DZIAŁALNOŚĆ KATEDRY DRÓG I MOSTÓW W BADANIACH MOSTÓW POD PRÓBNYM OBCIĄŻENIEM

Transkrypt

1 Dr inż. Piotr ŁAZIŃSKI Zespół Badań Terenowych Dróg i Mostów Politechniki Śląskiej Dr inż. Marek SALAMAK Katedra Dróg i Mostów Politechniki Śląskiej DZIAŁALNOŚĆ KATEDRY DRÓG I MOSTÓW W BADANIACH MOSTÓW POD PRÓBNYM OBCIĄŻENIEM 1. Wstęp Katedry Dróg i Mostów Politechniki Śląskiej w Gliwicach ma długą tradycję w badaniu pod próbnym obciążeniem obiektów mostowych. W latach 1997 do 2009 zespół w kooperacji z firmą CADmost Projekt z Gliwic zrealizował około 250 badań mostów pod próbnym obciążeniem. Podstawowy skład zespołu stanowią pracownicy naukowi jak dr hab. inż. Jerzy Weseli prof. PSl, dr inż. Andrzej Radziecki, dr inż. Marek Salamak, czy mgr inż. Piotr Łaziński. Wszyscy posiadają pełne uprawnienia do projektowania lub wykonawstwa. Oprócz tego stałymi współpracownikami są doświadczeni geodeci jak inż. Roman Hardyk oraz laboranci jak Czesław Bielecki. 2. Wyposażenie i doświadczenie Razem z firmą CADmost Projekt Zespół dysponuje następującym sprzętem do badań mostów pod próbnym obciążeniem: niwelatory Koni007 i 004 do niwelacji precyzyjnej (pomiar ugięć i osiadań), czujniki zegarowe Kafer i Etalon o dokładności 0,01 mm (pomiar ugięć), elektroniczne czujniki mechaniczne o dokładności 0,01 mm (pomiar ugięć z rejestracją elektroniczną), czujniki indukcyjne Peltron o dokładności 0,01 mm (pomiar ugięć z rejestracją elektroniczną), akcelerometry WOCAD o zakresie do 4 g (pomiar przyspieszeń), tensometry elektroporowe z mostkiem i okablowaniem, notebook z kartą PCMCIA National Instruments do elektronicznej rejestracji i analizy wyników zarówno statycznych jak i dynamicznych, 8-mio kanałowy kondycjoner sygnału, zestawy statywów geodezyjnych i magnetycznych do mocowania czujników. Większość badanych przez Zespół obiektów usytuowanych było w ciągu lub nad autostradami A1, A2, A4, A18 oraz drogami ekspresowymi S1, S3, S7, S69. Pozostałą część stanowiły ustroje o zróżnicowanym układzie konstrukcyjnym, znajdujące się w ciągu innych dróg krajowych i wojewódzkich oraz kilka kładek dla pieszych o ciekawej architekturze. Zespół współpracował z takimi wykonawcami jak Budimex-Dromex, Mota-Engil, Strabag, Polimex-Mostostal, PRInż Katowice, Warbud, Mosty Łódź, MSF. Wyniki i doświadczenie 1

