Viadukt Millau – koncepce a realizace projektu
Stavební dílo, které svojí myšlenkou a technologií vzdává hold mostnímu inženýrství – to je viadukt Millau ve Francii. Tento most fascinuje odbornou i širokou veřejnost téměř čtyři roky od svého spuštění do provozu. Ve druhé části o tomto významném díle vám přiblížíme metodiku návrhu a způsob jeho realizace.
Koncepce projektu
V příčném profilu dálnice A75 jsou na viaduktu 4 dopravní pruhy široké 3,0 m, odstavné pruhy široké 3,0 m a levé krajnice šířky 1,0 m, dále svodidla BN 4-16 a stěna chránící před účinky bočního větru. Ve středním pruhu šířky 4,45 m je střední rovina závěsů a pylony. Příčný řez má šířku nosné konstrukce 27,75 m a celý viadukt je široký 32 m. Viadukt Millau drží díky těmto parametrům světový rekord mezi zavěšenými mosty o více polích a je mostem s nejvyššími pilíři na světě.
Lokalita a překážky
Území lokality tvoří druhohorní formace skládající se z vápenců, opuk a slínů, které jsou pokryty mladšími vrstvami sutí a sesuvy nestejné tloušťky do 10 m.
Obtíže při zakládání byly ve vápencovém podloží s krasovými kavernami s jílovitou výplní a s tektonickými poruchami, zatímco slíny byly celistvé a poruch měly jen velmi málo. Pokryvné vrstvy svahových sutí a zvětralých slínů nad kompaktními slíny byly na hranici stability a před iniciací sesuvu, který se u pracovní plošiny P7 a ve svahu u provizorní podpory Pi5 také nastal.
Podmínky pro projektové práce
V souladu s předpisy byly pro veřejnou soutěž dány pevné základní parametry vyplývající z průzkumů, výsledků architektonické soutěže a z již schválených projektových stupňů:
• z hlediska architektury – zadán typ mostu (viadukt s mnohapolovým zavěšením, spojitý, s umístěním pilířů a opěr, geometrií pilířů a pylonů) a závazný souhrn architektonických zásad;
• geometrie a funkční parametry – pevný půdorys, příčný a podélný řez a vzorový příčný řez prostorového uspořádání na mostě;
• z technického hlediska – životnost viaduktu 120 let, založení na šachtových pilířích, ochranné clony proti větru z transparentních materiálů, přístup do vnitřních prostor mostu, statický výpočet podle závazných předpisů a pokynů uvedených v zadávacích podmínkách.
Architektura a statické schéma
Konstrukční zvláštností mostu je průběžné zavěšení osmi polí. U klasického zavěšeného mostu s jedním polem zajišťují polohu pylonu závěsy kotvené u opěr nebo u pilířů. V subtilním viaduktu Millau už tuto funkci nemají a pylon se pootáčí směrem k zatíženému poli. Vetknutím nosné konstrukce do pilířů a pylonů se zvýšila tuhost konstrukce – svislé posuny v zatíženém poli jsou redukovány a síly v sousedních polích jsou podstatně menší. Dimenze proto souvisí s volbou tuhosti pilířů a pylonů – u štíhlých pilířů a pylonů je nosná konstrukce tlustší, u tuhých má redukovanou tuhost a je štíhlejší.
Pro viadukt Millau bylo zvoleno druhé řešení, které i při namáhání silným větrem umožnilo redukci tloušťky nosné konstrukce. Vetknutí do pilířů o velké tuhosti však přineslo problém spojený s účinky teploty (u betonové nosné konstrukce by to byly ještě navíc změny způsobené dotvarováním a smršťováním). Maximální podélné dilatace 0,6 m, které mohou na obou koncích mostu vznikat, by u krajních pilířů vyvodily síly, přesahující kapacitu jejich únosnosti.
Navržené řešení, které zajišťuje současně rotační vetknutí nosné konstrukce i horizontální štíhlost, je kompatibilní s deformacemi od teploty a spočívá ve zdvojení horních 90 m pilířů do dvou nezávislých dříků. Rozměry musely zůstat masivní pro vyloučení nestability z vybočení. Vylehčení systému se tedy provedlo umístěním dvojic pevných ložisek na hlavě každého z dříků pilíře. Tím se dosáhlo ohybové vetknutí mezi pilíři a nosnou konstrukcí v podélném směru a zároveň redukce účinků teploty související s menší tuhostí pilířů jejich rozdělením do dvou nezávislých listů. Z důvodů estetické jednotnosti byly dříky pilířů rozdvojeny u všech pilířů.
