstrukce na stáří příliš nezáleží. Opět lze konstatovat, že počet mostů v havarijním stavu, nebo velmi špatném stavu je významně menší oproti předpokladu, který je dán počtem mostů překračujících svou plánovanou životnost.

Nejčastější poruchou je, stejně jako v případě železničních mostů, výskyt korozního oslabení nosných prvků. Analýza také odhalila výskyt trhlin v betonových deskách spřažených konstrukcí či degradaci betonu. Zajímavým poznatkem je fakt, že stav mostů PK se nezhoršuje v závislosti na stáří konstrukce (viz obr. 5). Ve skutečnosti z provedené studie vyplývá, že je poruchovost mostů PK na stáří spíše nezávislá. Některé typy poruch vykazují v závislosti na stáří konstrukce podobnou četnost. V některých případech jsou dokonce nověji postavené konstrukce v horším stavu. To platí například pro korozní poruchy, či projevy spojené s poruchou izolace. Z tohoto důvodu lze usuzovat na možné použití nekvalitních materiálů, či méně kvalitní provedení v příslušných obdobích. V rámci analýzy bylo také zaznamenáno významné množství poškozených dolních pásnic ocelových nosníků, z důvodu nárazu podjíždějícího nákladního vozidla. Důležitým poznatkem je, že na mostech PK nebyly nalezeny žádné únavové trhliny, nejspíše z důvodu nižšího působícího proměnného zatížení od dopravy.

Dalším kritériem pro posouzení poruchovosti mostů PK bylo hodnocení z hlediska třídy pozemní komunikace (viz obr. 6). Na základě vyhodnocení lze konstatovat, že mosty na pozemních komunikacích 1. třídy, a tedy s vyšší intenzitou dopravního zatížení, vykazují větší četnost poruch.

POZNATKY Z PROHLÍDEK OCELOVÝCH MOSTŮ

V uplynulém roce bylo prohlédnuto dalších cca 50 historických ocelových železničních mostů a mostů PK. Mimo popisu poruch a závad byly na většině prohlížených konstrukcí také provedeny nedestruktivní i destruktivní diagnostické zkoušky za účelem zjištění materiálových vlastností příslušné oceli. Vyhodnocení a tvorba zpráv (vzhledem k velkému rozsahu) stále pokračuje a výsledky budou známy v příštím roce. Obecně lze říci, že z hlediska četnosti poruch korespondují poznatky z provedených prohlídek se zjištěními statistické analýzy. V následujícím odstavci jsou rekapitulovány nejvýznamnější poruchy, které byly zaznamenány v rámci provedených prohlídek a statistické analýzy poruch ocelových konstrukcí:

• Únavové trhliny: Vyskytují se téměř výhradně na železničních mostech. Valná většina zaznamenaných poruch byla v detailu plošného uložení mostnice na podélník (viz obr. 7). Dále byly detekovány poruchy ve výztuhách mostnicových sedel při centrickém uložení mostnice na podélník, v přípojích nasazených podélníků, či v detailech přímého upevnění koleje na ortotropní mostovce.
• Koroze: Obecně je korozní oslabení nejčastější poruchou ocelových mostů. Z poznatků provedených prohlídek lze konstatovat, že procentuální oslabení plochy hlavních nosných prvků je ve většině případů spíše nevýznamné, a to i v případech, kdy se stav konstrukce jeví na první pohled velice dramatický. Největší korozní oslabení zpravidla postihuje podporové oblasti, kde se zadržují nečistoty a voda. Mezi závažnější korozní poruchy patří štěrbinová koroze v přípojích nýtovaných konstrukcí jak železničních mostů, tak mostů PK, kde může dojít z důvodu nárůstu korozních zplodin k tahovému namáhání nýtu. Povrchová koroze zpravidla způsobí větší procentuální oslabení u štíhlejších prvků, jako např. u prvků hlavního či příčného ztužení. Z tohoto důvodu jsou povrchovou korozí obecně více procentuálně oslabené mosty PK. Mezi další nejvíce oslabené prvky patří tenkostěnné profily mostin „Zorés“, používané na mostovkách nejstarších nýtovaných konstrukcí (viz obr. 7).
• Nadměrná deformace: Poměrně velké zastoupení mezi poruchami všech ocelových mostů mají nadměrné deformace spojené s nárazem vozidel, či z důvodu manipulace s mostem. Štíhlejší prvky příhradového ztužení z tohoto důvodu často vybočí se značnou výchylkou.
• Poruchy izolace: U ocelových a ocelobetonových mostů byly pozorovány případy zatékání, či výluhů pojiva indikujících poruchy izolace. Tyto poruchy se velmi často vyskytují na železničních mostech s kolejovým ložem. Rozsáhlejší poruchy byly zaznamenány zejména na starších mostech se zabetonovanými nosníky. V případě betonových konstrukcí jsou poruchy izolace katalyzátorem následného procesu degradace.
• Poruchy vzniklé provozem: Byly zaznamenány případy degradace ocelových, betonových i dřevěných prvků konstrukce v oblasti mostního svršku železničních mostů či vozovky.

