Lávky krátkých rozpětí z UHPC

Článek se zabývá experimentálním vývojem předem předpjatých konstrukčních prvků z ultra vysokohodnotného betonu (UHPC) pro lávky krátkých rozpětí a jejich aplikací v praxi. Užitím materiálu UHPC ve spojení s optimalizovaným tvarem průřezu lze snížit spotřebu primárních surovin a současně zvýšit statickou spolehlivost i trvanlivost konstrukce. Cílem programu bylo vytvořit spolehlivá řešení nízkoúdržbových trvanlivých lávek se sníženými environmentálními dopady. Hlavními přednostmi vyvinutého systému jsou vysoká životnost, minimální nároky na údržbu, malá spotřeba materiálu a rychlá a jednoduchá výstavba.

Na experimentálním vývoji lávek z UHPC se podíleli:

Kloknerův ústav ČVUT v PrazeJiří Kolísko
David Čítek
Petr Tej
Milan Holý
Pontex, spol. s r. o.Milan Kalný
Jan Komanec
KŠ Prefa, s. r. o.Jan Marek
AOC architektiOndřej Císler

Výzkumný program

Ve spolupráci Kloknerova ústavu ČVUT v Praze, společnosti Pontex a společnosti KŠ Prefa probíhal v rámci projektu TAČR experimentální vývoj optimalizovaného systému předem předpjatých lávek z UHPC pro krátká rozpětí. Vyvinutý systém je určen zejména pro výstavbu kratších mostních konstrukcí o jednom i více polích s rozpětím do 20 m.

Užitím nových vysokohodnotných kompozitních materiálů s cementovou matricí (UHPC) s optimalizovanými mechanickými vlastnostmi ve spojení s předpětím a optimalizovaným tvarem průřezu lze snížit spotřebu primárních surovin a současně zvýšit statickou spolehlivost i trvanlivost konstrukce. Výhody použití UHPC pro lávky lze spatřit zejména ve vyšší odolnosti vůči agresivnímu prostředí a rozmrazovacím cyklům a v nižších nákladech na celkovou údržbu. Další výhodu použití vysokohodnotného betonu představuje díky jeho vysoké pevnosti a aplikaci rozptýlené výztuže v podobě ocelových vláken možnost návrhu subtilních průřezů bez nutnosti použití konstrukční betonářské výztuže, čímž dojde ke snížení vlastní tíhy nosné konstrukce korespondujícímu s nižšími nároky na založení konstrukce a nižšími nároky a náklady na dopravu dílců. Vysokohodnotný beton navíc vykazuje kvalitní pochozí a pohledový povrch bez nutnosti aplikace dodatečné izolace.

Prototyp mostního nosníku

První prototyp mostního nosníku byl vytvořen podle návrhu společnosti Pontex na jaře 2018 v provozovně společnosti KŠ Prefa ve Štětí. Nosník byl navržen jako předem předpjatý prefabrikát tvaru obráceného písmene U celkové délky 12,4 m. Výška prefabrikátu činila 290 mm, šířka 800 mm. Průřez byl tvořen dvěma trámy šířky 100 mm, které byly propojeny tenkou deskou tloušťky 50 mm. Štíhlost výšky nosníku vzhledem k rozpětí činila 1/41,4. Nosník byl vyroben z UHPC třídy C110/130. Předpětí bylo vždy realizováno trojicí lan Y1860 Ø 15,7 mm vertikálně rozmístěných v každém žebru. Zkušební konstrukce byla realizována bez koncových příčníků.

Prototyp mostního nosníku (zdroj: archiv společnosti Pontex) 
Prototyp mostního nosníku (foto: archiv Kloknerova ústavu ČVUT v Praze) 

Vyrobený prototyp nosníku byl podroben dynamické a statické zatěžovací zkoušce. Obě zkoušky provedli v areálu firmy KŠ Prefa ve Štětí pracovníci Kloknerova ústavu v červnu 2018 za účelem ověření systému před jeho aplikací v praxi.

Dynamická zatěžovací zkouška byla provedena formou modální analýzy. Místa měření byla zvolena ve 13 řezech vzdálených od sebe vždy 1 m. Řezy č. 1 a č. 13 byly nad podporami, řez č. 7 byl ve středu délky nosníku. V každém řezu bylo pět míst měření, celkem bylo tedy měřeno 65 bodů. Zkouška začala poklepem kladívka v místě č. 1 nad podporou A a skončila poklepem v místě č. 65 nad podporou B. Přenosové funkce mezi odezvou v referenčních místech a silou v měřených bodech byly vypočteny z průměrovaných výkonových spektrálních hustot. Výsledky modální analýzy byly porovnány s výsledky dynamického výpočtu.

Vlastní tvary kmitání konstrukce zjištěné dynamickou zatěžovací zkouškou

Po provedení dynamické zatěžovací zkoušky následovala statická zatěžovací zkouška do porušení konstrukce. Statická zatěžovací zkouška proběhla čtyřbodovým ohybem na rozpětí 12 m. Zatížení bylo aplikováno přes roznášecí nosníky na celou šířku průřezu pomocí dvojice hydraulických lisů na společném čerpadle. Lisy byly umístěny ve vzdálenosti 5,2 m od podpor.

