Modernizacja historycznego wiaduktu drogowego nad torami kolejowymi w Gdańsku

Transkrypt

1 RĘKOPIS artykułu jaki ukazał się w czasopiśmie: Inżynieria i Budownictwo 11/2007 (R 63, nr 11), s MANUSCRIPT of the article published in: Inżynieria i Budownictwo 11/2007 (R 63, nr 11), pp Mgr inż. MAREK SZAFRAŃSKI, Mgr inż. BARTOSZ WASILEWSKI Mgr inż. KRZYSZTOF WĄCHALSKI, Dr inż. KRZYSZTOF ŻÓŁTOWSKI Politechnika Gdańska Modernizacja historycznego wiaduktu drogowego nad torami kolejowymi w Gdańsku Na terenie Trójmiasta znajduje się wiele obiektów mostowych, które przez swoją blisko 100- letnią historię, na stałe wpisały się w krajobraz miasta. Dynamiczny rozwój sieci kolejowej na przełomie XIX i XX wieku, powodował konieczność budowy towarzyszących obiektów mostowych, ułatwiających bezkolizyjną komunikację, szczególnie istotną w obrębie dużych aglomeracji miejskich. Popularnym rozwiązaniem konstrukcyjnym było przęsło w postaci dwóch łuków kratownicowych ze ściągiem, stężonych ramami portalowymi i konstrukcją wiatrownic (rys. 1). W samym Gdańsku znajdują się trzy niemal bliźniacze wiadukty tego typu węzeł Brama Oliwska, ul. Tadeusza Kościuszki, ul. Braci Lewoniewskich. Spośród wymienionych, do niedawna jedynie wiadukt w ciągu ul. Kościuszki doczekał się remontu [1, 2, 3]. Rys. 1. Wiadukt w ciągu ul. Braci Lewoniewskich w Gdańsku stan przed przebudową. Zachowanie dziedzictwa kulturowego stanowi obecnie ważny czynnik, stymulujący działania, mające na celu ratowanie zabytkowych budowli. Dlatego w ostatnich latach wykonano szereg prac projektowych i analiz przystosowania wspomnianych konstrukcji do współczesnych wymogów eksploatacyjnych [4, 5, 6]. Ponadnormatywna eksploatacja oraz postępująca degradacja środowiskowa, skutecznie przyczyniły się do obniżenia nośności i stanu technicznego tych obiektów. W 2004 r. wiadukt w ciągu ul. Braci Lewoniewskich uległ awarii [7], której skutki odczuwalne były daleko poza Trójmiastem. Wydarzenie to spowodowało stanowczą reakcję władz Gdańska. Na podstawie wniosków ze szczegółowej oceny stanu technicznego i nośności [8], przyznano środki finansowe na modernizację uszkodzonej konstrukcji. Przebudowę wiaduktu ukończono w 2006 r. Wszystkie prace budowlane prowadzono nad funkcjonującą magistralą kolejową. W artykule omówiono założenia projektowe oraz realizację przebudowy wiaduktu. Podano opis analiz teoretycznych dotyczących faz montażowych oraz zaprezentowano wybrane wyniki i wnioski z analizy numerycznej nośności potwierdzone obciążeniem próbnym.

