Mostové dilatačné škáry

Definícia a účel

Mostová dilatačná škára je mechanická zostava inštalovaná v zámerne vytvorenej medzere medzi susednými segmentmi mostovky alebo medzi mostovkou a jej oporou. Jej účelom je umožniť nosnej konštrukcii voľne sa rozťahovať a zmršťovať v reakcii na teplotné zmeny, dotvarovanie a zmrašťovanie betónu, priehyby od zaťaženia premávkou a seizmické posuny, pričom súčasne utesňuje medzeru proti vode, chemikáliám na rozmrazovanie a nečistotám. Škára musí tiež hladko prenášať zaťaženie z kolies cez medzeru bez vytvárania neprijateľných nárazových síl, hluku alebo jazdného nepohodlia.

Primárnym pohybom, ktorý dilatačná škára umožňuje, je tepelná rozťažnosť a kontrakcia. Mostové materiály sa pri zvyšovaní teploty rozťahujú a pri znižovaní teploty zmršťujú. Súčiniteľ tepelnej rozťažnosti ocele je približne 6,5 × 10⁻⁶ na stupeň Fahrenheita, zatiaľ čo pre bežný betón je to približne 6,0 × 10⁻⁶ na stupeň Fahrenheita. Podľa AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, článok 3.12, sa návrhové teplotné rozsahy pohybujú od približne 80 °F v miernom podnebí do 150 °F v studenom podnebí pre oceľové nosné konštrukcie. Pre 200-stopové oceľové nosníkové pole v studenom podnebí môže samotný tepelný pohyb presiahnuť 2 palce medzi letnými a zimnými extrémami.

Sekundárne pohyby zahŕňajú dotvarovanie a zmrašťovanie betónu v predpätých betónových nosníkoch. Dlhodobé dotvarovanie a zmrašťovanie typicky pridáva 0,0003 až 0,0006 palca na palec dĺžky prislúchajúceho poľa počas životnosti. Pre 200-stopový predpätý nosník to predstavuje približne 0,72 až 1,44 palca pohybu v škáre, ktorý sa kumuluje niekoľko rokov po výstavbe. Pootočenie konca nosníka od zaťaženia premávkou sa premieta do pozdĺžneho posunu v ložisku, typicky pridáva 0,1 až 0,3 palca pri zaťažení cestnou dopravou v závislosti od geometrie ložiska. V aktívnych seizmických zónach je potrebné zohľadniť aj seizmický posun.

Škára zabezpečuje vodotesnosť buď pomocou integrovaného elastomérneho tesnenia (kompresné tesnenie, vložka pásového tesnenia, modulárna vložka), liateho tmelenia (silikónové alebo polymérové) alebo drenážneho žľabu, ktorý zbiera a odvádza vodu (prstové doskové škáry). Škáry, ktoré sa spoliehajú na drenážny žľab namiesto integrovaného tesnenia, sa klasifikujú ako otvorené škáry a vodotesnosť je zabezpečená systémom zberu a odvodu pod otvorom škáry. Uzavreté škáry obsahujú tesnenie, ktoré priamo bráni prechodu vody.

Podľa príručky údržby mostov Floridského ministerstva dopravy (FDOT) prispievajú chybné mostovkové škáry k zhoršovaniu stavu všetkých hlavných mostných komponentov — mostovky, nosnej konštrukcie aj spodnej stavby — tým, že umožňujú prenikaniu korozívnych rozmrazovacích solí, vody a nečistôt cez medzeru. Konce mostovky, konce nosníkov, sedlá opôr, hlavice pilierov a ložiská sú všetky ohrozené. Význam udržiavania mostových škár v dobrom stave nemožno dostatočne zdôrazniť.

Výber škáry podľa rozsahu pohybu a šikmého uhla

Výber vhodného systému dilatačnej škáry začína jedným kritickým parametrom: celkový vypočítaný rozsah pohybu. Celkový pohyb je súčtom tepelného pohybu, dotvarovania a zmrašťovania, pootočenia od zaťaženia premávkou, prípadného seizmického posunu a bezpečnostného faktora (bežne 1,25 podľa praxe štátnych dopravných oddelení). Škára sa potom špecifikuje podľa svojej menovitej kapacity pohybu, ktorá musí byť rovná alebo väčšia ako tento celkový pohyb.

Päť rodín systémov sa mapuje na špecifické rozsahy pohybu:

Základná rovnica pre tepelný pohyb je ΔT = α × L × (Tmax − Tmin), kde α je súčiniteľ tepelnej rozťažnosti, L je dĺžka prislúchajúceho poľa prispievajúceho k škáre a (Tmax − Tmin) je návrhový teplotný rozsah. Pre 200-stopový predpätý betónový nosník v miernom podnebí s teplotným rozsahom 100 °F je tepelná zložka 1,44 palca. Pridanie 0,96 palca za dotvarovanie a zmrašťovanie a 0,20 palca za pootočenie od zaťaženia premávkou dáva medzisúčet 2,60 palca. Bezpečnostný faktor 1,25 pridáva 0,65 palca, čo vedie k celkovému návrhovému pohybu približne 3,25 palca — na hornej hranici kapacity pásového tesnenia. Projektant by zvolil 4-palcové pásové tesnenie alebo prešiel na jednobunkový modulárny systém.

