NAPRAWA I WZMACNIANIE USZKODZONYCH OBIEKTÓW KOLEJOWYCH PO UDERZENIACH PRZEZ POJAZDY DROGOWE

Transkrypt

1 ARCHIWUM INSTYTUTU INŻ YNIERII LĄ DOWEJ Nr 18 ARCHIVES OF INSTITUTE OF CIVIL ENGINEERING 2014 NAPRAWA I WZMACNIANIE USZKODZONYCH OBIEKTÓW KOLEJOWYCH PO UDERZENIACH PRZEZ POJAZDY DROGOWE Janusz KARLIKOWSKI, Krzysztof STURZBECHER, Krzysztof ZIOPAJA Politechnika Poznańska Uderzenia pojazdów drogowych w obiekty mostowe zdarzają się ostatnio coraz częściej. Znaczne nieraz uszkodzenia wymagają podjęcia natychmiastowych działań w postaci wstrzymania ruchu na obiekcie lub jego części i przeprowadzenia specjalistycznych badań w celu oceny dalszej przydatności użytkowej uszkodzonej konstrukcji i określenia sposobu naprawy. W przypadku wiaduktów kolejowych zdarzenia te prowadzą do sytuacji bardzo niebezpiecznych, grożących katastrofą kolejową. W artykule opisano zakres czynności rozpoznawczych, prac projektowych i działań zabezpieczających w stosunku do trzech obiektów kolejowych. Słowa kluczowe: awarie wiaduktów, naprawa i wzmacnianie konstrukcji 1. WSTĘP W artykule opisano historię trzech różnych wiaduktów kolejowych o konstrukcjach stalowych, jednoprzęsłowych, które doznały poważnych uszkodzeń elementów nośnych w wyniku uderzeń przez pojazdy drogowe. W ostatnich latach coraz częściej słyszymy o kolejnych kolizjach pojazdów drogowych z obiektami inżynierskimi, które niekoniecznie mają ograniczone światło pionowe [1,2,3,4]. Najczęściej przyczyną tych zdarzeń są rażące zaniedbania przewoźników pojazdów ponadgabarytowych. Argumentami winnych są kwestie długości alternatywnych tras przejazdu oraz konieczność oszczędności czasu i pieniędzy. Obiekty uszkodzone wymagają natychmiastowych działań, które mają na celu zabezpieczenie i oznakowanie konstrukcji po stwierdzonym zdarzeniu, ograniczenie skutków uszkodzenia, organizacji ruchu na i pod obiektem. W przypadku wiaduktów kolejowych elementarne staje się zapewnienie bezpieczeństwa użytkowników zarówno taboru kolejowego jak i uczestników ruchu pod obiektem. Zdarzają się bowiem sytuacje, że kierujący pojazdem, który spowodował kolizję z przęsłem wiaduktu nad drogą, ucieka z miejsca wypadku i nie informuje odpowiednich służb o zaistniałym zdarzeniu. Może to mieć tragiczne skutki

