Mosty z předpjatého betonu na železnici v ČR

Tento článek vychází z projektu Správy železnic, s. o., (dále SŽ) s názvem Diagnostika a přepočty mostů s předpjatou nosnou konstrukcí. V první fázi projektu provedli zaměstnanci SŽ mostní prohlídky u všech předpjatých mostů v síti SŽ, tzn. u celkem 167 mostů (pozn.: údaj z roku 2019). Ve druhé fázi projektu bylo 63 vybraných mostů podrobně prověřeno diagnostickým průzkumem a statickým posouzením (přepočtem). Výběr mostů pro podrobnější analýzu byl determinován jejich aktuálním stavebním stavem i záměrem podrobně prověřit co možno největší množství různých typů konstrukcí z předpjatého betonu historicky použitých na železnici v ČR. Vyhodnocení projektu bylo podrobně provedeno v knize [1], která obsahuje zevrubný teoretický úvod k předpjatému betonu, historický vývoj předpjatých železničních mostů, jejich typologii a souhrny z vyhodnocení provedených diagnostických průzkumů a přepočtů zatížitelnosti.

Předpjatý beton se stal po druhé světové válce dominantní stavební technologií pro nosné konstrukce mostů. Nosné konstrukce mostů z předpjatého betonu mají v porovnání s mostními konstrukcemi z jiných materiálů (např. z prostého betonu či z oceli) výhody spočívající především ve vysoké tuhosti konstrukce, příznivých vlastnostech z hlediska dynamické odezvy konstrukce a nízké hlučnosti. Konstrukce z předpjatého betonu mají při správném návrhu a kvalitním provedení nízké nároky na údržbu, často se vyznačují i poměrně nízkými pořizovacími náklady. Na tomto místě je potřeba zmínit i nevýhody, mezi něž patří vyšší hmotnost konstrukce a související nároky na založení, vyšší požadavky na přepravu materiálu či přepravu a montáž prefabrikovaných dílců a nemožnost přímé vizuální kontroly stavu předpínací výztuže. U běžných typů konstrukcí se technologie předpjatého betonu využívá většinou spíše pro menší až střední rozpětí.

Po úspěšné aplikaci technologie předpjatého betonu u silničních mostů středních rozpětí přišly ke slovu i mosty železniční, kde se předpjatý beton uplatnil ve vhodných úpravách i pro mosty malých rozpětí [1], [2]. K rozvoji předpjatého betonu na železničních mostech v poválečném období v celé Evropě přispěl nejen obecný nedostatek konstrukční oceli, ale především podstata samotné technologie, kdy předpětí vytváří tlakovou rezervu v betonu, která při dynamickém namáhání železničním provozem vylučuje tahová napětí a tím omezuje únavové jevy v mostní konstrukci. Oproti dříve používaným ocelovým mostům s prvkovou mostovkou snižuje hmotnější předpjatá železobetonová nosná konstrukce v kombinaci s průběžným štěrkovým kolejovým ložem otřesy a hlukovou zátěž.

Předpjaté mosty na železnici se v ČR začaly navrhovat v padesátých letech 20. století. První předpjatý železniční most byl postaven v roce 1954 a nacházel se v Praze přes ulici Křižíkova, nyní je již přestavěn a nahrazen jinou konstrukcí. V současné době je nejstarším mostem v síti SŽ most u Dlouhé Třebové z roku 1956.

V šedesátých letech 20. století se začala rozvíjet jednotná koncepce typizace nosných konstrukcí železničních mostů, která podpořila rozvoj využívání předpjaté technologie. Typizace vyplynula z požadavku stavět rychle, ekonomicky a se sníženou pracností a znamená unifikaci ve výstavbě, která je zaměřena na opakovatelné použití.  Z obrázku níže je patrné, že mostů s nosnou konstrukcí z předpjatého betonu bylo postaveno nejvíce právě po zavedení typizace, a to mezi lety 1960 a 1984. Poté je již patrný klesající trend v počtu postavených mostů z přepjatého betonu.

Předpjaté mosty obecně lze dělit na jednotlivé typy podle různých kritérií, např. podle způsobu výroby. V případě předpjatých mostů na železnici zcela převažují prefabrikované nosníky, tzn. nosníky vyrobené ve formě mimo svoji finální polohu. Monolitické mosty, které jsou vyrobeny ve finální poloze přímo na stavbě, tvoří méně než 5 % ze všech předpjatých mostů v síti SŽ.

