CZĘŚCIOWO PREFABRYKOWANY BETONOWY MOST ŁUKOWY NA OBWODNICY WOJNICZA

Transkrypt

1 Wrocławskie Dni Mostowe Współczesne technologie budowy mostów Wrocław, listopada 2014 Marek SALAMAK 1 Grzegorz POPRAWA 2 Mateusz FRĄCZEK 3 CZĘŚCIOWO PREFABRYKOWANY BETONOWY MOST ŁUKOWY NA OBWODNICY WOJNICZA 1. Wstęp Klasyczna budowa betonowych mostów łukowych, zwłaszcza o większych rozpiętościach przęsła, wymaga stosowania dużych i kosztownych rusztowań (tak zwanych krążyn) i wiąże się z dodatkowymi problemami przy betonowaniu fragmentów łuku, na których mieszanka betonowa nie może się utrzymać bez deskowania. Dlatego coraz częściej przy wznoszeniu tych obiektów stosuje się różne zabiegi technologiczne [4] albo, dotychczas rzadko stosowaną tu, prefabrykację [1][2][3][5][6]. Dzięki temu udaje się skrócić czas realizacji oraz obniżyć koszty budowy. Opisany dalej most (rys. 1) jest przykładem, przy budowie którego wykorzystano częściową prefabrykację. Zadanie to, głównie z racji rekordowej, jak na polskie warunki rozpiętości przęsła wymagało znacznego doświadczenia projektowego i organizacyjnego przy jednoczesnym stosowaniu wysokich reżimów jakości i dokładności. Należy jednak podkreślić, że wykonawca mostu znany jest również z innych odważnych przedsięwzięć, jak choćby pierwszego w Polsce mostu wstęgowego [7], czy wzmocnienia skomplikowanej, sprężonej estakady nad rynkiem w Chorzowie [9]. We wszystkich przypadkach przedsięwzięcia okazały się sporym sukcesem inżynierskim. 2. Konstrukcja mostu Most zaprojektowany został na klasę A obciążenia drogowego według normy [11]. Autorem projektu budowlanego mostu jest firma Wanta z Krakowa, a projektu wykonawczego oraz głównym wykonawcą Przedsiębiorstwo Inżynieryjne IMB Podbeskidzie ze Skoczowa. Zamawiającym był Zarząd Dróg Wojewódzkich w Krakowie. Most znajduje się w ciągu nowobudowanej obwodnicy Wojnicza w ciągu drogi wojewódzkiej nr 975 w Małopolsce. Zgodnie z warunkami Decyzji Środowiskowej miał być przejściem nad obwałowanym potokiem Więckówka i zapewniając jednocześnie przejście dużych zwierząt i bezkolizyjne skrzyżowanie z gminną drogą. W celu ograniczenia zajęcia terenu przez wysokie nasypy, na dojazdach zastosowano mury oporowe wykonane z gabionów. Ustrój nośny stanowią dwa pochylone pod kątem 9,1 0, betonowe dźwiga- 1 dr hab. inż., Politechnika Śląska 2 mgr inż., Politechnika Śląska 3 mgr inż., IMB Podbeskidzie Sp. z o.o.

2 M. Salamak, G. Poprawa, M. Frączek ry łukowe (rys. 2) o zmiennym przekroju i rozpiętości teoretycznej 105,6 m. Jest to więc pobicie o niecałe dwa metry dotychczasowego krajowego rekordu (103,8 m) wśród bezprzegubowych mostów łukowych, który należał do mostu przez Kameszniczankę w Milówce w ciągu drogi S69 [6]. Dźwigary stężone są ze sobą czterema betonowymi belkami nad pomostem oraz dwoma sprężonymi ryglami nad wezgłowiem łuku. Na obiekcie wydzielono jezdnię szerokości 7,0 m oraz obustronne chodniki po 1,5 m. Całkowita szerokość pomostu wynosi 12,2 m, a całej konstrukcji 21,3 m. Rysunek 1. Widok ogólny mostu Rysunek 2 Przekrój poprzeczny mostu Pomost na skraju podparty jest na przyczółkach i ryglach, a w części środkowej, podwieszony do łuku (rys. 3). Podwieszenie stanowią podwójne cięgna ze stalowych prętów wysokiej 2