2 zdobywane w realizowanych przez nas próbnych wykorzystywane są również w działalności naukowo-badawczej. Pracownicy mogą poszczycić się wieloma publikacjami z tego zakresu (również zagranicznymi) oraz kilkoma rozprawami doktorskimi. Działania te docenione zostały między innymi przez Związek Mostowców RP, który w 2009 roku wyróżnił członka naszego zespołu nagrodą im. Mieczysława Rybaka za wybitne osiągnięcia w dziedzinie badań i rozwoju polskiej techniki mostowej. 3. Zestawienie przebadanych obiektów mostowych Najczęściej spotykane wiadukty nad autostradami i drogami ekspresowymi w Polsce, które były poddane przez zespół badaniom odbiorczym, można podzielić w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego na sześć głównych typów: TYP 1 - żelbetowe ustroje płytowe, TYP 2 - sprężone ustroje płytowe, TYP 3 - żelbetowe belki trapezowe połączone płytą pomostową, TYP 4 - sprężone belki trapezowe połączone płytą pomostową, TYP 5 - prefabrykowane belki sprężone zespolone z żelbetową płytą pomostową, TYP 6 - stalowe dźwigary blachownicowe zespolone z żelbetową płytą pomostową, Wybór typu uwarunkowany jest wieloma czynnikami. Zależy on między innymi od parametrów ruchowych drogi, która znajduje się na obiekcie, rozpiętości i liczby przęseł, charakteru przeszkody i możliwości zabudowy przestrzeni pod obiektem, kąta skrzyżowania osi wiaduktu z przeszkodą. Procentowy rozkład występowania każdego z rozwiązań przedstawiono na przykładzie następujących odcinków dróg, na których nasz zespół przeprowadzał takie badania: autostrada A4, odcinek Kleszczów Sośnica (rok ), autostrada A2, odcinek Konin Koło (rok 2005), droga krajowa DK-18, odcinek Iłowa Golnice (rok 2006), droga ekspresowa S1, obwodnica Skoczowa (rok 2007), autostrada A4, odcinek B Wykroty Krzyżowa (rok ), autostrada A2, Węzeł Stryków II Węzeł Stryków I (rok 2008), autostrada A4, odcinek Węzeł Wielicka Węzeł Szarów (rok 2008), droga ekspresowa S3, odcinek Węzeł Klucz Węzeł Pyrzyce (rok 2009). Z przedstawionego na Rys. 1 wykresu wynika, że najliczniej występującymi w Polsce typami wiaduktów nad autostradami są obiekty, w których ustrój nośny stanowią dwie szerokie, belki trapezowe z betonu sprężonego, połączone żelbetową płytą pomostową. Na wymienionych odcinkach dróg przebadano w sumie aż dwadzieścia siedem takich konstrukcji, co stanowi 42 % wszystkich badanych wiaduktów. Kolejną część badanych konstrukcji stanowią obiekty w ciągu autostrad, dróg ekspresowych i wojewódzkich o zróżnicowanych rozwiązaniach konstrukcyjnych. Są wśród nich między innymi przęsła skrzynkowe, łukowe i podwieszone. 2

3 ] [% ł zia d U 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Procentowy rozkład występowania typów obiektów autostradowych poddanych próbnym obciążeniom 14% 15% 9% 42% Typy obiektów 5% 9% 6% Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4 Typ 5 Typ 6 Inne Rys. 1. Procentowy rozkład występowania typów wiaduktów autostradowych poddanych przez zespół próbnym obciążeniom na wybranych odcinkach dróg Rys. 2. Zdjęcia z realizacji próbnych obciążeń na wybranych obiektach Ostatnią grupę obiektów poddanych próbnym obciążeniom stanowią kładki dla pieszych. Z przebadanych kładek, każda charakteryzowała się indywidualnym rozwiązaniem ustroju nośnego. 4. Projekty próbnych obciążeń Projekty i realizację próbnych obciążeń statycznych i dynamicznych wykonujemy według jednolitych, własnych procedur badawczych, obejmujących między innymi dobór pojazdów i schematów obciążeń, ustalenie rodzaju pomiarów i umiejscowienia punktów pomiarowych oraz analizę rzeczywistej sztywności przęseł. W projektach próbnych obciążeń do analizy statycznej wykorzystywano miedzy innymi modele rusztowe, belkowo-płytowe, płytowe i powłokowe, Czy prętowo-powłokowe (w zależności od typu ustroju nośnego) odwzorowujące geometrię i sztywność dźwigarów głównych, poprzecznic oraz pasm płyt pomostowych pomiędzy poprzecznicami. Przykładowy model konstrukcji obiektu pokazano na Rys. 3. Obliczenia statyczne ustrojów nośnych wykonane są programem Autodesk Robot Structural Analysis Professional W badaniach odbiorczych na etapie projektów próbnych obciążeń mamy do czynienia z modelem obliczeniowym, w którym dwie składowe (model geometrii i model obciążenia) są znane w stopniu eliminującym znaczne rozbieżności w trakcie badania, a model materiału, w przypadku konstrukcji betonowych jest zmienny i zależy od czasu oraz rodzaju zastosowanego kruszywa. Dodatkowo każde takie opracowanie jeszcze przed badaniem podlega zatwierdzeniu przez projektanta. Dlatego w projekcie próbnego obciążenia przyjmujemy Model Obciążenia Próbnego Wstępny (MOPW) o normowych cechach betonu, 3

