Solutii eficiente pentru poduri compuse otel-beton in Romania

La momentul actual, in Romania grinzile din beton prefabricate precomprimate sunt preferate de majoritatea antreprenorilor, atunci cand construiesc poduri noi. Motivul principal este, bineinteles, aspectul financiar, dar faptul ca grinzile prefabricate sunt usor de montat pe santier reprezinta, de asemenea, un avantaj. Abia dupa o anumita lungime a deschiderilor podurilor, atunci cand grinzile precomprimate din beton devin greu de transportat si manevrat, suprastructurile compuse otel-beton devin atractive. Grinzile din otel pot fi impartite in tronsoane si asamblate la lungimea finala pe santier. In continuare, pentru placa din beton, se pot adopta solutii inteligente, pentru a crea un sistem rapid, cu putine sau chiar fara cofraje prin folosirea prefabricatelor.

Articolul va prezenta solutia VTR® pentru poduri compuse otel-beton, cu un grad ridicat de prefabricare, precum si studii de caz cu poduri construite in Romania, la care s-a implementat aceasta solutie.

Alegerea solutiei tehnice pentru un pod va tine cont de aspecte precum: durabilitate si robustete structurala, executie rapida si usoara, costuri de construire si de mentenanta reduse.

Podurile compuse otel-beton sunt structuri avantajoase, care se folosesc de proprietatile materialelor intr-un mod optim. Intinderea este preluata de grinzile din otel, iar compresiunea, de placa din beton. Otelul este, insa, un material costisitor, atat la achizitie, cat si in perioada de exploatare a structurii, necesitand periodic refacerea protectiei anticorozive.

Solutia utilizata cel mai frecvent in Romania pentru suprastructurile de poduri este cea din beton, cu grinzi ”I” din beton prefabricate precomprimate si placa de suprabetonare (fig. 1). Avantajele sunt numeroase, cele mai importante fiind costul redus de producere si faptul ca sunt usor de montat pe santier. Aceste avantaje dispar, insa, daca lungimea grinzilor depaseste 36 m. Dupa aceasta lungime grinzile devin greu de transportat si manevrat. Spre exemplu, o grinda de 40 m are o greutate de aproximativ 80 tone. Pe langa greutatea mare, transportarea unei grinzi de 40 m este aproape imposibila, chiar si cu transport agabaritic, din cauza infrastructurii rutiere, in speta sensurile giratorii, curbele stranse si podurile care nu sunt pregatite sa preia greutati atat de mari. Grinzile ar putea fi tronsonate si precomprimate pe santier, insa, in acest caz, este necesara prezenta aparaturii speciale si a personalului calificat, ceea ce implica costuri suplimentare si prelungirea timpilor de executie. Pentru poduri cu deschideri mai mari de 40 m, forta de pretensionare care trebuie aplicata este mare, iar in multe cazuri, sectiunea redusa a grinzilor „I” nu mai permite introducerea numarului necesar de toroane.

Pentru deschideri mai mari de 100 m suprastructurile din beton devin din nou atractive, prin utilizarea de grinzi casetate din beton, realizate din segmente pretensionate. Tehnologia necesara pentru realizarea acestor tipuri de suprastructuri nu este insa raspandita in Romania. In alte tari, cu proiecte de infrastructura de transport majore, aceasta se foloseste in mod regulat (fig. 2).

Atunci cand costul producerii suprastructurilor din beton nu mai este avantajos, podurile compuse otel-beton devin atractive. Exista si situatii speciale in care grinzile din otel sunt mai potrivite, indiferent de deschiderea podului, datorita flexibilitatii in ceea ce priveste forma. Spre exemplu, grinzile din otel se pliaza pe gradientul drumului atat in plan, cat si pe verticala. Din acest motiv, sunt utilizate pentru structurile cu curburi pronuntate in plan sau pe verticala.

In continuare, alegerea solutiei ar trebui facuta astfel incat otelul sa fie folosit cat mai eficient din punct de vedere al robustetii structurale si al consumului de material, executia sa fie cat mai simpla si rapida, iar intretinerea pe parcursul exploatarii sa fie realizata cu efort si costuri minime. Aceste valori stau la baza solutiei VTR® (ger. VerbundTrägerRost – retea de grinzi) pentru poduri compuse otel-beton, potrivita pentru deschideri cuprinse intre 40 si 100 m.

