Specifika celoživotního cyklu a směry vývoje betonových konstrukcí mostů

Počet degradujících mostů celosvětově vzrůstá a náklady na jejich údržbu, opravy a rehabilitaci daleko překračují finanční zdroje, které jsou k dispozici. Mostní profese proto v řadě vyspělých států vyvíjí dokonalejší techniky pro zajištění provozu, kvalitnější údržbové aktivity a vytváří nové formy mostního managementu, jehož hlavním zájmem je zajištění bezpečnosti existujících mostních staveb s lepším využitím dostupných zdrojů. Porovnání potřeb existujících mostů s výstavbou nových mostních konstrukcí dospívá k situaci, kdy bude nutno více prostředků věnovat údržbě staveb stávajících.
O situaci v České republice bylo nedávno konstatováno - viz [6], že například na silnicích I. třídy bylo v roce 2006 v bezvadném stavu celkem 700 mostů, 760 však bylo jen v uspokojivém a 210 mostů se dokonce nacházelo ve špatném stavu. U silnic II. a III. třídy je současná situace ještě horší - 3750 mostů je ve stavu uspokojivém, u 1300 mostů je stav špatný a u 350 mostů velmi špatný.

Změna přístupu k navrhování

Mosty, stejně jako jiné stavební konstrukce, v důsledku účinků vnějšího prostředí, únavy materiálu a přetížení v čase degradují. Účinek stárnutí se mimo jiné projevuje zvyšováním pravděpodobnosti selhání konstrukce nebo konstrukčního prvku.
Proto se stále více klade důraz na hodnocení celkových nákladů (nákladů pro celý životní cyklus stavby) a toto úsilí se zaměřuje zejména na jejich minimalizaci již v procesu projektování. Drobnosti v návrhu nebo ve fázi výstavby mohou vést k velkým problémům a vysokým nákladům v průběhu životního cyklu konstrukce. Je proto nutné zcela zásadně změnit přístup k návrhu těchto staveb, zapojit do procesu projektování také specialisty na údržbové práce, případně jimi nechat návrhy posoudit. Například řešení problematiky omezení styků, kloubů, vhodného uspořádání a typu podepření, snadné přístupnosti k důležitým částem konstrukce, zabránění vnikání a hromadění vody v konstrukčních částech, zajištění hutného a nepropustného betonu nebo otázky krycích vrstev výztuže, apod., mohou rozhodným způsobem ovlivnit náklady na údržbu či opravy a též životnost a provozuschopnost stavby. Je zřejmé, že právě mostní závěry, dilatační prvky, styky, klouby a korozní problémy obecně jsou nejčastější příčinou vysokých nákladů na údržbu a opravy.

Údržba

Cílem údržby je především zpomalit míru degradace konstrukce, zlepšit její provozní vlastnosti a prodloužit dobu životnosti. Zabránit tomu, aby stav konstrukce dospěl pod kritickou úroveň. Je třeba včas provádět preventivní údržbu a na ni navazující dílčí opravy nebo náhrady součástí stavby.
Efektivní údržba však začíná již kvalitní prací při výstavbě, neboť špatná kvalita práce se nutně projeví v brzkých údržbových nárocích a častých opravách.

Management a aspekty životního cyklu stavby

Úloha managementu a posuzovací aspekty životního cyklu stavby zatím nejsou dostatečně zdůrazňovány. Je třeba navrhnout vhodnou strategii údržby mostů, vedoucí k nalezení rovnováhy mezi omezenými zdroji a vysokými nároky údržby a oprav tak, aby mosty byly zachovány v přijatelné kvalitě a funkčnosti i ohledem na potřeby udržitelného rozvoje a optimalizací ekonomických, provozních a bezpečnostních položek.
Predikce životního cyklu a snaha po prodloužení životnosti je důležitým úkolem pro redukci budoucích nákladů. Precizní posouzení životního cyklu stavby je tedy významnou výzvou. Využití výpočetních modelů pro posouzení spolehlivosti a modelů degradace betonu i výztuže se stává nezbytným. Přitom musí být nutně aplikovány pravděpodobnostní přístupy, tj. zohlednění stochastické povahy řady jevů - vlivů nevyhnutelných/přirozených nejistot a neurčitostí. V souvislosti s tím je též třeba připomenout mezeru, rozšiřující se mezi rostoucími požadavky na kvalitu managementu existující infrastruktury a znalostmi poskytovanými vysokými školami na základě současných osnov, zaměřených doposud převážně na návrh a výstavbu nových konstrukcí.
Příkladem závažnosti problematiky celoživotního cyklu staveb zahrnujícího i použitelnost mostů může být stavba Koror-Babeldaob Bridge v tichomořské republice Palau. Most byl, projektovaný v roce 1975 a po dokončení v roce 1977 se stal předpjatým mostem s největším rozpětím na světě. Záhy se bohužel objevily závažné problémy z oblasti použitelnosti - vznikající průhyby byly mnohem větší, než předpokládané - a do roku 1990 střed rozpětí poklesl o 1,2 m [7]. Následovala nutná oprava, která byla dokončena v červnu 1996. 26. září 1996 se však most náhle, s katastrofálními následky zřítil (obr. 1, 2 a 3).

