Výsuv mostu přes údolí Gottleuby (Gottleubatalbrücke) v Pirně

Úvod

Sdružení Metrostav a.s., Divize 4 a BeMo Tunnelling získalo v říjnu 2018 zakázku na výstavbu mostu přes údolí Gottleuby (Gottleubatalbrücke) v Pirně, historickém městě považovaném za bránu do Saského Švýcarska vzdáleném cca 30 km od Drážďan směrem na Ústí nad Labem. Projektová dokumentace byla vysoutěžena včetně výkresů ocelové konstrukce v podrobnosti RDS, kdy při vstupní technické radě měl být stavebníkem předán kompletně schválený statický výpočet. Tímto postupem si stavebník sliboval dosáhnout u tak náročného díla zkrácení doby výstavby z cca 4,5 roku na 34 měsíců.

Představou stavebníka bylo, aby si zhotovitel zajistil kompletní RDS pouze na pomocné konstrukce a pracoval na realizační dokumentaci (výkresech výztuže) betonových konstrukcí podle předaného statického výpočtu.

Návrh mostu

Z architektonické soutěže v roce 2006 vzešel návrh mostu, ve kterém byl kladen důraz na štíhlost nosné konstrukce a spodní stavby. Jako vítězný byl vybrán návrh, kdy je hluboké údolí říčky Gottleuby překročeno celkem devíti poli o délkách 68 –  92 – 116 – 120 – 120 – 124 – 108 – 92 – 76 m. Nosná konstrukce délky bezmála jednoho kilometru byla navržena jako sdružený polorám (semi-integrovaná konstrukce) o devíti polích s železobetonovými pilíři proměnného průřezu ve směru podélném i příčném na osu mostu, dodatečně spojenými železobetonovými náběhy s nosnou konstrukcí tvořenou ocelovým komorovým průřezem spřaženým s prefa-monolitickou železobetonovou mostovkou (obr. 1–3).

Předpokládal se výsuv nosné konstrukce přes údolí ve sklonu 4 % směrem z kopce ve výšce 1,5 m nad hlavami pilířů. Následně, po vyrovnání deformací pilířů během výsuvu, se uvažovalo spustit nosnou konstrukci na hlavy pilířů a pevně ji s nimi spojit. Následně měla být betonáží železobetonových náběhů vytvořena požadovaná semi-integrovaná konstrukce. Na již definitivním statickém systému pak po osazení železobetonových prefabrikátů mostovky na příčné konzoly nosné konstrukce proběhne betonáž spřažené mostovky, budou vybetonovány římsy, položena vozovka a provedeny všechny další dokončovací práce.

Součástí stavby je cca 1 km hlavní trasy směrově nerozdělené komunikace přeložky spolkové silnice B172. U opěry 100 je silnice v zářezu cca 11 m. Celkem bylo vytěženo cca 150 000 m³ zvětralého až zdravého pískovce.

Spodní stavba mostu je založena na vrtaných velkoprůměrových pilotách průměru 1 200 mm.

Architektonické ztvárnění pilířů spolu s předepsaným vzorem bednění značně ovlivnilo návrh technologie jejich výstavby. Zatímco zaoblené hrany jsou konstantní, všechny rovné hrany jsou proměnné. Tyto požadavky vedly k návrhu atypického překládaného bednění (obr. 4).

Výroba ocelové konstrukce a výsuv

Výroba ocelové konstrukce proběhla v prostorách Divize 3 Metrostavu v Horních Počernicích. Výroba byla negativně ovlivněna přerušeními danými nejasnostmi v projektu, ale také COVIDem. Poslední dílce konstrukce tak byly vyrobeny v roce 2023.

Průhyby vznikající během pohybu při vysouvání nosné konstrukce (až 6 m) byly kompenzovány 50 m dlouhým a 140 t ­těžkým výsuvným nosem. Z důvodu minimalizace namáhání štíhlé spodní stavby byla předepsána specifická technologie výsuvu s aretovaným výsuvným nosem ve zvý­šené poloze.

Hlavní technická úskalí výsuvu mostu

Daň za architektonický návrh konstrukce

Je tomu již dávno, kdy guru německých mostařů prof. Leonhardt postuloval základy návrhu mostů s ohledem na jejich začlenění do krajiny, ale i funkčnost a ekonomiku návrhu. Návrh mostu přes údolí říčky Gottleuby se bohužel jeho doporučení nedrží. Výška nosné konstrukce navržená na 1/35 rozpětí nejdelšího pole tyto zásady nectí a specifika výstavby mostu postupným vysouváním už vůbec ne.

