Dezvoltarea de sisteme moderne pentru poduri compuse in Romania

Gasirea unei solutii potrivite pentru podurile cu lungimi mari este o provocare din punct de vedere al consumului de resurse si timp. Solutiile alese trebuie sa asigure in primul rand integritatea structurala, dar timpii redusi de construire si economia de materiale fac diferenta intre o solutie eficienta si una neeficienta.

Solutia pentru poduri VTR® isi propune sa usureze munca pe santier si sa sporeasca productivitatea, fiind un sistem modular, care are la baza o retea de grinzi compusa otel-beton. Are un grad ridicat de prefabricare, iar consumul de cofraje este minim.

Aplicand acest concept alaturi de podurile integrale sau semi-integrale, structuri pe cadre, apar noi avantaje precum reducerea numarului de piloti, radiere de dimensiuni reduse, infrastructuri cu elevatii zvelte, lipsa sau reducerea numarului de aparate de reazem si echipamente de acoperire a rosturilor de dilatatie. Oferim, in cele ce urmeaza, informatii despre sistemul VTR® si va prezentam structurile la care a fost aplicat in Romania.

In Romania se construiesc sectoare noi de autostrada si apare oportunitatea de a proiecta poduri utilizand cele mai moderne solutii. Desi in multe cazuri sunt alese in continuare solutiile clasice pentru poduri, solutiile inovatoare si eficiente isi fac loc pe piata. O solutie eficienta de poduri va tine cont de aspecte precum: durabilitate si robustete structurala, executie rapida si usoara, costuri de construire si de mentenanta reduse, si nu in ultimul rand conformatia zvelta si eleganta a structurii.

Aceste aspecte sunt importante in special pentru podurile cu lungimi si deschideri mari. VTR® (ger. VerbundTrägerRost – retea de grinzi compusa otel-beton) a fost conceput tocmai pentru a satisface cerintele de mai sus. Este un sistem modular pentru podurile compuse otel-beton.

Podurile compuse devin atractive pentru deschideri de peste 40 m, atunci cand grinzile din beton pretensionate sunt mai greu de transportat si manevrat pe santier. Grinzile metalice pot fi impartite in tronsoane si sudate cu usurinta pe santier la lungimea finala.

Sistemul VTR® se foloseste de metoda realizarii unei retele de grinzi inca din faza de construire, retea 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 construire. Suprastructura se realizeaza fara carucior cu macara.

Se obtin rezultate optime folosind acest tip de suprastructura la podurile integrale sau semi-integrale. Structurile tip cadru sporesc redundanta structurii si rezistenta la seism si sunt totodata avantajoase.

Avantajele apar inca din faza de construire prin reducerea numarului de piloti si a dimensiunilor infrastructurii. Pe termen lung, costurile de mentenanta sunt reduse prin numarul mic sau chiar lipsa rosturilor.

Pana in prezent 3 poduri semi-integrale cu suprastructura VTR® au fost construite in Romania, iar alte 3 sunt in faza de construire.

Sistemul VTR®

Suprastructurile VTR® sunt compuse din module prefabricate conectate cu beton monolit. Fazele de executie sunt urmatoarele (Petzek et al. 2016) (fig. 1):

1. Grinzile din otel sunt realizate in uzina si transportate pe santier. Suntprevazutepetalpa superioara cu conectori tip gujon. Doua astfel de grinzi dispuse pe directialongitudinala reprezinta grinzile principale ale unui tablier.
2. Antretoaze prefabricate din beton armatsuntasezatepegrinzile principale.Acesteaaugolurila intersectiacugrinziledinotel pentru patrunderea conectorilor.
3. Carcase de armatura prefabricate sunt dispuse intre antretoaze, pe talpasuperioara agrinzilor din otel.
4. Se betoneaza deasupra grinzilor din otel pana la nivelul antretoazelor prefabricate, creandu-seastfel reteaua de grinzi compusa otel-beton.
5. Placi prefabricate din beton armat sunt dispuse pe reteaua de grinzi. Acestea pot avea inaltimea finala a placii de suprabetonare sau doar jumatate din acestea.
6. Se introduc armaturi de legatura in spatiiledintreplaci sideasupra acestora (dupa caz).Rosturile generoase permit suprapunerea si ancorarea armaturilor.
7. Se betoneaza spatiile dintre placi si deasupraacestora (dupa caz), cofrajefiindnecesaredoarpe partile laterale.
8. In ultima faza are loc echiparea podului.

In cazul structurilor realizate pana acum cu acest sistem, s-au folosit grinzi metalice casetate, cu sectiune inchisa.

Rigidizarile longitudinale si transversale au fost dispuse doar in interiorul casetei, fiind o solutie care va usura semnificativ procesul de intretinere, existand doar 3 suprafete plane care vor necesita refacerea protectiei anticorozive in timp: talpa inferioara si suprafetele vazute ale inimilor.