Podobné opatření bylo provedeno u ocelových pylonů ve tvaru obráceného Y, orientovaných podélně a umístěných v prodloužení zdvojených dříků pilířů. Toto uspořádání dává pylonům značnou tuhost odpovídající hledanému efektu. Pilíře a pylony se tím podílejí na únosnosti mostu v podélném ohybu.
Nosná konstrukce
Pilíře, pylony, závěsy
Nosná konstrukce je uložená na všech pilířích na pevných kalotových ložiskách vytvářejících spojení typu kloub. Aby nedošlo k jejímu nadzvednutí z ložisek, je přikotvena do pilířů předpínacími kabely. Předpětím zdvojených listů dříků po celé výšce osmi kabely 19T15S se zredukoval vznik trhlin a množství betonářské výztuže v úložných prazích.
Pylon je v místě každé nohy vetknut do nosné konstrukce ocelovými příčníky v tubusu mostu. Zajistil se tak plynulý podélný přechod mezi plechem stěny střední komory a plechem stěny pylonu i příčné rámové ztužení nad ložisky každého dříku pilíře. Celková výška ocelového pylonu komůrkového průřezu a tvaru obráceného Y je 87 m. Nohy jsou vysoké 38 m, široké 3,50 m a v podélném směru mostu mají rozměr 4,75 m. Jsou prodlouženy stožárem výšky 49 m, do kterého jsou kotvené závěsy. Rozměry v příčném směru má stejné jako nohy pylonu a v podélném směru mostu proměnné od 9,70 m dole do 2,40 m na vrcholu.
Každé pole je zavěšené v semiharfovém uspořádání jedenácti páry závěsů ve středové rovině podélné osy viaduktu. Závěsy jsou kotveny z obou stran pylonů a v úrovni vozovky ve středovém pruhu, kde sledují v pravidelných vzdálenostech 12,51 m obloukový průběh trasy. Jsou z galvanizovaných lan T15S typu monostrand, pevnosti 1 860 MPa, v obalech s ochranou petrolejovým voskem. Každý závěs je chráněn vnější nezainjektovanou obalovou trubkou aerodynamického tvaru z bílého PEHD s UV ochranou a s nespojitou spirálou na povrchu, která vyloučí kombinace vibrací z účinků větru a deště. Počet lan v závěsech je od 45 T15 u pylonů až po 91 T15 ve středu polí. Kotvy jsou v úrovni vozovky rektifikovatelné a v pylonu pevné.
Výzkum působení účinků větru
Výběr materiálů
• ochrana proti alkalické reakci (úroveň C),
• ochrana proti vnitřní zpožděné sulfátové reakci,
• odolnost proti mrazu (podle předpisu GRA 2002),
• trvanlivost z hlediska ochrany výztuže.
Realizace mostu
Zařízení staveniště
Zařízení staveniště o ploše asi 8 ha byla na čtyřech různých místech stavby a vycházela ze:
• zásobování z hlavní komunikace podél stavby, zásobování stavby energií, vodou apod.,
• snahy o optimální rozmístění a limitaci vnitřní a externí dopravy.
Realizace spodní stavby
Stavba pilířů
Základy
Základové patky jsou na čtyřech šachtových pilířích průměru do 5 m a hloubky do 17 m, hloubených po 1,50 m hydraulickým rypadlem s kladivem, a postupně jsou paženy stříkaným betonem. Betonáž vylehčených patek betonem třídy B35 o objemu 1 100 až 2 100 m3 se prováděla čerpadlem a trvala až 30 hodin. Při značném objemu ukládaného betonu se podařilo omezit teploty při hydrataci díky cementu s nízkým vývojem počátečního tepla, redukci dávkování CEM I 52,5 PM ES-CP 2 na 300 kg/m3 a použitím mikrosiliky (30 kg/m3). Rozdíly teplot klesly na 35 °C. Se směsí zahřátou na 25 °C byl nárůst teploty do 60 °C, která se v prostředí s možným prouděním vody pokládá za maximum, aby nevznikla síranová reakce. Bednění se ponechalo na místě i více než týden, aby se vyloučil tepelný šok a předešlo se riziku vzniku trhlin.