2 Pierwotna konstrukcja wiaduktu Obiekt wybudowano w 1913 r. Stanowi on obecnie ważne połączenie mieszkaniowej dzielnicy Gdańsk Zaspa z główną arterią drogową Trójmiasta - ul. Grunwaldzką. Usytuowany jest w ciągu ul. Braci Lewoniewskich (dawniej Pilotów) nad magistralą kolejową Gdańsk Gdynia. Konstrukcję przęsła stanowią dwa stalowe, kratownicowe łuki paraboliczne ze ściągiem, o rozpiętości 54 m. i rozstawie 8 m. Łuki stężono ramami portalowymi oraz poziomym i pionowym wykratowaniem wiatrowym. Do łuków, za pomocą wieszaków podwieszono ruszt jezdni, składający się z poprzecznic głównych oraz podłużnic i poprzecznic pośrednich. Na zewnątrz łuków znajdowały się wsporniki chodnikowe, będące przedłużeniem poprzecznic głównych. Dodatkowe wykratowanie wiatrowe wykonano w płaszczyźnie ściągów, które zamocowano do węzłów podporowych i podwieszono do poprzecznic głównych za pomocą stalowych płaskowników. Konstrukcję płyty jezdni drogowej wykonano z blach nieckowych wypełnionych betonem. Na izolacji ułożono nawierzchnię drogową z kostki kamiennej, którą w późniejszym okresie przykryto warstwą asfaltu lanego gr. 3cm. Bardziej szczegółowy opis konstrukcji wiaduktu przedstawiono w [7, 8]. Na rysunku 2 pokazano schemat ogólny oraz przekrój poprzeczny jezdni pierwotnej konstrukcji. Rys. 2. Schemat ogólny i przekrój poprzeczny jezdni wiaduktu w ciągu ul. Braci Lewoniewskich w Gdańsku stan przed przebudową. Projekt i technologia wykonania przebudowy Po awarii w 2004 r. podjęto decyzję o przebudowie wiaduktu z jednoczesnym podniesieniem jego nośności do wymogów klasy B wg PN-85/S Opracowanie projektu modernizacji [11] powierzono gdańskiemu biuru projektów Pont-Projekt Sp. z.o.o. Zaprojektowano i wykonano nową jezdnię zachowując pierwotne, historyczne łuki kratowe. Nowy pomost to konstrukcja całkowicie spawana, połączona z istniejącymi wieszakami za pomocą styków na śruby sprężające. Konstrukcję nośną stanowią dwa podłużne dźwigary skrzynkowe, umiejscowione w osiach łuków oraz poprzecznice blachownicowe rozmieszczone w rozstawie m. Płytę jezdni drogowej wykonano z blachy gr. 14 mm usztywnionej podłużnie żebrami korytkowymi. Na chodniku i ścieżce rowerowej płytę jezdni wykonano z blachy gr. 14 mm usztywnionej podłużnie żebrami z płaskowników. Jezdnię wykonano w jednostronnym spadku poprzecznym wynoszącym 2% (zmienna wysokość poprzecznic). Nawierzchnię w obrębie jezdni wykonano z warstw asfaltu i asfaltobetonu o łącznej grubości 80 mm. Chodnik i ścieżka rowerowa znajdują się po zewnętrznych stronach dźwigarów łukowych. W obrębie czterech pierwszych poprzecznic, od przyczółka po stronie dzielnicy Zaspa, chodnik został poszerzony w celu sprowadzenia ruchu pieszego na peron SKM znajdujący się w bezpośrednim sąsiedztwie obiektu. Nawierzchnię i izolację chodnika oraz ścieżki rowerowej stanowi warstwa epoksydowo-poliuretanowa o grubości 5 mm. Na rysunku 3 pokazano przekrój poprzeczny wiaduktu według projektu modernizacji.

3 Rys. 3. Przekrój poprzeczny konstrukcji wiaduktu wg projektu modernizacji. Ważnym elementem przebudowy było utrzymanie ruchu na zelektryfikowanej magistrali kolejowej Gdańsk Gdynia. Należało więc podnieść przęsło do góry, wykonać tymczasowy pomost montażowy i wymienić jezdnię. Warunek ten wymusił opracowanie złożonej technologii prac budowlano-montażowych i wykonanie nietypowych konstrukcji pomocniczych. W obrębie obu przyczółków wybudowano tymczasowe bramownice. Pod wiaduktem, między torami ustawiono podpory pomocnicze. W pierwszej fazie budowy podniesiono przęsło do góry na wspomnianych bramownicach i wsunięto pod spód, na podpory tymczasowe, ruszt montażowy wyposażony w torowisko z wózkami (rys 4). Następnie zamontowano w łukach dodatkowe ściągi stalowe ponad istniejącą jezdnią. Ściągi te sprężono wyliczoną wcześniej siłą a następnie przecięto istniejącą jezdnię i ściągi zasadnicze (rys 5). W następnej fazie wykorzystano ruszt montażowy do rozbiórki starej jezdni. Nową konstrukcję scalono z prefabrykatów i wsunięto pod łuki na wózkach i wspomnianym wcześniej ruszcie montażowym. Starą konstrukcję łuków połączono z nową jezdnią za pomocą sprężonych styków śrubowych. Rys. 4. Demontaż konstrukcji jezdni widok przęsła zawieszonego na bramownicach. Rys. 5. Demontaż konstrukcji jezdni tymczasowe sprężenie zewnętrzne dźwigarów łukowych. Analizy numeryczne W trakcie przebudowy wiaduktu prowadzone były symulacje numeryczne wszystkich stadiów montażowych. Konieczność rozpoznania i kontroli wytężenia elementów, podyktowana była względami bezpieczeństwa w aspekcie utrzymanego ruchu kolejowego pod obiektem. Na potrzeby analiz zbudowano złożone modele belkowo powłokowe przęsła oraz tymczasowych konstrukcji towarzyszących (rys. 6). Elementy łuków kratowych, wieszaki oraz stężenia wiatrowe modelowano elementami belkowymi. Elementy rusztu pierwotnej jezdni, dźwigary, poprzecznice i użebrowanie płyty pomostowej nowej konstrukcji, opisano elementami belkowymi z przesuniętą osią odniesienia

