Kompozyty polimerowe w mostownictwie - pomosty wielowarstwowe

Transkrypt

1 Kompozyty polimerowe w mostownictwie - pomosty wielowarstwowe Dużym problemem konstrukcji mostowych jest ich trwałość. Elementem konstrukcyjnym zazwyczaj ulegającym zniszczeniu w pierwszej kolejności jest płyta pomostu. Jej korozja powoduje degradację kolejnych elementów konstrukcji i w efekcie obniżenie nośności obiektu. Ponadto wraz z rozwojem transportu wzrastają wymagania dotyczące nośności obiektów mostowych, w związku z tym nawet konstrukcje będące w dobrym stanie wymagają modernizacji. Koszty takich remontów są zwykle bardzo duże, co jest następstwem długiego wyłączenia obiektu z eksploatacji. Z odsieczą w takich sytuacjach przychodzą nowe technologie i materiały wśród nich właśnie kompozyty polimerowe. Popularne jest obecnie stosowanie taśm i mat z włókien węglowych przy wzmacnianiu elementów konstrukcji żelbetowych dźwigarów oraz płyt. Jednak istnieją granice podnoszenia nośności w taki sposób. Co zrobić, jeżeli nowa nośność jest i tak poniżej wymagań? Może spróbować zmniejszyć ciężar konstrukcji, wymieniając pomost konwencjonalny (zazwyczaj żelbetowy) na lżejszy kompozytowy? Zaoszczędzone tak obciążenie stałe przeznaczyć na zwiększenie obciążenia ruchomego? Pomysł nie jest zły, ale, co to jest pomost kompozytowy? W niniejszym referacie omówiono właśnie materiał, z którego jest on wykonany kompozyt polimerowy, sposoby produkcji elementów z niego wykonanych, a także i same pomosty kompozytowe wraz z kilkoma przykładami ich zastosowań. W ciągu ostatnich lat przed mostowcami otworzyły się nowe możliwości. Dzięki lekkim, a przy tym bardziej wytrzymałym i trwalszym materiałom mogą oni zbliżyć się do granic nieosiągalnych dla materiałów tradycyjnych. Materiały te kompozyty polimerowe (FRP z ang. Fiber Reinforced Polymers) do tej pory stosowane były z powodzeniem w lotnictwie, przemyśle kosmicznym, przy produkcji samochodów, statków, łodzi, wielu rodzajów maszyn i urządzeń. Pierwsze konstrukcje budowlane pojawiły się na przełomie lat 60 i 70, natomiast pierwszy na świecie obiekt mostowy z kompozytów polimerowych wybudowano w Chinach w miejscowości Miyun w roku Od tego czasu liczba obiektów mostowych powstałych z zastosowaniem FRP stale rośnie. W przypadku wzmacniania konstrukcji stalowych, betonowych czy drewnianych taśmami lub matami ich liczba zapewne już przekroczyła tysiąc. Kilkaset pozycji liczy również lista kładek kompozytowych (z tego większość to konstrukcje kratowe w parkach narodowych w USA). Liczba obiektów drogowych całkowicie kompozytowych lub hybrydowych, tzn. stalowo-kompozytowych czy betonowo-kompozytowych - nie osiągnęła jeszcze stu. Kompozyty polimerowe w przeciwieństwie do materiałów tradycyjnych odznaczają się małym ciężarem własnym, dużą wytrzymałością i odpornością korozyjną (zwłaszcza na sól). Obawy przed zastosowaniem FRP wiążą się przede wszystkim z brakiem doświadczeń w kwestii trwałości tego materiału i wyższym od materiałów tradycyjnych kosztem jego produkcji. Zaletą jest szybszy i łatwiejszy montaż konstrukcji oraz niższe koszty utrzymania obiektów wykonanych z zastosowaniem kompozytu. Poniżej przedstawiono pokrótce rodzaje materiałów stosowanych do produkcji elementów konstrukcyjnych z kompozytów polimerowych. Opisano ich właściwości pod kątem zastosowań w mostownictwie. Zaprezentowano najważniejsze procesy produkcji. W referacie skupiono się na pomostach kompozytowych, omówiono ich wybrane wady oraz zalety, które poparto kilkoma przykładami z pokazaniem ich zastosowania. Co to są kompozyty polimerowe? Kompozyty są to materiały utworzone z co najmniej dwóch składników o różnych właściwościach w taki sposób, że uzyskują nowe właściwości w porównaniu z właściwościami materiałów składowych. Są one zewnętrznie monolityczne, jednakże z makroskopowo