4 dzięki czemu następuje weryfikacja wyników modelu obliczeniowego przyjętego przez projektanta oraz zespół badawczy. Takie podejście umożliwia uchwycenie ewentualnych błędów obliczeniowych. Rys. 3 Wizualizacja przykładowego modelu obliczeniowego badanego obiektu Dopiero w sprawozdaniu z próbnego obciążenia uzyskiwane w konstrukcjach betonowych rozbieżności relacji ugięć pomierzonych i teoretycznych weryfikujemy na Modelu Obciążenia Próbnego Zweryfikowanego (MOPZ). W modelu tym uwzględnia się rzeczywiste wartości cech betonu, uzyskane na podstawie laboratoryjnych badań wytrzymałościowych, po 28 dniach dojrzewania. Schemat adekwatnej procedury modelowania obiektów rzeczywistych w badaniach pod próbnym obciążeniem obiektów mostowych przedstawiono na Rys. 4. Rys. 4 Schemat procedury modelowania obiektów rzeczywistych w badaniach pod próbnym obciążeniem obiektów mostowych 4

5 5. Przepisy regulujące badania mostów pod próbnym obciążeniem Obecnie w Polsce obowiązują trzy normy odbiorcze [1][2][3], omawiające wymagania dotyczące elementów i konstrukcji mostowych. Podają one tolerancje i metody badań kontrolnych oraz odbiorczych w zależności od rodzaju zastosowanego materiału konstrukcyjnego. W październiku 2008 roku GDDKiA wprowadziła zarządzenie [4] wraz z zaleceniami dotyczącymi wykonywania badań mostów pod próbnym obciążeniem, które mają zastosowanie do drogowych obiektów mostowych znajdujących się na drogach krajowych. Dokument ten jest uzupełnieniem norm odbiorczych i pewnym uszczegółowieniem procedur przeprowadzania próbnych obciążeń. Określono w nim między innymi kryteria, jakie musi spełniać jednostka badawcza, porządkujące w pewien sposób rynek wykonawców badań. Zgodnie z intencją autorów ma to być jednostka naukowo-badawcza w rozumieniu Ustawy 2390 [5], posiadająca nadaną przez Ministra Nauki kategorię jednostki naukowej nie niższą niż 2, i która w sposób ciągły prowadzi badania lub prace rozwojowe w dziedzinie konstrukcji mostowych. Oprócz tego, mając na względzie chęć zapewnienia wysokiej metrologicznej jakości wykonywanych badań, narzucono obowiązek posiadania przez tę jednostkę, systemu jakości zgodnego z normą PN-EN ISO/IEC [6], który powinien być akredytowany przez Polskie Centrum Akredytacji. Ustanowiono przy tym trzyletni okres przejściowy, w którym nie ma jeszcze obowiązku posiadania akredytacji. W chwili wprowadzania tego zarządzenia, jedyną jednostką w pełni spełniającą te wymagania był tylko Instytut Badawczy Dróg i Mostów. Praktyka pokazała, że dokument nie jest zbyt rygorystycznie przestrzegany. Zarówno jeśli chodzi o posiadanie systemu jakości, ale przede wszystkim w odniesieniu do statusu jednostki naukowo-badawczej. W lutym 2009 roku w Katedrze Dróg i Mostów powołany został specjalny Zespół Badań Terenowych, którego zadaniem jest głównie realizacja próbnych obciążeń mostów. Składa się on z tych samych doświadczonych pracowników, którzy od wielu lat zaangażowani są w badania odbiorcze mostów. W maju ukończony został proces wdrożenia systemu jakości zgodnego z normą PN-EN ISO/IEC [6], a w najbliższym czasie będzie on akredytowany przez jednostkę akredytującą upoważnioną na terenie Polski do akredytacji laboratoriów badawczych (PCA). Tym samym Zespół spełnia wymagania Zarządzenia [4]. 6. Próbne obciążenia statyczne W typowych, dwuprzęsłowych ustrojach nośnych wykonujemy zwykle trzy rodzaje schematów obciążenia statycznego (Rys. 5): podstawowy schemat przęsłowy (S), dobierany z warunku maksymalnego, dopuszczalnego wytężenia przęsła, dodatkowy schemat podporowy (P), dobierany z warunku największego momentu podporowego przy odpowiednio dużej reakcji nad filarami, dodatkowy schemat niesymetryczny (N), dobierany do oceny współpracy poprzecznej ustrojów belkowych lub w celu określenia sztywności skrętnej przęseł płytowych oraz skrzynkowych. 5