Šikmý uhol výrazne ovplyvňuje výber a dimenzovanie škáry. Na šikmých mostoch škára zažíva zošikmený posun rovnobežný s líniou škáry popri otváraní a zatváraní kolmom na ňu. WisDOT Bridge Manual špecifikuje, že pri šikmých uhloch nad 30 stupňov by sa skutočný zošikmený posun mal obmedziť na 60 percent menovitej kapacity tesnenia. Pri šikmých uhloch nad 45 stupňov limit klesá na 50 percent. Pásové tesnenia musia byť predimenzované na kompenzáciu zošikmenia pri vysokých uhloch a niektorí výrobcovia ponúkajú 5-palcové vložky pre inštalácie vyžadujúce 4 palce pohybu na konštrukciách s vysokým šikmým uhlom.

Sklon mostovky tiež ovplyvňuje výber škáry. Škáry na strmých sklonoch zažívajú rozdielny pohyb na hornej a dolnej strane a môžu vyžadovať vylepšené odvodňovacie prvky. Škáry s asfaltovou zátkou mäknú pri teplote nad približne 140 °F a na sklonoch sa môžu vyjazdiť pod ťažkými pomaly idúcimi nákladnými vozidlami, čo obmedzuje ich použitie na strmých prístupoch. Pásové tesnenia zvládajú sklony do 5 percent pri vhodnom dimenzovaní vložky.

Intenzita a rýchlosť dopravy ovplyvňujú výber medzi škárami v úrovni vozovky (APJ, kompresné tesnenie) a škárami s odkrytými oceľovými lištami (pásové tesnenie, modulárne). Rýchlostné cesty vyžadujú hladké prechody bez rizika zakopnutia. Prstové doskové škáry poskytujú vynikajúcu kvalitu jazdy pri rýchlosti, pretože koleso nikdy neprechádza cez otvorenú medzeru — prechádza cez prekrývajúcu sa oceľ. Modulárne škáry, hoci sú vodotesné, produkujú pri rýchlosti viac hluku a vibrácií v porovnaní s prstovými doskami, preto prstové dosky zostávajú preferovanou voľbou pre dlhé oceľové mosty s rýchlou premávkou.

Typy škár — podrobný popis

Pásové tesniace dilatačné škáry

Pásová tesniaca škára je pracovný kôň pre typické krátke až stredné mosty. Pozostáva z dvoch oceľových okrajových líšt — typicky lisovaných alebo liatych — ukotvených do betónových ukončení mostovky, s kontinuálnou elastomérnou vložkou (EPDM alebo neoprén) mechanicky uzamknutou medzi nimi. Vložka sa pri otváraní škáry ohýba do tvaru písmena V a pri zatváraní sa vyrovnáva do plochého tvaru. Vložka je opotrebovateľný komponent; lišty sú konštrukčné komponenty, ktoré prenášajú zaťaženie z kolies na mostovku.

Pásové tesnenia dominujú v rozsahu pohybu 1 až 4 palce, pretože sú jednoduché, rýchlo sa inštalujú a vložku je možné vymeniť bez odstránenia alebo narušenia oceľových líšt. Výmena vložky je jednosmerná nočná uzávera na typickom jazdnom pruhu. Samotné lišty zvyčajne vydržia v prevádzke 20 až 30 rokov. Podľa noriem WisDOT je minimálna veľkosť pásového tesnenia pre novú výstavbu 4 palce a minimálny priečny otvor vozovky medzi profilmi musí byť 1,5 palca na uľahčenie inštalácie vložky.

Výkon vložky závisí od správnej inštalácie. Podľa WisDOT Bridge Manual hodnotenia výkonu pásových tesniacich škár v prevádzke naznačujú, že vložky nie sú vždy inštalované správne. Bežné chyby zahŕňajú nezavedenie oboch výstupkov neoprénovej vložky do oceľového profilu a inštaláciu vložky hore nohami. Výrobcovia sú teraz povinní označiť „Horná strana" na neoprénových vložkách pred odoslaním. Mazivo-adhezívum aplikované počas inštalácie pôsobí najprv ako mazivo a potom vytvrdne a vytvorí adhéznu membránu medzi kontaktnými povrchmi.

Pásové tesnenia sa ohýbajú nahor do obrubníkov a parapetných častí, pričom krycie dosky zakrývajú vzniknuté vybranie. Stredové a chodníkové časti tiež vyžadujú krycie dosky. Štandardné detaily Wisconsinského DOT vyžadujú, aby pri inštaláciách pásového tesnenia na šikmých uhloch nad 45 stupňov bolo tesnenie predimenzované na kompenzáciu zošikmenia.

Modulárne mostové dilatačné škáry (MBEJ)

Modulárna dilatačná škára je v podstate zväčšené pásové tesnenie. Viacero paralelných stredných nosníkov leží medzi dvoma okrajovými lištami, každý oddelený od nasledujúceho elastomérnou vložkou. Každá jednotlivá medzera umožňuje zlomok celkového pohybu, vynásobený počtom buniek. 4-bunková MBEJ s kapacitou 4 palce na bunku poskytuje 16 palcov celkového pohybu.

Stredné nosníky sú nesené priečnymi nosnými tyčami, ktoré sa kĺžu cez ložiskové skrine ukotvené v spodnej stavbe. Dominujú dve konštrukčné filozofie: jednonosné tyčové (SSB) systémy používajú jednu tyč na nosník kĺzajúcu cez jedno ložisko na stranu, čo poskytuje jednoduchšiu kinematiku a menej opotrebovateľných povrchov. Viaceré nosné tyčové (MSB) systémy dávajú každému nosníku vlastnú nosnú tyč s pružinami a zariadeniami na zachovanie rovnakej vzdialenosti, čo poskytuje väčšiu redundanciu pri únavovom zaťažení. Oba návrhy používajú hlavné štátne dopravné oddelenia; výber závisí od požiadaviek na kategóriu únavy a preferencií agentúry.

