Przepusty drogowe z elementów prefabrykowanych według Eurokodów

Przepusty drogowe stosowane są z powodzeniem w Polsce od wielu lat. Zasady ich wykonywania określane były w kilkunastu wydaniach katalogów opracowywanych przez Transprojekt-Warszawa już od roku 1956.

Fot. Fragment katalogu przepustów drogowych opracowanego przez Transprojekt-Warszawa w 1963 r.

Ostatnie wydanie katalogu ukazało się w 2007 r. [2] i od tego czasu stało się standardem w projektowaniu i wykonywaniu tego typu konstrukcji dla większości inwestycji infrastrukturalnych w kraju. Jednak w ciągu 15 lat, które upłynęły od ostatniej aktualizacji katalogu, wiele się zmieniło.Wprowadzono nowy europejski system norm – Eurokodów – zmieniający zasady ustalania wielkości oddziaływań oraz zasady wymiarowania. Ponadto uchylono obowiązujące od wielu lat Rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie [3], zastępując je Rozporządzeniem w sprawie przepisów techniczno-budowlanych dotyczących dróg publicznych [4] wraz z wieloma dodatkowymi wytycznymi (m.in. [5]). Powyższe zmiany wymusiły konieczność aktualizacji rozwiązań przedstawionych w dotychczasowej wersji katalogu przepustów. Aktualizacja objęła również sposób wyznaczania świateł dla przepustów hydrologicznych, dostosowując go do obecnie obowiązujących wytycznych [5].

Fot. stock.adobe.com/dragoncello

Przepusty drogowe – nowy katalog

Wychodząc naprzeciw potrzebom środowiska, Transprojekt-Warszawa podjął inicjatywę opracowania nowej wersji katalogu [1], spełniającej wymagania aktualnie obowiązujących norm i przepisów. Prace nad nowym katalogiem stały się okazją do wprowadzenia pewnych optymalizacji oraz modyfikacji w stosowanych rozwiązaniach, będących rezultatem wieloletnich doświadczeń w projektowaniu konstrukcji według dotychczasowych wersji katalogu.

Dodano nowe przekroje poprzeczne elementów, uwzględniono aktualne klasy obciążeń, zwiększono trwałość konstrukcji do 100 lat, zmieniając klasę betonu i grubość otuliny. Rozszerzono zakres stosowania przepustów, dopuszczając dla każdego przekroju maksymalną grubość zasypki nad przepustem do 9,0 m. Wprowadzono możliwość stosowania systemowych haków transportowych przy przenoszeniu elementów. Rozbudowano część hydrauliczną, systematyzując złożoną procedurę doboru świateł przepustów, opracowując w tym celu zestaw przejrzystych nomogramów pozwalających na szybki wstępny dobór prefabrykatów. Pełną listę zmian względem poprzedniej wersji katalogu zestawiono w tabeli.

Tab. Porównanie katalogów przepustów prefabrykowanych wydanych w latach 2007 i 2022

Optymalizacja rozwiązań

Istotnym celem zmian wprowadzonych w nowym katalogu była optymalizacja zużycia materiałów. Aby jednak nie utrudniać wdrożenia nowych rozwiązań i nie wymuszać na producentach prefabrykatów konieczności przygotowywania nowych form, wymiary geometryczne przekrojów poprzecznych elementów pozostawiono bez zmian. Niezmienne zatem pozostało zużycie betonu. Optymalizacji poddano natomiast ilość stosowanej stali zbrojeniowej. Optymalizacja była możliwa przez uzależnienie zbrojenia elementów od grubości wykonywanej na nich zasypki gruntowej. W poprzednich wersjach katalogu [2] podawano jedynie maksymalną dopuszczalną grubość zasypki (najczęściej od 5,0 do 8,0 m), a zbrojenie dla danego przekroju poprzecznego było stałe i wyznaczone dla zasypki maksymalnej. Prowadziło to do dużych zapasów nośności w przypadku najczęściej stosowanych, znacznie niższych nasypów. W nowej wersji katalogu [1] dla każdego przekroju poprzecznego przewidziano cztery typy zbrojenia w zależności od grubości zasypki. Dodatkowo, w przypadku przepustów dwudzielnych, wprowadzono rozróżnienie zbrojenia segmentu górnego i dolnego, co również pozwoliło na optymalizację zbrojenia. W przypadku przekrojów rurowych zbrojenie uzależniono od trzech możliwych długości segmentu. Na rys. 1 i 2 porównano zużycie stali zbrojeniowej według obu wersji katalogu dla przykładowego segmentu skrzynkowego o wymiarach 300 x 200 cm oraz dla przykładowego segmentu dwudzielnego o wymiarach 400 x 100 cm, uzależnione od grubości zasypki. Katalog z 2007 r. [2] ograniczał grubość zasypki dla tych przepustów do 5,0 m – dlatego brak danych dla większych wysokości nasypu.