6 Rys. 5 Typowe schematy obciążeń statycznych ustroju dwuprzęsłowego Podczas realizacji wszystkich schematów próbnego obciążenia statycznego prowadzony jest pomiar ugięć przęseł, osiadań podpór oraz zgniotów i przesuwów na łożyskach. W zależności od potrzeb, ugięcia mierzymy mechanicznymi czujnikami zegarowymi, elektronicznymi czujnikami zegarowymi oraz czujnikami indukcyjnymi, z dokładnością 0,01mm, a osiadania za pomocą niwelacji precyzyjnej z dokładnością 0,2 mm. Dodatkowo w trakcie pomiarów rejestrujemy temperaturę powietrza i konstrukcji. Rys. 6 Urządzenia pomiarowe wykorzystywane w badaniach 7. Próbne obciążenia dynamiczne Dynamika mostów od wielu lat była ważną dziedziną badań rozwijaną w Katedrze. Jedne z pierwszych publikacji na temat dynamiki mostów powstawały właśnie na Politechnice Śląskiej. Próby opisu zjawiska drgań w mostach przeprowadzali Głomb [8], potem Mentel [17], Głomb, Jendrzejek i Weseli [9][10][11][12] oraz Weseli [24][25]. Prace te powstawały w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych. Później były kontynuowane w latach osiemdziesiątych przez Radzieckiego [20][21][26][27]. Ważną rolę odegrała pierwsza konferencja mostowców poświęcona dynamice mostów, a zorganizowana przez Politechnikę Śląską w 1967 r [17]. 6

