PROJEKT NOWEGO MOSTU LECHA W POZNANIU O TZW. PODWÓJNIE ZESPOLONEJ STALOWO-BETONOWEJ KONSTRUKCJI PRZĘSEŁ

Transkrypt

1 ARCHIWUM INSTYTUTU INŻ YNIERII LĄ DOWEJ Nr 19 ARCHIVES OF INSTITUTE OF CIVIL ENGINEERING 2015 PROJEKT NOWEGO MOSTU LECHA W POZNANIU O TZW. PODWÓJNIE ZESPOLONEJ STALOWO-BETONOWEJ KONSTRUKCJI PRZĘSEŁ Jakub KOZŁOWSKI * Arkadiusz MADAJ ** * MOST-PROJEKT S.C., Poznań ** Politechnika Poznańska W artykule przedstawiono projekt nowego mostu o konstrukcji zespolonej stalowo betonowej. Zgodnie z życzeniem Inwestora długość mostu miała być taka sama jak mostu istniejącego w tym miejscu. Jednak zamiast mostu siedmioprzęsłowego należało zaprojektować most trzyprzęsłowy. Ponieważ obok znajduje się inny most, układ podpór nowego mostu musiał być dostosowany do mostu sąsiedniego. Wymusiło to rozpiętość przęseł w proporcjach 1:1,51:1 (66,9:100,8:66,9) Ponadto ze względu na konieczność zachowania rzędnych niwelety identycznej jak mostu sąsiedniego oraz skrajni pionowej pod mostem, należało zaprojektować most o małej wysokości konstrukcyjnej. W konsekwencji, w celu spełnienia przede wszystkim stanów granicznych użytkowalności przyjęto zmienną wysokość ustroju nośnego oraz zastosowano w strefach podpór pośrednich tzw. przekrój podwójnie zespolony. W artykule zaprezentowano podstawowe wyniki obliczeń statyczno-wytrzymałościowych oraz opisano proponowaną technologię montażu. Obliczenia przeprowadzono zgodnie z obowiązującym systemem norm PN, które porównano z wynikami obliczeń zgodnie z systemem norm PN-EN. Ponadto przedstawiono wybrane rozwiązania konstrukcyjne, w tym oryginalne rozwiązanie ukształtowania płyty dolnej i jej zespolenia z dźwigarem stalowym. Słowa kluczowe: most drogowy, konstrukcja zespolona stalowo betonowa, normy projektowania, rozwiązania konstrukcyjne 1. STAN ISTNIEJĄCY Północną konstrukcję mostu Lecha wybudowano w latach Most jest obiektem siedmioprzęsłowym (rys. 1). Obiekt składa się z siedmiu identycznych przęseł o rozpiętości 33 m (schemat statyczny belki wolnopodpartej). Całkowita długość mostu wynosi 235,40 m. Ustrój niosący wykonano jako przęsła kratowe z żelbetową płytą pomostu. W przekroju poprzecznym znajdują się 4 dźwigary kratowe z kratą w kształcie litery W o wysokości 2,55 m (rys. 2). Podpory mostu filary i przyczółki są betonowe monolityczne. Wysokość filarów nad terenem jest zmienna w zależności od usytuowania i waha się

2 104 Jakub Kozłowski, Arkadiusz Madaj w przedziale od 5,50 m do 11,20 m. Przyczółki masywne mają szerokość 11,50 m. Obiekt jest jedną z podstawowych przepraw mostowych przez rzekę Wartę w Poznaniu. PRZYCZOLEK LEWOBRZEZNY VI V IV III II I PRZYCZOLEK PRAWOBRZEZNY Rys. 1. Przekrój podłużny istniejącego mostu Rys. 2. Przekrój poprzeczny mostu Rys. 3. Widok istniejącego mostu