Totodata, imbinarea tronsoanelor pe santier prin sudare este facilitata de acest aspect.

Este important de mentionat si faptul ca aspectul final al structurii este ingrijit, modern si placut, tocmai prin forma exterioara simpla a grinzilor.

Poduri integrale si semi-integrale

Podurile integrale au deja traditie in Statele Unite ale Americii (SUA), in prezent existand mai mult de 13.000 astfel de structuri (White 2007). In ultimii ani aceasta solutie este aplicata tot mai frecvent in Europa, in Regatul Unit chiar recomandandu-se ca podurile cu lungimi pana la 60 m sa fie integrale.

Tari precum Germania, Elvetia si Austria au deja norme cu recomandari specifice (Petursson et al. 2011). Si in Romania s-au construit poduri integrale. Un exemplu ar fi lotul l al sectorului de autostrada Orastie – Sibiu, care are 25 de structuri integrale si o structura semi-integrala. In prezent pe lotul 2 al sectorului de autostrada Sebes – Turda se construiesc 18 poduri integrale si 3 semi-integrale.

Interesul pentru aceste structuri a crescut in ultimii ani datorita costurilor reduse ale beneficiarului pentru mentenanta si simplificarii intregului proces de intretinere. Traficul tot mai intens face ca elementele consumabile folosite la poduri, precum aparatele de reazem si echipamentele pentru rosturile de dilatatie, sa se deterioreaze repede. Podurile integrale elimina aceasta problema prin crearea unei legaturi monolite intre suprastructura si infrastructura, nemaifiind utilizate nici aparate de reazem, nici echipamente pentru rosturi de dilatatie. Practic aceste structuri sunt niste cadre cu una sau mai multe deschideri (fig. 2).

Podurile integrale in intregime sunt folosite in special pentru lungimi mici si medii. In cazul podurilor lungi, unde apar dilatatii semnificative, pot fi folosite structuri semi-integrale (fig. 3). Definitia podurilor semi-integrale difera in functie de stat; in SUA si in unele tari europene, podurile semi-integrale au in dreptul culeelor fie aparate de reazem, fie rosturi de dilatatie.

Conform normei germane (RE-ING 2016), un pod este considerat semi-integral atunci cand nu este integral, avand cel putin doua pile legate monolit de suprastructura, in timp ce culeele si restul pilelor au aparate de reazem.

Romania nu are inca o nomenclatura stabilita in acest sens, iar structurile prezentate in capitolele urmatoare folosesc termenul de pod semi-integral conform normei germane.

Desi nu sunt eliminate in totalitate aparatele de reazem si rosturile de dilatatie, numarul acestora este redus, structurile semi-integrale fiind de asemenea avantajoase.

STRUCTURI VTR® PE SECTORUL DE AUTOSTRADA SEBES-TURDA

Pe sectorul Sebes-Turda, lotul 2 al autostrazii A10 au fost reproiectate o serie de poduri folosind solutii moderne si inovatoare. Majoritatea podurilor cu lungimi pana in 100 m sunt integrale, cu suprastructura pe grinzi prefabricate din beton cu armatura externa rigida sau pretensionate. Pentru cele 3 poduri cu lungimi mai mari de 200 m a fost ales sistemul VTR®. Calculul de rezistenta s-a facut dupa normele europene si romanesti in vigoare. Structurile sunt in momentul de fata in faza de construire, infrastructurile fiind in mare parte realizate.

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. 4), cu 6 deschideri (28 + 32 + 48 + 40 + 28 + 28 m).

Pasajul este format din doua structuri paralele cu latimea de 13,60 m, una pentru fiecare sens de circulatie (fig. 5).

Proiectul initial propunea un pod compus cu cate 4 (patru) grinzi metalice cu inima plina pe fiecare tablier, cu inaltimea de 2,80 m, cate doua fiind prinse cu contravantuiri si montanti si prefabricate de cale din beton armat. Deschiderea mediana avea 80 m, pentru a putea acomoda oblicitatea pronuntata.

In sistemul VTR® pilele au forma unor stalpi dispusi sub fiecare grinda principala, motiv pentru care infrastructura poate urma unghiul oblic. Astfel, dupa reproiectarea structurii folosind sistemul VTR® s-a obtinut o deschidere mediana de 48 m. Grinzile metalice se vor realiza in uzina pe tronsoane de aproximativ 20 m si vor fi ulterior sudate la lungimea finala la sol, pe santier. Avand o greutate de 71 t si o lungime de 48 m, acestea sunt considerabil mai usor de manevrat, fata de unele de 80 m, si vor putea fi ridicate deasupra caii ferate cu intreruperi minime de trafic. Nu sunt necesare turnuri temporare de sprijinire, si nu se vor face suduri in situ deasupra liniilor de cale ferata. Se elimina detaliile cu risc crescut la coroziune si oboseala ale grinzilor, iar suprafete de otel ce trebuie protejate anticoroziv sunt reduse prin utilizarea unei sectiuni casetate, fara contravantuiri si fara rigidizari expuse.

