Νέος τρόπος κατασκευής τοξωτών γεφυρών µε χρήση του συστήµατος Τόξο του Οδυσσέα New method of arched bridge construction using the structural system Arc of Ulysses Γιάννης Μάντζαρης 1, Περσεφόνη Βουτσινά 2, Νίκος Πνευµατικός 3,Χρήστος Μαχαίρας 4, Κώστας Κωσταβασίλης 5 Λέξεις κλειδιά: Τοξωτές γέφυρες, Τόξο του Οδυσσέα ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία εξετάζεται νέα µέθοδος µελέτης και κατασκευής τοξωτής γέφυρας µε εφαρµογή του συστήµατος «Τόξο του Οδυσσέα». Για την κατασκευή της γέφυρας γίνεται µια συνδυασµένη χρήση προκατασκευασµένων στοιχείων και επί τόπου έγχυσης σκυροδέµατος. Παράδειγµα αυτού του τρόπου κατασκευής αποτελεί η γέφυρα µήκους 60 µέτρων εκ 3 ανοιγµάτων (15, 30 και 15m) στη θέση Μπουραζάνι πάνω από τον Αώο ποταµό. Το πλάτος της γέφυρας είναι 10 µέτρα. Η συγκεκριµένη γέφυρα αποτελείται από 4 κατά µήκος δοκούς τοξωτής µορφής καθώς και εγκάρσιες που συνδέουν τις κατά µήκος στα άκρα και στα µέσα των τόξων τους. Η κατά µήκος δοκός αποτελείται αρχικά από το κάτω πέλµα µε οπλισµένο σκυρόδεµα και τον κορµό και το πάνω πέλµα από µεταλλικό δικτύωµα. Στην συνέχεια γίνεται έγχυση σκυροδέµατος µε τη βοήθεια ειδικών καλουπιών σκυροδέµατος µε νεύρα και αναµονές ώστε να επιτευχθεί συνεργασία νέου και παλιού σκυροδέµατος. Έτσι προκύπτει η τελική διατοµή η οποία αναλαµβάνει τα φορτία λειτουργίας. ABSTRACT : In the present paper is examined a new method of arched bridge construction using the patent Arc of Ulysses. Prefabricated elements and fresh concrete are used for the bridge s construction. A bridge 60 m long with 3 spans (15,30 και 15m) situated at Bourazani over Aoos river constitutes a real example of this method of construction. The bridge s width is 10m.This bridge is constituted from 4 arched beams for every span which are connected at the middle and end of their arcs by other perpendicular beams. At the beginning, each long 1 Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ,IMTA Paris,ΦΑΝΤΑ ΡΕΑΛ ΑΒΕΤΕ, email: imant@tee.gr 2 Πολιτικός Μηχανικός ΠΠ, Msc ΕΜΠ, email: pvouts@yahoo.gr 3 Πολιτικός ΜηχανικόςΕΜΠ,Εργαστηριακός Συνεργάτης ΤΕΙ Αθήνας email: nikos_pnevmatikos@hotmail.com 4 Πολιτικός Μηχανικός ΠΠ, email: chrmach@yahoo.gr 5 Τεχνολόγος Μηχανικός ΤΕΙ ΠΑΤΡΩΝ, Κ.ΚΩΣΤΑΒΑΣΙΛΗΣ&ΣΙΑ Ο.Ε.,email: kostaskostavasilis@yahoo.gr 1
beam consists of the bottom flange from reinforced concrete and the web and the top flange which are steel truss. Afterwards, fresh concrete is poured using special moulds with nerves and steel projections in order to achieve good cooperation between new and old concrete. Therefore is made the final section which bears the operational loads. