VII Ogólnopolska Konferencja Mostowców Konstrukcja i Wyposażenie Mostów USZKODZENIA I AWARIE MOSTOWYCH URZĄDZEŃ DYLATACYJNYCH

Transkrypt

1 VII Ogólnopolska Konferencja Mostowców Konstrukcja i Wyposażenie Mostów Andrzej NIEMIERKO 1 Krzysztof GERMANIUK 2 Wisła, maja 2015 r. USZKODZENIA I AWARIE MOSTOWYCH URZĄDZEŃ DYLATACYJNYCH Przerwy dylatacyjne w jezdni obiektów mostowych stanowią nieciągłości nawierzchni i z tej racji są powodem powstawania dodatkowych sił działających dynamicznie i udarowo. Wpływają one na trwałość i niezawodność mostowych urządzeń dylatacyjnych, które są często złożonymi konstrukcjami mechanicznymi. Trwałość i niezawodność urządzeń zależą od przestrzegania wymagań zawartych w Aprobatach Technicznych IBDiM oraz Wytycznych ETAG 032. Wymagania te dotyczą nie tylko dokładności montażu i wbudowania urządzeń ale także oceny ich wytrzymałości zmęczeniowej. Mimo to coraz częściej, nie tylko w Polsce, pojawiają się jednak uszkodzenia i awarie tych urządzeń. Omówiono je na przykładach, zwracając uwagę na przyczyny. Znaczna część awarii związana jest z kształtem i sposobem mocowania nakładek wyciszających. Istnieje potrzeba rozszerzenia procedur badania na zmęczenie urządzeń dylatacyjnych z uwzględnieniem tych nakładek. 1. Wstęp Wraz z coraz powszechniejszym stosowaniem w kraju nowoczesnych urządzeń dylatacyjnych zaczęto odnotowywać coraz częstsze ich uszkodzenia a nawet awarie. Okazuje się, że problem ten występuje nie tylko u nas ale też w innych krajach europejskich. W związku z tym, np. w Austrii podjęto ostatnio wieloletni program badawczy EVAF (Entwicklung verschleißarmer Fahrbahnübergänge), którego celem jest analiza przyczyn tych uszkodzeń i opracowanie bardziej odpornych na uszkodzenia konstrukcji [4]. Przeprowadzone na 6 autostradach badania 239 przekryć i urządzeń dylatacyjnych wykazały, że wiele z nich ma mniejsze lub większe uszkodzenia. Według oceny przeprowadzonej w Anglii i Francji [4], uszkodzenia urządzeń dylatacyjnych są istotną przyczyną uszkodzeń obiektów mostowych. W Portugalii ponad 20 % kosztów utrzymania obiektów stanowią koszty napraw i wymiany urządzeń dylatacyjnych. Współczesne urządzenia dylatacyjne są często skomplikowanymi konstrukcjami mechanicznymi. Z tego powodu podlegają ostrzejszym wymaganiom niż części budowlane obiektów mostowych. Ostrzejsze wymagania odnoszą się do tolerancji wykonania i odporności na oddziaływania dynamiczne i na zmęczenie. Dlatego w Wytycznych ETAG 032, opracowanych niedawno przez EOTA, duży nacisk położono na zapewnienie trwałości tych urządzeń. W referacie przedstawiono podstawy prawne stosowania przekryć i urządzeń dylatacyjnych, typowe ich konstrukcje, zagadnienia trwałości i tolerancje wbudowania, a także niektóre przypadki uszkodzeń i awarii, z którymi mieliśmy do czynienia w Polsce. 2. Podstawy prawne stosowania urządzeń dylatacyjnych W przypadku mostowych urządzeń dylatacyjnych obowiązuje system Aprobat Technicznych, do wydawania których upoważniony jest Instytut Badawczy Dróg i Mostów [3,7]. Aprobaty Techniczne udzielane są zgodnie z wymaganiami podanymi w Zaleceniach IBDiM Nr Z/ Zalecenia te obejmują m.in. konieczność wykonania badań odporności konstrukcji urządzenia dylatacyjnego na powtarzalne obciążenia dynamiczne lub odporności przekrycia dylatacyjnego na koleinowanie. 1 Dr inż., Instytut Badawczy Dróg i Mostów 2 Dr inż., Instytut Badawczy Dróg i Mostów 125

