Prefabrykacja elementów poza miejscem budowy to często ważny czynnik decydujący o szybkości montażu, a w przypadku elementów żelbetowych – również o jakości i trwałości.
Konieczność zmniejszania ingerencji w otaczające środowisko na etapie realizacji, dążenie do skrócenia czasu budowy oraz uproszczenie konstrukcji to tylko kilka czynników decydujących o coraz większej popularności konstrukcji prefabrykowanych – powłokowych i łupinowych – w dziedzinie obiektów mostowych w Polsce. Odpowiedzią na to zapotrzebowanie są konstrukcje gruntowo-powłokowe, które rozpowszechniły się w Polsce w bardzo krótkim czasie dzięki szerokiemu zastosowaniu stalowych blach falistych. Szeroka gama wyrobów, szybki montaż relatywnie lekkich elementów to niewątpliwe zalety. Technologię tę można spotkać zarówno w dość dużych obiektach (mosty, wiadukty, tunele), jak i małych – w przepustach, w których równolegle są stosowane systemy z tworzyw sztucznych. Powoli przebija się w Polsce również technologia żelbetowa, co stanowi ciekawą alternatywę i uzupełnienie oferty rynkowej. Właśnie ze względu na mniejszą powszechność technologii żelbetowej w zakresie konstrukcji gruntowo-powłokowych warto te rozwiązania przybliżyć i omówić ich zasadnicze cechy i różnice w świetle rozwiązań ze stali (najczęściej z blach falistych).
Fot. 1 Mosty w Darłowie przed rozbiórką
Konstrukcje gruntowo-powłokowe to konstrukcje, które do przenoszenia obciążeń wykorzystują – umownie mówiąc – grunt otaczający elementy konstrukcyjne, a w szczególności tzw. zasypkę powłoki. W przypadku powłok o kształtach łukowych lub owalnych grunt tworzy coś w rodzaju sklepienia podtrzymywanego przez powłokę (tzw. przesklepienie), która może być wykonana z różnych tworzyw. Ponadto współpracę z gruntem obserwujemy również w bocznych strefach elementów. Z tych zasad pracy wynikają wysokie wymagania w zakresie parametrów zasypki (kruszywo o odpowiednim uziarnieniu, mrozoodporne, odpowiednio zagęszczone, czyli zagęszczane równomiernie warstwami w odpowiedniej kolejności, osiągając wysoki wskaźnik). Technologia zagęszczania, zwłaszcza dla powłok elastycznych, np. stalowych, ma kluczowe znaczenie, gdyż podczas tego procesu powłoki ulegają kontrolowanym deformacjom. Konstrukcje sztywniejsze, a do takich zaliczamy obiekty żelbetowe, w mniejszym stopniu mogą wykorzystywać przesklepienie do przenoszenia obciążeń, a w przypadku elementów ramowych (prostokątnych) zjawisko to nie występuje lub jest marginalne.
Warunek sukcesu to dobrze wykonany projekt, doświadczona ekipa wykonawcza i nadzór, najlepiej również ze strony dostawcy technologii. Dzisiaj można śmiało powiedzieć, że osiągnęliśmy na tyle dobry poziom jakości, że usterki należą do rzadkości.
Prefabrykacja elementów poza miejscem budowy to często ważny czynnik decydujący o szybkości montażu, a w przypadku elementów żelbetowych – również o jakości i trwałości. Systemy budowy mostów o konstrukcji gruntowo-powłokowej zarówno z prefabrykatów żelbetowych, jak i stalowych umożliwiają wykonanie zasadniczych prac montażowych w ciągu zaledwie kilku dni, co wydatnie zmniejsza ingerencję w otoczenie nie tylko poprzez krótkotrwałość procesu, a tym samym uciążliwość spowodowaną hałasem i emisją zanieczyszczeń. Krótki czas budowy to także krótszy czas utrudnień w ruchu na szlakach komunikacyjnych przebiegających przez teren budowy. Zakres prac brudnych lub mokrych na miejscu sprowadzony jest do niezbędnego minimum: w technologiach prefabrykacji żelbetowej wylewane na mokro są fundamenty lub ich wydzielone części, a następnie zamki spinające konstrukcję w całość.
