MONITORING. WYBRANE PROBLEMY ZWIĄZANE Z OCENĄ STANU CIĘGIEN WIELOSPLOTOWYCH W MOSTACH

Transkrypt

1 ARCHIWUM INSTYTUTU INŻ YNIERII LĄ DOWEJ Nr 19 ARCHIVES OF INSTITUTE OF CIVIL ENGINEERING 2015 MONITORING. WYBRANE PROBLEMY ZWIĄZANE Z OCENĄ STANU CIĘGIEN WIELOSPLOTOWYCH W MOSTACH Krzysztof ŻÓŁTOWSKI Politechnika Gdańska W referacie przedstawiono wyniki analiz prowadzonych przy opracowaniu architektury monitoringu mostu podwieszonego przez Wisłok w Rzeszowie. Dokonano tam klasyfikacji zmian, jakim konstrukcja podlega w czasie i wykonano szereg obliczeń pozorujących uszkodzenia w linach podwieszenia. Wnioski opracowane w wyniku analiz mają charakter uniwersalny i mogą być wykorzystane przy opracowaniu systemu monitoringu mostów, w których zastosowano liny wielosplotowe. Słowa kluczowe: Mosty podwieszone, extradosed, cięgna wielosplotowe, monitoring, metodyka i strategia monitoringu 1. WSTĘP Most przez Wisłok w Rzeszowie to klasyczne rozwiązanie przęseł podwieszonych na jednym pylonie (rys. 1). Zgodnie z pracą [1] most będzie wyposażony w szereg czujników mierzących wielkości fizyczne charakteryzujące zachowanie się konstrukcji w czasie. Rys. 1. Most przez Wisłok w Rzeszowie widok z boku

2 262 Krzysztof Żółtowski Rys. 2. Most przez Wisłok w Rzeszowie typowy przekrój poprzeczny Są to: deformacje wyrażone przez pomiar przemieszczeń i obrotów, siły i naprężenia wyrażone przez pomiar odkształceń, drgania wyrażone przez pomiar przyspieszeń. Pomiary mają określić stan konstrukcji w czasie, pod ciężarem własnym i eksploatacyjnym oraz doraźnie pod bieżącym obciążeniem eksploatacyjnym. Pomiary mają zapewnić: eliminację lub minimalizację zagrożenia dla użytkowników, podwyższenie bezpieczeństwa i niezawodności konstrukcji, wczesne rozpoznanie nieprawidłowości umożliwiające usunięcie uszkodzeń w zarodku, rozwój nauki i metod projektowania oraz budowy mostów. Analizując zagrożenia związane z bezpieczeństwem mostu postanowiono rozwinąć opracowanie koncepcyjne [1] poprzez dopracowanie położenia i liczby urządzeń pomiarowych na podstawie studium modelu numerycznego konstrukcji. Z uwagi na typ konstrukcji mostu położono główny nacisk na olinowanie KLASYFIKACJA ZMIAN KONSTRUKCJI W CZASIE Konstrukcja mostu podwieszonego na stalowych wantach, betonowym pylonie i zespolonych, stalowo-betonowych przęsłach podlega wielu zjawiskom fizycznym i chemicznym. Niestety, dotychczas monitoring bardzo rzadko obejmuje identyfikację i pomiary procesów chemicznych przebiegających w konstrukcji. Główne zjawiska fizyczne to: trwałe uogólnione zmiany geometrii (przemieszczenia) i odkształcenia wynikające z przemieszczeń podpór, 1 Żółtowski K., Kirschen W. Drawc M.; Most podwieszony w Rzeszowie: Strategia monitoringu. Opracowano na zlecenie Bilfinger Infrastructure SA.