2 Wyroby, które przejdą pomyślnie wymagane w Zaleceniach procedury otrzymują dokument Aprobaty Technicznej. Okresowo wyroby te podlegają kontroli, na podstawie której wydawany jest przez IBDiM certyfikat zgodności z Aprobatą Techniczną. W 2006 r. ramach Europejskiej Organizacji Aprobat Technicznych (EOTA) utworzono Komitet Techniczny do unifikacji wymagań wobec mostowych urządzeń dylatacyjnych. W 2013 r. zakończono opracowywanie Wytycznych do Europejskich Aprobat Technicznych (ETAG 032). Wytyczne te mają być podstawą do wydawania Europejskich Aprobat Technicznych [5]. Składają się one z 8 części zestawionych w tabeli 1. Tabela 1. Podział urządzeń dylatacyjnych mostów drogowych według ETAG 032 Część Tytuł 1 Wymagania ogólne 2 Nawierzchniowe przekrycia dylatacyjne (rys.1) 3 Podatne przekrycia bitumiczne (rys.2) 4 Jednomodułowe urządzenia dylatacyjne (rys.3) 5 Blokowe urządzenia dylatacyjne (rys.4) 6 Wspornikowe urządzenia dylatacyjne (rys.5) 7 Podparte urządzenia dylatacyjne (rys.6) 8 Wielomodułowe urządzenia dylatacyjne (rys.7) Poszczególne części Wytycznych zawierają m.in.: wymagania wytrzymałościowe i dotyczące stabilności, metody wymiarowania na zmęczenie, zużycie, wodoszczelność, odporności na poślizg oraz metody oceny trwałości, ocenę zgodności (zadania producenta i audytora), przykłady typowych przekryć lub urządzeń dylatacyjnych. W Załącznikach podano także m.in. wymagania dotyczące obciążeń ruchomych i ich kombinacji, metody badania pod obciążeniem ruchomym, metody badania wodoszczelności itp. 3. Stan techniki w dziedzinie urządzeń dylatacyjnych Najczęściej stosowane obecnie urządzenia dylatacyjne to te wymienione w tabeli 1. Przykładowo przedstawiono rysunki reprezentujące poszczególne grupy. Nawierzchniowe przekrycie dylatacyjne (rys. 1) stosowane jest w zakresie przemieszczeń do mm. Wykonywane jest na miejscu z folii wodoodpornej lub taśmy elastomerowej, których zadaniem jest rozdział przemieszczeń na większą szerokość oraz podtrzymywanie nawierzchni ułożonej w sposób ciągły nad szczeliną dylatacyjną. Rys. 1. Nawierzchniowe przekrycie dylatacyjne według ETAG 032-2: 1- materiał elastyczny, 2- zbrojenie nawierzchni, 3- szczelina wypełniona kitem, 4- nawierzchnia, 5- hydroizolacja, 6- beton przęsła, 7- uszczelka, 8- beton przyczółka 126

3 Podatne przekrycie bitumiczne (rys. 2) stosowane jest przy większych przemieszczeniach (do 40 mm). Także wykonywane na miejscu. Zawiera warstwę specjalnie podatnego materiału złożonego z lepiszcza i kruszywa, tworzącego fragment nawierzchni, podpartą nad szczeliną dylatacyjną cienką blachą metalową lub innym odpowiednim materiałem. Rys. 2. Podatne przekrycie bitumiczne według ETAG 032-3: 1- wypełnienie mieszanką kruszywa z bitumem, 2- posypka nawierzchni, 3- warstwa oddzielająca, 4- nawierzchnia, 5- hydroizolacja, 6- blacha metalowa, 7- stabilizator blachy, 8- czop, 9- uszczelnienie, 10- beton przęsła Jednomodułowe urządzenie dylatacyjne (rys. 3) stosowane jest w zakresie przemieszczeń do 80 mm. Składa się z profili krawędziowych, a szczelina między nimi wypełniona jest podatnym elementem nie uczestniczącym w przenoszeniu obciążenia z nawierzchni. Rys. 3. Jednomodułowe urządzenie dylatacyjne według ETAG 032-4: 2- zakotwienie, 3- uszczelka, 4- profil krawędziowy, 5- nawierzchnia Blokowe urządzenie dylatacyjne (rys. 4) stosowane jest do przemieszczeń 330 mm. Wykorzystano w nim sprężyste właściwości elastomerowej taśmy lub bloku do przeniesienia przemieszczeń pomostu. Taśma mocowana jest do konstrukcji za pomocą śrub kotwowych. Rys. 4. Blokowe urządzenie dylatacyjne według ETAG 032-5: 1- nawierzchnia, 2- (z lewej) uszczelnienie, 2- (z prawej) pas przejściowy, 3- zbrojenie, 4- elastomer, 5- zakotwienie 127

