VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ
Doc. Ing. MARCELA KARMAZÍNOVÁ, CSc.
KOVOVÉ MOSTY I MODUL M05 PŘÍHRADOVÉ TRÁMOVÉ MOSTY, MOSTNÍ VYBAVENÍ
STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
© Doc. Ing. Marcela Karmazínová, CSc., 2006
2
Příhradové trámové mosty
OBSAH 1.
2
ÚVOD .........................................................................................................5 1.1
Cíle ......................................................................................................5
1.2
Požadované znalosti ............................................................................5
1.3
Doba potřebná ke studiu......................................................................5
1.4
Klíčová slova.......................................................................................5
Mosty trámové – obecné poznámky............................................................7 2.1
Základní typy, výhody a nevýhody trámových mostů ....................7
2.2 Základní zásady navrhování ocelových a ocelobetonových trámových mostů .........................................................................................8 2.2.1 mostů
Základní parametry ocelových a ocelobetonových trámových 8
3 Příhradové trámové mosty – trámové mosty s příhradovými hlavními nosníky ................................................................................................................9 3.1
Použití příhradových hlavních nosníků...........................................9
3.2
Typy soustav příhradových hlavních nosníků...............................10
3.3
Pruty příhradových nosníků ..........................................................19
3.4
Styčníky příhradových hlavních nosníků......................................26
3.5
Konstrukční detaily příhradových hlavních nosníků ....................40
3.6 Stabilita tlačených pásů otevřeně uspořádaných mostů s mostovkou v poloze dolní.......................................................................48 3.7
Průhyb příhradových hlavních nosníků.........................................54
4
Mostní vybavení…………………………………………………………55
5
Závěr..........................................................................................................61 5.1
6
Shrnutí ...............................................................................................61
Studijní prameny .......................................................................................61 6.1
Použitá literatura ...............................................................................61
6.2
Doplňková studijní literatura.............................................................61
6.3
Odkazy na další studijní zdroje a prameny .......................................61
- 3 (64) -
Příhradové trámové mosty
1.
ÚVOD
1.1 Cíle Tento modul je zaměřen zejména na problematiku ocelových trámových mostů s příhradovými hlavními nosníky. Po prostudování modulu by měli studenti získat základní znalosti o systémech příhradových nosníků a o základních principech jejich konstrukčního a statického řešení, ale též se specifiky, která návrh příhradových nosníků přináší, s jejich výhodami a nevýhodami. Cílem je tedy seznámit studenty s šíří problematiky se zaměřením na základní zásady návrhu a konstruování příhradových hlavních nosníků a s důrazem na některé zvláštnosti, které jejich použití přináší. Závěrečná část modulu je využita pro výklad k problematice mostního vybavení obecně, tzn. v souvislosti se všemi typy ocelových mostních konstrukcí.
1.2 Požadované znalosti Ke zvládnutí a pochopení následujícího učiva není třeba žádných speciálních znalostí, ovšem určitě se vyplatí, jestliže jste ihned po zkoušce nezapomněli vše ze základů stavební mechaniky. Zřejmě není k zahození, orientujete-li se aspoň zhruba v základech pružnosti a pevnosti, která probíhá současně s tímto kursem, a zcela jistě se neobejdete bez poznatků o typických vlastnostech běžných stavebních materiálů, které jste mohli v obšírnější a zevrubnější podobě získat v kursu stavebních látek, anebo jednodušeji sice v redukovaném, ale pro tyto účely naprosto postačujícím rozsahu, v kapitole „Materiály“ tohoto studijního textu.
1.3 Doba potřebná ke studiu Je velmi individuální a závisí zejména na intenzívnosti studia a soustředěnosti čtenáře na obsah textu. Podle toho může dosahovat až 8 hodin, příp. i více (cca 10 hod.).
1.4 Klíčová slova Trámové mosty, ocelové mosty, ocelobetonové mosty, příhradové nosníky, soustavy kosoúhlé, rombické, polopříčkové, mostovky prvkové, mostovky deskové, styčníky příhradových konstrukcí, vruby, bezvrubové detaily; ložiska, mostní závěry, odvodnění, revizní zařízení.
- 5 (64) -
Příhradové trámové mosty
2
Mosty trámové – obecné poznámky
2.1 Základní typy, výhody a nevýhody trámových mostů Mosty trámové se používají jak při stavbě betonových mostů, tak při návrhu mostů ocelových i ocelobetonových, ale též pro mosty dřevěné.
2.1.1 Ocelové a ocelobetonové trámové mosty U trámových mostů ocelových, příp. ocelobetonových tvoří hlavní nosnou konstrukci ocelové trámy – tzv. hlavní nosníky, které přenášejí zatížení z mostovky prostřednictvím ložisek do spodní stavby. Hlavní nosníky mohou být plnostěnné nebo příhradové, staticky mohou působit v zásadě jako prosté nosníky, příp. jako nosníky spojité. Mostovka ocelových mostů je ocelová (prvková, desková – viz Modul M02), u ocelobetonových mostů tvoří mostovku betonová deska (často spřažená s ocelovými hlavními nosníky – viz Modul M02, M04).
Obr. 2.1 Typy ocelových a ocelobetonových trámových mostů: a) trámové mosty otevřeného průřezu, b) trámové mosty uzavřeného průřezu Plnostěnné hlavní nosníky (obr. 2.1) mohou být v příčném směru řešeny jako otevřené (obr. 2.1a) nebo uzavřené – komorové nosníky (obr. 2.1b). Příhradové hlavní nosníky se v průběhu času vyvíjely od složitějších tvarů k jednodušším (obr. 2.2a), postupně od mnohonásobně staticky neurčitých soustav přes systémy několikrát staticky neurčité až po soustavy staticky určité. V současné době se dává přednost jednodušším systémům (staticky určitým nebo s nízkým stupněm statické neurčitosti), a to s přímými pásy – nosníky přímopásové (obr. 2.2b), příp. se zakřiveným horním nebo dolním pásem – nosníky křivopásové (obr. 2.2c).
- 7 (64) -
přímopásové
křivopásové
Obr. 2.2 Tvary příhradových hlavních nosníků: a) přímopásové, b) křivopásové
2.2 Základní zásady navrhování ocelových a ocelobetonových trámových mostů 2.2.1 Základní parametry ocelových a ocelobetonových trámových mostů V závislosti na rozpětí se volí vhodný materiál a výška hlavního nosníku. Ocelové a ocelobetonové trámové mosty: plnostěnné hlavní nosníky otevřeného průřezu - prosté nosníky – ekonomické rozpětí L do 30 až 40 m výška hlavního nosníku
h = 1/10 až 1/12 L pro železniční mosty h = 1/15 až 1/20 L pro silniční mosty
- spojité nosníky – vhodné pro rozpětí pole L do 50 m, v některých případech efektivní až do 150 m výška hlavního nosníku
h = 1/14 až 1/18 L pro železniční mosty h = 1/20 až 1/40 L pro silniční mosty
plnostěnné hlavní nosníky uzavřeného průřezu vhodné pro rozpětí L až do 150 m příhradové hlavní nosníky - prosté nosníky – ekonomické pro rozpětí L větší než 40 m výška hlavního nosníku
1/7 až 1/10 L pro přímopásové nosníky 1/5,5 až 1/8 L pro křivopásové nosníky
- spojité nosníky – nejčastěji o 3 polích, rozpětí středního pole L běžně 100 až 200 m, největší mosty dosahují až 500 m výška hlavního nosníku
1/9 až 1/15 L pro přímopásové nosníky 1/12 až 1/18 L pro křivopásové nosníky
8
3
Příhradové trámové mosty – trámové mosty s příhradovými hlavními nosníky
3.1 Použití příhradových hlavních nosníků Příhradové nosníky jsou obecně lehčí než nosníky plnostěnné, protože u výplňových (mezipásmových) prutů lze plně využít pevnosti materiálu, na rozdíl od stěn (např. stojiny, široké pásy) plnostěnných nosníků, kde se nepříznivě projevuje vliv boulení a smykového ochabnutí. Na druhou stranu, příhradové nosníky sestávají z většího počtu menších částí, které si vyžadují vzájemné spojení, a proto je jejich výroba pracnější, a tedy i dražší. Přitom při menším rozpětí je vliv pracnosti vyšší, a proto se použití příhradových nosníků uplatní hlavně až při větším rozpětí polí. Příhradové hlavní nosníky se obvykle uplatňují více u železničních mostů, kde jsou ekonomické až od rozpětí cca kolem 40 m. U mostů pozemních komunikací se příhradové nosníky neuplatňují tak často, zejména proto, že při jejich výšce nemá význam navrhovat více hlavních příhradových nosníků, ale zpravidla dva, což při velkých šířkách silničních mostů vede na příliš velké dimenze příčných mostovkových prvků (příčných výztuh deskových mostovek, příp. příčníků prvkových mostovek); také průniky hlavních příhradových nosníků s mostovkou jsou často velmi těžko konstrukčně řešitelné, hlavně s ohledem na nutnost ochrany proti korozi při složitých konstrukčních úpravách. Pokud se uplatní, je jejich použití vhodné až při větších rozpětích, protože u silničních mostů je nahodilé zatížení podstatně menší a přípustné průhyby naopak zase větší než u železničních mostů; proto lze navrhovat plnostěnné konstrukce, které mají přijatelnou výšku, i pro poměrně velká rozpětí. Ekonomiku ocelových mostů významně ovlivňují také podmínky a způsob montáže, která je většinou snadnější u plnostěnných konstrukcí; avšak příhradové konstrukce lze zase montovat po jednotlivých poměrně lehkých částech (např. prutech), bývá v obtížných podmínkách snazší jak montáž, tak také doprava na staveniště. Z estetického hlediska jsou příhradové trámové mosty vhodné spíše pro plochá rovinatá území, kde je lze vhodněji začlenit do okolní krajiny; působí příznivě zejména tehdy, mají-li za sebou rozsáhlejší ne příliš členitý terén (např. vodní plochu), proti členitému terénu, zástavbě, lesnímu porostu apod. působí roztříštěným a neuspořádaným dojmem. Aby tedy příhradová konstrukce působila staticky, vyžaduje především dostatek prostoru a světla. Jak již bylo řečeno výše, příhradové konstrukce se uplatňují zejména u železničních mostů, a to hlavně s mostovkou v poloze dolní, u mostů pozemních komunikací je jejich uplatnění omezené. Kromě statických a konstrukčních důvodů, které jsou zmíněny výše v tomto odstavci, je příhradová konstrukce u silničních mostů zejména s dolní mostovkou nevhodná také proto, že příhradové nosníky viditelné z vozovky nepříznivě ovlivňují bezpečnost provozu a plynulost dopravy, protože působí rušivě v zorném poli řidičů. U mostů s horní mostovkou sice tyto nevýhody nenastávají, avšak horní mostovka vyžaduje dostatečnou stavební výšku, která je však zřídka k dispozici. U železničních mostů naproti tomu nejsou žádné zásadní výhrady proti použití příhradových nosníků, a to jak s mostovkou v poloze dolní, tak s mostovkou
9
v poloze horní. U silničních mostů navrhujeme příhradové hlavní nosníky raději až při větších rozpětích, pokud ovšem nedáme přednost jinému řešení, např. obloukovým nebo zavěšeným konstrukcím. U mostu s několika poli lze příhradové hlavní nosníky navrhnout v několika možných variantách: - řada prostých příhradových nosníků (staticky určitý systém); - spojitý příhradový nosník bez kloubů (staticky neurčitý systém); - spojitý příhradový nosník s klouby (staticky určitý systém). Uvedené varianty řešení mají obdobné výhody a nevýhody jako podobné konstrukce plnostěnné, a proto bývá obvykle nejefektivnější, a to jak z hlediska statického, tak z hlediska konstrukčního řešení, varianta druhá, tzn. staticky neurčité spojité příhradové nosníky bez kloubů, které vychází příznivě jak staticky, tak z konstrukčních důvodů, protože nejsou přerušeny a není nutné řešit detaily kloubů. V důsledku spojitosti lze dosáhnout určité úspory materiálu ve srovnání s prostými či kloubovými nosníky, avšak tato úspora není nijak zvlášť významná; činí obvykle kolem 10 až 20 % v porovnání se spotřebou oceli u řady prostých nosníků. Pomineme-li spojitost, která spotřebu materiálu ovlivňuje příznivě, mají některé další faktory na spotřebu oceli u spojitých nosníků naopak nepříznivý vliv; jedná se zejména o namáhání na únavu, které je u příhradových spojitých nosníků nepříznivější než u prostých, protože změny napětí (a tedy i rozkmity napětí) vyvolané různou polohou pohyblivého zatížení jsou větší než u prostých nosníků; dalším vlivem, který částečně snižuje příznivý vliv spojitosti, je také postup montáže (vhodná volba), který může způsobit, že některé pruty musí být nadimenzovány silněji než by to vyžadovalo namáhání při provozu. Spojité nosníky jsou také velmi citlivé na nestejnoměrné sedání opěr a pilířů; tento vliv však není u příhradových nosníků, které mají zpravidla poměrně velká rozpětí, obvykle tak zásadní, protože namáhání (napětí) způsobené nestejnoměrným popuštěním podpěr je přibližně nepřímo úměrné rozpětí; kromě toho není příliš komplikované ložiska mostu výškově rektifikovat. Je však třeba zdůraznit, že pro špatné základové půdy není spojitá příhradová konstrukce vhodná, mnohem vhodnější jsou prosté nosníky nebo nosníky s klouby. Např. spojité nosníky s klouby s velmi dobře montují letmo a při vhodném poměru rozpětí polí jsou vhodnější než řada prostých nosníků; kromě toho vychází nižší i cena spodní stavby, protože pilíře lze navrhnout poměrně úzké; největší problém pak vzniká s konstrukčním řešením kloubů a systémem zavětrování, které bývají u kloubových konstrukcí složitější.