widocznymi granicami między składnikami. Omawiane kompozyty polimerowe składają się ze zbrojenia, tzn. włókien oraz spoiwa (w fazie płynnej nazywanego syciwem), w skład którego wchodzi żywica, utwardzacz oraz wypełniacze i inne dodatki. W mostownictwie stosuje się trzy typy kompozytów polimerowych: zbrojone włóknami węglowymi (CFRP z ang. Carbon Fiber Reinforced Polymers), zbrojone włóknami szklanymi (GFRP z ang. Glass Fiber Reinforced Polymers), zbrojone włóknami aramidowymi (AFRP z ang. Aramid Fiber Reinforced Polymers). Włókna stanowią jeden z dwóch podstawowych elementów składowych kompozytów polimerowych. Od ich rodzaju, ilości oraz orientacji zależą w głównej mierze mechaniczne właściwości tego materiału, takie jak wytrzymałość na rozciąganie, na zginanie, sztywność itp. O wyborze włókna decyduje nie tylko jego wytrzymałość, ale i inne czynniki, na które wpływ ma sposób produkcji oraz warunki pracy kompozytu. Włókna z reguły zajmują 30-70% objętości kompozytu. Kompozyty wykonane z zastosowaniem włókna szklanego są najtańsze, zaś węglowego najdroższe. Podczas gdy włókna spełniają właściwą funkcję niosącą, 42 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09)

2 Rys. 1. Porównanie wartości wytrzymałości na rozciąganie oraz wartości modułów Younga dla różnych materiałów. spoiwo drugi z podstawowych składników ma za zadanie utrzymać włókna w projektowanym położeniu geometrycznym, przenosić na nie obciążenia, zapewniać odporność na środowisko, w którym dany element będzie się znajdował, oraz decydować o właściwościach chemicznych i o palności kompozytu. Umieszczenie włókien w spoiwie nawet w przypadku ich częściowego uszkodzenia zapewnia szybkie, ponowne włączenie ich do współpracy i osiągnięcie pełnej wytrzymałości już w niewielkiej odległości od miejsca defektu. Głównym składnikiem spoiwa jest żywica. Najszerzej stosowana jest żywica poliestrowa. Swą popularność zawdzięcza doskonałym własnościom przetwórczym, możliwości stosowania praktycznie we wszystkich technikach wytwarzania kompozytów, niskiej cenie i niezłym własnościom użytkowym. Wadą żywicy poliestrowej jest jej stosunkowo duży skurcz w czasie dotwardzania (hartowania). Żywica epoksydowa jest droższa (kilkakrotnie) i nieco trudniejsza w przetwórstwie od poliestrowej, ale pozwala na wytwarzanie półproduktów (tzw. preimpregnatów), które dopiero przy obróbce końcowej są utwardzane całościowo i dotwardzane. Przy tym wyróżnia się bardzo małym skurczem. Żywica winyloestrowa dzięki swej budowie chemicznej łączy niektóre cechy żywicy poliestrowej i epoksydowej. Ma podobne cechy przetwórcze i jest utwardzana podobnie jak żywica poliestrowa, a równocześnie posiada niektóre korzystne właściwości żywicy epoksydowej. W szczególności wyróżnia ją dobra odporność chemiczna i termiczna oraz stabilność wymiarowa. Żywica fenolowa jest najdłużej stosowana w produkcji kompozytów. Charakteryzuje ją duża odporność na wysokie temperatury. Jest ona praktycznie niepalna i w wypadku pożaru wydziela bardzo niewielkie ilości szkodliwych substancji. Właściwości kompozytów polimerowych Poniżej omówiono pod kątem przydatności w budowie mostów najistotniejsze właściwości kompozytów polimerowych i elementów z nich wytwarzanych. a) Wytrzymałość na rozciąganie oraz sztywność Jak wynika z zestawienia (rys. 1), elementy wykonane z kompozytu polimerowego zbrojonego jednokierunkowo włóknami węglowymi (CFRP ortotropowy) mają zdecydowanie wyższą wytrzymałość na rozciąganie niż inne materiały. W związku z powyższym ten rodzaj kompozytów przeznaczony jest przede wszystkim na elementy, które pracują na rozciąganie olinowanie mostów podwieszonych, kable sprężające lub też zewnętrzne taśmy wzmacniające, umieszczone w strefie rozciąganej wzmacnianych przekrojów. Wartość modułu Younga CFRP ortotropowego jest porównywalna z wartością modułu