4 Wspornikowe (palczaste) urządzenie dylatacyjne (rys. 5) stosowane jest w zakresie od 80 do 800 mm. Składa się z elementów wspornikowych symetrycznych lub niesymetrycznych (palczastych lub zębatych), kotwionych jednostronnie po obu stronach szczeliny dylatacyjnej. Rys. 5. Wspornikowe (palczaste) urządzenie dylatacyjne przygotowane do transportu Podparte urządzenie dylatacyjne (rys. 6) składa się z elementu zamocowanego po jednej stronie szczeliny dylatacyjnej i podpartego ślizgowo na drugim elemencie po przeciwnej stronie. Pierwszy element przekracza szczelinę, a jego koniec ślizga się po drugim elemencie kotwionym po przeciwnej stronie szczeliny dylatacyjnej. Rys. 6. Konstrukcja palczastego urządzenia dylatacyjnego z obustronnym podparciem według ETAG 032-7: 1- płyta palczasta ślizgowa, 2- jednostronne utwierdzenie płyty, 3- podparcie ślizgowe płyty, 4- podatny system utrzymujący płytę ślizgową, 5- zakotwienie bolcowe lub pętlowe, 6- podpora, 7- rynna odwodnienia, 8- podpora ślizgowa Modułowe urządzenie dylatacyjne (rys. 7) ma największe możliwości przeniesienia przemieszczeń (ponad 800 mm). Składa się z kolejnych profili z elementami wodoszczelnymi opartych na metalowych belkach trawersowych, umożliwiających równomierne rozszerzanie i skracanie odległości między tymi elementami. Rys. 7. Wielomodułowe urządzenie dylatacyjne według ETAG 032-8: 1- profil krawędziowy, 2- profile pośrednie, 3- wkładka uszczelniająca, 5- skrzynka belki trawersowej, 6- łożysko ślizgowe górne, 7- łożysko soczewkowe dolne, 8- jarzmo, 9- belka trawersowa 128

5 Rozwój infrastruktury drogowej wymusza stosowanie coraz bardziej wyrafinowanych konstrukcji pod względem mechanicznym i materiałowym. Obecnie najbardziej rozpowszechnione są jednoi wielomodułowe urządzenia dylatacyjne oraz urządzenia typu palczastego (pracujące wspornikowo lub belkowo jako podparte). Stosowane do niedawna rozwiązania w postaci urządzeń blokowych, czy przegubowych płyt stalowych są rzadziej stosowane. Wymagania środowiskowe wymusiły konieczność stosowania takich rozwiązań urządzeń, które ograniczałyby poziom hałasu generowanego przez przejeżdżające pojazdy. Z tego względu coraz powszechniej stosowane są urządzenia palczaste, a w urządzeniach wielomodułowych - nakładki wyciszające. Chodzi o to, by koła pojazdów przekraczały szczelinę dylatacyjną wzdłuż jezdnych elementów konstrukcyjnych lub co najwyżej pod kątem względem ich położenia. W ten sposób, przynajmniej teoretycznie, hałas przy przekraczaniu urządzenia dylatacyjnego powinien być mniejszy. Jest to słuszne przy założeniu, że pozostałe, położone niżej elementy konstrukcyjne nie będą wywoływać hałasu. Jak do tej pory nie są znane autorom prace poświęcone temu zagadnieniu. 4. Trwałość urządzeń dylatacyjnych W Wytycznych ETAG 032 zagadnienie trwałości jest traktowane jako jedno z istotniejszych. Trwałość przekryć i urządzeń dylatacyjnych uzależniono m.in. od obciążeń ruchomych, wymuszanych przemieszczeń, częstotliwości i liczby cykli oraz odporności na zmęczenie i zużycie urządzenia lub jego elementów. Zależy ona także od możliwości wymiany elementów składowych oraz jakości wbudowania. Deklarowana przez producenta trwałość urządzenia powinna opierać się na kategoriach trwałości podanych w tabeli 2 przy przyjęciu liczby pojazdów N obs = 0,5 mln/rok (wg PN-EN , tabela 4.5). Tabela 2. Kategorie trwałości urządzenia dylatacyjnego Kategoria trwałości Okres (lata) Np.do 1 kategorii (10 lat trwałości) zaliczane są podatne przekrycia bitumiczne (rys. 2). Trwałość urządzenia zależy od trwałości jego elementów oraz od możliwości ich wymiany. W przypadku elementów w ETAG 032 podano następujące kategorie trwałości (tabela 3). Tabela 3. Kategorie trwałości elementów urządzenia dylatacyjnego Kategoria elementu urządzenia Zakładana trwałość A Niewymienialny Równa trwałości urządzenia B Wymienialny z dużym utrudnieniem w ruchu Co najmniej ½ trwałości urządzenia ale nie mniejsza niż 10 lat C Wymienialny z małym utrudnieniem w ruchu Nie mniejsza niż 10 lat W przypadku każdego z rodzajów urządzeń sformułowano także kryteria stanów granicznych, na podstawie których wyznaczana jest ich wytrzymałość zmęczeniowa. W tabeli 4 podano przykładowo kryteria w odniesieniu do podatnych przekryć bitumicznych. 129

