Σημαντικές ειδήσεις

Σύμμεικτες γέφυρες

Οι σύμμεικτες γέφυρες είναι αποτέλεσμα του συνδυασμού δομικού χάλυβα και σκυροδέματος.

Των κ. Ιωάννη N. Σιγάλα και Ιωάννη Γ. Σπινάσα*

Με τον όρο «σύμμεικτες γέφυρες» εννοούμε αυτές που δομούνται από χαλύβδινες δοκούς ποικίλων διατομών σε συνδυασμό με πλάκα οπλισμένου σκυροδέματος, η οποία συνδέεται διατμητικά με το πάνω πέλμα των χαλύβδινων δοκών. Με τη σύνδεση αυτή εξασφαλίζεται η ενιαία συμπεριφορά των δύο αυτών υλικών, επιτυγχάνοντας κατά τον τρόπο αυτό τη βέλτιστη εκμετάλλευση των μηχανικών χαρακτηριστικών τους. Παρά την ευρεία εφαρμογή των συμμείκτων γεφυρών στο εξωτερικό, μόλις την τελευταία 20ετία αρχίζει ο σύμμεικτος φορέας να εμφανίζεται ως εναλλακτική λύση στη χώρα μας.

Στην κεντρική και δυτική Ευρώπη η κατασκευή των συμμείκτων γεφυρών, από τα τέλη της δεκαετίας του 1970 και μετά, υπήρξε πολύ διαδομένη για γεφυρώσεις ανοιγμάτων της τάξεως των 30m – 50m. Η απαίτηση για γεφύρωση όλο και μεγαλύτερων ανοιγμάτων οδήγησε τις σύμμεικτες γέφυρες σε μια αλματώδη εξέλιξη από τα τέλη της δεκαετίας του 1990, και οι σύμμεικτοι φορείς γεφυρών άρχισαν να γίνονται ιδιαίτερα ανταγωνιστικοί έναντι των παραδοσιακών φορέων από προεντεταμένο σκυρόδεμα.

Ισχυρή ώθηση στην εξέλιξη αυτή προσέφερε πρωτίστως η πρόοδος στη σιδηρουργία, με τη χρήση χαλύβων υψηλών αντοχών και εγγυημένων μηχανικών χαρακτηριστικών, αλλά και η ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων κατασκευής που μειώνουν σημαντικά το χρόνο και το κόστος κατασκευής.

 

Η λογική της επιλογής της σύμμεικτης συμπεριφοράς

Το αυξημένο κόστος κατασκευής ορθοτρόπων μεταλλικών φορέων ανωδομής, σε συνδυασμό με τα προβλήματα που παρουσίαζε η συνεργασία μεταξύ του μετάλλου και των υλικών, των στρώσεων κυκλοφορίας, κυρίως έναντι θερμικών δράσεων, είχε ως αποτέλεσμα να περιοριστεί σημαντικά η κατασκευή των μεταλλικών γεφυρών και να αναζητηθεί η επίλυση των όποιων προβλημάτων στη συνδυαστική χρήση σκυροδέματος και δομικού χάλυβα.

Ενώ στις χαλύβδινες γέφυρες ο φορέας της ανωδομής αποτελεί μία ορθότροπη πλάκα, στους σύμμεικτους φορείς το κυκλοφορούμενο άνω πέλμα είναι πλάκα σκυροδέματος και συνδέεται με τα χαλύβδινα στοιχεία του φορέα (δοκούς) μέσω διατμητικής σύνδεσης (φωτό 1), ώστε τα δύο υλικά να συνεργάζονται ως ενιαία διατομή.

Φωτό 1

Αποτέλεσμα αυτού του συνδυασμού δομικού χάλυβα και σκυροδέματος ήταν η δημιουργία των σύμμεικτων φορέων καταστρώματος των γεφυρών, με τους οποίους καλύπτονται ανοίγματα μεταξύ 30m έως και 110m για συνεχείς φορείς, και μεταξύ 25m έως 80m για αμφιέρειστους φορείς.

Οι σύμμεικτοι φορείς χρησιμοποιούνται επίσης με επιτυχία σε γέφυρες μορφής τόξου, σε δικτυωτούς φορείς, σε φορείς πλαισιωτούς, καθώς και στους φορείς του καταστρώματος καλωδιωτών και κρεμαστών γεφυρών.

