Structuri cu arce metalice si grinzi de rigidizare tip Langer sau Nielsen folosite pentru realizarea podurilor (VI)

CAP. 1: ANALIZA CRITICA A STRUCTURILOR CU ARCE SI GRINZI DE RIGIDIZARE TIP LANGER SI NIELSEN PENTRU PODURI RUTIERE, CU EXEMPLIFICARI DE LUCRARI REMARCABILE REALIZATE IN TARA SI PESTE HOTARE (VI) 

(continuare din numarul 203, iunie 2023)

CONCLUZII PRIVIND ANALIZA CRITICA A STRUCTURILOR CU ARCE SI GRINZI DE RIGIDUZARE TIP LANGER SAU NIELSEN

O serie de consideratii privind structurile cu arce si grinzi de rigidizare s-au facut in partile anterioare ale acestui articol, unde au fost deja comentate unele particularitati pe categorii de structuri. Totusi, se cuvine o dezvoltare si o sistematizare a acestor comentarii, care se vor face in prezentul subcapitol.

Aprecierile asupra acestor structuri se vor face pe baze tehnico-economice, cat si din punct de vedere structural (al posibilitatilor de alcatuire constructiva si al modalitatilor de calcul). De asemenea, se vor face aprecieri privind rezultatele obtinute la incercarile efectuate asupra structurii, cat si asupra comportarii lor in exploatare, [86], [95].

In primul rand trebuie mentionat faptul ca structura de pod cu arce si grinzi de rigidizare reprezinta o solutie cu substantiale avantaje tehnico-economice in domeniul deschiderilor mari, mai ales la traversari peste canale navigabile si la pasaje denivelate amplasate in anumite zone urbane, unde se impune o inaltime de construire redusa si nu exista spatiu pentru infrastructuri intermediare.

Eficienta economica a acestor structuri se explica in primul rand prin limitarea suprastructurii principale (cu pondere mai mare la cost) la lungimea strict necesara pentru traversarea obstacolului, cat si prin inaltimea de construire redusa, care se evidentiaza favorabil in costul rampelor de acces.

Din acest motiv deosebit de important, la care se adauga insa si alte calitati, cum ar fi aspectul estetic deosebit, comportarea structurala excelenta la montaj si in exploatare, structurile de poduri cu arce si grinzi de rigidizare au o larga aplicabilitate in tari dezvoltate ca Germania, Japonia, Olanda, Danemarca, SUA etc.

Realizarea canalelor navigabile Dunare – Marea Neagra si Poarta Alba – Midia, Navodari a creat conditiile ca si in tara noastra sa fie abordate asemenea structuri la podurile rutiere de la Medgidia pe DJ 222, de la Poarta Alba pe DN 22C, de la Ovidiu pe DN2A si de la Basarabi (Murfatlar) pe DN3, prezentate succint in primul subcapitol – DATE GENERALE (primele trei fiind cu structuri Langer, iar cel de-al patrulea, cu structura Nielsen).

Toate cele patru poduri realizate in tara noastra si mentionate mai sus au tablierele principale alcatuite din arce metalice casetate (podurile Medgidia, Poarta Alba si Ovidiu) sau semicasetate (podul Basarabi) si elemente de platelaj mixte cu conlucrare (grinzile principale, lonjeronii si antretoazele), realizand in acest fel structuri deosebit de eficiente din punct de vedere tehnico-economic (fig. 1.98 a, b, c).

Fig. 1.98: Sectiuni transversale tabliere Langer si Nielsen – a) Podul Medgidia; b) Podurile Poarta Alba si Ovidiu; c) Podul Basarabi

Platelajele din beton armat sunt precomprimate cu fascicule din SBP in sens longitudinal podului, pentru preluarea eforturilor de intindere mari, de cca 70-80 daN/cm³, care apar din incarcarile mobile amplasate pe jumatatea unei deschideri.

Realizarea conlucrarii dintre elementele metalice ale caii si platelajul din beton armat precomprimat a condus la reducerea consumului de material metalic laminat cu cca 40% si a consumului de material metalic in general cu cca 20% (tinand seama de consumul de otel-beton din platelaj), care, de asemenea, se evidentiaza favorabil in costul lucrarii.