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι τοξωτές γέφυρες, εφαρµόζονται από αρχαιοτάτων χρόνων, διότι παρουσιάζουν πολλά γνωστά πλεονεκτήµατα. Στη σηµερινή εποχή, η συνεργασία σύγχρονων υλικών όπως σκυρόδεµα και χάλυβα οδήγησε στη χρήση σύµµικτων κατασκευών, Ερµόπουλος (2000), Βάγιας (2005). Στην παρούσα εργασία µελετάται µια τέτοια τοξωτή, µικτή κατασκευή µε χρήση του σκυροδέµατος και του χάλυβα. Σε µεγάλα ανοίγµατα, το τόξο, χρησιµεύει ως κύριος φορέας, πάνω στον οποίο στηρίζονται οι δοκοί, επί των οποίων τοποθετείται το κατάστρωµα κυκλοφορίας. Για µικρότερα ανοίγµατα, µέχρι 60m, οι δοκοί του καταστρώµατος στηρίζονται απευθείας στο τόξο, Μάντζαρης (2005), Μάντζαρης (2009). Αυτές οι δοκοί µπορεί να είναι προκατασκευασµένοι και προεντεταµένοι, Τσουκαντάς (2006) και µε µικρότερο συγκριτικό κόστος Μάντζαρης (2008). Η γέφυρα που θα εξετάσουµε κατασκευάστηκε µε την χρήση του συστήµατος «Τόξο του Οδυσσέα» και βρίσκεται στην περιοχη Μπουραζάνι πάνω από τον ποταµό Αώο. Όπως φαίνεται και στις φωτογραφίες η γέφυρα εναρµονίζεται πλήρως µε την τοπική παραδοσιακή αρχιτεκτονική αφού στην ευρύτερη περιοχή της Ηπείρου οι παλιές γέφυρες είναι τοξωτές και πέτρινες. Η γέφυρα ενώνει την 32 η µε την 35 η επαρχιακή οδο και διευκολύνει σηµαντικά την κυκλοφορία αφού προηγουµένως η περιοχή εξυπηρετείτο από µια στρατιωτική πεζογέφυρα τύπου Bailey. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΓΕΦΥΡΑΣ Η γέφυρα συνολικού µήκους 60m και πλάτους 10m, 3 ανοιγµάτων 15m, 30m και 15m αποτελείται από 4 x 3 δοκούς τοξωτής µορφής καθώς και εγκάρσιες που τις συνδέουν στα άκρα και τα µέσα των τόξων τους. Κάθε κατά µήκος δοκός αποτελείται στην πρώτη φάση από κάτω πέλµα οπλισµένου σκυροδέµατος και κορµό µεταλλικού δικτυώµατος (φάση κατασκευής στο εργοστάσιο). Έπειτα στον τόπο του έργου γίνεται έγχυση νωπού σκυροδέµατος χρησιµοποιώντας ειδικά καλούπια-τοιχία σκυροδέµατος ώστε να επιτευχθεί συνεργασία παλιού και νέου σκυροδέµατος. Τα εσωτερικά τοιχία ενώνονται µεταξύ τους µε πρόπλακες ώστε να πραγµατοποιηθεί η έγχυση του καταστρώµατος από οπλισµένο σκυρόδεµα. Όλα αυτά φαίνονται παρακάτω στο Σχήµα 1 και στο Σχήµα 2. 2
Σχήµα 1. Όψη γέφυρας µε προκατασκευασµένα καλούπια-τοιχία Σχήµα 2. Εγκάρσια τοµή γέφυρας µε προκατασκευασµένα καλούπια σκυροδέµατος τύπου «τραπέζι» ΜΕΛΕΤΗ-ΕΦΑΡΜΟΓΗ Η προµελέτη της γέφυρας και η µελέτη εφαρµογής πραγµατοποιήθηκαν µε τη βοήθεια του προγράµµατος SAP2000. Μελετήθηκε η γέφυρα σε τρεις φάσεις κατασκευής. Στην πρώτη φάση τα αρχικά προκατασκευασµένα τόξα µε κάτω πέλµα από οπλισµένο σκυρόδεµα µε κορµό και πάνω πέλµα το µεταλλικό δικτύωµα µελετήθηκαν υπό το φορτίο του νωπού σκυροδέµατος έγχυσης για το γέµισµα του κορµού του δικτυώµατος. Στην δεύτερη φάση η στερεοποιηµένη πλέον σύνθετη (από δύο υλικά) κατασκευή εξετάζεται για το φορτίο του νωπού σκυροδέµατος έγχυσης στο κατάστρωµα και στην τρίτη η έτοιµη πλέον γέφυρα για τα φορτία διέλευσης οχηµάτων. Η µελέτη προέβλεπε τις φάσεις µεταφοράς 3