3.2 Typy soustav příhradových hlavních nosníků Příhradové ocelové mosty patří z hlediska historického vývoje k poměrně starým typům ocelových konstrukcí, protože se začaly stavět již kolem poloviny 19. století a jejich použití a uplatnění je významné dodnes. Pro vývoj v průběhu uplynulé doby je charakteristické především postupné zjednodušování systémů příhradových hlavních nosníků. Prvními typy soustav příhradových hlavních nosníků ocelových mostů byly tzv. mřížových nosníků (viz obr. 3.1a), s hustou sítí mezipásových prutů, vnitřně mnohokrát staticky ne-určitých, které se postupně vyvinuly přes soustavy jednodušší, dvakrát nebo
10
třikrát staticky neurčité (viz obr. 3.1b), až k soustavám staticky určitým, s malým počtem mezipásmových prutů (viz obr. 3.1c).
Obr. 3.1 Vývoj soustav příhradových hlavních nosníků ocelových mostů: a), b) mřížové nosníky, c) staticky určitá soustava kosoúhlá s podružnými svislicemi Pro mosty malých a středních rozpětí (přibližně do 80 m) s mostovkou v poloze dolní jsou nejčastější a také nejvhodnější nosníky kosoúhlých soustav s přímými rovnoběžnými pásy a s podružnými svislicemi (viz obr. 3.1c a dále obr. 3.2a, 3.2b, 3.2c). Ze statického hlediska by svislice v těchto soustavách mohly být vynechány, mají však důležitou funkci, protože umožní zkrátit rozpětí podélníků na polovinu, usnadní připojení příčníků k hlavním nosníkům, zmenší vzpěrnou délku tlačených prutů horního pásu a u otevřeně uspořádaných mostů s dolní mostovkou pomáhají při zajištění stability tlačených pásů a při zajištění tuhosti příčného řezu. U mostů s mostovkou v poloze horní lze použít podobnou soustavu jako na obr. 3.1c, ale v krajních příhradách doplněnou o svislice (viz obr. 3.2); varianta se vzestupnou krajní diagonálou (viz obr. 3.2a) je vhodnější než varianta na se sestupnou krajní diagonálou (viz obr. 3.2b), protože v tomto případě jsou krajní (podporové) svislice více namáhány a mají tak i větší dimenze. U mostů s horní mostovkou s prostými hlavními nosníky lze tzv. „závěsné“ svislice (vynechat (viz obr. 3.2c), neboť nejsou prakticky namáhány, protože nejsou přímo zatíženy. To by bylo možno provést i u mostů s dolní mostovkou u svislic, které nejsou přímo namáhány (jdoucích samostatně od horních pásů – např. viz obr. 3.1c), avšak zde to zpravidla není vhodné, protože svislice plní jednu ze zásadních funkcí při zajištění stability tlačených pásů (viz odst. výše). Kosoúhlá soustava bez podružných svislic (viz obr. 3.2d, 3.2e) je ze všech soustav nejjednodušší, protože má nejméně prutů a styčníků; z těchto důvodů je považována za esteticky velmi příznivou, protože působí klidně a nerušivě a také je nejméně náročná na pracnost; kromě toho vykazuje nejmenší podružná napětí, protože tuhost styčníků, která velikost napětí významně ovlivňuje, je v tomto případě menší než u soustav se svislicemi; avšak na druhou stranu, je v tomto případě větší rozpětí podélníků a z toho vyplývá i větší hmotnost mostovky; také vzpěrná délka pásových prutů je větší, což vyplývá z uspořádání celé soustavy a z úhlů diagonál s pásovými pruty; se vzrůstajícím rozpětím mostů se tyto nevýhody stávají významnějšími. U otevřených mostů s dolní mostovkou zajišťuje stabilitu tlačených pásů proti vybočení z roviny nosníku příčné polorámy tvořené v tomto případě příčníky a diagonálami hlavních nosníků (nikoliv svislicemi, jak je tomu u svislicových soustav); tuhé připojení příčníku k diagonále je však konstrukčně mnohem náročnější než tuhé připojení příčníku ke svislici, a proto je kosoúhlá soustava bez podružných svislic u mostu s dolní mostovkou vhodná spíše pro mosty s uzavřeným příčným řezem, tzn. s horním podélným ztužením.
11
Obr. 3.2 Příhradové nosníky kosoúhlých soustav: a), b), c) soustavy s podružnými svislicemi – horní mostovka, d) soustava bez podružných svislic – dolní mostovka, e) soustava bez podružných svislic – horní mostovka Příhradové hlavní nosníky pravoúhlých soustav (viz obr. 3.3) se navrhují poměrně málo, protože vykazují větší spotřebu oceli než kosoúhlé soustavy; svislice pravoúhlých soustav nelze vynechat, protože patří do soustavy a jsou tedy namáhány většími silami než podružné svislice kosoúhlých soustav, které přenášejí je přímé místní zatížení. Z pravoúhlých soustav je příznivější soustava se sestupnými diagonálami (viz obr. 3.3a), protože má (při zatížení vozidly působícím svisle dolů) tažené diagonály a tlačené svislice, na rozdíl od soustavy se vzestupnými diagonálami (viz obr. 3.3b), která má tlačené diagonály a tažené svislice; protože diagonály jsou delší a mají tedy také větší vzpěrnou délku než svislice, jsou z tohoto důvodu vhodnější soustavy se sestupnými diagonálami, které dávají menší dimenze diagonál, a tedy i menší hmotnost konstrukce.
Obr. 3.3 Příhradové nosníky pravoúhlých soustav: a) se sestupnými diagonálami, b) se vzestupnými diagonálami Z dalších soustav lze jmenovat kosočtverečné (rombické) soustavy (viz obr. 3.4), které nacházejí uplatnění méně. Některé z nich, které nemají svislice (viz obr. 3.4a, 3.4b), se vyznačují podobnými výhodami i nevýhodami jako soustavy kosoúhlé bez podružných svislic, tzn. působí vhodně esteticky, ale na druhé straně je konstrukčně obtížné provedení přípojů příčníků a provedení příčných ztužidel. Z důvodů těchto obtíží se někdy rombická soustava doplňuje krátkými podružnými svislicemi (viz obr. 3.4c), které umožňují snadnější připojení příčníků; tím, že jsou příčníky umístěny v místě vložených svislic, se také zmírňuje kolísání sil v diagonálách při přechodu břemene. Některé soustavy se vyznačují tvarovou neurčitostí (viz obr. 3.4a, 3.4b), kterou lze odstranit přidáním dalšího stabilizujícího prutu (viz obr. 3.4d), což však působí esteticky nepříznivě; pak lze namísto přidání prutu tvarovou určitost zajistit např. tuhostí styčníků nebo tuhostí podporových svislic. Kosočtverečné soustavy lze navrhnout vhodným uspořádáním diagonál také jako tvarově přeurčité, a tedy staticky neurčité (viz obr. 3.4e). Osové síly v diagonálách kosočtverečných soustav jsou podstatně menší než osové síly v diagonálách kosoúhlých soustav, a proto jsou nejen menší dimenze
12
diagonál, ale jsou také kratší jejich přípoje ke styčníkovým plechům a tím také menší styčníkové plechy; navíc vzpěrná délka diagonál rombických soustav je prakticky poloviční ve srovnání se vzpěrnou délkou diagonál kosoúhlých soustav, což se projeví výhodně především u mostů větších rozpětí. Naproti tomu u soustav kosočtverečných je větší počet mezipásových prutů a styčníků, což zvyšuje pracnost při výrobě a montáži konstrukce; při větších rozpětích se však tento rozdíl postupně smazává, protože i u nosníků kosoúhlých soustav jsou při větších rozpětích nutné podružné pruty; u tvarově neurčitých variant, jejichž tvarovou určitost zajišťuje pouze tuhost styčníků, pak často při montáži dochází k pilovité deformaci obrysu nosníků, protože přípoje nejsou před jejich dokončením dostatečně tuhé, obdobně jako u soustav se ztužujícím prutem, kde také ještě před vložením tohoto prutu není tvarová určitost zajištěna.
