Predpäté betónové železničné mosty na trati Púchov – Považská Bystrica
Článok sa zaoberá koncepčným návrhom dvoch predpätých železničných mostov z konštrukčného a architektonického pohľadu, ktoré boli uvedené do prevádzky v roku 2022. Nový železničný most nad Váhom je 5polová spojitá konštrukcia s maximálnym rozpätím 65 m. Most bol postavený technológiou letmej betonáže a predopnutý kombináciou súdržných a voľných káblov nachádzajúcich sa vo vnútri dvojkomorového prierezu. Nový železničný most nad Nosickou priehradou je 12polová spojitá konštrukcia s maximálnym rozpätím 51,5 m. Most je predpätý EDS (extradosed) káblami. Mostný objekt bol pôvodne navrhnutý pre technológiu letmej betonáže, ktorá sa neskôr zmenila na kombináciu letmá betonáž a výsuvná skruž.
Úvod
Keď sa pred pätnástimi rokmi projektovali úvodné stupne modernizácie železničného koridoru Púchov – Žilina, úsek trate Púchov – Považská Bystrica sa javil v kolektíve zaoberajúcim sa návrhom betónových železničných mostov takmer za nerealizovateľný najmä z pohľadu vysokých nákladov. Pôvodná trať meandrovala spolu s Váhom členité geografické územie, a preto si modernizácia vyžiadala takmer úplnú preložku existujúcej trate.
Výsledkom bolo striedanie veľkých mostov a tunelov na krátkom úseku. A zároveň, aj keď nový betónový železničný most cez Váh v Trenčíne bol pred realizáciou, stále sa betón na Slovensku nemohol pokladať za tradičný materiál pre stavbu železničných mostov. Je rok 2023 a v ankete ABS Stavba roka 2022 sa Modernizácia trate Púchov – Žilina, I. etapa, stala víťazom hneď v dvoch kategóriách. Získala Cenu Ministerstva dopravy SR za celospoločenský prínos v oblasti architektúry a stavebníctva a taktiež Hlavnú cenu v kategórii Inžinierske stavby. Táto stavba za takmer 365 mil. eur sa zrealizovala v období 07/2016–05/2022.
Úsek trate Púchov – Považská Bystrica
Železničná trať v úseku Trenčín – Žilina bola uvedená do prevádzky 1. novembra 1883. Okolo Váhu viedla železnica na krátkom úseku po pravom brehu práve v okolí súčasnej Nosickej priehrady. Váh prekonala trať dvoma mostmi (takzvané milochovské), aby sa skrátila vzdialenosť medzi Púchovom a Považskou Bystricou a vyhlo sa nepriaznivým geografickým podmienkam meandrovitého územia Váhu. Na začiatku päťdesiatych rokov 20. storočia bolo rozhodnuté o výstavbe Priehrady mládeže (Nosickej priehrady) na Váhu, čo spôsobilo preložku železničnej trate v mieste budúcej priehrady. Priehradný múr je vybudovaný presne na mieste, kde sa kedysi nachádzal dolný Milochovský most. Prevádzka na preloženej trati sa začala v januári 1958. Pôvodná železničná dvojkoľajová trať tak kopíruje úbočie Strážovských vrchov v dotyku s ľavým brehom rieky a Nosickej priehrady [1].
Nové betónové železničné mosty boli vybudované v rámci projektu Modernizácia koridoru Púchov – Žilina pre traťovú rýchlosť 160 km/h (obr. 2). Mosty sa nachádzajú na traťovom úseku Púchov – Považská Bystrica. Celková dĺžka pôvodného úseku trate bola 10,981 km, po zmodernizovaní sa skrátila na 8,302 km. Úsek trate zahŕňa dva tunely a tri železničné mosty, tunely Diel s dĺžkou 1 082 m a Milochov s dĺžkou 1 861 m. Nový železničný most cez Nosický kanál je oceľový Langerov nosník s rozpätím 124,8 m a ďalšie dva mosty sú z predpätého betónu. Preložka modernizovanej trate predstavuje viac ako 90 % pôvodnej dĺžky.
