asb-portal.cz - Odborný portál pro profesionály v oblasti stavebnictví
Partneři kategorie

První praktické využití ultra-vysokohodnotných betonů v České republice

21.07.2016

Autoři byli zapojeni do výzkumu a vývoje ultra-vysokohodnotných betonů (UHPC) a jejich využití v prefabrikovaných prvcích v České repub­lice. Dalšími partnery výzkumného týmu byli Kloknerův ústav ČVUT v Praze, dodavatelé (Skanska CZ a Metrostav) a výrobci materiálů. Zkušenosti z tohoto výzkumu byly využity při návrhu a realizaci několika mostů v České republice.

Zkušenosti z výzkumu byly využity konkrétně při návrhu a realizaci:

  • lehkých prefabrikovaných lávek pro pěší a předem předpjatých mostních nosníků,
  • ztraceného bednění z UHPC pro spřaženou ocelo-betonovou mostovku v Benátkách nad Jizerou,
  • segmentové mostovky zavěšené lávky přes Labe v Čelákovicích.

Průhyb předem předpjatého nosníku z UHPC

Průhyb předem předpjatého nosníku z UHPC

V České republice byl výzkum a vývoj UHPC zahájen v roce 2009 souběžně s dvěma stavebními skupinami Metrostav, a.s. a Skanska CZ, a.s. ve spolupráci s Kloknerovým ústavem ČVUT a projektovou firmou Pontex, s.r.o. UHPC s optimální skladbou všech částic, nízkým vodním součinitelem a rozptýlenou výztuží z krátkých ocelových vláken vykazuje velký potenciál pro náročné a odlehčené konstrukce. Vedle vysoké pevnosti v tlaku i tahu má tento materiál řadu dalších výhod. Ocelová vlákna zajišťují malé vzdálenosti trhlin a dostatečnou duktilitu. Velmi hutný a kompaktní materiál je prakticky nenasákavý pro agresivní látky vyskytující se v okolním prostředí, a tím je zajištěna vysoká trvanlivost. Vzhledem k nízkým nárokům na údržbu a přijatelné ceně během celého životního cyklu nabízí tento koncept řadu výhod ve srovnání s tradičními ocelovými nebo předpjatými nosníky.

Příčný řez předem předpjatým UHPC nosníkem pro lávky

Příčný řez předem předpjatým UHPC nosníkem pro lávky

Vývoj předem předpjatých nosníků z UHPC

Předpjaté nosníky pro silniční a železniční mosty

Prefabrikované předem předpjaté nosníky patří mezi nejslibnější prvky z UHPC pro skutečnou výrobu. Několik zkoušek mostních nosníků vyrobených z UHPC se vykonalo v závodě Prefa, Skanska, v letech 2010 až 2014. Předem předpjaté nosníky z UHPC mají vynikající vlastnosti ve srovnání s ocelí nebo standardními předpjatými nosníky. Odolávají i agresivnímu prostředí, není požadována žádná dodatečná ochrana a mají dostatečnou požární odolnost. I když je výrobní cena předem předpjatých UHPC nosníků ve srovnání s běžnými železobetonovými nosníky vyšší, jejich použití je celkově výhodné. Celková hmotnost je přibližně poloviční, což šetří náklady na dopravu a instalaci nosníků a spodní stavbu včetně základů, které jsou méně robustní. Srovnání předpjatého betonu, UHPC a ocelových nosníků délky 12 m je uvedeno v tab. 1. Všechny 3 typy nosníků byly určeny pro stejné mezní zatížení při zkoušce v čtyřbodovém ohybu dvěma břemeny 170 kN. Celkové vzepětí UHPC nosníku výšky 400 mm před zkouškou bylo asi 120 mm, mezní dosažený průhyb byl 310 mm a změřená plastická deformace po odstranění zatížení byla pouze 15 mm.

Tab. 1  Porovnání základních vlastností nosníků z různých materiálů

Tab. 1  Porovnání základních vlastností nosníků z různých materiálů

Montáž UHPC nosníku pro lávky

Montáž UHPC nosníku pro lávky

Předem předpjaté nosníky pro lávky

Správa železniční dopravní cesty postupně modernizuje železniční síť pro současné potřeby dopravy. V úseku Hradec Králové – Pardubice byla realizována nová lávka přes Opatovický potok na přístupové cestě k železniční stanici Čeperka. Investor se rozhodl vyzkoušet a monitorovat nosník z UHPC především z hlediska dlouholetého chování a trvanlivosti. Pro lávku o rozpětí 15,3 m byl navržen předem předpjatý tenkostěnný „TT“ nosník místo dříve uvažovaného dodatečně předpjatého monolitického „T“ nosníku. Množství betonu bylo sníženo v důsledku vysokohodnotného materiálu ze 14 m3 až na pouhých 4,5 m3. Doprava a montáž lehkého nosníku z UHPC včetně příčníku a křídel o celkové hmotnosti 13 t byly velmi jednoduché, proto investiční náklady zůstaly stejné, zatímco náklady na budoucí údržbu budou sníženy a životnost bude prodloužena. Navržená třída betonu byla C110/130 XF4, skutečná pevnost betonu dosáhla třídy C130/150. Po této úspěšné realizaci je nyní několik lávek z UHPC ve fázi projektové přípravy.