¤ Obr. 1. Mostní stavba Koror-Babeldaob Bridge v tichomořské republice Palau po dokončení v roce 1977.

¤ Obr. 2. Vznikající průhyby Koror-Babeldaob Bridge. Do roku 1990 střed rozpětí poklesl o 1,2 m.

¤ Obr. 3. Zřícení mostu v září 1996.

Ukazuje se, že současně používané metody predikce reálného působení mostů bez uvažování přirozených/očekávaných nejistot nejsou zdaleka tak spolehlivé, jak se předpokládalo.
Úplné posouzení celoživotního cyklu je multidisciplinárním úkolem, do něhož musí být zapojeny všechny oblasti - počínaje stavebním inženýrstvím, počítačovou mechanikou, stochastickou simulací i ekonomikou. Teoretické modely mají jakousi ?řetězovou? strukturu: je nutno modelovat zatížení (včetně vlivů prostředí), chování konstrukce, její postupnou degradaci provozem i vlivy prostředí (například koroze výztuže, poškození betonu mrazem). Dnes již i v ČR existuje softwarová podpora pro analýzu degradace betonových konstrukcí - viz [8] a [12]. Stochastické vstupní parametry musí být stanoveny na základě materiálových charakteristik a podmínek vnějšího prostředí. V případech posuzování existující, již provozované konstrukce, pak mohou být po získání skutečných naměřených hodnot vstupní parametry pro opakované teoretické analýzy upřesněny, a tím se podstatně zvýší věrohodnost predikcí. Velmi přínosné je proto dlouhodobé monitorování ?zdravotního stavu? mostu, které umožňuje mimo jiné up-dating vstupních paramentů degradačních modelů.
Takovéto postupy pak mohou vytvořit účinný nástroj, kde se zmíněné oblasti propojují s konečným cílem optimalizace řešení (funkčního, ekonomického i ekologického). O úsporách dosažených takovými postupy na zahraničních mostních konstrukcích bylo například referováno v [11].
Další oblastí, kde je nutno respektovat pravděpodobnostní kategorie a techniky, je analýza rizika, která obvykle také vede k nutnosti propojit pravděpodobnostní informace s ekonomickými. Znalost kvantifikovaného rizika je nezastupitelná při moderních způsobech rozhodování, například pro účelnou alokaci finančních zdrojů na budování a opravy infrastruktury. Základní informace o analýze rizika viz například [14].
Nové přístupy povedou k integraci nejvhodnějších metod, zajišťujících bezpečnost konstrukce a účelné použití vyčleněných finančních prostředků. Technologický pokrok a úroveň poznání v oblasti teorie konstrukcí a materiálů, výpočtových a návrhových metod, počítačových aplikací, modelů degradace, monitorování skutečného stavu mostů, predikce celoživotního cyklu, rizikové a ekonomické analýzy, umožní vytvořit vhodnou strategii managementu mostů. Spolehlivé informace usnadní rozhodování v investičních alternativách a zákonodárcům zdůrazní významnost údržbových požadavků. Podpoří též legislativní základ pro náležité financování programů rozvoje dopravní infrastruktury.

Specifika betonových konstrukcí a trendy v oblasti navrhování

• Výše popsané postupy a trendy, zaměřené na mostní stavby s vazbou na betonové konstrukce, lze většinou aplikovat i v případech ostatních konstrukcí a materiálů.
Degradace betonových konstrukcí však může být v důsledku působení vlivů prostředí ?pestřejší?. Jde například o karbonataci betonu, působení chloridů (posypové soli, přímořské prostředí), korozi výztuže (s postupným důsledkem vzniku trhlinek v betonu, odlučování krycí vrstvy, zmenšení efektivní průřezové plochy výztuže a její soudržnosti s betonem), poškození betonu mrazem [15]. Odtud plyne také vícečetná možnost definovat ukončení životnosti dosažením již nepřijatelné meze, což zasahuje do mezních stavů použitelnosti, únosnosti a zejména mezních stavů trvanlivosti - viz [1], [4], [5], [9], kde rozhodnutí závisí zejména na klientovi. Ve srovnání s betonovými konstrukcemi jde například u ocelových konstrukcí ?jen? o problémy spojené s korozí (tj. degradace nátěru a úbytek průřezu).

• V poslední době vystupuje do popředí nutnost navrhovat konstrukce na specifickou (požadovanou) životnost, objektivněji hodnotit a srovnávat alternativní řešení, případně omezit rizika důsledků nevhodných řešení. Postupy umožňující takový způsob navrhování nosných stavebních konstrukcí však nejsou v současných stavebních předpisech přímo zahrnuty. Připravují se proto nové, tímto směrem zaměřené, mezinárodní dokumenty a doporučení:
1) ?Doporučení pro navrhování na trvanlivost a konstrukční praxi železobetonových konstrukcí?, publikované v roce 2004 Japonským institutem pro architekturu JAI (v japonštině, částečně v angličtině - viz [9]);
2) Na betonové konstrukce zaměřená práce [3] - součást budoucího fib Model Code;
3) Od roku 2004 připravovaný, obecněji zaměřený ISO dokument [5]. Popis zásad tohoto standardu viz [4].