7 Ck7 KP15 KU Przęsło [m] Sztywność EI [MN m 2 ] Sztywność globalna [MN/m] Rys. 7 Zobrazowanie parametrów sztywności w wybranych kładkach Nowy etap badań w zakresie dynamiki zapoczątkowany został 10 lat temu przez Salamaka [18][22][23][28][29] i Pradeloka [7][19]. Zbudowany został wówczas, we współpracy z dr Zbigniewem Opilskim, własny system pomiarowy wykorzystywany w próbnych obciążeniach dynamicznych. Składa się on z następujących, najważniejszych elementów: komputera przenośnego, 16 bitowej karty pomiarowej typu PCMCIA z kondycjonerem oraz zestawu czujników przemieszczeń, akcelerometrów i tensometrów elektrooporowych. Pozwala on na rejestrację wyników z częstotliwością 100 Hz jednocześnie na 16 kanałach. Wyposażony jest w autorskie oprogramowanie do analizy wyników utworzone w środowisku graficznym LABView. Oprócz standardowych dynamicznych badań odbiorczych na mostach drogowych i kolejowych zrealizowano kilka nietypowych prób na kładkach dla pieszych [23]. Jako jedni z pierwszych w Polsce sygnalizowaliśmy problemy z oddziaływaniem dynamicznym pieszych na te podatne konstrukcje [29]. Wyniki tych badań wykorzystane zostały w pracach naukowych nad zjawiskiem tłumienia drgań [22]. Kładki w Chorzowie, Rudzie Śląskiej, Kochłowicach badane były samodzielnie, natomiast w Kielcach i Katowicach na Uniwersyteckiej i Murckowskiej wspólnie z firmą Aspekt z Jaworzna. Rys. 8 Zdjęcia z realizacji próbnych obciążeń dynamicznych na wybranych obiektach Z firmą Aspekt w grudniu 2009 roku, zrealizowano również pierwsze w Polsce dynamiczne badania obiektów kolejowych na trasie Centralnej Magistrali Kolejowej z prędkością 200 km/h. Użyto do tego celu zestaw składający się z dwóch lokomotyw 7

8 Eurosprinter ES64U4 (jedna na początku składu, a druga na końcu składu) oraz z dziewięciu wagonów 152A i 154A. 8. Podsumowanie Współpracujący z firmą CADmost Projekt Zespół Badań Terenowych w ramach Katedry Dróg i Mostów Politechniki Śląskiej posiada ogromne doświadczenie w zakresie badań mostów pod próbnym obciążeniem zarówno statycznym jak i dynamicznym. Jest ono poparte szeregiem prac naukowo-badawczych i publikacji z tej dziedziny. Wdrożenie systemu zapewnienia jakości zgodnego z normą PN-EN ISO/IEC pozwala nie tylko spełnić wymagania dotyczące jednostek naukowo-badawczych realizujących próbne obciążenia mostów, ale również zdobyć doświadczenie w identyfikacji różnych, złożonych modeli ustrojów nośnych obiektów mostowych oraz poprawić konkurencyjność Zespołu na rynku badań mostów. Literatura [1] PN-89/S Obiekty mostowe. Konstrukcje stalowe. Wymagania i badania [2] PN-99/S Obiekty mostowe. Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Wymagania i badania [3] PN-92/S Obiekty mostowe. Konstrukcje drewniane. Wymagania i badania [4] Zarządzenie nr 35 GDDKiA z dnia 12 sierpnia 2008 roku w sprawie zaleceń dotyczących wykonywania badań pod próbnym obciążeniem drogowych obiektów mostowych [5] Ustawa 2309 z dnia O zasadach finansowania nauki [6] PN-EN ISO/IEC Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących. [7] Bętkowski P., Pradelok S., Naprawa i próbne obciążenie kratowego mostu kolejowego, Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie budowlane, Szczecin-Międzyzdroje, 2007 [8] Głomb J., Niektóre problemy dynamiki mostów drogowych, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Budownictwo z. 6, Gliwice 1962 [9] Głomb J., Jendrzejek S., Weseli J., Z zagadnień dynamicznego obliczania mostów drogowych mniejszych rozpiętości, AIL, t. 13 (1967), z. 3, s [10] Głomb J., Weseli J., Wpływ impulsowego działania obciążenia na ugięcia dynamiczne małych mostów drogowych, Rozprawy Inżynierskie 3, 13 (1965) [11] Głomb J., Weseli J., Wpływ efektów dynamicznych w mostach metalowych na stany graniczne nośności, Archiwum Inżynierii Lądowej - Tom XXXII z. 1/1986 [12] Jendrzejek S., Weseli J., Zagadnienia analizy dynamicznej belkowych i płytowych mostów drogowych, KLiW PAN, Studia z zakresu inżynierii, Nr 13, Warszawa,