Statická zatěžovací zkouška prokázala, že únosnost konstrukce odpovídá předpokladům statického výpočtu.

Navržené schéma zatěžovací zkoušky – podélný řez (zdroj: archiv společnosti Pontex) 
Pohled na nosník při zatěžovací zkoušce (foto: archiv Kloknerova ústavu ČVUT v Praze)
Vývoj optimalizované formy

Na základě pozitivních výsledků experimentů realizovaných na zkušební konstrukci byl tvar průřezu lávek malých rozpětí optimalizován a byla zhotovena ocelová forma k opako­vanému použití. Forma je složena z dílčích modulů, jejichž skladbou lze vyrábět mostní nosníky se dvěma až pěti žebry. Žebra mohou dosahovat libovolné šířky, účelné je využití šířek od 70 do 200 mm podle potřebného počtu předpínacích lan a požadovaného krytí. Tvar průřezu vychází ze zkoušeného prototypu mostního nosníku. Maximální délka prefabrikátů, které lze ve formě vyrábět, je 20,4 m, maximální obrys příčného řezu jednoho prefabrikátu je 3 200 × 500 mm.

Optimalizovaný systém lávek z UHPC nabízí dvě základní varianty provedení příčného řezu lišící se tvarem okrajů lávky. Varianta se svislými okraji umožňuje boční montáž zábradlí a dovoluje tak v maximální míře využít šířku konstrukce. Varianta s převislými okraji umožňuje vykonzolování desky přes krajní žebro v délce od 80 do 280 mm. Toto provedení okrajů je vhodné pro kotvení zábradlí shora desky. Obě pro­vedení lávek jsou zobrazena na následujícím obr. Počty a šířky podélných žeber lze variovat, čímž lze dosáhnout celkové šířky nosné konstrukce od 865 do 3 115 mm.

Typické příčné řezy lávek malých rozpětí: vlevo varianta se svislými okraji, vpravo varianta s převislými okraji (zdroj: archiv společnosti Pontex) 

Prefabrikáty se vyrábějí celistvé na celou svou délku bez pracovní spáry. Koncové příčníky, které plní funkci ztužidla a chrání předpínací výztuž, se betonují dodatečně.

Použití systému v praxi

V roce 2019 a 2020 bylo na základě výše zmíněného výzkumu realizováno několik prvních reálných aplikací vyvinutého systému lávek malého rozpětí z UHPC, z nichž pro názornost uvádíme dvě lávky v Čelákovicích, lávku Zbožíčko, Chuchelskou lávku a lávku Tuchoměřice.

Lávky v Čelákovicích

Na základě úspěšné realizace zavěšené lávky z UHPC přes Labe v Čelákovicích v roce 2014 (viz Beton TKS 4/2014, pozn. red.) zadal tamní městský úřad v roce 2017 zpracování projektu tří lávek z tohoto materiálu přes Čelákovický potok o rozpětích 10,7 m, 7,9 m a 5,9 m. Lávky jsou situovány v centru města v městském parku. Konstrukce, jejichž autorem je Jan Komanec, byly navrženy o šířce 3 m a výšce průřezu 300, 250 a 200 mm. Deska má tloušťku 60 mm a průřez má pět žeber. Zábradlí je připevněno z boku do přípravků zabetonovaných v krajních trámech. Prefabrikát je doplněn koncovými příčníky. Protiskluzové vlastnosti povrchu konstrukce jsou zajištěny přímopochozí izolační stěrkou se vsypem z křemičitého písku. Osvětlení lávek je připraveno v madlech zábradlí. Protože lávky nejsou zabezpečeny proti nežádoucímu vjezdu vozidel, byla jejich konstrukce posouzena pro přejezd vozidla o hmotnosti 12 t.

V Čelákovicích byly dosud z pláno­vaných tří úspěšně instalovány a dokončeny v květnu 2020 lávky dvě.

Lávka Zbožíčko

Velmi efektivní a rychlá montáž lávky malého rozpětí z UHPC proběhla v květnu 2020 i v obci Zbožíčko. Již nevyhovující konstrukce původní lávky byla diagnostikována jako značně riziková a byla uzavřena pro provoz. Po

odstranění této původní ocelobetonové konstrukce byla provedena sanace opěr a v průběhu velmi krátkého omezení provozu byla osazena nová lávka z UHPC. Byla navržena zejména s ohledem na dodržení podmínky snadné údržby s životností 100 let.

Lávka je umístěna ve stísněném prostoru mezi vedením inženýrských sítí a silničním mostem a převádí chodník přes říčku Vlkavu. Nosnou konstrukci tvoří prefabrikovaná deska tloušťky 60 mm vyztužená podélnými trámy výšky 240 mm a tloušťky 125 mm z předem předpjatého UHPC třídy C110/130 — XF4. Mostovka je ukončená příčníky šířky 150 mm a její celková tloušťka je 300 mm.

Autorem návrhu je Jan Komanec.

