ARCHIWUM INSTYTUTU INŻYNIERII LĄDOWEJ Nr 24 ARCHIVES OF INSTITUTE OF CIVIL ENGINEERING 2017 PRZEBUDOWA KRATOWNICOWEGO MOSTU DROGOWEGO NA RZECE BYSTRZYCA DUSZNICKA 1 W KŁODZKU Józef RABIEGA Politechnika Wrocławska W pracy opisano sposób i realizację remontu i przebudowy pomostu w drogowym, kratownicowym moście przez rzekę Bystrzycę Dusznicką w Kłodzku. Celem opracowania jest zwymiarowanie i sprawdzenie podstawowych elementów konstrukcyjnych ustroju nośnego i pomostu przęsła mostu oraz ich połączeń na obciążenia klasy C wg PN- 85/S-10030. Zakres przebudowy ustroju nośnego obejmował: demontaż nawierzchni jezdni i chodników oraz ich podbudowy z kształtowników Zoresa, wykonanie nowej żelbetowej płyty pomostowej, opartej na układzie rusztowym z poprzecznic i podłużnic, wykonanie płyt przejściowych oraz napraw uszkodzonych elementów ustroju nośnego i podpór, oczyszczenie konstrukcji stalowej i przyczółków metodami strumieniowościernymi, zabezpieczenie antykorozyjne konstrukcji stalowej przęsła i łożysk, zamontowanie nowego wyposażenia obiektu. Na czas przebudowy mostu w jego pobliżu od strony wody górnej wybudowano kładkę tymczasową dla pieszych i obsługi budowy. Słowa kluczowe: most drogowy kratowy, remont, przebudowa, badania stali. 1. WPROWADZENIE Przedmiotowy most, znajdujący się w ciągu drogi powiatowej nr 3238D i ul. J. Korczaka w Kłodzku jest konstrukcją eksploatowaną już ponad 100 lat (rok budowy 1915). Przez lata powojenne nie był nigdy gruntownie remontowany. Z tego też powodu jego stan techniczny był bardzo niezadowalający, głównie w obrębie pomostu. Z powodu nieszczelnej i niesprawnej izolacji poziomej pomostu rozwinęła się daleko posunięta korozja powierzchniowa, a miejscami i korozja wżerowa rusztu z poprzecznic i podłużnic, stężeń wiatrowych, a także pokładu z zoresówek, stanowiących podbudowę pod konstrukcję bitumicznej nawierzchni jezdni i chodników. Pojawiły się także miejscowe zniszczenia korozyjne w obrębie węzłów, w pasach dolnych kratownicowych dźwigarów głównych a także ubytki i obluzowania w kamiennej oblicówce ścian przyczółków. Wszystkie te uszkodzenia doprowadziły w ostateczności do wyłączenia 1 DOI 10.21008/j.1897-4007.2017.24.20
282 Józef Rabiega obiektu z eksploatacji do czasu wykonania remontu i obszernej jego przebudowy, głównie w obrębie pomostu. W efekcie sprawnie zrealizowanych prac obiekt zyskał odpowiednią nośność użytkową, większą trwałość oraz atrakcyjny i efektowny wygląd architektoniczny. 2. KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA MOSTU I ZAKRES JEGO REMONTU Obiekt usytuowany jest w ciągu ulicy Korczaka w Kłodzku. Przekraczaną przeszkodę stanowi Bystrzyca Dusznicka. Most jest obiektem jednoprzęsłowym o dźwigarach głównych kratowych, górnoparabolicznych, z jazdą dołem. Rozpiętość teoretyczna w osiach łożysk wynosi 23,00 m. Węzły kratownic rozmieszczone są co 2,30 m. Podbudowę bitumicznej nawierzchni jezdni i chodników stanowiły walcowane kształtowniki stalowe, tzw. zoresówki 240x110x11 mm, pokryte betonem i izolacją, o łącznej grubości 0,40 m. Przęsło usytuowane jest jako prostokątne w planie i krzyżuje się z osią rzeki pod kątem 90. Szerokość użytkowa jezdni na moście wynosiła 5,00 m, a obustronnych chodników wewnętrznych 2x0,90 m. Całkowita szerokość przęsła mostu miała 7,792 m, a długość 29,50 m. Poniżej, na rys. 1, pokazano ogólne widoki mostu oraz podstawowe gabaryty obiektu (rys. 2). Rys. 1. Ogólne widoki mostu przed remontem