MBEJ sú najdrahšou rodinou škár na lineárnu stopu a najviac disruptívne pri výmene. Výmena vyžaduje demoláciu výrezu mostovky, odstránenie zostavy ložiskovej nosnej tyče a preliatie betónového ukončenia okolo novej jednotky. Viacťažná etapová výstavba s presmerovaním dopravy je štandardom. Proaktívna údržba — výmena vložky a kontrola ložísk — je nevyhnutná na oddialenie úplnej výmeny.

Modulárne škáry sa riadia kategóriami únavy AASHTO LRFD článku 6 pre zváraný spoj stredného nosníka a nosnej tyče. Posúdenie na živé zaťaženie nasleduje požiadavky návrhového vozidla AASHTO HL-93 plus projektovo špecifické povolené zaťaženia. Modulárna geometria toleruje významný šikmý uhol s vhodnými rohovými detailmi.

Prstové doskové škáry

Prstové doskové škáry používajú dve do seba zapadajúce sady oceľových konzolových prstov ukotvených v ukončení mostovky. Prsty sa prekrývajú s malou vôľou a kĺžu jeden popri druhom, keď sa škára pohybuje. Zaťaženie z kolies ide priamo na oceľový povrch a vodotesnosť je riešená samostatne elastomérnym drenážnym žľabom zaveseným pod prstami.

Existujú dva typy prstových dosiek: konzolové prsty, podopreté iba na ukotvenej päte (bežné do 4 palcov pohybu), a podopreté alebo kĺzavé prsty, kde hroty pri stlačení jazdia na nosnej poličke, čím eliminujú konzolové ohýbanie (používa sa pre 4 až 12+ palcov pohybu na silne zaťažených mostovkách). Dĺžka prstov a geometria zubov sú prispôsobené dĺžke poľa a dopravným požiadavkám. Niektoré agentúry vyžadujú maximálnu medzeru prstov ¾ palca rovnobežne so smerom dopravy pre kompatibilitu s motocyklami a bicyklami.

Výhoda kvality jazdy prstových dosiek je značná. Koleso nikdy neprechádza cez otvorenú medzeru — prechádza cez prekrývajúcu sa oceľ. Vďaka tomu sú prstové dosky preferovaným typom škáry na dlhých oceľových nosníkových mostoch, kde sú primárnymi požiadavkami kvalita jazdy a tlmenie hluku. Podľa WisDOT Bridge Manual sa detaily prstových a kĺzavých dosiek v súčasnosti udržiavajú iba pre údržbu a obnovu škár; pre nové konštrukcie sa odporúčajú vodotesné dilatačné zariadenia, ako sú pásové tesnenia a modulárne typy.

Drenážny žľab pod prstami je skutočným hydroizolačným prvkom a najčastejším miestom poruchy. Žľaby sa upchávajú sedimentom z rozmrazovacích solí, frézovaným asfaltom a odpadkami. Prístup na čistenie cez bočné panely a detail spádovania k odtoku sú kritické konštrukčné prvky. Upchatý žľab posiela odtok priamo do ložísk, čím celý systém zlyháva.

Škáry s kompresným tesnením

Kompresné tesnenie je vopred tvarovaný polychloroprénový (neoprénový) profil vtlačený do medzery škáry, ktorá je trvalo užšia ako neobmedzená šírka tesnenia. Tesnenie zostáva vodotesné tým, že zostáva v stlačení počas celého tepelného cyklu. Existujú dva typy: tesnenia s otvorenými bunkami s vnútornou mrežou, ktorá umožňuje stlačenie pri zachovaní stabilného rozhrania s koncom mostovky, a uzavreté penové tesnenia z nízkohustotného etylénvinylacetátového polyetylénu spojeného dvojzložkovým epoxidovým lepidlom.

Kompresné tesnenia s otvorenými bunkami umožňujú pohyby do 2,5 palca. Keďže sa pri vodotesnosti spoliehajú výlučne na stlačenie, dimenzovanie je kritické — tesnenie musí byť dostatočne veľké pre otvor škáry požadovaný pri najnižšej teplote. Uzavreté penové tesnenia fungujú v rozsahu približne 60 percent stlačenia a 30 percent ťahu, pričom pri niektorých produktoch umožňujú pohyby do 4 palcov. Vďaka epoxidovému spojeniu sa uzavreté penové tesnenia nespoliehajú pri vodotesnosti výlučne na stlačenie.

Podľa AASHTO M 297 musia materiály kompresných tesnení pre mostové aplikácie spĺňať špecifické požiadavky na fyzikálne vlastnosti. WisDOT Bridge Manual uvádza, že kompresné tesnenia sa už neodporúčajú pre dilatačné škáry kvôli tendencii časom zatekať; používajú sa iba pre pozdĺžne konštrukčné škáry alebo rehabilitačné projekty, kde sa existujúce tesnenie vytiahlo.

Inštalácia vyžaduje dôkladné čistenie čelných plôch škáry, aplikáciu maziva-adhezíva na boky tesnenia a čelné plochy škáry, vhodné inštalačné nástroje (ručné alebo strojové nástroje, ktoré stláčajú a vystreľujú tesnenie — skrutkovače a páčidlá nie sú povolené) a natiahnutie obmedzené na maximálne 5 percent. Tesnenie musí byť inštalované pod povrchom vozovky s minimálnou hĺbkou vybrania ¼ palca.

