S TAV E B N Í K O N S T R U K C E
❚
STRUCTURES
LÁVKA PŘES HARBOR DRIVE V SAN DIEGU, KALIFORNIE, USA ❚ PEDESTRIAN BRIDGE ACROSS THE HARBOR DRIVE IN SAN DIEGO, CALIFORNIA, USA
1
2
Jiří Stráský, Radim Nečas Visutá lávka pro pěší s rozpětím 107,6 m, která byla postavena v centru města, je popsána z hlediska architektonického a konstrukčního řešení i postupu výstavby. Půdorysně zakřivenou konstrukci tvoří samokotvený systém. Mostovku tvoří nesymetrický komůrkový nosník zavěšený podél vnitřního okraje na nosném kabelu o dvou polích. Lávka je navržena na základě velmi podrobné statické a dynamické analýzy, aerodynamický výpočet byl ověřen na modelu ve větrném tunelu. ❚ The suspension pedestrian bridge of span 107.60 m that was built in the city center is described in terms of the architectural and structural solution and a process of the construction. A horizontally curved bridge forms a selfanchored structural system. A deck is formed by a nonsymmetrical box girder that is suspended along its inner edge by a suspension cable of two spans. The bridge was designed on the basis of a very detailed static and dynamic analysis, the aerodynamic stability was verified in a wind tunnel.
V březnu letošního roku byla v San Diegu, v Kalifornii otevřena lávka pro pěší, která převádí pěší dopravu přes příměstskou železnici, tramvajovou dráhu a přes komunikaci Harbor Drive. Lávka spojuje nový Baseballový stadion situovaný směrem ke středu města s garážemi, hotelem Hilton a Kongresovým centrem, které jsou situovány poblíž zátoky oceánu. S ohledem na prominentní polohu požadoval investor, aby konstrukce vytvářela významnou dominantu a aby lávka měla neobvyklé architektonické a konstrukční řešení (obr. 1 a 2). ARCHITEKTONICKÉ A KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ
Pro nalezení optimálního řešení byly vypracovány studie konstrukcí trámových, obloukových, zavěšených a visutých. Investor se rozhodl pro půdorysně zakřivenou konstrukci s mostovkou zavěšenou jen na vnitřním okraji na visutém kabelu o dvou polích. Kabely jsou podporovány skloněným pylonem situovaným v prostoru mezi železnicí a silnicí. Na mostovku po obou stranách navazují schodiště. Pro 14
handicapované jsou navrženy výtahy, jeden v garážích, druhý na parkovišti u stadionu. Mostovku tvoří půdorysně zakřivený betonový nosník o třech polích s rozpětími 13,54 + 107,60 + 21,97 m, který je vetknut do krajních opěr (obr. 3). Poloměr zakřivení v ose chodníku je 176,80 m. Nosník je nad vnitřními podpěrami výškově zalomen. V krajních polích má nosník plný průřez a vytváří schodiště, v hlavním, zavěšeném poli, má nesymetrický komorový průřez (obr. 4 a 5). Komorový nosník výšky 0,914 m a šířky 5,988 m je tvořen komorou s jednostranně vyloženou konzolou. Těžiště nosníku (center of gravity – CG) je tak situováno co nejblíže k jeho vnitřnímu okraji. Nosník z betonu válcové pevnosti 55,2 MPa je po 3,048 m ztužen příčníky, které také podporují vnější konzolu. U podpěr má mostovka proměnnou šířku umožňující napojení konstrukce na výtah a na rampu vedoucí přímo do ga-
BETON • technologie • konstrukce • sanace
❚
4/2011
S TAV E B N Í K O N S T R U K C E
❚
STRUCTURES
3a
3b ❚
Obr. 1 Lávka přes Harbor Drive the Harbor Drive ❚
