Mosty extradosed

Ogólne zasady kształtowania mostów extradosed

Inżynierowie starali się nieustannie zwiększać efektywność sprężania, co zaskutkowało stworzeniem nowego układu nośnego – tzw. mostu typu extradosed (ang. extradosed prestressed bridge – EPB), który łączy ideę konstrukcji podwieszanej oraz belkowej sprężonej. W mostach tego typu część kabli sprężających prowadzonych jest nad podporami (poza przekrojem dźwigara), które wykonane w formie niskich pylonów pełnią funkcję tzw. dewiatorów. Rozpiętości przęseł mostów typu extradosed wynoszą najczęściej od 100 do 200 m. Niebagatelną zaletą tego typu rozwiązań jest o wiele mniejszy koszt budowy (w porównaniu z obiektami wantowymi), który wynika z konstruowania niższych pylonów. Biorąc pod uwagę atrakcyjność architektoniczną, konstrukcje te zazwyczaj znacznie przewyższają mosty belkowe. Mosty typu exstradosed wyglądem przypominają mosty podwieszane, jednak ich parametry konstrukcyjne odpowiadają mostom belkowym. W widoku ogólnym charakteryzują się m.in. tym, że wysokości konstrukcyjne dźwigarów głównych są znacznie mniejsze niż w normalnych mostach belkowych, a pylony są ponaddwukrotnie niższe niż w klasycznych mostach podwieszanych. Ustrój nośny takiego mostu można uważać za pośredni między ustrojem belkowym a wantowym. W porównaniu z konstrukcją podwieszoną stosuje się znacznie niższe pylony (o ok. 2/3), których zadaniem jest uniesienie kabli sprężających i umożliwienie zmiany ich trasy nad podporami. Mamy tu do czynienia ze znacznie większymi pochyleniami cięgien niż w tradycyjnych konstrukcjach podwieszonych, czego skutkiem jest przekazanie dużych sił poziomych na ustrój nośny, przy stosunkowo małej składowej pionowej. Mając na uwadze duże siły poziome przekazywane na dźwigary przęsła, ustroje te są wykonywane w głównej mierze z betonu, choć spotyka się także konstrukcje betonowo-stalowe, czyli takie, w których środkowa część głównego przęsła jest ze stali, a część podporowa z betonu. Umożliwia to odciążenie ustroju nośnego. W rozwiązaniach tego typu stosuje się głównie pomosty o przekroju poprzecznym płytowo-belkowym lub skrzynkowym [1], [2]. Umowny początek mostów doprężonych datuje się na 1988 r., kiedy to francuski inżynier Jacques Mathivat zaproponował nowy typ mostów z betonu sprężonego, nazwany extradosed. Głównym powodem powstania tych form konstrukcyjnych było dążenie twórcy do zwiększenia mimośrodu działania siły sprężającej w taki sposób, aby ograniczenia geometryczne w postaci wymiarów przekroju poprzecznego sprężonej belki nie były kluczowe. Pomysłodawca mostów extradosed mówił o nich, że są naturalną kontynuacją, wynikającą z lepszego poznania działania konstrukcji belkowych. Skutkiem tego było wyprowadzenie kabli sprężających poza obrys przekroju, z zastosowaniem dewiatorów w postaci pylonów analogicznych do mostów podwieszonych.

Fot. 1 Projekt Christiana Menna – Sunniberg Bridge

Pierwsze szacunkowe wyliczenia Ja- cquesa Mathivata wskazały także na ważny w dzisiejszych czasach aspekt ekonomiczny mostów extradosed. Głównie ze względu na niskie pylony można zmniejszyć kapitałochłonność obiektu nawet o 30% w stosunku do mostów podwieszonych. Ponadto następuje redukcja czasu budowy i minimalizowane są problemy technologiczne związane z wykonywaniem wysokich pylonów. Inny konstruktor mostów Christian Menn udowodnił również, że budowle tego typu są dużo lepszym rozwiązaniem w terenach górskich, ponieważ obiekty podwieszone źle prezentują się na tle głębokich dolin.

