KOMPOZYTOWE DESKOWANIE TRACONE WSPÓŁPRACUJĄCE Z PŁYTĄ POMOSTU PRZEGLĄD ZASTOSOWAŃ 1

Transkrypt

1 ARCHIWUM INSTYTUTU INŻYNIERII LĄDOWEJ Nr 24 ARCHIVES OF INSTITUTE OF CIVIL ENGINEERING 2017 KOMPOZYTOWE DESKOWANIE TRACONE WSPÓŁPRACUJĄCE Z PŁYTĄ POMOSTU PRZEGLĄD ZASTOSOWAŃ 1 Kamil BARAN, Tomasz SIWOWSKI Politechnika Rzeszowska W niniejszej pracy dokonano przeglądu zastosowań kompozytowego deskowania traconego współpracującego z betonową płytą pomostu. Główną zaletą stosowania tego typu rozwiązań jest zwiększenie trwałości płyty pomostu przez ograniczenie oddziaływania agresywnego środowiska na beton oraz redukcję zbrojenia. Dodatkowo stosowanie lekkiego deskowania traconego znacząco skraca czas wykonywania płyty pomostu. Omówione przykłady dotyczą zarówno przeprowadzonych badań laboratoryjnych jak i rozwiązań wdrożonych do użytku. Wykorzystanie paneli FRP służących jednocześnie jako deskowanie i zbrojenie rozciągane jest z sukcesem badane i wdrażane w USA, gdzie znajduje zastosowanie zarówno przy budowie nowych obiektów jak i remontach, gdzie wymagana jest szybka wymiana płyt pomostowych. W analizowanych przypadkach skupiono się przede wszystkim na budowie poszczególnych systemów, zastosowanych materiałach, sposobach połączeń poszczególnych elementów oraz sposobach zespolenia panelu kompozytowego z betonem. Słowa kluczowe: deskowanie kompozytowe, pomosty hybrydowe, deskowanie tracone stay-in-place, panele FRP, współpraca deskowania z płytą pomostu. 1. WPROWADZENIE Płyta pomostu to element konstrukcyjny obiektu mostowego, który przekazuje i rozkłada bezpośrednie obciążenie kołami pojazdu samochodowego na dźwigary główne. Najbardziej rozpowszechnionym rodzajem płyt pomostowych jest płyta żelbetowa o grubości cm wykonywana monolitycznie i zespolona z dźwigarami głównymi. Ze względu na stale zwiększające się natężenie ruchu ciężkich pojazdów oraz wzrastającą agresywność środowiska potęgowaną przez konieczność zimowego utrzymania mostów, trwałość płyt żelbetowych jest kilkukrotnie krótsza od trwałości dźwigarów głównych lub innych podstawowych elementów obiektów mostowych. W ciągu ostatnich kilkunastu lat 1 DOI /j

2 8 Kamil Baran, Tomasz Siwowski opracowano i wdrożono liczne rozwiązania technologiczne, materiałowe i konstrukcyjne, służące wydłużeniu życia technicznego płyt pomostowych obiektów mostowych. Wśród tych rozwiązań można wymienić płyty hybrydowe, betonowo kompozytowe, w których kompozytowe deskowanie tracone współpracuje z betonową płytą pomostu. 2. PRZEGLĄD ZASTOSOWAŃ 2.1. Most Salem Ave. Bridge w Dayton Pierwsze badania laboratoryjne współpracy deskowania FRP z płytą pomostu zostały przeprowadzone w 1999 r. [1]. Panele deskowania stanowiły jednocześnie zbrojenie strefy rozciąganej płyty betonowej, a w strefie ściskanej zastosowano pręty kompozytowe. W ramach prowadzonych badań powstały trzy modele płyt pomostów o różnych rozpiętościach i grubościach, które następnie podlegały obciążeniom odpowiadającym naciskom kół pojazdu ciężarowego zgodnie z obowiązującymi przepisami. W trakcie badań monitorowano odkształcenia, zachowanie się modeli przy obciążeniach cyklicznych, mierzono wytrzymałość paneli oraz obserwowano model zniszczenia [1]. Wyniki badań okazały się na tyle obiecujące, że w 2000 r. ww. rozwiązanie zastosowano na moście Salem Ave. Bridge w Dayton [2], jako jedno z czterech badanych rozwiązań paneli kompozytowych, natomiast jedyne rozwiązanie współpracujące z betonową płytą pomostu [1]. Panele FRP zostały zamocowane przy użyciu wkrętów do stalowych profili wyrównujących (rys. 1). Następnie została zamontowana górna siatka zbrojenia GFRP (rys. 2), a na całości wbudowano beton wysokiej wytrzymałości [2]. Rys. 1. Montaż paneli FRP mostu Salem Ave. Bridge w Dayton (Źródło: Reising R. M. W. i in., Performance,dz. cyt., s. 18)

