Diagnostika jednoho z nejvytíženějších mostních objektů v Praze
Sledovaný mostní objekt se nachází na nejvytíženější komunikaci v České republice – Jižní spojce v Praze 10. Denně zde projede zhruba 100 tisíc vozidel, z toho přes 15 tisíc kamionů. Zavěšený most převádí Jižní spojku přes areál čerpací stanice, odtahové parkoviště, Žďánickou ulici, průmyslový areál (dříve Mitas), vlečku do areálu, seřaďovací nádraží Praha-Vršovice, železniční trať Praha-Benešov a Dolíneckou ulici.
Trvalý silniční spojitý komorový most železobetonové předpjaté segmentové konstrukce se vzpěrami a monolitickou deskou je devítipolový s konstantní konstrukční výškou. Výškově stoupá v proměnném podélném sklonu. Jedná se o jednu mostní konstrukci pro oba dopravní směry (uspořádání 2 × 3 jízdní pruhy). Sedmé až deváté pole je zavěšeno na ocelobetonovém pylonu výšky 35,3 m na 28 párech kabelů. Opěra OP1 a podpěry P2 až P5 jsou založeny na velkoprůměrových vrtaných pilotách průměru 1,5 m.
Podpěra P6 je založena plošně a podpěry P7 až P9 a opěra OP10 jsou založeny na podzemních stěnách.
Délka nosné konstrukce mostu činí 400,4 m s devíti poli o rozpětí 26,4 až 101,2 m. Prvních šest polí tvoří estakádní část, poslední tři pole jsou zavěšena na 2 × 14 párech kabelů na pylonu umístěném na podpěře P8. Hlavní pole je sedmé a má rozpětí 101,2 m. Nosná konstrukce je vytvořena z předpjatého betonu, při výstavbě byla sestavena z prefabrikovaných segmentů s komorovým průřezem.
Komora segmentů je uvnitř doplněna prutovými vzpěrami a konzoly jsou podepřeny deskovými vzpěrami (obr. 3). Most je zavěšen na jedné rovině závěsů v ose mostu, kotvených do pylonu v počtu 2 × 14 ks. Ocelobetonový pylon je umístěn na podpěře P8 a je vetknutý do vodorovné části hlavní nosné konstrukce. Měří 35,3 m a ve spodní části je vyplněný betonem.
Závěsy tvoří vždy dvojice kabelů vedoucích ve směru východ – západ. Kabely prvních pěti závěsů na každé straně jsou tvořeny 30 lany LP 15,5 mm, ostatní 36 lany. Lana jsou umístěna v ocelových obalových trubkách, které jsou injektovány betonem. Při procesu napínání lan a injektáži ocelové chráničky byl injektážní beton uveden do stavu tlakového napětí.
V roce 2012 byl most rekonstruován. Při této příležitosti byla vyměněna ložiska a ztuženy koncové oblasti mostu. Ztužení koncových oblastí bylo provedeno rozšířením opěr, dobetonováním koncových příčníků a přidáním dvojice ložisek na každém konci mostu.
Příprava průzkumu
Předmětný mostní objekt představuje staticky složitou konstrukci s nezanedbatelnou dynamickou složkou odezvy na působící zatížení. Od doby výstavby uplynulo cca 20 let a u mostu se začínají projevovat známky přirozené degradace. Tento dlouhodobý proces zahrnující zejména reologické vlastnosti použitých materiálů, působení okolního prostředí, ale též případné skryté vady a poruchy bude bezesporu pokračovat i v budoucnu.
Nelze také vyloučit náhlé skokové změny stavu mostu způsobené nenadálými okolnostmi, zejména při rozsáhlejších dopravních nehodách zasahujících především do systému závěsů, případně doprovázených požárem apod. Z těchto důvodů bylo rozhodnuto provést podrobnější zjištění skutečného aktuálního stavu a spolehlivosti nosné konstrukce mostu (tj. nad rámec prohlídek a klasického diagnostického průzkumu), jehož součástí byly geodetické zaměření, podrobné vizuální prohlídky, ověření stavu závěsného systému a především provedení statické a dynamické zatěžovací zkoušky.
