Príklad železobetonových konštrukcií zabezpečujúcich ostrý svah

1. Úvod

Projekt Vydrica sa nachádza v centre hlavného mesta pod bratislavským hradom. Na území od nábrežia smerom k hradu boli v prvej fáze projektu vsadené do terénu, s výrazne stúpajúcim charakterom, tri objekty a ulica bývalého Oeserovho radu. V prvej etape projektu, na dĺžke približne 170 m, v danom teréne vznikol zárez výšky cca 20–35 m, ktorý bolo potrebné trvalo zabezpečiť. Zárez do skalného brala v takomto rozsahu podľa STN EN 1997 spadá do 3. geotechnickej kategórie [2].

Geologicky je hradný kopec tvorený povrchovými vrstvami navážok a sutí (cca 1–2 m), pod ktorými je podložie tvorené skalnými horninami, ktoré smerom k Dunaju postupne upadajú a v spodných úrovniach sa vyskytujú vrstvy štrkov. Z podrobného inžiniersko-geologického prieskumu, po zrealizovaní jadrových vrtov z hornej úrovne zárezu, boli stanovené parametre hornín do výpočtov.

Na základe výpočtov z programov pre návrh geotechnických konštrukcií, bolo navrhnuté riešenie stability brala pomocou technológie malo-profilového vŕtania a striekaného betónu. Pre zabezpečenie stability bola navrhnutá sústava kotevných prvkov so železobetónovými konštrukciami, ktoré budú spolu tvoriť trvalé zabezpečenie brala. Paženie bolo navrhnuté tak, aby zohľadňovalo všetky požiadavky po statickej aj estetickej stránke.

2. Návrh stabilizácie

Návrh a následná realizácia spočívala v stabilizovaní jednotlivých etáži výkopu, trvalými kotevnými prvkami rôznych dĺžok podľa statického výpočtu a dočasným torkrétom (vystuženým striekaným betónom). Následne trvalú funkciu preberajú železobetónové konštrukcie.

Plánovaná ulica Oeserovho radu rozdeľuje zárez na dve časti. V hornej časti zárez dosahuje výšku cca 4–17 m a v spodnej časti výšku cca 18 a 16 m. Horná časť zárezu (nad úrovňou ulice) je zabezpečená trvalými horninovými klincami s dočasným torkrétom a trvalou železobetónovou stenou. Zároveň v potrebných úrovniach je zárez stabilizovaný trvalými lanovými kotvami so železobetónovými nosníkmi. Finálny vzhľad konštrukcie dotvára predsadený kamenný múr. V spodnej časti sú navrhnuté trvalé horninové klince s trvalým torkrétom a trvalé lanové kotvy v potrebných úrovniach so železobetónovými hlavicami. Pod úrovňou ulice je spodná časť zárezu ukrytá za budovami, avšak priestor medzi budovami a zárezom nebude zasypaný, ale zostáva prázdny a trvalo prístupný pre monitoring a trvalú kontrolu kotiev.

2.1 Definovanie parametrov výpočtu

Obr. 1 – Posúdenie stability zárezu metódou Wedge (Skava consulting)

Na základe parametrov horninového prostredia a zadanej geometrie zárezu boli realizované výpočty, a pre každý rez navrhnuté kotevné prvky a k nim prislúchajúce kotevné sily. Výpočty boli realizované vo viacerých programoch, tak aby čo najlepšie vystihovali skutočné podmienky na stavbe. Sústava kotevných prvkov spolu vytvára vystuženie podložia, ktoré pôsobí ako gravitačný múr značnej hrúbky (obr. 1), a zabezpečuje stabilitu zárezu.

Navrhnutá sústava kotevných prvkov musela spĺňať stanovený celkový potrebný stabilizačný odpor na bm rezu pažiacej konštrukcie (v kN/m). Zároveň bol z výpočtu definovaný zemný tlak na celú konštrukciu paženia. Z programu vychádza návrhová hodnota zemného tlaku (v kN/m²), ktorý pôsobí na pažiacu konštrukciu rovnomerne po celej jej výške, tzn. plošne na navrhovanú opornú konštrukciu.