3 Kompozytowe deskowanie tracone współpracujące z płytą pomostu 9 Rys. 2. Zbrojenie i panele deskowania FRP mostu Salem Ave. Bridge w Dayton (Źródło: Reising R. M. W. i in., Performance, dz. cyt., s. 18) 2.2. Wiadukt w ciągu autostrady 151 w USA, nad drogą stanową 26 W 2002 r. Uniwersytet Wisconsin-Medison przeprowadził badania betonowych płyt pomostów zbrojonych kompozytami FRP w ramach prac związanych z opracowaniem zaleceń do konstruowania płyt pomostów z wykorzystaniem jedynie zbrojenia kompozytowego [1]. Badany model płyty pomostu został zbrojony trzema rodzajami elementów kompozytowych (rys. 3). Zbrojenie górne stanowiły podłużne pręty kompozytowe średnicy 13, 19 i 25 mm oraz poprzeczne kształtowniki teowe wysokości 50mm. Najistotniejszym elementem tego systemu były panele FRP, które stanowiły też element deskowania płyty pomostu i zbrojenie strefy rozciąganej. Pojedynczy panel kompozytowy został usztywniony dwoma żebrami o przekroju kwadratowym i miał wymiary 457x2350x76 mm. W celu zapewnienia lepszej współpracy pomiędzy deskowaniem a betonem płyty, panele zostały pokryte żywicą epoksydową z kruszywem o frakcji do 6 mm [1] (rys. 4). Rys. 3. Przekrój poprzeczny płyty pomostu wiadukt w ciągu autostrady 151 w USA, nad drogą stanową 26 (Źródło: Berg A. C. i in., Construction, dz. cyt., s. 517)

4 10 Kamil Baran, Tomasz Siwowski Zmodyfikowane deskowanie zastosowano po raz pierwszy w 2003 r. na wiadukcie w ciągu autostrady stanowej nr 151 w USA, nad drogą stanową 26. Dźwigary główne mostu stanowiły prefabrykowane belki z betonu sprężonego. Panele FRP, stanowiące system Composite Deck Solutions (CDS), zostały oparte na dźwigarach na wyrównawczych podkładach poliestrowych i połączone ze sobą na warstwie silikonu oraz skręcone wkrętami pokrytymi epoksydem (rys. 5). Czas wykonania hybrydowej płyty pomostu był 57% krótszy w stosunku do wykonywanej tradycyjnie żelbetowej płyty pomostu na bliźniaczym obiekcie drugiej jezdni autostrady, natomiast koszty materiałów były 60% wyższe [3]. Rys. 4. Wypełnienie przestrzeni pomiędzy panelami FRP nad dźwigarami wiaduktu w ciągu autostrady 151 (Źródło: Berg A. C. i in., Construction, dz. cyt., s. 524) Rys. 5. Montaż paneli FRP wiaduktu w ciągu autostrady 151 (Źródło: Berg A. C. i in., Construction, dz. cyt., s. 522)

5 Kompozytowe deskowanie tracone współpracujące z płytą pomostu 11 Rys. 6. Montaż modułów zbrojenia FRP wiaduktu w ciągu autostrady 151 (Źródło: Berg A. C. i in., Construction, dz. cyt., s. 525) Rys. 7. Połączenie modułów zbrojenia FRP wiaduktu w ciągu autostrady 151 (Źródło: Berg A. C. i in., Construction, dz. cyt., s. 518) 2.3. Most autostradowy nad Coffee Creek w Black River Falls w stanie Wisconsin Zakończone z sukcesem, zastosowanie systemu CDS i obiecujące analizy pracy pomostu z wykorzystaniem deskowania traconego, skłoniły do poszukiwania rozwiązań redukujących wysokie koszty materiałów kompozytowych. W kolejnej wariancji deskowania traconego FRP współpracującego z płytą pomostu i stanowiącego zbrojenie rozciągane, zastosowano popularne płyty SAFPLANK firmy Strongwell, wykorzystywane jako lekkie, modułowe poszycie schodów, podestów i platform przeznaczone do ruchu pieszych [4] (rys. 8). Wymiary modułu płyty SAFPLANK podano na rys. 9.