3 Projekt nowego mostu Lecha w Poznaniu o tzw. podwójnie WYMAGANIA DOTYCZĄCE NOWEJ PRZEPRAWY W ramach projektu nowej północnej konstrukcji mostu Lecha Inwestor wprowadził określone kryteria, które miała spełniać nowa konstrukcja. Pierwszym kryterium było zaprojektowanie ustroju nośnego zespolonego stalowobetonowego w schemacie statycznym belki ciągłej. Drugim kryterium mającym najistotniejszy wpływ na projektowanie było ograniczenie liczby przęseł, mające na celu eliminację podpór nurtowych. Ponieważ południowa konstrukcja mostu Lecha wybudowana w latach 90-tych poprzedniego wieku miała zachowany układ podpór konstrukcji północnej Projektanci zostali ograniczeni do zastosowania praktycznie tylko jednego układu statycznego - belki ciągłej trójprzęsłowej, o rozpiętościach przęseł m (1:1.51:1). Należy zwrócić uwagę, że w stosunku do pierwotnej rozpiętości przęseł, długość skrajnych przęseł wzrosła dwukrotnie, a przęsła środkowego aż trzykrotnie. Poza tymi wymaganiami Inwestora konieczne było uwzględnienie jeszcze szeregu innych ograniczeń typowych dla obiektów mostowych realizowanych na terenach silnie zurbanizowanych, budowanych nad rzekami żeglownymi. Są to ograniczenia w zmianach niwelety drogi oraz zachowania co najmniej takich samych parametrów skrajni żeglownej. Ponieważ dopuszczalna była tylko niewielka korekta niwelety (maks. podniesienie o ok. 15 cm) i konieczność zachowania skrajni pionowej pod mostem (ze względu na skrajnię toru żeglownego spód projektowanej konstrukcji musiał znajdować się na tym samym poziomie co spód konstrukcji mostu pierwotnego), należało zaprojektować obiekt o małej wysokości konstrukcyjnej przęseł. 3. ANALIZOWANE ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE Analiza wszystkich warunków brzegowych pozwoliła na określenie maksymalnych wysokości konstrukcyjnych mostu w strefie nurtowej i podporowej. Zastosowana wysokość konstrukcyjna w przęśle nurtowym wynosi 3,16 m (dźwigar stalowy o wysokości 2,50 m) co stanowi 1/32 rozpiętości przęsła środkowego. Wysokość konstrukcyjna nad podporą została ustalona o wartości 4,80 m (dźwigar stalowy o wysokości 4,20 m przy zespoleniu tylko z płytą pomostu, 3,95m przy podwójnym zespoleniu), co stanowi 1/21 rozpiętości przęsła środkowego. Chcąc zastosować klasyczne rozwiązanie w postaci zespolenia jedynie płyty pomostowej, jednocześnie uzyskując spełnienie wymaganych stanów granicznych nośności i użytkowalności przeanalizowano różne warianty ukształtowania i wykonania konstrukcji, skupiając się na przede wszystkim zwiększeniu sztywności i nośności stref nad podporami pośrednimi. W tym celu przeanalizowali dwa typowe warianty wykonania ustroju nośnego:

4 106 Jakub Kozłowski, Arkadiusz Madaj wykonanie konstrukcji stalowej zespolonej z żelbetową płytą pomostu, z zastosowaniem sprężenia przez obniżenie konstrukcji po zespoleniu nad podpory pośrednie wykonanie konstrukcji stalowej zespolonej z żelbetową płytą pomostu sprężoną w strefie podpór pośrednich. Przeprowadzone analizy wymienionych wariantów wykazały małą efektywność tych rozwiązań. Ostatecznie wybrano wariant wykonania konstrukcji zespolonej z dodatkowym zespoleniem z płytą dolną w strefie podpór pośrednich (zastosowanie tzw. przekroju podwójnie zespolonego). 4. CHARAKTERYSTYKA OGÓLNA PROJEKTOWANEGO MOSTU Zaprojektowano most belkowy, trójprzęsłowy. Cztery dźwigary stalowe zespolone są z żelbetową płytą pomostu. W strefie podpór pośrednich dźwigary stalowe zespolone są dodatkowo z żelbetową płytą dolną. Filary zaprojektowano jako żelbetowe, posadowione na ścianach szczelinowych. Przyjęto, że ściany szczelinowe będą wykonane po obrysie istniejących pali fundamentowych. Przyczółki zostaną wykonane po całkowitej rozbiórce istniejących i posadowione na kolumnach powstałych na palach wykonanych w technologii iniekcji strumieniowej jet-grouting. Charakterystyczne parametry techniczne mostu: klasa obciążenia A wg normy PN-85/S [1], całkowita długość mostu 235,80 m całkowita szerokość mostu 16,90 m szerokość jezdni w świetle krawężników 11,00 m pas barier dzielących 1,00 m pas barier skrajnych 1,00 m szerokość ścieżki pieszo - rowerowej 3,70 m zewnętrzny pas gzymsowy 0,20 m wysokość konstrukcyjna: w przęśle: 3,16 m nad podporą: 4,83 m kąt ukosu podpór 90, SWIECKO WARSZAWA Rys. 4. Widok nowego mostu, z zaznaczoną lokalizacją podpór starego mostu