Zamki te zapobiegają zjawisku analogicznemu do klawiszowania charakterystycznego dla ustrojów złożonych z wielu podobnych elementów – płyt lub belek. Prefabrykaty najczęściej mają wycięcia (nisze) z wyprowadzonym zbrojeniem służącym do powiązania za pomocą dodatkowych prętów z sąsiednimi prefabrykatami podobnie ukształtowanymi.
Fot. 2 Nowe mosty w ciągu DK 37 w Darłowie
Prefabrykacja, szczególnie w technologii żelbetowej, może przyczynić się do osiągnięcia lepszej jakości wykonania (ilość robót na mokro bardzo ograniczona) ze względu na wytwarzanie konstrukcji w wyspecjalizowanych zakładach z odpowiednim nadzorem technicznym i w uniezależnieniu od warunków atmosferycznych. Prostota konstrukcji, które w tej technologii mogą osiągać zarówno kształty łukowe, jak i prostokątne (ramy żelbetowe), eliminuje lub bardzo ogranicza liczbę elementów decydujących o trwałości i kosztach utrzymania (brak łożysk, brak dylatacji). Systemy takie stanowią konkurencyjną alternatywę również tam, gdzie wysokość naziomu ogranicza zastosowanie łupin stalowych (w technologii żelbetowej ten problem praktycznie nie występuje, co ma ogromne znaczenie zwłaszcza przy przebudowie obiektów). O wyborze tego rozwiązania mogą także decydować względy estetyczne – w technologiach stalowych krawędzie blach najczęściej są widoczne, a w przypadku obiektów usytuowanych w skosie cięte arkusze blach tworzą nieregularne falbanki. Istnieje możliwość zaprojektowania pierścieni w skrajnych elementach na tzw. wlocie, które są integralną częścią prefabrykatu, będących nie tylko estetycznym wykończeniem, ale też mogących podtrzymywać umocnienie skarp nasypu. Nierzadkim przypadkiem jest również zintegrowanie skrajnych prefabrykatów ze ścianą czołową (tworzy się wtedy specyficzny jeden prefabrykat przestrzenny – nie ma wówczas zbędnych styków narażonych na wpływy atmosferyczne), co jest kolejnym krokiem do ograniczenia prac na budowie i decyduje o skróceniu czasu realizacji inwestycji. W razie potrzeby powierzchniom zewnętrznym można nadać charakterystyczną fakturę w zależności od chęci uzyskania odpowiedniego efektu architektonicznego.
Ogólny tok postępowania przy montażu to wykonanie wykopu i fundamentów żelbetowych, następnie ustawienie za pomocą żurawia prefabrykatów dolnych, po skontrolowaniu ustawienia i odchyleń od wszystkich płaszczyzn ułożenie elementów górnych i ich scalenie. Pozostaje ułożenie hydroizolacji i zasypanie obiektu.Dzięki temu osiąga się wydajność nawet 25 m.b. obiektu na dobę.
Fot. 3 Nowy most w ciągu DK 37 w Darłowie
Wybór izolacji zależy od kształtu przekroju poprzecznego. Dla przekroju prostokątnego zewnętrzna powierzchnia obiektu jest zabezpieczana za pomocą bitumiczno-epoksydowej izolacji powłokowej. Dla przekroju łukowego izolacja bitumiczno-epoksydowa zastępowana jest przez gładką, niezbrojoną membranę izolacyjną na bazie uplastycznionego polichlorku winylu. Pozostałe elementy izolacji dla obu przekrojów są z reguły takie same, a więc zewnętrzna powierzchnia zabezpieczana jest przez folię kubełkową. Szczególną wagę przywiązuje się do styków elementów (to potencjalnie problematyczne miejsce i szansa przecieków jest większa niż na powierzchni prefabrykatów). Zewnętrzne styki elementów są zabezpieczane za pomocą kitu pęczniejącego, trwale elastycznego kitu poliuretanowego i dodatkowego przykrycia z systemowej taśmy hypalonowej. Wewnętrzne połączenia elementów wypełnia się kitem pęczniejącym oraz trwale elastycznym kitem poliuretanowym. Stosowanie wysokiej klasy betonu również wpływa na szczelności obiektu.
