UNIKNIĘCIE AWARII MOSTU W WYNIKU BADAŃ POD PRÓBNYM OBCIĄśENIEM

Transkrypt

1 PIOTR OLASZEK, MAREK ŁAGODA, Instytut Badawczy Dróg i Mostów Politechnika Lubelska UNIKNIĘCIE AWARII MOSTU W WYNIKU BADAŃ POD PRÓBNYM OBCIĄśENIEM AVOIDANCE OF A BRIDGE FAILURE IN THE CONSEQUENCE OF THE LOAD TESTING Streszczenie W referacie przedstawiono przebieg próbnego obciąŝenia konstrukcji mostowej, które zostało przerwane ze względu na nieprawidłowe zachowanie się konstrukcji ustroju niosącego. W czasie próbnego obciąŝenia statycznego, juŝ po ustawieniu połowy obciąŝenia, zaobserwowano znaczne przyrosty ugięć. Ze względu na znacznie mniejsze wartości ugięć zmierzonych w stosunku do wartości obliczonych, wprowadzono pełny wariant obciąŝenia. Przy pełnym obciąŝeniu równieŝ zarejestrowano znaczne przyrosty ugięć w czasie i z tego względu przerwano próbę. Wyniki badań zostały przedstawione wraz z ich analizą, określeniem przyczyn nieprawidłowego zachowania się konstrukcji I podaniem propozycji naprawy. Zaprezentowano równieŝ drugie próbne obciąŝenie wykonane po naprawie, które potwierdziło skuteczność naprawy i potwierdziło diagnozę postawioną po pierwszym badaniu. Abstract The procedure of load testing is presented at the paper. Because of unusual bridge behaviour the procedure was stopped. During static load testing at the moment of half load, considerable deflection increments were observed. Because of fact that measured deflections were smaller than calculated deflections, the process of loading was continued. The considerable deflection increments were observed during complete load value, so the decision to stop load testing was made. The results of load testing, bridge structure unusual behaviour and the suggestion for structure repair are described. The second load testing, which was done after the repair, is also presented. The first load testing diagnosis was confirmed. 1. Wstęp Próbne obciąŝenia są jedną z najskuteczniejszych metod oceny poziomu bezpieczeństwa pracy konstrukcji pod obciąŝeniami zmiennymi. W róŝnych krajach stosowane są zarówno do oceny nośności istniejących mostów jak i do odbioru nowych konstrukcji przed ich przekazaniem do eksploatacji [1, 2, 3, 4]. Szeroko rozpowszechniony jest pogląd, Ŝe tylko właściwie wykonane obciąŝenie konstrukcji jest w stanie pokazać, w jaki sposób konstrukcja pracuje, jakimi parametrami dynamicznymi się charakteryzuje i w jakim stopniu poszczególne jej elementy przenoszą siły. śadne, nawet bardzo wyrafinowane metody teoretyczne, nie są w stanie uwzględnić wszystkich czynników wpływających na pracę konstrukcji. Przedstawiony w pracy przykład próbnego obciąŝenia, wykonywanego jako badanie odbiorcze, pokazuje jak waŝne jest właściwe przeprowadzenie badania ze szczególnym uwzględnieniem metod pomiarowych umoŝliwiających prowadzenie na bieŝąco (podczas przyrostu, w czasie trwania i po zakończeniu obciąŝenia) analizy zachowania się konstrukcji [5].

2 1220 Olaszek P. i inni: Uniknięcie awarii mostu w wyniku badań pod próbnym obciąŝeniem 2. Opis badanej konstrukcji Badana konstrukcja jest mostem drogowym i składa się z trzech swobodnie podpartych przęseł o rozpiętościach: 29, , ,00 m. Most ze względu na zły stan techniczny, zniszczony drewniany pomost oraz ograniczenie nośności do 3,5 tony, został poddany remontowi. Konstrukcję mostu po remoncie pokazano na rys. 1. Rys. 1. Widok ogólny konstrukcji mostu Przęsła skrajne mostu złoŝone są z trzech stalowych dźwigarów dwuteowych o wysokości 750 mm, do których dodano pasy dolne i krzyŝulce tworzące kratownice. Rozstaw osiowy dźwigarów wynosi 2,80 m. Dźwigary główne połączone są stęŝeniami wykonanymi z dwuteowników o wysokości 400 mm. W trakcie remontu, na stalowych dźwigarach przęseł skrajnych wykonano zespoloną płytę Ŝelbetową o grubości 21 cm ze skosami nad dźwigarami. Na rys. 2 pokazano szczegóły konstrukcji jednego z przęseł skrajnych. Przęsło środkowe mostu złoŝone jest z pięciu stalowych dźwigarów dwuteowych o wysokości 750 mm wzmocnionych przez dodanie od dołu dwóch nakładek stalowych o wymiarach mm i długości mm górna i mm dolna. Rozstaw osiowy wynosi 1,40 m. Dźwigary przęsła połączone są stęŝeniami wykonanymi z dwuteowników o wysokości 400 mm. W trakcie remontu na stalowych dźwigarach przęsła środkowego wykonano zespoloną płytę Ŝelbetową o grubości 21 cm ze skosami nad dźwigarami. Wszystkie połączenia stalowe zaprojektowano, jako połączenia tarciowe na śruby spręŝające. Po remoncie uzyskano szerokość jezdni 6,60 m i obustronne chodniki po 1,25 m. Całkowita szerokość płyty pomostu wynosi 10,06 m. Po remoncie most miał przenosić obciąŝenie klasy B wg PN-85/S-10030, co miało być potwierdzone przez opisywane próbne obciąŝenie.