Younga stali. Przy uwzględnieniu ciężaru jednostkowego kompozytu, czterokrotnie mniejszego niż dla stali (odpowiednio 18,0 i 78,5 kn/m 3 ), elementy z kompozytu polimerowego zbrojonego włóknem węglowym mają bardzo dużą sztywność przy małym ciężarze własnym, co jest ich dużą zaletą. Nieco gorsze parametry ma GFRP. O ile jego wytrzymałość na rozciąganie jest większa od stali, chociaż nie jest to regułą, o tyle sztywność nie jest zadowalająca. Jest on jednak materiałem znacznie częściej wykorzystywanym ze względu na fakt, że w przeciwieństwie do CFRP ma znacznie mniejszą kruchość (może przenosić ścinanie) i znacznie niższą cenę. Rys. 2. Schemat procesu pultruzji. GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09) 43

3 b) Anizotropowość Zakłada się, że najczęściej stosowane materiały konstrukcyjne, jak stal i beton, są izotropowe. Cecha ta nie pozwala na wykorzystanie w pełni ich właściwości. FRP mają tę zaletę, że można ich wytrzymałość dopasować do kierunku bardziej wytężonej pracy konstrukcji i tym samym optymalnie wykorzystać zastosowany materiał. Anizotropia wpływa jednak niekorzystnie na możliwości łączenia elementów wykonanych z FRP i w tym wypadku jest ich wadą. c) Wytrzymałość zmęczeniowa Z powodu natury obciążeń dla konstrukcji mostowych wymagana jest duża odporność zmęczeniowa. Kompozyty polimerowe zbrojone włóknami mają wyższą wytrzymałość zmęczeniową w porównaniu do materiałów tradycyjnych. d) Trwałość Pomimo wiedzy o wpływie wilgoci, zmian temperatury oraz promieniowania UV na właściwości żywic, w dalszym ciągu nie można ocenić trwałości w długim okresie. Nawet gdy uwzględni się okres obecności FRP w przemyśle kosmicznym, całkowity czas istnienia tego materiału w konstrukcjach wynosi około 50 lat. Dodatkowym faktem jest to, iż wiele z procesów produkcji oraz żywic polimerowych używanych jest dopiero od niedawna a więc nie ma prawie żadnych doświadczeń pozwalających określić trwałość kompozytów polimerowych. e) Odporność korozyjna Korozja jest podstawowym czynnikiem wpływającym na trwałość konstrukcji mostowej. Kompozyty polimerowe nie ulegają korozji. f) Nieprzewodność elektryczna Wiele obiektów, po których poruszają się ludzie, znajduje się w obszarze podwyższonego zagrożenia porażeniem prądem (np. kładki dla pieszych nad trakcją kolejową). Zastosowanie w takich wypadkach FRP znacznie zmniejsza ryzyko wypadku, ponieważ materiał ten nie przewodzi prądu. g) Dobra praca w bardzo niskich temperaturach. W przeciwieństwie do stali oraz betonu kompozyty wykazują wysoką odporność na niskie temperatury zauważono nawet wzrost wartości cech wytrzymałościowych w niskich temperaturach. h) Palność Obecnie stosuje się dodatki, które hamują rozwój płomieni i powodują samogaszenie, ograniczając jednocześnie wydzielanie się szkodliwych substancji przy spalaniu. W porównaniu ze stalą spadek wytrzymałości rozpoczyna się o wiele wcześniej, przykładowo w kompozycie ze spoiwem poliestrowym już przy 80 o C. Jednak z powodu niedużej przewodności cieplnej tego materiału rozgrzanie następuje około 200 razy wolniej. W przypadku, gdy konstrukcja znajduje się w warunkach zagrożenia pożarem, można poprawić jej odporność pożarową przez zastąpienie spoiwa np. polimerowego spoiwem opartym na żywicach fenolowych. i) Wpływ na środowisko naturalne Stosowane obecnie polimery powstają jako produkt uboczny przeróbki ropy naftowej. Zastosowanie kompozytów do budowy konstrukcji nośnych powoduje zmagazynowanie energii tkwiącej w materiałach wyjściowych. Dzięki nowoczesnym metodom recyclingu duża jej część jest odzyskiwana w trakcie przetwarzana polimerów. Zastosowanie włókien szklanych z ekologicznego punktu widzenia nie budzi zastrzeżeń. Włókna szklane produkowane głównie z mączki kwarcowej są przyjazne dla środowiska i ogólnie wygrywają w porównaniu z włóknami węglowymi Rys.3. Metoda formowania ręcznego z przesycaniem próżniowym na przykładzie produkcji pomostu Hardcore. a) układanie kolejnych warstw tkaniny z włókien szklanych, stanowiących zbrojenie dolnej płyty pomostu b) układanie zbrojenia środnika elementem dystansującym są kostki piankowe, wokół których układa się zbrojenie c) widok pomostu przed ułożeniem tkaniny z włókien szklanych stanowiącej zbrojenia górnej płyty pomostu d) Przesycanie próżniowe zbrojenia pomostu syciwem pod szczelnym przykryciem foliowym, e) Układanie nawierzchni na gotowym pomoście. 