6 Tabela 4. Kryteria oceny stanów granicznych podatnego przekrycia bitumicznego (rys. 2) Stan graniczny Wymagania stanu granicznego Uwagi Nośności Użytkowalności Brak załamania blachy metalowej Trwałe odkształcenia mniejsze od dopuszczalnych wg ETAG Brak trwałych odkształceń blachy metalowej Brak pęknięć na powierzchni większych od 1 mm oraz na głębokość większą od 5 mm lub odklejenia mieszanki wypełniającej Nie dotyczy materiału bitumicznego Tylko odwracalne odkształcenia, przemieszczenia i obroty. Dopuszczalne pełzanie i efekt histerezy W przypadku podatnego przekrycia bitumicznego dopuszczalne różnice poziomów nawierzchni pod obciążeniem powinny być mniejsze od 10 mm. W laboratoryjnych badaniach trwałości przyjmowane jest przemieszczenie 0,2 mm/h jako symulacja efektów termicznych lub/oraz 0,6 mm/s jako symulacja efektów od obciążenia ruchomego. Do badań należy przyjmować modele obciążeń FLM 1EJ - przy docisku 0,8 N/mm² oraz FLM 2EJ - przy docisku 1,0 N/mm² (tabela 5). Tabela 5. Liczba cykli obciążeń przy sprawdzaniu wytrzymałości na zmęczenie w zależności od kategorii trwałości w przypadku jednomodułowego urządzenia dylatacyjnego (rys. 3) Model obciążenia FLM 2 EJ FLM 1 EJ Liczba 10 lat 15 lat 25 lat 50 lat nieograniczona Jednomodułowe urządzenia dylatacyjne z zakotwieniami (docisk: 0,8 N/mm²) Obwiednia (wszystkie cykle n v+h ) Jednomodułowe urządzenia dylatacyjne z zakotwieniami (docisk: 1,0 N/mm²) n v+h 1, , , wg FLM 1 EJ n v 1, , , Σ n 2, , wg FLM 1 EJ wg FLM 1 EJ n v+h 0, , , wg FLM 1 EJ , n v 0, , , Obwiednia (wszystkie Σ n 1,44 10 cykle n v+h ) 6 2, wg FLM 1 EJ n v+h - liczba cykli obciążenia pionowego i poziomego jednocześnie, n v - liczba cykli obciążenia pionowego. wg FLM 1 EJ Urządzenia dylatacyjne mogą być oceniane na podstawie badań tylko pod obciążeniem pionowym. Wtedy w celu zaliczenia urządzenia do określonej kategorii należy przyjąć liczbę cykli obciążenia odpowiadającej wyższej kategorii. Na przykład aby przyznać urządzeniu kategorię FLM 2 EJ -10 lat, badania należy prowadzić przy liczbie cykli właściwej kategorii FLM 2 EJ - 15 lat. Modułowe urządzenia dylatacyjne mogą być wyposażone w nakładki wyciszające, ale ich konstrukcja i działanie nie są przedmiotem Wytycznych ETAG 032. Według Wytycznych stanowią one jedynie element konstrukcyjny urządzenia. Według [5] palczaste urządzenia dylatacyjne powinny być sprawdzane pod kątem zmęczenia, bądź obliczeniowo, bądź obliczeniowo i badawczo, bądź tylko przez wykonanie badań. Części metalowe powinna charakteryzować trwała wytrzymałość zmęczeniowa na poziomie 5 x 10 6 cykli obciążeń modelem FLM 1EJ. Ograniczona wytrzymałość zmęczeniowa elementów metalowych jest charakteryzowana liczbą cykli obciążeń wywołanych samochodami ciężarowymi zdefiniowanymi jako 130