Škáry s asfaltovou zátkou (APJ)

Škára s asfaltovou zátkou je flexibilná škára zhotovená na mieste vyrezaním výrezu cez mostovku (typicky 18 až 24 palcov širokého a 2 až 3 palce hlbokého), premostením medzery mostovky oceľovou doskou a vyplnením výrezu polymérom modifikovaným asfaltovým spojivom zmiešaným s kamenivom jednotnej frakcie. Výsledkom je hladký povrch podobný vozovke priľnutý k obom ukončeniam mostovky.

APJ zvláda celkový pohyb do približne 1,5 palca a je najvhodnejšia pre mosty pod 60 stôp s jedným pevným ložiskom. Spojivo mäkne pri teplote nad približne 140 °F, takže vyjazdenie pod ťažkými pomaly idúcimi nákladnými vozidlami je dominantným spôsobom poruchy. Životnosť sa pohybuje od 7 do 12 rokov — kratšia ako pri oceľových systémoch, ale kompenzovaná rýchlou aplikáciou.

APJ vyniká ako obnovovacie riešenie. Zlyhané pásové tesnenie alebo kompresné tesnenie na krátkom moste možno vyrezať, výrez vyčistiť a novú APJ umiestniť počas jednej nočnej alebo víkendovej uzávery. Žiadne nové ukončenia, žiadne vŕtanie kotiev, žiadne čakanie na vytvrdnutie betónu. Minimálny dopad na dopravu často ospravedlňuje kratší životný cyklus pre programy údržby spravujúce mnoho malých mostov.

Spôsoby poruchy zahŕňajú vyjazdenie pod ťažkými nákladnými vozidlami v horúcom počasí, pozdĺžne praskliny nad okrajom premosťujúcej dosky, odlepenie od ukončenia mostovky na okraji výrezu a obnaženie kameniva pri opakovanom náraze kolies.

Škáry s kĺzavou doskou

Kĺzavé oceľové doskové škáry sú polootvorené škáry, kde oceľová doska kĺže cez medzeru pri otváraní a zatváraní škáry. Voda a ľahké nečistoty môžu prechádzať cez škáru. Tmelenie umiestnené v škáre zabraňuje čiastočnému prechodu vody a bráni hromadeniu nečistôt, ktoré by mohli blokovať pohyb. Moderná prax uprednostňuje pásové tesnenia pred kĺzavými doskovými škárami pre novú výstavbu, ale detaily kĺzavých dosiek sa udržiavajú pre obnovu existujúcich inštalácií.

Integrácia škáry a hydroizolácie mostovky

Dilatačné škáry sú najzraniteľnejším miestom v systéme hydroizolácie mosta. Samotná škára musí byť vodotesná, ale vodotesnosť závisí aj od integrity rozhrania medzi škárou a hydroizolačnou membránou mostovky. Ak membrána končí pred škárou, voda vnikajúca z opotrebeného povrchu obchádza tesnenie škáry a steká po čelnej ploche ukončenia.

Integrácia začína ukončením alebo nosom — materiálom priľnutým k mostovke a nájazdovej doske, ktorý poskytuje vertikálny povrch na pripevnenie škáry a odoláva zaťaženiu z kolies. Ukončenia sú typicky vyrobené z hydraulického cementového betónu alebo elastomérneho betónu (polymérbetón). Elastomérne betónové ukončenia ponúkajú vynikajúcu trvanlivosť, rýchlejšie vytvrdnutie a lepšiu priľnavosť k tmelom. Podľa FDOT Bridge Maintenance Manual sa polymérbetónové ukončenia odporúčajú pre inštalácie pásových tesnení a modulárnych škár, pretože poskytujú hustý, málo priepustný podklad, ktorý odoláva prieniku chloridov a odlupovaniu.

Hydroizolačná membrána by mala siahať až k ukončeniu škáry a byť preložená alebo utesnená na rozhraní. Pri škárach s asfaltovou zátkou umiestnených nad existujúcim hydroizolačným systémom musí byť membrána neporušená na rezných okrajoch výrezu. Akékoľvek poškodenie membrány na obvode výrezu sa stáva cestou pre vodu s obsahom chloridov k mostovke.

Pri prstových doskových škárach je drenážny žľab kritickým hydroizolačným prvkom. Žľaby musia byť dimenzované na zvládnutie návrhovej zrážkovej udalosti, spádované k odtokovým miestam (typicky na sedlách opôr alebo cez odkvapy) a vybavené prístupovými panelmi na čistenie. Upchatý žľab je funkčne ekvivalentný otvorenej škáre.

Pri modulárnych škárach poskytuje systém vložiek primárne tesnenie, ale redundancia pochádza z ložiskových skríň nosných tyčí, ktoré sú často konfigurované tak, aby zachytávali a odvádzali akúkoľvek vodu, ktorá obíde primárnu vložku. Ložiskové skrine by sa mali kontrolovať ročne kvôli dôkazom netesnosti.

AASHTO LRFD Bridge Design Specifications vyžadujú, aby detaily škár boli navrhnuté tak, aby zabránili vode dosiahnuť spodnú stavbu. To zahŕňa detaily odkvapkávacích hrán na spodnej strane škáry, zabezpečenie dostatočného presahu a zabezpečenie pozitívneho odvodnenia smerom od oblasti škáry.

