KONTROLA I MONITORING TENSOMETRYCZNY W TRAKCIE BUDOWY MOSTU ŁUKOWEGO PRZEZ RZEKĘ WISŁĘ W TORUNIU

Transkrypt

1 KONTROLA I MONITORING TENSOMETRYCZNY W TRAKCIE BUDOWY MOSTU ŁUKOWEGO PRZEZ RZEKĘ WISŁĘ W TORUNIU Jacek CHRÓŚCIELEWSKI*, Wojciech WITKOWSKI*, Anna BANAŚ*, Karol DASZKIEWICZ*, Maciej MALINOWSKI* Krzysztof WĄCHALSKI** *) Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska **) Pont Projekt Sp. z.o.o., Gdańsk 1. WSTĘP Silny rozwój infrastruktury komunikacyjnej jest stymulatorem powstawania wyrafinowanych i nowatorskich ustrojów inżynierskich, które stawiają nowe wyzwania projektowe i wykonawcze. Przy poszukiwaniu innowacyjnych i efektywnych rozwiązań często pokonywane są kolejne bariery konstrukcyjne i technologiczne. Wprowadzanie nowych rozwiązań wiąże się z koniecznością głębszego poznania rzeczywistego zachowania się takich nowatorskich obiektów oraz potwierdzenia przyjmowanych założeń teoretycznych i prognoz projektowych. Niekwestionowanym w tym względzie źródłem wiedzy są dobrze przygotowane badania in situ przewidujące w jednej,,ścieżce monitorowanie na bieżąco stanów konstrukcji, zarówno w kolejnych stadiach jej powstawiania jak i później już gotowej w trakcie eksploatacji. Takie podejście daje obraz rzeczywistej pracy ustroju nie tylko w postaci informacji z poszczególnych etapów, np. stadiów montażu, warunków eksploatacyjnych, ale także o sposobie ich kumulowanego wytężenia. Ponadto z punktu widzenia oceny postępowania degradacji, podejście takie określa tzw. stan referencyjny - wyjściowy, będący punktem odniesienia do pomiarów w okresie całej żywotności obiektu. Dość powszechnym sposobem nadzoru pracy konstrukcji stał się monitoring techniczny w trakcie jej eksploatacji (zob. np. [1]-[12]). Coraz częściej pojawiają się jednak obiekty, które z uwagi np. na przeznaczenie lub gabaryty, czy też na innowacyjne rozwiązania technologiczne wymagają monitorowania również w trakcie wznoszenia. Niniejsza praca przedstawia założenia systemu monitoringu tensometrycznego łukowego mostu głównego przez rzekę Wisłę w Toruniu w trakcie jego wznoszenia z tak zaprojektowanym układem pomiarowym, który może być przeistoczony w część stałego system nadzoru technicznego całego obiektu.