Až během zpracování realizační dokumentace se ukázalo, že část mostu tvořící konzolu během výsuvu byla navržena se značnou dávkou odvahy. Do šikmé stěny tloušťky 20 mm je vnášena reakce 8 MN, do stěny tloušťky 40 mm reakce necelých 12 MN. Bohužel jsou ale tyto síly vnášeny mimo rovinu stěny a způsobují tak dodatečné ohybové namáhání. Toto je ještě umocněno faktem, že tvar nosné konstrukce je zvenku konstantní a plechy se zvětšují směrem dovnitř. Tento na první pohled správný konstruktérský přístup ale do posudku stěn přidává dodatečné excentricity, do kterých je ještě nutné připočíst nutné excentricity od provádění.

Síly vnášené do stojiny nosné konstrukce je tedy nutné co nejvíce rovnoměrně roznést v podélném směru. Výsuvná stolice je tak osazena elastomerovými ložisky o odstupňovaných tloušťkách podle průběhu jejich tuhosti. Moduly pružnosti elastomerových ložisek bylo nutné experimentálně verifikovat, každé ložisko má tak „rodný list“, který prokazuje shodu vlastností s výpočtem.

Návrh a posouzení výsuvné stolice tak probíhal za průběžného sledování namáhání ve stěně nosné konstrukce (!). Poslední revize statického výpočtu těchto zdánlivě jednoduchých konstrukcí má bezmála 300 stran pro výsuvné stolice na pilířích a 200 stran pro výsuvné stolice ve výsuvném dvoře.

Bohužel byly pilíře v příčném směru architektonicky navrženy zarovnané se spodním pasem nosné konstrukce. Výsuvná konstrukce tak doslova visí polovinou své hmoty ve vzduchu. Roznášecí rám, na kterém je uložena, však není možné vzhledem ke geometrii hlavy pilíře uložit na jeho kraji. Roznášecí rámy bylo tedy nutné navrhnout jako torzně tuhé nosníky, aby svými deformacemi nezvyšovaly namáhání stojiny nosné konstrukce.

Ani to ale nestačilo: během výsuvu bylo třeba počítat se silami až 2 MN v příčném směru. Po dlouhých iteracích byly tyto síly přiřazeny vně uloženým bočním vedením ve tvaru příhradových nosníků připnutých předpínacími tyčemi k hlavám pilířů.

V důsledku všech zde uvedených vlivů se ukázalo jako velice složité navrhnout komplex pomocných konstrukcí na hlavách pilířů (obr. 5) tak, aby splňoval všechny statické a provozní nároky. Návrh probíhal iteračně mezi všemi zúčastněnými stranami více než dva roky a stál je mnoho sil. Projektanti by se mohli podělit o cenné zkušenosti s německým způsobem kontroly projektových dokumentací tzv. kontrolním statikem.

Způsob výsuvu a práce s výsuvným nosem

V důsledku výše diskutované extrémní štíhlosti nosné konstrukce dosahují deformace na špičce výsuvného nosu při výsuvu nejdelších polí hodnoty úctyhodných 6 m (!), obr. 6. Při návrhu koncepce výsuvu jsme vycházeli z toho, že výsuv bude probíhat s hydraulicky přednastaveným výsuvným nosem a hned po dosednutí bude konstrukce výsuvného nosu vyrovnána do tečné roviny s nosnou konstrukcí.

Překážkou pro užití tohoto prověřeného a pragmatického přístupu se ukázaly štíhlé pilíře působící v definitivním statickém schématu jako poddajné rámové stojky. K dosednutí na pilíř muselo dojít „přirozeně, nikoliv vynuceně“, ale konstrukci výsuvného nosu bylo třeba příčně vést již od okamžiku, kdy dosáhne osy pilíře, byť ještě nedošlo ke svislému kontaktu výsuvného nosu s výsuvnou stolicí. Výsuvný nos tedy musí vjet do „rugbyové brány“ bočních vedení a v ní dále pokračovat.

Výsuvný nos byl navržen na tři polohy nastavení:

•  0 m – tečné nastavení pro přejezd z výsuvného nosu na nosnou konstrukci;

•  4 m – nastavení pro výsuv a dosednutí na pilíře;

•  6 m – nastavení pro dosednutí špičky výsuvného nosu na pilíře při výsuvu nejdelších rozpětí.

Vhledem k tomu, že připravit další díl nosné konstrukce k výsuvu trvá několik měsíců, bylo v projektovém týmu rozhodnuto, že výsuvný nos bude nutné v těchto polohách mechanicky zajistit. Trvalému držení přes hydrauliku nebyla přikládána  důvěra.

Výše představený koncept přirozeného dosednutí výsuvného nosu na výsuvné stolice není možné pro návrhy dalších mostů doporučit. Vlivem ­nerovnoměrného oslunění či naopak ochlazení větrem se konstrukce velice výrazně vodorovně prohýbá. Například při výsuvu č. 2 vyšlo 3 m před dosažením tzv. rugbyové branky bočních vedení slunce z mraků a před našima očima se během několika minut konstrukce vychýlila příčně o 240 mm. Deformaci konstrukce bylo nutné velice namáhavě vyrovnat.