Pri návrhu samotnej železobetónovej steny, ktorá tvorí zabezpečenie hornej časti zárezu, bolo potrebné zohľadniť pôsobiaci zemný tlak a zároveň musela byť stena posúdená a navrhnutá na prenesenie kotevných síl, od horninových klincov (pasívnych prvkov). Pasívne prvky prenášajú silu po celej svojej dĺžke plášťovým trením. Avšak pre kotevný detail, ktorý je zaintegrovaný do steny, je potrebné uvažovať pri pretlačení s maximálnou hodnotou únosnosti výstuže klinca, ktorá by potencionálne mohla prísť do kotevnej hlavy. Všetky pasívne prvky sú navrhnuté v dvojitej antikoróznej ochrane pre zabezpečenie trvalej funkcie.

Okrem pasívnych prvkov tvoria podstatnú časť stabilizácie trvalé aktívne kotevné prvky. Pre každý rez paženia boli navrhnuté trvalé lanové kotvy, s počtom lán v rozmedzí od 5-lanových až po 19-lanové, rôznych dĺžok, v závislosti od statického výpočtu daného rezu. V jednotlivých kotevných úrovniach boli následne navrhnuté žb. nosníky alebo hlavice a trvalé lanové kotvy predopnuté na požadované sily. Trvalé lanové kotvy sú navrhnuté s dopínateľnými kotevnými hlavami, čo umožňuje v prípade potreby, na základe vyhodnotení monitoringu, ich dopnúť, prípadne uvoľniť. Preto pre každý typ kotvy boli stanovené kotevné a skúšobné sily, na ktoré boli navrhnuté jednotlivé železobetónové konštrukcie (nosníky a hlavice).

Vzhľadom na širokú škálu navrhnutých prvkov (pasívne/ aktívne, rôzny typ ocele a priemery výstuže, počet lán pri lanových kotvách), bolo potrebné navrhnúť pre každý prvok kotevný detail, tak aby plnil trvalú funkciu stability zárezu.

3. Návrh a tvorba modelu železobetónových konštrukcií

Prístup k návrhu jednotlivých žb. konštrukcií závisel najmä od skutočnosti, či sa jednalo o ukončenie pasívnymi kotevnými prvkami, alebo aktívnymi kotevnými prvkami. Dimenzované boli všetky typy žb. konštrukcií – hlavice, nosníky aj steny.

V prípade pasívnych kotevných prvkov boli konštrukcie (nosníky, steny) modelované bez uváženia pružného polpriestoru – prvky boli podopreté bodovými podperami buď s nekonečnou tuhosťou, alebo ako pružné v mieste horninových klincov, resp. kotevných tyčí a zaťažené predpísaným zemným tlakom.

V prípade aktívnych (predpínaných) prvkov boli žb. prvky modelované na pružnom podloží a zaťaženie prestavovali predpínacie sily.

Príklady jednotlivých nosných žb. konštrukcií zabezpečujúcich horninové klince a kotevné tyče sú uvedené nižšie v texte.

3.1 Železobetónová stena označená ako OM1

Jedná sa o najkomplexnejšiu konštrukciu v rámci celej I. etapy. Po odťažení zárezu výšky cca 16 m na dĺžke max 170 bm, ktorý bol dočasne zabezpečený torkrétom, sa realizovala na celej tejto ploche žb. stena hrúbky 300 mm, do ktorej boli zakomponované aj kotevné nosníky (obr. 2, 3). Pre prikotvenie boli navrhnuté horninové klince s tyčovou výstužou ANP SAS 550 priemeru 25–32 mm v rastri 2×2 m, zaintegrované do žb. steny. V potrebných úsekoch boli použité pasívne tyče z vysokopevnostnej ocele typu ANP SAS 950/1050 priemeru 47 mm, s trvalou kotevnou hlavou predsadenou pred žb. stenou.