2 2. CHARAKTERYSTYKA INWESTYCJI I OBIEKTU Budowa nowego mostu drogowego w Toruniu wraz z dojazdami to jedna z największych obecnie prowadzonych tego typu inwestycji w Polsce. Dwuprzęsłowy łukowy most główny będzie miał ponad 540 m długości i 24 m szerokości. Całkowita długość trasy mostowej wraz z drogami dojazdowymi wyniesie 4100 m. Estakady nad terenami zalewowymi po prawej i lewej stronie Wisły będą miały odpowiednio po 600 i 830 m długości. Inwestycja obejmuje także budowę i przebudowę jedenastu ulic o łącznej długości 11 km, wzniesienie wiaduktu nad koleją i przejścia podziemnego oraz przebudowę kilku skrzyżowań i węzłów komunikacyjnych. Most główny jest dwuprzęsłową konstrukcją łukową z jazdą pośrednią o rekordowej w skali kraju rozpiętości przęseł m. Dźwigary główne to dwa nachylone do siebie stalowe łuki o zamkniętym przekroju skrzynkowym w formie bisymetrycznego sześcioboku. W każdym przęśle łuki stężone są poprzecznie sześcioma stalowymi skrzynkowymi zwornikami belkowymi. Wezgłowia łuków zaprojektowano jako stalowo-żelbetowe. W górnej części wezgłowia stalowy, pusty w środku przekrój skrzynki jest zatopiony i zespolony z częścią betonową, która w części dolnej przechodzi w monolityczną konstrukcję żelbetową. Pomost podwieszony jest do łukowych dźwigarów głównych za pomocą rurowych wieszaków. Konstrukcja pomostu jest stalowa, tworzą ją blachownicowe dźwigary podłużne oraz poprzecznice wraz z płytą o ortotropii technicznej umiejscowioną w płaszczyźnie ich pasów górnych. W obrębie jezdni w płycie zastosowano żebra zamknięte, a w obszarze chodników otwarte. Wezgłowia połączone są monolitycznie z płytami fundamentowymi posadowionym na palach prefabrykowanych pogrążanych. W celu ochrony podpory nurtowej przed bezpośrednimi oddziaływaniami rzeki oraz dodatkowo zabezpieczenia dna koryta w obrębie podpory przed jego rozmyciem zbudowano sztuczną wyspę umocnioną od zewnątrz narzutem kamiennym. Podczas realizacji inwestycji zastosowano innowacyjny dla tej skali obiektu sposób montażu dźwigarów głównych. Łuki stalowe o długości 230 m (dla każdego przęsła) i łącznej masie ok ton, najpierw są scalane po dwa do przęsła na brzegu, które kolejno są zwodzone do miejsca wmontowania na podporach pływających. Następuje w miejscu wbudowania są one podniesione z pontonów i przed trwałym uciąglającym zespoleniem, osadzone na czterech specjalnie wykonstruowanych demontowanych stolikach montażowych (fot. 1 i 2).

3 Instrukcja dla autorów... 3 Fot.1. Fazy montażu dźwigarów łukowych przęsła pierwszego (13-15) Fot. 2. Osadzanie dźwigarów łukowych na stolikach montażowych 3. SYSTEM KONTROLI I MONITORING TENSOMERTYCZNY 3.1. Cel i zakres badań Program kontroli i monitoringu tensometrycznego opracował zespół Laboratorium Badań Terenowych Katedry Mechaniki Budowli i Mostów Politechniki Gdańskiej we współpracy z Biurem Projektowym Pont-Projekt (Nadzór Autorski). Stanowi on wypełnienie wymagań projektowych oraz SST dla budowy mostu łukowego przez Wisłę w Toruniu. Celem badań jest określenie stopnia wytężenia i ocena poprawności pracy łukowych dźwigarów głównych podczas faz montażowych. Poprzez odpowiednie dobranie punktów i przekrojów pomiarowych można na bieżąco śledzić i rekonstruować mapy wytężenia przekroju podporowego stalowej części łuków oraz oceniać poprawność i stopień współpracy części stalowej i żelbetonowej w wezgłowiach. Badania obejmują pomiary odkształceń/naprężeń w częściach stalowych dźwigarów łukowych w obszarach reprezentatywnych wezgłowi oraz na sworzniach stolików montażowych. Równolegle prowadzony jest pomiar temperatury konstrukcji. Założono, że pomiar odkształceń/naprężeń prowadzony będzie w przekrojach pomiarowych wezgłowi w osiach podpór 13,15 i 17 (rys. 1 i 2).

