Navrhování kotvení protihlukových stěn

ÚVOD

Současným trendem při navrhování a realizaci kotvení protihlukových stěn na silničních a dálničních mostech je použití dodatečně osazovaných lepených kotev. Avšak splnit veškeré technické požadavky návrhu kotvení protihlukové stěny vyplívající z návrhových norem, technických předpisů a požadavků realizačních firem bývá výzva. Záměrem tohoto článku je upozornit na rozpor, který při návrhu kotvení protihlukové stěny způsobuje zahrnutí všech požadavků a předpisů a vyvolat tím diskuzi o jeho řešení.

NORMY A PŘEDPISY PRO NÁVRH KOTVENÍ PROTIHLUKOVÝCH STĚN:

Pro navrhování kotvení protihlukových stěn pomocí dodatečně osazovaných kotev na silničních a dálničních mostech jsou stěžejní níže zmíněné návrhové normy a technické předpisy.

Návrh a posouzení dodatečně osazovaných kotev:

Metodika pro statický návrh a posouzení dodatečně osazovaných kotev je stavena v normě: ČSN EN 1992-4 Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí – Část 4: Navrhování kotvení do betonu

Normového zatížení na protihlukové stěně:

Při stanovení normového návrhového zatížení působícího na kotvení sloupku protihlukové stěny je v první řadě nutné uvažovat s působením klimatického zatížení od větru. Tyto návrhové účinky se stanoví podle normy:

ČSN EN 1991-1-4 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-4: Obecná zatížení – Zatížení větrem Dle geometrie mostní římsy a geometrického uspořádání příslušenství na mostní římse může v některých případech být součástí návrhových účinků v kotvení sloupku protihlukové stěny také zatížení vyvolané zimní údržbou komunikace. Pravidla pro stanovení těchto návrhových účinků definuje norma: ČSN EN 1794-1: Zařízení pro snížení hluku silničního provozu – Neakustické vlastnosti – Část 1:Mechanické vlastnosti a požadavky na stabilitu

Technické předpisy Ředitelství silnic a dálnic ČR:

Významným vstupem do návrhu a posouzení kotvení protihlukové stěny z pohledu stanovení návrhového zatížení je technický předpis ŘSD ČR s označením: TP 114 – Svodidla na pozemních komunikacích (červen 2020) – Kap. 1.4.3 – Protihlukové stěny na mostě. V článku 1.4.3.2 tohoto technického předpisu je vyžadováno, aby kotvení sloupku protihlukové stěny bylo navrženo a posouzeno na plastickou únosnost patního průřezu sloupku protihlukové stěny. Níže je uvedena přesná citace zmíněného článku:

„1.4.3.2 Sloupky protihlukových stěn nemusí odolat nárazu silničních vozidel. Tento náraz však nesmí být příčinou pádu sloupku (nebo jiné části PHS) z mostu. Pro omezení event. pádu sloupků protihlukové stěny z mostu je třeba, aby kotvení takových sloupků bylo navrženo na plastickou únosnost patního průřezu sloupku. Zatížení, které způsobí zplastizování patního průřezu (ohnutí sloupku) je zatížením mimořádným. Tento článek a požadavek je mezi odbornou veřejností velmi diskutovaný. Z pohledu bezpečnosti resp. omezení eventuálního pádu sloupku protihlukové stěny z mostu při mimořádné události na objekty, které most překonává dává tento požadavek smysl. Problematický je však tento požadavek zejména z těchto důvodů:

A) Nejednoznačné určení působiště smykové síly, která způsobí zplastizování patního průřezu sloupku protihlukové stěny.

B) Trendem v mostním stavitelstvím je používání 2-vrstvého silničního souvrství, což při dodržení standardizované výšky obruby římsy 150mm způsobuje návrh subtilnějších mostních říms. Jelikož jsou návrhové účinky, které způsobují zplastizování patního průřezu sloupku protihlukové stěny extrémní, je pak velmi problematické tyto účinky zachytit do subtilní železobetonové mostní římsy.

C) Vlivem nepřesností v betonáží mostních říms velmi často požadují realizační firmy protihlukových stěn možnost podlití pod patní deskou sloupku protihlukové stěny. Výška podlití pak má vliv na případné ohýbání kotev pod vlivem působení smykového zatížení v kotvení. V kombinaci s extrémními účinky způsobující zplastizování patního průřezu je pak kotvy velmi obtížné nadimenzovat.

Do návrhu kotvení protihlukových stěn vstupují také požadavky, které definují povrchovou úpravu ocelových částí protihlukové stěny s ohledem na požadovanou životnost vztaženou ke stupni agresivity prostředí. Konkrétně tento požadavek definuje technický předpis: TP 104 – Zařízení pro snižování hluku na pozemních komunikacích (duben 2024) Ten stanovuje, že ochrana ocelových sloupků a kotevních desek je na celém jejich povrchu (i na úložných plochách) určena podle TKP 19 pro stupeň agresivity prostředí C4 s životností 30 let.