3 Konstrukcje mostowe Przebieg pierwszego próbnego obciąŝenia Podczas badań mierzono ugięcia mostu, przemieszczenia pionowe na łoŝyskach oraz osiadanie podpór. Pomiar ugięć dla przęseł skrajnych oraz przemieszczeń pionowych na łoŝyskach wykonano z zastosowaniem przetworników indukcyjnych przemieszczeń z rejestracją komputerową, przy pomocy systemu Spider8 firmy Hottinger Baldwin Messtechnik z częstotliwością próbkowania równą 5 Hz. Pomiar ugięć dla przęsła środkowego planowano wykonać z zastosowaniem automatycznego tachimetru elektronicznego firmy Leica z funkcją automatycznego znajdowania celu, z wykorzystaniem rozmieszczonych na konstrukcji reflektorów pryzmatycznych. Pomiar osiadania podpór wykonano z zastosowaniem niwelacji geometrycznej, za pomocą cyfrowych niwelatorów precyzyjnych firmy Leica i firmy Topcon oraz łat kodowych umieszczonych stacjonarnie na podporach. Rozmieszczenie punktów pomiarowych pokazano na rys. 3. Rys. 2. Szczegóły konstrukcji przęsła skrajnego

4 1222 Olaszek P. i inni: Uniknięcie awarii mostu w wyniku badań pod próbnym obciąŝeniem Rys. 3. Rozmieszczenie punktów pomiarowych Do obciąŝenia próbnego wykorzystano cztery samochody cięŝarowe Tatra 815S, o średniej masie całkowitej równej kg. Samochody były wprowadzane na przęsła skrajne zgodnie z rys. 4. Rys. 4. Rozmieszczenie i kolejność ustawiania samochodów na przęśle skrajnym W czasie próbnego, statycznego obciąŝenia pierwszego obciąŝanego przęsła skrajnego (CD) zaobserwowano, juŝ po ustawieniu dwóch cięŝarówek, znaczne przyrosty ugięć. Ze względu jednak na znacznie mniejsze wartości ugięć zmierzonych w stosunku do wartości obliczonych, wprowadzono kolejne dwie cięŝarówki. Z uwagi na rejestrowane znaczne przyrosty ugięć w czasie (rys. 5), nie czekano na ich stabilizację, tylko przerwano próbę. Na drugim przęśle skrajnym (AB) zaobserwowano podobne zachowanie się konstrukcji (rys. 6), tj. znaczne przyrosty ugięć, które wystąpiły dla 2, 3 i 4 ustawionych cięŝarówek. Z tego względu równieŝ nie czekano na stabilizację ugięć tylko przerwano próbę. Biorąc pod uwagę ewentualne zagroŝenie bezpieczeństwa konstrukcji nie obciąŝano przęsła środkowego. Zaobserwowany w przypadku obu badanych przęseł brak tendencji do stabilizacji ugięć w fazie pełnego obciąŝenia wynika wyłącznie z pracy ustroju nośnego. Mierzone osiadania podpór przyjmowały wartości znacznie mniejsze od mierzonych wartości przyrostów ugięć i szybko się stabilizowały. RównieŜ mierzone przemieszczenia pionowe na łoŝyskach przyjmowały wartości znacznie mniejsze od mierzonych wartości przyrostów ugięć. Wpływ innych czynników zewnętrznych (np. temperatury) na zaobserwowane zjawisko braku stabilizacji ugięć został wykluczony. Ze względu na występowanie w czasie obciąŝenia pierwszego przęsła skrajnego podobnych warunków temperaturowych dla drugiego nieobciąŝonego w tym czasie przęsła skrajnego, zastosowano korekcję rejestrowanych ugięć badanego przęsła skrajnego z wykorzystaniem rejestrowanych w tym samym czasie ugięć nieobciąŝonego przęsła skrajnego.