Kvalita montáže škáry

Kvalita montáže priamo určuje životnosť škáry. Zle namontované škáry zlyhávajú predčasne bez ohľadu na kvalitu komponentov. Montáž škáry zahŕňa viacero kritických krokov, každý so špecifickými požiadavkami na kontrolu kvality.

Príprava ukončenia je základom výkonu škáry. Betónové alebo elastomérne betónové ukončenie musí mať čisté, zdravé, vertikálne plochy. Akékoľvek odlupovanie, kaverny alebo odkrytá výstuž na čelnej ploche ukončenia musia byť opravené pred montážou škáry. Pri pásových tesneniach a modulárnych škárach musia rozmery ukončenia zodpovedať špecifikáciám výrobcu pre kotvenie líšt. Ukončenie musí byť vytvrdené na špecifikovanú pevnosť pred zaťažením škáry.

Prednastavený otvor je jedným z najkritickejších montážnych parametrov. Škára nastavená príliš široko v horúcom dni prejde do stlačenia nad svoj menovitý rozsah v chladný zimný deň. Výrobca poskytuje tabuľku prednastavenia, ktorá špecifikuje montážnu medzeru ako funkciu okolitej teploty v čase montáže. WisDOT Bridge Manual poskytuje špecifické rozmery otvoru škáry pri priemernej teplote 45 °F pre inštalácie vo Wisconsine, s pokynmi na uvedenie teplotných tabuliek v plánoch pre dilatačné dĺžky presahujúce 230 stôp.

Montáž kotvenia pre oceľové lišty a pancierové dosky musí nasledovať špecifikácie výrobcu. Zvárané strižné tŕne musia byť bez trosky a správnej dĺžky. Ohnuté alebo zakrivené strižné tŕne (bežné tam, kde existuje kongescia výstuže) musia byť vymenené podľa zmluvných dokumentov. Manuál FDOT uvádza, že konflikty medzi spodnými strižnými tŕňmi a K-tyčami v diafragmách sú opakujúcim sa problémom, ktorý si vyžaduje starostlivé detaily na vyriešenie.

Montáž neoprénovej vložky pre pásové tesnenia a modulárne škáry vyžaduje správne mazanie, správne usadenie oboch výstupkov vložky do profilových kanálikov a potvrdenie, že vložka nie je nainštalovaná hore nohami. Natiahnutie vložky o viac ako 5 percent nie je povolené. Vložka by mala byť inštalovaná v jednej súvislej dĺžke pre danú aplikáciu škáry.

Aplikácia tmelenia pre liate škáry vyžaduje tesniacu šnúru, aby sa zabránilo prepadu tmelenia cez medzeru. Tmelenie by sa nemalo prilepiť k tesniacej šnúre. Profil tmelenia musí byť v strede tenší ako na koncoch mostovky — tento presýpací tvar zabezpečuje, že pri otváraní škáry sa tmelenie naťahuje v najtenšom priereze v strede, nie na koncoch, kde by sa mohlo odlepiť od ukončenia.

Doba vytvrdnutia pred zaťažením premávkou je stanovená výrobcom pre tmelenia a betónovou špecifikáciou pre ukončenia. Otvorenie škáry pre premávku pred dostatočným vytvrdnutím je bežnou príčinou predčasného odlupovania ukončenia a odlepovania tesnenia.

Poruchy škár

Mostové dilatačné škáry patria medzi najviac namáhané a exponované komponenty na konštrukcii. Znášajú priamy náraz kolies, tepelné cyklovanie, ultrafialové žiarenie, chemické pôsobenie rozmrazovacích látok a hromadenie nečistôt. Nasledujúce spôsoby porúch sú zdokumentované v FDOT Bridge Maintenance Manual a FHWA Bridge Preservation Guide.

Netesnosť je najzávažnejšou poruchou škáry. Netesnosť umožňuje vode a chloridom dostať sa k ložiskám, koncom nosníkov, koncovým diafragmám a sedlám opôr. Manuál FDOT ukazuje príklady, kde netesnosť spôsobila veľké zhoršenie stavu koncov oceľových nosníkov, betónových koncových diafragiem a ložísk. Netesnosť môže nastať cez samotné tesnenie (pretrhnutie vložky, relaxácia kompresného tesnenia, odlepenie tmelenia), cez rozhranie tesnenia a lišty (nesprávne usadenie vložky) alebo cez rozhranie ukončenia a mostovky (odlupovanie ukončenia alebo zmrašťovacie trhliny).

Stav povrchu vozovky v blízkosti škáry je kritický. Rozdielne sadnutie medzi nájazdovou doskou a mostovkou vytvára na škáre nerovnosť, ktorá spôsobuje nárazové zaťaženie. Sadnutie nájazdovej dosky zadnej steny vytvára nárazové zaťaženie, ktoré láme betón ukončenia, posúva pancierovanie a poškodzuje tesnenia. Táto porucha vytvára spätnoväzbovú slučku — nerovnosť zhoršuje poškodenie škáry, čo zhoršuje nerovnosť.

Stav tesnenia sa musí posúdiť pre neoprénové vložky, kompresné tesnenia a liate tmelenia. Neoprénové vložky zlyhávajú v dôsledku ozónového praskania, abrázie od nečistôt, tepelného starnutia a chemického pôsobenia. Kompresné tesnenia zlyhávajú v dôsledku relaxácie (strata kompresnej sily), vytláčania alebo zlyhania adhézie. Liate tmelenia zlyhávajú v dôsledku odlepovania, kohézneho štiepenia alebo tvrdnutia. FHWA Bridge Preservation Guide odporúča výmenu vložky pri prvom náznaku prestupujúcich trhlín.