Przebudowa kratownicowego mostu drogowego na rzece 283 Wewnętrzne chodniki posiadają balustrady z dwóch rur stalowych D = 50 mm, usytuowanych na wewnętrznych licach dźwigaróww kratowych. Warstwy nawierzchni jezdni i chodników opisano na rysunku nr 2. Rys. 2. Przekrój poprzeczny przęsła mostu przed przebudową Wyniki analizy składu chemicznego, wykonanej metodą grawimetryczną, przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Wyniki analizy składu chemicznego Pierwiastek C Mn Si P S Cr Ni Procentowa zawartość w badanej próbce (%) 0,030 0,42 0,03 0,020 0,030 0,05 0,02 Badany materiał spełnia wymagania dotyczące składu chemicznego współtwardości czesnej stali gatunku St2SX wg normy PN-89/H-84023/03. Pomiary wykonanoo w przekroju poprzecznym badanej próbki metodą Vickers a w wa- Zwick 321, obciążenie 10 kg (98,07 N) działające w czasie 15 s. Średnia twar- runkach zgodnych z PN-EN ISO 6507-1: 1999. Stosowano twardościomierz dość badanego elementu wyniosła 140HV10± ±2. Na podstawie pomiarów twar- na 476 dości wytrzymałość badanego materiału można w przybliżeniu określić MPa. Natomiast wyliczona na podstawie zawartości węgla wytrzymałość na rozerwanie R m = 370 MPa. Równoważnik węgla CEV, charakteryzujący spa- walność metalurgiczną, wyliczonyy ze wzoru:
284 Józef Rabiega CEV = C + Mn 6 + Cr+Mo+V + Ni+Cu = 0,10 < 0,45 (2.1) 5 15 Szlify do badań mikroskopowych wykonano na przekroju wzdłużnym. Obserwacje szlifów przeprowadzono przy powiększeniach z zakresu od 100x do 1000x w stanie nietrawionym oraz po wytrawieniu odczynnikiem Mi1Fe wg normy PN-61/H-04503. Stosowano mikroskop metalograficzny Neophot32 sprzężony z kamerą cyfrową CCD Insight Spot. W wyniku obserwacji mikroskopowych stwierdzono występowanie średniej ilości wtrąceń niemetalicznych w postaci siarczków rozmieszczonych pasmowo, zgodnie z kierunkiem przeróbki plastycznej. Jako materiał konstrukcji przęsła, ustalony na podstawie laboratoryjnych badań próbki stali pobranej z pasa dolnego kratownicy, przyjęto niskowęglową stal zlewną w gatunku St2SX wg normy PN-72/H-84020. Badana stal nie wykazuje oznak degradacji strukturalnej i może być łączona metodami spawalniczymi. Dla oceny aktualnej nośności konstrukcji przyjęto wytrzymałość obliczeniową stali przęsła na poziomie R = 200 MPa, ustaloną zgodnie z zasadami podanymi w normie PN-82/S-10052. Pochodzący z początków XX wieku obiekt najprawdopodobniej wybudowała firma Beuchelt u. Sohn z Zielonej Góry (pozostał ślad po tabliczce znamionowej charakterystycznej dla tej firmy o bardzo bogatej tradycji w budowie mostów stalowych, m.in. w tych okolicach). W okresie powojennego użytkowania bieżące utrzymanie niniejszego obiektu w zasadzie sprowadzało się do wymiany nawierzchni na jezdni mostu i na dojazdach. Konstrukcja