44 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09)

4 System Grubość pomostu Konieczność zespolenia z dźwigarami pomost-pomost dźwigar Połączenie Połączenie pomost- Metoda wytwarzania Hardcore różna nie klejone nieopracowane ręczna Kansas różna nie klejone zaciski ręczna Superdeck 203 mm tak klejone klej/sworznie pultruzja DuraSpan 190 mm tak klejone + mechaniczne sworznie pultruzja Virginia Tech 171 mm tak klejone + mechaniczne sworznie pultruzja EZ-Span 216 mm tak klejone nieopracowane pultruzja ACCS nie klejone + mechaniczne nieopracowane pultruzja ASSET 225 mm tak klejone klej pultruzja F mm tak klejone nieopracowane nawijanie, pultruzja Tab. 1. Porównanie systemów pomostów kompozytowych. i aramidowymi. Pod względem zapotrzebowania na energię wyprodukowanie profilu kompozytowego z włókien szklanych ze spoiwem polimerowym metodą pultruzji wynosi 1/4 energii potrzebnej na wyprodukowanie profilu stalowego i 1/6 aluminiowego. j) Estetyka Procesy produkcji FRP zapewniają najczęściej wysoką dokładność wykonania elementów, umożliwiają wprowadzenie pigmentów (chociaż istnieje również możliwość malowania powierzchni) oraz uzyskania faktury na powierzchni zewnętrznej. k) Mały ciężar jednostkowy Odciążenie konstrukcji skutkuje możliwością stosowania fundamentów o mniejszych wymiarach. Dodatkową zaletą jest również zmniejszenie kosztów załadunku, transportu oraz montażu, związane z uniknięciem konieczności stosowania ciężkiego sprzętu. l) Szybki i łatwy montaż przy zastosowaniu minimalnej ilości sprzętu ciężkiego Jest to cecha ściśle związana z małym ciężarem jednostkowym tego materiału i możliwością montażu poza placem budowy, na który konstrukcja zostaje przywieziona w ostatnim momencie i w przypadku małych obiektów w całości, więc może być od razu ustawiana na podporach. m) Stabilność wymiarowa Uzyskanie dużej dokładności wymiarów elementów wykonywanych na placu budowy (jak np. elementów żelbetowych) często sprawia problemy wykonawcom. Proces pultruzji oraz prefabrykacja w zakładzie montażowym zapewnia dokładność wymiarów oraz pełną powtarzalność form. n) Koszt całkowity Należy zwrócić uwagę na to, że pomimo wciąż wysokiej ceny materiału w porównaniu do materiałów tradycyjnych, ostatnio znacząco się ona zmniejszyła (np. cena CFRP spadła w ciągu ostatnich 10 lat o 50%). Oszacowując koszty wieloletniego utrzymania obiektów, elementy z polimerów zbrojonych włóknami stają się coraz bardziej konkurencyjne. Produkcja kompozytów polimerowych Warunkiem uzyskania zamierzonych właściwości kompozytu polimerowego jest odpowiednie powiązanie ze sobą, za pomocą spoiwa, zbrojenia w procesie produkcji. Im większy jest stosunek objętościowy zbrojenia w kompozycie, tym lepiej. Jest to jedno z podstawowych kryteriów przy ocenie przydatności technologii wytwarzania kompozytów polimerowych, których jest bardzo dużo od technologii całkowicie zależnych od czynnika ludzkiego (ręcznych) aż do prawie zupełnie niezależnych (zautomatyzowanych). Wyróżnia się metody: formowania ręcznego, formowania ręcznego z przesycaniem próżniowym wtryskową, wyciskania na mokro, wyciskania na sucho (preimpregnaty), formowania w autoklawie (preimpregnaty), nawijania, pultruzji. Z punktu widzenia zastosowań w mostownictwie w zasadzie ta ostatnia zasługuje na