Dříky pilířů
Geometrie pilířů je proměnná podle průběhu šikmosti ploch a vývoje sotva znatelných úhlů. Bednění dutých pilířů se neustále adaptovalo podle komplexní geometrie a vyžadovalo přesnou techniku a spolupráci s dodavatelem. Vnější šplhací bednění postupovala hydraulicky bez jeřábu, s pomocí samošplhacích konzol, vnitřní bednění byla překládaná jeřábem. Ekonomické šplhací bednění se uvnitř nepoužilo kvůli mezilehlým stropům ve vzdálenostech 30 m. Kovové bednění mělo velkou četnost použití a vysokou kvalitu lícních povrchů. Kontrola geometrické přesnosti ve směru X a Y řádu 5 mm se prováděla systémem GPS. Ve spodní části trvala betonáž betonážními koši objemu 3 m3 6 až 7 hodin. Největší množství 322 m3 betonu bylo v jednom ze záběrů pilíře P2 a bylo uloženo za 12 hodin, v horní části byla rychlost 15 až 25 m3/h. Výztužné armokoše se zhotovovaly na terénu a kompletovaly se na pilíři. Výpočty teplotního režimu ukázaly, že při směsi ohřáté na max. 25 °C a uvolněném teplu uvnitř betonu až 55 °C, se teplota v betonu zvýší celkově na max. 80 °C. Ekvivalentní stáří betonu pro odbednění se určovalo výpočtem zrání betonu.
Hlavy pilířů
Při výsuvu se nosná konstrukce opírala o úložné bloky umístněné na ocelových konzolách. Každá konzola měla dva vodorovné podélné nosníky spojené deskou a byla podepřena vzpěrou v drážce pilíře. Obě konzoly se sepnuly proti dříkům třemi kabely 27T15S umístěnými v každém vodorovném nosníku a tato dvojice táhel zajišťovala přenos sil mezi oběma dříky pilíře, ve spodní úrovni vzpěr byla rozpěra. Inspekční komora pod horním úložným prahem sloužila k instalaci předpínacích kabelů 37T15S kotvících nosnou konstrukci do pilířů.
Předpětí pilířů
Ložiska
Stavba opěr
Na severní straně byly v podloží před opěrou C0 velké vertikální trhliny, které si vynutily konsolidaci svahu k přenosu sil při výsuvu. Pod základem se proto vybudovaly šachtové pilíře průměru 4,5 m a hloubky 12 m, které převzaly veškeré síly od zatížení během vysouvání. Svislé trhliny se vyčistily a vyplnily betonem. Zajistilo se tak spojení mezi různými vápencovými bloky, aniž by se měnila lokální hydrologie. Jižní opěra C8 se založila na vyztuženém podkladu pro vyloučení nestejnoměrného sedání v zadní zóně, kde byla odhalena kaverna výšky cca 6 m. Ta musela být vyčištěna a vyplněna betonem (přibližně 150 m3).
Provizorní podpory
Teleskopický systém, tzv. teleskopáž, tvořila ocelová konstrukce výšky 36 m, schopná zachytit síly od větru o rychlosti až 180 km/h. Její kapacita byla využitelná do výšky 140 m. Lisy měly zdvih 1,0 m. Po usazení lisů pod hřebenové tyče pomocí klínů se lisy aktivovaly a příhradovina se zvedla k dalšímu zadržovacímu zářezu hřebene.
Celková hmotnost mezipodpory i se zařízením pro výsuv byla 5 000 t. Mezipodpory byly založeny na šachtových pilířích průměru 4,50 m, hloubky až 11 m a na patkách velikosti 18 × 19 m.
Výroba a montáž nosné konstrukce a pylonů
Výroba nosné konstrukce v mostárně
Vyrobilo se celkem 2 078 deskových prvků a 173 dílů střední komory. Deskové elementy a boční komory se dopravily z mostárny na stavbu do Millau. Prvky střední komory byly nejprve dopraveny do speciálních dílen k předmontáži a kontrole a potom v rytmu 3 komory za týden, v délkách 15 až 22 m a hmotnostech do 90 t na stavbu.
Montáž nosné konstrukce na místě
Uvnitř komor se svařovalo plněnými elektrodami v ochranné atmosféře, vnější svary se prováděly pod tavidlem soupravou Twin-arc. Pro okrajové svary se použil trubičkový drát Innershield. Montáž jednoho úseku délky 171 m si vyžádala 4,8 t přídavného materiálu a čas 4 až 5 týdnů. Spotřeba svarového kovu na celé stavbě byla asi 150 t. Tupé svary se kontrolovaly ultrazvukem a koutové magneticky.
Vysouvání nosné konstrukce
Každá hlava pilíře a provizorní podpory měla vysouvací zařízení – čtyři vozíky (dva na jižní a dva na severní straně) v příčné vzdálenosti 4 m a podélné 21 m nebo 20 m. Krajní mezipodpory a opěry měly jen 2 vozíky. Během výsunu byly lisy vozíků na jedné podélné ose hydraulicky propojeny, aby bylo možné podélné pootočení (efekt otočného čepu podvozku). Každý se skládal z vodorovného lisu 250 t pro zvedání a dvojic vodorovných trakčních lisů 60 t, které se zpětně vracely a umožnily posunout nosnou konstrukci o 600 mm.
