Nowatorska konstrukcja zespolona przęseł nowego wiaduktu w ciągu DK nr 22 nad linią PKP koło Elbląga mgr inż. Maciej Stacewicz, Vistal Infrastructure Sp. z o.o., mgr inż. Andrzej Hukowicz, mgr inż. Henryk Windorpski, mgr inż. Tomasz Kołakowski, mgr inż. Witold Kosecki Europrojekt Gdańsk S.A., dr hab. inż. Wojciech Lorenc, prof. PWr Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego, Politechnika Wrocławska Przedmiotowa konstrukcja nowego wiaduktu została zaprojektowana wg nowej, pierwszy raz zastosowanej koncepcji konstrukcji zespolonej. Konstrukcja jest zwiastunem nowej generacji obiektów z belkami zespolonymi, w których włącza się betonowe części przekroju zespolonego do przenoszenia siły poprzecznej. Jednocześnie stanowi krok w kierunku nowego sytemu prefabrykatów zespolonych do budowy przęseł o rozpiętościach od około 30 m do nieco ponad 40 m. 24 I SUMMARY Innovative superstructure of a new composite viaduct within the national road no 22 over the railway line near Elbląg in Poland A new technology for a medium-span composite bridge is presented. It was applied for the first time for the construction of a new viaduct within the national road no 22 over the railway line near Elbląg in Poland. Prefabricated composite beams without upper steel flange using MCL composite dowels were used for 38-meter-long spans of the road bridge. In particular, a steel web is used for the field sections, a concrete web is applied for the support sections and a shear connection is dedicated basically to the compressed zone of the composite section. This is an example of a new generation of composite bridges. Keywords: composite viaduct, composite bridges We wrześniu 2015 roku pojawił się pomysł na nowy system budowy mostów z prefabrykatów zespolonych. Jest to jedno z praktycznych zastosowań nowych koncepcji konstrukcji zespolonych przedstawionych w referacie W. Lorenca i G. Seidla Trendy w rozwoju konstrukcji zespolonych w mostownictwie (Seminarium Wrocławskie Dni Mostowe Duże mosty wieloprzęsłowe. Projektowanie, technologie budowy, monitoring. Wrocław, 29-30 listopada 2016 r. przyp. red.). Podstawowe założenia systemu zilustrowano na rys. 1, wykorzystując zdjęcie ustawionych już prefabrykatów wiaduktu w Elblągu w celu jasnego zaprezentowania podstaw systemu. System stworzono, mając na uwadze przyszłe uwarunkowania co do wytwarzania konstrukcji stalowej (jak największa automatyzacja produkcji, minimum spawania, gięcie na zimno zamiast wykrojów o skomplikowanej geometrii, itp.). W swej podstawowej formie koncepcja zakładała wykorzystanie jako bazy do wytworzenia konstrukcji stalowej dwuteowników walcowanych ze stali drobnoziarnistych walcowanych termomechanicznie o granicy plastyczności niezależnej od grubości pasa (przy rozpiętościach około 40 m potrzebne są już pasy o znacznej grubości). Zilustrowany na rys. 1 proces produkcji prefabrykatu w wersji z wykorzystaniem kształtownika walcowanego wygląda następująco: rozcięcie linią MCL środnika dwuteownika w pobliżu jednego z pasów w celu uzyskania dwóch teowników, przecięcie teownika o mniejszej wysokości na dwie równe części, wygięcie na zimno (nadanie podniesienia wykonawczego), zespawanie części stalowych (w miejscach znajdujących się docelowo w ¼ i ¾ rozpiętości), wykonanie blach czołowych jak w systemie VFT, wykonanie prefabrykatu zespolonego poprzez wylanie części betonowej w prostym deskowaniu. W ten sposób uzyskuje się belkę przęsła układu ciągłego (lub ramy jednoprzęsłowej), w której: w strefie poddanej działaniu momentu dodatniego (tj. strefie przęsłowej) stal konstrukcyjna znajduje się w strefie rozciąganej, w strefie, w której występują jednocześnie duże ścinanie i zginanie ujemne (tj. strefie podporowej) przekrój jest zbrojonym zewnętrznie przekrojem betonowym, połączenie ścinane znajduje się w strefie ściskanej. Nie występują problemy niestateczności miejscowej blach, możliwe