Most Sunniberg w Szwajcarii jest dobrym odzwierciedleniem opisywanych zasad systemu extradosed (fot. 1). Pylony, będące przedłużeniem podpór, są tu mocno na końcach odchylone od pionu. Jest to nie tyle podyktowane względami estetycznymi, lecz przede wszystkim konstrukcyjnymi. Obiekt bowiem jest mocno zakrzywiony w planie i chodzi o to, by cięgna (po stronie większego łuku) nie zakłócały przestrzeni nad pomostem. Budowla przekracza głęboką dolinę rzeki Landquart, jej projektantem był Christian Menn, który za ten obiekt otrzymał w 2001 r. nagrodę Najlepszej Konstrukcji Roku. Sunniberg jest obiektem pięcioprzęsłowym o całkowitej długości 526 m oraz szerokości 12,37 m, najdłuższe, środkowe przęsło ma rozpiętość 140 m.

Modyfikacje systemu extradosed

Obecnie rozwijana jest nowa koncepcja stanowiąca ewolucję kształtowania mostów typu extradosed, pozwalająca na maksymalizację ramienia siły sprężającej. Nazwa nowego typu obiektów nie jest jeszcze jednoznacznie określona, ale w literaturze angielskojęzycznej można zauważyć tendencję do stosowania określenia mosty extraintradosed. Charakteryzują się prowadzeniem kabli sprężających nie tylko ponad pomostem, ale i pod nim. Pierwsze wzmianki o pomysłach na tego typu obiekty można znaleźć w pracach Any M. Ruiz-Teran i Angela C. Aparicio z 2008 r. Proponują oni zastosowanie zwiększonego mimośrodu cięgien w taki sposób, aby ich układ charakteryzował się kształtem zbliżonym do przebiegu momentów zginających. Ostatnią innowacją – zaproponowaną, by jeszcze bardziej poprawić pracę konstrukcji – jest nowy typ zakotwienia, pozwalający tak zmodyfikować tradycyjne mosty extradosed, aby dźwigary były podparte zarówno nad, jak i pod pomostem. Dodatkowo zakotwienia umieszczane są w przekroju, w którym się znajdują również zastrzały, zaprojektowane w sposób zapewniający ich stateczność pod wpływem sił ściskających.

Skutkuje to tym, że pionowa siła skierowana w dół, wynikająca z obecności zakotwienia, jest równoważona przez pionową siłę skierowaną do góry, pochodzącą z zastrzału. Powoduje to powstanie interakcji między kablami i okazuje się, że pozytywnie wpływa na wiele aspektów pracy takiej konstrukcji, m.in. zmniejszenie momentów zginających i ugięć ze względu na większą sztywność, ograniczenie sił w kablach, lepsze parametry dynamiczne oraz mniejszą materiałochłonność. Oczywiście, w miejscu skrzyżowania kabli i zastrzałów należy w projekcie przewidzieć odpowiednie przesunięcie tych dwóch elementów w kierunku poprzecznym. Może to doprowadzić do powstania dodatkowych sił poprzecznych, ale wpływ ten może być zredukowany przez zastosowanie symetrii lub parzystej liczby kabli. Użycie gęstszego rozstawu zakotwień pozytywnie wpływa na rozkład momentów zginających. Zakrojone na szerszą skalę badania tego typu konstrukcji pokazują, że mogą się one stać w niedługim czasie ciekawą alternatywą dla typowych konstrukcji extradosed [3].

Rys. 1 Mały kąt pochylenia kabli podwieszenia dla systemu extradosed

Uwarunkowania projektowe i technologiczne dla podstawowego systemu extradosed

Typowe mosty extradosed to konstrukcje, których sztywny pomost sprężony jest za pomocą kabli zewnętrznych wyniesionych nad podporami pośrednimi ponad jego przekrój. Pomimo że zewnętrzną formą konstrukcje te przypominają mosty podwieszone, to jednak przy ocenie nośności konstrukcji uwzględnia się współpracę między betonowym pomostem i kablami extradosed. Związane jest to z małym kątem pochylenia kabli podwieszenia (rys. 1), który powoduje przekazanie na dźwigar dużych poziomych sił sprężających. Zalecenia co do odległości zakotwienia pierwszego kabla od pylonu mówią, że najlepiej umieścić je w odległości 0,18-0,25 rozpiętości przęsła głównego.