7 model FLM 2EJ (przy pochyleniu nawierzchni pod kątem > 4 %. Różnica końców wsporników urządzenia palczastego w stanie nieobciążonym nie może przekraczać 5 mm. Współczynnik nadwyżki dynamicznej fat = 1,3 można zredukować przez uwzględnienie efektów nierówności między poziomami części sąsiadujących z urządzeniem. Nierówności te nie mogą jednak przekraczać 4 mm, czyli dopuszczalnej tolerancji nierówności nawierzchni drogowej według ETAG 032. Do tego niezbędne jest jednak przeprowadzenie badania dynamicznego z toczącym się kołem. 5. Tolerancje wbudowywania Przerwy dylatacyjne stanowią nieciągłości w nawierzchni jezdni. I jako takie są powodem powstawania dodatkowych sił działających dynamicznie i udarowo. Nawet w poprawnie wykonanym zabezpieczeniu tej przerwy występują efekty, które mogą być rejestrowane czujnikami przyspieszeń montowanymi na specjalnych pojazdach pomiarowych np. typu RoadSTAR [2]. W ETAG 032 [5], a także w innych wytycznych krajów UE [6] podano wymagania dotyczące dopuszczalnych odchyłek po wbudowaniu przekryć i urządzeń dylatacyjnych. Tolerancje wbudowania mają bowiem wpływ na trwałość urządzeń podczas eksploatacji. Według Wytycznych ETAG dopuszczalne różnice poziomów po wbudowaniu urządzenia powinny spełniać warunki podane na rys. 8. Te same wartości odchyłek są dopuszczalne w przypadku gdy różnice poziomów mają przebieg odwrotny. Idealna linia nawierzchni Rzeczywista linia nawierzchni Strefa połączenia dylatacyjnego Rys. 8. Dopuszczalne różnice wysokości nawierzchni w strefie przerwy dylatacyjnej według [5] Według wytycznych austriackich [6] odchyłki wbudowania urządzeń wielomodułowych powinny spełniać warunki podane na rys. 9, a podatnych przekryć bitumicznych podane na rys. 10. Rys. 9. Dopuszczalne zmiany wysokości wbudowania urządzenia wielomodułowego w przypadku pochylenia nawierzchni na dojeździe według [6]: RP- profil skrajny, ZP- profil pośredni, D- wkładka uszczelniająca 131

8 Rys. 10. Dopuszczalne zmiany pochylenia nawierzchni w przypadku przekryć bitumicznych lub uciąglenia nawierzchni według [6]: BS- mieszanka bitumiczna W Wytycznych ETAG 032 [5] podano warunki wbudowania jednomodułowego urządzenia dylatacyjnego (rys. 11). Rys. 11. Ograniczenie pochylenia powierzchni profilu skrajnego w stosunku do poziomu nawierzchni w urządzeniu jednomodułowym według [5] ETAG 032 podaje także warunek na pionową podatność urządzenia. Pionowe ugięcie pod obciążeniem w miejscu urządzenia dylatacyjnego nie powinno przekraczać 5-6 mm. Warunkiem poprawnego wykonania zakotwienia urządzenia dylatacyjnego, gwarantującego jego trwałość jest spełnienie minimalnych wymagań podanych na rys. 12. Rys. 12. Zalecane zakotwienie urządzenia dylatacyjnego w obrębie jezdni według [5] 6. Przykłady uszkodzeń i awarii urządzeń dylatacyjnych w Polsce W latach pojawiło się na odcinkach autostradowych w Polsce wiele uszkodzeń lub awarii jednomodułowych i wielomodułowych urządzeń dylatacyjnych [1]. W większości przypadków urządzenia te były wyposażone w nakładki wyciszające. Niektóre uszkodzenia polegające na odrywaniu nakładek obserwowano już po roku eksploatacji. Uszkodzenia były systematycznie naprawiane w ramach gwarancji. 132

9 Odrywanie nakładek wyciszających występowało głównie na profilach pośrednich wielomodułowych urządzeń dylatacyjnych, w których śruby mocujące nakładki znajdowały się w jednym rzędzie w osi profilu pośredniego (rys. 13 i 14). Stwierdzono następujące uszkodzenia: odkręcanie pojedynczych śrub mocujących nakładki; po odkręceniu śruby część nakładki była wyłamywana (rys. 15); odspajanie zarówno nakładek dokręconych do profili pośrednich, jak i nakładek nie dokręconych do profili pośrednich; zrywanie śrub mocujących nakładki. Rys. 13. Obraz zniszczeń nakładek w strefie bliższej pasa awaryjnego Rys. 14. Obraz zniszczeń nakładek w strefie bliższej środka jezdni 133