3 Projekt, budowa i próbne obciążenie częściowo prefabrykowanego betonowego mostu łukowego na obwodnicy Wojnicza wytrzymałości o średnicy 76 mm zamocowane we wspornikowo wysuniętych poprzecznicach. Betonowy przekrój poprzeczny pomostu składa się z dwóch podłużnych belek wysokości 90 cm, które połączonych są ze sobą płytą pomostową grubości od 30 do 47 cm i sprężonymi poprzecznicami z prefabrykatów. Podparcie pomostu zrealizowano za pośrednictwem łożysk garnkowych na żelbetowych przyczółkach oraz na ryglach spinających łuki przy podstawie. Podpory posadowione są na grupie 26 pali wielkośrednicowych długości 15 m. Cztery rzędy tych zostały odchylone pod kątem Rysunek 3. Widok z boku mostu 3. Budowa mostu Budowa mostu trwała od stycznia 2013 do września 2014 roku. Przy opracowywaniu projektu wykonawczego zdecydowano się na wprowadzenie rozwiązań pozwalających na zastosowanie częściowej prefabrykacji wybranych elementów konstrukcyjnych. Wybrane etapy wykonania pokazano schematycznie na rys. 4. Kolejno obejmowały one: 1. Wykonanie pali i płyty fundamentowej oraz wezgłowi łuków i korpusów przyczółków. 2. Zabetonowanie monolitycznych, żelbetowych elementów startowych obu łuków wraz ze zmontowanymi pierwszymi prefabrykowanymi segmentami łuków (E-3a, E-3b) i spinającymi je ryglami (ST-2). 3. Montaż kolejnych prefabrykowanych segmentów łuków (E-2a, E-2b) oraz niżej położonych stężeń (ST-1) i zabetonowanie łączących je węzłów. 4. Sprężenie rygli ST-2 po uzyskaniu przez beton w węzłach 80% wytrzymałości na ściskanie. 5. Montaż ostatniego, środkowego, prefabrykowanego segmentu łuków (E-1) oraz wyżej położonych stężeń (ST-1) i zabetonowanie łączących je węzłów. 6. Rozbiórka rusztowań podpierających łuki, które od tego momentu są już samonośne i stężone. 7. Ustawienie rusztowania z deskowaniem płyty pomostowej, rozmieszczenie prefabrykowanych poprzecznic, ułożenie zbrojenia dźwigarów podłużnych i płyty pomostowej i zabetonowanie całości. 8. Sprężenie poprzecznic po uzyskaniu przez beton pomostu 80% wytrzymałości na ściskanie. Kolejność sprężania: od środkowych poprzecznic naprzemiennie w kierunku obu przyczółków. 9. Montaż blach węzłowych przy łuku i na poprzecznicach z regulacją zapewniającą ich współpłaszczyznowość. Geodezyjne określenie potrzebnych długości wieszaków między osiami zamocowań. Montaż cięgien z ręcznym wybieraniem luzów. 10. Rozbiórka rusztowań podpierających pomost symetrycznie od środka w kierunku obu przyczółków. Następuje bierne naprężenie wieszaków. 11. Roboty wykończeniowe i próbne obciążenie. Trudności przy realizacji związane były w głównej mierze z montażem prefabrykowanych elementów. Konieczne było wykonanie wysokich i masywnych rusztowań oraz uciążliwa praca 3

4 M. Salamak, G. Poprawa, M. Frączek na nich z zachowaniem wszystkich zasad BHP. Również przygotowanie stanowisk dla dźwigów do montażu prefabrykatów musiało być dobrze przemyślane. Masa samego dźwigu wynosiła około 60 t, a do tego dochodziła masa podnoszonego elementu. Niektóre ustawienia tych ciężkich samojezdnych żurawi wymuszały wykonanie dodatkowych nasypów, które trzeba było wzmacniać palami. Rysunek 4. Wybrane etapy wykonania konstrukcji Rysunek 5. Zdjęcia z budowy mostu Ustawienie prefabrykatów w docelowym położeniu wymagało ogromnej precyzji. Zbrojenie sąsiednich elementów ustroju niosącego było w węzłach łączone spawami i dodatkowo dozbrajane. Wszystkie prace montażowe nadzorowane było przez zespół geodetów rejestrujących zarówno odchyłki ustawienia, jak również ewentualne osiadania podpór tymczasowych. Praca geodetów była istotna również w późniejszym etapie. Po opuszczeniu rusztowań i przystąpieniu do montażu blach węzłowych systemu podwieszenia, konieczne były pomiary geodezyjne potwierdzające zgodność długości poszczególnych cięgien, oraz współpłaszczyznowość usta- 4