Reducerea substantiala a consumului de material metalic a fost posibila si prin aplicarea unor tehnologii modeme de executie (unele dintre acestea fiind originale si aplicate pentru prima oara la aceste lucrari), care vor fi descrise in cele ce urmeaza, si anume:

a) utilizarea cu preponderenta a imbinarilor cu sudura, inclusiv a imbinarilor de santier

Este bine cunoscut ca tablierele metalice cu imbinari sudate au un consum de metal redus cu 15%-25% fata de tablierele nituite (a se vedea tabelul 6 din STAS 1489 – Poduri de cale ferata. Actiuni, in care k_j = k₆ – coeficientul de reducere a greutatii structurii de rezistenta pentru poduri sudate in raport cu cea pentru podurile nituite – este cuprins intre 0,75 si 0,85). La structurile la care imbinarile din uzina sunt sudate, iar imbinarile din santier sunt fie nituite, fie cu suruburi de inalta rezistenta, reducerea consumului de metal este de doar 5% pana la 15% fata de structurile integral nituite. La podurile peste canalele navigabile din Romania, tablierele metalice s-au realizat cu subansamble uzinate complet sudate, imbinate pe santier cu sudura la elementele principale (arce si grinzi de rigidizare) si cu suruburi de inalta rezistenta pretensionate la celelalte subansamble (lonjeroni, antretoaze, tiranti de sustinere). Prin aceasta masura s-a realizat o reducere a consumului de material metalic cu cca 10%.

b) utilizarea conectorilor flexibili sub forma de dibluri pentru conlucrarea dintre platelajul din beton armat precomprimat si elementele metalice ale caii

Utilizarea conectorilor flexibili conduce la o reducere a consumului de material metalic cu cca 2%÷3%, prin posibilitatea de repartizare mai buna si mai eficienta a acestora, pentru asigurarea conlucrarii in structura, in raport cu conectorii rigizi. Totodata, prin sudarea lor automata, creste substantial productivitatea muncii.

c) precomprimarea longitudinala a structurii cu conlucrare

Reducerea substantiala a consumului de material metalic s-a realizat prin inlocuirea placii ortotrope metalice cu platelajul din beton armat precomprimat in conlucrare cu elementele de cale. Ȋn acest fel, consumul de material metalic laminat a fost redus cu cca 20%, iar consumul de material metalic in general cu cca 10% (tinand cont ca in platelajul din beton armat a fost introdusa o cantitate de armatura echivalenta cu 50% din consumul de metal ce ar fi fost necesar pentru placa ortotropa). Trebuie mentionat ca placa ortotropa reprezinta cca 30% din consumul total de metal la un tablier cu aceasta structura, dar inlocuirea placii ortotrope cu un platelaj mai greu din beton conduce la sporirea cantitatii de material metalic in celelalte elemente cu cca 10%, astfel incat pe ansamblu reducerea de material metalic prin aceasta masura a fost de cca 20% la consumul de material laminat si 10% la materialul metalic in general, asa cum s-a aratat mai sus. Precomprimarea longitudinala a structurii cu conlucrare aduce o serie de avantaje economice prin reducerea efortului de intindere din grinda tirant. In acelasi timp, se introduc momente incovoietoare suplimentare in arce, neesentiale insa fata de infasuraturile de momente la care se dimensioneaza aceste elemente.

d) esalonarea treptata a conlucrarii si respectiv a precomprimarii

O imbunatatire cu avantaje economice notabile, introdusa pentru prima data la acest tip de structuri, a fost esalonarea treptata a conlucrarii si respectiv a precomprimarii. Aceasta esalonare a fost astfel gandita, incat elementele principale sa intre in conlucrare treptat, pe masura incarcarii lor cu diverse actiuni permanente. In acest sens, turnarea betonului din platelajul caii si respectiv asigurarea conlucrarii cu elementele tablierului metalic s-a facut in trei etape (fig. 1.99 si fig. 1.100), si anume:

• etapa I: executia panourilor de capat pe toata latimea platelajului (fig. 1.99), stabilindu-se conlucrarea pentru antretoazele de capat, care sunt solicitate foarte puternic la incovoiere in plan orizontal. In acest fel se consolideaza antretoazele de capat fata de solicitarile orizontale care apar din incarcarile ulterioare, reducandu-se cantitatea de metal din aceste elemente cu cca 50%.
• etapa a II-a: executia platelajului in zonele grinzilor principale, pe restul lungimii podului cuprinsa intre tirantii extremi T1 (fig. 1.99) si pe latimea aferenta acestor grinzi, de la limitele caii pana la limitele interioare ale lonjeronilor exteriori (fig. 1.100), stabilindu-se conlucrarea pentru grinzile principale. In acest fel se consolideaza grinzile principale fata de actiunile permanente urmatoare (greutatea platelajului din zona mediana si greutatea caii podului), precum si fata de actiunile utile asezate in diverse pozitii defavorabile. Prin consolidarea grinzilor tirant ale structurii Langer se realizeaza o consolidare in ansamblu cu substantiale avantaje economice, tinand cont ca actiunile permanente ulterioare au o pondere mare in lucrare.
• etapa a III-a: executia zonei mediane a platelajului (fig. 1.100) cuprinsa intre tirantii extremi T1.

Greutatea betonului din zona mediana de platelaj constituie o actiune permanenta cu pondere importanta, care se adauga insa pe un tablier cu elemente principale consolidate anterior. Prin executia zonei mediane de platelaj se consolideaza si celelalte elemente de sustinere a platelajului (lonjeroni si antretoaze intermediare). La actiunea incarcarilor ulterioare din greutatea caii si din sarcini utile, toate elementele de platelaj sunt consolidate prin conlucrare otel-beton.

Prin acest mod de introducere etapizata a conlucrarii s-au obtinut economii de cca 8% la consumul de metal pentru fiecare tablier.

Tensionarea fasciculelor din SBP s-a facut, conform necesitatilor de calcul, in doua faze, si anume:

• in prima faza s-au tensionat la fiecare grinda de rigidizare cate patru fascicule (pod Medgidia) si respectiv cate sase fascicule (podurile Poarta Alba si Ovidiu), montate in zonele de placa turnate in etapa a II-a, dupa intarirea betonului turnat in aceasta etapa;
• in faza a II-a s-a efectuat tensionarea restului de fascicule, dupa intarirea betonului turnat in etapa a III-a.

In ceea ce priveste calculul structurilor Langer cu conlucrare si in special a celor cu stabilirea esalonata a conlucrarii, trebuie mentionat ca acesta este deosebit de laborios si complex. Calculul acestor structuri comporta o analiza foarte atenta si amanuntita a fazelor de executie si respectiv a fazelor de incarcare, avandu-se in vedere faptul ca o serie de incarcari actioneaza pe structura metalica a tablierului, iar alte serii de incarcari actioneaza pe structura cu conlucrare.

Pe de alta parte, structura cu conlucrare trebuie evaluata separat pentru incarcari de lunga durata, pentru incarcari de scurta durata, cat si pentru contractie si curgere lenta.

Din punct de vedere static, structurile de tip Langer sunt static determinate exterior, dar multiplu nedeterminate interior.

Tinand cont de aceste deziderate, se poate aprecia complexitatea calculului.

Un calcul complet al acestor structuri se poate efectua numai automat, cu asistenta calculatorului electronic.

Calculul clasic, care este obligatoriu, se face pentru verificarea rezultatelor de calcul automat in sectiunile caracteristice ale structurii.

Pentru calculul tablierului de la Medgidia (primul pod important cu structura Langer din tara), structura a fost discretizata intr-un sistem spatial de bare cuprinzand 162 bare, 105 noduri si 630 ecuatii.