Obr. 2 – Pohľad čelný na stenu OM1

Stena je rozdelená na dilatačné celky, cca 15 bm, ktoré boli zabezpečené proti priesakom vody. Medzi torkrét a stenu bol osadený drenážny geokompozit pre odvod presakujúcej vody do odvodňovacieho potrubia v päte steny (obr. 3). V stene boli realizované po celej ploche aj odvodňovacie otvory fi 70 mm v rastri 5x5 m.

Obr. 3 – Vybrané rezy cez stenu OM1 (okrem horninových klincov v rastre 2×2 m vidieť 10- a 19-lanové nosníky, kvetináče, plošina pre odvodňovací rigol v korune, polohu drenážneho geokompozitu a odvodnenie v päte)

Železobetónová stena bola dimenzovaná z hľadiska únosnosti na charakteristické zaťaženie 50 kN/m², avšak rozhodujúce plochy výstuže pre túto konštrukciu určila kombinácia s uvážením rozdielu teplôt medzi rubom a lícom 30 stupňov (obr. 4). Keďže horninové klince v rastri 2×2 m výrazne eliminovali ohybové namáhanie žb. steny hrúbky 300 mm, aj pri zaťažení 50 kN/m² neboli potrebné plochy výstuže také veľké, ako potrebná plocha výstuže vyplývajúca z rozdielu teplôt.

Obr. 4 – Plochy vodorovnej a zvislej výstuže fragmentu OM1 reprezentujúce rozhodujúci vplyv rozdielu teplôt – ohriatia líca múru (zdroj audit OM1 – Ing. Martin Seyfert, 05.2021)

Súčasťou žb. steny sú aj žb. kvetináče realizované formou vloženej vylamovacej výstuže pri betonáži steny.

Obr. 5 – Pohľad na západnú časť OM1 (možno vidieť nosníky s 5-lanovými kotvami, nosníky s 19-lanovými kotvami, tyče WR 47 osadené pred líc múru, vylamováky pre kvetináče, odvodńovacie otvory fi 70 mm, v pozadí geodrenážna fólia medzi torkrétom a žb. stenou)

Stena bola realizovaná šplhacím debnením doka DOKA Damm Formwork, ktoré sa vo vyšších častiach kotvilo prihliadnuc k polohám horninových klincov predpísaným technologickým postupom (obr. 6).

Stena bola vo finále obložená žulou a vo vyšších častiach gabiónmi, pričom v mieste hlavíc predpínaných nosníkov boli vynechané otvory, pre kontrolu kotiev.

Obr. 6 – Technologický postup betonáže šplhacím debnením DOKA Damm Formwork

3.2 Železobetónová stena označená ako WR4 (nepredpínané – pasívne prvky)

Pôdorysne zalomená žb. stena rozmerov cca 17×4,5 m hrúbky až 800 mm (obr. 7) ukončovala pasívne tyče WR 75 (únosnosť jednej tyče na medzi klzu = 3690 kN, únosnosť na medzi pevnosti = 4572 kN) v rastri cca 1×1,5 m až 1,5×2,5 m. Keďže tyče WR 75 (ANP SAS 835/1035) sú pasívne (nepritláčali stenu predpínacími silami ku svahu) a pod pätou steny pokračoval svah, bolo potrebné tento prvok o celkovej hmotnosti 1500 kN zabezpečiť proti zosunu šikmo vŕtanými mikropilótami (viď rez A-A a B-B na obr. 7). Zabezpečilo sa tak, že celý potenciál kotevných tyčí WR 75 bude využitý na prenos zemného tlaku, a zachytenie potrebných kotevných síl na bm rezu stabilizácie brala. (návrhová hodnota zemného tlaku tu bola 78 kN/m²) a tyče nebudú namáhané prídavným šmykovým namáhaním od prípadného sadnutia steny. Šikmo vŕtané mikropilóty v päte steny zabezpečovali okrem vlastnej tiaže steny aj zvislé prídavné zaťaženie z krátkej konzoly v korune steny. Aj napriek veľkému zaťaženiu konštrukcie bola stena dobre dimenzovateľná na ohyb, jej hrúbku však určilo namáhanie šmykom.