Przykłady optymalnych zastosowań to: przejścia dla zwierząt, małe i średnie mosty zintegrowane oraz wiadukty drogowe i kolejowe, tunele, przepusty, przejścia podziemne itp. Możliwe do osiągnięcia są zarówno ustroje jednoprzęsłowe, jak i wieloprzęsłowe – dolne prefabrykaty międzyłupinowe stanowią wówczas podporę jednocześnie dla obydwu sąsiadujących przęseł. Wymiary poszczególnych elementów są ograniczone ze względu na ich transport i masę (nośność sprzętu montażowego), z reguły mają szerokość od 1 do 5 m. Jeden segment konstrukcji to najczęściej trzy prefabrykaty – dwa dolne i jeden górny, stropowy. Połączenie pomiędzy nimi jest całkowicie przegubowe, realizowane przez walcowe ukształtowanie strefy styków. Wysokość użytkowa takich obiektów może dochodzić do 10 m, natomiast ich szerokość (rozpiętość w świetle) – do 22 m.
Fot. 4 Łupinowy most kolejowy na linii Kraków – Wieliczka
Pierwszą inwestycją w Polsce, w której zastosowano prefabrykowane elementy żelbetowe irlandzkiej firmy ABM, niejako na zasadzie eksperymentu, była budowa dwóch jednoprzęsłowych mostów w ciągu drogi krajowej nr 37 w Darłowie dla szczecińskiego oddziału Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad, według projektu biura projektów z Bydgoszczy. Zastosowano tam prefabrykaty łupinowe zwieńczone pierścieniem na obwodzie. Oba mosty mają bardzo podobną, niemal bliźniaczą, konstrukcję o rozpiętości niespełna 6 m, szerokości około 20 m i wysokości 3,4 m. Zastąpiły one wysłużone małe żelbetowe mosty o konstrukcji ramowej. W odróżnieniu od obiektów rozebranych nie zdecydowano się na wybudowanie ścian czołowych i zachowano kształt nasypu, umacniając grunt kostką betonową ze względu na potrzebę zachowania dość dużego spadku. Na czas robót zwężono koryta cieków za pomocą stalowych ścianek szczelnych, które następnie wycięto na poziomie dna, a tym samym nie było potrzeby wykonywania tymczasowego koryta i obejścia ciekiem miejsca budowy. Przy tej okazji obiekty poszerzono, tak aby droga krajowa osiągnęła zakładane parametry klasy G oraz by zmieścić od strony północnej chodnik przewidziany w przyszłości do dalszej rozbudowy. Znalazło się miejsce również na niezbędne bariery i barieroporęcze, zgodnie z obowiązującymi wówczas przepisami, oraz na schody serwisowe.
Fot. 5 Wiadukt ramowy na linii Kraków – Wieliczka
W zaprojektowanym moście przez rzekę Orlę w ciągu drogi wojewódzkiej nr 241 pod Więcborkiem zaprojektowano ramy prostokątne. Jak wspomniałem, system żelbetowy ma tę zaletę, że w wielu przypadkach umożliwia nie tylko sprefabrykowanie i zintegrowanie pierścieni zabezpieczających przestrzeń podmostową, ale też skrzydeł, gzymsów i ścian bocznych lub czołowych, czego przykładem są obiekty kolejowe (most i wiadukt) w ciągu linii Kraków – Wieliczka.