5 Projekt, budowa i próbne obciążenie częściowo prefabrykowanego betonowego mostu łukowego na obwodnicy Wojnicza wionych blach. Dopuszczalna odchyłka wynosić tylko 0,5 0. Niedokładne wykonanie tych elementów mogło zaburzyć właściwą pracę cięgien. Nie lada wyzwaniem było również samo spawanie tych blach, których grubości dochodziły nawet do 70 mm. Zachowanie milimetrowych dokładności wykonania wymagało precyzji i stosowania na przykład wstępnego nagrzewania elementów. 4. Próbne obciążenie Badania mostu pod próbnym obciążeniem obejmowały próby statyczne i dynamiczne (rys. 6). Do obciążenia statycznego wykorzystano cztery samochody ciężarowe (czteroosiowe) o masie 32 t każdy. Do pomiaru przemieszczeń zastosowano czujniki mechaniczne i niwelację precyzyjną. Przemieszczenia pionowe mierzono czujnikami mechanicznymi o zakresie do 100 mm i dokładności odczytu 0,01 mm. Osiadania podpór obserwowane były za pomocą optycznych niwelatorów precyzyjnych o dokładności odczytu 0,1 mm. Lokalizację i oznaczenia punktów pomiarowych pokazano na rys. 7. Zrealizowano cztery schematy obciążenia: S1 pojazdy ustawione w ½ rozpiętości (przekrój 2 przy linii N), S2 pojazdy ustawione w ½ rozpiętości (przekrój 2 przy linii S), S3 pojazdy ustawione w ¼ rozpiętości (przekrój 1 przy linii S), S4 pojazdy ustawione w ¼ rozpiętości (przekrój 3 przy linii N). Rysunek 6. Próbne obciążenia mostu Rysunek 7. Lokalizacja i oznaczenia punktów pomiarowych 5