Obr. 7 – Geometria steny WR4 v pohľade a rezoch

Obr. 8 – Vystuženie steny WR4 – bolo nutné pridať šmykovú výstuž okolo kotevných platní tyčí

3.3 Železobetónové nosníky zabezpečujúce tyče WR 75 (nepredpínané – pasívne prvky)

Prútové žb. prvky zabezpečujúce ukončenie kotevných tyčí WR 75, vo vzájomnej osovej vzdialenosti cca 1 m, s rozmerom 850×1500 mm (obr. 9) boli dimenzované jednoducho ako spojité nosníky podopreté v mieste WR tyčí tuhými podperami zaťažené rovnomerným zaťažením (obr. 10) rovnajúcemu sa približne únosnosti tyčí (cca 4300 kN/m). Nosníky boli uložené na teréne na rozdiel od WR4, takže nebolo potrebné riešiť ich podopretie prídavnými prvkami.

Obr. 9 – Tvar kotevných nosníkov WR1 – WR3 v pôdoryse a tvar nosníka W1 v pohľade a reze

Obr. 10 – Kotevné nosníky počítané jednoducho ako spojité nosníky zaťažené rovnomerným spojitým zaťažením, ktoré sa rovnalo približne únosnosti kotiev

3.4 Železobetónové nosníky s predpätými lanovými kotvami

V rámci I. etapy statického zabezpečenia bolo realizovaných 7 nosníkov kotvených 5-, 8- a 10-lanovými kotvami a 3 nosníky kotvené 19-lanovými kotvami. Nosníky boli namáhané silami od predopnutia kotevných lán (nosníky nie sú z predpätého betónu). Všetky tieto nosníky sú zaintegrované do steny OM1 (kapitola 3.1 – Obr. 2, 3). Okrem týchto 10 nosníkov boli realizované aj 3 nosníky mimo steny OM1, ich návrh z hľadiska namáhania železobetónu bol však pri všetkých rovnaký.

Nosníky s 5-, 8- a 10-lanovými kotvami, rozmerov prierezu cca 700×1000 mm sú dlhé maximálne 30 metrov, majú kotvy v jednej rade vo vzájomnej osovej vzdialenosti 2 metre. Predpínacie sily sa pri týchto nosníkoch pohybujú maximálne 1605 kN (návrhová hodnota pre jednu 10-lanovú kotvu).

Nosníky s 19-lanovým kotvami majú rozmery prierezu 1000×2000 mm pri jednoradovej variante a 1000×3000 mm pri dvojradovej variante. Ich dĺžka sa pohybuje od 10 do 30 metrov.

Nosníky boli modelované ako dosky na pružnom podloží. Hornina na kontakte s kotevnou doskou má také geotechnické parametre že, je schopná bezpečne preniesť kontaktné napätia vyvolané predpätím zemných kotiev. Hodnoty týchto napätí sa pohybujú v intervale cca 800–2 500 kPa. Maximálne zatlačenie kotevnej dosky do horniny sa nameralo v intervale 4 až 10 mm. Tieto predpokladané hodnoty kontaktného napätia a deformácii vychádzajú z odhadovanej pružinovej konštanty podložia 200 MN/m³.

Charakteristická únosnosť 19-lanovej kotvy Rtd je 4064 kN a maximálna skúšobná sila do kotvy Ppmax je 4241 kN.