Instalace ztraceného bednění z UHPC

Instalace ztraceného bednění z UHPC

Ztracené bednění z UHPC pro mostní spřažené mostovky

Prefabrikované desky trvalého bednění vyrobila Skanska z UHPC třídy C110/130 s výztuží rozptýlenými ocelovými vlákny podle fib Model Code 2010. Vzorky byly testovány počátkem roku 2012 v Kloknerově ústavu ČVUT v rámci projektu Rekonstrukce mostu v Benátkách nad Jizerou. Pro zajištění maximální bezpečnosti byly všechny desky ztraceného bednění dodávané na stavbu podrobeny statické zatěžovací zkoušce v závodě Prefa. Na základě výsledků testů bylo rozhodnuto, zda deska může být použita na stavbě.

Musely být splněny dvě podmínky pro elastické chování desky:

  • celkový průhyb desky po 3 minutách nepřekročí 5 mm,
  • trvalý průhyb desky po odtížení je menší než 1 mm.

Po montáži desek ztraceného bednění byla uložena výztuž a vybetonována spřažená deska. Kromě finančního přínosu měl projekt i pozitivní dopad na životní prostředí a provoz pod mostem, protože nebylo nutné stavět lešení nebo pomocné konstrukce pod mostovkou. Další vyzkoušené aplikace byly sloupky z UHPC pro protihlukové stěny a povrchová vrstva z UHPC na svodidlech.

Zkouška propíchnutí UHPC desky

Zkouška propíchnutí UHPC desky

Zavěšená lávka přes Labe v Čelákovicích

Lávka v Čelákovicích spojuje město na levém břehu Labe s rekreační oblastí na pravém břehu. Lávka umožňuje komfortní bezbariérový přechod řeky pro chodce, cyklisty a vozidla integrovaného záchranného systému. V zadávací dokumentaci byla pro přemostění řeky navržena zavěšená mostní konstrukce se spřaženou mostovkou, složenou ze dvou ocelových svařovaných podélných nosníků, příčníků a železobetonové desky. Spřahující deska byla navržena z prefabrikovaných dílců z betonu C110/130 s rozptýlenou výztuží, které byly ukládány na spodní pásnice hlavních nosníků a na příčníky. Po uložení dílců a vyrovnání mostovky by se spáry mezi deskami a podél stěn hlavních nosníků zabetonovaly monolitickým betonem. Zhotovitel stavby realizoval alternativní návrh segmentové mostovky provedené kompletně z betonu C110/130 s rozptýlenou výztuží a uspořádáním polí 43 + 156 + 43 m. Délka segmentů 11,3 m byla dána rozmístěním závěsů. Segmenty se betonovaly v poloviční délce a vždy dva segmenty se ve výrobně spojily klasickou pracovní spárou s procházející betonářskou výztuží. Nosná konstrukce má obvyklé lepené spáry s epoxidovým tmelem. V lepených pracovních spárách bylo nutné zachovat tlakovou rezervu 1 MPa ve všech stavebních stavech.

Příčný řez lávky v Čelákovicích

Příčný řez lávky v Čelákovicích

Výroba segmentů z UHPC

UHPC je vyvíjen v týmu Metrostav a TBG Metrostav od roku 2010 s předpokladem jeho využití pro prefabrikované i monolitické konstrukce. Pro výrobu se používají místní materiály. Výstavba lávky přes Labe byla vhodnou příležitostí pro první aplikaci nového materiálu, tvar příčného řezu segmentů lávky však nebyl pro výrobu jednoduchý. Segmenty se vyráběly bez pracovních spár, sklon horního povrchu desky a krajní nosníky vystupující nad povrch desky byly při použití samozhutnitelného betonu problematické, proto se betonáž prováděla s použitím horního bednění. Než se přistoupilo k výrobě ocelové formy, byl postup betonáže ověřen na modelech. V podélném směru je lávka předepnuta a vyztužena. V příčném směru jsou vyztužena pouze žebra dvěma pruty profilu 16 mm. Únosnost mostovky lávky v příčném směru byla odzkoušena na malém modelu. Bodové zatížení bylo zvyšováno až do úrovně 110 kN, zatímco předpokládané lehké vozidlo má nápravové zatížení pouze 25 kN. Zkoušený model selhal ohybem příčných žeber, deska zůstala neporušena (s výjimkou malých trhlinek), ačkoli zatížení bylo umístěno uprostřed mezi žebry.