największą uwagę. Automatyzacja procesu pultruzji, przy zachowaniu odpowiedniej jakości kontroli, gwarantuje mniejszy rozrzut właściwości (z powodu mniejszego wpływu czynnika ludzkiego) oraz możliwość szybkiej produkcji dużej liczby powtarzalnych elementów. W pewnym stopniu takie efekty daje też technologia nawijania (druga metoda pod względem zautomatyzowania), ale z uwagi na uzyskiwanie niższych parametrów określających różne właściwości materiałowe, w praktyce jest stosowana bardzo rzadko w przypadku produkcji elementów konstrukcyjnych. Pultruzja (rys. 2) przeznaczona jest do produkcji profili o stałym przekroju poprzecznym. Zbrojenie, a w dalszym etapie gotowe elementy, przeciąga się przez kolejne urządzenia. To właśnie przeciąganie decyduje o ich belkowym, prostoliniowym charakterze (nie można w ten sposób uzyskać elementów zakrzywionych w planie). Ręczne technologie, choć czasami pozwalają uzyskać lepsze charakterystyki materiałowe w pojedynczych elementach czy nawet całych konstrukcjach, niestety nie sprzyjają szybkiej produkcji masowej. I chociaż wytwarza się za jej pomocą niektóre pomosty, powoli się od tego odchodzi. Rachunek ekonomiczny prowadzi do wniosku, że w przypadku produkcji dużych partii materiału nie są one konkurencyjne w porównaniu z procesami o charakterze przemysłowym. Niemniej warto prześledzić jedną z nich (rys. 3), za pomocą której wykonano jeden z pomostów przedstawionej w dalszej części referatu. Jest to metoda formowania ręcznego z przesycaniem próżniowym (z ang. VARTM Vacuum Assisted Resin Transfer Holding). Warto jeszcze raz podkreślić, że w przeciwieństwie do wspomnianej wcześniej pultruzji metoda ta z powodu czasochłonności nadaje się raczej do produkcji małych partii materiału. Zaletą jej jest, że w takim przypadku nie wymaga wielkich nakładów finansowych największy koszt produkcji stanowi materiał. Oprzyrządowanie zaś jest tanie i stosunkowo proste. Składa się z formy wykonanej ze sklejki, przykrycia foliowego oraz pompy próżniowej. GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09) 45

5 Wielowarstwowe pomosty z kompozytów polimerowych - sandwicze Z kompozytów polimerowych wykonuje się szereg elementów konstrukcyjnych stosowanych w mostach. Począwszy od profili mostowych, poprzez systemy cięgien sprężających oraz lin podwieszających, przez taśmy i maty do wzmacniana konstrukcji, aż po pomosty wykorzystywane przy modernizacji starych mostów oraz budowie nowych obiektów. Można wyróżnić pomosty piesze kratowe i ortotropowe, oraz pomosty drogowe wielowarstwowe. Skupmy się na tych ostatnich. Pomosty wielowarstwowe, nazywane popularnie sandwiczami, to konstrukcje płytowe z masą skoncentrowaną w warstwach wierzchnich (odpowiednikach górnej i dolnej półki w dwuteowniku) i rdzeniem o małej gęstości (odpowiednikiem środnika). Odznaczają się one dużym stosunkiem sztywności do masy i znaczną wytrzymałością na zginanie oraz nacisk. Rys.4. Różne systemy pomostów kompozytowych (pod zdjęciem: nazwa oraz, w nawiasie, producent i kraj pochodzenia pomostu). Hardcore (Hardcore Composites, USA) Kansas (Kansas Structural Composites, Inc., USA) Superdeck (Creative Pultrusion, Inc., USA) Mają one niewielki ciężar (ok. 20% ciężaru porównywalnej płyty betonowej), dużą wytrzymałość zmęczeniową oraz odporność na korozję, a także możliwość łatwego i szybkiego montażu bez potrzeby długotrwałego zamykania ruchu. Liczne systemy takich pomostów opracowano w USA i Kanadzie. Ostatnio powstał także system europejski ASSET, a w fazie badań są systemy azjatyckie: koreańskie, japońskie oraz chińskie. Wszystkie pomosty wytwarzane są z włókien szklanych i żywicy poliestrowej lub winyloestrowej. Większość z nich powstaje w procesie pultruzji, lecz spotyka się także elementy wytworzone DuraSpan (Martin Marietta Composites, USA) ACCS (Maunsell Structural