Ciężki betonowy pomost zapewnia natomiast niewielkie zmiany naprężeń w kablach oraz praktycznie niezmienną ich sztywność. Wszystkie te zabiegi konstrukcyjne pozwalają na analizę konstrukcji mostu jako belki ciągłej sprężonej kablami umieszczonymi na dużych mimośrodach.

Typowy most podwieszony ma pylon na tyle wysoki, żeby zakotwione w nim kable mogły utrzymać pomost; zwykle się przyjmuje, że jego wysokość powyżej pomostu to minimum połowa długości przęsła. W mostach typu extradosed pomost bezpośrednio spoczywa na podporach i pracuje jak belka ciągła. Kable, oparte na niskim pylonie, doprężają pomost w kierunku poziomym i tylko w nieznacznym stopniu działają jako podpora w kierunku pionowym. Osie kabli przecinają się więc z pomostem pod znacznie mniejszym kątem niż w konstrukcji podwieszonej, dlatego też pylon może być odpowiednio niższy (rys. 2).

Rys. 2 Porównanie systemu extradosed z kablobetonową konstrukcją belkową i konstrukcją podwieszoną

Mosty extradosed oblicza się, stosując jedno z dwóch podejść:

– sztywne połączenie pylonu z dźwigarem (wg Mathivata) – rozwiązanie bliższe konstrukcjom belkowym, pylon pełni funkcję dewiatora i pozwala na wyprowadzenie sprężenia poza obrys przekroju;

-sztywne połączenie pylonu z filarem (wg Menna) – rozwiązanie bliższe konstrukcjom podwieszonym, gdzie pylon stanowi zamocowanie want, a pomost kształtujemy jako maksymalnie wiotki.

Za ekonomiczne rozpiętości japońscy inżynierowie – a wybudowali oni najwięcej tego typu obiektów – uważają wartości rzędu 100-200 m, jednak ostatnie realizacje przesuwają tę wartość do góry, ponieważ wybudowano już obiekty Kiso i Ibi (fot. 2), które mogą się pochwalić rozpiętościami odpowiednio 275 m i 271,5 m, dzięki zastosowaniu rozwiązania hybrydowego, wykorzystującego połączenie stali i betonu. Długość przęseł bocznych można dobierać z zakresu 0,5-0,8 długości przęsła głównego, należy jednak pamiętać o wynikach ostatnich badań pokazujących, że zastosowanie długości większej od 0,6 rozpiętości przęsła głównego spowoduje znaczne ugięcia, które są niekorzystne dla struktury. Zestawienia smukłości wyraźnie pokazują, że mosty extradosed plasują się między konstrukcjami belkowymi i podwieszonymi (rys. 2). Najczęściej stosowaną metodą wznoszenia mostów extradosed jest betonowanie wspornikowe. Polega ono na wykonywaniu konstrukcji nośnej w formie wydłużającego się od podpory wspornika bez udziału rusztowań opartych na gruncie. W typowych realizacjach na wystającym zbrojeniu i deskowaniu co trzy dni betonowany jest odcinek długości 3-6 m. Siły wewnętrzne występujące we wspornikowej fazie pracy dźwigara przenoszone są przez kable extradosed. Ich duży mimośród nad podporami pośrednimi zwiększa efektywność sprężenia i umożliwia realizację mostu o stałej wysokości konstrukcyjnej bez stosowania dodatkowych w stosunku do fazy użytkowania kabli wspornikowych. Stateczność wykonywanej części konstrukcji zapewniona jest przez symetryczne betonowanie wsporników po obu stronach podpory oraz wykonanie dwustronnych podparć montażowych lub tymczasowe kotwienie segmentu startowego w filarze.

Fot. 2 Japoński most Ibi – spektakularny przykład systemu extradosed [6]

Projektując konstrukcje extradosed, należy spełnić dwa warunki, a mianowicie: warunek geometryczny związany z utrzymaniem niwelety jezdni na założonym poziomie oraz warunek statyczny zakładający, że w żadnym z etapów budowy naciąg kabli nie zostanie zwolniony, a siły wewnętrzne w elementach konstrukcji nie przekroczą ich nośności. Tak jak w klasycznych mostach podwieszonych naciągu poszczególnych kabli można poszukiwać, wykorzystując macierz wpływu siły wewnętrznej lub ugięcia przęsła. Procedura postępowania polega na numerycznej analizie pracy konstrukcji, w której wszystkie siły i przemieszczenia podzielone są na dwie kategorie: wielkości nieznane, związane z poszukiwanym naciągiem want oraz wielkości dane, powstające w elementach konstrukcji w wyniku oddziaływań i obciążeń zewnętrznych. Zakładając sprężystą pracę konstrukcji, możemy określić zależność między naciągiem a odpowiedzią konstrukcji na oddziaływanie, któremu ma on przeciwdziałać [7].