Dle statického působení se předpjaté mosty nejčastěji navrhovaly jako prostě uložená pole, v menší míře byly používány rámové konstrukce či spojité nosníky. Nejčastěji využívaným typem nosné konstrukce byly pod každou kolejí dva dilatačně oddělené nespolupůsobící komorové nosníky. Na předpjatých mostech v síti SŽ byly také aplikovány různé další průřezy: jednokomorové konstrukce pod jednou či dvěma kolejemi, parapetní nosníky, nosníky průřezu písmene I, T nebo obdélníku či deskové konstrukce vylehčené i nevylehčené dutinami.

Ve většině případů byly mosty předpínány dodatečně na stavbě, což umožnilo použití zvedaných kabelů a výrobu nosníků z menších (kratších) dílců, které se snadněji transportovaly a snadněji se s nimi manipulovalo. Méně využívané předem předpjaté nosníky, které se předpínaly přímo ve výrobně, využívaly přímá předpínací lana a bylo nutno je vyrábět již ve finální délce.

Předpjaté mosty je z hlediska správy a údržby výhodné rozdělit na mosty z typizovaných systémů a mosty netypizované (atypické). Celkem 125 ze 167 železničních předpjatých mostů je tvořeno z typizovaných prefabrikovaných nosníků, 41 z netypizovaných konstrukčních systémů a 1 most o více polích je tvořen jak typizovanými, tak netypizovanými nosníky. Z hlediska stavebního stavu se potom mosty na železnici dělí podle třístupňové stupnice.

U typizovaných systémů je zpravidla k dispozici dostatečný soubor vstupních informací o nosné konstrukci potřebný pro kontrolu a přepočet konstrukce (ačkoliv na základě zjištění diagnostických průzkumů byly v některých případech konstrukce provedeny s určitými odchylkami). U atypických konstrukcí se potom ne vždy podařilo dohledat potřebné podklady, což vyžadovalo výrazně větší rozsah diagnostického průzkumu.

Pro potřeby správy a diagnostiky byly předpjaté železniční mosty rozděleny do jednotlivých skupin, jak je patrné z obrázků níže: typové systémy podle zavedených označení (zpravidla počáteční písmena celého názvu) a atypické konstrukce podle způsobu výroby a průřezu nosné konstrukce. Mezi nejčastěji používané typizované nosníky patří nosníky typu KT, KDP, MPD, PSKT a MT. Nejčastěji používanými netypizovanými (atypickými) nosníky byly prefabrikované nosníky komorového průřezu, mosty z těchto nosníků byly většinou postaveny ještě před vydáním typového podkladu pro nosníky KT (1967).

V této kapitole jsou popsány nejčastěji používané typové systémy a jejich typické poruchy.

Nosníky KT jsou typizované dodatečně předpjaté komorové nosníky vylehčené profilovaným otvorem délky 18, 21 či 24 m pro rozpětí 17, 20 a 23 m. Nosníky byly vyráběny z betonu zn. 500 (C35/45) a byly běžně skládány (sepnuty) ze tří dílů, příp. i z většího počtu menších dílů. Spojení dílů mohlo být provedeno ve výrobně i na staveništi, spáry byly předtím vyplněny betonem zn. 400 (C28/35). K předepnutí byly použity kabely z 22 až 24 ks patentovaného drátu Ø P7 mm. Pro všechna rozpětí je jediným proměnným rozměrem výška prvku, která byla 1,15 m, 1,35 m a 1,55 m.

Typická konstrukce byla tvořena dvěma navzájem nespojenými komorovými nosníky. Na boky konstrukce byly šroubovým spojem připojeny prefabrikované železobetonové konzoly z betonu zn. 250 (C16/20). Kolejové lože mělo minimální výšku 0,5 m, most byl odvodněn dostředným sklonem 2 % a voda byla odváděna k opěrám pomocí podvěšeného žlabu mezi nosníky.