3 Monitoring. Wybrane problemy związane z oceną stanu cięgien 263 trwałe uogólnione zmiany geometrii (przemieszczenia) i odkształcenia wynikające z procesów reologicznych w konstrukcji pylonu i przęseł zespolonych, trwałe uogólnione zmiany geometrii (przemieszczenia) i odkształcenia wynikające z degradacji lub uszkodzeń konstrukcji. chwilowe uogólnione zmiany geometrii (przemieszczenia) i odkształcenia wynikające z oddziaływania obciążeń zewnętrznych. chwilowe uogólnione zmiany geometrii (przemieszczenia) i odkształcenia wynikające z uszkodzeń konstrukcji, trwałe uogólnione zmiany charakterystyki dynamicznej konstrukcji, jako skutki procesów opisanych powyżej. chwilowe zjawiska dynamiczne wynikające z oddziaływań zewnętrznych. chwilowe zjawiska dynamiczne wynikające z uszkodzeń konstrukcji. niskocyklowe - obciążenia środowiskowe (wiatr i temperatura), wysokocyklowe - obciążenia eksploatacyjne, drogowe i wiatr. 3. REPREZENTATYWNE MIEJSCA POMIAROWE Współczesne techniki pomiarowe dają szerokie możliwości pomiarów w zakresie ilościowym i jakościowym. Teoretycznie liczba czujników i mierzonych wielkości jest ograniczona jedynie dostępnością miejsca w konstrukcji. Możliwości rejestrowania i przetwarzania danych również są bardzo duże i technicznie nie stanowią ograniczenia. Mimo to musimy pamiętać, że zaprojektowana i wybudowana konstrukcja ma spełniać funkcje użytkowe i w odróżnieniu od prac naukowych nie może stać się laboratorium badawczym. Zestawy czujników pomiarowych muszą realizować jasno postawione zadania dotyczące kontroli bezpieczeństwa lub degradacji. Ilość i typ czujników muszą być, zatem specjalnie zaplanowane tak, aby przy ograniczonej ich liczbie i precyzyjnie wybranym położeniu mogły dzięki połączeniu ze specjalnie przygotowanym modelem numerycznym odpowiadać na pytania dotyczące szerszej gamy zagadnień niż stan konstrukcji w danym punkcie pomiarowym. Taki zintegrowany z modelem MES system został opracowany i wdrożony na potrzeby monitoringu zadaszenia stadionu PGR Arena w Gdańsku i Stadionu Narodowego [2], [3]. Wybór miejsc i wielkości pomiarowych związany jest z typem konstrukcji, układem statycznym, zastosowanymi materiałami i znaczeniem monitorowanego elementu. W przypadku mostu podwieszonego w Rzeszowie największy stopień niepewności związany jest z linami podwieszenia (liny wraz z zakotwieniami). Wynika to wprost z współczynników bezpieczeństwa i wymogów jakościowych przypisanych układom wantowym w mostach. Innym istotnym elementem jest pylon wraz z posadowieniem. Na pylon poprzez wanty przekazuje się większość obciążeń związanych z pracą mostu.

4 264 Krzysztof Żółtowski Trzecim istotnym elementem jest przęsło, które z uwagi na fazy montażu i konstrukcję zespoloną (stalowo-betonową) podlega zmianom w czasie i stanowi element, który przekazuje obciążenia użytkowe na resztę konstrukcji. W artykule przedstawiono wyniki prac związanych z rozwinięciem koncepcji [1]. Z uwagi na typ konstrukcji mostu położono główny nacisk na olinowanie. Uznano, że diagnostyka stanu technicznego konstrukcji podwieszenia jest kluczowa dla mostu. Dlatego wybór miejsc pomiarowych i zastosowane techniki pomiaru mają bezpośredni wpływ na skuteczność monitoringu. Kluczowe dla administratora obiektu jest określenie stopnia degradacji lub uszkodzenia, przy którym system zidentyfikuje wadę. 4. WANTY WSPÓŁZALEŻNOŚCI STATYCZNE Poniżej przedstawiono wyniki grupy analiz dotyczących wpływu utraty części siły w poszczególnych wantach na inne wanty i ogólne zachowanie się konstrukcji. Wykorzystano model numeryczny aktualnie budowanej konstrukcji mostu wykonany na potrzeby weryfikacji dokumentacji projektowej 2. Rys. 3. Most przez Wisłok w Rzeszowie model numeryczny MES SOFiSTiK. Poniżej numeracja want 4.1. Wpływ utraty siły w dowolnej wancie na ugięcie pomostu W rozdziale zestawiono przemieszczenia pionowe dźwigarów stalowych skrzynkowych (lewego i prawego) w wyniku zadanego odprężenia wanty (każdej z osobna) o 10% siły początkowej. Przykładową linię ugięcia pokazano na rys Projekt budowlany Budowa drogi od ul. Załęskiej do ul. Lubelskiej wraz z budową mostu na rzece Wisłok. Projektant: Mosty Gdańsk. Weryfikacja: KBP Żółtowski.