Obr. 2
Konstrukční řešení
Obr. 3
a) Podélný řez, b) půdorys
Obr. 4
Příčný řez mostovkou
Obr. 5
Mostovka
❚
Fig. 5
Fig. 1
Fig. 2 ❚
❚
Pedestrian Bridge across
Structural arrangement Fig. 3
Fig. 4
a) Elevation, b) plan
Cross section of the deck
Deck
ráží. Mostovka je předepnuta vnitřními kabely (radial internal tendon – IT) vedenými v horní desce. Vnitřní soudržné kabely jsou doplněny vnějším radiálním kabelem (radial external cable – EC) vedeným v madle zábradlí. Kabel, který je tvořen devatenácti 0,6“ lany zainjektovanými v trubce průměru 219 mm, je kotven v ocelových sedlech situovaných nad vnitřními podpěrami. Kabel se zde překrývá s vnitřními kabely předpínajícími krajní schodišťové nosníky (obr. 6 a 7). 39,8 m vysoký pylon z betonu válcové pevnosti 41,4 MPa je skloněn pod úhlem 59,6° (obr. 8). Jeho čočkovitý průřez má konstantní šířku 1,78 m a proměnnou výšku od 4,27 do 1,59 m. Pylon je kotven dvěma vnějšími kabely a je pře-
4
4/2011
depnut vnitřními soudržnými kabely postupně kotvenými a napínanými v pracovních sparách (obr. 9). Jak vnější, tak i vnitřní kabely jsou kotveny v základu pylonu, který je založen na čtyřech vrtaných pilotách průměru 2,13 m a délky 33 m. Piloty jsou doplněny dvanácti zemními kotvami napnutými tak, aby piloty byly od zatížení stálého namáhány rovnoměrným tlakem. Vnitřní podpěry čočkovitého průřezu jsou rámově spojeny s mostovkou. Schodišťové nosníky jsou vetknuty do krajních opěr, které tvoří kotevní bloky visutých a předpínacích kabelů. Vnitřní podpěry i krajní opěry jsou založeny na vrtaných pilotách. Konstrukční řešení visutých a kotvících kabelů vychází z řešení poprvé použitého u lávky přes Vranovskou přehradu a aplikovaného u dalších dvou visutých mostů postavených v univerzitním městě Eugene v Oregonu, USA [1]. S ohledem na malé únavové namáhání lan jsou visuté kabely řešeny podobně jako vnější kabely. Kabely jsou tvořeny předpínacími lany, které jsou – s ohledem na jejich ochranu proti povětrnostním vlivům a vandalům – zainjektovány v ocelových trub-
5
❚
technologie • konstrukce • sanace • BETON
15
S TAV E B N Í K O N S T R U K C E
❚
STRUCTURES
6
7
8a
8b
8c
9a
9b
9c
10
kách. Visuté kabely jsou tvořeny padesáti pěti 0,6“ lany, kotvící kabely jsou tvořeny devadesáti jedna lany. Závěsy jsou pak připevněny k trubkám a ne k lanům. To ovlivňuje statické působení visutých kabelů, které je podrobně rozebráno v [1]. Do zainjektování lan jsou ochranné trubky namáhány tlakem, po zainjektování lan působí lana a ochranné trubky jako jeden konstrukční prvek. Visuté kabely jsou kotveny v hlavě pylonu a v krajních opěrách; nad vnitřními opěrami jsou kabely ohnuty v ocelových sedlech. V hlavě pylonu jsou visuté kabely spolu s kotvícími kabely pylonu kotveny v ocelovém přípravku (obr. 10), který byl po dokončení montáže obetonován (obr. 11). 16