Obr. 3.4 Příhradové nosníky kosočtverečných (rombických) soustav: a), b) soustavy tvarově neurčité, c) soustava s podružnými svislicemi, d) soustava se stabilizujícím prutem, e) soustava jedenkrát staticky neurčitá Z výhod a nevýhod kosočtverečných soustav popsaných výše vyplývá, že jsou vhodné především pro mosty větších rozpětí. Na okraji zájmu z hlediska použití pro hlavní příhradové mostní nosníky stojí polopříčková soustava (viz obr. 3.5), někdy také nazývaná K-soustava, která má sice malou délku příhrad a tedy i malou vzpěrnou délku tlačených diagonál i pásových prutů, ovšem za cenu velkého počtu jak prutů, tak styčníků, a proto je také náročná na práce při výrobě i montáži; tato skutečnost a dále pak zejména nepříznivý vzhled jsou důvody, proč se pro hlavní nosníky prakticky vůbec nepoužívá; velmi dobře se však uplatní, pro svou velkou tuhost a již popsané další výhody, u podélných ztužidel (zavětrování) zejména širokých mostů.
Obr. 3.5 Příhradový nosník polopříčkové soustavy U mostů velkých rozpětí se často jako účelné jeví soustavy, které vzniknou doplněním kosoúhlých soustav systémem podružných prutů (viz obr. 3.6); jednou z možností je přidání diagonál a svislic k dolnímu pásu do výšky poloviny nosníku (viz obr. 3.6a), které zmenší rozpětí podélníků a tím i hmotnost mostovky;
13
jinou úpravu představuje navíc prodloužení vložených svislic až k hornímu pásu (viz obr. 3.6b) tak, že současně (kromě zmíněných výhod) zkracují vzpěrnou délku prutů horního pásu; tento systém však nepůsobí tak příznivě esteticky a navíc svislice mají velkou délku, kterou však lze zmenšit např. přidáním vodorovných spon (viz obr. 3.6c), což však také nepůsobí příliš příznivým estetickým dojmem; přesto jsou tyto varianty jak z hlediska ceny, tak z hlediska vzhledu, vhodnější než soustavy polopříčkové, i tak se však používají pouze pro hlavní nosníky u mostů velkých rozpětí, pokud ovšem nelze navrhnout zcela jinou variantu řešení vhodnější jak z hlediska statického systému, tak z hlediska tvaru konstrukce.
Obr. 3.6 Příhradové nosníky pro mosty velkých rozpětí vzniklé úpravou kosoúhlých soustav: a) vložení krátkých diagonál a svislic, b) svislice na celou výšku nosníku, c) délka svislic zmenšená vodorovnými sponami
3.2.1 Tvary a rozměry příhradových nosníků Pro volbu optimálního tvaru příhradového nosníku není důležitá jen volba typu soustavy, ale rovněž obrys nosníku z hlediska statického a estetického působení, konstrukční výška nosníku a počet příhrad ve vztahu k výšce nosníku, délce jednotlivých příhrad a úhlu, který svírají diagonály s pásovými pruty. 3.2.1.1 Obrys příhradových nosníků Příhradové nosníky pro mosty menších a středních rozpětí (obvykle až do 100 m) se zpravidla navrhují s přímými pásy s konstantní výškou, protože jsou jednoduché na výrobu a působí esteticky; navrhují se i přesto, že spotřeba materiálu u nich může být poněkud vyšší. To však nelze tolerovat u mostů velkých rozpětí, kdy by z hlediska spotřeba oceli již vycházel přímopásový nosník konstantní výšky značně nehospodárně; proto bývá často výška nosníku přizpůsobena s ohledem na průběh ohybových momentů a smykových (posouvajících) sil a navrhujeme nosníky křivopásové (viz obr. 3.7); to potom často vede na provedení jednoho pásu, zpravidla horního, jako lomeného (viz obr. 3.7a). Někdy mohou být křivopásové nosníky vhodné i pro menší rozpětí; např. u mostu s horní mostovkou lze navrhnout lomený dolní pás (viz obr. 3.7b), což přispěje ke zvětšení bezpečnosti mostu proti překlopení; nevýhodou je však poněkud
14
méně příznivý vzhled a složitější řešení dolního zavětrování (pokud je navrženo), které potom neleží v jedné rovině.
Obr. 3.7 Křivopásové příhradové nosníky: a) lomený horní pás – most s dolní mostovkou, b) lomený dolní pás – most s horní mostovkou V některých případech však pro volu křivopásových nosníků hovoří důvody estetické (viz obr. 3.8); navrhneme-li u mostu o několika otvorech přemostění každého pole samostatnou konstrukcí – přímopásovým nosníkem konstantní výšky v daném poli (aby při různých rozpětích polí nebyl návrh neekonomický), vede to na nepříznivé estetické působení v důsledku skoku mezi výškami nosníků v jednotlivých polích (viz obr. 3.8a); pak je vhodnější navrhnout pro delší pole nosníky křivopásové, s výškou odstupňovanou tak, aby navazovala na výšku nosníků v kratších polích a tím vytvářela plynulý obrys celé mostní konstrukce (viz obr. 3.8b).
Obr. 3.8 Estetické působení příhradových hlavních nosníků u mostu o více polích: a) nevhodný obrys mostní konstrukce, b) vhodný (plynulý) obrys mostní konstrukce Důležitý je obrys konstrukce i tehdy, má-li systém samostatných nosníků při stejných rozpětích polí stejnou výšku (viz obr. 3.9); v tomto případě je třeba dbát, aby pohledově nevznikaly mezi hlavními nosníky větší mezery jako např. u mostu s dolní mostovkou (viz obr. 3.9a), což vytváří dojem chybějící části konstrukce; pak je lépe doplnit konstrukci dalšími pruty (viz obr. 3.9b), i když nejsou ze statického hlediska nutné, mohou však pomoci např. při přenosu sil ze ztužidel; řada prostých nosníků na konci zkosených nepůsobí příliš příznivě ani u mostu s horní mostovkou (viz obr. 3.9c); v tom případě se jako možné řešení nabízí, použijeme-li zkosené hlavní nosníky, kombinovat horní mostovku s dolní mostovkou v jednotlivých polích (viz obr. 3.9d). Spojitě provedené (průběžné) příhradové nosníky (viz obr. 3.10), s klouby nebo bez kloubů, mívají v současné době výšku po celé délce konstantní z důvodu jejich snadnější výroby, jedná se pak tedy o přímopásové spojité nosníky (viz obr. 3.10a); to však má zpravidla za následek velké rozdíly v dimenzích jednotlivých prutů, zejména pásových; tyto rozdíly, značné zejména u větších rozpětí (nad 100 m), lze zmenšit a usnadnit tak dimenzování i provádění pásových pru-tů, zvětšením výšky nosníků nad vnitřními podporami a provedením jednoho pásu (toho, který není v úrovni mostovky) jako lomeného, pak se jedná o křivopásové spojité nosníky (viz obr. 3.10 b, 3.10c); náběhy se navrhují
15
obyčejně krátké, na délku dvou až tří příhrad, avšak z hlediska estetického se někdy jeví vhodnější náběhy delší. Spojité nosníky i pro větší rozpětí lze však efektivně navrhnout o konstantní výšce za předpokladu, že pruty, které přenáší zvlášť velké osové síly, budou provedeny z oceli vyšší pevnosti.
Obr. 3.9 Příklady přemostění mostu o třech polích – různé kombinace přímopásových nosníků s konstantní výškou
Obr. 3.10 Příklady přemostění mostu o třech polích – spojité přímopásové a křivopásové nosníky: a), b), c) spojité nosníky (staticky neurčité), d), e) nosníky s klouby (staticky určité) Spojitě provedené (průběžné) příhradové nosníky s klouby (viz obr. 3.10d, 3.10e) se navrhují nejčastěji pro přemostění o třech polích a rozpětí středního pole může dosahovat až 500 m; protože nad kloubem vzniká lom nivelety, a
16
tedy skok při pojezdu, jsou tyto systémy vhodnější pro mosty pozemních komunikací, méně už pro mosty drážních komunikací; aby průhyb poměrně dlouhé konzoly nepřekračoval přípustnou hodnotu, musí mít nosník potřebnou tuhost, a proto jsou kloubové nosníky nejčastěji křivopásové s největší výškou nad vnitřními podporami; pro zlepšení estetického působení mostu je vhodné doplnění kloubových nosníků podružnými pruty v okolí kloubů (i když nejsou staticky nutné), podobně jako u prostých nosníků se zkosenými konci je vhodné doplnění krajní svislice a pásového prutu (jako na obr. 3.9b). 3.2.1.2 Výška příhradových nosníků Čím je větší výška příhradových nosníků, tím se zmenšují dimenze jeho pásových prutů, ale na druhé straně se zvětšuje délka mezipásových prutů, které, jsou-li tlačené, vyžadují větší průřezovou plochu a větší tuhost. Optimální výšku lze stanovit z podmínky, aby hmotnost celého nosníku byla minimální; výšku nosníku ovlivňují zejména následující parametry: - tvar příhradové soustavy; - tvar příčného řezu, který může být otevřený nebo uzavřený; - zatížení mostu, zejména jsou rozdíly mezi mosty silničními a železničními; - počet příhrad, s nímž souvisí také sklon diagonál; - pevnost použitého materiálu; - tvar průřezu prutů s ohledem na vhodný průřez zajišťující dostatečnou tuhost a průřezovou plochu u prutů tlačených. Pro optimální výšky příhradových nosníků byla odvozena různá kritéria, a to hlavně na základě podmínky minima hmotnosti, podle míry zjednodušení více či méně přesné. Základní orientační hodnoty pro návrh hospodárné výšky příhradových hlavních nosníků jednokolejných železničních mostů uprostřed rozpětí v závislosti na statickém systému a tvaru obrysu nosníku lze uvažovat podle tab. 3.1. Pro dvoukolejné železniční mosty je vhodné tuto výšku poněkud zvětšit, protože hlavní nosníky vícekolejných mostů přenášejí větší zatížení; naopak, pro silniční mosty je vhodné výšku podle tab. 3.1 zmenšit, protože hlavní nosníky silničních mostů jsou méně zatížené; pro lávky pro chodce je třeba výšku v tab. 3.1 upravit zmenšením asi na třetinu hodnoty; pro výšku křivopásových spojitých nosníků nad vnitřními podporami je třeba uvažovat výšku asi o 20 až 50 % větší než v poli. Tab. 3.1 Hospodárná výška příhradových nosníků uprostřed rozpětí
Přesnější stanovení optimálních rozměrů příhradových nosníků ocelových mostních konstrukcí je možné použitím optimalizačních metod v závislosti n a konkrétním tvaru a typu příhradového nosníku.