Grinzile metalice vor fi alcatuite dupa o serie de reguli de baza:

• Imbinarile vor respecta standardele in vigoare cu privire la detaliile de oboseala;
• Se realizeaza teste pentru stabilirea calitatii materialului si a tehnologiei de sudura;
• Se vor minimiza suprafetele expuse la efectele coroziunii;
• Se va alege un sistem durabil pentru protectia anticoroziva.

Solutia VTR® (fig. 3) respecta reperele geometrice indicate mai sus, prin folosirea unor grinzi metalice casetate, cu sectiune inchisa. Nu se folosesc contravantuiri sau rigidizari expuse, iar singurele suprafete supuse factorilor externi sunt plane (fetele vazute ale inimilor si ale talpii inferioare). Grinzile din otel se produc in uzina de confectii metalice pe tronsoane, care sunt apoi transportate pe santier.

Cu ajutorul personalului calificat de la uzina, tronsoanele sunt imbinate prin sudare la lungimea finala pe santier. Datorita formei simple a grinzilor, sudarea pe santier este usurata, iar aspectul structurii este ingrijit, modern si placut. Aceasta operatie este mai accesibila si mai facila decat pretensionarea executata pe santier a tronsoanelor de grinzi precomprimate.

In ceea ce priveste dala de beton, solutia VTR® are ca scop executia cat mai rapida, cu putine sau chiar fara cofraje, prin folosirea prefabricatelor.

Fazele de executie ale solutiei VTR®

Sistemul VTR® se foloseste de metoda realizarii unei retele de grinzi inca din faza de constructie, formata in directie longitudinala din grinzi principale din otel si in directie transversala din grinzi secundare – antretoaze. Diferenta fata de modul obisnuit de a realiza sistemul de grinzi este folosirea de antretoaze prefabricate din beton armat in locul antretoazelor din otel. Acest fapt usureaza semnificativ procesul de construire, nemaifiind nevoie ca antretoazele sa fie sudate pe santier si reduce costurile totale ale constructiei. Avantajul unei astfel de retele este realizarea unei legaturi intre grinzile principale si asigurarea stabilitatii in directie transversala inca din faza de constructie [1].

Suprastructurile VTR® sunt compuse din module prefabricate conectate cu beton monolit. Fazele de executie sunt urmatoarele [2]:

1. Grinzile din otel sunt realizate in uzina si apoi transportate pe santier. Sunt prevazute pe talpa superioara cu conectori tip gujon. Doua astfel de grinzi dispuse pe directia longitudinala reprezinta grinzile principale ale unui tablier (fig. 4).
2. Antretoaze prefabricate din beton armat sunt asezate pe grinzile principale. Acestea au goluri la intersectia cu grinzile din otel pentru patrunderea conectorilor.
3. Carcase de armatura prefabricate sunt dispuse intre antretoaze, pe talpa superioara a grinzilor din otel (fig. 5).
4. Se betoneaza deasupra grinzilor din otel pana la nivelul antretoazelor prefabricate, creandu-se astfel reteaua de grinzi compusa otel-beton (fig. 6).
5. Placi prefabricate din beton armat sunt dispuse pe reteaua de grinzi. Acestea pot avea inaltimea finala a placii de suprabetonare sau doar jumatate (fig. 7).
6. Se introduc armaturi de legatura in spatiile dintre placi si deasupra acestora (dupa caz). Rosturile generoase permit suprapunerea si ancorarea armaturilor (fig. 7).
7. Se betoneaza spatiile dintre placi si deasupra acestora (dupa caz), cofraje fiind necesare doar pe partile laterale.
8. In ultima faza are loc echiparea podului (fig. 8).

Studii de caz Structuri realizate pe reteaua de infrastructura rutiera in Romania

• Pod peste raul Mures pe varianta de ocolire a Devei

Sistemul VTR® a fost introdus pentru prima data in Romania in anul 2012, atunci cand a fost aplicat pentru podul peste raul Mures, cu lungimea de 720 m (fig. 9) de pe varianta de ocolire a Devei (Autostrada A1). Experienta a fost pozitiva, structura fiind finalizata inainte de termen [2]. Podul este curb, cu raza de 1.800 m si are 12 deschideri de cate 60 m. Sistemul static este de tip pod semi-integral, in 3 axe centrale pilele sunt prinse monolit de suprastructura, in restul axelor podul fiind asemenea unei grinzi continue. Rosturi de dilatatie au fost folosite doar in dreptul culeelor.

Conform cerintelor beneficiarului s-a efectuat o incercare in situ a structurii, cu un convoi de autocamioane A30 (incarcate cu 30 t, dispuse in cele mai nefavorabile pozitii (fig. 10). Au fost masurate eforturile in puncte semnificative ale structurii si deformatiile acesteia. In final a rezultat ca structura are un comportament bun, intre deformatiile masurate si cele calculate fiind o buna concordanta.