9 [13] Łaziński P., Rzeczywista sztywność konstrukcji przęsła w próbnych obciążeniach, Wrocławskie Dni Mostowe, Technologiczne aspekty w projektowaniu i budowie mostów betonowych, s , Wrocław listopad 2006 [14] Łaziński P., Współpraca płyty chodnikowej z betonowym ustrojem nośnym, V Ogólnopolska Konferencja Mostowców, Konstrukcja i wyposażenie mostów, s , Wisła listopad 2008 [15] Łaziński P., Radziecki A., Salamak M., Wpływ dodatkowych elementów na sztywność konstrukcji przęsła, IV Ogólnopolska Konferencja Mostowców, Konstrukcja i wyposażenie mostów, s , Wisła październik 2005 [16] Łaziński P., Weseli J., Wyznaczenie rzeczywistych czasowych rozkładów cech betonu dla modelowania i planowania badań odbiorczych mostów autostradowych, Projekt badawczy promotorski N [17] Mentel St., Wpływ konstrukcyjnych składników tłumienia na drgania belek mostowych., Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej. Budownictwo z. 20, Gliwice 1967 [18] Opilski Zb., Salamak M., Static and dynamic displacement of bridges measure using digital camcorder, Monography Reprocity Resume, The Silesian University of Technology, Gliwice 2008 [19] Pradelok S., Dynamic tests of certain type lattice girder railway bridge nodes, International Conference EVACES'09 Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław, 2009 [20] Radziecki A., Analiza ustroju mostowego poddanego działaniu złożonych układów skupionych sił ruchomych, Arch. Inż. Ląd., 29, 1-2, 1983 [21] Radziecki A., Metoda rozwiązywania równań ruchu przy inercyjnych obciążeniach, Mechanika Teoretyczna i Stosowana, 23, 1, 1985 [22] Salamak M., Vibration damping identification maximizing adjustment to viscous model in civil structures, Archives of Civil Engineering, LIII, 3, 2007 [23] Salamak M., Łaziński P., Experimental identification of the dynamic properties of three different footbridge structures, Third International Conference footbridge 2008, Footbridges for Urban Renewal 2-4 July, Porto [24] Weseli J., Wyznaczanie nacisku osi samochodu wjeżdżającego na most przez nierówność progową, AIL t. 14 (1968), z. 2, s [25] Weseli J., Wpływ tarcia w łożyskach na swobodne drgania małych mostów, AIL, t. 19, (1973), z. 3, s [26] Weseli J., Radziecki A., Dynamika w metodzie elementów skończonych. Programy do obliczania konstrukcji inżynierskich. Część III, Gliwice, 1985 [27] Weseli J., Radziecki A., Modelowanie losowego procesu obciążenia dowolnego mostu, Referaty II Konferencji Bezpieczeństwo budowli mostowych, Wrocław, 1982 [28] Weseli J., Radziecki A., Salamak M., Badania dynamiczne nowego mostu przez Sołę w Żywcu z wykorzystaniem komputerowej rejestracji wyników, Inżynieria i Budownictwo 9/2000 9

10 [29] Weseli J., Radziecki A., Salamak M., Silarski A., Badania i ocena cech dynamicznych podwieszonej kładki dla pieszych położonej w sąsiedztwie stadionu sportowego, Inżynieria i Budownictwo 3-4/2002 Streszczenie DZIAŁALNOŚĆ KATEDRY DRÓG I MOSTÓW W BADANIACH MOSTÓW POD PRÓBNYM OBCIĄŻENIEM Artykuł opisuje doświadczenia pracowników Katedry Dróg i Mostów Politechniki Śląskiej w zakresie wykonywania badań mostów pod próbnym obciążeniem statycznym i dynamicznym. ROADS AND BRIDGES DEPARTMENT ACTIVITIES IN THE RANGE OF BRIDGE LOAD TESTS The paper describes the experience of researchers from Roads and Bridges Department of Silesian University of Technology in the range of static and dynamic bridge load tests. 10