4 względem płyty pomostowej (rys. 7). Blachy nieckowe pierwotnej jezdni oraz płytę pomostową nowej konstrukcji opisano 4 węzłowymi elementami powłokowymi. Parametry geometryczne i materiałowe przyjęto zgodnie z projektem remontu wiaduktu [11] oraz archiwalną dokumentacją techniczną. Konstrukcję bramownic, na których zawieszono przęsło na czas demontażu i nasuwania jezdni, opisano elementami belkowymi. Poszczególne etapy wymiany jezdni, symulowane były zgodnie z opracowaną technologią przebudowy wiaduktu. Obliczenia wykonywano metodą elementów skończonych (MES) w środowisku systemu SOFiSTiK [12]. Rys. 6. Modele numeryczne do symulacji etapów przebudowy (Sofistik). Rys. 7. Układ węzłów i opis elementów nowej płyty pomostowej zastosowany w modelu numerycznym. Badania W trakcie prac budowlanych wykonano analizy numeryczne elementów chodnikowych projektowanej konstrukcji (rys. 8) oraz badania laboratoryjne próbnych styków sprężonych (rys. 9). W efekcie wprowadzono zmiany konstrukcyjne w tych elementach i zweryfikowano założenia, na podstawie których wcześniej zaprojektowano połączenia. Między innymi obniżono o 20% teoretyczny współczynnika tarcia w styku sprężonym. Rys. 8. Powłokowy model MES fragmentu chodnika (Sofistik). Rys. 9. Badania laboratoryjne próbnego styku sprężonego.

5 Finalnym etapem prac były badania podczas próbnego obciążenia. Miały one na celu weryfikację założeń projektowych oraz poprawność wykonania i pracy docelowej konstrukcji. Projekt próbnego obciążenia [9] zakładał sprawdzenie pracy konstrukcji podczas prób statycznych oraz określenie parametrów dynamicznych obiektu. Do obliczeń wykorzystano model przęsła, będący finalnym etapem analiz stadiów montażowych (rys. 10). Ogółem model zawierał 7649 węzłów i elementów (11083 elementy belkowe, 6687 elementów powłokowych). Rys. 10. Wizualizacja modelu obliczeniowego przebudowanego wiaduktu (Sofistik). W ramach projektu wyznaczono teoretyczne przemieszczenia węzłowe oraz obwiednie sił wewnętrznych i naprężeń charakterystycznych we wszystkich modelowanych elementach konstrukcji od wszystkich obciążeń stałych i od ruchomego obciążenia normowego klasy B, zgodnie z PN-85/S Obliczenia naprężeń dokonano dla przypadku dwukierunkowego zginania ze ściskaniem i ścinaniem (wg hipotezy H-M-H). Zweryfikowano w ten sposób wykonany wcześniej projekt modernizacji. Następnie określono miejsca pomiaru naprężeń i przemieszczeń (rys. 11). Do obciążenia próbnego opracowano ustawienia zestawu 6 samochodów TATRA S-815. Najważniejszym sprawdzianem poprawności pracy wykonanej konstrukcji były ugięcia i naprężenia pod próbnym obciążeniem statycznym oraz otrzymane w wyniku testów dynamicznych częstości własne przęsła. Na rys. 12 przedstawiono porównanie ugięć teoretycznych i pomierzonych. Na rys. 13 pokazano obliczone postacie i częstości własne zestawione z wynikami pomiarów. Rys. 11. Schemat ustawienia statycznego obciążenia próbnego oraz rozmieszczenie przekrojów pomiarowych (T1 T4 tensometryczne przekroje pomiaru odkształceń, U1 U2 punkty pomiaru ugięć) [9],[10]. Rys. 12. Porównanie pomierzonych przemieszczeń pionowych konstrukcji przęsła z wartościami teoretycznymi (linia czerwona wartości pomierzone, linia niebieska wartości teoretyczne) [9],[10].