Nodurile structurii au fost reprezentate chiar de intersectiile elementelor componente (grinzi, arce, tiranti verticali, antretoaze si lonjeroni). La tablierele podurilor Ovidiu si Poarta Alba s-a efectuat un calcul mai complex, in sensul ca structura s-a discretizat astfel incat la elementele principale (grinzi longitudinale si arce) au existat noduri si la mijlocul panourilor. In acest caz, sistemul de calcul a cuprins 1.242 ecuatii pentru 306 bare si 207 noduri.

Etapele de calcul au urmarit fazele de incarcare, corespunzator tehnologiei de realizare a lucrarii.

Esalonarea etapelor de calcul a cuprins 16 faze de incarcare si 5 ipoteze de alcatuire a structurii (structura metalica; conlucrare grinzi principale pentru incarcari de lunga durata; conlucrare grinzi principale, antretoaze si lonjeroni pentru incarcari de lunga durata; conlucrare grinzi principale, antretoaze si lonjeroni pentru contractie si curgere lenta; conlucrare grinzi principale, antretoaze si lonjeroni pentru incarcari de scurta durata).

Latimea activa de placa „b_c” la barele mixte cu conlucrare s-a considerat conform prevederilor din STAS 1844-75 si in general a corespuns cu distanta dintre axele barelor. In vederea analizarii mai cuprinzatoare a comportarii acestor structuri, pentru tablierul podului de la Medgidia s-au realizat doua modele experimentale si anume:

– un model scara 1:65, care a fost incercat in tunel aerodinamic, pentru analizarea comportarii la vant a structurii (fig. 1.101 si fig. 1.102)

Modelul acesta a fost analizat in doua variante: cu contravantuire superioara si fara contravantuire superioara, stabilindu-se astfel posibilitatea realizarii structurilor Langer fara contravantuire superioara, cu toate avantajele majore care decurg prin aplicarea acestei solutii (reducere consum de material metalic si implicit de cost, aspect estetic deosebit, simplificarea executiei etc.)

– un model scara 1:6,5, care a fost incercat pana la rupere si care a urmarit comportarea structurii in ansamblu, comportarea elementelor mixte cu conlucrare si in special a conectorilor precum si influenta precomprimarii asupra structurii (fig. 1.103)

Fig. 1.103: Model structura Langer, scara 1:6,5

Ambele modele realizate si incercate la INCERTRANS in colaborare cu proiectantul IPTANA au dovedit o comportare excelenta a acestor structuri la toate tipurile de actiuni (vant, actiuni statice si dinamice, precomprimare, contractie si curgere lenta etc.), precum si o perfecta concordanta intre rezultatele obtinute prin masuratori si cele obtinute prin calcul.

Podurile cu structuri Langer executate in Romania au fost incercate „in situ” cu convoaie de calcul (fig. 1.104) conform normelor in vigoare, demonstrandu-se din nou o comportare excelenta a tuturor lucrarilor si o buna concordanta cu rezultatele obtinute prin calcul.

Fig. 1.104: Incercare „in situ” tablier Langer

O buna comportare a acestor structuri s-a dovedit si la montaj, precum si in exploatare. Astfel, tablierul metalic al podului Medgidia a suportat cele mai complexe miscari pentru montarea in pozitie definitiva:

• asamblare pe mal si lansare pe platforma de asamblare;
• lansare prin plutire peste canalul navigabil deja executat, avand latimea de 120 m;
• ripare la sol pe cca 20 m;
• rotire la sol cu cca 4°, pentru a ajunge in pozitie paralela cu traseul podului, care este oblic fata de traseul canalului pe care il traverseaza;
• ridicare cu 4 trolii electrice pe o inaltime de cca 20 m si asezarea provizorie pe o grinda de reazem introdusa sub tablier dupa ridicarea la cota finala;
• riparea tablierului pe o distanta de cca 24 m la nivelul banchetei de rezemare;
• asezarea pe aparatele de reazem definitive.