Jak již bylo řečeno, most je velmi důležitou součástí dopravní struktury, proto bylo třeba všechny práce pečlivě naplánovat a připravit, a to především dopravní uzavírky. Velká část prací probíhala na závěsech a na mostovce. Manipulace se zařízením na jednotlivých závěsech byla umožněna vystavěním lešení kolem pylonu a využitím lezecké techniky.
Pro bezpečí pracovníků byl po dobu 10 týdnů vyloučen provoz v levých pruzích, a po mostě tak byl provoz veden v režimu 2 + 2 namísto 3 + 3. Pro realizaci zatěžovacích zkoušek bylo třeba dopravu vyloučit úplně. Po mnoha jednáních byly vybrány dva víkendy během letních prázdnin, kdy byl most zcela uzavřen, a to vždy od soboty 11:30 do neděle 14:00 hod.
Provedené průzkumné práce
Velmi podrobné geodetické zaměření proběhlo na mostě v druhé polovině roku 2019 metodou 3D skenování. V příslušném programu bylo vytvořeno finální mračno bodů, které bylo použito pro tvorbu výsledného modelu, z něhož byly následně vytvořeny stavební výkresy mostu.
Dle zásad příslušných norem a předpisů byla provedena mimořádná prohlídka mostu, tedy vizuální kontrola všech jeho součástí. Při kontrole mostních závěrů a ložisek bylo kromě obvyklé prohlídky a pořízení fotodokumentace provedeno měření hlavních parametrů.
Součástí celkové diagnostiky mostu bylo také ověření jeho stavu z hlediska ochrany před účinky bludných proudů. Byla provedena celková prohlídka z vnějšku i z vnitřní průchozí komory a také některá elektrická a geofyzikální měření.
Ověření stavu závěsného systému
Závěsy jsou tvořeny ocelovými lany Lp 15,5/1800 MPa o průřezu 141,5 mm2, uloženými v chráničce z tlustostěnné ocelové trubky o vnějším průměru 169 mm. Prvních pět závěsů na každé straně pylonu obsahuje 30 lan, ostatní závěsy obsahují 36 lan.
Ocelová chránička a cementová výplň jsou v tlaku. Aby nedošlo k narušení tohoto systému, byla po dohodě s objednatelem provedena pouze nedestruktivní měření, a to ověření stavu závěsů systémem DYNAMAG a kontrola obou konců kotvení závěsů.
Měření systémem DYNAMAG se provádí pomocí trvale zabudovaných magnetoelastických snímačů, které jsou instalovány na chráničkách. Pro navíjení snímačů bylo použito speciálně vyvinuté navíjecí zařízení. Fyzikální princip měřicí metody je založen na magnetoelastickém jevu, tedy na měření změn magnetických vlastností feromagnetických materiálů, které jsou způsobeny mechanickým namáháním.
Při mechanickém namáhání – tlaku, tahu, torzi nebo ohybu – dochází ke změně tvaru hysterezní smyčky feromagnetického materiálu. Z toho je možno určit změnu permeability, která souvisí s působícím mechanickým napětím. Pro měření je nutný plynulý pohyb snímače podél celého závěsu. Vzhledem k délce jednotlivých závěsů byl pro tento účel použit vozík s protizávažím, který byl připevněn na každý snímač, s pojezdem na kabelové chráničce (obr. 4).
Monitoring závěsného systému
V rámci monitoringu sil v závěsech byla provedena frekvenční analýza závěsů a měření sil v závěsech systémem DYNAMAG.
