Sanace silničních mostů v SRN - nová metodika a předpis na statické přepočty

V dálkové silniční síti SRN existuje cca 38.000 mostních objektů, z nichž cca 11.000 náleží do podřízené silniční sítě (přemostění krajských, okresních, obecních a městských komunikací). V dálkové spolkové síti tak zůstává cca 27.000 mostů, které byly v převážné většině navrženy jako v zatěžovací třídě (Bauklasse) BK60 a BK60/30 dle staré normy DIN 1072 (3-nápravová vozidla 3x200kN, resp. 3x100 kN). Výstavba těchto mostů ve starších spolkových zemích se uskutečnila v drtivé většině v letech 1960 až 1985. 87% mostů v SRN je ŽB nebo předpjatých, 12% připadá na ocelové a spřažené ocelo-betonové mosty. Stav těchto mostů se v uplynulých letech značně zhoršil.

Předpjaté mosty, které byly zhotoveny před rokem 1980, vykazují již nyní značné závady. Důvodem těchto poškození jsou: neplánovaný, dramatický nárůst těžké kamionové dopravy, vyšší opotřebení, koroze a poškození materiálů mostů jejich mechanickým namáháním a vlivy prostředí. U starších mostů do roku 1979 nebyly kromě toho v návrhu zohledňovány vlivy teploty a obecně byla vkládáno nižší množství výztuže na posouvající sílu a pracovní spáry nebyly posuzovány na únavu. Podle médii „Welt Online“ a "Mot-Bau" je nutné bezodkladně sanovat cca 300 mostů!

Prognóza spolkového ministerstva dopravy, stavebnictví a urbanistiky (BMVBS) proto předpokládá v následujících letech investici 50 miliard euro do sanace silničních mostů v SRN.

Co je smyslem nového předpisu NRR?

Statické přepočty stávajících starších mostů podle současných normových pravidel a předpisů (DIN Fachberichte a DIN EN) ukazují jednoznačné překročení návrhových limitů na mezních stavech únosnosti, použitelnosti a únavy. To je dáno tím, že tato nová pravidla byla vyvinuta výhradně pro novostavby tak, aby s příslušnými návrhovými rezervami zabezpečila jejich požadovanou životnost.

Německý předpis Nachrechungsrichtlinie (vydalo BMVBS; dále v textu označovaný již jen jako NRR) si klade za cíl, s využitím současných stavebních poznatků, realisticky posoudit únosnost a použitelnost stávajících silničních mostů, zejména se zřetelem na jejich aktuální stav a rostoucí intenzitu dopravního zatížení. NRR poskytuje zkušeným mostním návrhářům a inženýrům, prostřednictvím zvláštních pravidel a definic, rozšířené akční rámec a nabízí možnosti vyššího využití rezerv nosné konstrukce a stavebních materiálů, aniž by byla současně ohrožená požadovaná třída spolehlivosti dle DIN EN 1990. Pro zatížení dopravou NRR dále umožňuje navrhnout v případě nutnosti dodatečná dopravní a užitná opatření a omezení. Např. nedostatky objektu na MSP mohou trvale negativně ovlivnit i jeho únosnost (např. vznikají nepřípustné otevřené trhliny), takže je třeba realisticky určit zbytkovou dobu jeho omezeného užívání do doby než budou realizována vhodná sanační opatření.

Předpis Nachrechnungsrichtlinie, vydání květen 2011, byl po úvodní zkušební fázi zaveden do německé stavební praxe slavnostním aktem uspořádaném v Berlíně dne 29.11.2011, podrobnosti viz www.brueckenertuechtigung.de.

Stupně statických přepočtů mostů dle předpisu NRR

U statických přepočtů mostů dle NRR se jedná o odstupňovanou metodiku, u které se způsob výpočtu posudků a případný rozsah monitoringu mostního objektu modifikují v závislosti na požadované bezpečnosti. Tyto modifikace se pak mohou týkat jak návrhových účinků a odolností, tak i početních postupů a průzkumu stavební konstrukce. Pro danou zatížitelnost mostu se tak rozlišují v NRR následující 4 stupně:

  • Stupeň 1 zahrnuje vedení posudků výhradně dle norem DIN Fachberichte 102 až 104, resp. dle Eurokódů DIN EN 1992 až 1994 a 1996. Pro zděné konstrukce DIN 1053-100.

  • Stupeň 2 zohledňuje zvláštní pravidla NRR pro postup vedení posudků obdobně jako u stupně 1.