przęsła wykonana jest jako całkowicie nitowana. Dźwigary główne kratowe ustawione są w rozstawie osiowym 7,37 m, a ich pasy górne nie są ze sobą powiązane stężeniami wiatrowymi, głównie dla zachowania skrajni pionowej na obiekcie. W połowie rozpiętości przęsła odległość między osiami pasów kratownic wynosi 3,45 m, a całkowita wysokość kratownicowych dźwigarów głównych ma 3,709 m. Konstrukcję pomostu stanowią rozstawione co 2,30 m pełnościenne poprzecznice nitowane o wysokości 0,68 m, do środników których przymocowane są podłużnice z dwuteowników 280 mm w rozstawie osiowym 0,78 m, na których, poprzecznie do podłużnej osi przęsła, ułożone były zoresówki, stanowiące podbudowę nawierzchni jezdni i chodników. Wysokość konstrukcyjna przęsła wynosi 1,440 m. Według pionowego oznakowania na dojazdach do mostu jego nośność ograniczono do 8 ton. W poziomie dolnych pasów poprzecznic, w każdym polu między węzłami kratownic, założone są tężniki wiatrowe w kształcie litery X, wykonane z kątowników 100x100x10 mm. Kratowe dźwigary główne opierają się na masywnych betonowych przyczółkach, oblicowanych blokami z piaskowca, za pośrednictwem staliwnych łożysk stałych (na przyczółku prawobrzeżnym) i trójwałkowych łożysk ruchomych (na przyczółku lewobrzeżnym, od strony centrum Kłodzka). Stwierdzone największe uszkodzenia konstrukcji obiektu to:
Przebudowa kratownicowego mostu drogowego na rzece 285 rozległa korozja pokładu z zoresówek, przesądzająca o pilnej potrzebie ich wymiany, korozja powierzchniowa i miejscami wżerowa poprzecznic i podłużnic, stężeń wiatrowych dolnych i prętów w węzłach dolnych pasów dźwigarów kratowych oraz łożysk, miejscowe ubytki i poluzowania kamiennej okładziny ścian przyczółków. Oprócz powyższych uszkodzeń stwierdzono nieprawidłowości w obrębie jezdni i chodników w postaci spękań i nierówności bitumicznej nawierzchni na jezdni i wylewki betonowej na chodnikach, a także nieuporządkowanie terenu pod obiektem. Zakres remontu był stosunkowo obszerny i obejmował: wymianę podbudowy nawierzchni jezdni i chodników z zoresówek na płytę żelbetową o grubości 18-23 cm, zespoloną z górnymi pasami podłużnic łącznikami zespalającymi M16 w poziomie górnych półek podłużnic w skrajnym polu między poprzecznicami na prawym brzegu rzeki, od strony Krosnowic, i zamontowanie krawężników granitowych 18x18 cm na drenażu z grysu balastowego otoczonego żywicą, odnowienie powłok malarskich na wszystkich stalowych elementach przęsła i łożysk, naprawę kamiennych okładzin ścian przyczółków przez oczyszczenie ich powierzchni z renowacją fugowania i uzupełnienie ubytków, gruntowną odnowę dojazdów i uporządkowanie otoczenia pod mostem, wykonanie płyt przejściowych długości 4,00 m i grubości 0,30 m i podbudowy nawierzchni jezdni na dojazdach do obiektu, z zakotwieniem w ściankach przyczółków, wykonanie nawierzchni jezdni z następujących warstw: warstwa ścieralna SMA 0/12,8 gr. 4 cm, asfalt twardolany gr. 4cm, izolacja z dwóch warstw papy termozgrzewalnej gr. 1 cm, wykonanie nawierzchni na chodnikach na bazie żywic poliuretanowych grubości 0,5 cm, na żelbetowych kapach z trzema