Hromadenie nečistôt v medzere škáry je hlavnou príčinou zablokovania škáry a konštrukčného poškodenia. Nestlačiteľné materiály (štrk, rozbitý betón, úlomky pneumatík, zvyšky z pluhov) natlačené do škáry bránia normálnemu zatváraniu. Keď sa mostovka pokúša zatvoriť pri nízkych teplotách, uviaznuté nečistoty tlačia mostovku do stlačenia, čo môže poškodiť ukončenie, odlúpnuť betón na okraji škáry alebo skrútiť oceľové pancierovanie.

Zhoršenie materiálu ukončenia zahŕňa odlupovanie na okraji škáry od nárazového zaťaženia, praskanie od zmrašťovania alebo tepelného cyklovania a rozpad od pôsobenia mrazu a rozmrazovania s rozmrazovacími soľami. Keď sa ukončenie začne rozpadávať, kotvenie škáry je ohrozené a celý systém škáry sa stáva nestabilným.

Stav oceľového pancierovania a líšt sa musí skontrolovať na koróziu, stratu prierezu, praskanie zvarov, uvoľnenie kotvenia a únavové praskanie na zváraných spojoch. Pri modulárnych škárach si nosné tyče a ložiskové skrine vyžadujú osobitnú pozornosť. Korózia nosných tyčí a opotrebenie ložísk znižujú rovnakú vzdialenosť medzi strednými nosníkmi, čo spôsobuje nerovnomerné rozloženie pohybu a potenciálne zablokovanie.

Nárazové poškodenie od radlic snehových pluhov, ťažkého zariadenia alebo spadnutých bremien môže rozbiť betón ukončenia, ohnúť pancierové lišty, odrezať kotviace tŕne a pretrhnúť vložky. Nárazové poškodenie je typicky lokalizované, ale vyžaduje rýchlu opravu, aby sa zabránilo jeho ďalšiemu šíreniu.

Inšpekcia a hodnotenie stavu škár

Mostové dilatačné škáry sú kontrolované ako súčasť bežných mostných inšpekcií podľa Národných noriem pre inšpekciu mostov (NBIS), pričom hodnotenie stavu sa vykazuje v mostnom inventári pod kódmi položiek pre škáry. FHWA Recording and Coding Guide poskytuje štandardné kritériá hodnotenia stavu od 9 (výborný) do 0 (zlyhaný).

Inšpekcia pokrýva nasledujúce prvky pre každý typ škáry:

Pre všetky typy škár: dôkazy netesnosti na spodnej stavbe pod škárou; stav nájazdového povrchu vozovky; hromadenie nečistôt; stav ukončenia; stav kotvenia.

Pre pásové tesnenia: stav vložky (praskanie, trhanie, usadenie v profilových kanáloch); stav líšt (korózia, opotrebenie, integrita kotvenia); história výmeny vložky.

Pre modulárne škáry: stav vložky pre každú bunku; rovnaká vzdialenosť stredných nosníkov; stav ložiska nosnej tyče; drenážne cesty v ložiskových skriniach; korózia nosnej tyče.

Pre prstové dosky: rozmery medzery prstov; stav hrotov prstov (opotrebenie, praskanie, lámanie hrotov); stav drenážneho žľabu (korózia, upchatie, prepichnutie); prístup na čistenie žľabu; dôkazy obchádzania vody popri žľabe.

Pre kompresné tesnenia: stlačenie tesnenia (malo by byť v stlačení pri všetkých teplotách); vytláčanie tesnenia; stav adhézneho spoja; hĺbka tesnenia pod povrchom vozovky.

Pre škáry s asfaltovou zátkou: stav povrchu (vyjazdenie, praskanie, obnaženie); odlepovanie na okrajoch výrezu; stav spojiva (mäknutie, obnaženie); stav premosťujúcej dosky (korózia, posunutie).

Pre škáry s kĺzavou doskou: stav dosky (korózia, opotrebenie, posunutie); stav tmelenia; stav žľabu, ak je prítomný.

FDOT Bridge Maintenance Manual odporúča, aby boli zistenia inšpekcie zdokumentované fotografiami a meraniami. Šírka medzery škáry by sa mala merať a zaznamenať v čase inšpekcie, pretože to poskytuje základné údaje na monitorovanie pohybu. Teplota v čase inšpekcie by sa mala tiež zaznamenať.

Údržba a výmena škár

Proaktívny program údržby škár výrazne predlžuje životnosť škáry a odďaľuje nákladnú udalosť úplnej výmeny. FHWA Bridge Preservation Guide zdôrazňuje, že preventívna údržba dilatačných škár je nákladovo efektívnejšia ako reaktívne opravy.

Pravidelné čistenie je najzákladnejšou a najdôležitejšou činnosťou údržby. Odstránenie nečistôt z medzery škáry, drenážnych žľabov a ložiskových skríň zabraňuje hromadeniu nestlačiteľných materiálov, ktoré môžu blokovať pohyb a spôsobiť konštrukčné poškodenie. Pre prstové škáry manuál FDOT špecifikuje čistenie zostavy žľabu ako bežnú úlohu. Pre kompresné tesnenia a pásové tesnenia spôsobuje samočistiaci účinok síl pneumatík stláčajúcich tesnenie, že nečistoty odskakujú von — ale to funguje iba vtedy, ak sa nečistoty nezapchajú do dutín tesnenia.