  • Stupeň 3 zohledňuje výsledky měření na stavebním objektu; zpravidla pro zkušební provozní zatížení deformace kritických míst objektu a přetvoření vybraných konstrukčních dílců. Získané výsledky měření lze použít pro validaci výpočetního modelu konstrukce. Z důvodu zvýšené pracnosti se však stupeň 3 uplatňuje pouze ve výjimečných případech podléhajících předchozímu schválení ředitelství silnic dané spolkové země.

  • Stupeň 4 zahrnuje vědecké metody posouzení únosnosti, jako např. speciální geometrické a materiálově nelineární výpočty. Dostatečná únosnost může být prokázána přímým pravděpodobnostním výpočtem selhání. Stupeň 4 lze kombinovat se stupněm 2 a 3. Použije se opět jen ve výjimečných případech až po dohodě s ředitelství silnic.

RIBfem PONTI® nrr – statické přepočty silničních mostů

Z důvodu zvýšené poptávky rozšířila společnost RIB Software AG, Stuttgart funkční rozsah mostařského softwarového balíku RIBfem PONTI® o požadavky předpisu NRR. Za pomoci tohoto nového funkčního rozšíření lze zjišťovat zbytkovou bezpečnost a zbytkovou dobu užívání mostů v rozsahu stupně 1 a 2 NRR. Četné pilotní projekty již potvrdily efektivní využití RIBfem PONTI® nrr při přepočtech starších mostů. Obsaženy jsou zejména následující funkce:

  • individuální nastavení cílové úrovně zatížitelnosti, dílčích bezpečností na straně vnějších účinků a odolností,

  • posouzení dle DIN-Fb, resp. DIN-EN s přehledným zobrazením stupňů využití ke všem posudkům na mezních stavech únosnosti, použitelnosti a únavy,

  • alternativní vedení posudků dle starší normy DIN 4227 pro všechny posudky únosnosti a pracovních spár II,

  • posudek předvídatelnosti selhání dle příslušného prováděcího pokynu je integrovaný do posudku dle DIN-Fb,

  • výpočet zbytkové bezpečnosti v čase vzniku trhlin,

  • výpočet zbytkové doby užívání z posouzení ekvivalentního únavového poškození,

  • zesílení nosnosti mostů přídavným externím předpětím.

Pro návrhy zvýšení zatížitelnosti mostů jsou navíc k dispozici další možná funkční rozšíření umožňující například monolitickou dobetonávku nebo externí předpětí.

RIBfem PONTI® nrr řeší všechny podstatné posudky, které vyplývají z požadavků předpisu NRR, stupeň 1 a 2 a dalších výše uvedených předpisů a prováděcích pokynů. Konkrétně se jedná o následující funkce a posouzení:

  • definice realistických materiálových parametrů betonu (tab. 11.1.2), měkké výztuže (tab. 11.3.4), předpjaté výztuže (tab. 11.5.6) nebo individuálně s 5%-fraktily z odebraných vzorků,

  • zadání různé cílové úrovně zatížitelnosti LM1, 60/30, 60 a 30/30 pomocí zatěžovacích maker (10.1.2)

  • nastavení pravděpodobnostních dílčích bezpečností na straně vnějších účinku a odolností (12.3),

  • nastavení dodatečných parametrů návrhu, jako např. sklonu Wöhlerovy křivky podle stupně poškození výztuže nebo dolní meze sklonu tlačených diagonál aj.,

  • přehledné zobrazení stupňů využití (4.3.1.3) všech posouzení na MSÚ, MSP a MS únavy s výstupem zbytkové doby užívání vyplývajícího z posouzení ekvivalentního únavového poškození,

  • zohlednění modelu poškození korozí při napětí u ohrožených mostů posudkem mechanické předvídatelnosti selhání (12.8), „princip trhlina před kolapsem“,

  • výpočet zbytkové bezpečnosti v čase vzniku trhlin vztažený na podíl dopravního zatížení, zobrazení výsledku tabelárně a graficky s odkazem na lokální místa bez předvídatelnosti selhání (12.8),

  • návrh na ohyb a smyk (4.2.7) včetně posouzení pracovních spár II (12.7.6) dle DIN 4227-1, resp. novějších předpisů,

  • u návrhu na posouvající sílu se uvažuje s váženým vnitřním ramenem (12.4.3.3), neboť může být vnitřní rameno u normy DIN-Fb, resp. DIN-EN v oblastech nulových bodů ohybového momentu velmi malé, což vede na nerealisticky vysoké množství třmínkové výztuže,

  • posouzení provozní pevnosti s akumulací poškození (12.7.4) a výpočtem zbytkové doby užívání. Jako vnější zatížení se uvažuje modifikovaný model zatížení LM4.