6 12 Kamil Baran, Tomasz Siwowski Rys. 8. Płyty SAFPLANK firmy Strongwell (Źródło: Bank L. C. i in., Hybrid, dz. cyt., s. 553) Rys. 9. Wymiary modułu płyty SAFPLANK (Źródło: Oliva M. G., i in., FRP stay-in-place, dz. cyt., s. 2) Płyty SAFPLANK zostały odwrócone i połączone z dodatkowym zbrojeniem FRP tworząc system SafPlank [5] (rys. 10). Żebra T-kształtne płyty SAFPLANK w połączeniu z prętami FRP stanowiły zbrojenie dolne płyty pomostu i dawały pełne zespolenie z betonem. Zbrojenie górne FRP stanowiły w kierunku podłużnym pręty, natomiast w kierunku poprzecznym dwuteowniki analogicznie jak w systemie CDS. Rys. 10. Szczegóły zbrojenia panelu SafPlank (Źródło: Ringelstetter T. E. i in., Cost-effective, dz. cyt., s. 184)

7 Kompozytowe deskowanie tracone współpracujące z płytą pomostu 13 Dalsze prace nad wykorzystaniem seryjnie produkowanych płyt SAFPLANK, doprowadziły do ich zastosowania w 2007 r. jako deskowania traconego i jedynego zbrojenia pomostu mostu autostradowego nad Coffee Creek w Black River Falls w stanie Wisconsin [6] (rys. 11). Rys. 11. Betonowanie płyty pomostu mostu nad Coffee Creek w Black River Falls (Źródło: Bank L. C. i in., Hybrid, dz. cyt., s. 554) Całkowitą redukcję zbrojenia, poza współpracującą płytą deskowania kompozytowego, osiągnięto przy założeniu, że większość uszkodzeń płyt pomostów obiektów swobodnie podpartych o stosunkowo niedużych rozpiętościach, wynika ze ścinania lub docisku, a nie z lokalnego zginania. Ograniczenie ścinania osiągnięto poprzez pseudo łuk wynikający z oddziaływania stężonych dźwigarów na płytę pomostu [6] (rys. 12). Rys. 12. Schemat przekroju poprzecznego pomostu mostu w Black River Falls (Źródło: Oliva M. G., i in., FRP stay-in-place, dz. cyt., s. 1) Dla uzyskania zespolenia z betonem pomostu, powierzchnia płyt kompozytowych została pokryta żywicą epoksydową z piaskiem.

8 14 Kamil Baran, Tomasz Siwowski 2.4. Most w Green County w stanie Missouri Równocześnie z badaniami systemu SafPlank trwały prace związane z badaniem systemu Gridform. W systemie Gridform zbrojenie górne i dolne płyty stanowiły identyczne siatki prętów i dwuteowników jak w systemach CDS i SafPlank. Do kształtowników dolnego zbrojenia została przyklejona klejami epoksydowymi płyta kompozytowa stanowiąca element deskowania [5] (rys. 13). Rys. 13. Szczegóły zbrojenia panelu Gridform (Źródło: Ringelstetter T. E. i in., Cost-effective, dz. cyt., s. 185) Testy laboratoryjne wykazały, że oba systemy SafPlank i Gridform mogą zostać z powodzeniem zastosowane w wykonaniu płyt pomostów obiektów mostowych, jednak Gridform cechowały niższe koszty materiałów i szybszy czas wytworzenia, co pozwoliło zastosować ów system na moście w Green County w stanie Missouri w 2006 r. [1] (rys. 14). Rys. 14. Montaż paneli Gridform na moście w Green County (Źródło: Matta F. i in., Pultruded FRP, dz. cyt., s. 19)