Výmena vložky je primárnou činnosťou údržby pásových tesnení. Vložky zvyčajne vydržia 10 až 15 rokov v závislosti od dopravy, chemikálií na rozmrazovanie a UV žiarenia. Výmena vložky je operácia na úrovni jazdného pruhu, ktorá môže byť dokončená počas jednej nočnej uzávery. Stará vložka sa vytiahne z profilových kanálikov, kanáliky sa vyčistia a nová vložka sa namaže a vtlačí pomocou nástroja podobného montážke pneumatík.

Výmena kompresného tesnenia vyžaduje odstránenie starého tesnenia (často rezaním a ťahaním), čistenie čelných plôch škáry a inštaláciu nového tesnenia so správnym mazaním a stlačením. Manuál FDOT poskytuje metodiku kalkulačky škáry, kde sa požadovaná šírka tesnenia rovná súčtu očakávaného maximálneho otvorenia škáry plus faktor predimenzovania — typicky minimálne ½ palca.

Výmena APJ je operácia rezania a plnenia. Stará zátka sa odstráni v rámci výrezu, výrez sa vyčistí, v prípade potreby sa nainštaluje nová premosťujúca doska a polymérom modifikované spojivo s kamenivom sa umiestni a zhutní do roviny s povrchom vozovky. Celá operácia môže byť dokončená za 8 až 12 hodín pre škáru jedného jazdného pruhu.

Oprava ukončenia rieši odlúpnutý alebo zničený betón na okraji škáry. Polymérbetón (elastomérny betón) je preferovaný opravný materiál, pretože rýchlo vytvrdne (typicky 1 až 3 hodiny), dobre priľne k existujúcemu betónu a poskytuje vysokú trvanlivosť pri nárazoch. Manuál FDOT špecifikuje polymérbetón pre výmenu ukončenia na pásových tesneniach a modulárnych škárach.

Úplná výmena škáry je potrebná, keď oceľové komponenty (lišty, stredné nosníky, nosné tyče) sú znehodnotené nad možnosť opravy, ukončenia sú rozsiahle poškodené alebo sa typ škáry modernizuje. Výmena sa typicky vykonáva počas plánovanej uzávery s etapovou výstavbou a presmerovaním dopravy. Náklady a trvanie sa výrazne líšia podľa typu škáry — výmena pásového tesnenia je jednorazová víkendová operácia, zatiaľ čo výmena modulárnej škáry môže vyžadovať niekoľko týždňov.

Dôsledky poruchy škáry

Porucha mostovej dilatačnej škáry má dôsledky, ktoré siahajú ďaleko za samotnú škáru. Netesné škáry sú dôsledne identifikované ako hlavná príčina rozsiahleho zhoršenia stavu spodnej stavby mostov, ako je zdokumentované FHWA, AASHTO a mnohými štátnymi príručkami pre inšpekciu mostov.

Zhoršenie spodnej stavby začína, keď voda s obsahom chloridov prechádza cez zlyhané tesnenie škáry a steká po koncoch nosníkov, ložiskách a sedlách opôr. Chloridové ióny prenikajú do betónu, depolarizujú výstuž a iniciujú koróziu. Produkty korózie expandujú na približne 2 až 4-násobok objemu pôvodnej ocele, čím vytvárajú ťahové napätia, ktoré trhajú a odlupujú krycí betón. Na oceľových nosných konštrukciách voda spôsobuje koróziu koncov nosníkov, ložiskových zostáv a spojovacích dosiek.

Zlyhanie ložiska je častým dôsledkom netesnosti škáry. Voda a nečistoty, ktoré sa hromadia na sedle ložiska, urýchľujú koróziu komponentov ložiska. Pri elastomérnych ložiskách môže voda spôsobiť delamináciu elastomérnych vrstiev. Pri oceľových ložiskách korózia čapov, kolísk a kĺzavých povrchov obmedzuje pohyb a spôsobuje nežiaduce sily v nosnej konštrukcii.

Zhoršenie koncovej diafragmy nastáva tam, kde sa netesnosť škáry koncentruje na koncoch nosníkov. Koncová diafragma — priečny nosník na opore — zachytáva odtok a rýchlo sa zhoršuje. Manuál FDOT ukazuje prípadové štúdie, kde netesnosť škáry spôsobila úplné zničenie betónových koncových diafragiem, čo si vyžiadalo úplnú výmenu.

Erózia sedla opory nastáva tam, kde voda pretekajúca škárou eroduje zadnú stenu a sedlo opory. V priebehu času môže táto erózia podkopať podporu ložiska a spôsobiť sadnutie nosnej konštrukcie. Môže dôjsť aj k erózii pôdy za oporou, čo vytvára dutiny ohrozujúce podporu nájazdovej dosky.

Dôsledky na konštrukčnú bezpečnosť vznikajú, keď korózia pokročila do bodu straty prierezu v primárnych nosných prvkoch. Nosnosť mosta môže byť potrebné znížiť. V extrémnych prípadoch môže byť most potrebné obmedziť na znížené zaťaženie alebo úplne uzavrieť, kým sa nedokončia opravy.

Vplyv na náklady životného cyklu je značný. Náklady na výmenu zlyhanej škáry plus opravu koróznych škôd na komponentoch spodnej stavby môžu byť 5 až 10-krát vyššie ako náklady na proaktívnu údržbu škáry a včasnú výmenu. AASHTO Small Bridge Expansion Joints Guide sa konkrétne venuje nákladovo efektívnym stratégiám údržby na zabránenie eskalácie problémov súvisiacich so škárami.