kanałami kablowymi z rur HDPE D = 110 mm, montaż prowadnic bariery ochronnej SP-06 na przekładkach do istniejących słupków ustroju nośnego, oczyszczenie i zabezpieczenie antykorozyjne łożysk z przesmarowaniem wałków smarem grafitowym ŁT43, zamontowanie barieroporęczy energochłonnej SP-06 przekładkowej na skrzydłach przyczółków, wzmocnienie bitumicznej nawierzchni nad przyczółkami pasami geosiatki szerokości 1,0 m, wykonanie podlewki z betonu B30 gr ok. 10 cm z przełożeniem okładzin kamiennych na skrzydłach obu przyczółków, wykonanie chodników z kostki wibroprasowanej na dojazdach do obiektu,
286 Józef Rabiega montaż barier energochłonnych SP-06 przekładkowych z zatopieniem na dojazdach do obiektu. 3. SPRAWDZAJĄCE OBLICZENIA STATYCZNO -WYTRZYMAŁOŚCIOWE Przedmiotem obliczeń był ustrój nośny obiektu, tj. dźwigar kratowy wraz z pomostem w formie otwartego rusztu stalowego i opartej na nim niezespolonej, żelbetowej płyty. Obliczenia statyczne wykonano zgodnie z normami [1-4]. Podstawowe elementy konstrukcyjne przęsła oraz ich połączenia sprawdzono na obciążenia klasy C [1] pojazdy o ciężarze całkowitym do 300 kn (30 ton), rozpatrując układy obciążeń: podstawowy (P) i dodatkowy (PD). Obliczenia wielkości statycznych konstrukcji wykonano przy użyciu modelu MES obiektu, wykonanego na potrzeby przedmiotowego opracowania, w oparciu o poniższe zasady. Konstrukcję mostu opisano numerycznie jako strukturę przestrzenną klasy (e 1 +e 2,p 3 ), odzwierciedlając jej kształt zarówno w planie jak i przekroju poprzecznym, łącznie ze sposobem podparcia. Elementami prętowymi opisano geometrię kratownicowych dźwigarów głównych (zakrzywionego pasa górnego, pasa dolnego, słupków i krzyżulców) oraz elementów rusztu pomostu (poprzecznic i podłużnic). We wszystkich węzłach połączeń elementów kratownicy nadano zwolnienia momentowe realizujące swobodę obrotów w płaszczyźnie dźwigara. Połączenia poprzecznic z węzłami kratownicy modelowano jako sztywno utwierdzone, zapewniając rzeczywisty sposób przekazania sił z pasów poprzecznic na słupki dźwigarów. Układ taki odzwierciedla pracę ustroju poprzecznej półramy kratownicowej. W węzłach połączeń podłużnic z poprzecznicami nadano zwolnienia momentowe realizujące swobodę obrotów podłużnic w płaszczyźnie pionowej (wzdłuż podłużnic) i poziomej. Elementami powierzchniowymi opisano żelbetową płytę pomostową. Podparcie elementów powierzchniowych na prętach rusztu pomostu zrealizowano w sposób odzwierciedlający pracę niezespolonej płyty pomostowej tj. przenoszenie tylko sił pionowych. Tym samym uwzględniono pracę płyty pomostowej wynikającą z jej własnej sztywności i będącą następstwem tego redystrybucję obciążenia na poszczególne elementy rusztu. Elementom prętowym przypisano charakterystyki materiałowe i geometryczne przekroju brutto bez uwzględnienia osłabień korozyjnych. W przypadku elementów powierzchniowych przypisano charakterystyki materiałowe i geometryczne przekroju o średniej wysokości płyty pomostowej. W modelu geometrii pominięto spadki poprzeczne i podłużne. Na rysunku poniżej przedstawiono graficznie opis numeryczny przęsła.