17
Volba výšky příhradových nosníků je však také ovlivněna některými omezujícími podmínkami, jako jsou např.: - přípustná hodnota průhybu, která vyžaduje dostatečnou výšku zejména u mostů z oceli vyšších pevností, zvláště pak, s ohledem na zatížení, u železničních mostů; -
výška průjezdního průřezu u mostů s dolní mostovkou, které mají uzavřené uspořádání příčného řezu, u nichž musí výška hlavních nosníků umožňovat průjezd vozidel; to může znamenat požadavek na větší výšku než optimální;
-
stavební výška u mostů s horní mostovkou, která omezuje prostor pro hlavní nosníky; to může naopak znamenat požadavek na menší výšku než optimální.
3.2.1.3 Počet a délka příhrad Pokud to umožňuje dispoziční řešení, volí se obvykle sudý počet příhrad; u mostů středních rozpětí se zpravidla navrhuje osm až dvanáct, nejčastěji však deset příhrad, jejichž délka bývá přibližně v rozsahu od 4 do 6 m; u mostů větších rozpětí bývá počet příhrad ve stejném rozmezí, jen někdy může být někdy o něco vyšší, s délkou obvykle přibližně kolem 10 m i více (v závislosti na rozpětí). Délku příhrady nelze navrhovat libovolně, nezávisle na výšce nosníku, protože je ovlivněna také sklonem diagonál. Úhel, která svírají diagonály s vodorovnými pásovými pruty, je u kosoúhlých soustav s podružnými svislicemi většinou 45º nebo raději více, zpravidla však nemá být větší než 52º, jako optimální hodnota se udává 47º; u kosoúhlých soustav bez svislic bývá tento úhel v rozmezí od 55º do 60º. Tato omezení jsou dána především dvěma skupinami důvodů, statickými a estetickými; příliš ležaté diagonály musí přenášet větší síly, a protože mají také větší délku, jsou nepříznivě namáhány na vzpěrný tlak, kromě toho, že působí nepříznivě esteticky; příliš strmé diagonály jsou sice příznivěji namáhány, jsou však také velmi husté, což zvětšuje pracnost a nepůsobí příliš esteticky, protože je narušena vzdušnost příhradové konstrukce, navíc to vede k nutnosti navrhovat vysoké styčníkové plechy, jejichž velikost pak přispívá ke zvětšení hmotnosti a jejich tuhost ke zvětšení podružných napětí v prutech příhradového nosníku. Chceme-li, aby hmotnost mostovky byla co nejmenší, vede to k malé vzdálenosti příčníků; u jednokolejných železničních mostů se obvykle uvádí jako optimální vzdálenost příčníků kolem 3 až 5 m. Chceme-li, aby hmotnost a pracnost příhradových hlavních nosníků byla co nejmenší, vede to zase k malému počtu příhrad, a tedy k velké vzdálenosti příčníků. Tyto požadavky jsou zvláště u mostů větších rozpětí ve zřejmém rozporu, který je třeba řešit určitým kompromisem týkajícím se volbou délky příhrady. Je však možné i ekonomičtější řešení návrhem optimální vzdálenosti příčníků, které jsou připojeny k hlavním nosníkům mimostyčně, tedy nejen v místech styčníků hlavních nosníků, ale i mezi nimi (viz obr. 3.11). Pás hlavního nosníku u mostovky je pak namáhán mimostyčně a vznikají v něm ohybové momenty; z tohoto pohledu je třeba tento pás dimenzovat tužší než pás mimo mostovku; vhodnější je přitom řešení se dvěma příčníky ve třetinách délky příhrady než jeden příčník v polovině
18
délky příhrady, který vyvozuje příliš velký ohybový moment. Ze statického hlediska lze systém nosníku považovat za tuhý trám vyztužený příhradovinou.
Obr. 3.11 Tuhý trám vyztužený příhradovinou – příčníky připojené mimostyčně k pásu hlavního nosníku v úrovni mostovky
3.3 Pruty příhradových nosníků Průřezy prutů příhradových nosníků je nutno navrhovat s ohledem na konstrukční řešení styčníků a dále s ohledem na konstrukční řešení přípojů mostovky a hlavních nosníků, tedy tak, aby bylo možné připojení mezipásových prutů k prutům horního a dolního pásu a tak, aby bylo možné vzájemné napojení prvků mostovky k hlavním nosníkům.
3.3.1 Pásové pruty Průřezy pásových prutů lze navrhovat jako jednostěnné nebo dvoustěnné, které mohou dále být průřezu otevřeného nebo uzavřeného; u jednostěnných prutů je nejčastější průřez tvaru T (viz obr. 3.12), nyní prováděný jako svařovaný, u velmi starých mostů se často setkáváme s jeho variantou nýtovanou. Maximální průřezová plocha jednostěnných pásových prutů je např. dána přípustnou tloušťkou materiálu, únosností stěn (stojiny i pásnice) proti vyboulení; proto je vhodné použití jednostěnných pásů především u mostních konstrukcí menších rozpětí, asi do 50 m; dále nejsou příliš vhodné pro mosty s dolní mostovkou a s otevřeným uspořádáním příčného řezu, protože mají malou tuhost ke svislé ose, která je potřebná pro zajištění tuhosti příčného řezu v rámci příčných polorámů, jehož součástí je průřez prutu dolního pásu. Jednostěnné pásy jsou však vhodnější z hlediska jejich přístupnosti, i styčníků, pro montáž a údržbu; také přenos sil z příčníků do jednostěnných pásů je rovnoměrnější než u pásů dvoustěnných, kde se síly přenášejí více do jedné stěny bližší příčníku.
Obr. 3.12 Průřez T jednostěnných pásových prutů: a) svařovaný, b) nýtovaný Dvoustěnné pásy mají však výhodu ve snadnějším připojování mezipásových prutů a v možnosti vhodnějšího rozdělení materiálu po průřezu pásu s ohledem
19
na tuhost průřezu u tlačených prutů; pro ekonomiku konstrukce je nejvhodnější, aby byl materiál soustředěn co nejdále od těžiště, potom má velkou tuhost a vhodnou průřezovou plochu (pokud možno „optimální“, tzn. ani velkou, ani malou), a aby byla štíhlost prutu přibližně stejná jak pro vybočení v rovině nosníku, tak pro vybočení z roviny nosníku. Průřezy dvoustěnných pásových prutů mohou mít různý tvar, přičemž u starých mostů se používaly v podobě nýtované (viz obr. 3.13), zatímco dnes jsou převážně svařované (viz obr. 3.14); z nýtovaných je výrobně nejjednodušší průřez tvaru H (viz obr. 3.13a), který se v zahraničí dříve používal pro rekonstrukce starých mostů, má však z hlediska statického a z hlediska trvanlivosti řadu nevýhod; jednou z podstatných je zásadně rozdílná tuhost v obou směrech, což vede na nepříznivé namáhání od účinků vzpěrného tlaku a rovněž od ohybu od vlastní tíhy; navíc se v horní části mezi pásnicemi udržuje voda a nečistoty, což vede např. ke vzniku koroze a ani odvodňovací otvory vyvrtané ve stojině tento problém efektivně neřeší. Pro pruty horního pásu je nejvhodnější uzavřený truhlíkový průřez, pro pruty dolního pásu se často používají průřezy dělené, ze dvou částí – dvoudílné; u starších nýtovaných konstrukcí se používaly průřezy podle obr. 3.13.
Obr. 3.13 Dvoustěnné průřezy nýtovaných prutů: a) průřez H, b), c), d), e), f) truhlíkové průřezy prutů horního pásu, g), h), i), j), k), l) dvoudílné průřezy prutů dolního pásu Svařované průřezy prutů horního pásu se obvykle skládají z pásnice a dvou stěn (viz obr. 3.14a), někdy jsou ještě doplněny vodorovnou stěnou u dolních okrajů svislých stěn (viz obr. 3.14b), aby zvyšovala tuhost (u tlačených pásů otevřeně uspořádaných mostů) a také aby vytvářela podepření svislým stěnám z hlediska jejich možného boulení. Svařované průřezy prutů dolního pásu se navrhují buď dělené – dvoudílné s mezerou mezi spodními pásnicemi aspoň 30 mm šířky (viz obr. 3.14c), aby se v průřezu nedržela voda a nečistoty, nebo celistvé, které mají vodorovnou stěnu (pásnici) umístěnou u horního okraje, také s mezerou mezi spodními pásnicemi (viz obr. 3.14d, 3.14e). Někdy je vhodnější volit průřezy pásových prutů uzavřené.
Obr. 3.14 Dvoustěnné průřezy svařovaných prutů: a), b) průřezy prutů horního pásu, c), d), e) průřezy prutů dolního pásu Rozměry průřezů pásových prutů, tzn. šířka a výška, vyplývají z požadavků na jejich výrobu a také z požadavků na optimální využití materiálu. Z výrobního
20
hlediska by neměla šířka průřezu být menší než 400 mm, výjimečně, pokud by to vedlo k neekonomickému návrhu, lze navrhnout šířku 300 mm; ani velká šířka není příliš vhodná, protože s ohledem na připojování mezipásových prutů by potom musely být jejich průřezy zbytečně velké, a tedy předimenzované; se zvětšováním průřezů také roste nátěrová plocha. Při volbě rozměrů průřezu se vychází ze zkušeností s konstrukcemi navrhovanými dříve; orientační výška průřezu v pak bývá obvykle rovna v ≈ L – L2 / 400 [cm], světlá vzdálenost stěn pásů b u mostů středních rozpětí bývá zpravidla rov a b ≈ v – L / 10 [cm], u mostů větších rozpětí b ≈ v – L / 5 [cm], přičemž rozpětí L je v [m]. Vzrůstající výška průřezů má za následek vzrůst podružných napětí v prutech, proto se někdy uvádí, že by výška průřezu neměla překročit 1/15 délky prutu; v opačném případě je nutno vyčíslit podružná napětí v závislosti na délkách prutů a tuhostech styčníků. Pro vhodný přenos sil ve styčnících je účelné, aby materiál pásových prutů byl soustředěn převážně do stěn průřezu; potom se síly z výplňových prutů přenášejí převážně přímo do stěn pásu, nikoliv do pásnic a nedochází k výrazným koncentracím napětí ve styčníkovém plechu. Mají-li pásové pruty dvoustěnné průřezy, měly by mít oba pásy, horní i dolní, stejnou světlou vzdálenost svislých stěn, a to po celé délce hlavního nosníku, čímž se usnadní připojení výplňových prutů ke styčníkovým plechům (bez použití vložek, které jinak musí vyrovnávat rozdíly v nestejných světlých vzdálenostech); pak mohou být stejné výšky průřezů všech mezipásových prutů, svislic i diagonál, a je rovna světlosti svislých stěn pásů – buď jejich vnitřní světlé vzdálenosti, anebo jejich vnější světlé vzdálenosti – to závisí na způsobu připojení (viz dále). Z důvodu hospodárnosti nemají pásové pruty zpravidla po délce nosníku stejný průřez. Průřezy pásových prutů je třeba odstupňovat v závislosti na průběhu vnitřních sil; toto odstupňování je třeba navrhnout tak, aby se po délce pokud možno co nejméně měnila poloha těžiště pásových prutů. Pokud se poloha těžiště po délce výrazně mění, vznikají v prutech přídavné ohybové momenty v důsledku excentricity, které způsobují nepříznivé namáhání pásových prutů. Proto je nejlépe realizovat odstupňování průřezů pomocí změny tlouštěk jeho jednotlivých částí (stěn); případné změny výšky pásových prutů navíc narušují vzhled konstrukce a nepůsobí esteticky. Tlačené pruty (ať uzavřené nebo otevřené) je třeba na koncích a aspoň ve třetinách jejich délky vyztužit příčnými diafragmaty (výztuhami) z plechu (zabraňují nebo zmírňují účinky boulení); protože u tlačených prutů jsou účinky únavy mírnější než u tažených prutů, zpravidla lze diafragmata do průřezu horních pásů (převážně tlačených) vevařit (viz obr. 3.15a), přestože příčné svary působí jako poměrně nepříznivé vruby, tento vliv je však částečně eliminován větší únavovou pevností při rozkmitech napětí, která se pohybují stále v oblasti tlaku. Tažené pruty dělené ze dvou částí (dvoudílné pruty) je třeba spojit diafragmaty aspoň na koncích a uprostřed délky prutu (v tomto případě zabraňují zkosení příčného řezu a spojují obě části průřezu dohromady); protože u tažených prutů jsou účinky únavy nepříznivější a vliv vrubu v podobě příčného svaru často přispívá k únavě, je vhodnější diafragmata v tomto případě připojit jiným způsobem, obvykle se pro připojení používají na okraje diafragmat přivařené úhelníky, které se ke stěnám průřezů pásových prutů připojí pomocí
21
vysokopevnostních šroubů (viz obr. 3.15b); v některých případech se používají i šikmá diafragmata (viz obr. 3.15c), jejich uplatnění však nedoznalo velkého rozšíření v mostní praxi.