Jedną z ciekawszych architektonicznie realizacji w Polsce jest tunel TP2 na trasie Słowackiego w Gdańsku przy stadionie PGE Arena, ukończony tuż przed mistrzostwami w piłce nożnej Euro 2012. Zastosowano w nim powłoki łukowe o rozpiętości niespełna 20 m, z elementami górnymi posiadającymi użebrowanie podłużne. Wysokość konstrukcji to 6,78 m, a długość 37,5 m, składa się na nią 15 segmentów o szerokości 2,5 m każdy. Montaż konstrukcji przeprowadzono w krótkim czasie (cztery dni), mimo niesprzyjających warunków atmosferycznych (mróz i opady śniegu). Ściany czołowe zrea-lizowano, opierając się na technologii zbrojenia gruntu i prefabrykatach drobnowymiarowych. Po tym udanym doświadczeniu liczba budowanych obiektów w tej technologii wzrasta.
Podsumowując, zbiór wymienionych cech – takich jak: szybkość montażu, relatywna lekkość konstrukcji w zestawieniu z tradycyjnymi obiektami, możliwość zintegrowania gzymsów, ścian czołowych i bocznych oraz pierścieni zabezpieczających, minimalizacja zakresu prac w ogóle, a mokrych w szczególności, charakterystycznych dla zintegrowanych obiektów budowanych z prefabrykatów żelbetowych – sprawia, że technologia ta stanowi dobre uzupełnienie oferty związanej z projektowaniem i budową obiektów inżynierskich w Polsce.
Fot. 6 Przejście dla pieszych przy PGE Arena w Gdańsku
Warto wspomnieć o ciekawych realizacjach za granicą,jak na przykład przejścia dla zwierząt w ciągu obwodnicy Pragi w Czechach, gdzie wybudowano obiekty dwuprzęsłowe, łukowe, z których największe mają rozpiętości 2 x 19 m i długości 50 m (20 segmentów po 2,5 m każdy). W tym miejscu autostrada ma po trzy pasy ruchu w każdą stronę oraz pasy awaryjne. W miejscowości Vyskov, również w Czechach, łupiny żelbetowe zastąpiły wysłużony wiadukt sprężony przekraczający zelektryfikowaną linię kolejową. Montaż konstrukcji o rozpiętości ponad 15 m przeprowadzono w ciągu pięciu dni bez zatrzymywania ruchu pociągów (ograniczono jedynie prędkość i wyłączono trakcję elektryczną).
Ciekawym obiektem jest również tunel w rejonie ośrodka narciarskiego w miejscowości Jasna w Słowacji (obiekt nr SO-07, Grand-Brhliska), wybudowany w 2009 r. Co prawda rozpiętość jego wynosi 11,3 m, czyli nie bije żadnego rekordu, jednak konstrukcja zaprojektowana została w dość ciasnym łuku wynoszącym 30 m.
Fot. 7 Ośrodek w Enstone
Zaskakującą inwestycją jest Ośrodek Obliczeniowej Dynamiki Płynów (CFD) zespołu Renault F1, zlokalizowany w bazie Formuły 1 w miejscowości Enstone w hrabstwie Oxfordshire w Wielkiej Brytanii, w miejscu o dużym znaczeniu przyrodniczym, podlegającym różnym ograniczeniom urbanistycznym. To przyjazny środowisku, w pełni skomputeryzowany tunel aerodynamiczny, zawierający również strefę „audytorium” dla 60 osób, przestrzeń biurową z trzydziestoma stanowiskami komputerowymi dla inżynierów, przestrzeń socjalną włącznie z zapleczem sanitarnym, kuchnią, pokojem spotkań i zapleczem produkcyjnym. Całość to podziemny kompleks oparty na technologii żelbetowych prefabrykatów łukowych systemu ABM-Matiere, o wymiarach 65 x 17 m z przewidzianą możliwością dalszej rozbudowy. Obiekt wybudowano w 2007 r., przyjmując tę technologię ze względu na wymagany bardzo krótki czas realizacji, związany z harmonogramem imprez wyścigowych. Wymagania środowiskowe natomiast wymusiły zaprojektowanie kompleksu jako budowli podziemnej. Realizację nagrodziło stowarzyszenie Concrete Society w 2008 r.
Michał Delmaczyński
Pracownie Inżynierskie Socha Sp. z o.o., Bydgoszcz
Jakub Uczciwek
ABM Mosty Sp. z o.o., Warszawa