Typické poruchy jsou způsobené zatékáním na nosnou konstrukci skrz podélnou spáru mezi nosníky a spárami prefabrikovaných říms v kombinaci s malým krytím betonářské výztuže. Projevují se zejména vápennými výluhy, prokreslenou a korodující betonářskou výztuží a v další fázi odtržením betonové krycí vrstvy (což znamená riziko pro provoz na komunikaci pod mostem). Velký problém představují prefabrikované římsy, resp. jejich kotvení, které v případě porušené hydroizolace koroduje a není volně přístupné ke kontrole, protože je skryto pod štěrkovým ložem. Častá je také porucha hydroizolace v místě dilatační spáry nad konci nosníků, kde může zatékat na kotvy předpínacích kabelů, což může následně vést ke korozi nejen kotev samotných, ale i předpínacích lan. Vysoké riziko koroze předpínacích lan hrozí zejména v případě, kdy jsou kabelové kanálky špatně zainjektované. Obecně u nosníků s uzavřenými dutinami někdy dochází vlivem porušené izolace k zatékání a hromadění vody uvnitř komor, komory nosníků by proto měly být opatřeny odvodňovacími otvory na spodním líci. Tyto otvory mohou sloužit pro opětovnou namátkovou endoskopickou kontrolu vnitřních prostor komor a dutin bez dalšího invazivního narušení nosné konstrukce.

Nosníky KDP jsou typizované předpjaté deskové nosníky z betonu zn. 500 (C35/45). Pro rozpětí 4,8 až 10,5 m byly opatřeny vylehčujícími podélnými otvory kruhového průřezu Ø 0,2 až 0,35 m. Prvky délky 4,8 až 9 m byly předem předpjaty vložkami spletenými ze tří patentovaných drátů Ø P3 mm. Nosníky pro rozpětí 12 až 15 m byly vylehčeny profilovaným otvorem. Prvky byly dodatečně předpjaty kabely z patentovaného drátu 12 Ø P7 mm. Konstrukční výška nosníků KDP 12 byla 0,8 m, konstrukční výška nosníků KDP 15 byla 1 m. Nosníky mohly být vyrobeny vcelku nebo mohly být podélně sepnuty ze tří dílů.

Typická konstrukce byla tvořena v příčném řezu dvěma navzájem nespojenými nosníky KDP. Skladebná šířka byla vždy 2,1 m. Na boky konstrukce byly šroubovým spojem připojeny prefabrikované železobetonové konzoly.

Typické poruchy systému KDP jsou obdobné jako u nosníků KT a plynou zejména z konstrukčního řešení prefabrikovaných říms a dvojice nepropojených nosníků s odvodněním vedeným mezi nosníky.

Železniční deskové mosty z dodatečně předpjatého betonu zn. 600 (C45/55) z nosníků MPD o světlosti 8 až 14 m (modul 1 m) byly vyvinuty v roce 1958. Navrhovaly se všude tam, kde bylo nutné postavit mosty s minimální stavební výškou s kolejovým ložem. Pro širou trať (tj. úsek trati ohraničený na každé straně buď stanicí, dopravnou nebo koncem dráhy –pozn. red.), posunovací obvod a staniční obvod byly používány různé délky vyložení konzol. Postup výstavby mostu spočíval v skládání nosných prvků a betonáži příslušné chodníkové konzoly, nosná konstrukce se v příčném řezu skládá vždy ze dvou prefabrikovaných prvků pod jednou kolejí.

Prvky se vyráběly ve výrobnách prefabrikátů buď v jednom kuse, nebo ze tří dílů. Jako předpjatá výztuž se používaly patentované dráty Ø 4,5 mm. Výška průřezu je po délce nosníků rozdílná, největší výška je uprostřed pole a lineárně se mění směrem k opěrám, nosníky jsou odvodněny od středu pole směrem k opěrám.

Typické poruchy systému MPD souvisejí s odvedením vody z kolejového lože k opěrám, kde potom zpravidla dochází u dilatační spáry k zatékání na kotvy předpínací výztuže, což představuje zvýšené riziko poškození této výztuže. V důsledku malého krytí betonářské výztuže nosníků také často dochází k její korozi a odpadávání krycí vrstvy betonu.