Závěsy z uzavřených lan typu Bridon (obr. 12) jsou kotveny v horní části sloupků zábradlí, které také podporují vnější radiální kabel (radial external tendon). Sloupky zábradlí mají významnou statickou funkci. Přenáší síly ze závěsů a z radiálního kabelu do mostovky svojí tahovou a ohybovou únosností. Sloupky jsou přikotveny do mostovky předpínacími tyčemi. Výplň zábradlí tvoří ocelová síť. Stejně je vytvořena výplň ochrany proti dotyku trolejí, jen hustota sítě je však větší. Všechny ocelové prvky jsou z nerezavějící oceli. Chodník je osvětlen svítidly situovanými u obou obrubníků (obr. 13), vlastní konstrukce je ze spodu osvětlena svítidly u římsy konzol a ve spodní desce komorového nosníku u vnitřních podpěr (obr. 14). S TAT I C K Á A D Y N A M I C K Á A N A LÝ Z A
Počáteční stav (geometrie konstrukce a velikost sil ve visutém a radiálním kabelu a poloha a velikost předpětí ve vnitřních kabelech krajních polí) byl navržen tak, aby konstrukce byla pro zatížení stálé jen rovnoměrně tlačena [1]. Konstruk-
BETON • technologie • konstrukce • sanace
❚
4/2011
S TAV E B N Í K O N S T R U K C E
❚
STRUCTURES
11 Obr. 6
Ocelové sedlo
❚
Fig. 6
Steel saddle
Obr. 7
Ocelové sedlo
❚
Fig. 7
Steel saddle
Obr. 8 Pylon: a) podélný pohled, b) příčné řezy, c) příčný pohled Fig. 8 Pylon: a) longitudinal elevation, b) cross sections, c) transverse elevation
❚
Obr. 9 Předpětí pylonu: a) podélný řez, b) příčný řez, c) detail kotvení kabelu ❚ Fig. 9 Pylon’s prestressing: a) longitudinal section, b) cross section, c) detail of the tendon’ anchoring Obr. 10 Kotvení visutého a kotvících kabelů of the suspension and back stay cables
❚
Fig. 10
Anchoring
Obr. 11 Kotvení visutého a kotvících kabelů of the suspension and back stay cables
❚
Fig. 11
Anchoring
Obr. 12 Visutý kabel, závěsy a radiální kabel cable, suspenders and radial cable
❚
Fig. 12
Suspension
Obr. 13
Osvětlení chodníku
❚
Fig. 13
Lighting of the passway
Obr. 14
Osvětlení mostovky
❚
Fig. 14
Lighting of the deck
13
14
ce je pak v čase tvarově stálá a přerozdělení vnitřních sil vlivem dotvarování a smršťování rovnoměrně tlačeného betonu je poměrně malé a lze ho eliminovat nadvýšením [2]. Na obr. 15 je uvedeno působení sil v příčném řezu mostovky. Z obrázku je zřejmé, že tíha mostovky mezi dvěma závěsy je přenášena svislou složkou síly závěsu. Moment od této dvojice svislých sil je vyrovnán součtem momentů vodorovných sil působících ke středu smyku průřezu (Shear Center SC). Tyto momenty jsou vyvolány vodorovnou složkou síly v závěsu, vnějším radiálním kabelem a vnitřními radiálními kabely. Podobně lze vyrovnat zatížení působící na celé konstrukci a to jak ve svislém, tak i vodorovném směru. Z obr. 16a je 4/2011
12
❚
zřejmé, že svislé složky závěsů a svislé složky radiálních sil ohýbaných kabelů krajních polí vyrovnávají tíhu mostovky. Také vodorovné složky sil závěsů a vodorovné radiální síly od vnějších a vnitřních radiálních kabelů spolu s jejich kotvícími silami vytváří rovnovážný stav, v jehož důsledku je konstrukce namáhána rovnoměrným tlakem (obr. 16b). Při návrhu koncepčního řešení byla konstrukce analyzována programovým systémem ANSYS, který byl dále využit při kontrole projektu. V prováděcím projektu byla konstrukce analyzována programovým systémem LARSA a kontrolována programem RM2004. Konstrukce byla analyzována jako 3D rámová konstrukce
technologie • konstrukce • sanace • BETON
17
S TAV E B N Í K O N S T R U K C E
❚
STRUCTURES 16b
16b
15
17a