Przebudowa kratownicowego mostu drogowego na rzece 287 Rys. 3. Model geometrii mostu (e 1 +e 2,p 3 ) Modelu obliczeniowego użyto do przeprowadzenia analizy numerycznej mającej na celu: wyznaczenie charakterystycznych i obliczeniowych wartości sił wewnętrznych i reakcji podporowych od obciążeń stałych oraz zmiennych klasy C, określenie maksymalnych ugięć wywołanych obciążeniami stałymi oraz zmiennymi klasy C, przeprowadzenie analizy wyboczeniowej. Charakterystyki geometryczne brutto stosowano do opisu elementów modelu obliczeniowego oraz przy sprawdzeniu na wyboczenie elementów ściskanych dźwigara kratownicowego. Charakterystyki geometryczne netto wykorzystano do przeprowadzenia analizy wytrzymałościowej elementów; wyznaczono je dla położenia osi bezwładności jak dla przekroju brutto dokonując osłabienia przekroju poprzecznego otworami na nity oraz uwzględniając osłabienia korozyjne w oparciu o tabelę poniżej. Tabela 2. Osłabienia korozyjne elementów konstrukcji stalowej Lp. Element Głębokość ubytku korozyjnego na obwodzie Osłabienie przekroju Redukcja charakterystyk geometrycznych 1. Pas górny, słupki, krzyżulce 0,0 mm 2. Pas dolny 0,5 mm 5% 0,95 3. Poprzecznice 1,0 mm 10% 0,90 4. Podłużnice 1,0 mm 15% 0,85 Elementy ściskane dźwigara kratowego sprawdzono na wyboczenie. Sprawdzono też bezpieczeństwo sprężyście podpartych górnych pasów kratownicowych dźwigarów głównych ze względu na wyboczenie z płaszczyzny dźwigara poprzez wyznaczenie wielkości rozporów c 1 H 0 i ich porównanie ze sztywnością pasów i sztywnością (odporem) półram. Osobno sprawdzono stan wytężenia
288 Józef Rabiega projektowanej żelbetowej płyty pomostowej, elementów łożysk oraz ugięcia dźwigara kratowego, porównując je do ugięć dopuszczalnych, tj. L/500. Dla wszystkich stalowych elementów mostu zastosowano dodatek +5% do ciężaru na nity i blachy węzłowe. 4. PRZEBIEG PRAC REMONTOWYCH Z uwagi na brak możliwości wykonania remontu obiektu z utrzymaniem na nim samochodowego ruchu wahadłowego (mała szerokość jezdni) na czas prowadzenia robót obiekt został całkowicie wyłączony z ruchu kołowego, a na ten czas wprowadzono stosowny objazd. Przy tak zorganizowanym ruchu zastępczym możliwe było wykonanie przebudowy mostu w jednym etapie, minimalizując jednocześnie okres wyłączenia go z ruchu. Najpierw zdjęto wszystkie warstwy nawierzchni na całej długości pomostu obiektu oraz na dojazdach z obu stron, a następnie zdemontowano kształtowniki Zoresa z usunięciem nitów mocujących je do podłużnic i oczyszczono strumieniowo-ściernie wszystkie stalowe elementy przęsła wraz z łożyskami i kamienną okładziną przyczółków. W celu podwyższenia trwałości mostu i bezpieczeństwa jego użytkowników wykonane zostały obustronne bariery ochronne na całej długości obiektu i w częściach dojazdowych. Wykonano nowy, szczelny pomost z płyty żelbetowej o zmiennej grubości na szerokości i długości przęsła mostu. Po oczyszczeniu konstrukcji stalowej przęsła i jego antykorozyjnym zabezpieczeniu zamontowano wyposażenie. Remont kamiennych przyczółków obejmował ich oczyszczenie przez piaskowanie, wykonanie renowacji fugowania między blokami z piaskowca oraz odtworzenie brakujących fug zaprawami niskoskurczowymi. Odspojone fragmenty kamieniarki na skrzydłach przyczółków po zdemontowaniu przemurowano na nowo. Odtworzono również kamienne okładziny (kapy) na górnych powierzchniach skrzydeł przyczółków. Przed ponownym montażem okładzin koniecznie było wykonanie betonowej podlewki z betonu B30 grubości ok. 30 cm, niwelującej różnicę wysokości pomiędzy istniejącym i projektowanym poziomem chodników na obiekcie. Na istniejącym układzie rusztowym z poprzecznic i podłużnic oparto żelbetową płytę pomostową z betonu B40 