Obr. 3.15 Vyztužení průřezů dvoustěnných prutů příčnými diafragmaty: a) přivaření u horních tlačených pásů, b) připojení VP šrouby u dolních tažených pásů, c) použití šikmých diafragmat V posledních obdobích je výrazný trend směřující k navrhování mostovkové desky, a to jak ocelové tak betonové, spolupůsobící s hlavními příhradovými nosníky; spolupůsobení může významně příznivě ovlivnit dimenze mostovkového pásu a jeho tvar (např. viz obr. 3.16).
Obr. 3.16 Příklad využití spolupůsobení mostovky s příhradovými hlavními nosníky: a) příčný řez mostem, b) připojení příčníku, c) styčník dolního pásu
3.3.2 Mezipásové pruty Průřezy mezipásových prutů se nejčastěji navrhují jako celistvé svařované (viz obr. 3.17a); dříve byly poměrně často používané členěné pruty (viz obr. 3.17a,
22
3.17b), které se však již nepoužívají; obdoba členěných prutů se používala u nýtovaných konstrukcí. Průřezy mezipásových prutů musí být snadné připojit k prutům horního i dolního pásu, a proto se tomuto požadavku často přizpůsobují. Ke dvoustěnným pásům se nejlépe připojují průřezy tvaru I, protože jeho pásnice vytvářejí přirozené „okraje“, které umožňují snadné a přímé připojení ke styčníkovým plechům; většina materiálu je soustředěna do pásnic, které jsou připojeny přímo ke styčníkovým plechům (viz obr. 3.18), zatímco stěny, které jsou připojeny nepřímo, mívají menší tloušťku; odstupňování průřezů mezipásových prutů s ohledem na proměnnost vnitřních sil se zpravidla realizuje změnou tlouštěk jeho stěn, méně již změnou šířky pásnic, vždy při zachování výšky průřezu; mění-li se šířka pásnic, je třeba takové změny provádět velmi obezřetně, aby nebyl narušen celkový vzhled nosníku v důsledku velmi nevyrovnaných šířek mezipásových prutů (viz např.obr. 3.22).
Obr. 3.17 Průřezy svařovaných mezipásových prutů: a) celistvé, b), c) členěné
Obr. 3.18 Připojení mezipásových prutů (diagonály a svislice) průřezu I k dvoustěnnému hornímu pásu zasunutím mezipásových prutů mezi stěny styčníkového plechu horního pásu I mezipásové pruty nosníků s jednostěnnými pásy mohou být průřezu I; pak se průřez diagonály, příp. svislice orientuje o 90° otočený ve srovnání s předcházejícím případe; stěna diagonály je rovnoběžná s rovinou příhradového nosníku, má stejnou tloušťku jako styčníkový plech, který navazuje na stojinu pásu a stykuje se buď pomocí příložek (viz obr. 3.19), anebo – u konstrukcí celosvařovaných – tupým svarem (viz obr. 3.20); v obou případech se ale svislice orientuje opačně než diagonála, tzn. stojina svislice je kolmá k rovině nosníku, aby měla potřebnou tuhost, a na koncích má výřez, protože styčníkový plech stojinou svislice prochází; v případě šroubovaného styku může být konec svis-
23
lice proveden jako „příložka“ přivařená již dopředu ke styčníkovému plechu a k ní se pak připojuje svislice VP šrouby (viz obr. 3.19). Někdy se krajní diagonály hlavních nosníků lichoběžníkového obrysu – u mostů s dolní mostovkou – navrhují stejného průřezu jako horní pás, což může usnadnit jejich připojení (viz dále).
Obr. 3.19 Připojení diagonál a svislic průřezu I k jednostěnnému pásu průřezu T pomocí stykovacích příložek a VP šroubů
Obr. 3.20 Připojení diagonál a svislic průřezu I k jednostěnnému pásu průřezu T u celosvařované konstrukce pomocí koutových svarů Průřezy diagonál a svislic u nýtovaných příhradových nosníků (viz obr. 3.21) jsou zpravidla tvaru I, jehož základ tvoří stěna a úhelníky, které jsou při větších osových silách doplněny ještě pásnicemi, příp. dalšími úhelníky.
Obr. 3.21 Typy průřezů nýtovaných diagonál podle velikosti osových sil
24
Šířka diagonál podle průběhu osových sil by měla být z estetických důvodů plynule odstupňována; střídání širších užších diagonál nepůsobí vyváženě (viz obr. 3.22).
Obr. 3.22 Esteticky nevhodný tvar diagonál
3.3.3 Pruty uzavřeného průřezu Pruty uzavřeného průřezu tvoří samostatnou skupinu prutů příhradových nosníků, hlavně proto, že je třeba u nich uvážit jistá specifika, která mnohdy komplikují konstrukční řešení přípojů. Uzavřené svařované průřezy jsou zpravidla tvořeny dvěma pásnicemi a dvěma stěnami (viz obr. 3.23); pro méně namáhané průřezy, např. diagonály nosníků s jednostěnnými pásy, lze použít i průřezy svařené ze dvou U profilů (viz obr. 3.23g) nebo ze dvou úhelníků (viz obr. 3.23h); průřez pásu je třeba navrhnout tak, aby bylo možno snadno vložit styčníkové plechy mezi přerušené stěny pásových prutů; proto např. horní pásnice dolního pásu bývá mírně zapuštěna mezi svislé stěny; horní pásnice se s ohledem na možnost odtoku vody někdy navrhuje v mírném příčném sklonu (viz obr. 3.23c).
Obr. 3.23 Svařované průřezy uzavřených prutů: a), b), c), d) pásové pruty, e), f), g), h) diagonály Pruty s uzavřeným průřezem mají ve srovnání s pruty otevřeného průřezu velkou tuhost v kroucení a velmi dobře přenášejí vzpěrný tlak; většinou u nich nejsou nutná diafragmata, těmi se vyztužuje obvykle jen pás v úrovni mostovky v místech styčníků; vnitřek prutů uzavřeného průřezu je vzduchotěsně uzavřen, čímž je chráněny proti korozi a nevyžaduje tedy údržbu; vzduchotěsné uzavření pásových prutů zajišťují vevařené přepážky na koncích montážních dílců, vzduchotěsné uzavření diagonál, příp. svislic zajišťuje stažení stěn (viz dále). Velikost osových sil ovlivňuje průřezovou plochu, kterou u pásových prutů uzavřeného průřezu přizpůsobujeme změnou tloušťky materiálu, zatímco výška i šířka průřezu zůstává po délce nosníku konstantní; u diagonál lze měnit i šířku průřezu změnou šířky pásnic.
25
K nevýhodám prutů uzavřeného průřezu patří zejména to, že se obtížněji stykují a připojují k dalším částem konstrukce, a proto bývá časté, že se v rámci jednoho nosníku kombinují různé typy průřezů; svislice obvykle navrhujeme otevřené jednostěnného průřezu I, aby je bylo možno dobře připojit k příčníkům; i pásy u mostovky jsou z tohoto důvodu někdy vhodnější otevřené; méně namáhané diagonály, např. tažené, mohou mít také otevřený průřez, zpravidla tvaru I, čímž se uspoří materiál.
3.4 Styčníky příhradových hlavních nosníků Konstrukční řešení styčníků je velmi závislé na volbě průřezů prutů a také na volbě způsobu spojování, tzn. zda jsou spoje svařované anebo šroubované – třecích spoje s VP šrouby. V závislosti na tom může být konstrukční řešení velmi různorodé, je však třeba dodržovat určité obecné zásady pro správný návrh styčníků.
3.4.1 Obecné zásady konstrukčního řešení styčníků Připojení mezipásových prutů k pásovým je zpravidla provedeno pomocí styčníkových plechů, které se vkládají mezi přerušené stěny pásových prutů (viz obr. 3.24). Velikost styčníkových plechů má být taková, aby bylo umožněno připojení výplňových prutů; tvar a dimenze styčníkových plechů mají být takové, aby bylo umožněno vyrovnání sil z prutů, které se sbíhají ve styčníku, bez velkých lokálních koncentrací napětí. U celosvařovaných konstrukcí se styčníkové plechy ke stěnám pásových prutů přivařují, a to i v případě montážního styku (viz obr. 3.24a); častější je řešení, u konstrukcí na montáži spojovaných třecími spoji, kdy se plech přivaří pouze v místech dílenských styků a montážní styky se provedou jako třecí (viz obr. 3.24b), protože i přípoje mezipásových prutů jako montážní spoje jsou provedeny jako třecí pomocí příložek a VP šroubů; montážní styk však obvykle není v každé příhradě, je to závislé na délce dílců dopravovaných na stavbu.
Obr. 3.24 Typické konstrukční řešení styčníků příhradových hlavních nosníků: a) vevaření styčníkového plechu mezi přerušené stěny pásového prutu, b) svařovaný dílenský styk plechu, třecí montážní styk plechu Pro hlavní příhradové nosníky je nevhodné připojení styčníkového plechu podélným přivařením k probíhajícímu pásu (viz obr. 3.25), protože svar je umístěn v exponované poloze a lze poměrně těžko dosáhnout bezvrubové úpravy detailu, navíc materiál široké oceli, z níž je vyroben pásový prut, je méně
26
vhodný pro rovinnou napjatost ve styčníkovém plechu než materiál izotropního plechu.