Lávka Zbožíčko: průřez s převislými okraji (zdroj: archiv společnosti Pontex) 
Lávka Zbožíčko: montáž (foto: archiv společnosti KŠ Prefa)
Lávka Chuchelská

Lávka Chuchelská je situována na soukromém pozemku, kde umožňuje přístup do 2. NP obytné budovy. Nosná konstrukce lávky je tvořena dvoutrámovým prostým nosníkem o rozpětí 6,6 m. Lávka je vyrobena z UHPC třídy C110/130 vyztuženého drátky a předem předpjatého lany Y1860S7-15.7. Průřez je tvořen deskou tloušťky 50 mm a šířky 1,3 m se symetricky umístěnými žebry výšky 190 mm a šířky 102,5 mm v osové vzdálenosti 725 mm. Lávka je navržena bez konco­vých příčníků. Zábradlí je tvořeno nerezovými sloupky s madlem, sloupky jsou kotveny do otvorů v mostovce po vzdálenosti cca 132 mm. Kvůli návaznosti na dveřní portál musel být zúžen příčný řez lávky na jejím konci přiléhajícím k budově. Během montáže byla lávka bočně vsunuta do připra­veného dveřního portálu, kde byla následně svisle usazena na úložnou ocelovou botku ukotvenou ke stěně budovy. Velmi estetický a elegantně řešený je přímo pochozí povrch broušeného UHPC, který je svou trvanlivostí a odolností pro takovýto typ aplikace předurčen. Autory návrhu jsou Ondřej Císler a Petr Tej. 

Lávka Tuchoměřice

Projekt lávky pro pěší a cyklisty v Tuchoměřicích je v současnosti řešen v úrovni pro stavební povolení a realizace je předpokládána do konce roku 2020. Konstrukce je navržena jako třítrámová deska na rozpětí 7,3 m o celkové šířce 2,08 m a výšce nosné konstrukce 0,3 m. Autory návrhu jsou Ondřej Císler a Petr Tej.

Závěr

V článku je shrnut experimentální vývoj systému předem předpjatých lávek krátkých rozpětí z ultra vysokohodnotného betonu včetně prvních úspěšných reálných aplikací. Systém předem předpjatých prvků z UHPC je vhodný pro vodorovné konstrukce lávek a mostů. Nachází využití především tam, kde je požadována rychlá výstavba, v místech s obtížným přístupem nebo požadavkem na neomezené využití prostoru pod novou konstrukcí po dobu její výstavby a zároveň také tam, kde je požadována dlouhodobá životnost. Konstrukční systém lávek z UHPC umožňuje navrhovat a budovat nosné konstrukce do rozpětí 20 m. Široká variabilita je umožněna využitím několika výškových variant a velkou variabilitou šířkového uspořádání.

Popsané řešení bylo zavedeno do výrobkového portfolia společnosti KŠ Prefa jako LMR (lávky malého rozpětí), čímž se na trh dostalo ekonomicky konkurenceschopné řešení z UHPC, které nemá z hlediska jednoduchosti montáže a trvanlivosti obdoby.

Experimentální vývoj optimalizovaného systému lávek krátkých rozpětí z UHPC byl umožněn za podpory grantového projektu TAČR TH2020373.

Autoři

Short-span footbridges made of UHPC

The paper deals with an experimental development of pretensioned structural elements made of ultra-high-performance concrete (UHPC) for short-span footbridges and their applications in practice. By using the UHPC in conjunction with an optimised shape of the cross-section, the consumption of primary raw materials can be reduced while the structural reliability and durability of the structure are increased. The aim of the program was to create reliable designs for low-maintenance, durable footbridges with reduced environmental impacts. The main advan­tages of the developed system are a long service life, minimal maintenance requirements, a low consumption of materials and a fast and simple construction.

4/2020 Mosty a lávky | 15. 8. 2020 | Stavební konstrukce

Výroba segmentů pro lávku z UHPC v Lužci nad Vltavou a její výstavba

Mostovka lávky v Lužci nad Vltavou je sestavena ze segmentů zhotovených z ultra vysokohodnotného betonu vyztuženého rozptýlenou ocelovou výztuží. V článku je popsán jednak návrh UHPC a výroba segmentů a jednak výstavba pylonu a mostovky.
4/2020 Mosty a lávky | 15. 8. 2020 | Stavební konstrukce

Výstavba nové lávky pro pěší a cyklisty přes Vltavu v Praze-Troji

Příspěvek stručně popisuje výstavbu lávky na místě původní Trojské lávky v Praze, která byla zdemolována po jejím pádu v prosinci roku 2017. Nová lávka je umístěna ve stejné poloze jako původní konstrukce, výškové vedení nivelety komunikace a konstrukční řešení je kompletně nové.
4/2020 Mosty a lávky | 15. 8. 2020 | Sanace a rekonstrukce

Stavební údržba Vranovské lávky

Visutá lávka přes Vranovskou přehradu s rozpětím hlavního pole 252 m, která byla postavena v roce 1993, byla v loňském roce opravena. Předmětem stavební údržby provedené na základě diagnostického průzkumu byla oprava pylonu poškozeného bleskem, nové nátěry ocelových prvků a na...