jest swobodne nadanie odpowiedniej geometrii i zmiennej wysokości belki. Oczywiście zawsze alternatywnie do belki walcowanej można zastosować blachownicę spawaną, co umożliwia stosowanie systemu również przy większych rozpiętościach. W przypadku obiektu w Elblągu system wdrożono jako rozwiązanie zamienne do klasycznego VFT: eliminacja pasa górnego i środnika przy podporach to oczywiście bardzo duża redukcja zużycia stali konstrukcyjnej i oszczędności. Ponieważ pierwotnie zaprojektowane blachownice VFT były bardzo smukłe, a ponadto występowała belka pięcioprzęsłowa o rozpiętości przęseł skrajnych równej (w przybliżeniu) rozpiętościom pozostałych przęseł, w fazie koncepcji do uzgodnień z inwestorem rozważano belki walcowane. Projekt zamienny obiektu Po uzgodnieniu i zaakceptowaniu koncepcji pod koniec stycznia 2016 r. przystąpiono do prac projektowych. Najistotniejsze z technicznego punktu widzenia zmiany, jakie wprowadzono w projekcie (w stosunku do koncepcji), to zamiana belek walcowanych na blachownice spawane ze stali S460N z pasami o grubości 40 mm z dospawanymi nakładkami o grubości 30 mm. Przyjęte rozwiązanie, wynikające z analizy kosztów wytworzenia przez wykonawcę mającego swoje rozbudowane wytwórnie stalowe, spowodowało, że zastąpiono pierwotnie zakładaną koncepcję nadawania podniesienia wykonawczego poprzez gięcie na zimno klasycznymi wykrojami blachownicy. Jest to ciekawy przykład realizacyjny, ponieważ wprowadzono w ten sposób, wydawałoby się, skomplikowany zabieg, polegający na zastosowaniu odpadowej technologii wytwarzania łączników CD ( doweli w kształcie MCL) po liniach zakrzywionych. Jak się okazało, nie spowodowało to żadnych komplikacji w przypadku maszyn tnących. Dyskusje na temat tego, które rozwiązanie zostanie ostatecznie zastosowane, trwały stosunkowo długo (obliczane były i optymalizowane w zasadzie dwa rozwiązania: walcowane i spawane). Ostatecznie po rezygnacji z nakładki w strefie podporowej pasa dolnego i zastąpieniu pojedynczego grubego środnika stalowego dwoma cieńszymi w strefie przy przyczółku wykonawca zdecydował się na rozwiązanie spawane (rys. 4). Geometria ustroju nośnego (tj. długie i bardzo smukłe przęsła skrajne) spowodowała, że niemożliwe było
mosty realizacje Rys. 1. Budowa wiaduktu w Elblągu jako pierwsze wdrożenie nowego rodzaju belek zespolonych: poglądowa ilustracja sił wewnętrznych oraz zdjęcie konstrukcji stalowej (sierpień 2016 r.) przedstawiające zmianę poziomu zespolenia w tzw. strefie przejściowej Rys. 2. Pierwotny układ dźwigarów w planie oraz zamienny przekrój poprzeczny w przęśle z fazy koncepcji
Rys. 3. Przekroje poprzeczne i przekrój podłużny belek (przęsła środkowe i skrajne) z fazy koncepcji z profilem walcowanym Rys. 4. Przekroje poprzeczne i przekrój podłużny belek (przęsła środkowe i skrajne) z fazy projektu z blachownicami Rys. 5. Model MES obiektu pod wybranym przypadkiem obciążenia pojazdem K na przęśle przylegającym do filara połączonego monolitycznie z filarem 26 zastosowanie jednego środnika stalowego przy przyczółku, co również uniemożliwiało zastosowanie środnika betonowego jak przy filarze. Decydował o tym warunek zniszczenia typu pry-out cone połączenia ścinanego. Z tego względu zastosowano dwa cieńsze środniki stalowe zamiast jednego grubszego, co jednocześnie tworzy przekrój o stosunkowo dużej sztywności na skręcanie w strefie podporowej przy przyczółku, podobnie (i konsekwentnie) jak przy filarach. Podobnie ze względu na kryterium pry-out cone zdecydowano się na zastosowanie geometrii części betonowej połączenia ścinanego w strefie momentu dodatniego, zapewniającej odpowiednie otulenie środnika betonem: tzw. skosy występują na całej długości belki, również w strefie środnika betonowego. Duże siły poprzeczne powodują, że jest to element mocno zbrojony na ścinanie. Zbrojenie płyty