(obr. 17a). Pro mostovku byl využit prvek Beam44, který je schopen vystihnout skutečnost, že těžiště průřezu není totožné se středem smyku. Kabely byly modelovány prutovým prvkem Link8. Konstrukce byla analyzována jako geometricky nelineární konstrukce uvažující velké deformace a tahové zpevnění (tension stiffening). Prostorové působení nesymetrického průřezu a správnost zvoleného modelu mostovky byly ověřeny na prostorovém modelu, ve kterém byla mostovka sestavena z prostorových prvků (obr. 17b). Statické působení hlavice pylonu a sedla byly ověřeny na výsecích konstrukcí, u kterých byla betonová část modelována prostorovými prvky a ocelové části deskostěnovými prvky. Počáteční stav napjatosti byl určen v několika iteracích tak, aby deformace konstrukce byly menší než 45 mm (obr. 17a). Po určení výchozího stavu byla konstrukce analyzována pro všechna normová zatížení. Dále byly určeny vlastní tvary a frekvence (obr. 18). Důležitá byla analýza konstrukce pro seismické zatížení, zatížení větrem a pohody uživatelů. Konstrukce byla posouzena pro spektrum odezvy s maximálním zrychlením 0,7 g. Aerodynamická stabilita konstrukce byla ověřena Prof. Mirošem Pirnerem z Akademie věd ve větrném tunelu (obr. 19). Zkoušky modelu postaveného v měřítku 1 : 70 prokázaly, že konstrukce je aerodynamicky stabilní v celém zkoušeném rozsahu rychlosti větru od 24 do 150 km/h. Pohoda uživatelů byla posouzena postupem popsaným v [3]. Protože první ohybové frekvence f(0) = f(2) = 0,955 Hz a f(5) = 2,039 Hz jsou blízko frekvenci lidských kroků, byla konstrukce posouzena pro vybuzené kmitání. Maximální zrychlení max a = 0,059 m/s2 je menší než přípustné a lim = 0,489 m/s2. Konstrukce je velmi tuhá, a proto uživatelé pohybující se, anebo stojící na lávce nemají nepříjemný pocit od pohybu konstrukce vyvolaného pohybem jiných chodců. 18
17b
18
P O S T U P S TAV B Y
Po provedení pilot, kotev, opěr a podpěr byla na pevné skruži vybetonována krajní pole. Dále byl postupně letmo betonován a předpínán pylon (obr. 20a, 21). Protože geometrie konstrukce a velikost sil v kabelech jsou navrženy tak, aby vyrovnávaly účinky tíhy konstrukce, bylo nezbytné znát přesně její hodnotu. Proto byl před zahájením prací vybetonován jeden segment mostovky délky 3,048 m. Segment byl ztužen příčníkem, měl veškerou projektovanou výztuž a při betonáži byl použit projektovaný beton. Ukázalo se, že tíha prvku je poněkud větší, než předpokládal projekt, a proto bylo nutno upravit velikost sil v kabelech. Mostovka hlavního pole byla také betonována na pevné skruži (obr. 20b). Protože při předpínání a zavěšování se mostovka příčně deformovala, byly mezi bednění a skruž vloženy teflonové pásy. Tímto uspořádáním se podstatně snížily třecí síly, které by namáhaly skruž velkými vodorovnými silami. Po předepnutí mostovky vnitřními soudržnými kabely byly osazeny sloupky zábradlí a trubky radiálních kabelů. Ná-
BETON • technologie • konstrukce • sanace
❚
4/2011
S TAV E B N Í K O N S T R U K C E
❚
STRUCTURES
20a
20b
20c