Plastics, Wielka Brytania w procesie formowania ręcznego. Grubości sandwiczy są zazwyczaj stałe dla danego sytemu i wynoszą około mm. Jako nawierzchnie stosuje się najczęściej beton polimerowy o grubości mm, który jest nanoszony jeszcze przed montażem płyt pomostowych do dźwigarów. Porównanie wybranych systemów pomostów i ich konstrukcję przedstawiono w tab. 1 oraz na rys.4. Realizacja połączeń w pomostach sandwiczowych Wzajemne połączenia pomostów są realizowane za pomocą połączeń klejonych, uzupełnianych niekiedy połączeniami mechanicznymi. Schemat kilku rozwiązań takich połączeń przedstawia rys. 5, a sposób wykonywania przykładowego połączenia klejonego rys. 6. Virginia Tech (Strongwell, USA) ASSET (Fiberline A/S, Dania) EZ-Span (Creative Pultrusion, Inc., USA) F10 (Wardrop Engineering, Inc. Kanada) Równie istotnym problemem są sposoby łączenia pomostów z dźwigarami. Mogą one być realizowane jako połączenia klejone lub mechaniczne, z których te ostatnie są spotykane znacznie częściej. Jedne z nich pozwalają na współpracę płyty z dźwigarami zarówno przy rozciąganiu, jak i ściskaniu (pełne zespolenie), inne służą zaś jedynie jako umocowanie płyty, która w tym przypadku pracuje jedynie w kierunku poprzecznym. Przykładowe rozwiązanie dla pomostu DuraSpan oraz dźwigarów betonowego i stalowego zostało przedstawione na rys. 7. Dla systemu DuraSpan opracowano również cztery różne technologie montażu barier ochronnych (rys. 8). Ostatni 46 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09)

6 czwarty sposób wydaje się najlepszy. Gdyby zaistniała taka możliwość w Polsce, to pewnie właśnie on zostałby wybrany do realizacji. Na rys. 9 przedstawiono sposób łączenia pomostu kompozytowego z przyczółkiem. To zagadnienie jest skomplikowane i do tej pory nie znaleziono jeszcze żadnego naprawdę skutecznego rozwiązania. A jest to istotne dla użytkowania obiektów mostowych z pomostem kompozytowym, ponieważ pomost jest elementem znacznie bardziej odkształcalnym niż masyw przyczółka, a krawędź pomostu pod wpływem nacisków kół ulega sporym odkształceniom w przeciwieństwie do krawędzi tegoż przyczółka, co powoduje uszkodzenia nawierzchni w strefach przejściowych. Wydaje się, że najlepszym rozwiązaniem byłoby zamontowanie w tych miejscach urządzeń dylatacyjnych, podobnie jak w przypadku pomostów konwencjonalnych. Dodatkowo pozwoliłoby to kompensować przemieszczenia pomostu powstałe na skutek oddziaływań termicznych, ale tu z kolei pojawia się problem prawidłowego połączenia urządzeń dylatacyjnych z pomostem kompozytowym. Prace nad rozwiązaniem tego problemu trwają. Przykłady zastosowania wielowarstwowych pomostów kompozytowych Pod pojęciem mostów kompozytowych należy rozumieć obiekty, których ustrój nośny (dźwigary i płyta pomostu) wykonano wyłącznie z kompozytów polimerowych. Podpory (przyczółki i podpory pośrednie) zbudowane są zazwyczaj z materiałów tradycyjnych. Drugim rodzajem obiektów są te, które powstają przez połączenie elementów z materiałów tradycyjnych (stal, beton) i z kompozytów polimerowych (FRP). Zwykło się nazywać je mostami hybrydowymi. Najczęściej spotykanym przykładem takich mostów są konstrukcje składające się ze starych dźwigarów stalowych lub betonowych, do których przymocowano nowy pomost z FRP. Poniżej zamieszczono kilka przykładów nowych i wyremontowanych obiektów mostowych, w których zastosowano właśnie pomosty kompozytowe. Pierwszym z nich jest stalowy mostowy kratowy o jezdni dolnej z 1941 roku Warren Pony Truss, zlokalizowany nad potokiem Bentley w miejscowości Wellsburg w stanie Nowy Jork (rys. 10). Most jest obiektem jednoprzęsłowym o rozpiętości ok. 43,0 m, szerokości jezdni ok. 7,5 m oraz skosie 27 o.w latach most przeszedł gruntowny remont, podczas którego odczyszczono i odmalowano konstrukcję stalową oraz usunięto pomost żelbetowy, zastępując