 

Μορφολογικά χαρακτηριστικά συμμείκτων διατομών στη γεφυροποιία

Οι συνηθέστερα χρησιμοποιούμενοι τύποι διατομών συμμείκτων φορέων καταστρώματος γεφυρών είναι:

– Σύμμεικτος φορέας που μορφώνεται από έναν αριθμό (π.χ. 4 έως 6) χαλύβδινων δοκών διατομής “Ι”, οι οποίες διατάσσονται σε εγκάρσια απόσταση της τάξεως των 2,50m έως 3,50m συνδεόμενες με πλάκα σκυροδέματος. Χρησιμοποιούνται συνήθως για ανοίγματα μήκους 25m έως 35m (φωτό 2).

Φωτό 2

– Σύμμεικτος φορέας που μορφώνεται από δύο κύριες χαλύβδινες συγκολλητές διατομές μορφής “Ι”, με άνισα συνήθως πέλματα και πλάκα σκυροδέματος (φωτό 3), και χρησιμοποιείται κυρίως για ανοίγματα μήκους 30m έως 70m. Ο λόγος L/H (ύψος δοκού / μήκος ανοίγματος) στην περίπτωση ενός ανοίγματος (αμφιέρειστος φορέας) κυμαίνεται μεταξύ του 1/24 και 1/20, ενώ στην περίπτωση συνεχούς φορέα μεταξύ 1/35 και 1/30. Η πλάκα από σκυρόδεμα μπορεί να φθάσει σε ένα πλάτος της τάξεως των 13m έως 15m, ενώ για μεγαλύτερα πλάτη καταστρώματος θα απαιτηθεί εγκάρσια προένταση.

Φωτό 3

– Σύμμεικτος φορέας κιβωτιοειδούς διατομής, της οποίας τα πλευρικά τοιχώματα (κορμοί) και η κάτω πλάκα μορφώνονται με συγκόλληση χαλύβδινων ελασμάτων, ενώ η πλάκα καταστρώματος είναι από οπλισμένο σκυρόδεμα (φωτό 4). Διατομές αυτού του τύπου επιλέγονται σε περιπτώσεις καμπύλων γεφυρών λόγω της μεγάλης αντιστάσεως, που διαθέτουν σε στρέψη. Οι κορμοί είναι συνήθως κεκλιμένοι, ενώ η ακαμψία ενισχύεται με ελάσματα ανά τακτά διαστήματα (π.χ. 4m έως 6m). Αντίστοιχες ενισχύσεις έναντι κύρτωσης ενδέχεται να απαιτηθούν και στο κάτω πέλμα, στις περιοχές που αυτό βρίσκεται υπό θλίψη. Ο λόγος «ύψος / άνοιγμα» (Η/L) για το χαλύβδινο τμήμα της διατομής είναι περίπου 1/35 ή 1/36 x (B/12) 0,7, όπου «Β» είναι το πλάτος του καταστρώματος.

Φωτό 4

–  Εγκιβωτισμένες χαλύβδινες δοκοί πρότυπης διατομής “Ι”, σε πλάκες από οπλισμένο σκυρόδεμα τοποθετημένες σε πυκνή διάταξη.

Οι σύμμεικτες διατομές των φορέων του καταστρώματος μορφώνονται συνήθως από δομικό χάλυβα ποιότητας S355, ενώ το σκυρόδεμα της πλάκας είναι συνήθως αντοχής C30/37 ή C35/40.

 

Ειδικά θέματα μελέτης και συμπεριφοράς συμμείκτων γεφυρών

 

Κόπωση

Η σε μεγάλους αριθμούς διελεύσεων επαναλαμβανόμενη δράση (φόρτιση – αποφόρτιση) των φορτίων κυκλοφορίας προκαλεί στο φορέα της ανωδομής διακύμανση των αναπτυσσομένων τάσεων (διαδοχικές αυξομειώσεις). Το εύρος της διακύμανσης αυτής, σε συνδυασμό και με το πλήθος των αναμενόμενων διελεύσεων, ενδέχεται να οδηγήσει σε αστοχία (αλλοίωση των μηχανικών χαρακτηριστικών του χάλυβα), έστω και αν το μέγεθος των τάσεων αυτών είναι μικρότερο από την τάση διαρροής του χάλυβα.