Tzv. přirozené dosednutí je problematické i z dalších důvodů. Vlivem zatížení teplotní imperfekcí konstrukce neprobíhá dosednutí rovnoměrně a trvale. Konstrukce se z části zvedá a výsuvné desky se odlehčují, protáčejí a zase zatěžují (obr. 7). Kvůli otočené výsuvné desce je nutné výsuv okamžitě přerušit a výsuvnou desku osvobodit, jinak by zablokovala celou výsuvnou stolici.

Výsuv pokračoval s nastavením výsuvného nosu až do okamžiku, kdy se blížil přechod z výsuvného nosu na nosnou konstrukci. V tuto chvíli bylo nutné výsuvný nos srovnat do tečné polohy. Tento proces, stejně jako ostatní manipulace s výsuvným nosem, probíhal pomocí hydrauliky umístěné na jeho horním pasu u přechodu na nosnou konstrukci.

Narovnání výsuvného nosu do nastavení 0 m je spojeno s velice zajimavým fenoménem. V důsledku opačného vymezení vůle v čepech spojujících horní i spodní pás výsuvného nosu s nosnou konstrukcí, resp. adaptérem, dojde ke změně směru namáhání výsuvné stolice, resp. pilíře. Celý pilíř tak v hlavě vodorovně poskočí.

Z důvodu velké štíhlosti je konstrukce v polích nadvýšena až o 500 mm. To představuje výzvu zejména na přechodu z výsuvného dvora na most, kdy je zatížení dosti často přenášeno jen jednou výsuvnou stolici ve výsuvném dvoře a ostatní, včetně opěry 100, jsou odlehčeny a poskytují jen příčné vedení.

Důsledky zvoleného tvaru mostu na jeho aerodynamické chování

Jak je patrné z výše uvedených obr. 3a-c, byla nosná konstrukce mostu Gottleubatalbrücke navržena jako komorový nosník s konzolami. Horní pásnice komory má šířku 4,5 m, dolní 5,6 m s oboustranným přesahem 50 mm proti stěnám. Stěny jsou tedy šikmé a z nich vychází architektonicky tvarované ocelové konzoly. Zkoušky modelu ve větrném tunelu provedené ve fázi projektové dokumentace pro stavební povolení ukázaly, že tvar nosné konstrukce není ideální, při zatížení větrem se může konstrukce velice rychle rozkmitat. Z toho důvodu byl výsuv omezen na rychlosti větru do 10 m/s.

Ihned po nástupu na stavbu jsme začali rychlost větru kontinuálně měřit a vyhodnocovat jeho směr. Ukázalo se, že proudění vzduchu v kilometr širokém údolí, směřujícím na sever k Labi, neodpovídá topologii terénu. Převládá silné proudění vzduchu ze západu na východ, cca rovnoběžně se směrem mostu. Z detailních jednání se zpracovatelem aerodynamického posudku se ukázalo, že kritická maximální rychlost platí pouze při proudění kolmo na osu mostu, čehož jsme využívali zejména při výsuvu 5 a 6, kdy síla větru v nárazech dosahovala několikanásobků smluvní hodnoty a průměrná rychlost byla vyšší než 15 m/s, avšak směr větru nemohl způsobovat kmitání konstrukce.

Zároveň s měřením rychlosti a směru větru anemometry u výsuvného nosu (obr. 8) a cca v polovině délky nosné konstrukce je most vystrojen čidly zrychlení. Pokud byly limitní hodnoty zrychlení překročeny, bylo nutné výsuv přerušit.

V případě přerušení výsuvu před dosažením parkovací pozice by bylo třeba ze špičky výsuvného nosu natáhnout lana k patě pilíře a zde je přes naladěné pružiny napnout na vypočtené hodnoty, aby poskytovaly odpovídající útlum kmitání konstrukce. Celý monitorovací systém poskytoval informace v reálném čase o všech kritických veličinách, zároveň byla sledována napětí ve stojinách (viz tematika diskutovaná výše) a měřeno rozložení teploty po průřezu mostu.

Závěr

Článek v kondenzované formě informuje o realizaci výsuvu mostu přes údolí řeky Gottleuby (v ČR Rybný potok) a jeho technických úskalích. Poslední výsuv proběhl 30. 7. 2024. Nyní probíhá příprava spouštění nosné konstrukce z výsuvné polohy do definitivní úrovně uložení.

Z přiložené fotodokumentace jsou patrny základní parametry konstrukce a aktuální postup prací.