Obr. 3.25 Nevhodné řešení styčníku pomocí plechu přivařeného k probíhajícímu pásu Značné komplikace při konstrukčním řešení detailů způsobuje to, že ve styčnících se kromě mezipásových prutů připojují k hlavnímu nosníku také příčníky a též pruty podélných i příčných ztužidel; proto je třeba styčník navrhovat s ohledem na prostorové namáhání. Proto se často styčníky konstruují tak, aby působily jako prostorově tuhé celky; tak např. styčníkové plechy u dvoustěnných pásů v úrovni mostovky se spojují tak, aby styčník jako tuhý celek přenášel síly z příčníku pokud možno stejnoměrně do obou stěn pásu; tomu lze pomoci koncovými částmi mezipásových prutů, které se snažíme vést co nejdál do styčníku, aby tak tvořily jeho ztužení; pokud chybí svislice, které jsou pro tento účel nejvhodnější, navrhneme mezi styčníkovými plechy svislou výztuhu a navíc ještě vodorovný plech u volného okraje styčníku (viz obr. 3.26).
Obr. 3.26 Ztužení styčníku horního pásu příhradového nosníku bez svislic U dvoudílných průřezů taženého pásu lze spojit obě části spojovacími plechy, tzn. vodorovnými spojkami (viz obr. 3.27a), které zajišťují, že oba díly pásu jsou rovnoměrněji namáhány příčnými vodorovnými silami působícími na styčník; u kloboukového průřezu dolního pásu lze provést ztužení prutů pásu podobně (viz obr. 3.27b), přičemž výrazněji namáhaní styčníky ztužujeme ještě dalšími spojovacími plechy.
27
Obr. 3.27 Ztužení styčníku dolního pásu příhradového nosníku pomocí spojovacích plechů: a) dvoudílný pás, b) pás s kloboukovým průřezem; detail A – bezvrubé připojení spojovacího plechu Ke styčníkům hlavních nosníků příhradových mostů má údržba horší přístup než k jiným částem konstrukce, proto je třeba věnovat konstrukčnímu řešení styčníků zvýšenou pozornost a omezit tuto nevýhodu na co nejmenší míru; především je třeba dbát, aby se nevytvářely úzké štěrbiny, uzavřené nepřístupné prostory a místa, z nichž neodtéká voda. Z ekonomického hlediska je navíc výhodné, aby více prvků mělo stejné rozměry a stejné rozmístění otvorů, což usnadňuje a zlevňuje výrobu, byť za cenu mírně zvýšené spotřeby materiálu, neboť náklady na výrobu kvůli její vysoké pracnosti zpravidla převyšují náklady na zvýšenou spotřebu materiálu.
3.4.2 Tvar a velikost styčníkových plechů Styčníkové plechy by měly mít jen takovou velikost, jaká je nezbytně nutná pro připojení mezipásových prutů, případně dalších částí konstrukce k hlavním nosníkům; důvody jsou ekonomické a estetické a dále je třeba přihlédnout k podružným napětím v prutech, která se zvětšují se zvětšující se velikostí styčníkových plechů. Proto mezipásové pruty vedeme co nejdále k teoretickému styčníku, abychom minimalizovali plochu styčníkového plechu a současně plech vyztužili; zmenšení plochy plechu dosáhneme také tím, že rozteče šroubů volíme minimální.
28
Obr. 3.28 Přípoje mezipásových prutů ve styčníku: a) vhodná délka prutů, b) příliš krátká délka prutů Tvar styčníkových plechů by neměl být příliš složitý, z důvodu snadnější výroby a menšího odpadu materiálu; k tomu přispěje, budou-li alespoň dvě hrany plechu rovnoběžné, což je vhodné i z hlediska estetického; styčníky s šikmými hranami (viz obr. 3.29) nepůsobí esteticky příznivě.
Obr. 3.29 Nevhodný tvar styčníkového plechu Mostní konstrukce jsou výrazně namáhány na únavu, proto je třeba navrhovat tvary styčníkových plechů s ohledem na tento statický problém; je třeba se tedy pokud možno vyvarovat konstruování detailů s vruby a navrhovat zejména návaznosti jednotlivých částí s ohledem na bezvrubové připojení. Z hlediska únavy je u svařovaného spoje např. zcela nevhodné připojení plechu náhlou změnou průřezu (viz obr. 3.30a), která narušuje plynulý tok vnitřních sil; vhodnější, alespoň pro silniční mosty, je řešení pomocí plynulejšího přechodu ze stěny pásu do styčníkového plechu přes zaoblení (viz obr. 3.30b); jako nejvhodnější, a to i pro železniční mosty, se jeví navíc ještě zešikmení hran plechu (viz obr. 3.30c). Zaoblení však není nutné u třecího spoje s VP šrouby, v tom případě postačí zkosení styčníkového plechu (viz např. obr. 3.24b).
29
Obr. 3.30 Vhodnost tvaru styčníkového plechu s ohledem na únavu a křehký lom: a) nevhodný tvar, b) tvar vhodný pro silniční mosty, c) tvar vhodný pro železniční mosty Při konstruování detailu napojení plechu na stěnu pásu (viz obr. 3.31) je třeba dodržovat některé přesné zásady. Poloměr zaoblení r (viz obr. 3.31a) je předepsán tak, aby nebyl příliš malý; obvykle se uvádí, že nemá být menší než asi čtvrtina výšky stěny; svar mezi stěnou pásu a styčníkovým plechem se odsazuje od počátku zaoblení o délku a (viz obr. 3.31a) tak, aby neležel přímo v místě lokální koncentrace napětí; délka a je přibližně rovna poloměru r; konec svaru musí být opracován tak, aby nepůsobil jako vrub (viz obr. 3.31b).
Obr. 3.31 Bezvrubové připojení styčníkového plechu: a) zaoblení přechodu a odsazení od svaru, b) bezvrubové opracování konce svaru Výjimečně se navrhuje šikmý svar (viz obr. 3.32), žádný zvláštní efekt při řešení však nepřináší, naopak, šikmý svar je dražší a zvětšuje velikost styčníkového plechu. Protože bezvrubové opracování styčníkových plechů je drahé, lze žádoucího efektu dosáhnout také přizpůsobením tvaru plechu s ohledem na únavu. Není-li provozní zatížení příliš velké, např. u silničních mostů nebo u lávek pro chodce, mohou mít styčníkové plechy jednodušší tvar i detaily; svar na přechodu plechu a stěny pásu není nutno odsazovat a poloměr zaoblení může být menší, při malém sklonu hrany plechu může být zaoblení úplně vynecháno.
Obr. 3.32 Nehospodárný tvar styčníkového plechu s šikmými svary Dimenze styčníkových plechů je třeba kontrolovat statickým výpočtem; tvar plechu se volí tak, aby nebezpečné průřezy styčníkového plechu nebyly namáhány silami z připojovaných prutů příliš excentricky; s ohledem na to je vhodný tvar styčníkového plechu takový, který zajišťuje roznesení sil na dostatečnou průřezovou plochu plechu, což např. umožňuje rozšíření plechu na jeho
30
okrajích (viz obr. 3.33a); naopak nevhodný tvar plechu je např. takový, u něhož není plech rozšířen (viz obr. 3.33b) a mohl by být v takovém případě přemáhán. Vzhledem k rovinnému namáhání styčníkových plechů je podmínkou použití plechů na jejich výrobu, nikoliv široké oceli.
Obr. 3.33 Tvar styčníkového plechu v závislosti na roznášení sil z připojovaných prutů: a) vhodný tvar s rozšířením, b) nevhodný tvar
3.4.3 Přípoje prutů Ačkoliv pro přípoje prutů ve styčnících neexistují jednoznačné „pokyny“ ve smyslu typického řešení, je třeba velmi přísně dodržovat určité zásady, podle nichž se způsoby připojení musí řídit, protože u mostních konstrukcí je řada specifických požadavků na konstrukční detaily z důvodů dynamických účinků zatížení, únavy, křehkého lomu, kmitání konstrukce a jejích částí apod. 3.4.3.1 Přípoje mezipásových prutů k pásům Mezipásové pruty hlavních nosníků připojujeme k pásovým prutům vždy centricky; u přípojů diagonál podélných ztužidel je dovoleno excentrické připojení (např. viz obr. 3.34), avšak potom je nutné při dimenzování pásových prutů ztužidla uvažovat s přídavným namáháním od účinků momentu plynoucího z excentricity připojení.
Obr. 3.34 Excentrické připojení diagonál k pásům podélného ztužidla, e – excentricita připojení Je-li ve styčníku přechod dvou různých průřezů, pásový prut by měl mít v bodě odpovídajícím teoretickému styčníku plný průřez, s nímž se uvažuje ve statickém výpočtu. Obvykle se však přetahuje silnější průřez až za místo teoretického styčníku (viz obr. 3.35); přechod vnitřních sil z pásnice je pak pozvolnější a zmenší se také posun těžištní osy v oblasti styčníku.
31
Obr. 3.35 Přechod dvou různých průřezů ve styčníku; tlustší pásnice přetažena až za místo teoretického styčníku Většinou u mezipásových prutů bývá ke styčníkovému plechu připojena některá část průřezu nepřímo; v tom případě by neměly síly, které se z ní přenášejí do styčníkového plechu, přemáhat ostatní části průřezu nebo spojovací prvky. U diagonál a svislic hlavních nosníků s dvoustěnnými pásy jsou zpravidla nepřímo připojené stojiny diagonál a svislic, protože tyto pruty se ke styčníkovým plechům připojují za pásnice. Krční svary, které spojují stěnu s pásnicemi, také nesmí být přemáhány; aby toho bylo docíleno, často se tyto svary na koncích prutů zesilují (viz obr. 3.36); výřez provedený na konci stěny prutu slouží k tomu, aby mohl být prut snadněji zasunut mezi styčníkové plechy, protože umožňuje deformaci konce prutu.
Obr. 3.36 Nepřímé připojení stěn mezipásových prutů ve styčníku; zesílení krčních svarů, výřez na konci prutu Jsou-li mezipásmové pruty namáhány většími silami, je vhodnější jejich připojení k pásům na styčníkové plechy pomocí příložek (viz obr. 3.37); tím se počet třecích ploch zdvojnásobí a zmenší se tak rozměry styčníkových plechů i počet spojovacích prostředků (šroubů).