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. 6). In restul axelor pilele au forma regulata, dreptunghiulara, cu sectiunea de 1,80 m x 1,50 m. Conexiunea rigida dintre infrastructura si suprastructura se realizeaza prin betonarea nodurilor de cadru.

Fiecare tablier este compus din doua grinzi metalice casetate, cu inaltimea constanta de 1,60 m. Pe aceste grinzi sunt dispuse antretoaze la distanta de 4 m, iar dupa prima betonare se realizeaza reteaua de grinzi. Se dispun placi prefabricate cu inaltimea de 10 cm, care contin armarea inferioara a placii de suprabetonare si au totodata rol de cofraj pierdut. Ulterior se armeaza si se betoneaza pana la grosimea finala a placii.

In final a rezultat un indice de consum al otelului de 171 kg/m2 (kg/ arie tablier).

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. 7). 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. 8).

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

Pentru podul de autostrada de la km 40+200 peste raul Mures s-a optat pentru folosirea sistemului VTR® pentru intreaga structura. 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. 9).

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.

STRUCTURI VTR® FINALIZATE

Pod peste raul Mures pe varianta de ocolire a Devei

Sistemul VTR® a fost introdus pentru prima data in Romania in anul 2012, cand a fost aplicat pentru podul peste raul Mures de pe varianta de ocolire a Devei (fig. 11); la momentul finalizarii a fost cel mai lung pod din tara, avand lungimea de 720 m.

Experienta a fost una pozitiva, structura fiind finalizata inainte de termen (Petzek et al. 2016).

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 facut o incercare in situ a structurii, din care a rezultat ca structura are un comportament bun chiar si atunci cand pe pod circula convoaie A30 incarcate cu 301, dispuse in cele mai nefavorabile pozitii (fig. 12).

Viaduct peste CF si DN7 pe sectorul Orastie – Sibiu

Al doilea pod realizat folosind acest sistem este viaductul de pe sectorul de autostrada Orastie-Sibiu, lotul 1 (fig. 13).

Acesta strabate in oblicitate, 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. Infrastructura urmeaza oblicitatea, pilele fiind dispuse decalat.

In acest caz toate pilele sunt prinse monolit de suprastructura. Aparate de reazem si rosturi de dilatatie au fost necesare doar in dreptul culeelor.

Traficul feroviar (fig. 14) nu a fost intrerupt, cu exceptia momentului in care grinzile metalice au fost ridicate si pozitionate pe pile cu ajutorul macaralelor (Petzek et al. 2016).

Restul lucrarilor la suprastructura deasupra caii ferate au fost facute in pauze de trafic (dispunere antretoaze si placi prefabricate, betonare placa).

Structura a fost data in folosinta in anul 2014, respectand termenul de finalizare al lotului de autostrada.

Pasaj peste CF Simeria – Vintu de Jos pe DN7

Pasajul este amplasat pe lotul de cale ferata Simeria – Vintu de Jos, tronsonul Coslariu – Simeria la km CF 457+431 si asigura continuitatea drumului DN7.

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 au un decalaj de 20 m in zona caii ferate, sistemul propus putand prelua eforturile suplimentare rezultate.

Lungimea deschiderilor variaza, cea mai mare fiind de 48 m (fig. 15, 16).

La fel ca si in celelalte doua cazuri, ritmul de construire a fost rapid si pasajul a fost finalizat la sfarsitul anului 2018.

CONCLUZII

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.

Constructori:

1. Structurile in lucru (capitolul 2): AKTORTECHNICALSOCIETEANONYME (AKTOR SA)
2. Structurile finalizate (capitolul 3): STRABAG SRL

REFERINTE

WHITE, H. (2007) Integral Abutment Bridges – Comparison of current practice between European countries and the United States of America. Special report 152, Transportation Research and Development Bureau, New York State Department of Transportation;

PETURSSON, H., COLLIN, P., VELJKOVIC, M., ANDERSSON, J. (2011) Monitoring of a Swedish Integral Abutment Bridge. Structural Engineering International, SEI vol. 21, No. 2, p.p. 175-180;

RE-ING (2016) Richtlinien fur den Entwurf, die konstruktive Ausbildung und Ausstattung von Ingenieurbauten, Teil 2 Brucken, Abschnitt 5, Integrale Bauwerke;

PETZEK, E., METES, E., TURCAN, A., SCHMITT, V. (2016) 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. q

(Din AICPS Review 3-4/2018)

Autori:
drd. ing. Elena Metes, drd. ing. Luiza Toduti, conf. dr. ing. Edward Petzek

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 174 – octombrie 2020, pag. 48