Η αστοχία από κόπωση εμφανίζεται αρχικά ως ρηγμάτωση σε θέσεις συγκεντρώσεως των τάσεων, και η περαιτέρω ανάπτυξή της οδηγεί σε θραύση.

 

Θέματα πλευρικής ευστάθειας – Λυγισμός

Οι υψίκορμες μεταλλικές δοκοί, από τις οποίες συνήθως μορφώνεται ο φορέας ανωδομής μια σύμμεικτης γέφυρας, παρά τη γενικά εντός του επιπέδου του κορμού φόρτισής τους, ενδέχεται υπό ειδικές συνθήκες (π.χ. τυχαία ή αθέλητη εκτροπή) να αναπτύξουν εκτός επιπέδου βέλη και παραμορφώσεις, το αρχικό μέγεθος των οποίων αυξάνεται προοδευτικά, λόγω της δράσεως των εκ κάμψεως θλιπτικών τάσεων το κορμού. Η πέραν ενός ανεκτού ορίου αύξηση των βελών οδηγεί στην ανάπτυξη δυσμενών τοπικών φαινομένων (λυγισμού – κύρτωσης) και τελικά σε αστοχία λόγω απώλειας της ελαστικής ευστάθειας.

Για την αποφυγή της ανάπτυξης αυτών των φαινομένων απαιτείται κατάλληλη ενίσχυση του κορμού με τη διάταξη ελασμάτων ακαμψίας κατά τη διαμήκη και την εγκάρσια διεύθυνση του κορμού, η διαστασιολόγιση των οποίων απαιτεί ειδικούς υπολογισμούς και αναλύσεις.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η ανωτέρω αντιμετώπιση του προβλήματος του τοπικού λυγισμού αφορά κυρίως τη φάση λειτουργίας της γέφυρας· ενδέχεται όμως να εμφανισθεί και κατά τη φάση της κατασκευής.

 

Διάβρωση

Η διάβρωση αποτελεί ένα από τα σημαντικά προβλήματα των χαλύβδινων δομικών στοιχείων μιας σύμμεικτης γέφυρας. Η διάβρωση στα αρχικά στάδια προκαλεί μόνο αισθητικά προβλήματα, αλλά ο ρυθμός εξέλιξής της επιτείνεται από περιβαλλοντικούς παράγοντες και μπορεί να διαβρώσει σε βάθος το χαλύβδινο δομικό στοιχείο και να επηρεάσει τη στατική επάρκεια του δομικού μέλους.

Για την προστασία των χαλύβδινων επιφανειών πρέπει να εφαρμοστούν ειδικές βαφές, οι οποίες επιλέγονται ανάλογα με τις περιβαλλοντικές δράσεις της περιοχής.

Εναλλακτικά ή και συνδυαστικά εφαρμόζονται και άλλες μέθοδοι προστασίας, όπως είναι η καθοδική προστασία, ο γαλβανισμός και η στεγάνωση κρίσιμων θέσεων (σημεία ένωσης, με κοχλίες ή συγκόλληση).

 

Ρηγμάτωση πλάκας σκυροδέματος

Η σύμμεικτη σύζευξη του χάλυβα με το σκυρόδεμα έχει σαν αποτέλεσμα την παρεμπόδιση των παραμορφώσεων του σκυροδέματος (κυρίως λόγω ερπυσμού, συστολής ξηράνσεως και θερμοκρασιακών μεταβολών). Εξαιτίας αυτής της παρεμπόδισης αναπτύσσονται εφελκυστικές τάσεις στο σκυρόδεμα και ακολούθως ρηγματώσεις, οι οποίες ενδέχεται να εμφανιστούν τόσο μετά τη σκυροδέτηση της πλάκας όσο και κατά τη διάρκεια της λειτουργίας.

Η ρηγμάτωση που οφείλεται στους παραπάνω λόγους ενδέχεται να μην είναι ιδιαίτερα δυσμενής για την αντοχή της πλάκας του σκυροδέματος· παρά ταύτα επηρεάζει δυσμενώς την ανθεκτικότητα.

Εκτός από την πρόβλεψη επαρκούς οπλισμού στις κατάλληλες θέσεις, πρέπει κατά την κατασκευή να λαμβάνονται και επικουρικά μέτρα, με στόχο τον περιορισμό του μεγέθους των παραμορφώσεων ή και την καθυστέρηση της ανάπτυξής τους μέχρις ότου το «νεαρό» σκυρόδεμα να αποκτήσει σχετική εφελκυστική αντοχή.