5 Monitoring. Wybrane problemy związane z oceną stanu cięgien 265 Dyskusja wyników: Przedstawiona analiza pokazuje szereg prawidłowości: Utrata 10% siły w wantach 1 6 jest trudna do identyfikacji za pomocą oceny przemieszczeń w miejscach ich zamocowania. Ekstremalne wielkości deformacji przęsła są małe (poniżej 10 mm). Brak jest jednoznacznej różnicy w deformacjach dla prawego i lewego dźwigara (brak wyraźnego skręcenia przęsła); Nieduże deformacje w miejscach zamocowania (poniżej 10 mm) zauważono także dla want nr 7, 8, 16 i 18. W tym przypadku występuje wyraźny efekt skręcenia przęsła; w pozostałych wantach utrata 10% siły przejawia się deformacją pionową przęsła w miejscach zamocowania z wyraźnie zaznaczonym skręceniem. Rys. 4. Linie ugięcia pomostu dla utraty 10% siły początkowej w wybranych wantach

6 266 Krzysztof Żółtowski Wniosek: Z uwagi na duże wartości sił wewnętrznych i brak efektów w postaci wyraźnych deformacji jest uzasadniony pomiar sił wewnętrznych dla want nr 1 6. Obserwacja pracy pozostałych want może być prowadzona przez pomiary deformacji przęseł w czasie. Uzasadnione jest monitorowanie deformacji pionowych przęseł w obszarze miedzy wantami nr 7 i 32. Zaproponowano montaż 2 13 punktów pomiaru przemieszczeń przęseł, (co drugą wantę) Wpływ utraty siły w dowolnej wancie na zmianę sił w innych wantach Istotny dla systemu monitoringu mostu jest wybór miejsc i wielkości mierzonych. Powstaje zatem pytanie o zasadność umieszczania czujników pomiaru sił na wybranych wantach. Takie działanie oczywiście obniża ryzyko niewykrycia degradacji dzięki zredukowaniu ilości elementów nieznanych, ale nadal pozostawia duży margines loterii. Należy zatem zadać pytanie: Czy można zidentyfikować proces degradacji w wancie nieopomiarowanej poprzez monitoring innej wanty? Przeprowadzono obliczenia statyczne z uwzględnieniem wpływy spadku o 10% siły w dowolnej wancie na zmianę sił w wantach pozostałych w stanie bez użytkowym. Na wykresach poniżej przedstawiono wpływ utraty siły w wybranej wancie (10%) na wielkość sił w pozostałym olinowaniu. Przykładowe wyniki przedstawiono na rys. 5. Wyniki podano w wartościach bezwzględnych [kn] i [%]. ` Rys. 5. Wpływ utraty 10% siły w wantach nr 1 na stan napięcia w pozostałych wantach

7 Monitoring. Wybrane problemy związane z oceną stanu cięgien 267 Rys. 6. Wpływ utraty 10% siły w wantach nr 10 na stan napięcia w pozostałych wantach Rys. 7. Wpływ utraty 10% siły w wantach nr 25 na stan napięcia w pozostałych wantach Rys. 8. Wpływ utraty 10% siły w wantach nr 32 na stan napięcia w pozostałych wantach