Frekvenční analýza proběhla ve třech etapách – za omezeného provozu (reprezentuje podmínky běžného provozu), za vyloučeného provozu (reprezentuje vlastní zatížení konstrukce) a během statické zatěžovací zkoušky. Měření za provozu proběhla na všech 56 závěsech, měření při zatěžovací zkoušce na čtyřech reprezentantech.
Výstupem této části jsou hodnoty absolutní velikosti síly v mostních závěsech, které byly využity jako výchozí hodnota pro navazující magnetodynamické dlouhodobé měření systémem DYNAMAG, u kterého se z principu jedná pouze o relativní měření.
Měřicí systém DYNAMAG zahrnuje 56 snímačů, dvě měřicí jednotky a modemy pro přenos naměřených dat do informačního systému SAHURE. Bylo provedeno aktivační měření síly ve všech závěsech, kontinuální měření statických sil v průběhu statické zatěžovací zkoušky a kontrolní měření dynamických sil v průběhu dynamické zatěžovací zkoušky.
Zatěžovací zkoušky
Zatěžovací zkoušky proběhly ve dvou etapách. Vzhledem k tomu, že most má jednu nosnou konstrukci společnou pro oba směry dopravy, musely být zatěžovací zkoušky prováděny nepřetržitě ve vymezených termínech, a to střídavě. Statická zatěžovací zkouška byla provedena vždy v noci ze soboty na neděli, měření pro dynamickou zatěžovací zkoušku probíhala v sobotu a v neděli během dne.
Pro statickou zatěžovací zkoušku bylo při jednotlivých zatěžovacích stavech využito šest až šestnáct nákladních čtyřnápravových vozidel s hmotností 32 t (obr. 5). Vozidla byla umístěna vždy dle předem připravených schémat, ve všech případech však byla v příčném směru umístěna vedle sebe. Celkem bylo realizováno 27 zatěžovacích stavů.
Ve všech polích bylo zatěžování provedeno ve středu rozpětí, v nejdelším 7. poli i v ¼ a ¾ rozpětí. V příčném směru byla vozidla umístěna symetricky, poté pouze na levé polovině a následně pouze na pravé polovině.
Odezva mostu na vnesené zatížení byla sledována v podrobné síti měřicích bodů, celkem bylo v každé etapě sledováno cca 120 měřicích bodů. V průběhu statické zatěžovací zkoušky byla věnována důsledná pozornost dodržení všech pravidel pro objektivní a přesná měření. Klimatické podmínky v době konání zatěžovací zkoušky byly příznivé a neovlivňovaly výsledky měření. Před statickou zatěžovací zkouškou a po ní proběhla vizuální prohlídka mostu.
Součástí měření byly i přejezdy po mostě pro získání příčinkových/deformačních čar. Po provedení výpočetní analýzy těchto pojezdů a porovnání mezi skutečným chováním konstrukce a výpočetní predikcí byla zjištěna výborná shoda (obr. 6).
Dynamické měření odezvy mostní konstrukce bylo realizováno pro celou nosnou konstrukci. Snímače byly osazeny na mostovce, v pylonu i v komoře mostu.
Snímače na mostovce byly pro měření polí 6 až 9 v první etapě měření osazeny do dvanáctin rozpětí všech polí a pro měření polí 1 až 6 v druhé etapě do čtvrtin rozpětí všech polí. V příčném směru bylo v každém řezu pět měřicích bodů. V komoře mostu byly snímače osazeny ve shodných příčných řezech jako při měření na mostovce. Vždy byly umísťovány dva snímače do dolních vnitřních rohů komory.
Dále byly snímače instalovány přibližně do čtvrtin výšky pylonu. Celkem tak bylo při první etapě sledováno 340 bodů, ve druhé pak 170 bodů.
Pro vybuzení vynuceného kmitání nosné konstrukce mostu ve tvarech blízkých příslušným teoretickým vlastním tvarům kmitání byl použit hydraulický budič kmitání typu INSET v režimu pro harmonické buzení.