6 M. Salamak, G. Poprawa, M. Frączek Na podstawie odczytów przemieszczeń punktów podporowych określono przebieg procesu osiadań podpór w kolejnych fazach obciążania konstrukcji. Nie przekraczały one 0,1 mm. Obserwowano również przemieszczenia poziome wezgłowi łuków, które wyniosły około 0,3 mm, a więc również były bardzo nieznaczne. Na podstawie odczytów przemieszczeń konstrukcji przęsła zarejestrowanych w czasie badania w założonych punktach pomiarowych od B1 do B6 (rys. 7), wyliczono przemieszczenia pionowe, a po uwzględnieniu osiadań podpór ugięcia dźwigarów pomostu w poszczególnych schematach. Korzystając z tych wartości sporządzono wykresy obrazujące linie ugięć wzdłuż obydwu dźwigarów, które porównano z analogicznymi liniami ugięć uzyskanymi podczas analizy modelu obliczeniowego (rys. 8). Linia N oznacza dźwigar północny (wzdłuż punktów B1, B3, B5), natomiast linia S dźwigar południowy (wzdłuż punktów B2, B4, B6). Rysunek 8. Wykresy pokazujące ugięcia pomostu pod obciążeniem statycznym Ogólnie, na podstawie wyników badań, można stwierdzić, że konstrukcja zachowuje się sprężyście (wraca do pierwotnego położenia), a wartości maksymalnych ugięć zmierzonych podczas próbnego obciążenia są znacznie mniejsze od obliczonych teoretycznie, które wyznaczone zostały z uwzględnieniem współczynnika zarysowania zgodnie z normą [12]. Należy więc przyjąć, że przy tym wytężeniu nie doszło do zarysowania konstrukcji. W takiej sytuacji pomierzone ugięcia stanowią od 61% do 81% ugięć teoretycznych (średnio 69%) obliczonych przy braku zarysowania przekroju. Ugięcia trwałe pokazane są minimalne. Stanowią od 0 do 3% ugięć całkowitych, a zatem spełniają warunek normowy nie przekroczenia poziomu 20%. Badania dynamiczne mostu przeprowadzone zostały bezpośrednio po próbnym obciążeniu statycznym. Wyniki, w postaci przebiegów czasowych przemieszczeń pionowych podczas próbnych przejazdów, zarejestrowane zostały elektronicznie. Zestaw pomiarowy składał się z komputera przenośnego, karty pomiarowej National Instruments NI-USB-6218 oraz indukcyjnych czujników przemieszczeń i akcelerometrów. Rozmieszczenie punktów pomiarowych przedstawiono na rys. 7. Próg do symulacji wymuszenia impulsowego umieszczony był nad czujnikami oznaczonymi jako P1 i P2 (przekrój 1 w ¼ rozpiętości przęsła). Do jazd próbnych został wykorzystany jeden z pojazdów używanych w badaniach statycznych. Trasy jego przejazdu w obu kierunkach pokrywały się z podłużną osią mostu. Zrealizowane jazdy i testy dynamiczne obejmowały prędkości: 10, 30, 50 i 70 km/h oraz próbę specjalną ze sztuczną nierównością w postaci progu o wysokości 5 cm. Współczynnik przewyższenia dynamicznego (WPD) zdefiniowano tutaj jako stosunek maksymalnego ugięcia przy kolejnym przejeździe jednego pojazdu do maksymalnego ugięcia w tym samym punkcie pomiarowym przy przejeździe quasi-statycznym tj. z prędkością 10 km/h (po tej samej trasie). WPD wyznaczano każdorazowo dla całego przekroju uśredniając ugięcia z obu dźwigarów (punkty P1 i P2). Pominięto w ten sposób wpływ rozdziału poprzecznego ob- 6

7 Projekt, budowa i próbne obciążenie częściowo prefabrykowanego betonowego mostu łukowego na obwodnicy Wojnicza ciążenia spowodowany przypadkowymi przesunięciami poprzecznymi trasy pojazdu. Ogólnie most charakteryzuje się umiarkowaną podatnością na wpływy dynamiczne. Współczynnik WPD w normalnych warunkach w badanych przekrojach osiągnął wartość 1,04 i jest nieznacznie większy od normowego współczynnika dynamicznego, który dla tego typu obiektów o rozpiętości większej od 70,0 m przyjmuje się równy 1,00. Tablica 1. Wybrane postaci i częstotliwości drgań własnych Nr Obraz postaci drgań Opis postaci drgań Częstotliwość teoretyczna [Hz] Częstotliwość zmierzona [Hz] Współczynnik tłumienia [%] 1 podłużna 0, poprzeczna łuku giętna pomostu skrętna pomostu giętna pomostu poprzeczna pomostu 0, ,93 0,89 7,35 1,13 1,21 3,65 1,50 1,64 4,30 1, Wytłumaczyć to można dużą dysproporcją masy pojazdów i masy mostu. Podstawowym obciążeniem w mostach drogowych projektowanych wg normy [11] jest pojazd K, który w najwyższej klasie obciążenia odpowiada masie około 80 ton. Tymczasem w czasie próbnego obciążenia wymuszenia wykonywane były ciężarówką o masie 32 ton, a więc ponad dwa razy lżejszą. W konsekwencji mierzone wartości przemieszczeń przy przejazdach z różnymi prędkościami, potrzebne do wyznaczenia przewyższenia dynamicznego, są zdecydowanie mniejsze niż określane przez projektanta. Dzieląc zmierzone ugięcie przy określonej prędkości do niewielkiego ugięcia statycznego okazuje się, że wyliczane przewyższenie dynamiczne może być obarczone znacznym błędem. Dlatego przy ocenie właściwości dynamicznych tego typu obiektów przewyższenie dynamiczne nie ma istotnego znaczenia, podobnie jak porównywanie wartości WPD z normowym współczynnikiem dynamicznym, o czym napisano między innymi w [8][10]. Założona w projekcie lokalizacja czujników pozwoliła zidentyfikować trzy częstotliwości drgań własnych (nr 3, 4 i 5). Odpowiadające im postaci drgań i współczynnik tłumienia zestawiono w tab. 1. Pomierzone wartości częstotliwości drgań własnych i tłumienie uzyskano filtrując dodatkowo wybrane przebiegi w przedziałach wokół częstotliwości teoretycznych. Stosowano przy tym pasmowy filtr Basela. Identyfikacja właściwości tłumiących, które okazały się stosunkowo wysokie w tej klasie obiektów, możliwa była głównie przy przejazdach z progiem, w których uzyskiwano większe amplitudy. 5. Podsumowanie Budowa tak dużego betonowego mostu łukowego z zastosowaniem nietypowych rozwiązań w zakresie prefabrykacji była zadaniem trudnym. Wymagała dużego doświadczenia projektowego, wykonawczego i organizacyjnego oraz stosowania wysokich reżimów jakości i dokład- 7