Všechny tyto dokumenty (nebo alespoň jejich hlavní části) jsou založeny na pravděpodobnostním přístupu, vyžadujícím práci s náhodnými veličinami, s výpočetními modely degradace a vedou k odhadům pravděpodobnosti dosažení mezních stavů trvanlivosti (viz např. [13]), to je k vyšší kvalitě informací, a tedy i k vyšší kvalitě rozhodování.

• Velké množství emisí CO₂ je spojeno s výrobou portlandského cementu - uvádí se, že při výrobě jedné jeho tuny se emituje téměř jedna tuna oxidu uhličitého! Přirozeně tedy vzniká snaha tyto emise omezit. Jedním z aktuálních trendů ve vyspělých zemích je využívání průmyslových odpadů (popílek, křemičité úlety a struska) jako příměsí do cementů. To vede k omezení množství použitého portlandského cementu a kromě toho mohou být příznivě ovlivňovány některé vlastnosti betonů, zejména v souvislosti s problematikou životnosti. Tento trend je u nás doposud aplikován jen omezeně, i když podklady k používání cementů s příměsmi dávají normy ČSN EN 206-1 a ČSN EN 197.

Aplikace výše popsaných trendů bude vyžadovat úzkou spolupráci investora, projektanta, technologa, ekonoma i případně dalších specialistů, vždy s ohledem (či přímou spoluprací) na uživatele a konečného vlastníka. Také vzdělání stavebních inženýrů by mělo doznat tomu odpovídající změny.

Uvedené výsledky souvisejí s řešením projektů 103/06/0674 a 103/06/1562, udělených Grantovou agenturou České republiky.

Použitá literatura
[1] Biondini, F., Bontempi, F., Frangopol, D. M., Malerba, P. G.: Lifetime nonlinear analysis of concrete structures under uncertainty, Proc. Of the Third Conference on Bridge Maintenance, Safety, Management, Life-Cycle Performance and Cost, Porto, Portugal, July 2006
[2] Biondini, F., Frangopol, D. M., Garavaglia, E.: Probabilistic lifetime assessment based on limited monitoring, Proc. Of the Third Conference on Bridge Maintenance, Safety, Management, Life-Cycle Performance and Cost, Porto, Portugal, July 2006
[3] fib Model Code 2007: part ?Service Life Design?, fib Bulletin No 34, 2006
[4] Holický, M.: Pravděpodobnostní ověřování a optimalizace trvanlivosti. Stavební obzor 6/2006, s. 164-168
[5] ISO WD 13823 ?General principles on the Design of Structures for Durability? (technická komise ISO/TC 98, Bases for Design of Structures, subkomise SC 2, WG 10)
[6] Kaas, T.: Strategie a koncepce ŘSD ČR v mostním stavitelství ve vztahu k výstavbě a opravám mostů na silniční a dálniční síti ČR. Sborník mezinár. sympozia MOSTY 2007, s. 22-26
[7] Macdonald, B., Saraf, V., Ross, B.: A Spectacular Collapse: The Koror-Babeldaob (Palau) Balanced Cantilever Prestressed, Post-Tensioned Bridge, Failure Analysis Associates, USA
[8] Matesová, D., Rovnaník, P., Chromá, M., Teplý, B.: Tools for assessment of durability of concrete structures. Sborník II. Celostátní konference PPK2006 - Pravděpodobnost porušování konstrukcí, Brno, s. 219-226
[9] Noguchi, T., Kanematsu, M. and Masuda, Y.: Outline of Recommendations for Durability Design and Construction Practice of Reinforced Concrete Buildings in Japan. In Proc. of 7th CANMET/ACI Intern. Conference, (edit by V. M. Malhotra), Montreal, 2006, p. 347-373
[10] Peil, U., Mehdianpour, M., Frenz, M., Weilert, K.: Life time assessment of bridge, Proc. Of the Third Conference on Bridge Maintenance, Safety, Management, Life-Cycle Performance and Cost, Porto, Portugal, July 2006
[11] Teplý, B.: Otázka celkových nákladů mostních objektů. Sborník Sympozium Mosty 2001, Brno
[12] Teplý, B., Rovnaník, P., Keršner, Z., Rovnaníková, P.: Podpora navrhování betonových konstrukcí na životnost. Beton TSK 3/2004, s. 38-40
[13] Teplý, B.: Mezní stavy včera, dnes a zítra. Stavební obzor, 7/2005, str. 193-196
[14] Tichý, M.: Rizikové inženýrství. Stavební obzor 9/94, 9/95 a 1/96
[15] Teplý, B., Rovnaník, P.: Účinky mrazu na beton. Beton TKS, 4/2007, s. 42-45.