ZÁVĚR

V České republice se nachází velké množství mostů, jejichž stáří se blíží nebo již překročilo plánovanou teoretickou životnost 100 let. Tyto mosty přesto slouží, byť někdy s menšími omezeními, provozu dodnes. Statistická analýza prokázala, že ocelové mostní konstrukce, za předpokladu přiměřené údržby, dokážou požadovanou životnost 100 let splnit a v naprosté většině případů lze životnost mostů prodloužit. Nicméně je třeba stav mostů prostřednictvím prohlídek nadále monitorovat a v případě nalezení závažnější poruchy přikročit k bezodkladné sanaci. Zaznamenané poruchy provozovaných mostů nemají v naprosté většině případů zásadní vliv na zatížitelnost a spolehlivost mostní konstrukce. Na základě výsledků analýzy lze konstatovat, že stav ocelových mostů je s ohledem na jejich průměrné stáří dobrý.

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

REFERENCE:
[1] Protokoly z podrobných prohlídek mostních konstrukcí. Praha: SŽDC a. s., státní organizace, Oblastní ředitelství Praha, 2013.
[2] © VARS BRNO a. s., Bridge Management System – BMS [online]. © VARS BRNO a. s., 2001 Available from: www.bms.clevera.cz. 
[3] O’NEILL, O., Metodika pro stanovení stavu existujících mostů. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2013. 20 p.
[4] PONTEX spol. s r. o., Katalog závad mostních objektů pozemních komunikací [online]. 2008th ed. Praha: Pontex spol. s r. o., 2008 Available from: www.bms.vars.cz. 
[5] SŽDC S5, Správa mostních objektů. Praha: SŽDC a. s., státní organizace, 2012. 79 p.
[6] ČSN 73 6221, Prohlídky mostů pozemních komunikací. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2018. 64 p.

¹ Například Thomas Telford (1757 – 1834), autor mostu přes úžinu Menai ve Walesu, ve své době největšího mostu na světě (1826) a zakladatel a první prezident ICE (Institute of Civil Engineers), byl vyučeným kameníkem. První odborné průmyslové školy začaly v Británii vznikat až v roce 1825 (např. Mechanics Institute Machester, Mechanics School Liverpool)
² CHARLTON, T.M., A History of the Theory of Structures in the Nineteenth Century. Cambridge: Cambridge University Press, 1982
³ NAVIER, C.L.M.H., Rapport à monsieur Becquey conseiller d‘Etat, directeur général des Ponts et Chaussées et des Mines et Mémoire sur les ponts suspendus. Paris : L’Imprimerie royale, 1823
⁴ NAVIER, C.L.M.H., Saint-Venant, Barré de, Jean Claude. Résumé des Leçons données à l‘École des Ponts et chaussées. Paris: Dunod, 1864
⁵ CLAPEYRON, B. E. Notice sur les travaux de M. Émile Clapeyron. Paris: Imprimerie Mallet-Bachelier, 1857
⁶ GERSTNER, F. J. von. Handbuch der Mechanik. Praha: Johann Spurny, 1831
⁷ SCHWEDLER, J. W. Ermittlung der Durchbiegungen einiger der gebräuchlichsten Brückenconstructions-Systeme. In: Zeitschrift für Bauwesen, roč. 12, 1862, s. 269–282
⁸ CULMANN, K. Die Graphische Statik. Zürich: Meyer&Zeller, 1866
⁹ RITTER, A. Elementare Theorie Und Berechnung Eiserner Dach- Und Brücken-Constructionen. Hannover: Carl Rümpler, 1862.
¹⁰ Troppauer Zeitung, No. 66, August 16, 1824
¹¹ FALTUS, F. Plnostěnné ocelové mosty trámové. Praha: Nakladatelství Československé akademie věd, 1965