6 Rys. 13. Postaci i częstości drgań własnych konstrukcji przęsła [9],[10]. Badania potwierdziły założenia projektowe oraz zweryfikowały poprawność wykonania wzmocnienia. W [10] zetawono wszystkie wyniki otrzymane w czasie próbnego obciążenia. Sformółowano również wnioski na podstawie których obiekt został przekazany do eksploatacji. Wiadukt oddano do użytku w listopadzie 2006 r. W wyniku przebudowy jego ogólna forma architektoniczna nie uległa zmianie a znaczenie historyczne zostało zachowane. Zakończona sukcesem budowa jest przykładem dobrej współpracy Inwestora, Wykonawcy, Projektanta i Nadzoru Naukowego. Uczestnicy procesu przebudowy: Inwestor: Miasto Gdańsk, Zarząd Dróg i Zieleni, Projektant: Pont-Projekt Sp. z o.o., Wykonawca: Mosty Płock, Nadzór Naukowy: Politechnika Gdańska, Katedra Mechaniki Budowli i Mostów PIŚMIENNICTWO I WYKORZYSTANE MATERIAŁY [1] Mieszczuk A., Stankiewicz B., Mańko Z.: Modernizacja zabytkowego stalowego wiaduktu Kościuszki w Gdańsku, Inż. i Bud. 9/2000. [2] Mieszczuk A.: Projekt remontu kapitalnego wiaduktu w ciągu ul. T. Kościuszki w Gdańsku nad torami PKP, BPK Gdańsk, [3] Wysiatycki K., Klocek T., Malinowski M., Lupa B., Kozakiewicz A.: Sprawozdanie z badań wiaduktu Kościuszki pod próbnym obciążeniem, Politechnika Gdańska, [4] Wysiatycki K.: Wiadukt nad torami PKP w ciągu ul. Braci Lewoniewskich (dawna Pilotów). Opinia o stanie technicznym i nośności, Zakład Usług Mostowych WIK, [5] Żółtowski K.: Analiza możliwości przystosowania historycznego przęsła mostu łukowego do pracy we współczesnych warunkach eksploatacyjnych, X Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Konstrukcje Metalowe, Gdańsk [6] Żółtowski K., Szafrański M.: Techniczne możliwości rewitalizacji kratowych wiaduktów łukowych. Drogi i Mosty 4/2005, Warszawa [7] Chróścielewski J., Żółtowski K., Kozakiewicz A., Miśkiewicz M., Szafrański M., Żółtowski P.: Awaria wiaduktu drogowego nad torami kolejowymi w Gdańsku. XXII Konferencja Naukowo Techniczna Awarie Budowlane, Szczecin Międzyzdroje, maja [8] Chróścielewski J., Żółtowski K., Abramski M., Miśkiewicz M., Szafrański M., Żółtowski P., Mederski P.: Ocena stanu technicznego wiaduktu drogowego nad torami kolejowymi w ciągu ul. Braci Lewoniewskich w Gdańsku, Ekspertyza techniczna, Politechnika Gdańska Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Katedra Mostów, [9] Żółtowski K., Szafrański M., Kozakiewicz A., Malinowski M., Chróścielewski J.: Projekt próbnego obciążenia wiaduktu drogowego nad torami kolejowymi PKP w ciągu ul. Braci Lewoniewskich w Gdańsku Wrzeszczu, Gdańsk, listopad [10] Chróścielewski J., Malinowski M., Żółtowski K., Rutkowski R., Szafrański M., Sitarski A., Mederski P.: Sprawozdanie z badań podczas próbnego obciążenia wiaduktu drogowego nad torami PKP w ciągu ul. Braci Lewoniewskich w Gdańsku, Gdańsk, listopad [11] Pellowski M., Wąchalski K.: Projekt budowlano wykonawczy przebudowy wiaduktu nad torami PKP w ciągu ul. Braci Lewoniewskich w Gdańsku. Pont-Projekt, Gdańsk, [12] SOFiSTiK GmbH, Monachium. System analizy konstrukcji.