4 Rys. 1. Widok z boku przęseł łukowych z oznaczeniem badanych wezgłowi 3.2. Metodyka badań Rys. 2. Widok z góry przęseł łukowych z oznaczeniem badanych wezgłowi W ramach systemu monitoringu założono sekcje pomiarowe na czterech z ośmiu wezgłowi mostu głównego (rys. 2). W wezgłowiu nr 13 przyjęto zwiększoną w stosunku do pozostałych liczbę punktów pomiarowych w celu zapewnienia pełniejszej analizy i weryfikacji powierzchniowo-przestrzennego rozkładu naprężeń w skrzynce stalowej oraz zbadania sposobu redystrybucji naprężeń z części stalowej na część żelbetonową wezgłowia (rys. 3). W wezgłowiu podpory nr 17 i w dwóch wezgłowiach podpory nr 15 przekroje i punkty pomiarowe mają za zadanie głównie weryfikować analogiczne wyniki pomiarów z wezgłowia 13 i pozwolić na ogólną kontrolę rozkładu i redystrybucji naprężeń. Dodatkowo założono punkty pomiarowe odkształceń/naprężeń na sworzniach dolnych stolików montażowych służących do tymczasowego oparcia dźwigarów łukowych przed ich trwałym zespoleniem w pierwszych fazach montażu przęseł (fot. 2). Pomiar odkształceń/naprężeń i rejestrację wyników prowadzi się periodycznie, w stałych odstępach czasowych (co 2s) oraz każdorazowo w sposób ciągły przy realizacji poszczególnych etapów faz montażowych. W tabeli 1 i na rys. 4 i 5 przedstawiono poszczególne fazy montażu dźwigarów i pomostu wraz z oznaczeniem, które sekcje pomiarowe będą badane w poszczególnych etapach budowy.

5 Instrukcja dla autorów... 5 Tabela.1 Tabelaryczny harmonogram faz montażu przęseł i pomiarów tensometrycznych Pomiar tensometryczny sekcji pomiarowych - wezgłowi Fazy - etapy montażu Montaż łuków Etap 1 dostarczenie na pontonach scalonych sekcji SM-A i SM-B, ustawienie łuków nad docelowym miejscem montażu Etap 2 Opuszczenie konstrukcji przęsła na przygotowane oparcia montażowe, Regulacja geometryczna Etap 3 Obciążenie łuku balastem, wykonanie styku przy podporze nr 13, zdjęcie balastu Etap 4 Obciążenie łuku balastem, wykonanie styku przy podporze nr 15, zdjęcie balastu Etap 5 dostarczenie na pontonach scalonych sekcji SM-C i SM-D, ustawienie łuków nad docelowym miejscem montażu Etap 6 Opuszczenie konstrukcji przęsła na przygotowane oparcia montażowe, Regulacja geometryczna Etap 7 Obciążenie łuku balastem, wykonanie styku przy podporze nr 17, zdjęcie balastu Etap 8 Obciążenie łuku balastem, wykonanie styku przy podporze nr 15, zdjęcie balastu Montaż pomostu Etap 1.1 Montaż sekcji podporowych na rusztowaniach Etap 1.2 Montaż sekcji podporowych - podciąganych z lądu przy podporze nr 13 i 17 Etap 1.3 Montaż sekcji podporowych - podciąganych z lądu przy podporze nr 15 Etap 1.4 Montaż sekcji przęsłowych - podciąganych z wody przęsła i Etap 1.5 Montaż sekcji przęsłowych - podciąganych z wody przęsła i Etap 1.6 Montaż sekcji przęsłowych - podciąganych z wody przęsła i W13L W15_1 L W15_2 L W17L

6 Rys.3. Przekroje i tensometryczne punkty pomiarowe w skrzynce łuku w wezgłowiu nr Modele obliczeniowe Badania in situ poprzedzone były i są na bieżąco wspierane analizami teoretycznymi i obliczeniami weryfikującymi, na potrzeby których stworzono, w zależności od zadania, kilka zaawansowanych przestrzennych modeli numerycznych opracowanych w środowisku MES. W modelach tych wykorzystuje się następujące elementy skończone: 1 wymiarowe, 2 węzłowe przestrzenne prętowe (belkowe) elementy skończone typu Timoszenko, uwzględniające efekt ścinania oraz mimośród osi belki; 2 wymiarowe, 4 węzłowe powłokowe (płaskie) elementy skończone typu Timoszenko Reissnera. Elementy te mają wzbogacony stan deformacji w powierzchni, redukcję efektu blokady, uwzględnienie efektu ścinania oraz zróżnicowanego położenia powierzchni odniesienia powłoki (mimośród); 1 wymiarowe, 2 węzłowe przestrzenne elementy typu kablowego nie przenoszące ściskania (więz jednostronny); 3 wymiarowe, 8 węzłowe elementy bryłowe wzbogacone o przestrzenne stany giętne, co dodatkowo redukuje efekt blokad.

