CHOSEN PROBLEMS OF INLAND SHIPS COLLISIONS WITH BRIDGES IN POLAND

Transkrypt

1 XXVI Konferencja awarie budowlane 2013 Naukowo-Techniczna LUCJAN GUCMA, BOLESŁAW MAZURKIEWICZ, Akademia Morska w Szczecinie PROBLEMATYKA ZDERZEŃ JEDNOSTEK ŚRÓDLĄDOWYCH Z MOSTAMI W POLSCE CHOSEN PROBLEMS OF INLAND SHIPS COLLISIONS WITH BRIDGES IN POLAND Streszczenie W referacie przedstawiona została problematyka zderzeń jednostek śródlądowych z mostami w tym wypadkowość w Polsce i na świecie, wytyczne i normy oraz metody i modele stosowane do oceny prawdopodobieństwa i skutków takich zdarzeń. Abstract The paper presents several issues of inland collisions with bridges and accidents in Poland and around the world, guidelines and standards, methods and models used to assess the probability and consequences of such events. 1. Wypadkowość i problematyka zderzeń jednostek pływających z mostami Mosty, zlokalizowane na akwenach ograniczonych, należą do szczególnie wrażliwej infrastruktury z trzech głównych powodów: tworzą ograniczania nie tylko w płaszczyźnie pionowej, ale także poziomej; z racji przebywania na nich ludzi, mogą tworzyć dla nich zagrożenie w przypadku uderzenia statku w most; koszt mostu jest zwykle znacznie większy od kosztu statku. Na podstawie analiz literatury [Scheer, 2010; Radomski, 2011] można stwierdzić, że uderzenie statku jest jedną z głównych przyczyn katastrof mostów i mogą stanowić nawet 30% wszystkich przyczyn tych zdarzeń. Amerykańskie statystyki [USCG, 2003] ujawniły, że duża część zderzeń statków z mostami powoduje jednakże stosunkowo niewielkie straty. W latach zanotowano łącznie 2692 zderzenia. Tylko 61 z nich (2,2%) spowodowało straty większe od 0,5 mln USD. Aż 1702 zdarzania (63%) to incydenty, w których uszkodzenia nie były znaczące i nie dokonywano napraw mostu. Dalsze analizy wyjawiły, że 78% z powyżej analizowanych wypadków spowodowane było błędem nawigatora, a 12% innymi czynnikami operacyjnymi. Wypadki na wodach śródlądowych są częste, lecz z uwagi na brak prowadzonych dokładnych statystyk, w szczególności zdarzeń nie powodujących znacznych strat, trudno jest oszacować dokładnie ich prawdopodobieństwo. W Polsce problem zderzeń z jednostkami śródlądowymi jest poważny, co wiąże się z przestarzałą, często przedwojenną infrastrukturą. W samym tylko rejonie zarządzanym przez RZGW w Szczecinie odnotowuje się około jednego zderzenia jednostki z mostem w roku. Najpoważniejszym zdarzeniem było zniszczenie prowadnic mostu Kolejowego w Szczecinie w 2001 r., co spowodowało konieczność ich wymiany. Przy modernizacji okazało się,