32
Obr. 3.37 Připojení prutů ve styčníku pomocí příložek – připojení diagonály a napojení pásu (montážní spoj)
Obr. 3.38 Připojení diagonál uzavřeného průřezu k pásovým prutům: a) s podélným diafragmatem, b) s příčným diafragmatem; detail A – stažení stěn diagonály, detail B – úkosy tupého svaru, detail C – opracovaný konec diafragmatu U diagonál uzavřeného průřezu je připojení složitější; obvykle se uzavřený průřez na konci prutu převádí na otevřený, a to tak, že se stáhnou stěny (viz obr. 3.38), čímž se průřez současně uzavře na konci. Stažení stěn diagonály se provede pomocí vevařených vložek a vzniklý průřez tvaru I se pak připojí způsobem obvyklým pro jednostěnné pruty. Zalomením stěn vznikají příčné síly, které lze zachytit pomocí diafragmatu, buď rovnoběžného s pásnicemi diagonály (viz obr. 3.38a) nebo kolmého k ose prutu (viz obr. 3.38b); vhodnější je řešení pomocí podélného diafragmatu podle obr. 3.38a, protože výřez v něm umožňuje plynulejší tok sil a také bezvrubové provedení svarů; v místě zalomení stěny však dochází k velké koncentraci napětí, a proto se někdy volí řešení jiné, v nestažených stěnách s výřezy (viz obr. 3.39), které umožňují provedení montážních spojů a čelo prutu je vzduchotěsně uzavřeno zakřiveným plechem.
33
Obr. 3.39 Připojení diagonály uzavřeného průřezu k pásovým prutům: výřezy v nestažených stěnách Montážní spoje pásových prutů uzavřeného průřezu se nejčastěji provádí pomocí třecích spojů s vysokopevnostními šrouby; se šrouby je potřeba manipulovat, a proto se jedna pásnice opatří oválným otvorem, který se uzavře víkem s těsněním (viz obr. 3.40); tímto otvorem a víkem je vhodnější opatřit dolní pásnici, protože v důsledku možné netěsnosti víka by otvorem v horní pásnici mohla zatékat voda; po stranách montážního otvoru se musí prut uzavřít přepážkami; příčné koutové svary, jimiž jsou přepážky připojeny, vyvolávají nepříznivé vrubové účinky, ty je třeba eliminovat nebo zmírnit; to lze částečně vyřešit lokálním zesílením průřezu pásového prutu, čímž se také zčásti zamezí nekontrolované korozi v oblasti styku. V nitřní prostor prutu v místě styku je třeba chránit metalizací.
34
Obr. 3.40 Montážní styk pásových prutů uzavřeného průřezu provedený pomocí třecího spoje s VP šrouby s lokálně zesílenými stěnami i pásnicemi; 1 – víko montážního otvoru, 2 – vnější stykovací příložka dolní pásnice 3.4.3.2 Přípoje v koncových styčnících Koncové styčníky dolního pásu jsou namáhány velkými silami, a proto také jsou často vyšší a silněji vyztužené než styčníky vnitřní, mezilehlé. Styčníky dolního pásu mostů s dolní mostovkou a s kosoúhlými soustavami hlavních nosníků lze vytvořit v zásadě dvěma principiálními způsoby; je-li krajní diagonála stejného průřezu jako horní pás nosníku, lze ji přetáhnout obloukem k hornímu okraji styčníkového plechu (viz obr. 3.41a, 3.41d u svařovaných konstrukcí, obr. 3.4b u nýtovaných konstrukcí); je-li krajní diagonála podobného průřezu jako ostatní diagonály nebo svislice, lze ji připojit v zásadě stejným způsobem jako vnitřní, mezilehlé diagonály (viz obr. 3.41c). Při řešení podle obr. 3.41a, příp. 3.41b musí být dostatečně velký poloměr oblouku, aby nebyly přemáhány krční svary, pak však vychází obvykle příliš velké rozměry styčníkového plechu; proto se často raději poloměr zvolí menší a vzniklé radiální síly, které namáhají pásnici příčným ohybem, zachytí krátká výztuha, která současně tvoří výztuhu styčníkového plechu (viz obr. 3.41d); to však způsobuje
35
větší koncentraci napětí, což je nepříznivé z hlediska namáhání na únavu; volné okraje styčníkového plechu je vhodné lemovat pásnicí nebo úhelníkem.
Obr. 3.41 Příklady řešení koncových styčníků dolního pásu: a) styčník se zaoblením pásnice krajní diagonály s velkým poloměrem u svařované konstrukce, b) styčník se zaoblením pásnice krajní diagonály u nýtované konstrukce, c) styčník provedený obdobně jako styčníky mezilehlé, d) styčník se zaoblením pásnice krajní diagonály s velkým poloměrem u svařované konstrukce s vyztužením pomocí krátké šikmé výztuhy Koncový styčník je možno zjednodušeně považovat za konzolu namáhanou na ohyb (viz obr. 3.42); průřez ve vzdálenosti x od působiště podporové reakce považovaný za nebezpečný musí přenést ohybový moment M = A · x a smykovou sílu V = A, krční svary pak musí přenést vodorovnou smykovou sílu Vvod úměrnou reakci A; přitom výška styčníku musí být aspoň stejná jako je výška připojovaného příčníku, což plyne z konstrukčních zásad, aby bylo možno podporový příčník bez velkých problémů připojit.
36
Obr. 3.42 Potřebná výška podporového styčníku plynoucí z přenosu účinků podporové reakce A na rameni x Koncové styčníky horního pásu mostů s dolní mostovkou a s kosoúhlými soustavami hlavních nosníků lze vytvořit rovněž dvěma základními principiálními způsoby; je-li krajní diagonála stejného průřezu jako horní pás nosníku, lze ji spojit táhlým obloukem s horním pásem (viz obr. 3.43a) nebo podobně, ovšem s jiným typem vytvarování styčníku (viz obr. 3.43c); je-li krajní diagonála podobného průřezu jako ostatní diagonály nebo svislice, lze ji připojit v zásadě stejným způsobem jako vnitřní, mezilehlé diagonály (viz obr. 3.43b). Rozdíl mezi uvedenými způsoby není ani tak statický, jako spíše konstrukční a též estetický; řešení s táhlým obloukem je vhodné u mostů bez horního zavětrování; další dva způsoby jsou vhodnější u mostů, které mají horní zavětrování, protože lépe umožňují připojení styčníkových plechů pro pruty ztužidel a zejména krajní svislici ztužidla.
Obr. 3.43 Příklady řešení koncových styčníků horního pásu: a) styčník se zaoblením, b), c) styčník s rovným pásem
37
U konstrukcí, jejichž pruty (pásy a některé diagonály) mají uzavřené průřezy, mohou mít mezipásmové pruty (hlavně diagonály) princip připojení obdobný (viz obr. 3.44) jako u mezilehlých prutů, je-li diagonála jiného průřezu než horní pás.
Obr. 3.44 Příklad řešení koncového styčníku horního pásu příhradového nosníku s uzavřenými průřezy horního pásu a krajní diagonály 3.4.3.3 Styčníky celosvařovaných příhradových nosníků V posledních dvou desetiletích jsou časté i příhradové konstrukce provedené jako celosvařované včetně montážních spojů. Vzhledem k tomu, že se svařují na staveništi, mají jisté nevýhody, které z toho vyplývají, podobně jako u jiných svařovaných konstrukcí. Svařované přípoje umožňují mnohem lépe přizpůsobit tvar styčníků tak, aby byl výhodný nejen esteticky, ale především ze statického hlediska a hlediska konstrukčního, s ohledem na nepříznivé jevy jako je únava, křehký lom apod. Svařované přípoje umožňují zejména přenos sil z jednoho prutu do druhého plynuleji a při menší spotřebě materiálu. U svařovaných příhradových nosníků se mnohem lépe uplatní jednostěnné průřezy prutů než u nosníků se šroubovými spoji; např. pásnice diagonál lze spojit přímo s pásnicemi pásových prutů (viz obr. 3.45). I nosníky s dvoustěnnými pásy lze efektivně provádět jako celosvařované; např. ke styčníkovým plechům lze přivařit nejen pásnice diagonál, ale i jejich stěny (viz obr. 3.46), a tak jsou všechny části průřezu připojeny přímo. Přímé a zejména plynulé připojení prutů ve styčníku velmi významně snižuje lokální koncentrace napětí; hladký a velmi málo členěný povrch nosníku a styčníků působí vzhledově příznivě, ale zejména přispívá ke snadnější údržbě, což přímo souvisí s trvanlivostí mostní konstrukce, která se tak zvyšuje; výroba je však poněkud náročnější na finanční náklady, protože svařování při současné nutnosti dodržování velké přesnosti je pracné a tím zpravidla i dražší než spoje třecí.
38
Obr. 3.45 Příklady řešení styčníků celosvařovaného příhradového nosníku s jednostěnnými průřezy pásových prutů i diagonál: a) koncový styčník, b) mezilehlý styčník
Obr. 3.46 Příklad řešení styčníku celosvařovaného příhradového nosníku s dvoustěnnými průřezy pásových prutů a jednostěnnými průřezy diagonál I nosníky s uzavřenými průřezy pásů i diagonál lze provádět jako celosvařované; kromě přípojů mezipásových prutů je třeba řešit také montážní spoje, např. montážní spoj horního pásu uzavřeného průřezu včetně řešení detailů (viz obr. 3.47); detail na obr. 3.47 je vhodný z hlediska únavy, protože se v něm nevyskytují žádné příčné koutové svary. Na koncích prutů a v odpovídajících místech styčníkových plechů se někdy vrtají otvory pro montážní šrouby, které slouží pro provizorní připojení ještě před montážním svařováním, a to pomocí příložek, které se po montáži odstraní.
Obr. 3.47 Montážní spoj horního pásu uzavřeného průřezu
39
3.5 Konstrukční detaily příhradových hlavních nosníků 3.5.1 Přípoje mostovky k příhradovým hlavním nosníkům V rámci přípojů mostovky k hlavním nosníkům je u příhradových nosníku třeba řešit především připojení příčníků k pásům hlavních nosníků.