Frekvence, při kterých konstrukce kmitá ve tvarech odpovídajících vlastním tvarům, byly vyhledány postupnou pomalou změnou kmitočtu instalovaného budiče v automatickém režimu – režim buzení sweep –, tj. laděním. Celkem bylo vybuzeno a proměřeno osm tvarů kmitání odpovídajících vlastním tvarům kmitání, z toho šest tvarů bylo měřeno při svislém buzení a dva tvary byly měřeny při vodorovném příčném buzení.
Instalace měřicího řetězce pro dlouhodobý monitoring
Pro dlouhodobé sledování stavu mostu byl nainstalován měřicí řetězec. Instalovaný systém pro dlouhodobé sledování stavu předmětného mostního objektu je zaměřen zejména na sledování dynamické odezvy nosné konstrukce, pomocí které lze obecně diagnostikovat jakékoliv podstatné odchylky od normálního stavu (tj. způsobené nejen vlivem teplotních polí), a tedy odhalovat případné poruchy nosného systému mostu již v raném stadiu, kdy ještě lze včasným zásahem zabránit podstatnému poškození mostu.
V dlouhodobém horizontu (desítky let) je možno sledovat i jevy provázející přirozenou degradaci nosné konstrukce a cíleným způsobem efektivně plánovat úkony prováděné formou údržby, oprav a rekonstrukcí.
Zároveň jsou instalovány další systémy pro kontrolu přetvoření nosné konstrukce.
Instalovány byly velmi přesné snímače náklonu, přičemž u hlavního nosníku je ke stanovení průhybů využit korelační vztah mezi náklonem a průhybem. Snímače náklonu byly v každém poli umístěny vždy po dvojicích nad každou podpěrou. Měřicí systém je dále doplněn o sledování vytipovaných trhlin na předpjatých táhlech v komoře mostu spolu se sledováním teploty konstrukce.
Měřeny jsou také deformace mostních ložisek pomocí induktivních snímačů dráhy s odpruženým hrotem. Takto navržený systém je schopen odhalit případné poruchy a umožňuje sledovat trvalé deformace konstrukce a jejich nárůst. Dále byly na most instalovány magnetoelastické snímače systému DYNAMAG pro sledování chování jednotlivých závěsů a pro kontinuální měření statických sil.
Závěr
Kromě výše uvedených diagnostických prací byly provedeny také statické výpočty, které by bez dosažených a ověřených vstupních parametrů neměly dostatečnou vypovídací schopnost. Můžeme konstatovat, že při úpravě parametrů nosné konstrukce bylo v rámci vyladění statického výpočtového modelu dle experimentálních výsledků dosaženo velmi dobré shody v hlavním mostním poli v místech s vysokou účinností (v místech s nižší účinností postrádá toto vyhodnocení smysl).
Jak již bylo uvedeno, jedná se o jeden z nejvytíženějších mostních objektů, proto je nutné věnovat mu zvýšenou pozornost. Práce, které provedla společnost INSET s. r. o., významně přispěly k pochopení chování této překrásné stavby a zároveň umožní její další bezpečné provozování.
Statické i dynamické zkoušky je vhodné po určité době (například 5 letech) opakovat a výsledky mezi sebou porovnat. Bude tak zcela zřejmé, zda došlo k významným změnám ve stavební konstrukci. Zároveň jakékoliv nenadálé změny, např. v tuhosti mostního objektu, bude možné odhalit z výsledků získaných pomocí nainstalované měřicí linky. Data jsou přenášena online a průběžně vyhodnocována, jak je v dnešní době samozřejmé.
TEXT: Ing. Petra Chlopčíková, Ing. Jiří Košťál, PhD.
FOTO: INSET s. r. o.
Petra Chlopčíková je vedoucí střediska diagnostiky stavebních konstrukcí ve společnosti INSET s. r. o.
Jiří Košťál je ředitel divize Energetika v této společnosti.