2 924 Gucma L. i in.: Problematyka zderzeń jednostek śródlądowych z mostami w Polsce że wyremontowane tuż po wojnie podpory nie są w najlepszym stanie i nie mogą przenosić znacznych obciążeń od uderzających w nie statków. Na podstawie danych z RZGW w Szczecinie zebrano wszystkie przypadki zderzeń jednostek śródlądowych z mostami w rejonie RZGW Szczecin (rysunek 1). Było ich 17 w ciągu analizowanych 16 lat. Szczęśliwie nigdy nie doszło do ofiar w ludziach. Dominują wypadki wynikające z błędu nawigatora, które zdarzają się z częstością ok. 90%, co potwierdzają statystyki światowe. Niepokojący jest też duży udział zderzeń z przęsłami, który wynosi aż 65%. Cześć z nich skończyła się poważanymi uszkodzeniami statku. Zderzenia takie wynikają najczęściej z błędów w przygotowaniu nawigacyjnym przejścia pod mostem, to jest z niewiedzy o aktualnym prześwicie mostu lub wysokości nawodnej jednostki własnej Liczba wypadków Lata Rys. 1. Liczba wypadków z mostami w rejonie administrowanym przez RZGW w Szczecinie [Gucma L., 2013] Interesujące statystyki przedstawił D. Proske [2003]. Zawarto w nich intensywności zderzeń z mostami dla różnych europejskich śródlądowych dróg wodnych (tabela 1). Znając intensywności ruchu, przedstawiono w nich również prawdopodobieństwo zderzenia w pojedynczym przejściu. Tabela 1. Obliczone średnie intensywności roczne zderzeń na różnych rzekach Europy [Proske, 2003] Rejon badań Zderzeń na rok Zderzeń na 1 przejście Tamiza (Wielka Brytania) 0,23 10, Sekwana studium 1 (Francja) 0,0313 Sekwana studium 2 (Francja) 0, , Men studium 1 (Niemcy) 0,0088 0, Men studium 2 (Niemcy) 0,016 61, Men studium 3 (Lohr Niemcy) 0, , Mozela (Niemcy) 0,037 0, Dunaj (Vilshofen Niemcy) 0,158 Niemcy drogi śródlądowe studium 1 0,021 Niemcy drogi śródlądowe studium 2 0,0095 0, Łaba (Drezno Niemcy) 0,038 Średnia 0,058 1,

3 Mosty i drogi Zarządzanie ryzykiem w aspekcie zderzenia z jednostkami pływającymi w rejonie mostów Przeprowadzając analizy zagrożeń w rejonie mostów w aspekcie uderzenia statku, przyjmuje się, że sytuacją krytyczną jest niezamierzone zderzenie statku z mostem lub jego zabezpieczeniami. Takie zdarzenia krytyczne dzieli się na [L. Gucma, 2009]: Zderzenie kadłuba z podporą mostu lub jej zabezpieczeniami; Zderzenie nadbudówki z przęsłem mostu. Wypadki nawigacyjne polegające na zderzeniu statków z mostami można podzielić na następujące kategorie: Kategoria 1. Statki w drodze przechodzące swoją założoną trasą pod mostem, które zderzają się z podporą mostu w wyniku błędu nawigatora; Kategoria 2. Statki w drodze przechodzące swoją założoną trasą pod mostem, które zderzają się z podporą mostu w wyniku awarii technicznej (najczęściej steru); Kategoria 3. Statki w drodze przechodzące swoją założoną trasą w rejonie mostu, które zderzają się z jego podporą w wyniku podjęcia manewrów antykolizyjnych; Kategoria 4. Statki w drodze przechodzące w rejonie mostu, które zderzają się z podporą mostu w wyniku niewykonania zwrotu; Kategoria 5. Statki, które utraciły napęd w rejonie mostu i są na niego zdryfowane; Kategoria 6. Statki w drodze, które uderzają w przęsło mostu w wyniku zbyt małego zapasu, co jest spowodowane najczęściej błędem nawigatora; Kategoria 7. Statki w drodze, które przechodzą pod mostami otwieranymi i na skutek uszkodzenia mechanizmu lub błędu ludzkiego zderzają się z przęsłem mostu lub opada ono podczas zamykania na przechodzący statek; Kategoria 8. Statki, które nie podążają wyznaczonymi trasami, w tym statki rybackie i turystyczne; Kategoria 9. Statki w drodze przechodzące swoją założoną trasą pod mostem, które zderzają się częścią rufową z podporą w wyniku oddziaływania prądu lub wiatru na statek. Drzewo logiczne możliwych scenariuszy wypadków i ich skutków dla powyższych kategorii przedstawiono na rysunku 2. Procedura zarządzania ryzykiem to wielostopniowa racjonalna metoda, mająca na celu zwiększanie bezpieczeństwa żeglugi poprzez ochronę życia i zdrowia ludzi, środowiska oraz własności [Gucma L., 2009]. Procedura polega na analizie (estymacji) ryzyka, oszacowaniu ryzyka, podjęciu decyzji o jego akceptowalności oraz jego czasowej kontroli. Składa się ona z czterech etapów: Identyfikacji zagrożeń; Analizy ryzyka (estymacja ryzyka na podstawie posiadanych danych bez uwzględniania zmian w analizowanym obszarze), która składa się z szacowania prawdopodobieństwa powstania zagrożenia (probability assessment) i określenia skutków zdarzenia (consequence analysis); Oszacowania (oceny) ryzyka (porównanie ryzyka z wartościami kryterialnymi, a więc z poziomem akceptowalnym); Zarządzania ryzykiem (z uwzględnieniem metod redukcji ryzyka i czasowej jego kontroli).