Struktura stáří silničních mostů v SRN

zdroj: J.Naumann - Brücken und Schwerverkehr - Eine Bestandsaufnahme; Straße und Autobahn, 10/2009

Vývoj a prognóza dopravy v SRN
zdroj: Havaresch 2011, Krieger 2008


Koncepce předpisu NRR na statické přepočty mostů

zdroj: Goj 2011


Stupně statických přepočtů mostů podle NRR

zdroj: BMVBS 2011

Fáze korozního poškození mostů

RIBfem PONTI® nrr: stupně využití dle NRR

zdroj: Harrer Ingenieure, Karlsruhe


PONTI® nrr: zbytková bezpečnost dle NRR

zdroj: Harrer Ingenieure, Karlsruhe

Click to see the reference in PDF!
Praktická aplikace inženýrské kanceláře Rolf Müller

Click to see the reference in PDF!

Sanace mostu Gamerschwang, IK Rolf Müller

 

Přejděte na

  objednávku rozšíření RIBfem RTnrr

Které možnosti modelování se v souvislosti s předpisem NRR využívají?

Modelování vnějších účinků

  • RIBfem PONTI® obsahuje veškeré možné zatěžovací modely LM1, 60/30, 60, 30/30, včetně všech dalších běžných silničních zatížení.

  • Veškeré dílčí součinitele bezpečnosti a kombinační součinitele mohou být individuálně upravovány.

Modelování odolností

  • Materiálové charakteristiky využívané pro statické přepočty a související dílčí součinitele spolehlivosti materiálu lze individuálně nastavovat.

  • Veškeré dílčí součinitele bezpečnosti a kombinační součinitele mohou být individuálně upravovány.

Návrhový model železobetonu a předpjatého betonu

  • Všechny posudky probíhají na bázi normy DIN-Fachberichte bez procesu dimenzování, tj. bez navyšování výztuže, pro stupeň 2 navíc za částečně upravených okrajových podmínek. Tyto podmínky mohou být nastaveny opět tak, aniž by probíhalo dimenzování. Alternativně mohou být posudky únosnosti a pracovních spár vedeny dle staré DIN 4227-1. Stávající, skutečné stupně podélného vyztužení se zadávají jako vstup do návrhů.

  • V závěrečné rekapitulaci se zobrazují všechny stupně využití k posudkům na MSÚ, MSP a MS únavy, dále rovněž spočtená zbytková bezpečnost a zbytková doba užívání.

Model poškození

Model poškození a návrhový model jsou ve vzájemné interakci.

  • Posudek ekvivalentního únavového poškození s únavovými zatíženími LM3 dle DIN Fb, resp. DIN-EN představují nejjednodušší způsob posouzení provozní únosnosti. V tomto případě se zbytková doba užívání stanovuje zjednodušeně z vypočteného rozkmitu napětí a příslušné Wöhlerovy křivky reprezentující vznik poškození. Ani v tomto případě neprobíhá dimenzování.

  • Pro přesnější výpočet poškození je zapotřebí vícestupňový posudek provozní únosnosti s využitím kolektivu dopravního zatížení dle zatěžovacího modelu LM4. Tato koncepce vychází z hypotézy akumulace poškození dle Palmgren-Minera, která dává do souvislosti četnost výskytu různých rozkmitů napětí s Wöhlerovou křivkou. Celkové poškození od LM4 je součtem jednotlivých poškození. Z tohoto pak opět vyplývá zbytková doba užívání.

  • U mostů, které byly zhotoveny s předpínací výztuží kritické kategorie „St 145/160“, je nutné vyšetřit jejich schopnost předvídatelnosti selhání předcházejícím vznikem trhlin. U předvídatelnosti starších předpjatých mostů se v zásadě jedná o zbytkovou pevnost vztaženou na dopravní zatížení oproti předvídatelnému selhání. Mosty bez dostatečné předvídatelnosti selhání jsou bezpečnostním rizikem. Zvláště citlivé jsou jednopolové mosty, konstrukce s nízkým počtem předpínacích kabelů a nízkým stupněm vyztužení měkkou výztuží.

Jakým způsobem lze pomocí RIBfem PONTI® navrhovat zvýšení zatížitelnosti mostu?

  • Zvyšování zatížitelnosti mostů nabývá při jejich statickém přepočtu a kategorizaci na významu. Lze očekávat, že zesilování nosných konstrukcí bude u četných objektů nezbytné, aby je totiž bylo vůbec možné klasifikovat s jistou zbytkovou dobou užívání. Vedle běžných sanací betonu a výztuže je stále častěji nutné zvyšování nosnosti konstrukce.