5 Projekt nowego mostu Lecha w Poznaniu o tzw. podwójnie 107 Rys. 5. Przekrój poprzeczny projektowanego mostu 5. TECHNOLOGIA BUDOWY USTROJU NOŚNEGO Pomimo zastosowania zmiennej wysokości przęseł oraz podwójnego zespolenia nad podporami okazało się, że ograniczona wysokość konstrukcyjna w przekroju podporowym, wymagała przyjęcia dodatkowych zabiegów technologicznych pozwalających na ograniczenie momentów zginających nad filarami w fazie montażu (przed zespoleniem). Podstawowym sposobem na osiągnięcie redukcji momentów podporowych w fazie montażu (przekrój przed zespoleniem) było opracowanie technologii umożliwiającej wykonanie płyty pomostu w strefach przęsłowych i obciążenie od ciężarów stałych dopiero po zespoleniu stref podporowych. Uzyskano to przez wprowadzenie podpór montażowych. Czynnikiem sprzyjającym wprowadzeniu zastosowania takiej technologii okazały się filary istniejącego mostu, przeznaczone docelowo do całkowitej rozbiórki. Założono, że istniejące podpory, po wprowadzeniu niewielkich modyfikacji, będą spełniały rolę podpór tymczasowych. Ten zabieg umożliwił spełnienie założeń projektowych oraz pozwolił na znaczną redukcję planowanych kosztów budowy. Ostatecznie przyjęto następującą technologię budowy ustroju nośnego: Etap 1 Montaż konstrukcji stalowej z wykorzystaniem istniejących filarów. Długości elementów wysyłkowych dobrano z uwzględnieniem rozstawów istniejących podpór tak, aby zminimalizować konieczność wykonania dodatkowych podpór. Po zmontowaniu całej konstrukcji stalowej i demontażu rusztowań uzyskano schemat statyczny siedmioprzęsłowej belki ciągłej o rozpiętościach przęseł odpowiadających istniejącemu mostowi.

6 108 Jakub Kozłowski, Arkadiusz Madaj Etap 2 Wykonanie żelbetowej płyty dolnej w strefach podporowych. Płyta dolna zostanie wykonana na rusztowaniu stacjonarnym. W tym etapie konstrukcja stalowa pracuje w schemacie belki ciągłej siedmioprzęsłowej. Etap 3 Betonowane stref przęsłowych płyty pomostu. W tym etapie konstrukcja stalowa cały czas pracuje w schemacie belki ciągłej siedmioprzęsłowej. Etap 4 Po uzyskaniu pełnej wytrzymałości betonu podpory tymczasowe zostaną zdemontowane. Jest to moment przejścia ze schematu statycznego belki 7-przęsłowej do układu docelowego. Etap 5 Betonowanie stref podporowych płyty pomostu Rys. 6. Zakres betonowania płyty pomostu przed demontażem podpór tymczasowych 6. ANALIZA OBLICZENIOWA. PORÓWNANIE PODSTAWOWYCH WYNIKÓW OBLICZEŃ WYKONANYCH W OPARCIU O SYSTEM NORM PN Z OBLICZENIAMI WYKONANYMI WG EUROKODÓW Obiekt został zaprojektowany na obciążenia klasy A zgodnie z PN-85/S [1]. Ponieważ normy te są aktualnie wycofywane, dodatkowo, zgodnie życzeniem Inwestora, została przeprowadzona analiza stanów granicznych nośności i użytkowalności zgodnie z systemem norm PN-EN. W pierwszej kolejności wykonano analizę statyczną. Aby możliwe ustalenie wartości momentów zginających od obciążeń ruchomych wg Eurokodu przyjęto następujące wartości współczynników dostosowawczych α: i=1 α q2 =0,8 α Q1 =0,8 i=2 α q2 =1,0 α Q2 =1,0 i=3 α q3 =1,0 α Q3 =1,0 α qr =1,0 Przyjęte wartości są wartościami minimalnymi określonymi wg ogólnych zaleceń normy PN EN [4]. Wartości te powinny być podane w załączniku krajowym i zależeć od przewidywanego ruchu i klasy drogi. W tablicach 1 i 2 porównano wartości momentów charakterystycznych i obliczeniowych (STR, równanie 6.10 [3]).W tablicach nie ujęto obciążeń wywoła-