4 926 Gucma L. i in.: Problematyka zderzeń jednostek śródlądowych z mostami w Polsce Rys. 2. Drzewo logiczne najbardziej możliwych scenariuszy zderzeń statków z mostami wraz z przyczynami i skutkami Do analizy ryzyka najczęściej stosuje się najczęściej miary ryzyka grupowego do których można zaliczyć krzywe spodziewanych ofiar śmiertelnych w funkcji ich prawdopodobieństwa rocznego, przedstawione za pomocą tzw. krzywych ryzyka (FN frequency-number of fatalities) (rysunek 3); Rys. 3. Przykładowe krzywe ryzyka F N wraz z krzywymi dla mostów niemieckich [Gucma L., 2013]

5 Mosty i drogi Obciążenia mostów od zderzeń z jednostkami pływającymi W Europie najbardziej znanymi badaniami dotyczącymi obciążeń od jednostek śródlądowych są badania K. E. Meier-Dörnberg a [1983]. Ich celem było zbadanie zjawisk podczas zderzenia barek z wrotami śluz i podporami mostów. Badał również zachowanie się barek po wejściu na mieliznę. Zastosował modele fizyczne w skali 1:4,5 i 1:6 oraz badania numeryczne. Meier-Dörnberg określił siłę działającą na przęsło podczas zderzenia i stwierdził jej niezależność od statycznych i dynamicznych obciążeń. Według przeprowadzonych badań siła ta uzależniona jest tylko od wielkości odkształcenia kadłuba barki. Przyjęto 0,1 m jako granicę pomiędzy odkształceniami plastycznymi i sprężystymi (odkształcenie dla energii E równej około 0,5 MNm). Na podstawie badań Meier-Dörnberga można przedstawić model obliczania odkształceń i sił generowanych podczas zderzenia z barki z podporą mostu. W pierwszym kroku należy obliczyć odkształcenie d jako: ( 1 + 0, 13 1) d = 3, 1 E [m] (1) W następnym kroku, w zależności od wartości deformacji kadłuba, obliczane jest obciążenie P D, które wynosi: ( , E 1) 186 = 1095, E dla d < 01m, P D = [MN] (2) , E dla d 01m, Na podstawie badań Meier-Dörnberga AASHTO [1991] zbudowało swoje wytyczne, przekształcając zależności określające siły do postaci: 60d dla d < 01m, P D = [MN] (3) , d dla d 01m, Na rysunku 4 przedstawiono obciążenia od zderzenia z podporą mostu dla typowych zestawów o wyporności od t w zależności od ich prędkości. Widać wyraźną granicę pomiędzy odkształcaniem plastycznym a sprężystym Siła [MN] Wyporność [t] Prędkość [m/s} Rys. 4. Wartości obciążeń dla różnych zestawów śródlądowych w zależności od prędkości według formuły Meiera-Dörnberga [1983]