Nové betónové mosty
Nové železničné mosty z predpätého betónu križujú rieku Váh a Nosickú priehradu. Charakter prekážok, rozpätia nad 50 m a oveľa väčšie dopravné zaťaženie v porovnaní s cestnými mostmi ako aj ťažšia konštrukcia viedli k rozhodnutiu použiť ako jedinú konštrukčnú technológiu budovania – letmú betonáž od samého začiatku procesu projektovania. Navrhované riešenie počtu polí a ich dĺžka, pozdĺžny profil, boli ďalej formované miestnymi podmienkami a hlavne architektonickými požiadavkami.
Nový železničný most cez Váh je päťpoľový dvojkomorový most s dĺžkou rozpätia polí 47,5 m + 3× 65,0 m + 47,5 m. Nový železničný most cez priehradu Nosice je extradosový most s dvanástimi poliami a rozpätiami 39,0 m + 10× 51,5 m + 37,59 m.
Návrh oboch mostov ovplyvnil požadovaný profil trate. Malá vzdialenosť 4,2 m medzi osami koľají je dôvodom, prečo bol navrhnutý iba jeden most s dvoma koľajami. Dôvodom dvojkomorových prierezov bola šírka konštrukcie. Oba mosty majú šírku prierezu približne 16 m vrátane bočných chodníkov. Extradosový most navyše musel mať zvislé vonkajšie steny z dôvodu kotvenia závesov. Závesy nebolo možné usporiadať v jednej rovine z dôvodu chýbajúceho priestoru medzi koľajami.
Aby sa predišlo návrhu masívnej pojazďovanej hornej mostovkovej dosky v priečnom smere s dĺžkou rozpätia približne 10 m, v priereze bola použitá vnútorná stena. Vnútorná stena znižuje účinok šmykového ochabnutia a vytvára väčší priestor pre usporiadanie súdržného predpätia. Mosty boli navrhnuté podľa Eurokódov na účinky vlaku UIC-71, Zaťažovací model LM71 s kategorizačným súčiniteľom α = 1,25 a zaťažovacie modely SW/0 a SW/2 podľa EN 1991-2 (2003).
Nový železničný most cez Váh
Nový železničný most cez Váh križuje rieku a priľahlú inundáciu rieky. Rieka pod priehradným múrom nie je splavná a nevyžaduje vytvorenie plavebného gabaritu.
Horná stavba
Usporiadanie mosta ovplyvnili nasledujúce podmienky. Rieka má v smere trate šírku viac ako 120 m a krajné pole končí pri portáli nového tunela Diel (obr. 3). Jedna podpera by teda bola vždy situovaná v koryte rieky. Projektanti boli navyše požiadaní, aby vytvorili ilúziu oblúkového mosta, pretože priľahlá mostná konštrukcia bola navrhnutá ako oceľový Langerov nosník. Tieto podmienky viedli k rozhodnutiu postaviť päťpoľový dvojkomorový most s dĺžkou vnútorných polí 65 m a krajných polí 47,5 m, čo je 73 % dĺžky hlavného poľa. Ilúziu oblúkového mosta tvorili nábehy s predimenzovanou výškou 8,0 m pri medziľahlých podperách a 3 m v strede rozpätia (obr. 4). Štíhlosť nadpodperového prierezu je Leff/8 a medzipodperového Leff/21,67. Oblúkový charakter dotvára aj dolný pás odskoku v hrúbke krajných stien lemujúcich spodný okraj mostovky.