7 Projekt nowego mostu Lecha w Poznaniu o tzw. podwójnie 109 nych zjawiskami powstałymi na skutek reologii betonu oraz sił wywołanych zmianami temperatury. Wartości obliczeniowe momentów zginających wyznaczonych wg PN-EN 1990 [3] obliczono w oparciu równanie Należy zwrócić szczególną uwagę na fakt, że podobnie jak wartości współczynników α qi, wybór równania służącego do wyznaczania wartości obliczeniowych powinien być określony w załączniku krajowym. Tablica 1. Wartości momentów charakterystycznych w poszczególnych fazach pracy przekroju zespolonego Momenty charakterystyczne PN-85/S [1] Momenty charakterystyczne PN-EN 1991 [4] Przekrój obliczeniowy Podpora pośrednia [knm] Przęsło środkowe Podpora pośrednia [knm] Przęsło środkowe Dźwigar stalowy z płytą żelbetową obciążenie długotrwałe z płytą żelbetową obciążenie zmienne z płytą żelbetową (zespolenie podwójne) obciążenie długotrwałe z płytą żelbetową (zespolenie podwójne) obciążenie zmienne Ʃ

8 110 Jakub Kozłowski, Arkadiusz Madaj Tablica 2. Wartości momentów obliczeniowych w poszczególnych fazach pracy przekroju zespolonego Przekrój obliczeniowy Momenty obliczeniowe PN-85/S [1] (układ obciążeń P) knm Podpora pośrednia Przęsło środkowe Momenty obliczeniowe PN-EN-1990 [3] (STR, równanie 6.10) knm Podpora pośrednia Przęsło środkowe Dźwigar stalowy z płytą żelbetową obciążenie długotrwałe z płytą żelbetową obciążenie zmienne z płytą żelbetową (zespolenie podwójne) obciążenie długotrwałe z płytą żelbetową (zespolenie podwójne) obciążenie zmienne Ʃ W przypadku wykorzystania równania 6.10a [3] do wyznaczenia momentu obliczeniowego w przekroju podpory pośredniej uzyskamy wartość knm. Dla równania 6.10b [3] wartość ta wynosi knm. Tablica 3. Porównanie momentów obliczeń wyznaczonych w oparciu o równania określające zasady wyznaczania kombinacji zgodnie z systemem norm PN-EN. Całkowity moment zginający w przekroju podporowym Porównanie z wartością z godną równaniem 6.10 [3]. Równanie 6.10 [3] Momenty obliczeniowe [knm] Równanie 6.10a [3] Równanie 6.10b [3] % 87% 89% Tablica 3 pokazuje jak istotne jest określenie zasad wykorzystywania równań do ustalania wartości obliczeniowej, będących podstawą projektowania wg sytemu norm PN-EN.