5 Konstrukcje mostowe 1223 Rys. 5. Przebieg ugięć podczas próbnego obciąŝenia przęsła skrajnego CD Rys. 6. Przebieg ugięć podczas próbnego obciąŝenia przęsła skrajnego AB W tab. 1 przedstawiono zestawienie wartości ugięć zmierzonych i obliczonych dla obu przęseł skrajnych.

6 1224 Olaszek P. i inni: Uniknięcie awarii mostu w wyniku badań pod próbnym obciąŝeniem Tablica 1. Zestawienie wartości ugięć zmierzonych i obliczonych dla obu przęseł skrajnych (wartości zmierzone przedstawiono po zastosowaniu korekcji uwzględniającej osiadanie podpór) Opis punktu pomiarowego Obliczone Ugięcia [mm] Relacje [%] Zmierzone Całkowite SpręŜyste Trwałe ObciąŜenie na przęśle CD SpręŜyste Obliczone Trwałe Całkowite Dźwigar nr 1-12,08-12,30-5,44-6,87 45% 56% Dźwigar nr 2-12,06-12,14-6,16-5,98 51% 49% Dźwigar nr 3-12,08-10,97-5,99-4,97 50% 45% ObciąŜenie na przęśle AB Dźwigar nr 1-12,08-11,28-6,38-4,90 53% 43% Dźwigar nr 2-12,06-10,95-6,43-4,52 53% 41% Dźwigar nr 3-12,08-8,90-5,34-3,56 44% 40% 4. Analiza wyników badań i przyczyn nieprawidłowości Na przedstawionych przebiegach ugięć bardzo wyraźnie widać znaczne gradienty przyrostów ugięć, świadczące o nieprawidłowej pracy konstrukcji. Gradienty te były tym większe, im większe było obciąŝenie. Ich charakter nie miał cech związanych z uplastycznieniem materiału elementów nośnych (stali), tym bardziej, Ŝe szacowany poziom napręŝeń był dość niski. Obraz przyrostów ugięć przemawiał raczej za tym, Ŝe w konstrukcji likwidowane są podczas obciąŝenia niekontrolowane luzy. MoŜna było postawić hipotezę, Ŝe źródło tych luzów tkwi w nieprawidłowej pracy połączeń tarciowych. Dobrze się stało, Ŝe przerwano badania pod próbnym obciąŝeniem i odciąŝono przęsła, gdyŝ w przeciwnym razie mogłoby dojść do wyczerpania luzów między trzpieniami śrub spręŝających i otworami w elementach konstrukcyjnych. W konsekwencji tego trzpienie śrub w sposób niekontrolowany, tj. nie jednocześnie, włączałyby się do przenoszenia obciąŝeń ścinających, co mogłoby doprowadzić do powaŝnej w skutkach awarii. W celu weryfikacji hipotezy o przyczynie nieprawidłowego zachowania się konstrukcji przeprowadzono obliczenia ugięć przęsła skrajnego pod obciąŝeniem próbnym wywołującym maksymalny moment zginający w konstrukcji przęsła dla dwóch schematów statycznych: ramy o połączeniach sztywnych w węzłach pasa dolnego, słupków i krzyŝulców, oraz ramy o połączeniach podatnych, umoŝliwiających wzajemne przemieszczenia w węzłach pasa dolnego, słupków i krzyŝulców o wartości do ± 2 mm (losowe sumowanie się luzów między trzpieniem śrub i otworami na śruby). Na podstawie przeprowadzonych obliczeń stwierdzono, Ŝe wpływ wzajemnych przemieszczeń w połączeniach konstrukcji dźwigara na wartość ugięcia obciąŝonego przęsła jest bardzo znaczący, w rozpatrywanym przypadku ugięcia wzrastają ponad 2 razy w stosunku do ugięć obliczonych dla konstrukcji o węzłach sztywnych, co jest zgodne z wynikami badań. Z analizy dokumentacji technicznej (w projekcie wykonawczym) wynikało, Ŝe Projektant załoŝył współczynnik tarcia o wartości µ = 0,45, a nawet dla jednego węzła µ = 0,50. Są to bardzo wysokie wartości współczynników, tymczasem w Szczegółowych Specyfikacjach Technicznych brakowało opisu, w jakich warunkach i w jaki sposób naleŝy przygotować powierzchnie kontaktowe połączeń. Nie podano równieŝ sposobu określenia współczynnika tarcia, wykonywania połączeń tarciowych ani warunków skręcania śrub i kontroli ich naciągu.