Pre stavbu mosta bola navrhnutá metóda letmej betonáže. Zárodky mali dĺžku 13 m a segmenty 2 × 3,0 m + 2 × 4,0 m + 2 × 5,0 m a uzatváracia lamela 4,0 m. Hmotnosť najťažšieho segmentu bola 190 t (obr. 5). Pre použitú technológiu výstavby bolo navrhnuté typické usporiadanie predpätia. Použili sa súdržné konzolové káble, káble spojitosti a tiež osem voľných nesúdržných káblov v každom poli (obr. 6). Kvôli veľmi vysokému premennému zaťaženiu boli káble spojitosti vedené aj v hornej doske v oblasti stredu rozpätia. Voľné káble sú zakrivené nad vnútornými priečnikmi a v poli pomocou monolitických deviátorov (obr. 7).
Spodná stavba
Pre most bolo navrhnuté hĺbkové zakladanie. Boli použité betónové pilóty s priemerom 900 mm a dĺžkou 9 a 10 m. Každý pilier podopieralo tridsať pilót. Vzájomné spolupôsobenie pilót zabezpečovala železobetónová doska s hrúbkou 3,2 m a rozmermi 13 × 15 m. Základové jamy pre piliere v koryte rieky (piliere 4 a 5) boli po celom obvode navrhnuté so štetovnicou ako ochrana proti vode. Utesnenie jám bolo realizované tryskovou injektážou. Koryto je chránené zásypom s balvanmi o hmotnosti od 200 do 500 kg. Most má dve pevné podpery pre pozdĺžny smer, piliere 3 a 4. Piliere majú premennú výšku, najkratší má dĺžku 7,8 m a najvyšší 14,3 m. Pre tento most bol navrhnutý kruhový prierez drieku pilierov. Priemer prierezu pevných pilierov 3 a 4 je 5,0 m, pre piliere 2 a 5 je priemer 4,0 m. Driek pilierov je ukončený s rozšírením hlavy, ktorá v priečnom smere podopiera tri ložiská (pod každým trámom).
Nový železničný most cez Nosickú priehradu
Nový železničný most cez priehradu Nosice má celkovú dĺžku 603,8 m (obr. 8). Návrh mosta bol ovplyvnený niekoľkými okrajovými podmienkami. Prvým bol typ prekážky a požiadavka na plavebné gabarity a s tým súvisiace architektonické aspekty. Prekážkou je samotná vodná nádrž priehrady Nosice, ktorá vytvára plochu, takže most je dobre viditeľný z brehov nádrže. Vodná nádrž je zároveň známou rekreačnou oblasťou s kúpeľmi Nimnica.
Horná stavba
Prekážku tvorili aj dve plavebné dráhy so svetlou šírkou 31,5 m a výškou 7 m. Poloha železničnej trate bola približne 10 m nad plavebným gabaritom, a preto toto obmedzenie neovplyvnilo výšku mostovky. Z architektonického hľadiska sa dospelo k rozhodnutí o konštantnej výške hornej stavby. Aby sa predišlo štandardnej a trochu nudnej mostovke, boli navrhnuté pylóny s EDS závesmi. Štyri závesy sú deviované cez krátke pylóny a ukotvené v 2 m dlhých betónových blokoch pripevnených k vonkajším stenám. Letmá betonáž bola zvolená pre mostnú konštrukciu od začiatku projektového návrhu a EDS káble pomohli vyhnúť sa zhusteniu súdržných káblov nad vnútornými podperami.
Výška prierezu bola navrhnutá ako Leff/16. Štíhlosť prierezu sa navrhla konzervatívne, pretože pôsobenie stálych zaťažení od koľajového zvršku, podvalov a koľajníc je oveľa väčšie ako asfaltová vozovka na cestných mostoch a rovnako aj zaťaženie od železničnej dopravy je väčšie ako zaťaženie spôsobené cestnými vozidlami. Okrem toho sú na mostovke vybudované dve koľaje. Dĺžka rozpätia 51,5 m bola navrhnutá so zámerom minimalizovať výšku mostovky a požadovanú kapacitu zhotoviteľa mosta. Výška prierezu je 3,2 m a plocha prierezu najťažšieho segmentu je 17 m2 s dĺžkou segmentu 3,5 m. Takže maximálna hmotnosť čerstvého betónu pri realizácii bola 150 t. Použitý bol betón pevnostnej triedy C45/55. Dĺžka krajných polí bola navrhnutá približne 75 % z rozpätia vnútorného pola (obr. 10).