9 Projekt nowego mostu Lecha w Poznaniu o tzw. podwójnie 111 Ponieważ w przypadku północnej konstrukcji mostu Lecha dźwigary wg PN-EN [6] zakwalifikowano ze względy na smukłość środników do klasy 3, obliczenia przeprowadzono w zakresie sprężystym, a więc stosując podejście i wzory analogiczne do metod stosowanych dotychczas w projektowaniu konstrukcji inżynierskich (projektowanie w zakresie sprężystym). Kolejnym elementem na, który należy zwrócić uwagę przy porównywaniu wyników obliczeń wykonanych w oparciu o oba systemy norm są wytrzymałości obliczeniowe przy wymiarowaniu w zakresie sprężystym (przekroje klasy 3 i 4). Zgodnie z normą PN-82/S [2] wytrzymałość obliczeniową, w przypadku, gdy mamy do czynienia z gatunkiem stali nie podanej w normie, obliczamy dzieląc wytrzymałość charakterystyczną przez współczynnik materiałowy γ s. Obliczona w ten sposób wytrzymałość obliczeniowa stali S3555J2 wynosi 294 MPa. Zgodnie z PN-EN [5] przy sprawdzaniu przekrojów powinniśmy posługiwać się dwoma wartościami naprężeń obliczeniowych wynoszących 355 MPa (blachy o gr. do 4cm) oraz 355 MPa (blachy o gr. od 4 do 8cm). Dodatkowo system norm europejskich pozwala na zwiększenie wytężenia przekrojów w stanie granicznym nośności (STR) o 12%. Wskazuje to na istotne różnice przyjmowanych wartości wytrzymałości obliczeniowej stali. Już wstępna analiza uzyskanych wyników obliczeń wskazuje, że trudno jest w sposób bezpośredni porównywać rezultaty obliczeń wykonywanych wg obu systemów norm. Wydaje się, że praktycznie nie jest możliwe np. na podstawie porównania tylko wartości sił wewnętrznych, ustalenie klasy nośności obiektu inżynierskiego zgodnie z systemem norm PN-EN, a projektowanego w oparciu o stosowane do tej pory normy. Klasę nośności w ujęciu normowym (obliczeniowym) można określić jedynie w oparciu o konsekwentne stosowanie jednego sytemu norm. Kolejny raz potwierdzono, że jest bardzo trudne do ustalenia wg jakich kryteriów ustalać klasę nośności mostów w ujęciu normowym, obliczanych wg różnych systemów norm. Nie mniej autorzy artykuły na przykładzie projektowanego mostu próbują ustalić takie kryteria w odniesieniu do mostów zespolonych stalowo-betonowych, a wyniki analiz postaramy się przedstawić się w kolejnych publikacjach. 7. SZCZEGÓŁY PRZYJĘTYCH WYBRANYCH ROZWIĄZAŃ KONSTRUKCYJNYCH Projektanci w czasie tworzenia dokumentacji postanowili wprowadzić kilka istotnych zmian do klasycznego rozwiązania zespolenia konstrukcji stalowej z płytą dolną. W klasycznych rozwiązaniach płytę opiera się na górnej powierzchni pasów dolnych. W opisywanym projekcie najważniejszą modyfikacją jest zabetonowanie pasa dolnego dźwigara stalowego z płycie dolnej. Takie rozwiązanie pozwalało zredukować przekrój poprzeczny pasa dolnego ponieważ większy przekrój ze względów obliczeniowych był niepotrzebny (większość obciążeń przejmował przekrój zespolony) i jednocześnie pozwalał zwiększyć

10 112 Jakub Kozłowski, Arkadiusz Madaj płaszczyzny zespolenia dzięki wprowadzeniu dolnej powierzchni pasa dolnego w beton możliwość mocowania łączników do obu powierzchni pasa. Betonowa płyta dolna ma zmienną grubość: od 50 cm w osiach podpór do 30 cm na końcach. Rys. 6. Przekrój poprzeczny płyty betonowej dolnej w strefie podpory pośrednie i na zakończeniu płyty Taki sposób ukształtowania płyty dolnej wymagał zaprojektowania sposobu podparcia łożyska oraz strefy przejścia płyty dolnej w pas stalowy. A A Rys. 7. Konstrukcja blachy nadłożyskowej z użebrowaniem B PRZEKRÓJ B-B B B B Rys. 8. Użebrowanie pasa dolnego na styku z płytą dolną