Obiekty tego typu posiadają sprężenie cięgnami zewnętrznymi i wewnętrznymi zarówno poprzecznymi, jak i podłużnymi. Powoduje to, że ich analiza statyczna przy projektowaniu jest niezwykle trudna, a przygotowanie rysunków wymaga rozwiązania wielu tzw. kolizji elementów konstrukcyjnych. Kolizje te bardzo często się ujawniają na etapie wykonawstwa, co utrudnia i spowalnia budowę.

Ciekawe rozwiązanie stanowi przeprowadzenie cięgien sprężających przez pylony w postaci tzw. siodła. Jest to najbardziej efektywny sposób kotwienia biernego w pylonie.

Fot. 3 Most extradosed przez Wisłę pod Kwidzynem [5]

Polskie realizacje wybranych mostów extradosed

W 2013 r. oddany został do użytku wyjątkowy obiekt, nie tylko w skali polskiej, ale również europejskiej – most M-4 przez Wisłę w okolicach Kwidzyna (fot. 3), którego projektantami są Adam Nadolny, Mariusz Łucki i Krystian Majocha, działający pod auspicjami Transprojektu Gdańsk. Wyjątkowość tego obiektu polega na tym, że jest to piąty na świecie oraz pierwszy w Europie najdłuższy most typu extradosed (długość całkowita 808, 4 m). Stanowi on przeprawę przez Wisłę w przebiegu drogi krajowej numer 90, która jest połączeniem dróg krajowych numer 55 i 91 (połączenie z autostradą A1). Przeprawa łączy dwie części województwa: Powiśle z Kociewem. Poprzednia droga, przedzielona Wisłą, funkcjonowała dzięki promowi, który mógł być eksploatowany jedynie od wiosny do jesieni, i to przy odpowiednio wysokim poziomie wody. Most trwale łączy oba brzegi i sprzyja rozwojowi tej części Pomorza. Przy rozpiętości głównych przęseł 2 x 204 m oraz długości całkowitej ponad 800 m obiekt jest jednym z największych na świecie. Do czasu wybudowania mostu pod Kwidzynem najdłuższym obiektem tego typu w Europie był (o rozpiętości przęsła 140 m i długości całkowitej 526 m) przedstawiony już wcześniej szwajcarski most Sunniberg.

Przekrój poprzeczny polskiej konstrukcji to cienkościenna skrzynka z betonu sprężonego wysokiej wytrzymałości. Główne wymiary elementów przekroju poprzecznego oraz spadki są stałe na całej długości obiektu. Wysokość konstrukcyjna mostu wynosi 3500 mm. Pionowe środniki skrzynki mają grubość 450 mm w przęśle i 650 mm w przekrojach przypodporowych. Strefa pogrubienia środnika pokrywa się z przerwami technologicznymi kolejnych sekcji betonowania i sprężania konstrukcji. Grubość pokładu dolnego wynosi 250 mm. Odcinki końcowe płyty górnej pogrubiono na szerokości równej grubości poprzecznicy do 600 mm. Wsporniki o wysięgu 5050 mm i grubości 250 mm zostały zwieńczone betonową belką o przekroju 800 x 900 mm i dodatkowo podparte płytą grubości 150 mm. Szerokość skrzynki dołem wynosi 6100 mm. Sprężenie podłużne pomostu zrealizowano przy użyciu kabli odmiany 1860 MPa. Kable zapewniające nośność konstrukcji w fazie budowy rozmieszczono w środnikach (kable wewnętrzne iniektowane). Pozostałe kable (na obciążenia użytkowe) to sprężenie zewnętrzne kotwione w pylonie w sposób bierny przez zastosowanie siodła i mające czynne zakotwienia w belkach betonowych na końcach wsporników. Kable sprężenia zewnętrznego składają się ze splotów 150 mm2 ocynkowanych galwanicznie w koszulce HDPE z wypełnieniem żywicą, co daje 100-letnią odporność antykorozyjną. Wysokość pylonów ponad poziom górnej powierzchni przęsła wynosi 17,2 m, mają one przekrój zmienny od 3000 x 2200 mm u podstawy do 3000 x 1800 mm na szczycie. Poprzecznice podporowe w miejscu pylonów zaprojektowano jako monolityczne o grubości 3000 m i szerokości 17,70 m [7].