go pomostem kompozytowym Hardcore. W wyniku tego zmniejszono ciężar własny pomostu aż o 265 t (z 830 do 150 kg/m 2 ). Wzrosła nośność obiektu do zakładanej według ame- Rys. 5. Łączenie pomostów kompozytowych: a) Hardcore, b) Superdeck, c) F10, d) ASSET, e) ACCS, f) Kansas. Rys.6. Połączenie elementów systemu ASSET w drogowym moście West Mill w Wielkiej Brytanii Rys.7. Przykład połączenia pomostu kompozytowego DuraSpan z dźwigarem betonowym oraz dźwigarem stalowym. Rys.8. Różne systemy montażu barier ochronnych dla systemu DuraSpan. Rys.9. Sposób sztywnego łączenia pomostu DuraSpan z przyczółkiem i jego konsekwencje. GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09) 47

7 rykańskich norm klasy HS25. Nowy pomost zamontowano w ciągu dwudziestu dni. Na moście zastosowano nawierzchnię o grubości 10 mm z betonu polimerowego na kruszywie bazaltowym. Po kilku miesiącach eksploatacji pojawił się problem z nawierzchnią, którą trzeba było wymienić z powodu jej złej przyczepności do podłoża górnej płyty pomostu z GFRP. Dzięki decyzji o zastosowaniu pomostu Hardcore nie trzeba było wymieniać całego mostu, co kosztowałoby ok tys. dolarów. Wymieniono jedynie pomost, co kosztowało 430 tys. dolarów (1300 dolarów za m 2 ), a wraz z kosztami remontu konstrukcji stalowej tys. dolarów. Dzięki temu oszczędzono dużą sumę pieniędzy oraz uniknięto dłuższych problemów z wstrzymaniem ruchu samochodowego, który na tym obiekcie wynosi samochodów dziennie (w tym 230 ciężarówek). Drugim mostem jest również obiekt kratowy o jezdni dolnej - Camelback Truss (rys. 11). Most został zbudowany w 1933 roku nad rzeką Schroon w miejscowości Warrensburg w stanie Nowy Jork. Jest to obiekt jednoprzęsłowy o rozpiętości ok. 50,0 m i szerokości ok. 7,7 m. W 2000 roku przeprowadzono jego remont, podczas którego odnowiono konstrukcję stalową oraz wymieniono pomost drewniany na kompozytowy systemu DuraSpan. Ciekawostką jest fakt, że na życzenie inwestora nowemu pomostowi na etapie produkcji nadano kolor drewnopodobny, aby zachować historyczny wygląd obiektu. Jako nawierzchnię zastosowano cienką warstwę betonu polimerowego. Chociaż wydawało się to korzystne ze względu na zmniejszenie obciążenia nie sprawdziło się to pod względem użytkowym po kilku miesiącach eksploatacji na nawierzchni pojawiły się zarysy otworów, w których znajdowały się trzpienie zespolenia. Trzecim przykładem jest most nad potokiem Bennetts w miejscowości Rexville w stanie Nowy Jork (rys. 12) nowy obiekt wybudowany w 1998 roku w miejscu starego żelbetowego mostu z roku Rozpiętość jego jest niewielka zaledwie ok. 7,6 m, przy szerokości ok. 10 m oraz skosie 30 o. W nowym moście zastosowano pomost typu Hardcore, pełniący zarazem rolę konstrukcji nośnej, jak w typowym moście płytowym. Zakładana nośność obiektu według amerykańskich norm to HS25. Ciekawie rozwiązano kwestię barier ochronnych są one wykonane z paneli kompozytowych wypełnionych wewnątrz betonem oraz konwencjonalnym zbrojeniem i połączone monolitycznie z zabetonowaną belką policzkową. Koszt budowy nowego obiektu (wraz z przyczółkami) wyniósł 395 tys. dolarów, w tym koszt wykonania i ułożenia samego pomostu to 115 tys. dolarów (1500 dolarów za m 2 ). Na moście zastosowano nawierzchnię o grubości 10 mm z betonu polimerowego na kruszywie bazaltowym. W trakcie eksploatacji pojawił się problem na styku pomostu z przyczółkiem. Różnica sztywności obydwu elementów i brak systemu łączenia, poza elastycznym wypełnieniem silikonem, spowodował uszkodzenie nawierzchni. Stało się to mimo niewielkiego natężenia ruchu na obiekcie dziennie przejeżdża przez niego mniej niż 300 samochodów (w tym ok. 50 to ciężarówki). Ostatni z przedstawionych obiektów jest obiektem europejskim, powstałym jako efekt programu ASSET (z ang. Advanced Structural System for Tomorrow s Infrastructure). Jest