2 46 Janusz Karlikowski, Krzysztof Sturzbecher, Krzysztof Ziopaja w przypadku powstania uszkodzenia zagrażające katastrofą ustrojuu nośnego przęsła lub wystąpienia dużej deformacji nawierzchni kolejowej. Proces analizy przydatności obiektu po awarii dotyczy najczęściej przepro- stanu wadzenia inwentaryzacji uszkodzeń, badań materiałowych i ogólnej oceny technicznego całego obiektu. W dalszej kolejności przeprowadza się ocenę no- o oszacowanie trwałości zmęczeniowej [4]. W konsekwencji przeprowadzonych analiz wykonuje się projekt naprawy uszkodzonej konstrukcji, który określa śności i przydatności użytkowej konstrukcji przęsła i podpór, rozszerzoną sposób, metody i zakres czynności naprawczych. Celem referatu jest: charakterystyka trzech obiektów oraz zakresu ich uszkodzeń, podstawowe wnioski z analizy nośności i oceny przydatności użytkowej uszkodzonych przęseł, opis sposobów naprawy, opis zaleceń związanych z ochroną bierną i czynną obiektu przed kolejnymi kolizjami. 2. WIADUKT KOLEJOWY W BUDACHOWIE W miejscowości Budachów (woj. lubuskie) nad drogą powiatową w ciągu dwutorowej linii kolejowej Wrocław Szczecin, znajdująą się obok siebie dwie niezależnee konstrukcje wiaduktu. Jedna z nich żelbetowa, natomiast druga, która uległa uszkodzeniu jest stalową, nitowaną konstrukcją blachownicową wolnopodpartą o rozpiętości 8,0 m (rys. 1). Rys. 1. Widok ogólny konstrukcji w Budachowie [ 5] Przęsło składa się z dwóch dwuteowników szerokostopowych IP75 w rozstawie osiowym 3,0 m, połączonych co 1,6 m poprzecznicami z dwuteowników walwykonana cowanych INP36 (rys. 2). Między dźwigarami biegnie podłużnica z dwuteownika INP28. Na górnych pasach podłużnic, poprzecznic oraz do środnikóww dźwigaróww głównych przymocowano blachy nieckowe. Na podłożu

3 Naprawa i wzmacnianie uszkodzonych obiektów kolejowych 47 Rys. 2. Przekrój poprzeczny w przęśle i nad podporą [5] z blach wykonano tor na podsypce tłuczniowej. Według ówczesnych danych wysokośćć skrajni pod obiektem wynosiła 4,0 m. W maju 1992 roku przeprowadzono przegląd konstrukcji po zgłoszeniu przez Oddział Drogowy PKP w Zielonej Górze pęknięcia jednego dźwigara głównego konstrukcji stalowej. Data powstania uszkodzenia nie była dokładnie znana. Uszkodzenie znajdowało się w pobliżu środka rozpiętości przęsła i prze- biegało przez cały przekrój pasa dolnego oraz na około 30 cm odcinku środnika (rys. 3). Propagacja pęknięcia zatrzymała się po dotarciu do otworu na nit łączą- cy kątownik pod blachą nieckowąą ze środnikiem dźwigara. W wyniku pęknięcia nastąpiła zmiana czynnego przekroju dźwigara przenoszącego obciążenia. Rolę pasa dolnego zaczęły spełniać przekroje blach nieckowych i kątowników mocu- jących (rys. 4). Rys. 3. Lokalizacja pęknięcia w dźwigarze głównym [5] Analizy wytrzymałościowe nowego przekroju (rys. 4) wykazały, że w osła- bionym przekroju dźwigara, pod obciążeniem eksploatacyjnym mogąą wystąpić

4 48 Janusz Karlikowski, Krzysztof Sturzbecher, Krzysztof Ziopaja naprężenia normalne o wartości około 240 MPa, bliskie granicy plastyczności stali. Dlatego do czasu zauważeniaa uszkodzenia nie doszło do katastrofy. Na pod- węglowa stawie wyników badańń składu chemicznego stali stwierdzono, że stal jest o zwykłej wytrzymałości, nieuspokojona, podatna na kruche pękanie i starzenie. Stąd domniemanie, że uszkodzeniee wiaduktu nastąpiło w okresie niskich tempera- tur (zimą) i było zapewne zainicjowane uderzeniem przez pojazd drogowy. Rys. 4. Geometria zredukowanego przekroju poprzecznego dźwigara [4] Mimo uszkodzenia zdecydowano się utrzymać ruch na przęśle pod warun- z szyn staroużytecznych pod oba toki szynowe. kiem ograniczenia prędkości do 10 km/h i wykonaniu konstrukcji odciążającej Rys. 5. Sposób wzmocnienia pękniętego dźwigara w przekroju i widoku z boku [5] Naprawę pękniętego dźwigaraa wykonano wzmacniającc go przy użyciu przydodanych kładek na środniku oraz nakładekk na pasie dolnym (rys. 5). Wymiary blach dobrano tak, aby sztywnośćć dźwigara po wzmocnieniu była równa sztyw-