8 268 Krzysztof Żółtowski Dyskusja wyników: Przedstawiona analiza pokazuje szereg prawidłowości: Utrata 10% siły w każdej z want osobno skutkuje bardzo małą zmianą sił w wantach pozostałych. Zmiany wyliczone teoretycznie nie przekraczają 3% w wantach sąsiadujących (z wantą tracącą napięcie) i w pozostałych są mniejsze. Jedynie wanta 15 i 18 oddziałuje na wanty sąsiednie efektem ~4% zmiany siły. Biorąc pod uwagę skuteczność pomiarową sił w linach (przeważnie mierzymy siłę na jednej splotce) spodziewane różnice temperatur i ogólnie wpływ czynników zewnętrznych zmiany takie będą trudne do zinterpretowania jako ewentualne uszkodzenia; Pomiar siły w wancie może, zatem służyć głównie do diagnostyki tej wanty w przypadku hipotetycznych uszkodzeń redukujących siłę w zakresie do 10% wartości pierwotnej. Wniosek: Nie można określić stanu nieobjętych pomiarem want na podstawie pomiarów innych want Wpływ utraty siły w wancie na zmianę jej częstości drgań własnych Przeprowadzono obliczenia oceniające wpływy spadku o 10% siły w dowolnej wancie na zmianę jej częstości własnej. Rozwiązanie ścisłe dla drgań własnych cięgna wskazuje, że efekt ten skutkuje zmianą (spadkiem) wartości pierwszej częstości własnej ~ 5%. Inaczej to wygląda w przypadku utraty jednego splotu w linie. Dla liny nr 1 (115 splotów) utrata jednej splotki skutkuje spadkiem pierwszej częstości własnej o 0,4%. Dla liny nr 6 (48 splotów) utrata jednej splotki skutkuje spadkiem pierwszej częstości własnej o 1 %. Dla liny nr 15 (przyjęto 17 splotów) utrata jednej splotki skutkuje spadkiem pierwszej częstości własnej o 3 %. Dyskusja wyników: Na podstawie pomiarów przeprowadzonych na wantach mostu przez Motławę (Obwodnica Południowa Gdańska), mostu przez Wisłę pod Kwidzynem. Mostu Świętokrzyskiego i Mostu Rędzińskiego można stwierdzić, że jest możliwa identyfikacja częstości własnych drgań z praktyczną dokładnością, do dwóch miejsc po przecinku. Oznacza to, że można będzie uchwycić trwałe zmiany w napięciu wanty w zakresie 10% przez identyfikację częstości drgań własnych; Przy linach wielosplotowych utrata jednego splotu zazwyczaj skutkuje dużo mniejszą niż 10% zmianą siły w linie. Największa lina ma 115 splotów, najmniejsza 17 splotów.

9 Monitoring. Wybrane problemy związane z oceną stanu cięgien 269 Wniosek: Monitorowanie stanu napięcia lin mostu podwieszonego jest możliwe z dokładnością oceny siły na poziomie ~90% Wpływ utraty jednego splotu w wancie na wynik pomiaru siły na innym splocie należącym do tej wanty Problematykę identyfikacji zmian siły w wancie na podstawie pomiaru jednego splotu przedstawiono na rysunku poniżej (rys. 9).. W przypadku baterii splotów (napiętych siłą P), do której jest podwieszony swobodnie ciężar (rys. 9, przypadek a ) utrata jednego splotu skutkuję wzrostem sił we wszystkich pozostałych splotach. W tym przypadku pomiar na splocie referencyjnym identyfikuje utratę innego splotu. Przeciwieństwem tego modelu (rys. 9, przypadek b ) jest sytuacja gdy wszystkie sploty są napięte i zamocowane sztywno na obu końcach. Wtedy utrata jednego splotu nie może wpływać na zmianę sił w pozostałych splotach. Sumaryczna siła w splotach spada, ale pomiar na splocie referencyjnym jest niezmienny Powyżej przedstawiono dwa przypadki brzegowe, pomiędzy którymi można umiejscowić przypadek wanty wielosplotowej podtrzymującej przęsło. Można go przedstawić jako zawieszony na baterii splotów ciężar dodatkowo podparty sprężyście (rys. 9, przypadek c ). W przypadku utraty jednego splotu zmiana siły w pozostałych splotach zależy od proporcji sztywności układu. Proporcje te są indywidualną cechą każdej konstrukcji a ich rozpoznanie może być przeprowadzone w oparciu o kompleksowy model numeryczny. a) b.) c.) Rys. 9. Trzy przypadki pracy splotów w grupie Dla analizowanego mostu wybrano wantę nr 15 (o najmniejszej ilości splotów 17). Przyjęto początkową siłę F 0 = 1500kN. W wyniku zredukowania