mosty realizacje Rys. 6. Fragment rysunku warsztatowego przedstawiającego dźwigar stalowy w strefie środnika betonowego i wynikającą z tego konieczność wycięcia blachy środnika po krzywiźnie Rys. 7. Blachy środników (z łącznikami MCL 100/250) w wytwórni firmy Vistal Rys. 8. Ustawianie belek stalowych na placu prefabrykacji (widoczna na dźwigu belka przęsła skrajnego) Rys. 9. Transport na plac prefabrykacji belki przęsła skrajnego (na pierwszym planie) oraz belki przęsła środkowego (na drugim planie) Rys. 10. Konstrukcja stalowa belek przęsła środkowego Rys. 11. Fazy realizacji prefabrykatów zespolonych na miejscu prefabrykacji przy ul. Lotniczej w Elblągu (z lewej strony rysunku widoczny fragment gotowej belki, idąc dalej w prawo zabetonowane prefabrykaty, przygotowane deskowanie oraz konstrukcja stalowa) Rys. 12. Zbrojenie środnika betonowego belki przęsła skrajnego 27
Rys. 13. Zbrojenie i proste deskowanie środnika betonowego belek przęsła środkowego Rys. 14. Konstrukcja stalowa i podstawowe zbrojenie belki w strefie dwóch środników stalowych Rys. 15. Konstrukcja połączenia ścinanego belki zespolonej w strefie momentu dodatniego Rys. 16. Transport belek koleją oraz w tle filar (do monolitycznego połączenia z przęsłem) Rys. 17. Pierwszy etap wykonywania konstrukcji poprzecznicy 28 prefabrykowanej jest bardzo podobne do stosowanego w klasycznym systemie VFT. Obliczenia przęseł przeprowadzono wg norm PN-S i niezależnie sprawdzono wg Eurokodu. Upraszczając, można podać, że momenty przęsłowe i siły poprzeczne wg PN-S w stosunku do EN są o 6% mniejsze w ULS i 3% w SLS, a momenty podporowe są o 3% większe w ULS i SLS. Na rys. 5 pokazano model MES obiektu pod wybranym przypadkiem obciążenia pojazdem K na przęśle przylegającym do filara połączonego monolitycznie z filarem. Zastosowanie blachownic spowodowało konieczność sporządzenia dużej liczby rysunków warsztatowych konstrukcji stalowej (rys. 6). W przypadku stosowania belki walcowanej w zasadzie dokumentacja warsztatowa konstrukcji stalowej mogłaby sprowadzić się do kilku linii określających podniesienie wykonawcze oraz detalu rozwiązania strefy zakotwienia konstrukcji stalowej w poprzecznicy betonowej. Budowa obiektu Ciężar prefabrykatu zespolonego o długości około 38 m wynosi mniej więcej 64 t. Wstępnie rozważano dostarczenie konstrukcji stalowej każdej belki w trzech częściach, a następnie spawanie i prefabrykację przy obiekcie, a także inne opcje. Ostatecznie belki stalowe w całości dostarczono na plac prefabrykacji znajdujący się w pewnej odległości od placu budowy obiektu, a następnie wykonane prefabrykaty dostarczono drogami publicznymi na plac budowy obiektu i ustawiono w docelowe miejsce na podporach (rys. 8-9). Wytwarzanie konstrukcji prefabrykatów i budowę obiektu zilustrowano na rys. 7-24. Budowa podpór od fundamentów do ciosów podłożyskowych realizowana była w miesiącach kwiecień maj 2016 Rys. 18. Ustawienie prefabrykatu na podporach dźwigiem 600 t r. Konstrukcję stalową do prefabrykatów wyprodukowano w halach produkcyjnych Vistalu w Gdyni w ciągu niespełna 1,5 miesiąca (15 maja 20 czerwca) i po zabezpieczeniu antykorozyjnym dokonywano transportu na miejsce prefabrykacji. Prefabrykacja belek odbywała się Elblągu, natomiast od miejsca wbudowania oddalona była o ok. 7 km z kilku względów, przede wszystkim: występowania w obrębie budowy gruntów słabonośnych (istniałaby konieczność wzmocnienia podłoża), do wykonania prefabrykatów potrzebna jest duża powierzchnia terenu (ponad 3000 m 2 ), miejsce do składowania materiałów (zbrojenie i szalunki), zaplecze budowy niemożliwe do realizacji w sąsiedztwie budowy, możliwościć wykonywania w tym samym czasie kolejnych prac z harmonogramu, tj. wzmocnienia gruntu za przyczółkami oraz wzmocnienie gruntu pod platformę dla pracy dźwigu 600 t (do wykonania tych prac potrzebna jest również przestrzeń do pracy palownicy, a następnie montażu prefabrykatów murów oporowych i dokonywania zasypek za przyczółkami).