Tablierul metalic al podului Poarta Alba a fost asamblat pe mal pe o platforma de asamblare, apoi a fost adus in lucrare prin urmatoarele operatii:

• lansarea pe mal pe directia axului traseului definitiv, pana la canalul deja executat;
• lansarea prin plutire peste canalul cu latimea de 130 m la nivelul oglinzii apei;
• ridicarea pe o inaltime de cca 13,00 m prin metoda subbetonarii;
• asezarea pe aparatele de reazem.

Tablierul metalic al podului Ovidiu a fost asamblat in amplasament la nivelul solului, apoi montat in lucrare prin urmatoarele operatiuni:

• ridicare pe o inaltime de cca 13,00 m prin metoda subbetonarii;
• asezarea pe aparatele de reazem.

Tablierul metalic al podului de la Basarabi a fost asamblat in amplasament la nivelul rosturilor dintre fundatiile si elevatiile pilelor podului, apoi montat in lucrare prin urmatoarele operatiuni:

• ridicarea tablierului metalic impreuna cu platelajul din beton pe o inaltime de cca 15 m prin metoda subbetonarii;
• asezarea pe aparatele de reazem.

Dupa montarea definitiva a tablierelor metalice tip Langer pe aparatele de reazem, s-a procedat la executia platelajelor din beton armat, conform celor aratate anterior, apoi s-a realizat calea pe pod, iar dupa incercarile cu convoaiele de calcul au fost puse in exploatare.

Toate aceste poduri au dovedit o buna comportare si in exploatare (podul Medgidia este in folosinta de aproape patru decenii, iar podurile Ovidiu si Poarta Alba au peste 35 de ani de la punerea in functiune, fara a fi reclamate probleme de comportare necorespunzatoare).

Structurile tip Langer cu platelaje din beton armat in conlucrare cu elementele de cale ale tablierului metalic nu sunt atat de raspandite in lume din doua motive, si anume:

• conlucrarea insasi dintre beton si otel este o solutie relativ noua, care mai necesita inca studii si analize, mai ales in ceea ce priveste latimea activa de placa;
• structurile Langer cu conlucrare sunt deosebit de complexe, necesitand analize pe masura si un calcul laborios, precum si realizarea mai dificila, solicitand o perioada de timp mai indelungata pentru executie.

Totusi, o serie de avantaje importante, printre care trebuie amintite reducerea consumului de material deficitar (otelul) si implicit a costului, precum si imbunatatirea comportarii structurilor fata de fenomenul de vibrare a tirantilor, prin cresterea ponderii actiunilor permanente in raport cu cele mobile, au condus si la proliferarea acestor tipuri de structuri.

Astfel, in Germania se cunosc doua poduri cu structuri Langer cu conlucrare, foarte apreciate prin comportarea buna in timp si avantajele economice pe care le confera acest mod de alcatuire, si anume:

• pasajul Dortmund-Mengede ( 1.30)^*), cu deschiderea de 69,00 m si latimea partii carosabile de 12,00 m;
• podul rutier peste Dunare intre Deggendorf si Fischerdorf pe autostrada A92, cu deschiderea de 102,50 m ( 1.39 si 1.40).

Pasajul Dortmund-Mengede are platelajul din beton armat, precomprimat atat longitudinal pentru preluarea eforturilor de intindere sporite ce apar in betonul placii in ipoteza incarcarii cu sarcini utile asezate pe o jumatate din lungimea podului, cat si pentru compensarea eforturilor de intindere suplimentare din grinda tirant datorate incarcarii cu placa din beton armat, cat si traversei, pentru preluarea eforturilor principale de intindere din placa. In zonele de capete s-a realizat o precomprimare transversala suplimentara pentru preluarea fortelor de intindere de despicare, care apar din actiunea impingerii arcelor si a precomprimarii longitudinale [46]. Pasajul a fost dat in folosinta in anul 1974.

Podul Deggendorf-Fischerdorf este prevazut cu un arc casetat amplasat in mijlocul caii si cu doua grinzi de rigidizare casetate avand peretii inclinati. Platelajul este din beton armat in conlucrare cu elementele metalice ce sustin calea.