7 Instrukcja dla autorów... 7 Rys. 4. Schemat montażu dźwigarów łukowych zakres pomiarów (sekcje pomiarowe)

8 Rys. 5. Schemat montażu pomostu zakres pomiarów (sekcje pomiarowe)

9 Instrukcja dla autorów... 9 Między innymi opracowano przestrzenny model całej konstrukcji mostu głównego (rys. 6) oparty na siatce węzłów, składający się z elementów powłokowych, elementów belkowych oraz sprzężeń kinematycznych. Model ten jest tak pomyślany, że umożliwia różne konfigurowanie konstrukcji stosownie do aktualnie realizowanego etapu fazy montażu. Rys. 6. Wizualizacja przestrzennego modelu MES konstrukcji mostu Kolejne modele odwzorowują już samo wezgłowie. Tworzą je elementy powierzchniowe, bryłowe i prętowe przy odpowiednich warunkach brzegowych uwzględniających globalne oddziaływania części konstrukcji podczas kolejnych faz montażu. Na rys. 7 przedstawiono jeden z nich opisujący stolik montażowy wraz z fragmentem skrzynki łuku, przy użyciu którego analizowano stopień wytężenia stolika podczas osadzania dźwigarów łukowych. Model ten opisany na siatce węzłów składa się z elementów powłokowych i elementów bryłowych Wyniki pomiarów Rys. 7. Wizualizacja modelu MES stolika i fragmentu skrzynki łuku W chwili składu tego artykułu, osadzone zostały dźwigary łukowe pierwszego przęsła W tej fazie, poza globalną analizą układu, badano lokalny stopień wytężenia newralgicznej konstrukcji stolika montażowego. Na rys. 8 przedstawiono poziom naprężeń normalnych w jego sworzniu w przekroju, w którym założone były tensometryczne punkty pomiarowe. Następnie formułując odpowiednie nieliniowe zadanie odwrotne, na podstawie pomierzonych naprę-

10 żeń, zidentyfikowano przestrzenne położenie i wartość weryfikującą wypadkowej sił oddziaływującej z łuku na stolik. Odpowiadający stan wytężenia całej konstrukcji stolika (naprężenia zastępcze według hipotezu H-M-H σ Z [MPa]) pokazano na rys. 9. σ Z pom = -8 MPa, σ Z teoret = -15 MPa σ Z pom = 140 MPa σ Z teoret = 134 σ Z pom = 38 MPa σ Z teoret = 32 MPa σ Z pom = 250 MPa, σ Z teoret = 245 MPa Rys. 8. Naprężenia normalne w sworzniu stolika w przekroju pomiarowym. Rys. 9. Stan wytężenia konstrukcji stolika podczas osadzenia dźwigarów łukowych 4. WNIOSKI Niniejsza praca przedstawia zarys zrealizowanego systemu monitoringu tensometrycznego mostu łukowego przez rzekę Wisłę w Toruniu. Z uwagi na stopień postępu robót budowlanych obiektu, zakres przeprowadzonych badań