• Viaduct peste CF si DN7 pe sectorul Orastie – Sibiu

Al doilea pod realizat folosind acest sistem este viaductul de pe sectorul de autostrada A1, Orastie – Sibiu, lotul 1, dat in folosinta in anul 2014 (fig. 12). Acesta strabate in oblicitate severa, la un unghi de aproximativ 33°, calea ferata dubla si DN 7. Lungimea totala este de 240 m, cu deschideri variabile intre 28 m si 40 m. In sistemul VTR® pilele au forma unor stalpi dispusi sub fiecare grinda principala, motiv pentru care infrastructura poate urma unghiul oblic. In acest caz toate pilele sunt prinse monolit de suprastructura, aparate de reazem si rosturi de dilatatie fiind introduse doar in dreptul culeelor [1].

Grinzile metalice s-au realizat in uzina pe tronsoane de aproximativ 20 m si au fost ulterior sudate la lungimea finala la sol, pe santier. Grinzile au fost ridicate deasupra caii ferate cu intreruperi minime de trafic (fig. 11). Nu au fost necesare turnuri temporare de sprijinire, si nu s-au facut suduri in situ, in pozitia deasupra liniilor de cale ferata.

• Pasaj peste CF Simeria – Vintu de Jos pe DN7

Pasajul este amplasat pe lotul Simeria – Vintu de Jos, pe tronsonul Coslariu – Simeria de cale ferata la km CF 457+431 si asigura continuitatea drumului DN7. Structura a fost finalizata in anul 2018.

Acesta este, de asemenea, un pod semi-integral cu suprastructura VTR®, are lungimea de 184 m si intersecteaza calea ferata la un unghi de doar 19°. Axele pilelor urmeaza oblicitatea, motiv pentru care pilele, sub forma unor stalpi cu articulatie la partea superioara, au un decalaj de 20 m in zona caii ferate. Lungimea deschiderilor variaza, cea mai mare fiind de 48 m (fig. 13).

Structuri in curs de realizare

Pe sectorul Sebes – Turda, lotul 2 al autostrazii A10, se construiesc in momentul de fata 3 poduri sau pasaje cu lungimi mai mari de 200 m folosind sistemul VTR®.

• Pasaj km 26+350

Pasajul de autostrada de la km 26+350 trece peste 3 linii de cale ferata electrificate, CF300 si linia dubla CF201 la un unghi de 31°. Lungimea totala este de 217 m (fig. 14), cu 6 deschideri (28 + 32 + 48 + 40 + 28 + 28 m). Indicele de consum al otelului pe pod este de 171 kg/m2 (kg/arie tablier), grinzile metalice avand inaltimea constanta de 1,60 m.

Structura este integrala avand o legatura rigida intre suprastructura si infrastructura. Din lipsa aparatelor de reazem pe intreaga structura, deformatiile longitudinale sunt preluate de coloane cu rol de pendule dispuse la culee. Rosturi de dilatatie sunt prevazute doar in dreptul culeelor, intre pendule si zidul de garda (fig. 15). In restul axelor pilele au forma regulata, dreptunghiulara. Conexiunea rigida dintre infrastructura si suprastructura se realizeaza prin betonarea nodurilor de cadru.

• Pod km 34+750

Podul de autostrada peste raul Mures, de la km 34+750 are o lungime de 268 m, cu 7 deschideri (28 + 33 + 33 + 80 +33 + 33 + 28 m). Pentru cele 3 deschideri mediane s-a optat pentru o suprastructura compusa VTR®, in timp ce pentru restul deschiderilor s-au folosit grinzi prefabricate pretensionate (fig. 16). Podul este semi-integral, avand aparate de reazem si rosturi de dilatatie in dreptul culeelor. Pilele sunt incastrate, cu exceptia celor mediane de la deschiderea de 80 m, unde s-a realizat o articulatie din beton intre suprastructura si infrastructura (fig. 17).

Grinzile metalice folosite la deschiderile VTR® au inaltime variabila intre 1,20 m si 2,60 m. In faza de construire sunt prevazute turnuri de sprijinire temporare pentru deschiderea de 80. Turnurile vor fi pozitionate la distanta de 60 m, pe malurile Muresului. Dupa sudarea tronsonului median cu L = 60 m de grinzile marginale, turnurile vor fi indepartate. Pe deschiderile compuse restul fazelor se vor desfasura conform sistemului VTR®.