Predpätie kotiev je stála zložka zaťaženia, preto pre výpočet návrhovej hodnoty bol použitý parciálny súčiniteľ zaťaženia γG = 1,35. Z uvedeného vyplýva že, hodnota návrhovej sily by mala byť 4 250×1,35 = 5 737,5 kN. Pri návrhu bola uvažovaná hodnota charakteristického zaťaženia 4250 kN a návrhové zaťaženie 6000 kN pre jednu kotvu.

Model nosníkov ako dosiek na pružnom podloží umožnil dobre vystihnúť aj ohyb v priečnom smere prierezu, ktorý bol vzhľadom na rozmery nosníkov rovnako významný ako v pozdĺžnom smere.

Obr. 11 – Nosník s 10-lanovými kotvami v pohľade

Obr. 12 – Nosník s 19-lanovými kotvami v pohľade – kotvy v dvoch radoch

Obr. 13 – Nosníky s 10-lanovými (vľavo) a 19-lanovými (vpravo) kotvami v reze

3.5 Železobetónové hlavice s predpätými lanovými kotvami

Veľká časť svahu v spodnej časti bola zabezpečená 19-lanovými kotvami so žb. hlavicami (obr. 14). Pre každú jednu 19-lanovú kotvu bola navrhnutá železobetónová hlavica s rozmermi 2×2×1 m. Maximálne kontaktné napätie pod hlavicou dosahovalo hodnotu 1,5 MPa, vypočítanú z celkového návrhového zaťaženia 6000 kN pôsobiaceho na plochu 4 m². Hlavice boli dimenzované veľmi jednoducho matematicko – analyticky ako konzolové dosky s vyložením 1 meter na toto kontaktné napätie (1500 kN/m²).

Obr. 14 – Železobetónové kotevné hlavice (vľavo), prípadne dvojhlavice – axonometria vystuženia (vpravo)

3.6 Kabelovod zabezpečený proti zosunu

Kotevné tyče boli použité okrem zabezpečenia svahu aj na zabezpečenie iných žb. konštrukcií, ako napríklad na založenie konštrukcie šikmého kabelovodu v západnej časti územia. Predmetná žb. konštrukcia v svahu bola zároveň stabilizovaná proti zosunutiu 4 ks kotevných tyčí WR 75 v spodnej a strednej časti základovej dosky kabelovodu (obr. 15).

Obr. 15 – Priečny rez konštrukciou podzemného kabelovodu v svahu zabezpečený proti zosuvu kotvami 2×2×WR 75 (vľavo) a celkový pohľad na kabelovod (vpravo)

4. Záver

Realizácia stabilizačných opatrení na stavbe Vydrica je vynikajúcim príkladom kombinácie moderných geotechnických a stavebných riešení pre zabezpečenie svahov v náročných podmienkach. Použitie trvalých lanových kotiev, pasívnych tyčí a železobetónových konštrukcií, ktoré tvoria nosníky, hlavice a steny, zabezpečilo stabilitu svahu s výrazným stúpaním terénu. Tieto opatrenia sú navrhnuté s ohľadom na dlhodobú funkčnosť a odolnosť voči geologickým vplyvom, pričom sa využívajú najnovšie technológie, ako napríklad trvalé lanové kotvy s dopínateľnými kotevnými hlavami, čo umožňuje monitorovanie a prípadnú dodatočnú reguláciu stability. Estetické a technické riešenia projektu sú v súlade s požiadavkami na ochranu pamiatkovej zóny a príkladne kombinujú bezpečnosť so zachovaním architektonickej hodnoty územia.

Toto riešenie predstavuje komplexný prístup k riešeniu geotechnických výziev v oblasti historických mestských častí a môže slúžiť ako model pre budúce projekty podobného rozsahu.

Obr. 16 – Finálny vzhľad konštrukcie s predsadeným kamenným múrom

Literatúra

1. STN EN 1992-1-1 : Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1 : Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby. Bratislava, 2006.
2. STN EN 1997-1/ Zmena A1: Eurokód 7. Navrhovanie geotechnických konštrukcií. Časť 1: Všeobecné pravidlá. Bratislava, 2014.