5 Naprawa i wzmacnianie uszkodzonych obiektów kolejowych 49 ności dźwigara starego. Analizaa nośności została przeprowadzona na podsta- bez- wie [8, 9]. Warto nadmienić, że naprawiona konstrukcja jest do dnia dzisiejszego piecznie eksploatowana. W wyniku zmian infrastruktury drogowej wprowadzo- oznako- no ostrzejsze ograniczenie pionowej skrajni drogowej do 3,5 m. Mimo wania informującego o ograniczeniu skrajni poziomej i pionowej pod obiektem (znaki U-9a i U-9b) nadal dochodzi do incydentów z przejazdami pojazdów przekraczających pionowe światło, co widaćć w postaci śladów otarć na po- wierzchniach konstrukcji pod obu torami. 3. WIADUKT KOLEJOWY W POZNANIU W ciągu linii kolejowej Poznań Wschód Bydgoszczz w Poznaniu nad ulicą Gnieźnieńską znajduje się obiekt składający się z trzech niezależnych części. Dwa przęsła skrajne są sklepieniami ceglanymi, natomiast środkowe było stalo- o rozpiętości 14,20 m. Rozstaw blachownicowych dźwigarów głównych wynosił wą, nitowaną konstrukcją dwudźwigarową z jazdą dołem na mostownicach 4,20 m (rys. 6). Byłyy one połączone co 1,87 m poprzecznicami wykonanymi z dwuteowników walcowanych I550 i I500. Rozstaw podłużnic (I300) wynosił około 1,79 m. Pasy dolne dźwigarów były usztywnione wiatrownicą typu X. Tor na wiadukcie jest ułożony w łuku poziomym o promieniu R = 310 m. Rys. 6. Przekrój poprzeczny przęsła wiaduktu w Poznaniu, które uległo uszkodzeniu W sierpniu 2009 roku doszłoo do poważnego uszkodzenia obu blachownic. Siła uderzenia była na tyle duża, że nastąpiło poziome, poprzeczne przemiesz- głów- czenie całej konstrukcji przęsła. Dolna blachaa pasowa jednego dźwigara nego (w około L/2) została rozerwana na całej szerokości, a pozostałe dwie bla- chy pasowe rozwarstwiły się na długości kilkudziesięciu centymetrów (rys. 7).

6 50 Janusz Karlikowski, Krzysztof Sturzbecher, Krzysztof Ziopaja Nastąpiło trwałe wygięcie środnika z płaszczyzny pionowej. Zerwane zostało połączenie dwóch krzyżulców wiatrownicy z blachą węzłową. Rys. 7. Najbardziej uszkodzone fragmenty konstrukcji przęsła Oceniono, że ze względu na charakter uszkodzeń jak i ogólny zły stan kon- wy- strukcji, naprawa uszkodzonego dźwigara będzie nieopłacalna. Całkowita miana przęsła nie wchodziła w rachubę (kwestie wysokich kosztów), dlatego wykonanoo remont ustroju nośnego polegający na wymianie dźwigarów głów- elemen- nych z jednoczesnym wykorzystaniem pozostałych, nieuszkodzonych tów rusztu (rys. 8). Na czas remontu ustawiono na przyczółkach konstrukcję tymczasową o ustrojuu belkowym złożoną z 6. dwuteowników walcowanych. a) b) Rys. 8. Wiadukt w Poznaniu po remoncie: a) widok ogólny, b) przekrój poprzeczny [6]