REALITA NÁVRHU KOTVENÍ PROTIHLUKOVÝCH STĚN:

Úkolem této kapitoly je popsat postup návrhu kotvení sloupku protihlukové stěny na mostu ve fázi návrhu a posouzení kotevní tyče a ukázat rozpor mezi požadavky návrhových norem, technických předpisů, požadavků realizačních firem a statickým návrhem a posouzením kotvení sloupku protihlukové stěny.

Návrh kotvení sloupku protihlukové stěny se v principu skládá z 5 na sebe navazujících základních kroků, kterými jsou:

3.1. Volba materiálu nebo povrchové úpravy kotvy

3.2. Zjištění konstrukčních požadavků realizační firmy

3.3. Sestavení správného výpočtového modelu

3.4. Stanovení návrhového zatížení v kotvení

3.5. Statické posouzení dle příslušné normy

V následujících podkapitolách budou jednotlivé kroky podrobněji rozebrány.

Volba materiálu nebo povrchové úpravy kotvy:

V této části návrhu je nutné přihlédnout k požadavku TP 104 – Zařízení pro snižování hluku na pozemních komunikacích (duben 2024), který stanovuje, že ochrana ocelových sloupků a kotevních desek je na celém jejich povrchu (i na úložných plochách) určena podle TKP 19 pro stupeň agresivity prostředí C4 s životností 30 let.

Obr. 1 Stupně korozní agresivity dle ČSN EN ISO 9223

Obr. 2 Korelace mezi stupněm korozní agresivity dle ČSN EN ISO 9223 a Corrosion resistence class dle EN1993-1-4

Nejčastěji používanými typy kotevních tyčí pro kotvení sloupků protihlukové stěny jsou: Kotevní tyče pevnostní třídy 8.8 s povrchovou úpravou žárové pozinkování Kotevní tyče z materiálu Nerezová ocel A4-70

Obr. 3 Předpokládaný úbytek žárového pozinkování vztažený ke stupni korozní agresivity dle ČSN EN ISO 9223

U běžné dostupných kotevních tyčí pevností třídy 8.8 s povrchovou úpravou žárové pozinkování dokáží dodavatelé garantovat tloušťku vrstvy žárového pozinkování v hodnotě 50 μm. Vzhledem k výše uvedené tabulce v Obr.3 předpokládaného úbytku žárového pozinkování vztaženého ke stupni korozní agresivity tedy vyplývá, že ve stupni korozní agresivity C4 lze očekávat životnost povrchové úpravy žárového pozinkování na kotevní tyči v rozmezí minimálně 20 let až maximálně 42 let. V této úvaze však nejsou brány v úvahu možné poškození žárového pozinkování způsobené technologickou nekázní na staveništi apod. Požadavkem TP104 je však zajistit pro stupeň agresivity prostředí C4 životnost min. 30 let. Z toho důvodu, se kotevní tyče pevnostní třídy 8.8 s povrchovou úpravou žárové pozinkování bez jakéhokoliv dalšího opatření mohou jevit jako nevhodné. Vhodnější se tedy jeví použití kotevních tyčí z nerezové oceli A4-70.

Zjištění konstrukčních požadavků realizační firmy:

Jak již bylo zmíněno v úvodu vlivem nepřesností v betonáží mostních říms velmi často požadují realizační firmy protihlukových stěn možnost podlití pod patní deskou sloupku protihlukové stěny. Nejčastěji je vyžadováno podlití v tloušťce 20-30 mm. Výška podlití pak má vliv na případné ohýbání kotev pod vlivem působení smykového zatížení v kotvení. Tuto skutečnost je nutné zahrnout do výpočtového modelu.

Sestavení správného výpočtového modelu:

Pro správný statický návrh a posouzení kotvení sloupku protihlukové stěny je nezbytné sestavení správného statického modelu. Stěžejní je modelace kompletního kotevního detailu se zohledněním geometrie ocelové části kotevního detailu (sloupek, patní deska, výztuhy, svary, kotvy), geometrie základního materiálu (okrajové vzdálenosti, tloušťka konstrukce) a požadované výšky podlití.