και τοποθέτησης των τόξων αλλά και τον τρόπο κατασκευής της γέφυρας,δηλαδή τα διάφορα στάδια κατασκευής της. εδοµένου ότι ο αρχικός σκελετός της γέφυρας ήταν προκατασκευή αντιµετωπίσθηκε αρχικά το δίληµµα επιλογής µορφής δοκού ανά άνοιγµα, δηλαδή ποια µορφή θα είχαν οι επιµέρους τοξωτές δοκοί κάθε ανοίγµατος της γέφυρας ώστε να µπορούν να µεταφερθούν στον τόπο του έργου. Σαν πρώτη λύση εξετάστηκε το ενδεχόµενο δοκού δύο τµηµάτων που θα ενώνονταν στον τόπο του έργου. Έπειτα εξετάσθηκε η περίπτωση ενιαίας δοκού µε πλήρες δικτύωµα και τελευταία η περίπτωση ενιαίας δοκού µε «πατηµένο» δικτύωµα (δηλαδή δικτύωµα πιο συµπιεσµένης µορφής από το σύνηθες) η οποία και επελέγη τελικά ως η καλύτερη για ασφαλή µεταφορά και τοποθέτηση. Στο Σχήµα 3 και στο Σχήµα 4 φαίνονται το στατικό µοντέλο της γέφυρας στην τελική φάση και η µορφή της τελικής δοκού ανά άνοιγµα. Σχήµα 3. Το στατικό µοντέλο της γέφυρας στην τελική φάση. 4
Σχήµα 4. Τελική επιλογή δοκού ανά άνοιγµα: εννιαία µε «πατηµένο» δικτύωµα Έπειτα, εξετάσθηκε ο τρόπος µεταφοράς από το εργοστάσιο παραγωγής στον τόπο του έργου των επιµέρους δοκών ανά άνοιγµα δηλαδή η µεταφορά σε όρθια ή οριζόντια θέση των τοξωτών αυτών δοκών. Επελέγη ως καταλληλότερη η οριζόντια θέση µεταφοράς στην νταλίκα. Η φόρτωση των τόξων από το εργοστάσιο έγινε µε δοκό ανάρτησης (κρεµάστρα) ενώ η εκφόρτωση στο έργο πραγµατοποιήθηκε µε ανάρτηση µε συρµατόσχοινα ύψους 25m. Η κάθε φάση αυτής της διαδικασίας και η αντίστοιχη εντατική κατάσταση των στοιχείων µελετήθηκε και έγιναν οι απαραίτητοι έλεγχοι ασφαλείας. Σχήµα 5. Η φόρτωση των τόξων µε κρεµάστρα από εργοστάσιο 5
Ακολούθως εξετάσθηκε η στρέψη των τόξων στον τόπο του έργου κατά την µετακίνηση από οριζόντια σε όρθια θέση, για να τοποθετηθούν στα βάθρα. Η πρώτη επιλογή ήταν µε ανάρτηση από δυο σηµεία κοντά στο κέντρο για την στρεψη και η δεύτερη η οποία και επελέγη τελικά ήταν µε ανάρτηση από δυο σηµεία κοντά στα άκρα. Σχήµα 6. Ανάρτηση από δύο σηµεία στο κέντρο για στρέψη τόξων σε όρθια θέση (ροπές κάµψης) Σχήµα 7. Ανάρτηση από δύο σηµεία στο κέντρο για στρέψη τόξων σε όρθια θέση (ροπές στρέψης) Αφού τα τόξα στράφηκαν στην όρθια θέση τοποθετήθηκαν στα βάθρα χρησιµοποιώντας ελκυστήρες που συγκρατούσαν τα άκρα των τόξων. Η χρήση 6
ελκυστήρων κρίθηκε απαραίτητη ύστερα από µελέτη της συµπεριφοράς των τόξων κατά την τοποθέτηση στα βάθρα χωρίς ελκυστήρες οπότε και προσοµοίωση των συνθηκών στήριξης τότε στα άκρα µε δύο κυλίσεις. Σχήµα 8. Τοποθέτηση τόξων µε ελκυστήρες στα βάθρα Τέλος, για να ολοκληρωθεί η µελέτη εξετάσθηκε η στατική συµπεριφορά των ειδικών τοιχίων καλουπιών και προπλακών ώστε να τοποθετηθούν µε ασφάλεια, να λειτουργήσουν ως καλούπια σταθερά κατά την έγχυση του σκυροδέµατος πλήρωσης κορµού δοκών και να συνεργαστούν µετέπειτα µε το νέο σκυρόδεµα. ΣΤΑ ΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Τα βασικά στάδια κατασκευής της γέφυρας στον τόπο του έργου ήταν τα παρακάτω. Αρχικά, η προετοιµασία για την τοποθέτηση των τόξων στα µεσόβαθρα και ακρόβαθρα, δηλαδή το γύρισµα των τόξων στην όρθια θέση, το σιδέρωµα τους, η τοποθέτηση των κατώτερων τοιχίων-καλουπιών σε αυτά, το σιδέρωµα εγκαρσίων δοκών στα µεσόβαθρα. Ακολουθεί η τοποθέτηση των τόξων στα ακρόβαθρα και τα µεσόβαθρα και η σκυροδέτηση ύψους 30 cm στα µεσόβαθρα για καλύτερη στήριξη των τόξων. Έπειτα πραγµατοποιείται το σιδέρωµα συνέχειας καθώς και το σιδέρωµα εγκαρσίων δοκών των ακροβάθρων. Ακολούθως η σκυροδέτηση