6 928 Gucma L. i in.: Problematyka zderzeń jednostek śródlądowych z mostami w Polsce W Polsce brak jest narodowych wytycznych do zarządzania ryzykiem w rejonie mostów i ich właściwego zabezpieczania. W Polskiej Normie PN-85/S [Norma, 1985], w której określono obciążenia od jednostek dla różnych klas dróg śródlądowych (tabela 2). Tabela 2. Obciążenia projektowe podpór [MN] od jednostek śródlądowych [Norma, 1985] Lp. Klasa drogi wodnej Kierunek uderzenia równoległy do nurtu prostopadły do nurtu 1. V 8,0 1,6 2. IV 5,0 1,0 3. I III 1,0 0,2 4. Wybrane studia przypadków W latach zespół naukowy inżynierii ruchu morskiego Akademii Morskiej w Szczecinie wykonał szereg analiz bezpieczeństwa mostów w tym [Gucma L., 2013]: most Kolejowy w Szczecinie (2003), dwie lokalizacje mostowe w Elblągu (2008), mosty na Wyspę Spichrzów w Gdańsku (2009), dwa mosty na Motławie w Gdańsku (2009), most na Ostrów Brdowski w Szczecinie (2013). Porównanie uzyskanych wyników dotyczących obciążeń ww. lokalizacji, metody obliczeń i przyjęte wielkości statków maksymalnych przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Obciążenia podpór lub ich zabezpieczeń określone w różnych studiach przypadków Lp. Metoda określania obciążeń Maksymalny statek wyporność [t] Prędkość zakładana [m/s] Obciążenie wzdłużne [MN] Obciążenie poprzeczne [MN] 1. JCSS [JCSS 2001] ,5 1,6 0,5 2. Meiera-Dörnberga ,5 0,9 3. jw ,5 3,8 0,07 4. jw ,0 6,5 0,4 5. jw ,5/2,5 6,5 2,5 5. Podsumowanie Wykazano, że problem zderzeń statków z mostami w Polsce jest poważny szczególnie na akwenach śródlądowych. Dodatkowo fakt znacznej degradacji infrastruktury przyczynia się do jego pogłębiania. Istnieje szereg możliwość redukcji ryzyka. Jedną z nich jest na przykład wyposażanie mostów w tzw. odwrotne wodowskazy, które informują nawigatora o aktualnym prześwicie pod mostem. Projektowanie nowych lokalizacji mostowych powinno być poparte indywidualnymi analizami ryzyka, gdyż jak wykazano normy i wytyczne nie zawsze zapewniają optymalne założenia do ich projektowania. Należy rozważyć przeprowadzenie głębszej dyskusji w kwestii bezpieczeństwa lokalizacji mostowych w aspekcie zderzeń ze statkami w Polsce zwłaszcza, że ewentualne katastrofy mogą pociągać za sobą ofiary śmiertelne.

7 Mosty i drogi 929 Literatura 1. AASHTO (1991), Guide specification and commentary for vessel collision design of highway bridges. Volume I: Final report. American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). Washington, D.C. 2. Gucma L. (2009), Wytyczne do zarządzania ryzykiem morskim. Wydawnictwo Akademii Morskiej w Szczecinie. Szczecin. 3. Gucma. L. (2013). Zarządzanie ryzykiem w rejonie mostów usytuowanych nad drogami wodnymi w aspekcie uderzenia jednostek pływających. Wydawnictwo Akademii Morskiej w Szczecinie. Szczecin. 4. JCSS (2001), Probabilistic Model Code. Part 2 Load Models Impact Load. Joint Committee on Structural Safety (JCSS), Number 99-CON-DYN/M Meir-Dörnberg K.E. (1983), Ship Collisions, Safety Zones and Loading Assumptions for Structures on Inland Waterways (in German). VDl-Berichie, No Norma (1985), Polska Norma PN-85/S Obiekty mostowe. Obciążenia. 7. Proske D. (2003), Ein Beitrag zur Risikobeurteilung von alten Brücken unter Schiffsanprall. Ph.D. Thesis, Technische Universität Dresden. 8. Radomski W. (2011), Katastrofy i awarie mostów a rozwój wiedzy budowlanej. Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane. Międzyzdroje. 9. Scheer J., Failed Bridges Case Studies, Causes and Consequences, Ernst&Sohn, 2010.