Nosníky PSKT jsou konstrukce vytvořené spřažením předem předpjatého korýtkového nosníku s horní monolitickou železobetonovou deskou. Nosníky měly celkovou skladebnou délku 13,5 m, 15 m (oba typy se spřahující deskou výšky 1 m), 18 m, 21 m (oba typy se spřahující deskou výšky 1,55 m), 24 m (se spřahující deskou výšky 1,7 m), 27 m a 30 m (oba typy se spřahující deskou výšky 2,5 m). Nosníky mají vždy rozpětí o 1 m kratší, než je jejich skladebná délka, a jednotnou šířku spřahující desky 2,06 m. Spodní část nosníku je vyrobena z betonu zn. 500 (C35/45) a je předem předepnuta přímými dvojlanovými jednotkami 2× Lp 15,5 mm. Dodatečně – ještě ve výrobně – byla vybetonována horní spřažená deska s povrchem v příčném sklonu 2 %. Pod jednou kolejí se používaly dva vzájemně nepropojené nosníky.

Typické poruchy systému PSKT jsou obdobné jako u předchozích systémů a plynou zejména z konstrukčního řešení prefabrikovaných říms a dvojice nepropojených nosníků s odvodněním vedeným mezi nosníky.

Výhodou tohoto systému oproti předchozím je skutečnost, že nosníky jsou předem předpjaté a nemají příčné spáry ani kabelové kanálky, předpínací výztuž je tak lépe chráněna.

Prefabrikované předem předpjaté nosníky typu Armabeton MT byly navrženy z betonu zn. 500 (C35/45) a byly předpjaty přímými lany profilu L 12,5 mm. Předpínací lana byla umístěna v sedmi vrstvách (po 5 ks), první vrst­va (odspodu) byla vždy separována do vzdálenosti 2,2 m od konců nosníku, druhá vrstva byla separována do vzdálenosti 1,5 m od konců nosníku. Skupiny nosníků byly příčně sepnuty ocelovými tyčemi průměrů 32 mm.

Typické poruchy tohoto systému jsou v zásadě obdobné jako u předchozích systémů. V tomto případě navíc prvky příčného sepětí korodují, a to zejména jejich kotvení, které je nejvíce vystaveno zatékání.

Výhodou tohoto systému je skutečnost, že nosníky jsou předem předpjaté v podélném směru a nemají příčné spáry ani kabelové kanálky.

V rámci rozsáhlého projektu Správy železnic, s. o., proběhla podrobná kontrola stávajících předpjatých mostních konstrukcí pomocí diagnostických průzkumů a statických přepočtů. V tomto článku byla pojednána typologie předpjatých mostů na železnici v ČR. Historicky nejčastěji používané typy předpjatých nosných konstrukcí byly podrobněji představeny a byly shrnuty také jejich typické poruchy.

Většina stávajících železničních mostů z předpjatého betonu v ČR je v provozu již několik desítek let, většinou přibližně 40 až 50 let. Na těchto konstrukcích se obvykle projevují poruchy především v systému vodotěsné izolace a v překrytí dilatačních spár (podélných i příčných), čímž je způsobeno zatékání do konstrukcí, které vede k lokální degradaci betonu, či k lokální korozi betonářské výztuže (související také s malým krytím betonářské výztuže), či k poškození předpínací výztuže (zejména v kotevních oblastech), nebo k poruchám ostatních částí mostu, zejména kotvení prefabrikovaných konzol žlabu pro kolejové lože k nosné konstrukci.

Na kontrolovaných mostních konstrukcích je v důsledku jejich užívání již nutno provést potřebné opravy, avšak v naprosté většině případů nebyly zjištěny poruchy, které by zásadním způsobem ovlivňovaly odolnost a spolehlivost těchto konstrukcí. Na základě řady přepočtů bylo ověřeno, že při stáří předpjatých konstrukcí přibližně 40 až 50 let již proběhla naprostá většina ztrát předpětí a do doby předpokládaného konce životnosti mostu se již účinky předpětí (při zachování stávajícího stavu mostu) podstatně nezmění.

Na základě výše uvedených skutečností lze očekávat, že za předpokladu provádění odpovídající údržby a nezbytných oprav (zejména opravy hydroizolace a poruch způsobených zatékáním do konstrukce) je u většiny stávajících předpjatých železničních mostů reálné dosažení předpokládané, tj. přibližně stoleté životnosti.