10 Rys. 15. Oderwany fragment nakładki z profilu pośredniego Pęknięcia i ubytki części nakładek występowały najczęściej w skrajnym prawym pasie ruchu, w miejscach śladów kół przejeżdżających pojazdów. Pasem tym szerokości 3,75 m porusza się większość pojazdów ciężarowych (TIR-ów) o naciskach osi niejednokrotnie przekraczających dopuszczalne 115 kn. Przyczyny uszkodzeń nakładek wyciszających można podzielić na dwie grupy: - przyczyny bezpośrednie, i - przyczyny pośrednie. Bezpośrednimi przyczynami odrywania nakładek było: - brak dokładności wykonania otworów gwintowanych na śruby imbusowe, - niedokręcenie śrub imbusowych, - niedokładne przyspawanie głowic śrub do krawędzi nakładek lub zniszczenie tego połączenia w czasie eksploatacji, - niezgodna z Aprobatą Techniczną grubość nakładki (15 mm zamiast 20 mm). W efekcie występowało poluzowanie śrub lub ich wyrwanie, co doprowadzało do powstania dużych momentów skręcających w tej części nakładki. Momentu tego nie był w stanie przenieść przekrój w styku dwóch sąsiadujących ze sobą rombów. Pękniecie przekroju powodowało dalsze niszczenie połączeń wraz ze zrywaniem trzpieni śrub. Pośrednimi przyczynami uszkodzeń nakładek było: - zastosowanie śrub imbusowych z łbem stożkowym w konstrukcjach poddanych silnym obciążeniom dynamicznym, - przyjęcie niewłaściwego kształtu nakładek wyciszających o małej odporności na momenty skręcające, - przymocowanie nakładek szeregiem śrub usytuowanych w jednej osi. W normie PN-EN dotyczącej projektowania złącz konstrukcji stalowych, podano, że w elementach poddanych drganiom, uderzeniom i innym oddziaływaniom dynamicznym nie są zalecane śruby z łbem stożkowym. Natomiast w normie PN A1:2012 dotyczącej wymagań technicznych przy wykonywaniu konstrukcji stalowych zwrócono uwagę na skutki uplastycznienia gwintów śrub mocujących nakładki, a także podano, że minimalna grubość takiej nakładki powinna wynosić 20 mm. Przyjęty kształt i system mocowania nakładek jest niezgodny z podstawowymi zasadami projektowania połączeń, w których zastosowano łączniki śrubowe, nity czy jak w konstrukcjach drewnianych gwoździe. Przy wszelkich tego rodzaju połączeniach błędem jest stosowanie jednego łącznika. W przekroju obciążonym momentem zginającym powinny być co najmniej dwa łączniki. Jeżeli, ze względu na brak miejsca, nie można tego zrealizować, to można zastosować drugą linię 134

11 łączników przesuniętą w stosunku do pierwotnej. Wówczas łączniki w tej drugiej linii będą współpracować w przenoszeniu momentów z tymi w pierwszej linii. Tego rodzaju rozwiązanie jest stosowane w świecie, a nawet zastosowano je ostatnio w bliźniaczym do przedstawionego na rys. 13 i 14 rozwiązaniu. W urządzeniach dylatacyjnych, w których śruby mocujące nakładki wyciszające ustawiano w dwóch rzędach, naprzemiennie w stosunku do osi profilu pośredniego, uszkodzeń nakładek wyciszających nie stwierdzono. Natomiast uszkodzenia jednomodułowych urządzeń dylatacyjnych występowały w przypadku osiadania i przemieszczania się przyczółków, w wyniku czego następowało zaciskanie szczelin dylatacyjnych. Urządzenia dylatacyjne nie są bowiem projektowane na obciążenia wywołane przemieszczeniami podpór obiektu mostowego. Niekiedy odrywanie nakładek wyciszających występowało także na profilach skrajnych jednomodułowych i wielomodułowych urządzeń dylatacyjnych (rys. 16 i 17). Następowało to w wyniku zerwania śrub mocujących nakładkę. Powodem było np. wykonanie zbyt krótkiego gwintu w otworze profilu skrajnego lub niedokręcenie śruby mocującej. Rys. 16. Zerwana śruba mocująca nakładkę w jednomodułowym urządzeniu dylatacyjnym Rys. 17. Zerwana śruba mocująca nakładkę w wielomodułowym urządzeniu dylatacyjnym Często pojawiają się także uszkodzenia zakotwień modułowych urządzeń dylatacyjnych, wynikające z wybojów na dojeździe. Wyboje te powodują zwiększone oddziaływania dynamiczne. Duże szkody w zakotwieniach skrajnych profili powodują także pługi odśnieżające nawierzchnię, których lemiesze 135