Alegerea platelajului din beton armat la acest pod s-a facut din urmatoarele motive [68]:

• sensibilitatea mai mica la variatii de temperatura;
• realizarea unei rigiditati sporite la torsiune a grinzilor de rigidizare casetate.

Podul a fost pus in functiune in decembrie 1991 si cercetarea comportarii este inca in curs.

Compararea datelor calculate cu cele masurate la incercarile efectuate arata o buna comportare a lucrarii. Datorita amplasarii arcului pe mijlocul caii, se cunoaste ca lucrarea nu este cea mai economica, deoarece, pentru sporirea rigiditatii sale la torsiune, a fost nevoie si de o cantitate suplimentara de otel.

Poduri cu structuri Langer avand platelaje din beton armat s-au realizat si fara conlucrarea dintre beton si otel, ca de exemplu:

• podul rutier peste fluviul Ohio intre Newport si Cincinnati (SUA) avand doua tabliere juxtapuse cu deschiderea de 231,00 m (fig. 1.59 si fig. 1.62), la care platelajele din beton armat reazema pe lonjeroni si antretoaze. Pentru preluarea eforturilor de intindere din placa de beton, platelajul este divizat in cinci tronsoane, separate prin rosturi de dilatatie practicate si in lonjeroni.

Dezavantajele principale ale acestor structuri vin din sporirea incarcarii „moarte” pe pod (intrucat platelajul din beton armat fara conlucrare actioneaza ca incarcare „moarta”) si din aparitia unor rosturi suplimentare pe cale.

Desi primele poduri cu structuri Langer au fost metalice (dupa cum am aratat in subcapitolul DATE GENERALE), totusi primele poduri remarcabile cu aceasta solutie au fost din beton armat, ca de exemplu:

• podul Volodarski peste Neva la Leningrad, executat in anul 1937 (fig. 1.11), sau
• podurile peste canalul Twenthe (Olanda) cu deschiderea de 67,00 m, construite tot in prima jumatate a secolului XX.

Podurile cu structuri Langer din beton armat nu au proliferat prea mult din cauza dificultatile de executie (cintre si esafodaje foarte complicate cu consumuri mari de materiale).

Aparitia betonului precomprimat si a noilor tehnologii pentru executia acestuia (executia in consola, lansarea prin impingere, ancorarea tablierelor cu cabluri inclinate etc.), au condus la aparitia a noi solutii mai eficiente pentru podurile de beton armat din domeniul deschiderilor mari.

Structurile Langer au castigat teren in schimb in domeniul podurilor metalice, in special dupa aparitia otelurilor cu calitati superioare si punerea la punct a tehnologiilor de imbinare prin sudura sau cu suruburi de inalta rezistenta.

Structurile metalice de tip Langer au in general platelaje cu placa ortotropa metalica. Aceste structuri au avantajul unei executii mai rapide si a unui calcul mai putin laborios.

Dezavantajul acestor structuri consta intr-un consum mai mare de material deficitar, cum este otelul laminat, si in sensibilitatea mai mare la actiunile dinamice.

Structurile mixte cu conlucrare realizeaza o combinare armonioasa a doua materiale principale de constructie, otel si beton, cu multiple avantaje tehnico-economice, dupa cum am aratat.

In final, se poate conchide ca structurile cu arce si grinzi de rigidizare tip Langer sau Nielsen sunt lucrari deosebit de avantajoase in domeniul podurilor cu deschideri mijlocii si mari si ca reprezinta un camp vast de afirmare a conceptiei de abordare a unor tehnici si solutii noi, de o mare diversitate si complexitate.

^*)Figurile mentionate pot fi gasite astfel: 1.1 – 1.10, in Revista Constructiilor nr. 199 – februarie 2023; 1.11 – 1.40, in Revista Constructiilor nr. 200 – martie 2023; 1.41 – 1.67 – Revista Constructiilor nr. 201 – aprilie 2023; 1.68 – 1.92, Revista Constructiilor nr. 202 – mai 2023. 

(va urma)

Autor:

prof. as. dr. ing. Victor POPA – Membru titular ASTR

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 205 – august 2023, pag. 68-72