Rys. 1. Porównanie zużycia stali zbrojeniowej w przepuście skrzynkowym wg obu katalogów przepustów

Rys. 2. Porównanie zużycia stali zbrojeniowej w przepuście dwudzielnym wg obu katalogów przepustów

>>> Przepusty dla zwierząt przy liniach kolejowych. Ciekawostki

>>> Przejścia dla zwierząt – koszty budowy

>>> Remonty i renowacje przepustów drogowych w infrastrukturze komunikacyjnej

Przepusty drogowe – obliczenia statyczno-wytrzymałościowe

Wszystkie obliczenia statyczno-wytrzymałościowe dla nowego katalogu [1] przeprowadzono zgodnie z wymaganiami obowiązujących obecnie norm europejskich. Wartości oddziaływań ciężaru własnego ustalono zgodnie z normą [8]. Wartości parcia gruntu przyjęto zgodnie z normą [11].

W obliczeniach rozpatrywano dwa wzajemnie się wykluczające układy obciążenia parciem gruntu, w których na jedną ze ścian przepustu działa parcie spoczynkowe (E₀), a na ścianę przeciwległą połowa parcia czynnego (0,5 E_a). Takie podejście wynika z faktu, że w ustrojach częściowo zintegrowanych z gruntem parcie nie jest wartością stałą i podlega cyklicznym zmianom, a występowanie jego wartości granicznych jest możliwe tylko przy pewnych układach obciążeń i związanych z nimi przemieszczeń. Bezpiecznym podejściem jest więc analiza dwóch skrajnych wartości parcia, działających na przeciwległe ściany, i takie podejście zastosowano.

Oddziaływania ruchome zdefiniowano na podstawie normy [9], przyjmując wartości współczynników dostosowawczych odpowiednie dla klasy I wg rozporządzenia [4]. Uwzględniono model LM-1 złożony z obciążenia powierzchniowego UDL oraz pojazdów dwuosiowych TS, a także model LM-2 złożony z pojedynczej osi.

Dodatkowo rozpatrywano również obciążenia MLC wg [4]: jedną kolumnę pojazdów kołowych MLC 150, dwie kolumny pojazdów kołowych MLC 100, jedną kolumnę pojazdów gąsienicowych MLC 120 oraz dwie kolumny pojazdów gąsienicowych MLC 80. Przyjęto, że przez warstwy konstrukcji obciążenia rozchodzą się pod kątem 45 stopni, natomiast przez warstwy zasypki – pod kątem odpowiadającym kątowi tarcia wewnętrznego.

Dla analizy obliczeniowej przepustów wykonano ramowe modele powłokowe z panelami o parametrach geometrycznych i materiałowych odpowiadających rzeczywistej konstrukcji. Analizowano je metodą elementów skończonych, wykorzystując odpowiednie oprogramowanie komputerowe. Modele podparto na podłożu sprężystym o charakterystykach sprężystości odpowiednich dla rzeczywistego reprezentatywnego podłoża. Wizualizację modeli zastosowanych w obliczeniach poszczególnych typów przepustów przedstawiono na rys. 3–6.

Analizę obliczeniową każdego przekroju przepustu przeprowadzono dla dziesięciu przypadków grubości zasypki gruntowej o skoku grubości co 1,00 m (od całkowitego jej braku do zasypki grubości 9,00 m). Następnie w procesie wymiarowania ustalono optymalne i indywidualne dla każdego przepustu przedziały grubości zasypki, przy których można zastosować dany typ zbrojenia.

Zgodnie z  zasadami określonymi w normie [10] przyjęto zbrojenie segmentów i wyznaczono nośność poszczególnych przekrojów, dopasowując obwiednię nośności do obwiedni obliczeniowych momentów zginających.

Na rys. 7 przedstawiono przykładowe dopasowanie obwiedni nośności (linia czerwona) do obwiedni momentów dla płyty górnej przepustu skrzynkowego (o przekroju 300 x 300 cm).

Rys. 7. Obwiednia nośności przekroju w płycie górnej przepustu skrzynkowego

Obliczenia hydrauliczne

Opracowując nowe wydanie katalogu, zmieniono podejście do obliczeń hydraulicznych. Dotychczas opierano się na zasadach zamieszczonych w nieobowiązującym już załączniku nr 1 do rozporządzenia [3]. Obecnie wymagane zasady obliczania światła przepustów przedstawiono w wytycznych rekomendowanych przez Ministra Infrastruktury [5] i na nich podstawie wykonano obliczenia hydrauliczne w nowym katalogu. Zmianie uległy więc nomogramy pozwalające na szacunkowy dobór wymaganego przekroju przepustu.

Obliczenia hydrauliczne wykonano dla przepustów o niezatopionym wlocie i niezatopionym wylocie (oznaczonych w [5] jako typ 2). Schemat przepływu wody przez przepust wraz ze stosowanymi oznaczeniami przedstawiono na rys. 8.

Rys. 8. Schemat przepływu wody przez przepust analizowany w obliczeniach hydraulicznych

rzykładowy nomogram z nowego katalogu (dla przepustu skrzynkowego 100 x 100 cm) przedstawiono na rys. 9.