7 Naprawa i wzmacnianie uszkodzonych obiektów kolejowych 51 W ramach remontu uszkodzonego przęsła przyjęto następujący zakres robót: wymianę obu nitowanych dźwigarów głównych na nowe blachownice spawane wraz z wymianą łożysk (rys. 8), pozostawienie pomostu otwartego oraz nitowanych połączeń belek pomostu z nowymi dźwigarami, wymiana wiatrownic na nowe, wzmocnienie ustroju przęsła na oddziaływania poziome (uderzenia) poprzez wbudowanie poprzecznych rygli z rur 114,3/12,5 mm mocowanych do blach węzłowych wiatrownic dolnych i środnika dźwigara głównego (rys. 9), zabezpieczenie przęsła przed poprzecznym przesunięciem na łożyskach za pomocą specjalnych konstrukcji zamocowanych w dodatkowych ciosach żelbetowych i poprzecznicach skrajnych (rys. 10), wymianę na nowe podkładek ( stołeczków ) niezbędnych do nadania mostownicom wymaganej przechyłki toru na łuku poziomym. Do pozostałych przeprowadzonych prac remontowych należy zaliczyć nowe konstrukcje chodników służbowych i balustrad, ciosy podłożyskowe na przyczółkach, zabezpieczenie antykorozyjne elementów stalowych, zabezpieczenie powierzchniowe betonu ław podłożyskowych i ścianek zaplecznych, odtworzenie nawierzchni torowej. Projektowanie i obliczenia wykonano zgodnie z normami [8, 9]. Rys. 9. Schemat wzmocnień w płaszczyźnie poziomej rurami R 114.3/12.5 [6] W celu zabezpieczenia przęsła przed przesunięciem poziomym całej konstrukcji w przypadku uderzenia pojazdu zaprojektowano specjalną konstrukcję stalową (rys. 10). Mocowanie tej konstrukcji wykonano w dodatkowych ciosach żelbetowych pomiędzy dźwigarami głównymi na obu przyczółkach. W połowie rozpiętości pasa dolnego poprzecznicy podporowej (od spodu) przyspawano żebra, które są blokowane w tarczy oporowej konstrukcji kotwionej do dodatkowego ciosu.

8 52 Janusz Karlikowski, Krzysztof Sturzbecher, Krzysztof Ziopaja Rys. 10. Konstrukcja zabezpieczająca przęsło przed przesunięciem [6] Aktualne oznakowanie obiektu jest w pewnym sensie standardowe, zgodne z obowiązującymi przepisami. Pionową skrajnię ograniczono do 3,70 m. Przed i na obiekcie występują następujące rodzaje oznakowania: znaki drogowe zakazu B-16, po trzy z każdej strony wiaduktu (w tym po jednym znaku mocowanym bezpośrednio do balustrady), oznakowanie na konstrukcji wiaduktu w formie ukośnych pasów czarnożółtych (znak U-9c), umieszczonych w dolnej części blachownic i na blachach gzymsowych chodników, świetlny znak zakazu B-16 informujący o zredukowanej pionowej skrajni obiektu w odległości około 200 m od obiektu. 4. WIADUKT KOLEJOWY W KROTOSZYNIE Niniejszy opis dotyczy obiektu nad drogą krajową przy stacji kolejowej w Krotoszynie, położonego w ciągu linii kolejowej Oleśnica-Chojnice (rys. 11). Rys. 11 Widoki ogólne wiaduktu w Krotoszynie od strony uszkodzonego przęsła [7]