Στη δέσμη των μέτρων αυτών περιλαμβάνονται και τα εξής:

– Κατάλληλη για την περίπτωση σύνθεση σκυροδέματος.

– Μακρά περίοδος υγρής συντήρησης.

– Κατασκευή κατά ζώνες ή τμήματα για τον περιορισμό της διαφορικής συστολής ξηράνσεως.

 

Προκαταρκτικές θεωρήσεις

Οι σύμμεικτες γέφυρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν επιτυχώς σε περιπτώσεις γεφυρώσεων μεσαίων και μεγάλων ανοιγμάτων, ευθύγραμμης ή και καμπύλης χάραξης, με ορθή ή και λοξή διάταξη στηρίξεων.

Για την επιλογή του καταλλήλου τύπου διατομής, πέραν των απαιτούμενων κατά περίπτωση καταλλήλων χαρακτηριστικών στατικής συμπεριφοράς, σημαντική επιρροή από κοστολογική άποψη έχει ο περιορισμός του συνολικού βάρους των χαλύβδινων μελών, η δυνατότητα μεταφοράς επίτόπου του έργου σε συνδυασμό με την έκταση, καθώς και το είδος των επιτόπου συναρμολογήσεων και συνδέσεων.

 

Μέθοδοι κατασκευής

Για τις συνήθεις περιπτώσεις συμμείκτων γεφυρών εφαρμόζονται οι ακόλουθες δύο μέθοδοι:

 

α) Τοποθέτηση με χρήση γερανών

Η χρήση γερανών (βλ. φωτό 5, 6) είναι πολύ παλιά. Σήμερα όμως –αξιοποιώντας την αύξηση της ανυψωτικής ικανότητας των γερανών και της ομοίως αυξημένης δυνατότητας μεταφοράς μεγάλου τμήματος της γέφυρας– καθιστά δυνατή την τοποθέτηση του χαλύβδινου τμήματος στην τελική του θέση εντός σχετικά μικρού χρονικού διαστήματος.

Στην περίπτωση της ανύψωσης με γερανούς, επιδιώκεται να ανυψώνονται όσο το δυνατόν μεγαλύτερα τμήματα του μεταλλικού φορέα, είτε όπως αυτά φτάνουν στο εργοτάξιο από το εργοστάσιο παραγωγής είτε μετά από συναρμολόγηση επιτόπου στο χώρο του έργου.

Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στα απαραίτητα μέτρα που πρέπει να ληφθούν –σύμφωνα με τη στατική μελέτη– στις διάφορες φάσεις κατά τη μεταφορά των τμημάτων της γέφυρας, ώστε να αποφευχθούν προβλήματα ευστάθειας των χαλύβδινων διατομών.

Τα πλεονεκτήματα της τοποθέτησης με χρήση γερανών είναι:

  • Προσαρμοστικότητα στη γεωμετρία καταστρώματος.
  • Περιορισμός των τάσεων που εφαρμόζονται στο χαλύβδινο τμήμα κατά την κατασκευή.
  • Ταχύτητα εγκατάστασης (λιγότερο από μία ημέρα ανά άνοιγμα).
  • Δεν απαιτείται ιδιαίτερη διαμόρφωση εργοταξιακού χώρου.

Τα μειονεκτήματα της συγκεκριμένης μεθόδου είναι ότι:

  • Απαιτείται χώρος για την περιστροφή του βελονιού του γερανού τη στιγμή που μεταφέρει τα τμήματα της γέφυρας.
  • Υπάρχουν περιορισμοί όσον αφορά το ύψος στο οποίο πρέπει να ανυψωθεί ο φορέας της γέφυρας.
  • Απαιτείται ομαλή πρόσβαση στη θέση εγκατάστασης του γερανού.
  • Υπάρχουν επικίνδυνες συνθήκες εργασίες πλησίον των ηλεκτρικών γραμμών υψηλής τάσης.
  • Οι εργασίες μετά την εγκατάσταση (συγκολλήσεις, συναρμολόγηση τμημάτων κλπ.) εκτελούνται σε ύψος και συχνά υπό μη ευνοϊκές συνθήκες.