Mosty bez dilatačných škár

Najefektívnejším prístupom k eliminácii porúch dilatačných škár je eliminovať samotnú škáru. Konštrukcia mostov bez dilatačných škár používa integrálne alebo polointegrálne opory na vytvorenie súvislého konštrukčného systému bez dilatačných škár. FHWA Comprehensive Design Example for Prestressed Concrete Girders uvádza, že integrálne opory sú špecificky navrhnuté na odstránenie dilatačných škár na koncoch mostov, výsledkom čoho sú mosty bez škár, ktoré poskytujú dlhodobú prevádzkyschopnosť, minimálne požiadavky na údržbu, ekonomickú výstavbu a zlepšenú estetiku.

Integrálne opory pevne spájajú mostovku s oporou, ktorá je podopretá na jednom rade pružných pilót (typicky oceľové H-profilové pilóty). Keď sa most rozťahuje alebo zmršťuje, opora sa horizontálne posúva a pilóty sa ohýbajú, aby umožnili pohyb. Keďže obe koncové opory odolávajú zemnému tlaku prostredníctvom stlačenia v nosnej konštrukcii, pilóty nemusia byť navrhnuté na zemné zaťaženie. To vytvára jednoduchší a robustnejší konštrukčný systém.

Pokyny FHWA pre navrhovanie vysvetľujú, že integrálne opory sa zvyčajne používajú pre priame mosty, s obmedzeniami dĺžky mosta založenými na celkovom tepelnom pohybe 4 palce (2 palce na koniec). To dáva maximálne dĺžky približne 600 stôp pre betónové mosty a 400 stôp pre oceľové mosty v miernom podnebí. Studené podnebie ukladá kratšie limity. Integrálne opory vyžadujú selektívny zrnitý zásyp za oporou, ľahko zhutnený, aby umožnil posun s minimálnym odporom. Ostré šikmé uhly sú obmedzené, pretože sily zemného tlaku na šikmé opory vytvárajú krútiaci moment, ktorý krúti most v pôdoryse.

Polointegrálne opory používajú škáru na líci opory, ale eliminujú ložiská. Mostovka je spojená so zadnou stenou, ktorá sa pohybuje s nosnou konštrukciou, zatiaľ čo driek opory zostáva nehybný. Tento dizajn znižuje požiadavku na pohyb na nájazdovej doske a je vhodný pre mosty strednej dĺžky, kde je plné integrálne pôsobenie nepraktické.

Spojovacie dosky sú technikou eliminácie škár pre spojité viacpoľové mosty. Namiesto škáry nad pilierom je cez pilier zhotovená súvislá železobetónová spojovacia doska s oddeľovačom spojenia na definovanej dĺžke, aby sa umožnilo pootočenie. Strižné tŕne sú v zóne spojovacej dosky eliminované, aby sa umožnilo požadované pootočenie. Príručky FHWA aj FDOT poskytujú podrobné pokyny pre navrhovanie a výstavbu spojovacích dosiek vrátane prípadových štúdií úspešných aplikácií.

Konštrukcia dosky cez zadnú stenu eliminuje škáru na opore predĺžením mostovkovej dosky horizontálne cez zadnú stenu opory. Doska kĺže po ložiskovom povrchu, keď sa most rozťahuje a zmršťuje. Tento detail sa používa predovšetkým na mostoch s krátkym rozpätím, kde sú tepelné pohyby malé. Manuál FDOT poskytuje fotografie z výstavby inštalácií dosky cez zadnú stenu zobrazujúce konfiguráciu výstuže zadnej steny a ukončenie hotového mostného zábradlia.

Nájazdové dosky sú nevyhnutnými komponentmi mostných systémov bez dilatačných škár. Príklad návrhu FHWA špecifikuje, že nájazdové dosky majú byť liaté na polyetylénových fóliách na minimalizáciu trenia, podopreté na jednom konci na opore a na druhom konci na spodnej doske. Zmrašťovacia škára na rozhraní opory a nájazdovej dosky poskytuje kontrolované miesto praskania. Nájazdová doska premosťuje zónu sadania zásypu, ktorá vzniká za integrálnymi oporami v dôsledku pohybu opory a zhutňovania dopravou.

AASHTO LRFD Bridge Design Specifications neobsahujú podrobné kritériá navrhovania integrálnych opôr, takže jednotlivé štáty vyvinuli vlastné návrhové smernice na základe predchádzajúcich skúseností. To viedlo k dvom prístupom: jedna skupina navrhuje pilóty tak, aby odolávali iba gravitačným zaťaženiam, pričom ignoruje účinky horizontálneho posunu; druhá zohľadňuje kombinované účinky gravitácie a horizontálneho posunu na zaťaženie a odolnosť pilót. Oba prístupy boli úspešne použité v rámci svojich príslušných dĺžkových a geometrických limitov.

Konštrukcia mostov bez dilatačných škár sa stáva čoraz populárnejšou v celých Spojených štátoch, pretože eliminuje dominantný zdroj nákladov na údržbu mostov — poruchu dilatačnej škáry. Colorado DOT Bridge Design Manual výslovne uvádza, že odstránenie existujúcich dilatačných škár počas rehabilitácie znižuje budúce potreby inšpekcie a údržby, eliminuje možnosť budúcej poruchy škáry a môže zlepšiť kvalitu jazdy. Federálny úrad pre diaľnice (FHWA) naďalej podporuje navrhovanie mostov bez dilatačných škár prostredníctvom svojich programov ochrany mostov a výskumných iniciatív.