9 Kompozytowe deskowanie tracone współpracujące z płytą pomostu Eksperymentalny pomost hybrydowy, Uniwersytet Tongji, Szanghaj, Chiny W 2012 r. na Uniwersytecie Tongji w Szanghaju, przeprowadzono badania naukowe pomostu hybrydowego [8]. Podstawowym elementem testowanego systemu było kompozytowe deskowanie tracone GFRP składające się z paneli o wymiarach 500x143x3000 mm (rys. 15). Panele posiadały T-kształtne żebra z otworami, przez które prowadzone było dolne zbrojenie podłużne dające pełne zespolenie z płytą pomostu. Dodatkowe otwory w środnikach żeber służyły do skręcenia sąsiadujących paneli. Siatkę zbrojenia górnego stanowiły kompozytowe pręty średnicy 16 i 19 mm [8] (rys. 16). Rys. 15. Przekrój panelu deskowania GFRP badanego na Uniwersytecie Tongji (wym. w mm) (Źródło: Liu Y. i in, Static, dz. cyt., s. 2) Rys. 16. Przekrój pomostu hybrydowego badanego na Uniwersytecie Tongji (wym. w mm) (Źródło: Liu Y. i in, Static, dz. cyt., s. 2) 3. PODSUMOWANIE Analiza światowych doświadczeń i przykładów zastosowania, pozwala stwierdzić, że panele kompozytowe deskowania traconego, z racji właściwości materiału z jakiego są wykonane, mogą być nie tylko odpowiedzią na skuteczne, nie wymagające odnawiania, zabezpieczenie antykorozyjne płyt, ale również przez wprowadzenie ich do współpracy pozwolą na redukcję ilości zbrojenia i zwiększenie trwałości płyt pomostowych. Wykorzystanie kompozytowego deskowania traconego, w stosunku do rozwiązań tradycyjnych, to także ograni-

10 16 Kamil Baran, Tomasz Siwowski czenie czasu wykonania ustrojów nośnych obiektów mostowych, jak również ograniczenie prac na wysokości. LITERATURA 1. Dieter D. A., Experimental and analytical study of concrete bridge decks constructed with FRP stay-in-place forms and FRP grid reinforcing, MSC thesis, Uniwersytet Wisconsin-Madison, USA, Reising R. M. W., Shahrooz B. M., Hunt V. J., Lenett M. S., Christofer S., Neumann A. R., Helmicki A. J., Miller R. A., Kondury S., Morton S., Performance of a fivespan steel bridge with fiber reinforced polymer composite deck panels, Transportation Research Record, Journal of the Transportation Research Board 1770(1): , January Berg A. C., Bank L. C., Oliva M. G., Russel J. S., Construction and cost analysis of an FRP reinforced concrete bridge deck, Construction and Building Materials, 20 (2006) Bank L. C., Oliva M. G., Bae H., Bindrich B. V., Hybrid cocnrete and pultrudedplank slabs for highway and pedestrian bridges, Construction and Building Materials, 24 (2010) Ringelstetter T. E., Bank L. C., Oliva M. G., Russel J. S., Matta F., Nanni A., Costeffective, structural stay-in-place formwork system of fiber-reinforced polymer for accelerated and durable bridge deck construction. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2006, 1976: Oliva M., Bank L. C. Bae H., Barker J., YOO S., FRP Stay-in-Place Formwork and Reinforcing for Concrete Highway Bridge Decks. Proceedings of the 8th International Symposium on FRP in Reinforced Concrete Structures, FRPRCS-8, University of Patras, Patras, Greece Matta F., Nanni A., Ringelstetter T. E., Bank L. C., Nelson B., Orr B., Jones S., Pultruded FRP reinforcement for bridge repair, Composites Manufacturing, August 2006, Liu Y., Fan H., He J., Wu D., Static and fatigue experimental study on flexural behavior of hybrid GFRP concrete bridge decks. Proceedings of the Asia-Pacific Conference on FRP in Structures, APFIS 2012, Hokkaido University, Japan COMPOSITE STAY-IN-PLACE FORMWORK COOPERATION WITH BRIDGE DECK OVERVIEW OF APPLICATIONS Summary In this work we reviewed the use of composite stay-in-place formwork cooperating with concrete bridge deck. The main advantage of using this type of solution is to increase the durability of the bridge deck by reducing the impact of the aggressive environment on the concrete and reducing the reinforcement. In addition, the use of lightweight stay-in-place formwork significantly reduces the execution time of the deck. The examples discussed refer to both the laboratory tests and the implemented solutions. The

11 Kompozytowe deskowanie tracone współpracujące z płytą pomostu 17 use of FRP panels that serve as formwork and reinforcement has been successfully tested and implemented in the USA, where it is used for new construction and renovation, where rapid replacement of bridges deck is required. In the analysed cases, the main focus was on the construction of individual systems, materials used, methods of joining individual elements and methods of assembling the composite panel with concrete.

12 18 Kamil Baran, Tomasz Siwowski