to całkowicie kompozytowy most drogowy West Mill (rys. 13), znajdujący się nad rzeką Cole w pobliżu miejscowości Shrivenham w Anglii. Most zbudowano na miejscu starego rozebranego obiektu i oddano do użytku w październiku Rys.10. Most Warren Pony Truss. a) widok mostu przygotowanego na układanie pomostów Hardcore c) widok mostu po remoncie Rys.11. Most Camelback Truss. b) układanie pomostu Hadrcore d) uszkodzenie nawierzchni powstałe kilka miesięcy po remoncie a) widok mostu b) układanie pomostu DuraSpan c) połączenie pomostu z dźwigarem przed betonowaniem d) uszkodzenie nawierzchni powstałe kilka miesięcy po remoncie Rys.12. Most nad potokiem Bennetts w miejscowości Rexville w stanie Nowy Jork. a) widok starego mostu b) obciążenia próbne nowego mostu c) bariera ochronna przed zabetonowaniem Rys.13. Most drogowy West Mill. d) uszkodzenie nawierzchni na styku przyczółka a) budowa mostu b) gotowy obiekt w dniu otwarcia 48 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09)

8 2002 roku. Jego konstrukcja nośna składa się z czterech dźwigarów kompozytowych, a każdy z nich z czterech profili GFRP o przekroju kwadratowym, o wysokości 24 cm, oraz płyty CFRP. Pomost wykonano z elementów systemu ASSET. Rozpiętość przęsła wynosi 11,0 m, szerokość obiektu 6,8 m (w tym jezdni 5,0 m), a rozstaw dźwigarów - 1,75 m. Most zaprojektowano na obciążenie pojazdem o masie 40 t. W związku z faktem, że obiekt jest konstrukcją prototypową i wynikiem ponad czteroletnich badań, trudno oszacować jego koszt. Warto jednak wspomnieć, że cały program, którego efektem było m.in. opracowanie pomostu ASSET, kosztował prawie 3,0 mln funtów. Podsumowanie Kompozyty polimerowe mają dużą przyszłość w mostownictwie, zarówno przy budowie nowych obiektów, jak i remontowaniu starych. W przypadku nowych można wykonywać z nich konstrukcję nośną w postaci dźwigarów, poprzecznic, podłużnic lub olinowania, jak i pomosty. W przypadku starych obiektów można zaś stosować je do wzmacniania poszczególnych elementów konstrukcji (jako zbrojenie zewnętrzne) oraz również jako pomosty, które pomimo niewątpliwych zalet małego ciężaru, odporności na korozję i możliwości szybkiego montażu, mają i wady połączenia. Ale są to wady, które można rozwiązać na etapie badań zmierzających do modyfikacji obecnych, niedoskonałych rozwiązań. Takie badania są prowadzone obecnie na świecie przez ośrodki naukowe oraz jednostki badawcze z firm produkujących elementy kompozytowe. Warto zwrócić uwagę na pozornie niezagospodarowany obszar zastosowań pomostów kompozytowych. Mogą one zostać wykorzystane nie tylko w mostach stałych dobrą ideą wydaje się użycie ich jako pomostów w mostach tymczasowych. Wymagania stawiane takim mostom są nieco mniej restrykcyjne niż w przypadku mostów stałych, a korzyści z zastosowania oszczędność czasu montażu duże. LITERATURA [1] Keller T.: Use of Fibre Reinforced Polymers in Bridge Construction. IABSE Structural Engineering Documents No 7., Zurich [2] Suong Woo Lee: Development and Field Applications of Fiber Reinforced Composite Bridge Deck, COBRAE Conference 2005 Bridge Engineering with Polymer Composites, Zurych [3] Zobel H., Karwowski W., Sarnowska J., Wróbel M.: Nowa generacja mostów mosty z kompozytów polimerowych, część I - Autostrady 4/2004, s , część II Autostrady 5/2004, s [4] Zobel H., Karwowski W., Sarnowska J., Wróbel M.: Kompozyty polimerowe jako materiał konstrukcyjny w budowie mostów, Materiały Budowlane 6/2004, s [5] Zobel H.: Mosty kompozytowe, 50. Jubileuszowa Konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 2004 [6] [7] [8] Alberski T.: materiały New York Department of Transportation, Nowy Jork autor prof. dr hab. inż. Henryk Zobel mgr inż. Wojciech Karwowski Politechnika Warszawska Instytut Dróg i Mostów GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09) 49