Danymi wyjściowymi do doboru przepustu są wartość przepływu miarodajnego Q oraz spadek podłużny dna przepustu i. Wybierając kolor linii w górnej części nomogramu odpowiedniej dla założonego spadku dna, można odczytać na osi poziomej, jaki maksymalny przepływ w takich warunkach przez analizowany przepust może być przeprowadzony, a na osi pionowej – jakie napełnienie wnętrza przepustu h_n przy takim przepływie wystąpi.

Rys. 9. Nomogram umożliwiający dobór przekroju przepustu

Jeżeli wyznaczony w ten sposób przepływ jest mniejszy od wymaganego, należy przejść do analizy innego nomogramu, odpowiedniego dla przepustu o większym przekroju. Dolna część nomogramu (rys. 9) pozwala wyznaczyć wartość prędkości przepływu na wylocie przepustu v_wyl oraz głębokość krytyczną h_kr. Należy w tym celu odczytać rzędną przecięcia wymaganej wartości przepływu Q z linią czerwoną (dla prędkości) oraz granatową (dla głębokości krytycznej). Rzędne dla głębokości krytycznej należy odczytywać z lewej osi pionowej, dla prędkości – z prawej osi pionowej. Znając wartość prędkości przepływu na wylocie, można zaprojektować odpowiednie umocnienia dna.

Dla każdego przekroju opracowano również drugi nomogram (rys. 10), pozwalający na określenie poziomu napełnienia na stanowisku górnym H₁ w zależności od przepływu Q i długości przepustu Lp. Dla innych długości przepustu należy dokonać odpowiedniej interpolacji.

Rys. 10. Nomogram umożliwiający wyznaczenie napełnienia na dopływie do przepustu

Poziom spiętrzenia s oraz głębokość wody miarodajnej h_m w cieku dopływającym do przepustu zależą od parametrów koryta (szerokości dna, nachylenia skarp, współczynnika szorstkości) i muszą być wyznaczane indywidualnie dla każdego rozpatrywanego przypadku.

Zaproponowana nowa wersja nomogramów upraszcza w znaczny sposób przeprowadzenie analizy hydraulicznej. Opiera się bowiem na takich łatwych do wyobrażenia danych początkowych jak spadek podłużny dna, poziom napełnienia czy długość przepustu, a nie na znacznie trudniejszych do wstępnego przyjęcia wielkościach jak prędkość krytyczna czy poziom spiętrzenia, które stanowiły podstawę wykresów hydraulicznych w katalogu z 2007 r.

Warto też dodać, że w dotychczasowej wersji katalogu zamieszczono wykresy hydrauliczne tylko dla 14 wybranych przekrojów przepustów. W nowym katalogu brakujące nomogramy zostały uzupełnione i każdy z 29 typów przekroju poprzecznego poddano analizie hydraulicznej.

Podsumowanie

Nowa wersja katalogu przepustów została opracowana na podstawie obecnie obowiązujących norm, wytycznych i przepisów prawnych. Uzupełniono, zoptymalizowano, rozszerzono i zaktualizowano w niej rozwiązania dobrze znane z poprzednich wydań. Szczególnie pomocna w projektowaniu będzie całkowicie nowa część hydrauliczna pozwalająca na szybkie szacowanie światła przepustu.

Pomimo wielu modyfikacji zachowano możliwie dużo z wcześniej stosowanych rozwiązań, do których przyzwyczajeni są zarówno projektanci, jak i producenci prefabrykatów (m.in. wymiary elementów). Ułatwi to dotychczasowym użytkownikom katalogu szybkie wdrożenie proponowanych zmian i wykorzystanie wszystkich możliwości, jakie daje nowe opracowanie.

mgr inż. Maciej Kieniewicz Transprojekt-Warszawa Sp. z o.o.

Literatura

1. Katalog „Przepusty drogowe z elementów prefabrykowanych według Eurokodów”, Transprojekt-Warsza- wa z o.o., 2022.
2. Katalog „Przepusty drogowe z elementów prefabrykowanych”, Transprojekt-Warszawa Sp. z o.o., 2007.
3. Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie (Dz.U. z 2000 nr 63 poz. 735).
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 24 czerwca 2022 w sprawie przepisów techniczno-budowlanych dotyczących dróg publicznych (Dz.U. z 2022 r. poz. 1518).
5. Wytyczne obliczania świateł drogowych mostów i przepustów hydraulicznych WR-M-12 rekomendowane przez Ministra Infrastruktury w marcu 2021.
6. Norma PN-85/S-10030 Obiekty mostowe – obciążenia.
7. Norma PN-91/S-10042 Obiekty mostowe – Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone – Projektowanie.
8. Norma PN-EN 1991-1-1:2004 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje – Część 1-1: Oddziaływania ogólne – Ciężar objętościowy, ciężar własny, obciążenia użytkowe w budynkach.
9. Norma PN-EN 1991-2:2007 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje – Część 2: Obciążenia ruchome mostów.
10. Norma PN-EN 1992-1-1:2008 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu – Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków.
11. Norma PN-EN 1997-1:2008 Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne – Część 1: Zasady ogólne.

>>> Tunel drogowy w ciągu drogi ekspresowej S2 na odcinku Południowej Obwodnicy Warszawy