Fot. 4 Budowa mostu w ciągu S7 w okolicach Ostródy [5]

Obecnie budowany jest nowy wyróżniający się most extradosed w ciągu realizowanej drogi ekspresowej S7. Aby nie zaburzyć wizualnie okolicy (piękna, głęboka polodowcowa rynna, którą płynie Ornowska Struga), na obwodnicy Ostródy powstanie liczący aż 677 m czteroprzęsłowy most właśnie typu extradosed. Będzie on miał najdłuższe przęsła tego typu w Europie – o rozpiętości 206 m. Pylony tego obiektu zaprojektowano na wysokość 30 m. Obiekt w Ostródzie tak jak most w Kwidzynie jest autorstwa Transprojektu Gdańskiego. Obiekt w Kwidzynie ma dwie płaszczyzny podwieszenia, a w Ostródzie będzie miał jedną. Należy dodać, że szerokość obiektu w Ostródzie jest dwukrotnie większa niż w Kwidzynie. Nieznacznie, ale wystarczająco dla odnotowania nowego rekordu w Europie, rozpiętości przęseł środkowych mostu w Ostródzie są większe niż dla mostu w Kwidzynie. Kolejną znaczącą różnicą jest technologia budowy. Obiekt w Kwidzynie był wznoszony za pomocą szalunków przejezdnych, a dla mostu w Ostródzie opracowana jest metoda wspornikowa.

Podsumowanie

Budowa mostów to swoista forma sztuki, do której należy przykładać szczególną uwagę, gdyż obiekty mostowe stają się trwałymi elementami środowiska i towarzyszą nam przez wiele dziesiątków lat. Inżynieria mostowa w ostatnim czasie zdominowana została przez rozwój techniki i czynniki ekonomiczne, mosty stały się odzwierciedleniem rozwoju cywilizacyjnego społeczeństwa. Termin „estetyczne kształtowanie obiektu” obecnie jest rozumiany bardzo szeroko, nie chodzi tylko o piękno obiektu samo w sobie, ale również o zachowanie podstawowych zasad formy. Most zarówno od strony funkcjonalności, jak i materiałowej oraz konstrukcyjnej powinien być dostosowany do otoczenia, powinien występować z nim w harmonii, a czasem nawet w sposób zamierzony wzbogacać otoczenie. Mosty są, z natury rzeczy, obiektami bardziej oddziaływującymi na odbiorcę niż inne elementy architektury. Są rozpowszechnione i dostępne jako dzieło nawet dla tych, którzy się nie interesują sztuką [4]. Prezentowane konstrukcje extradosed idealnie się wpisują w definicję estetycznego ksztaltowania bryły mostu, połączonego z jego funkcją, zachowaniem proporcji konstrukcyjnych i uzasadnionym rachunkiem ekonomicznym.

dr inż. Beata Stankiewicz

Politechnika Opolska

Piśmiennictwo

1. A. Ajdukiewicz, J. Mames, Konstrukcje z betonu sprężonego, Polski Cement, Kraków 2004.

2. J. Biliszczuk, Mosty podwieszone. Projektowanie i realizacja, Arkady, Warszawa 2005.

3. D. Kisała, Niekonwencjonalne mosty podwieszone i extradosed, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” nr 7/8/2015.

4. K. Śledziewski, Rola zasad estetycznych w procesie projektowania konstrukcji mostowych, „Budownictwo i Architektura” nr 15(1)/2016.

5. www.budimex.pl

6. www.dywidag.com

7. K. Brzostowski, praca dyplomowa (pod kierunkiem B. Stankiewicz), System extradosed na przykładzie polskich realizacji mostowych, Politechnika Opolska, Opole 2014.