µέχρι τα 2,50m ύψος (µέχρι το ύψος των κατωτέρων καλουπιών-τοιχίων) και ύστερα η τοποθέτηση των ανωτέρων που ενωµένα µε τις πρόπλακες σχηµατίζουν «τραπέζια». Αφού τοποθετηθούν και τα εξωτερικά εµφανή τοιχία που είναι επενδεδυµένα µε πέτρα ολοκληρώνεται η σκυροδέτηση κορµού των 4 δοκών της γέφυρας αλλά και των εγκαρσίων σε αυτές και η κατασκευή τελειώνει µε το σιδέρωµα και την σκυροδέτηση του καταστρώµατος. Στο Σχήµα 9 έως και το Σχήµα 14 φαίνονται οι διάφορες φάσεις κατασκευής. Στο Σχήµα 15 φαίνεται η τελική µορφή της γέφυρας. 7
Σχήµα 9. Γύρισµα τόξου στην όρθια θέση Σχήµα 10. Τοποθέτηση τόξων στα βάθρα 8
Σχήµα 11. Σιδέρωµα συνέχειας και εγκαρσίων δοκών Σχήµα 12. Τοποθέτηση «τραπεζιών» 9
Σχήµα 13. Τοποθέτηση «τραπεζιών» Σχήµα 14. Τοποθέτηση εµφανών εξωτερικών καλουπιών -τοιχίων 10
Σχήµα 15. Άποψη από την τελική γέφυρα ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η εφαρµογή του συστήµατος «Τόξο του Οδυσσέα» που επέβαλε την χρήση προκατασκευασµένων στοιχείων για την κατασκευή της γέφυρας προσέδωσε ένα άρτιο τεχνικά αποτέλεσµα σε αρκετά σύντοµο χρονικό διάστηµα και µε µικρό σχετικά κόστος. Η τυποποιηµένη µορφή του συγκεκριµένου δοµικού συστήµατος προσέδωσε ταχύτητα παραγωγής στο εργοστάσιο καθώς και διασφαλίσε έλεγχο ποιότητας δεδοµένου ότι επρόκειτο για ένα ήδη δοκιµασµένο δοµικό σύστηµα χρησιµοποιηµένο σε παλαιότερες εφαρµογές. Αυτή η αποτελεσµατική κι ευέλικτη µέθοδος συνάντησε βέβαια το πρόβληµα της µεταφοράς των προκατασκευασµένων τόξων δεδοµένων των διαστάσεων. Απαιτήθηκε λεπτοµερής υπολογισµός σε κάθε στάδιο κατασκευής και µετακίνησης των στοιχείων και έλεγχος τους για αποφυγή αστοχιών. Η χρήση του συστήµατος «Τόξο του Οδυσσέα» για την κατασκευή τοξωτών γεφυρών, ανοίγει νέους δρόµους, διότι συνδυάζει την οικονοµία, ποιότητα και εξαιρετική ταχύτητα. Έτσι είναι δυνατόν να κατασκευαστούν τοξωτές γέφυρες σε σηµεία που µέχρι τώρα ήταν ανέφικτο, και µε όρους εξαιρετικά ανταγωνιστικούς. 11
ΑΝΑΦΟΡΕΣ Ermopoulos, J., Steel and Composite bridges according to Eurocodes, ed. Kleidarithmos, Athens, Greece (2000) Mantzaris, J., Panagiotou, G. & Pnevmatikos, N., Bridges with composite static system. Arch of Odysseus, in Proceedings of the 5 th National Conference of Steel Structures (Xanthi Greece September 29-October 1, 2005), Proceedings, Vol.II, Xanthi, Greece (2005) 216-224 Μάντζαρης, Ι., Πνευµατικός, Ν., Συγκριτική ανάλυση κόστους και βάρους της σύµµεικτης δοκού «τόξο του Οδυσσέα» µε άλλα κλασικά δοµικά συστήµατα, 6 ο Εθνικό Συνέδριο Μεταλλικών Κατασκευών, Ιωάννινα, 2-4 Οκτωβρίου 2008. Μάντζαρης, Ι., Τοξωτές γέφυρες. Νέος τρόπος κατασκευής µε τη δοκό Τόξο του Οδυσσέα, Σ.Π.Μ.Ε., τεύχος 368 (2009) 28-32 Τσουκαντάς Σ. Γ., Μάντζαρης Ι.Α., Λουκάτος Ν.Σ.: "Πειραµατική διρεύνηση συµπεριφοράς προκατασκευασµένου-προεντεταµένου φορέα", 15 ο Ελληνικό Συνέδριο Σκυροδέµατος, Αλεξανδρούπολη, 2006. Vayas, I., Ermopoulos, J. & Ioannidis, G., Steel Structures, Design examples according to Eurocode 3, Volume IΙ, ed. Kleidarithmos, Athens, Greece (2005) 12