Φωτό 5

Φωτό 6

β) Τοποθέτηση με προώθηση

Το χαλύβδινο τμήμα κινείται προς την τελική του θέση (βλ  φωτό 7) ολισθαίνοντας πάνω σε έδρανα ολίσθησης ή σε 2 ή 4 ή ακόμη και 8 τροχούς ή κύλιστρα , που βρίσκονται στις θέσεις των βάθρων. Μία ελαφρά μεταλλική κατασκευή (δικτύωμα), το ρύγχος προώθησης, χρησιμοποιείται συνήθως για να μειώσει το μήκος του προβόλου.

Η μέθοδος της προώθησης εφαρμόζεται χωρίς πρόβλημα όταν ο άξονας της γέφυρας που πρόκειται να προωθηθεί είναι ευθύγραμμος ή ακολουθεί κύκλο σταθερής ακτίνας, τόσο κατά μήκος όσο και οριζοντιογραφικά. Ωστόσο, είναι δυνατό να αντιμετωπιστούν κάποιες μικρές παρεκκλίσεις από την προηγούμενη γεωμετρική απαίτηση, επιτρέποντας την εφαρμογή και στις περιπτώσεις αυτές.

Επίσης απαιτείται κατάλληλα διαμορφωμένος εργοταξιακός χώρος συναρμολόγησης πίσω από το ένα ή και τα δύο ακρόβαθρα (αναλόγως του συνολικού μήκους της γέφυρας), με διαστάσεις:

Μήκος: L=2 x L ακραίου ανοίγματος

Πλάτος: W = πλάτος καταστρώματος + (5m έως 10m).

Σημειωτέον ότι η προώθηση δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί εάν η ταχύτητα του ανέμου είναι μεγαλύτερη από 30 – 50km/h.

Τα πλεονεκτήματα της τοποθέτησης με προώθηση είναι ότι:

  • Δεν απαιτούνται ειδικές εγκαταστάσεις.
  • Επιτρέπεται να γίνονται εργασίες συγκόλλησης στο έδαφος.
  • Παρέχονται ασφαλείς συνθήκες εργασίας.
  • Επιτυγχάνεται αυξημένη ποιότητα των εργοταξιακών εργασιών.

Τα μειονεκτήματα της συγκεκριμένης μεθόδου είναι ότι απαιτείται ειδικός εξοπλισμός και επιδέξια κατασκευή, ενώ η σχετική διαδικασία είναι αργή.

 

Φωτό 7

Πλάκα σκυροδέματος

Μετά την τοποθέτηση του μεταλλικού φορέα στην τελική θέση, ακολουθεί η κατασκευή της πλάκας σκυροδέματος, του καταστρώματος, με τους ακόλουθους τρόπους:

α) Με επιτόπου σκυροδέτηση και χρησιμοποιώντας:

  • Κινητούς βιομηχανικούς ξυλοτύπους .
  • Συμβατικό ξυλότυπο.
  • Πρόπλακες.
  • Τραπεζοειδή ή κυματοειδή χαλυβδόφυλλα .

β) Με προκατασκευασμένες πλάκες σκυροδέματος οι οποίες στηρίζονται στα πέλματα των κυρίων δοκών ή και των διαδοκίδων. Η κατασκευή της πλάκας ολοκληρώνεται γεμίζοντας το μεταξύ τους κενό (φωτό 10) με μη συρρικνούμενο σκυρόδεμα κατάλληλης σύνθεσης.

 

 

Παρατηρήσεις

  • Με την επιτόπου σκυροδέτηση αποφεύγεται ή ελαχιστοποιείται ο αριθμός των ψυχρών αρμών.
  • Με την χρήση προκατασκευασμένων πλακών μειώνεται ο κίνδυνος ρηγματώσεων λόγω συστολής ξήρανσης.

 

 

*Ο κ. Ιωάννης Ν. Σιγάλας είναι πολιτικός μηχανικός M.Sc. DIC και ο κ. Ιωάννης Γ. Σπινάσας πολιτικός μηχανικός.

Ελέγξτε επίσης

Φωτισμός κτιρίων

Η νέα Τεχνική Οδηγία «Τεχνητός και φυσικός φωτισμός των κτιρίων» και η συμβολή της στον …

Τα Περιοδικά μας