11 Instrukcja dla autorów i analiz jest z natury rzeczy ograniczony i będzie rozwijany wraz z postępem budowy. Praca ta potwierdza głęboki sens jednoczesnego prowadzenia badań in situ wspieranych aparatem teoretycznym o dobrze zidentyfikowanych parametrach modelu obliczeniowego. Podejście takie dostarcza w każdej chwili wiarygodnych informacji o stanie całej konstrukcji, które nie są osiągalne w innych rozdzielnych sposobach oraz konfiguracjach badań i realizacji budowy. Uzyskiwane na bieżąco informacje o stanie całej konstrukcji z pierwszego etapu montażu przęsła wspomagały w trudnych chwilach decyzyjność kierownictwa budowy i nadzoru, uwiarygodniając sens harmonijnej współpracy i służebności nauki w stosunku do realizacji zadań projektowych i inwestycyjnych. LITERATURA 1. Wilde K., Rucka M., Chróścielewski J., Miśkiewicz M., Malinowski M., Jasina M., Wilde M.: System ciągłej obserwacji stanu technicznego hali Oliwia w Gdańsku. Inżynieria i Budownictwo nr 10(2009), Omenzetter P., Brownjohn J. M. W., Moyo P.: Identification of unusual events in multi-channel bridge monitoring data. Mechanical Systems and Signal Processing 18(2004), Malinowski M.: Monitoring der Brücke des III. Jahrtausends in Danzig. Stahlbau, 8(2003), Malinowski M., Rutkowski R.: Badania mostu III Tysiąclecia im. Jana Pawła II w Gdańsku w trakcie trzyletniej eksploatacji. Inżynieria i Budownictwo, 6(2005), J.M.Ko., Y.Q.Ni: Technology developments in structural health monitoring of largescale bridges. Engineering Structures 27(2005), Uhl t., Hanc A., Tworkowski K.: Technologie bezprzewodowe w systemach monitorowania mostów. Mosty, 3(2008), Hildebrand M., Malinowski M., Żółtowski K.: Monitoring mostów podwieszonych. Mosty, 3(2009), Biliszczuk J., Barcik W, Sleńko R.: System monitorowania mostu w Puławach. Mosty, 4(2009), Wolski B, Ulmaniec M., Borowiec W, Ładecki B.: Geodezyjny monitoring deformacji konstrukcji mostu podwieszonego. Czasopismo techniczne. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej 2-Ś/2009, Chróścielewski J., Rucka M., Banaś A., Malinowski M., Miśkiewicz M., Rutkowski R.: Systemy monitorowania stanu technicznego konstrukcji na przykładzie trzech mostów. Mosty, 2(2011), Łagoda G., Łagoda M.: Monitoring stanu technicznego konstrukcji (SHM) w zastosowaniu do obiektów infrastruktury komunikacyjnej. Krynica, Żółtowski K., Romaszkiewicz T.: Roof over PGE Arena in Gdańsk. Review of structure and monitoring system. 18th IABSE Cogress Seoul 2012.

12 CONTROL AND TENSOMETRIC MONITORING DURING CONSTRUCTION OF ARCH BRIDGE ACROSS THE VISTULA RIVER IN TORUN Summary This work presents the assumptions of monitoring system of arch bridge across the Vistula River in Torun during its construction. The use of monitoring system allows to control the current work of arch main girders during the assembly phases. The constructing bridge has the record in the scale of Poland span of 2x270 m. During the building process the innovative assembly method of main girders is used. The main girders after integration, are drawn on floating support, lifted and mounted on special steel temporary studs. The scale and the uniqueness of the bridge are the reasons of installing monitoring system during its construction. The tensometers are installed in selected sections of box girders on six bridge bed-heads. The results allow to evaluate the state of stresses in box girder and stress redistribution from steel part to concrete part of the bed-heads. In addition the measurements of stress are made at bolt of temporary down stud. In order to evaluate the results of monitoring the global FEM model of the whole bridge is created from shell, brick and beam elements. Additional detailed models of the bed-heads are also performed. The actual stage of construction and conducted measurements allows for identification of normal force position on bolt of stud. The state of the stress and strains in stud during the first stage of girders mounting on the abutments is calculated.