Obr. 4 Výpočtový model kotvení sloupku protihlukové stěny namodelovaný v softwaru HILTI PROFIS ENGINEERING

Stanovení návrhového zatížení v kotvení:

Dalším nezbytným krokem je stanovení správného návrhového zatížení v patě sloupku protihlukové stěny. Je třeba stanovit návrhové účinky od klimatického zatížení dle normy ČSN EN 1991-1-4, Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-4: Obecná zatížení – Zatížení větrem a v případě potřeby zahrnout do kombinace zatížení také účinky od zimní údržby komunikace dle ČSN EN 1794-1, Zařízení pro snížení hluku silničního provozu - Neakustické vlastnosti - Část 1: Mechanické vlastnosti a požadavky na stabilitu. Na mostních stavbách Ředitelství silnic a dálnic ČR však ve většině případů bývají rozhodujícími návrhovými účinky síly, které způsobí zplastizování patního průřezu, které je vyžadováno v TP 114 – Svodidla na pozemních komunikacích (červen 2020) – Kap. 1.4.3 – Protihlukové stěny na mostě. Pro výpočty uvedené v následující podkapitole budeme uvažovat, že patní průřez sloupku protihlukové stěny je tvořen ocelovým válcovaným profilem typu HEA160 z oceli S235. Působiště smykové síly, která způsobí zplastizování patního průřezu, je zvoleno ve výšce 1,0m nad úrovní patního průřezu. Z toho vyplývají návrhové účinky zatížení:

VE,d = 57,6 kNm

ME,d = 57,6 kNm

Statické posouzení dle příslušné normy:

Statické posouzení se provede podle příslušné normy pro návrh a posouzení dodatečně osazovaných kotev ČSN EN 1992-4, Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí - Část 4: Navrhování kotvení do betonu. Pod vlivem předpokládaného budoucího podlití pod patní deskou sloupku protihlukové stěny je do posouzení kotevní tyče nutné započítat působení smykové síly na ohybovém rameni dle článku 6.2.2.3 Smyková zatížení působící na rameni a působící přímo z výše zmíněné normy.

Níže spočtené statické posouzení kotevních tyčí odpovídá geometrii kotevního detailu sloupku protihlukové stěny zobrazeném v Obr.4.

Statické posouzení kotevní tyče průměru M24 z materiálu nerezová ocel A4-70:

Obr. 5 Výstřižek z protokolu statického posouzení kotevní tyče M24, nerezová ocel A4-70 z výpočtového softwaru pro kotvení HILTI PROFIS ENGINEERING

Obr. 6 Výstřižek z protokolu statického posouzení kotevní tyče M24, pevnostní třída 8.8 a povrchová úprava žárové pozinkování z výpočtového softwaru pro kotvení HILTI PROFIS ENGINEERING

ZÁVĚR:

Ze statických posouzeních jednotlivých typů kotevních tyčí uvedených v podkapitole 3.5 vyplývá následující: Kotevní tyče průměru M24 z materiálu nerezová ocel A4-70 se jeví jako vhodné s ohledem na minimální požadovanou životnost ocelových částí konstrukce protihlukové stěny definované v TP104 avšak při zahrnutí všech aspektů vstupujících do návrhu a posouzení sloupku protihlukové stěny nesplňují požadavky statického posouzení únosnosti. Použití větších průměrů kotevních tyčí pak dle zkušeností ve většině případů nevede k celkovému vyřešení kotevního detailu. Kotevní tyče průměru M24 pevnostní třídy 8.8 a povrchové úpravě žárové pozinkování se jeví jako méně vhodné s ohledem na minimální požadovanou životnost ocelových částí konstrukce protihlukové stěny definované v TP104. Z pohledu statického posouzení únosnosti kotevní tyče však dosahujeme příznivého výsledku. V praxi se tedy při návrhu kotvení sloupku protihlukové stěny zodpovědný projektant dostává do obtížné situace, hned v úvodu návrhu, při volbě vhodného materiálu či povrchové úpravy kotevní tyče.

LITERATURA:

[1] ČESKÁ AGENTURA PRO STANDARDIZACI. ČSN EN 1992-4, Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí - Část 4: Navrhování kotvení do betonu. Listopad 2021.

[2] ČESKÁ AGENTURA PRO STANDARDIZACI. ČSN EN 1991-1-4, Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-4: Obecná zatížení – Zatížení větrem. Duben 2007.

[3] ČESKÁ AGENTURA PRO STANDARDIZACI. ČSN EN 1794-1, Zařízení pro snížení hluku silničního provozu - Neakustické vlastnosti - Část 1: Mechanické vlastnosti a požadavky na stabilitu. Prosinec 2003.

[4] MINISTERSTVO DOPRAVY. TP 114, SVODIDLA NA POZEMNÍCH KOMUNIKACÍCH KONSOLIDOVANÉ ZNĚNÍ. Červen 2020.

[5] MINISTERSTVO DOPRAVY. TP 104, ZAŘÍZENÍ PRO SNIŽOVÁNÍ HLUKU POZEMNÍCH KOMUNIKACÍ. Duben 2024.

[6] ČESKÁ AGENTURA PRO STANDARDIZACI. ČSN ISO 9223, Koroze kovů a slitin. Korozní agresivita atmosfér. Klasifikace. Červen 1994.

[7] ČESKÁ AGENTURA PRO STANDARDIZACI. ČSN EN 1993-1-4, Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí - Část 1-4: Obecná pravidla - Doplňující pravidla pro korozivzdorné oceli. Leden 2008.