12 zaczepiają o wystającą część profili. Uszkodzenia polegają wtedy na odspojeniu od betonu profili skrajnych kotwionych na krawędziach szczelin dylatacyjnych (rys. 18). Przyczyną jest także słabość zakotwienia profili skrajnych w betonie. Odspojone profile uzyskiwały możliwość obrotów, co prowadziło do zniszczenia nawierzchni przy skrajnych profilach dylatacyjnych. Te doświadczenia spowodowały, że zakotwienia urządzeń dylatacyjnych przyjęte w Aprobatach Technicznych zmieniono na bardziej wytrzymałe. Rys. 18. Odkrywka w miejscu wyboju przy przerwie dylatacyjnej; odspojenie profilu od betonu podłoża Na jednym z dużych obiektów stalowych nastąpiło wyłamanie zębów we fragmencie podpartego urządzenia dylatacyjnego, którego schemat przedstawiono na rys.6. Zniszczenie wystąpiło w miejscu sprężystego utwierdzenia elementu (rys. 19), którego drugi koniec jest podparty z możliwością poślizgu. Prawdopodobną przyczyną uszkodzenia było wcześniejsze odkręcenie śrub mocujących w celu oczyszczenia elastomerowej rynny odwadniającej. Rys. 19. Wyrwane zęby we fragmencie podpartego urządzenia dylatacyjnego W jednym przypadku odnotowano także awarię, polegającą na pęknięciu profilu pośredniego wielomodułowego urządzenia dylatacyjnego z mechanizmem nożycowym (rys. 20). 136

13 Rys. 20. Pęknięcie profilu pośredniego w miejscu połączenia spawanego profilu Często występowały też awarie spowodowane wandalizmem, celowym rozkręceniem mechanizmów nożycowych (rys. 21). Konieczne jest konstrukcyjne zabezpieczanie mechanizmów nożycowych przed takim działaniem. Rys. 21. Rozkręcony mechanizm nożycowy; brak zewnętrznego płaskownika oraz dwóch sworzni Generalnie, w wielu krajach europejskich odchodzi się od mechanizmów nożycowych, ze względu na ich awaryjność i skomplikowany mechanizm działania. W ETAG 032, gdzie podano wiele przykładów typowych rozwiązań, tego rozwiązania na rysunkach nie przedstawiono. Jest tylko wymieniane w tekście jako jedno z możliwych rozwiązań. Przy niektórych urządzeniach dylatacyjnych wyraźnie było słychać zwiększenie hałasu podczas przejazdu samochodów ciężarowych. Dotyczyło to szczególnie skrzynkowych przęseł stalowych działających jak pudło rezonansowe. W wielu obserwowanych przypadkach poziom modułowego urządzenia dylatacyjnego odbiegał znacznie od poziomu nawierzchni na dojazdach (rys. 22). W skrajnych przypadkach różnice tych poziomów sięgały 25 mm a nawet więcej mm. Tego rodzaju niedokładności są przyczyną zwiększenia obciążeń dynamicznych, hałasu i mniejszego komfortu jazdy. W rezultacie mogą prowadzić do ograniczenia trwałości urządzenia. 137