Návrh predpätia pozostával z 12lanových a 19lanových súdržných káblov, 19lanových nesúdržných voľných káblov a 19lanových EDS káblov (obr. 11, 12). Všetky káble sú elektricky odizolované, aby boli chránené pred účinkami bludných prúdov. Ako už bolo spomenuté, pre stavbu mosta s 13 m dlhým zárodkom, piatimi segmentmi s dĺžkou 3 × 3,5 m + 3,75 m + 4,0 m a uzatvárajúcou lamelou dlhou 2 m bola zvolená letmá betonáž. Zárodok a každý segment boli predpäté štyrmi 12lanovými a 19lanovými konzolovými káblami, plocha lana bola 1,5 cm2 a charakteristická pevnosť fpk = 1860 MPa.
Káble spojitosti boli umiestnené nielen do spodnej dosky, ale aj v hornej dosky v oblasti stredu rozpätia, pretože dopravné zaťaženie umiestnené v susedných poliach spôsobovalo pri odľahčení výrazné záporné momenty. EDS káble sú kotvené v betónových blokoch pripevnených k vonkajšej stene a prechádzajú otvormi cez konzolové časti hornej dosky. Zdvihové sily z EDS káblov boli čiastočne prenášané aj na vnútornú stenu vnútornými betónovými rámami. Betónové vzpery sa tu nedali použiť z dôvodu montáže voľných káblov umiestnených v komorách mosta. Trať mosta nie je priama v pôdorysnej rovine, ale má polomer zakrivenia 2 000 m (koľaj č. 1). EDS závesy by sa tak mohli natáčať v horizontálnej rovine, aby sledovali smer trate. Geometria mostovky je preto polygonálna, každé váhadlo je priame a vnútorné uhly sú umiestnené v strede polí.
Spodná stavba
Hĺbkové zakladanie bolo navrhnuté s ohľadom na nižšiu kvalitu podložia pod dnom vodnej nádrže. Boli použité betónové pilóty s priemerom 900 mm a premenlivou dĺžkou v rozmedzí od 10 m do 13 m okrem opory č. 1, ktorá bola založená na mikropilótach, pretože sa nachádzala na skalnom podloží. Každú podperu podopiera tridsať pilót. Vzájomné spolupôsobenie pilót zabezpečovala železobetónová doska s hrúbkou 3,2 m a 3,5 m (podpery 6 a 7) a rozmermi 13 × 15 m. Most má dve pevné podpery pre pozdĺžny smer, piliere 6 a 7, aby preniesli veľké horizontálne sily, ktoré zahŕňajú brzdné a trakčné sily v kombinácii s odstredivými silami a pôsobením vetra. Horizontálne pozdĺžne sily použité pri návrhu mali hodnotu 8,75 MN vplyvom brzdenia a rozbiehania sa vlaku a 3,11 MN účinkom zaťaženia vetrom (charakteristické hodnoty).
Piliere majú premennú dĺžku od 10,4 m do 18,2 m a sú votknuté do základových blokov. Z dôvodu neznámych smerov prúdu bol navrhnutý kruhový prierez drieku pilierov. Priemer prierezu v prípade bežných pilierov je 4,0 m a pilierov s pevnými podperami v pozdĺžnom smere 5,0 m. Ako je znázornené na obr. 8, každý pilier končí rozširujúcou hlavicou, ktorá podopiera tri ložiská.
Zmena technológie výstavby nosnej konštrukcie
Zhotoviteľ mostného objektu inicioval zmenu technológie výstavby nosnej konštrukcie. Tá pozostávala z desiatich etáp realizovaných pomocou výsuvnej skruže a z jedného váhadla realizovaného letmou betonážou. Táto kombinácia dvoch technológií umožnila časovú úsporu v harmonograme výstavby a zároveň riešila problém nedostatku priestoru v prvých dvoch poliach. Nosná konštrukcia sa tak budovala z dvoch strán [3].