11 Projekt nowego mostu Lecha w Poznaniu o tzw. podwójnie PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono projekt mostu zespolonego stalowo-betonowego, którego ukształtowanie było wymuszone warunkami, które wymusiły z jednej strony wymagania inwestora, a z drugiej strony istniejący obok most. Podstawowe warunki, które musieli spełnić projektanci, poza standardowymi przy realizacji tego typu inwestycji, to: długość mostu i typ konstrukcji (zespolony stalowo-betonowy), podział na przęsła i proporcje ich długość, wysokość konstrukcyjna, wynikająca ze skrajni pionowej pod mostem oraz rzędnymi niwelety drogi na moście, uzyskanie wymaganej nośności, zgodnie z wymaganiami zarówno systemu norm PN jak i PN-EN. Spełnienie wszystkich wymagań inwestora okazało się możliwe przede wszystkim dzięki zastosowaniu zaprojektowania w strefie podporowej tzw. przekroju podwójnie zespolonego oraz opracowaniu odpowiedniego sytemu montażu. W omawianym przykładzie szczególnie istotne okazało się opracowanie odpowiedniego sposobu montażu. Opracowując system montażu projektanci starali się uzyskać optymalny wynik, wykorzystując istniejące podpory przebudowywanego mostu. Tym samym wykazano, że możliwe jest zaprojektowanie mostu nawet przy dużych ograniczeniach w jego kształtowaniu, pod warunkiem odpowiedniego ukształtowania przęseł na długości i szczegółowej analizy, a następnie opracowania technologii wykonania. Potwierdziła się po raz kolejny, ze bardzo często o sukcesie realizacji budowy mostu ma przyjęta technologia jej realizacji, a nie tylko przyjęte rozwiązania konstrukcyjne. Odrębny problem stanowi stosowanie w praktyce sytemu norm PN-EN. W oparciu o doświadczenia związane z realizacją omawianego projektu jednoznacznie potwierdzamy, że bez opracowania załączników krajowych, jest to trudne, a prawie niemożliwe projektowanie mostów w oparciu o system norm PN-EN, równocześnie spełniając wymogi obowiązujących przepisów ustaw, rozporządzeń ministra czy zarządzeń różnych instytucji zarządzających budową i eksploatacją mostów. Konieczne jest również opracowanie stosownych wytycznych (algorytmów) projektowania konstrukcji mostowych w oparciu o system norm PN-EN. Wynika to nie tylko ze zmian w dotychczasowym, a ugruntowanym w Polsce sposobie projektowania mostów, ale również z niezmiernie rozbudowanego sytemu norm PN-EN. Na zakończenie chcielibyśmy jeszcze raz podkreślić, że nie jest łatwe ustalenie nośności w ujęciu normowym obiektów projektowanych wg różnych systemów norm. W artykule próbowaliśmy to wykazać w odniesieniu do obiektu projektowanego zgodnie z obowiązującym do tej pory systemem norm PN i Eurokodami, czego niekiedy wymagają zamawiający projekt.

12 114 Jakub Kozłowski, Arkadiusz Madaj LITERATURA [1] PN-85/S Obiekty mostowe. Obciążenia. [2] PN-82/S Obiekty mostowe. Konstrukcje stalowe. Projektowanie. [3] PN-EN 1990 Podstawy projektowania konstrukcji. [4] PN-EN Oddziaływania na konstrukcje. Cześć 2: Obciążenia ruchome mostów. [5] PN-EN Projektowanie konstrukcji stalowych Część 2: Mosty stalowe. [6] PN-EN Projektowanie konstrukcji zespolonych stalowo-betonowych. Część 2: Reguły ogólne i reguły dla mostów. THE PROJECT OF NEW LECH BRIDGE IN POZNAŃ WITH SO-CALLED DOUBLE COMPOSITE STEEL-CONCRETE SPAN CONSTRUCTION Summary In the paper the authors presented a project of a new bridge with a composite steelconcrete construction. Accoring to the Investors requests, the length of the bridge was supposed to be the same as the length of the existing one. However, instead of a seven span bridge, the new bridge was supposed to have only three spans. Another bridge is located nerby, so the supports order had to be adated to that arrangement. It forced the proportion of spans 1:1,51:1 (66,9:100,8:66,9). Furthermore, because of the need to preserve the ordinates of the road grade identical with the next bridge and the vertical clearance below the bridge, the new bridge required a small constructional height. Consequently, in order to meet mainly serviceability limit states, a variable height of the bearing construction was chosen and in middle supports area a so-called double composite section was applied. It the paper the authors present the analysis results and described a suggested assembly technology. The calculations were conducted according to current polish norm system (PN) and then compared with the results of calculations done according to european norm system (PN-EN). In addition, the authors presented selected constructional solutions, among other things an original bottom slab shape solution and its composition with steel grider.