Obr. 3.48
40
Obr. 3.49
41
Obr. 3.50
42
U mostů s prvkovou (otevřenou) mostovkou se pro připojení příčníků nejčastěji používají čelní desky nebo připojovací úhelníky (viz obr. 3.51), podobně jako u hlavních nosníků plnostěnných. Má-li soustava příhradového hlavního nosníku svislice, je konstrukční řešení přípoje jednodušší, a proto soustavy bez svislic doplňujeme často podružnými svislicemi. Přípoj by měl být dostatečně tuhý a spojovací prostředky by neměly být přemáhány; toho lze dosáhnout dostatečnou výškou přípoje, kterou lze zajistit použitím koutových výztuh (plechů); provedení plechů u svařovaných konstrukcí je vcelku jednoduché(viz obr. 3.51a, 3.51b, 3.51c), lze je porovnat s mnohem složitějším konstrukčním řešením tohoto detailu u nýtovaných konstrukcí (viz obr. 3.51d). Význam a výhoda zobrazeného provedení koutových výztuh je v tom, že síly ze stěny příčníku přecházejí do stěny svislice přímo a nenamáhají nýty na tah; je však vidět, že pracnost a členitost tohoto detailu u svařované konstrukce je podstatně nižší. Připojení příčníku pomocí čelní desky je konstrukčně jednodušší než pomocí úhelníků, je však náročné na výrobu, a to především na její přesnost z hlediska dodržení délky příčníků; i v důsledku svařování může dojít k nesnázím, protože deska se vlivem jednostranných koutových svarů deformuje; z toho důvodu se často jeví jako vhodnější připojení pomocí úhelníků (viz obr. 3.52), přestože je náročnější na spotřebu materiálu. U hlavních nosníků s uzavřenými průřezy pásových prutů je připojení příčníků složitější, protože vnitřní prostor pásu není přístupný; to lze řešit několika způsoby (viz obr. 3.53): - vyříznutím montážního otvoru v pásovém prutu ve styčníku; tak se získá přístup dovnitř pásu a příčník lze připojit obvyklým způsobem (viz obr. 3.53a); pás se musí uzavřít po stranách diafragmaty a otvor zavřít víkem s těsněním; nevýhodou tohoto řešení je skutečnost, že otvor velmi zeslabuje pásnici a svary diafragmat působí jako vruby, a proto je třeba podstatně zvětšit tloušťku pásnic i stěn; - připojením příčníku jen po části jeho výšky (viz obr. 3.53b); přípoj sice eliminuje nevýhody předchozího řešení, ale za cenu jiných nevýhod; na okrajích výřezu ve stěně dochází ke koncentraci napětí a tím se sníží únosnost přípoje na únavu, a proto není toto řešení vhodné pro mosty příliš namáhané na únavu jako jsou hlavně mosty železniční, a mosty velkých rozpětí s velkou výškou pásových prutů; - vyhnutím konců příčníků vzhůru a jejich připojením až nad úrovní pásového prutu (viz obr. 3.53c); příčník je opatřen ostruhou připojenou ke styčníkovému plechu podélného ztužidla a stěna příčníku se musí vyztužit; přípoj sice vyhovuje požadavku na plynulý tok sil, je však ve srovnání s ostatními způsoby řešení velmi pracný; - přivařením svislého plechu ke styčníkovému plechu a s tímto svislým plechem stykujeme stěnu příčníku (viz obr. 3.53d); toto řešení je vhodné ze statického hlediska, vlivem větší pracnosti a větší spotřeby materiálu je však značně nákladné; - návrhem prutů mostovkového pásu jako uzavřených jen mezi styčníky a ve styčnících přechodem k průřezu otevřenému (viz obr. 3.53e); tím se však částečně znehodnocuje výhoda uzavřených průřezů, protože se
43
tak zvětšuje nátěrová plocha právě ve styčnících, kde je pro špatnou přístupnost obtížnější; složitější je i průběh vnitřních sil.
Obr. 3.51 Příklady řešení přípoje příčníku k hlavnímu nosníku s otevřenými průřezy pásů; 1 – výřez v horní pásnici příčníku, 2 – koutová výztuha Posledně jmenované varianty lze použít spíše u mostů s mostovkou v poloze horní; u dolních pásů by stažení pásnic dovnitř styčníku vytvářelo vanu pro vodu, což je nevhodné z hlediska trvanlivosti konstrukce; v tom případě je lépe navrhnout uzavřené jen horní pásy a dolní pásy ponechat otevřené.
44
Obr. 3.52 Řešení přípoje příčníku k hlavnímu nosníku u horní mostovky pomocí úhelníků
Obr. 3.53 Příklady řešení přípoje příčníku u příhradového hlavního nosníku s uzavřenými průřezy pásových prutů: a) montážní otvor v pásovém prutu ve styčníku, b) připojení příčníku jen po části jeho výšky, c) vyhnutí konců příčníků vzhůru a jejich připojení až nad úrovní pásového prutu, d) svislý plech přivařený ke styčníkovému plechu, e) uzavřené průřezy jen mezi styčníky, ve styčníku otevřený průřez Popsané problémy s připojením příčníku nenastávají u celosvařovaných konstrukcí, protože u nich lze příčníky přivařit a není nutné mít přístup dovnitř uzavřeného průřezu pásu.
45
Dříve se navrhovaly i pro poměrně malá rozpětí železničních mostů příhradové hlavní nosníky; u nich lze uložit mostnice přímo na horní pásy hlavních nosníků, tedy bez příčníků a podélníků (jak se to používá i u konstrukcí s plnostěnnými hlavními nosníky); pak jsou pásy hlavních nosníků namáhány i ohybem od mimostyčně působícího zatížení vnášeného do pásů přímo přes mostnice; to si pak vyžaduje větší výšku průřezů pásových prutů. Jsou i případy, kdy je na pásy příhradových hlavních nosníků uložena železobetonová deska a může s nimi být i spřažena; tak se i zde obejdeme bez nosníků mostovky (příčníků a podélníků). Stejně tak je možné i přímé připojení ocelové deskové mostovky s přímým uložením koleje k pásům hlavních nosníků.
3.5.2 Montážní spoje příhradových hlavních nosníků Montážní spoje příhradových nosníků je třeba umísťovat do takové polohy, aby tak vzniklé montážní (a také přepravní) dílce měly takové rozměry a takovou hmotnost, aby nezpůsobovaly komplikace při dopravě a při montáži; to je dáno velikostí přepravovaných dílců, které lze dovézt po železnici nebo po silničních komunikacích. Protože tyto rozměry jsou omezené velikostí dopravních prostředků a charakterem dopravní cesty, znamená to u příhradových nosníků, že je třeba dělit je na menší části, protože celé příhrady zpravidla nelze dopravit. To znamená, že zpravidla mezipásové pruty tvoří samostatné montážní dílce, dílce pásových prutů mohou být tvořeny delšími kusy přes několik příhrad. Při montáži konstrukce na lešení se sestaví nejprve dolní pás, poté se osadí mezipásové pruty a nakonec horní pás. Rozmístění třecích montážních spojů je dáno rozpětím konstrukce a také tvarem hlavního nosníku a konkrétním uspořádáním příhrad (viz obr. 3.54); vhodné rozmístění montážních styků se volí tak, aby styky pásových prutů byly vždy na méně namáhané straně styčníků (viz obr. 3.54a); nevhodné rozmístění na opačné straně styčníků (viz obr. 3.54b) vede k větší spotřebě spojovacího materiálu a tím k nehospodárnosti konstrukce.
Obr. 3.54 Rozmístění montážních spojů pásových prutů při montáži na lešení: a) vhodné rozmístění vedoucí k úspoře materiálu, b) méně vhodné rozmístění vedoucí k větší spotřebě materiálu a menší hospodárnosti Při montáži konstrukce letmo lze postupovat v podstatě třemi základními způsoby: - montáž od středu rozpětí k opěrám; - montáž od obou opěr současně ke středu rozpětí; - montáž od jednoho konce pole k druhému.
46
Při použití montáže letmo je třeba rozmístit styky tak, aby v průběhu montáže nevznikaly tvarově neurčité části, které by mohly znamenat změnu tvaru nosníku; proto musí styk pásového prutu ležet vždy až za styčníkem ve směru postupu montáže (viz obr. 3.55), čímž se liší poloha montážních styků ve zmíněných třech variantách.
Obr. 3.55 Rozmístění montážních styků při montáži letmo: a) montáž od středu rozpětí k opěrám, b) montáž od obou opěr současně ke středu rozpětí, c) montáž od jednoho konce pole k druhému. Jsou-li k dispozici vhodné montážní mechanismy, lze konstrukci montovat letmo nejen po jednotlivých prutech, ale po větších celcích, které se před tím sestaví na pracovní montážní plošině; např. lze dílec vytvořit z pásového prutu a dvou prutů mezipásových; při rozmístění styků je třeba sledovat i velikost průhybu přečnívajících částí pásu během montáže, protože větší průhyb volného konce komplikuje montáž; podle toho je třeba volit případně i montážní spoj pásových prutů v každém styčníku.
3.5.3 Nadvýšení příhradových hlavních nosníků Nadvýšení příhradových hlavních nosníků se realizuje změnou délek jednotlivých prutů (viz obr. 3.56); tlačené diagonály j třeba prodloužit, tažené diagonály naopak zkrátit; vodorovné pásové pruty zůstanou délkově beze změny, stejně tak délka svislic patřících do soustavy se nemění; délka podružných svislic se může vhodně upravit a tím zmenšit velikost podružných napětí, která v pásech vznikají prodloužením nebo zkrácením svislic při zatížení nosníku; proto se závěsné svislice zkracují, podpěrné se prodlužují. Tvar hlavního nosníku změněný v důsledku nadvýšení se ve výkresové dokumentaci značí pouze schématicky; ve výrobních výkresech se nadvýšení nekreslí, pouze se kótují délky prutů s ohledem na nadvýšení.
47
Obr. 3.57 Výrobní nadvýšení příhradových hlavních nosníků
3.6 Stabilita tlačených pásů otevřeně uspořádaných mostů s mostovkou v poloze dolní
48
49
50
51
52
53
3.7 Průhyb příhradových hlavních nosníků
54
4
Mostní vybavení
55
56
57
58
59
60
61
62
Příhradové trámové mosty
5
Závěr
5.1 Shrnutí V tomto modulu studijní opory BO09 Kovové mosty I je uvedena zejména problematika trámových mostů s příhradovými hlavními nosníky. Je zaměřena na výhody a nevýhody jednotlivých typů příhradových soustav, dále na statické a konstrukční řešení příhradových hlavních nosníků, a to především s důrazem na dodržování obecných pravidel pro konstruování styčníků a dalších přípojů příhradových konstrukcí, které jsou u ocelových mostů komplikovány problémy únavového namáhání, křehkého lomu apod. Obecné zásady jsou doplněny ilustrativními příklady řešení příčných řezů, styčníků a detailů obvykle používaných v konstrukcích typických pro ocelové příhradové mosty. Další problematikou uvedenou v tomto modulu je mostní vybavení, tzn. mostní ložiska, mostní závěry, revizní zařízení, zábradlí, svodidla, osvětlení a další zařízení nezbytná pro správnou provozní funkci mostu s ohledem na jeho konkrétní využití.
- 63 (64) -
6
Studijní prameny
6.1 Použitá literatura [1]
Pechar, J., Bureš, J. a Schindler, A. Kovové mosty. SNTL / ALFA, Praha, 1990. ISBN 80-03-00523-X.
[2]
Schindler, A. Bureš, J. a Pechar, J., Navrhování ocelových mostů. SNTL / ALFA, Praha, 1980.
[3]
Janda, L., Kleisner, Z. a Zvara, J. Betonové mosty. SNTL / ALFA, Praha, 1988.
[4]
ČSN 73 6201 Projektování mostních objektů, ČNI Praha, 1995.
[5]
Holý, M. a kolektiv Stavby mostů, propagační materiál, Vojenské stavby Praha, a.s. & Hutní montáže Ostrava, a.s., 2000.
6.2 Doplňková studijní literatura [6]
Ryal, M.J., Parke, G.A.R. and Harding, J.E. (editors) Manual of Bridge Engineering, Institute of Civil Engineers, Thomas Telford ltd., London, 2000. ISBN 0 7277 2774 5.
6.3 Odkazy na další studijní zdroje a prameny [7]
SCI – The Steel Construction Institute, Ascot, U.K. ESDEP – European Steel Design Education Programme, CD ROM, ESDEP Society, 2000.
64