Záver
Nové mosty predstavujú ďalší krok v použití predpätého betónu na slovenských železniciach, kde v súčasnosti dominuje ako hlavný konštrukčný materiál oceľ.
Rozdielne terénne podmienky v inundácii Váhu v porovnaní s Nosickou priehradou a požiadavka investora na vytvorenie ilúzie oblúkového mosta spolu s aplikáciou relatívne lacnej technológie letmej betonáže viedla k návrhu spojitej päťpoľovej predpätej betónovej konštrukcie s prevýšeným prierezom pri medziľahlých podperách. Pôvodne navrhovaný sled oceľových oblúkových konštrukcií cez Nosickú priehradu bol pre architektonický nedostatok zamietnutý a nahradený predpätou betónovou konštrukciou s konvenčnými a EDS káblami. Okrem konštrukčných dôvodov majú EDS káble veľmi dôležitý architektonický význam.
Predpätý betón potvrdil svoju schopnosť nahradiť konštrukčnú oceľ v oblasti železničných mostných konštrukcií nielen konkurenčnými nákladmi, ale aj lepšími a rozmanitejšími architektonickými riešeniami, lepšou odozvou na hluk a tiež nižšími nákladmi na údržbu.
Identifikačné údaje o stavbe
Hlavný zhotoviteľ: Združenie Nimnica: Doprastav, a.s., TSS Grade a.s., Subterra a.s., Elektrizace Železnic Praha a.s.
Nový železničný most cez rieku Váh
Zodpovedný projektant: prof. Ing. Ľudovít Fillo, PhD., Betoning s.r.o.
Zhotoviteľ objektu: Váhostav, a.s.
Nový železničný most cez Nosickú priehradu
Zodpovedný projektant (DSP, DRS): prof. Ing. Jaroslav Halvoník, PhD., Betoning s.r.o.
Projekt pre zhotoviteľa: Ing. Libor Konečný, LKM Consult s.r.o.
Zhotoviteľ objektu: Doprastav, a.s.
Identifikačné údaje o stavbe
Hlavný zhotoviteľ: Združenie Nimnica: Doprastav, a.s., TSS Grade a.s., Subterra a.s., Elektrizace Železnic Praha a.s.
Nový železničný most cez rieku Váh
Zodpovedný projektant: prof. Ing. Ľudovít Fillo, PhD., Betoning s.r.o.
Zhotoviteľ objektu: Váhostav, a.s.
Nový železničný most cez Nosickú priehradu
Zodpovedný projektant (DSP, DRS): prof. Ing. Jaroslav Halvoník, PhD., Betoning s.r.o.
Projekt pre zhotoviteľa: Ing. Libor Konečný, LKM Consult s.r.o.
Zhotoviteľ objektu: Doprastav, a.s.
Táto práca vznikla s podporou výskumného projektu VEGA č. VEGA 1/0358/23 Navrhovanie a zosilňovanie betónových konštrukcií s ohľadom na životné prostredie.
Zdroje:
[1] ŠPÁNIK, J. Návrh modernizácie železničnej trate Púchov – Považská Bystrica. In Inžinierske stavby. Roč. 60, č. 1 (2012). ISSN 1335-0846.
[2] HALVONÍK, J.; V. BORZOVIČ; L. FILLO. Conceptual design of the concrete railway bridges on the Púchov Žilina corridor. In Proceedings of the International fib Symposium on the Conceptual Design of Structures [on-line]. Attisholz-Areal, Solothurn, Switzerland, September 16-18, 2021. 1. vyd. Lausanne : Fédération internationale du béton, 2021. ISSN 2617-4820. ISBN 978-2-940643-12-7.
[3] ĎURIŠ, P.; J. MOTYČKA. Nový železničný most nad Nosickou priehradou a realizácia extradosových káblov. In Inžinierske stavby. Roč. 70, č. 2 (2022). ISSN 1335-0846.