14 Rys. 22. Pomiar zagłębienia w nawierzchni nad modułowym urządzeniem dylatacyjnym 7. Podsumowanie i wnioski W większości przypadków uszkodzenia urządzeń dylatacyjnych, bezpośrednio po ich stwierdzeniu, nie stanowią zagrożenia dla bezpiecznej eksploatacji obiektu. Zmniejszają w pewnym stopniu komfort jazdy i są przyczyną zwiększonych oddziaływań dynamicznych. Jednakże zaniechanie działań naprawczych może prowadzić do poważniejszych awarii nie tylko samego urządzenia ale i sąsiadujących elementów konstrukcji mostowej. Uszkodzenia lub awarie przekryć i urządzeń dylatacyjnych wynikają na ogół nie z jednej a z kilku przyczyn, wśród których najczęściej występują: - błędny dobór urządzenia przez projektanta obiektu, - nieprzestrzeganie wymagań Aprobaty Technicznej IBDiM oraz Wytycznych ETAG 032, - wadliwy montaż lub niedokładne wbudowanie urządzenia, - brak utrzymania i konserwacji, - wandalizm. W odniesieniu do nakładek wyciszających wnioski są następujące: - kształt geometryczny nakładek oraz system ich mocowania powinien uwzględniać obciążenie dynamicznie konstrukcji, - urządzenia z nakładkami powinny być także badane pod dynamicznym obciążeniem powtarzalnym. Nieuzasadnione a czasem i kontrowersyjne jest także stosowanie nakładek wyciszających tam gdzie nie są one konieczne (w terenie niezabudowanym) oraz profili hybrydowych tworzonych z dwóch gatunków stali: nierdzewnej i tzw. czarnej. Na podstawie ostatnich doświadczeń Instytutu z przypadkami awarii urządzeń dylatacyjnych, zaostrzono niektóre wymagania w odniesieniu do ich konstrukcji i procedur badawczych. Wprowadzono m.in. warunek wzmocnienia zakotwienia urządzeń dylatacyjnych. Jako minimalne przyjęto zakotwienie zgodne z wytycznymi niemieckiego normatywu ÜBE 1 oraz ETAG 032 (rys.12). Zakotwienie to powinno być złożone z blachy gr.15 mm oraz pętli z pręta okrągłego o średnicy 20 mm. Ze względu na zwiększone natężenie ruchu zmodyfikowano procedury badawcze IBDiM: Nr PB- TM-07, dotyczącą badań urządzeń wielomodułowych oraz Nr PB-TM-1/14, dotyczącą badania urządzeń jednomodułowych. Zwiększono siłę obciążającą z 80 kn do 100 kn oraz wprowadzono dodatkowo trzecie ustawienia siły, np. w celu wywołania zginania nakładek wyciszających. W badaniu jednomodułowych urządzeń dylatacyjnych z nakładkami wyciszającymi wprowadzono obciążenie 4 mln cykli, przy ustawieniu siły obciążającej w taki sposób, aby obciążała ona nakładki z obu stron 138

15 szczeliny dylatacyjnej, wywołując ich zginanie. W nowych wydaniach Aprobat Technicznych IBDiM należałoby dostosować procedury badawcze do procedur zalecanych w Wytycznych ETAG 032. Literatura [1] GAJDA T., GERMANIUK K., Raport z przeglądu mostowych modułowych urządzeń dylatacyjnych z nakładkami wyciszającymi, eksploatowanych na obiektach w ciągu Autostradowej Obwodnicy Wrocławia, IBDiM 2014 [2] LACHINGER S., SPIELHOFER R., STRAUSS A., ZIMMERMANN T., KLEISER M., Entwicklung verschleißarmer Fahrbahnübergange, Forschungsprojekt EVAF - Mobile Datenerfassung - Analyse der dynamischen Belastung, Bautechnik 91 (2014), Heft 7, [3] NIEMIERKO A., Aspekty prawne stosowania urządzeń dylatacyjnych i łożysk mostowych, Materiały Budowlane 2011 nr 7, str.39-40, 85 [4] ZIMMERMANN T., FRIEDRICH H.P., STRAUSS A., LACHINGER S., BINDER F., GABL T., ZLATARITS J., SCHÖN A., HOFFMANN S., Entwicklung verschleißarmer Fahrbahnübergangskonstruktionen, Forschungsprojekt EVAF - Schadenserhebung - Sensitivitätsanalyse, Bautechnik 91 (2014), Heft 2, [5] ETAG N 032 (wyd. maj 2013 r.) - Guideline for European Technical Approval of Expansion Joints for Road Bridges Part 1: General Part 2: Buried Expansion Joints Part 3: Flexible Plug Expansion Joints Part 4: Nosing Expansion Joints Part 5: Mat Expansion Joints Part 6: Cantilever Expansion Joints Part 7: Supported Expansion Joints Part 8: Modular Expansion Joints [6] RVS Bridge Equipment Expansion Joints, Editor: Austrian Research Council for Roads and Traffic Working Group "Bridges", Technical Committee "Bridge Equipment", 1999 [7] Zalecenia IBDiM do udzielania Aprobat Technicznych Nr Z/ Mostowe urządzenia dylatacyjne, IBDiM Warszawa 2010 (autor: GERMANIUK K.) BRIDGE EXPANSION JOINTS DAMAGES AND FAILURES Bridge expansion gaps form discontinuities in carriageway pavement and so they cause the additional dynamic and impact road traffic actions. They have influence on durability and reliability of bridge expansion joints which are often complex mechanical structures. Their quality depends on requirements fulfillment given in R&BRI Technical Approvals as well as ETAG 032 Guideline. These requirements refer not only to assembly and installation precision of expansion joints but also to their fatigue resistance verification. Nonetheless, not only in Poland, more and more one can observe their damages and failures. They are discussed on examples pointing out their causes. Most of failures are related to the shape of surface noise reducing elements and method of their fastening. In conclusion was recommended to extend the fatigue tests on expansion joints with surface noise reducing elements. 139

16 140