Literatura: [1] Strasky J.: Stress Ribbon and Cable-Supported Pedestrian Bridges, ISBN: 0 7277 3282 X, Thomas Telford Publishing, London 2005, 2nd edition 2011 [2] Tognoli J., Daniel Fitzwilliam D., Kompfner T. A., Stráský J.: Design of a Curved, Self-Anchored Suspension Bridge for the New San Diego Ballpark, Inter. Bridge Conf., Pittsburgh 2007 [3] Stráský J., Nečas R., Koláček J.: Dynamická odezva betonových lávek, Beton TKS 4/2009, ISSN: 1213-3116 19 Obr. 15 Rovnováha sil a momentů v příčném řezu ❚ Fig. 15 Balancing of the forces and moments in the cross section Obr. 16 Rovnováha sil v konstrukci: a) svislý směr, b) vodorovný směr ❚ Fig. 16 Balancing of the forces in the structure: a) vertical direction, b) horizontal direction Obr. 17 Výpočtový model: a) konstrukce, b) mostovka ❚ Fig. 17 Calculation model: a) structure, b) deck Obr. 18 První ohybový vlastní tvar a frekvence bending natural mode and frequency Obr. 19
Aeroelastický model
Obr. 20
Postup stavby
❚
❚
Fig. 19
Fig. 20
Obr. 21 Letmá betonáž pylonu of the pylon
❚
❚
Fig. 18
First
Aeroelastic model
Construction sequences Fig. 21
Obr. 22 Montáž visutých kabelů a závěsů of the suspension cables and suspenders
Cantilever construction ❚
Fig. 22
Erection
21
sledovala montáž kotvících a visutých kabelů (obr. 20c, 22). Pro montáž kotvících a visutých kabelů byla nejdříve osazena montážní lana, na která byly zavěšeny trubky. Potom byla protažena a částečně napnuta předpínací lana radiálních, kotvících a visutých kabelů. Následovala montáž závěsů, u kterých byla předem určena jejich nenapnutá délka. Po jejich osazení byly postupně napnuty radiální, kotvící a visuté kabely. Napínání proběhlo ve třech krocích tak, aby namáhání všech konstrukčních prvků bylo v přijatelných mezích. Napnutím kabelů se konstrukce sama odskružila. Následovala injektáž kabelů a dokončovací práce. Díky podrobné analýze, která určila nadvýšení konstrukce nejen ve svislém, ale také ve vodorovném směru, a díky pečlivému vytyčení konstrukce má konstrukce požadovaný tvar a její chování je v souladu s předpoklady projektu. 4/2011
❚
22
technologie • konstrukce • sanace • BETON
19
S TAV E B N Í K O N S T R U K C E
❚
STRUCTURES
Z ÁV Ě R
Lávka byla příznivě přijata jak technickou, tak i laickou veřejností. Investor Projektant Koncept řešení a kontrola projektu Statická a dynamická analýza Construction Engineering Zkouška modelu konstrukce ve větrném tunelu
San Diego Redevelopment Agency T. Y. Lin International, San Diego, California ‘Professional Partnership STRASKY + ANATECH’ tvořené firmami Jiri Strasky, Consulting Engineer, Greenbrae, California a ANATECH, San Diego, California Ing. Radim Nečas, Ph.D. Charles Redfield, Consulting Engineer, Mill Valley, California, ve spolupráci s Ing. Adam Zmůda a Ing. Jaroslav Baron Prof. Ing. Miroš Pirner, DrSc.
V projektu mostu byly využity výsledky řešení projektu Ministerstva průmyslu a obchodu „Impuls“ FI – IM5/128 Progresivní konstrukce z vysokohodnotného betonu a projektu 1M0579 MŠMT. Příspěvek byl vypracován v rámci výzkumného záměru MSM 0021630519 „Progresivní spolehlivé a trvanlivé nosné stavební konstrukce“. Prof. Ing. Jiří Stráský, DSc. e-mail:
[email protected] Ing. Radim Nečas, Ph.D. e-mail:
[email protected] oba: Fakulta stavební VUT v Brně Veveří 95, 662 37 Brno tel.: 541 147 845
23 Obr. 23
Dokončená konstrukce
❚
Fig. 23
Completed structure
Obr. 24
Dokončená konstrukce
❚
Fig. 24
Completed structure
24
20
BETON • technologie • konstrukce • sanace
❚
4/2011