Podélný řez lávky v Čelákovicích

Podélný řez lávky v Čelákovicích

Forma byla umístěna ve výrobně prefabrikátů firmy SMP CZ, protože ta je umístěna vedle Labe a vyrobené segmenty mohly být odvezeny lodí na staveniště. Beton byl vyráběn v betonárně TBG Metrostav, ve vzdálenosti asi 25 km od výrobny. Tvrdnutí betonu bylo proto zpomaleno. Aby se urychlila výroba segmentů, byla forma po zabetonování vyhřívána tak, že beton dosahoval teploty kolem 60 °C. To umožnilo odbedňovat segmenty již po 7 až 8 hodinách. Segmenty mohly být vyráběny v intervalu 2 až 3 dny podle klimatických podmínek. Deska, která má tloušťku pouze 60 mm a nemá žádnou výztuž, se zdála být nejslabší konstrukční částí lávky. Proto byla deska zkoušena bodovým zatížením působícím na kruhové ploše o průměru 200 mm. Zatížení bylo cyklicky zvyšováno do 22 kN a pak odlehčováno celkem v 5 cyklech. Pak bylo postupně zvyšováno až do selhání desky. Zkouška se opakovala celkem čtyřikrát. První trhliny se objevily na úrovni zatížení 150 až 200 kN, a deska selhala na úrovni zatížení 320 až 370 kN. Testy prokázaly, že únosnost desky je větší, než požaduje návrh konstrukce.

Krajní pole na skruži

Krajní pole na skruži

Montáž lávky

Krajní pole lávky byla montována na pevné skruži dodané firmou PERI. První segment byl ustaven pod pylonem a další byly položeny na skruž a pak připojeny k prvnímu segmentu pomocí předpětí tyčemi. Zbývající část u opěry byla dobetonována monoliticky běžným betonem. Hlavní pole bylo montováno letmo. Segmenty se dopravovaly lodí a zvedaly do příslušné výšky pomocí montážního vozíku, který se pohyboval na již hotové části lávky. Na konzole vozíku délky 12 m byl umístěn pohyblivý rám, který umožnil pohyb se zavěšeným segmentem a příčný pohyb k jeho ustavení do přesné polohy. V průběhu výstavby je konstrukce podélně předepnuta tyčemi VSL průměru 32 a 36 mm. Rozměry příčného řezu lávky vyloučily možnost použití standardních kotev tyčového předpětí, jejichž rozměr 200/200 mm byl nepřijatelně velký. Byly použity atypické kotevní desky 140/140 mm. Jejich použití bylo prověřeno na řadě zatěžovacích zkoušek, které prokázaly dostatečnou rezervu únosnosti kotevních oblastí pod zmenšenými kotvami. Po napojení předpínacích tyčí se styčná plocha segmentu natřela lepidlem a segment se přisunul k existující konstrukci a předepnul.

Tab. 2  Spotřeba materiálů pro nosnou konstrukci

Tab. 2  Spotřeba materiálů pro nosnou konstrukci

Zvedání segmentu pomocí vozíku

Zvedání segmentu pomocí vozíku

Podstatná část tíhy zvedaného segmentu byla vynesena pomocným závěsem z pylonu. Montáž byla dokončena zvednutím středního krátkého segmentu a zabetonováním dvou uzavíracích spár. Po spojení obou vahadel byly napnuty 2 kabely z 15 lan průměru 15,70 mm a všechny prvky předpětí byly zainjektovány. Během montáže bylo nutné pečlivě sledovat a případně i upravit polohu segmentů a síly v závěsech. Lávka přes Labe v Čelákovicích je první konstrukcí v České republice, která má nosnou konstrukci vyrobenou z UHPC. Návrh a provedení lávky je založeno na zkušenostech z experimentů s novým materiálem, v některých částech je návrh konzervativní vzhledem k dosud nedostatečné znalosti o působení UHPC. Použití UHPC pro mostovku vede k nízké hmotnosti lávky, závěsy a pylony jsou proto též lehké. UHPC by se měl stát zárukou dlouhodobé trvanlivosti lávky a omezení údržbových prací. Lávka v Čelákovicích získala několik ocenění včetně 1. místa v soutěži ACI Excellence Awards 2015 v kategorii infrastruktury.

Letecký pohled na lávku v Čelákovicích

Letecký pohled na lávku v Čelákovicích

Závěr

Na základě dobrých zkušeností s použitím UHPC byla vydána metodika pro zkoušení, navrhování a výrobu prefabrikovaných prvků z UHPC v ČR, kterou v roce 2015 schválilo MD ČR. Výzkum a vývoj UHPC byl spolufinancován pomocí grantů TAČR č. 101010269, MPO ČR č. FR-TI3/732+531 a CESTI WP3 – Mosty.

TEXT: Milan Kalný, Václav Kvasnička, Jan Komanec
FOTO a OBRÁZKY: Pontex, s.r.o., Praha

Milan Kalný, Václav Kvasnička, Jan Komanec působí ve společnosti Pontex, s.r.o.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.

Komentáře

Prepíšte text z obrázku do poľa. Ak nedokážete text rozoznať, kliknite na obrázok.

Další z Jaga Media