Princip výsuvu nosné konstrukce byl následující:
1. Ve výchozí klidové pozici byla nosná konstrukce podepřena rámem vozíku.
2. Zvedací lis vtlačil zvedací klín pod unášecí klín, který zvednul a podepřel nosnou konstrukci.
3. Horizontální lisy posunuly unášecí klín dopředu o 600 mm i s nosnou konstrukcí.
4. Zvedací lis se vrátil zpět do výchozí pozice a nosná konstrukce se uložila na rám vozíku.
Každý cyklus výsunu posunul nosnou konstrukci o 0,6 m a trval cca 4 minuty. V poslední fázi byla potřebná tlačná síla na jižní straně 5 280 t (váha 1 743metrové delší části byla přibližně 29 000 t) a 2 400 t na severní straně (váha 717metrového kratšího úseku byla přibližně 12 300 t).
Odchylka v synchronizaci lisů na jednom vysouvacím zařízení (na pilíři nebo mezipodpoře) byla 1,5 mm a pro lisy jakýchkoliv dvou zařízení 30 mm. Rychlost výsuvu byla v průměru 10 m/h (cca 16 cyklů za hodinu). Celý hydraulický systém se řídil z kontrolní centrály u opěry, která všechna data vyhodnocovala tak, aby systém zůstal v mezích daných programem cyklu. Hydraulická zařízení měla ještě individuální možnost řízení nezávisle z pilíře. Výsun mohl být prováděn manuálně, poloautomaticky a automaticky. V režimu automatickém se mohl provádět celý cyklus, v poloautomatickém každý pohyb postupně za sebou a v manuálním režimu, v případě nutnosti zasáhl specialista.
• pohyblivá část délky cca 36 m byla přístupná obsluze a přísunu drobného zařízení na podporu, tj. cca 60 m před dokončením každého 171 m dlouhého výsunu;
• pevná část 13 m sloužila jako podpora na mezipodporách ve fázi bez pohybu. Umožnila vyrovnat průhyb 2,34 m při dojezdu na podporu.
Počáteční fáze výsuvu vyžadovaly na každé straně předsunutí o 114 m na montážní plošině, aby se osy výsuvných pylonů P2 a P3 dostaly nad podpory. Na pilířích a mezipodporách byla výšková úroveň při vysouvání definitivní, ale za opěrami byly výsuvné podpory 5,40 m a 4,80 m nad definitivní výškou. Originalita postupu spočívala ve využití ohebnosti konstrukce a v provedení výsuvu s dvojí křivostí. Vysouvat se mohlo při větru do rychlosti 85 km/h. V klidové fázi mohly být maximálně vyložená konzola a pylon nad podporou namáhány větrem o rychlosti až do 185 km/h, protože byla nosná konstrukce vždy přikotvena předpínacími kabely do pilířů.
Pylony a závěsy výsuvu
Závěr montáže nosné konstrukce a stavba pylonů
Pylony, s výjimkou P2 a P3, se smontovaly v horizontální poloze za opěrami, převezly se samohybnou soupravou nad pilíř a zvedly se do svislé polohy. Pak se přivařily k nosné konstrukci. Po instalaci a napnutí jedenácti závěsů v každé osnově se výsuvné zařízení a mezilehlé podpory demontovaly. Zatěžovací zkouška statická (30 kamionů pro 21 zatěžovacích stavů po cca 30 t) a dynamická, simulující selhání dvou závěsů po 100 t, se provedla 17. až 25. listopadu 2004.
Realizační projekty, přístrojové vybavení a sledování konstrukce při stavbě
Závěr
Podle zahraničních pramenů zpracoval Ing. Jaroslav Kobza, CSc.
Foto: Daniel Jamme
Literatura
1. Martin J.-P., – Buomo M. , – Servant C.: Le viaduc de Millau. TRAVAUX 2/2003, 61 – 68.
2. Martin J.-P., – Servant C.: Le viaduc de Millau. EIFFAGE TP, firemní prezentace.
3. Peters H.: Schrägseilbrücke über die Tarn bei Millau. Beton- und Stahlbetonbau 7/1997, 177–178
4. Millau: Un victoire de la technique et des hommes. Sols & Structures. 09/2004 Le magazine du Groupe Freyssinet.
5. Le Journal du Viaduc n°1 – n°10. CEVM Millau, 02/2002–11/2004.