7 Konstrukcje mostowe 1225 Na podstawie analizy dokumentacji budowy i rozmów z Wykonawcą stwierdzono, Ŝe przygotowanie powierzchni kontaktowych było wykonywane za pomocą obróbki strumieniowo-ciernej (piaskowanie). Krawędzie styku połączeń, dla lepszego zabezpieczenia antykorozyjnego smarowano specyfikiem SikaFlex. Podczas wykonywania połączeń nie wykonywano elementów próbnych w celu określenia współczynnika tarcia, który do tej pory pozostał nieznany. Podsumowując moŝna było stwierdzić, Ŝe Wykonawca z uwagi na braki w dokumentacji opisane powyŝej, wykonał połączenia spręŝone o nie pełnej nośności. Przygotowanie powierzchni kontaktowych połączeń były nieprawidłowe z uwagi na niejednokrotnie zbyt długi czas między piaskowaniem powierzchni a skręcaniem połączenia oraz posmarowanie krawędzi SikaFlexem wprowadziło do powierzchni kontaktowych warstwę poślizgową. Na podstawie powyŝszej analizy, wykonano naprawę polegającą na wykonaniu niezaleŝnych połączeń spawanych (dających w efekcie równolegle działające połączenia) między elementami konstrukcji, które były dotychczas połączone tarciowo. 5. Przebieg drugiego próbnego obciąŝenia Próbne obciąŝenie wykonano po naprawie połączeń, w sposób zgodny z pierwszą próbą. Wyniki pomiarów wykazały, Ŝe po naprawie konstrukcja pracowała prawidłowo. Przykładowy przebieg ugięć podczas próbnego obciąŝenia przęsła skrajnego przedstawiono na rys. 7. Rys. 7. Przebieg ugięć podczas próbnego obciąŝenia przęsła skrajnego AB 6. Wnioski Przedstawiony przykład próbnego obciąŝenia pokazuje, Ŝe właściwie wykonane badanie jest w stanie prawidłowo zdiagnozować badaną konstrukcję. Zastosowanie metod pomiarowych umoŝliwiających prowadzenie na bieŝąco analizy zachowania się konstrukcji w tym przypadku najprawdopodobniej zapobiegło awarii.

8 1226 Olaszek P. i inni: Uniknięcie awarii mostu w wyniku badań pod próbnym obciąŝeniem Na rys. 8 przedstawiono jak by wyglądał zarejestrowany przebieg ugięć, gdyby stosowano metody pomiarowe z długim czasem pomiędzy odczytami. Jak widać w takim przypadku prawidłowe prowadzenie na bieŝąco interpretacji wyników badań byłoby praktycznie niemo- Ŝliwe. W rezultacie mogłoby dojść do awarii podczas wykonywania próbnego obciąŝenia lub niewłaściwej oceny konstrukcji i późniejszej awarii w czasie eksploatacji. Rys. 8. Zarejestrowane przebiegi ugięć podczas próbnego obciąŝenia przęsła skrajnego z częstotliwością odczytów raz na 15 minut i 5Hz Literatura 1. Casas J. R.: Assessment and monitoring of existing bridges to avoid unnecessary strengthening or replacement. Bridge Maintenance, Safety, Management and Life-Cycle Optimization, IABMAS 2010, Philadelphia Nowak A.S., Rakoczy A. M.: Diagnostic Procedures for Assessment of Structures. 56 Konferencja Naukowa Komitetu InŜynierii Lądowej i Wodnej PAN oraz Komitetu Nauki PZITB, Kielce-Krynica Łagoda M.: Zagadnienia próbnych obciąŝeń w diagnostyce mostów, II Sympozjum Diagnostyka i badania mostów, Politechnika Opolska, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Opole The Institution of Civil Engineers National Steering Committee for the Load Testing of Bridges: Guidelines for the supplementary load testing of bridges, T Telford Publications, London Łagoda M., Mazanek M. Olaszek P.: Zalecenia dotyczące wykonywania badań pod próbnym obciąŝeniem drogowych obiektów mostowych, GDDKiA Warszawa 2008.