mosty realizacje Rys. 19. Prefabrykaty czterech przęseł ustawione w docelowej pozycji na dolnych segmentach poprzecznic Rys. 20. Widok ustawionych prefabrykatów od spodu (na pierwszym planie dolny segment poprzecznicy) Rys. 21. Widok ustawionych prefabrykatów z boku (przęsło nad torami kolejowymi, deskowanie górnej części poprzecznicy) Rys. 22. Widok ustawionych prefabrykatów przęsła skrajnego po zabetonowaniu górnej części poprzecznic oraz roboty przy przyczółku Rys. 23. Plac budowy podczas betonowania górnej części poprzecznic (widoczne zbrojenie i deskowanie górnej części poprzecznic) Do wykonania betonowej części prefabrykatów zespolonych wykorzystany został utwardzony teren, w całości wyłożony płytami drogowymi, przy ulicy Lotniczej w Elblągu. W celu dokładnego wykonania prefabrykatów miejsce to zostało zinwentaryzowane przez uprawnionego geodetę i na podstawie wykonanego szkicu powstała koncepcja wykonania szalunku systemowego uwzględniającego różnice wysokościowe w terenie. Rzędne podparcia belek na placu były wiernym odzwierciedleniem rzędnych na podporach. Ustawianie belek stalowych na placu prefabrykacji przebiegało sukcesywnie w terminie 8-30 czerwca 2016 r. Betonowania prefabrykatów odbywały się kolejno: 12.07 przęsło V, 18.07 przęsło IV, 22.07 przęsło III, 25.07 przęsło I, 29.07 przęsło II. Łącznie zużyto 563 m 3 betonu B40/50. W czasie wykonywania prefabrykatów na miejscu budowy 13 czerwca osadzono łożyska oraz zabetonowano poprzecznice do wysokości rzędnej oparcia belek VFT (betonowanie spodu poprzecznicy ok. 50 cm od jej dolnej krawędzi odbyło się 21 lipca). Gotowe prefabrykaty były przywożone na miejsce wbudowania 22-31.08.2016 r. Transport 12 belek przęseł V i IV odbywał się drogą kolejową, a belki przęseł I-III dostarczono na miejsce wbudowania transportem drogowym w godzinach nocnych (23.00 5.00), po uzgodnieniach z Urzędem Miasta Elbląg oraz Generalną Dyrekcją Dróg Krajowych i Autostrad oddział Olsztyn, skąd dźwigiem o nośności 600 t następował ich bezpośredni montaż. Kolejny etap Rys. 24. Widok konstrukcji po zabetonowaniu płyty pomostowej stanowiły zbrojenie i szalowanie poprzecznic i ich betonowanie (8 i 15 września). Betonowanie płyty pomostowej odbyło się 27 września. W poprzecznice wbudowano 128 mł betonu, w płytę wbudowano 685 m 3 betonu oraz blisko 167 ton stali zbrojeniowej. Na dzień pisania artykułu budowa wkracza w ostateczną fazę, tj. ukończenia zasypek za przyczółkami, montażu wyposażenia oraz wykonania nawierzchni asfaltowych. Podsumowanie Od pomysłu na system do zabetonowania płyty pomostowej pierwszego obiektu minął rok. Obiekt w Elblągu stanowi przykład nowej generacji konstrukcji zespolonych, które kształtowane są i projektowane w odmienny sposób aniżeli klasyczne blachownice z dodaną płytą betonową. System jest dalej rozwijany i modyfikowany, powstają projekty kolejnych obiektów. q Artykuł został wygłoszony w postaci referatu na Seminarium Wrocławskie Dni Mostowe Duże mosty wieloprzęsłowe. Projektowanie, technologie budowy, monitoring, monitoring (Wrocław, 29-30 listopada 2016 r.) i wydrukowany w: Duże mosty wieloprzęsłowe. Projektowanie, technologie budowy, monitoring". Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne. Wrocław 2016. 29