  • Vzrůstající intenzita nákladní silniční dopravy, rostoucí užitné hmotnosti souprav, jejich nápravových zatížení a reálný stav škod na mostních a inženýrských stavbách si vynucují jejich zesilování.

  • Na zvýšení únosnosti a únavové odolnosti starších předpjatých mostů se v jejich podélném směru často využívá zesílení pomocí externího předpětí. Toto konstrukční opatření lze v RIBfem PONTI® modelovat dvoustupňovým předpětím, tj. předpětí 1. stupně zahrnuje všechny předpjaté kabely v čase výstavby, zatímco 2. stupeň předpětí obsahuje nové externí předpínací kabely.

  • Dodatečnou přibetonávkou mostovky lze značně zlepšit tlakovou zónu. Řešení statického návrhu a související problematiku lze výhodně zpracovat pomocí funkční varianty RIBfem PONTI® betonverbund.

Pro které případy se předpis NRR používá?

Přepočet starších předpjatých mostů dle NRR je nutný ve všech případech, kdy byly zjištěny nebo lze předpokládat existující poškození stavebního objektu. Toto se týká zejména mostů z výše zmíněných, kritických období výstavby s následujícími nedostatky:

  • koroze výztuže pod napětím (SpKR),

  • pracovní spáry,

  • svrchní stavby s nízkým obsahem smykové výztuže,

  • velká údolní přemostění před rokem výstavby 1980, u kterých nebyl mj. zohledněn lineární teplotní spád,

  • obecně všechny mosty s klasifikací stavu > 3.0 dle předpisu RI-EBW-PRÜF, tj. kritický stav objektu.

Z důvodu razantně rostoucího, těžkotonážního dopravního zatížení a současně u starších mostů neposuzovaného mezního stavu únavy, vstupuje do popředí zájmu zbytková doba užívání, neboť každý rozkmit napětí představuje příspěvek k dílčímu poškození materiálů.

Za účelem rozhodnutí, zda a v jakém rozsahu jsou možná dodatečná konstrukční a sanační opatření vedoucí ke zvýšení zatížitelnosti a životnosti mostu, či zda je nutná jeho kompletní obnova, je třeba provést jeho posouzení dle NRR; tolik předpis RI-WI-BRÜ vydaný spolkovým ministerstvem BMVBS.

Co je to zbytková doba užívání?

Dimenzování nosné konstrukce běžně probíhá před jeho vlastní výstavbou. Při vyhodnocení zbytkové doby užívání se zjišťuje zbytková únosnost stávající konstrukce v určitém okamžiku až po jejím vzniku. Tento parametr má velký význam, pokud jsou zjištěny dílčí poškození objektu nebo pokud došlo ke změně jeho způsobu užívání. Uvážíme-li, že s rostoucí životností konstrukce obvykle vzrůstá její stupeň poškození, např. korozí, resp. klesá její spolehlivost ß, pak je zbytková doba užívání vždy důležitou informací.

Co je to koroze výztuže pod napětím?

Korozí výztuže pod napětím (SpRK) se rozumí růst trhlin v důležitých konstrukčních prvcích, např. předpínacích kabelech, při současném působení koroze a mechanického tahového namáhání.

Které odborné podklady jsou pro statické přepočty mostů důležité?

Vedle celé řady publikovaných příspěvků na téma NRR je zdrojem nejdůležitějších informací následující literatura:

  • Předpis na statické přepočty stávajících silničních mostů (Nachrechungsrichtlinie), BMVBS, vydání květen 2011.

  • Prováděcí pokyn ke kontrole a posuzování starších mostních objektů, které byly zhotoveny se zpevněnou předpínací výztuží ohroženou korozí při napětí, BMVBS, vydání září 2009.

  • Stochastická analýza výpadku předpínacích kabelů u mostních konstrukcí s předpjatou výztuží citlivou na korozi při napětí, Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Heft 1049, vydání listopad 2010.

  • Prováděcí pokyn k posuzování životnosti předpjaté výztuže starších předpjatých mostů, BAST, vydání 1998.

  • Výzkum návrhu na posouvající sílu předpjatých nosníků s křivočarým vedením předpínacích kabelů, BAST, Heft B 79, vydání srpen 2011.

Další informace

Technický list RIBfem PONTI® nrr (PDF 0,8 MB)

Referenční příklad aplikace (PDF 0,5 MB)


© RIB stavební software s.r.o.

Stav: 25.05.18