9 Naprawa i wzmacnianie uszkodzonych obiektów kolejowych 53 Każdy z czterech torów kolejowych znajduje się na niezależnej konstrukcji przęsłowej wolnopodpartej. Konstrukcje różnią się rozpiętością teoretyczną: dwie z nich są dłuższe o rozpiętości L t =12,40 m, dwie pozostałe (w tym uderzone przęsło zewnętrzne) mają rozpiętość teoretyczną L t =11,40 m. Wysokość skrajni pod obiektem wynosi 4,67 m. Przęsła składają się ze spawanych blachownic dwuteowych o pochylonych środnikach, połączonych dołem płytą ortotropową z gęsto rozstawionymi żebrami poprzecznymi. Przęsło zewnętrzne zostało uderzone w dolny pas dźwigara głównego, w pobliżu środka rozpiętości. Skutki tego zdarzenia w postaci lokalnego rozdarcia pasa i jego nakładki przedstawiono na rysunku 12. W wyniku uderzenia doszło do poziomego przesunięcia przęsła zewnętrznego, które z kolei uderzyło w przęsło sąsiednie. Na przęśle zewnętrznym zamknięto ruch taboru kolejowego. Rys. 12. Uszkodzenia pasa dolnego przęsła zewnętrznego: widok ogólny oraz zbliżenie Skutki uderzenia pojazdu dla konstrukcji przęsła zewnętrznego można uszeregować następująco: lokalne rozdarcie pasa i jego nakładki, przesunięcie poziome całego przęsła i jego przechył, odkształcenie pasów górnych dźwigarów głównych, ścięcie kotew mocujących i przewrócenie łożysk, spadnięcie przęsła z łożysk, ścięcie i odspojenie betonu podlewek oraz ławy podłożyskowej, uszkodzenie chodnika dla obsługi deformacje blach użebrowania środnika jako wtórny efekt po zderzeniu się z przęsłem sąsiednim. Bezpośrednio w wyniku zderzenia doszło do ścięcia spoin pachwinowych łączących blachy pasa dolnego na odcinku ok. 30,0 cm (rys. 12, 13). Nastąpiło wówczas rozwarstwienie obu blach na tym odcinku oraz ich wygięcie na odcinku ok. 40,0 cm do góry. Całkowity zasięg deformacji blach to 50,0 cm. Nie stwierdzono uszkodzenia spoin pachwinowych łączących pas dolny ze środni-

10 54 Janusz Karlikowski, Krzysztof Sturzbecher, Krzysztof Ziopaja kiem dźwigara głównego. W pobliżu opisanego uszkodzenia znajduje się kolejwiększego ne, wcześniejsze uszkodzenie (nr 2 na rysunku 13), które nie miało wpływu na stan techniczny obiektu. Rys. 13. Lokalizacja i rozmiar uszkodzeń pasa dolnego dźwigaraa [7] Rys. 14. Ścięte i przewrócone elementy łożysk ruchomychh stałych oraz przemieszczenia łożysk

11 Naprawa i wzmacnianie uszkodzonych obiektów kolejowych 55 Uszkodzeń doznało również drugie przęsło uderzone przez przęsło zewnętrzne. Doszło tu do nieznacznego poziomego przemieszczenia przęsła oraz kilku uszkodzeń blach dźwigara głównego. Siła pozioma spowodowała także ścięcie w poziomie płyt dolnych łożysk stałych i podlewki ławy podłożyskowej. Służby kolejowe dokonały korekty osiowości toru i wprowadzono ograniczenie prędkości przejazdu taboru. Rys. 15. Zwichrowanie toru na uszkodzonym przęśle zewnętrznym W ekspertyzie [7] w stosunku do przęsła zewnętrznego, po analizie uszkodzeń i obliczeniach wytrzymałościowych wg [7,8] uznano, że jest możliwa naprawa tego przęsła z równoczesnym jego wzmocnieniem. Poniżej podano następujące, najistotniejsze zalecenia określające zakres robót: rozebranie toru, transport przęsła na plac montażowy, demontaż chodnika służbowego, naprawa odcinka zniszczonego pasa dolnego (ok. 60 cm) prawego dźwigara poprzez wycięcie zniszczonego fragmentu blachy pasowej, wstawienie nowego i jego dospawanie spoinami czołowymi, podobnie zalecono postąpić ze zniszczoną nakładką pasową (odcinek długości 130 cm), wstawienie dodatkowych nakładek wzmacniających dołem i górą na długości 2,0 m, mocowanie nakładek śrubami sprężającymi M20 lub huckboltami 19 mm w rozstawie co 11 cm, wzmocnienie pasów górnych obu dźwigarów głównych dwoma nakładkami pasowymi na odcinku 8,80 m, zabezpieczenie uszkodzonych miejsc żeber podporowych, wykonanie ochrony antykorozyjnej, wykonanie nowych ciosów podłożyskowych.