8 M. Salamak, G. Poprawa, M. Frączek ności. Potwierdzeniem tego były pozytywne wyniki próbnego obciążenia i dobre właściwości dynamiczne konstrukcji. Efekt końcowy w postaci mostu o nieszablonowej architekturze i rekordowej rozpiętości przęsła w swojej kategorii może stanowić dobry przykład do naśladownictwa dla innych projektantów i budowniczych mostów. Literatura [1] KREZEL M., RADZIECKI A.: Próba nowego spojrzenia na zastosowanie prefabrykacji w budownictwie mostowym, Drogownictwo, 2/2007. [2] KREZEL M., RADZIECKI A.: Żelbetowy most łukowy o siatkowym układzie wieszaków, Kwartalnik Mosty, 2/2011. [3] KREZEL M., RADZIECKI A.: Zastosowanie prefabrykacji z połączeniami doczołowymi w łukach betonowych wiaduktu w Rytrze, Inżynieria i Budownictwo, 4/2011. [4] KULAWIK A.: Budowa betonowego mostu łukowego., V Ogólnopolska Konferencja Mostowców Konstrukcja i Wyposażenie Mostów, Wisła, 5-6 listopada 2008, s [5] MARCINKÓW E.: Mosty łukowe tanie i szybko budowane mosty średniej rozpiętości, Inżynieria i Budownictwo, 11/2002. [6] MARCINKÓW E., TATARA J.: Technologia budowy części łukowej estakady w Milówce w ciągu drogi ekspresowej S69, Inżynieria i Budownictwo, 7-8/2006. [7] MARKOCKI B., SALAMAK M.: Durability of stress ribbon bridge checked during load test, Journal of Civil Engineering and Architecture, Apr. 2014, Volume 8, No. 4 (Serial No. 77), pp [8] SALAMAK M.: O potrzebie standaryzacji badań odbiorczych obiektów mostowych pod próbnym obciążeniem dynamicznym., Inżynieria i Budownictwo 7/2014, s [9] SALAMAK M., MARKOCKI B.: Przebudowa i wzmocnienie estakady nad rynkiem w Chorzowie, XXIV Seminarium Współczesne metody budowy, wzmacniania i przebudowy mostów, Poznań-Rosnówko 2014, s [10] WESELI J.: O właściwe rozumienie roli i wyników badań dynamicznych w czasie obciążeń próbnych., Inżynieria i Budownictwo 7/2014, s [11] PN-85/S Obiekty mostowe. Obciążenia. [12] PN-91/S Obiekty mostowe. Konstrukcje betonowe żelbetowe i sprężone. Projektowanie. PARTIALLY PRECAST CONCRETE ARCH BRIDGE ON THE BYPASS OF WOJNICZ Summary The paper presents the design elements and technology used during erection of concrete arch bridge located on the bypass of Wojnicz within the provincial road No This bridge, with a hundred meter span, was constructed using partial prefabrication in the arch girders as well as in the suspended deck. The paper contains also the results of static and dynamic load test. 8