o grubości w osiach odwodnienia 18-23 cm. Spadek poprzeczny płyty pomostowej w strefie jezdni zaprojektowano jako daszkowy wynoszący 2% i kontrspadek pod kapami chodnikowymi. Ukształtowanie płyty pomostowej dostosowano do przebiegu niwelety trasy i położenia w planie osi istniejącej drogi. W związku z tym jej grubości są zmienne na długości i wynoszą: w osi jezdni 23 cm nad podporami skrajnymi i 28 cm w środku rozpiętości, w osi odwodnienia 18 cm nad podporami skrajnymi i 23 cm w środku rozpiętości przęsła. Jako zbrojenie miękkie zastosowano stal BSt500S na zbrojenie główne i St3S-b na zbrojenie drugorzędne. Przewidziano zastosowanie następujących elementów wyposażenia:
Przebudowa kratownicowego mostu drogowego na rzece 289 jezdnia złożona z warstwy ścieralnej o grubości 40 mm (beton asfaltowy SMA) oraz wiążącej o grubości 40 mm (asfalt twardolany), izolacja z papy termozgrzewalnej, krawężnik kamienny 18 x 18 cm, żelbetowe kapy chodnikowe z betonu B40 z zastosowaniem nawierzchni szczelnej na bazie żywicy epoksydowej i poliuretanu, bariery i barieroporęcze energochłonne SP-06 przekładkowe. Wszystkie elementy stalowe konstrukcji zabezpieczono poprzez pokrycie ich powłokami malarskimi po uprzednim oczyszczeniu metodami strumieniowościernymi do stopnia czystości Sa2,5. Przewidziano następujący układ warstw systemu ochronnego dla konstrukcji stalowej: gruntowanie 60μm, warstwa pośrednia 80-180μm (w zależności od elementu), warstwa zamykająca 80μm. Rys. 4. Projekt przebudowy pomostu przęsła mostu Rys. 5. Przebieg remontu mostu (a) i jego wygląd po przebudowie (b)
290 Józef Rabiega 5. PODSUMOWANIE Po około stuletnim okresie użytkowania mostu jego remont oraz istotna przebudowa w obrębie pomostu były już bardzo wskazane. Ewentualne dalsze opóźnianie przystąpienia do prac naprawczych mogłoby poskutkować jeszcze bardziej rozległymi uszkodzeniami, głównie korozyjnymi, tak, że remont mógłby być nierealny. Wykonane prace remontowe wraz ze zmianą pomostu w podbudowie nawierzchni jezdni i chodników z zoresówek na płytę żelbetową a także odnowa całej konstrukcji przęsła, łożysk i podpór znakomicie podniosły nośność obiektu do klasy C i przyczyniły się do dalszego zwiększenia trwałości obiektu. Stwierdzona po demontażu nawierzchni i jej podbudowy zaawansowana korozja, głównie zoresówek i podłużnic, możliwa do lepszego stwierdzenia na etapie realizacji robót potwierdziła słuszność decyzji o pilnej potrzebie przeprowadzenia remontu a dodatkowo, że należało go przeprowadzić wiele lat wcześniej. LITERATURA 1. PN-85/S 10030 Obiekty mostowe. Obciążenia. 2. PN-91/S 10042 Obiekty mostowe. Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Projektowanie. 3. PN-82/S-10052 Obiekty mostowe. Konstrukcje stalowe. Projektowanie. 4. PN-90/B-03000 Projekty budowlane. Obliczenia statyczne. RECONSTRUCTION OF A TRUSS ROAD BRIDGE ABOVE THE BYSTRZYCA DUSZNICKA RIVER IN KŁODZKO Summary The paper describes a method and implementation of renovation and reconstruction of a truss road bridge above the Bystrzyca Dusznicka River in Kłodzko. The aim of the study was to check the main structural elements of the superstructure and their connections to load class C according to PN-85/S-10030. The scope of the reconstruction of superstructure included: removal of road surface and pavements and their Zoressections-substructure; construction of a new reinforced concrete slab, supported on grate with crossbeams and stringers; repairs of damaged parts of the supporting structure and supports; cleaning the steel structure and abutments with blast abrasive method; anticorrosion protection of steel elements and bearings; installation of a new secondary elements (guardrails, curbs, etc.).