Imbinand doua solutii constructive, grinzi pretensionate din beton pentru deschiderile mici si suprastructura compusa pentru deschiderile mari, s-a obtinut o structura avantajoasa.

• Pod km 40+200

Podul de autostrada de la km 40+200, peste raul Mures, s-a realizat in intregime cu sistemul VTR®. Lungimea totala este de 212,80 m si are 4 deschideri (46 + 55 + 55 + 42,90 m). Podul este curb, cu raza in plan de doar 800 m. Grinzile metalice preiau aceasta curbura, iar antretoazele sunt dispuse radial. Podul este si oblic, infrastructurile fiind decalate astfel incat sa urmeze malurile Muresului (fig. 18).

Sistemul static este semi-integral, cu doua axe ale pilelor legate monolit de suprastructura, iar in restul cazurilor, o axa de pila si cele doua culee, au fost introduse aparate de reazem. Rosturi de dilatatie au fost necesare si in acest caz doar in dreptul culeelor.

Solutia VTR® in viitor

Structurile prezentate in capitolul „Studii de caz” au fost proiectate in solutie VTR®, insa fiecare are particularitatile ei in ceea ce priveste lungimea, deschiderile, oblicitatea sau schema statica. Acest lucru indica faptul ca solutia este adaptativa, putand fi utilizata in situatii diverse. Urmatorul pas in realizarea acestor suprastructuri isi propune sa se plieze si mai mult pe cerintele executantilor si sa elimine necesitatea transporturilor agabaritice pentru prefabricatele din beton, sa simplifice executia si sa elimine in totalitate cofrarea suprastructurii.

Sistemul va avea acelasi principiu, insa vor aparea cateva modificari:

• Antretoazele prefabricate nu vor mai avea sertare de monolitizare deasupra grinzilor;
• Distantele dintre antretoazele prefabricate vor fi mai mici si, totodata, dimensiunile in sectiune vor fi mai mici;
• Nu vor mai exista armaturi de legatura, care ies din antretoaze in directia longitudinala a grinzilor principale; se pastreaza armaturile de legatura prevazute pe verticala pentru placa (fig. 20); in acest fel producerea in uzina de prefabricare si transportul pe santier al antretoazelor vor fi simplificate.
• In zona de camp a fiecarei deschideri placile prefabricate vor avea grosimea finala a placii;
• In zona de reazem placile prefabricate vor avea rol de predala, iar placa se va arma si betona monolit;
• Suprastructura va fi marginita de reborduri prefabricate din beton armat ancorate in antretoaze si placi prefabricate; rebordurile se dispun inainte de monolitizarea placii, nemaifiind necesare cofraje (fig. 21).

Concluzii

Structurile compuse otel-beton sunt avantajoase, atunci cand sunt utilizate in situatiile corecte. Datorita grinzilor metalice din componenta acestora, ele sunt potrivite in situatii diverse, chiar si atunci cand infrastructura este dispusa oblic, sau cand gradientul drumului presupune realizarea unei suprastructuri curbe.

Sistemul modular VTR® simplifica mult munca pe santier prin utilizarea de prefabricate si a grinzilor casetate cu sectiune inchisa, iar necesarul de cofraje este foarte redus. Pe langa avantajele din timpul construirii, mentenanta acestor structuri este minima prin reducerea suprafetelor care vor necesita refacerea protectiei anticorozive. Prin exemplele prezentate in aceasta lucrare se observa ca solutia este dinamica, se dezvolta continuu si se adapteaza la fiecare situatie.

Imbinand acest sistem cu structuri de tip cadru, poduri integrale sau semi-integrale, se pot obtine structuri atractive atat pentru beneficiari, cat si pentru constructori.

Referinte

[1] Metes, E., Alupoaie, D., Retter, G., Enache, S., Petzek, E., Dezvoltarea de sisteme moderne pentru poduri compuse in Romania, Al XV-lea congres national de drumuri si poduri, Iasi, 2018;

[2] Petzek, E., Metes, E., Turcan, A., Schmitt, V., New Integral and Semi-integral Bridge Solutions for the Romanian Highways and Motorways, Bridges in Danube Basin, EDIS, University of Zilina, ISBN 978-80-554-1249-8, pp. 111-112, 2016.

[3] www.lisea.fr.

[4] www.ziarulunirea.ro.

Autori:
Elena Metes – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor, SC SSF-RO SRL
Daniel Grecea – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor, Academia Romana – Filiala Timisoara
Edward Petzek – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor, SC SSF-RO SRL 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 162 – septembrie 2019, pag. 53