12 56 Janusz Karlikowski, Krzysztof Sturzbecher, Krzysztof Ziopaja Dla przęsła uderzonego przez przęsło zewnętrzne przyjęto następujący zakres robót naprawczych: rozbiórka toru oraz transport przęsła na plac montażowy, wzmocnienie pasów górnych obu dźwigarów głównych analogicznie jak w przypadku przęsła zewnętrznego, wykonanie ochrony antykorozyjnej, wykonanie nowych ciosów podłożyskowych. 5. PODSUMOWANIE Uderzenia pojazdów drogowych w obiekty mostowe zdarzają się niestety coraz częściej. Znaczne nieraz uszkodzenia wymagają podjęcia natychmiastowych działań w postaci wstrzymania ruchu na obiekcie lub jego części i przeprowadzenia specjalistycznych badań w celu oceny przydatności użytkowej uszkodzonej konstrukcji i określenia sposobu naprawy. W przypadku wiaduktów kolejowych zdarzenia te prowadzą do sytuacji bardzo niebezpiecznych, grożących katastrofą kolejową. Podejmowane są różne środki mające zapobiegać groźnym uszkodzeniom, jak: drogowe znaki ostrzegawcze informujące o zmniejszonej skrajni pionowej pod obiektem, belki ochronne, bramy ostrzegawcze. W praktyce okazują się one jednak niewystarczające. Wydaje się, że dobrym krokiem byłoby wytyczanie dobrze oznakowanych tras objazdowych, podawanie do publicznej wiadomości zakresu szkód oraz ich sprawców. Być może należałoby stosować urządzenia do ciągłej obserwacji konstrukcji, które mogą być narażone na uderzenia. Stalowe obiekty kolejowe są na tyle lekkie, że uderzenia często powodują ich przemieszczenia i groźne deformacje torów. Naszym zdaniem należy je dodatkowo wzmacniać i wykonywać dodatkowe konstrukcje zabezpieczające przed takimi przemieszczeniami. Przykłady wzmocnień zostały pokazane w artykule. LITERATURA [1] Rabiega J., Sposoby ochrony przęseł wiaduktów przed uderzeniami wysokich pojazdów, Inżynieria i Budownictwo nr 6/1992, s [2] Żółtowski K., Szafrański M., Ocena bezpieczeństwa wiaduktu kolejowego uszkodzonego wskutek uderzeń pojazdów ponadgabarytowych, Inżynieria i Budownictwo nr 2/2011, [3] Chróścielewski J., Banaś A., Malinowski M., Awaria wiaduktu nad obwodnicą Trójmiasta, Inżynieria i Budownictwo nr 7 8/2013, s [4] Kulpa M., Siwowski T., Ocena trwałości zmęczeniowej kratownicowego mostu stalowego po awarii, XXVI Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane, Szczecin Międzyzdroje, [5] Analiza nośności i przydatności użytkowej kolejowego wiaduktu blachownicowego, w którym wystąpiło pęknięcie dźwigara głównego (Budachów, km linii

13 Naprawa i wzmacnianie uszkodzonych obiektów kolejowych 57 Wrocław Szczecin), Instytut Inżynierii Lądowej, Politechnika Poznańska, Poznań, [6] Projekt naprawy uszkodzonego przęsła wiaduktu blachownicowego w km 0,644 na linii 356 Poznań Wschód Bydgoszcz, Uniplan sp. z o. o., Poznań, [7] Ekspertyza techniczna stalowego wiaduktu kolejowego w Krotoszynie (km 63,742 linii nr 281 Oleśnica-Chojnice), Instytut Inżynierii Lądowej, Politechnika Poznańska, Poznań, [8] PN-82/S Obiekty mostowe. Konstrukcje stalowe. Projektowanie. [9] PN-85/S Obiekty mostowe. Obciążenia. REPAIR AND STRENGTHENING OF DAMAGED RAILWAY VIADUCTS AFTER HITTING BY ROAD VEHICLES Summary Hitting the road vehicles in bridge structures occur nowadays more and more often. Considerable damage often require immediate action in the form of suspension of traffic on the object or its parts and perform specialized tests to assess the suitability of use of damaged structures and determine how to repair. In the case of railway viaducts, these events lead to a very dangerous situation, threatening the railway disaster. The article describes the range of activities exploratory design work and hedging activities in relation to the three railway structures.