10 270 Krzysztof Żółtowski przekroju o jeden splot sumaryczna siła w pozostałych splotach zgodnie z modelem a powinna pozostać taka sama. Wzrost siły w każdym splocie powinien wynosić df = 5,51kN. Zgodnie z modelem b siła sumaryczna powinna wynosić teoretycznie F 1 = 1411 kn i nie powinien nastąpić jej wzrost w poszczególnych splotach. W wyniku obliczeń przeprowadzonych z wykorzystaniem modelu MES (rys. 3) F 1 = 1426kN. Towarzyszące przemieszczenia pionowe w punkcie wpięcia wanty w pomost wyniosły v =2,7 mm. Wzrost siły w każdym pozostałym splocie wynosi df = 0, 89 kn, co stanowi ~6 MPa. Zachowanie się konstrukcji tym razem jest bliskie wariantowi b. Należy przy tym pamiętać, że dokładność pomiaru standardowych siłomierzy mieści się w zakresie (0,5kN 1,0 kn) Wnioski: W konstrukcjach podwieszonych, w których pomost wykazuje istotną sztywność podłużną efekt utraty jednego splotu w wancie jest bliski modelowi b (rys. 9). W takim przypadku pomiar siły w linie oparty na splocie referencyjnym może okazać się mało skuteczny w rozpoznaniu degradacji liny. W większości przypadków niemożliwe jest zarejestrowanie zjawiska utraty pierwszego splotu przez pomiar na splocie referencyjnym. 5. PODSUMOWANIE Zastosowanie następujących technik pomiarowych: pomiar siły w wancie za pomocą standardowego siłomierza instalowanego na jednym splocie, ocena napięcia przez identyfikację częstości drgań własnych wanty, analiza przemieszczeń konstrukcji przęseł i pylonu, pomiary odkształceń w wybranych przekrojach przęseł, w praktyce nie zapewniają skutecznej identyfikacji uszkodzenia lub zerwania pierwszego splotu w dowolnej wancie. Wychwycenie degradacji w olinowaniu na poziomie utraty 10% nośności jest możliwe za pomocą pomiarów sił w linach i oceny deformacji trwałych. Siły można mierzyć między innymi metodą bezpośrednią (za pomocą siłomierzy) lub pośrednią (identyfikacja częstości drgań własnych). Deformacje trwałe można monitorować wykorzystując między innymi metody geodezyjne, zestawy inklinometrów lub niwelatory hydrauliczne. Efektywność monitoringu można znacznie zwiększyć przez połączenie systemów pomiarowych z modułem eksperckim analizującym dane pomiarowe w oparciu o model teoretyczny konstrukcji.

11 LITERATURA Monitoring. Wybrane problemy związane z oceną stanu cięgien 271 [1] Siwowski T., Czernik K., Arendarczyk M.; Promost Consulting. Budowa drogi od ul. Załęskiej do ul. Lubelskiej wraz z budową mostu na rzece Wisłok. Koncepcja programowa. Załącznik nr 8. Elektroniczny monitoring pracy konstrukcji mostu. [2] Żółtowski K., Romaszkiewicz T.; Roof of PGE Arena The stadium built for Euro 2012 in Gdansk// BAUINGENIEUR-GERMANY, no. 87 (2012), p (15). [3] Żółtowski K., Drawc M.; Stadion Narodowy. Model statyczny do monitoringu konstrukcji. XXVII Konferencja Naukowo Techniczna. Szczecin-Międzyzdroje STRUCTURE HEALTH MONITORING. ASSESMENT OF MULTISTRAND CABLE STAYS IN BRIDGES Summary Paper presents results of analysis made for a conceptual design of SHM of the cable stayed bridge over Wisłok river in city of Rzeszów. Main scope of case study was a simulation of degradation of single strand in multi strand stays. Conclusions deducted on the base of this analysis are universal and useful in design of SHM for cable stayed bridges with multi strand stays.