Problemy projektowe i wykonawcze związane z gruntowo-stalowymi obiektami mostowymi Autor dr inż. Damian Bęben - Wydział Budownictwa, Politechnika Opolska dr hab. inż. Zbigniew Mańko - Instytut Inżynierii Lądowej, Politechnika Wrocławska Zastosowanie konstrukcji z blach falistych do budowy mostów autostradowych, wiaduktów kolejowych, czy obiektów ekologicznych O d pewnego czasu na terenie całej Polski projektuje się i buduje coraz więcej małych mostów i przepustów o konstrukcji podatnej, wykonanej ze stalowych blach falistych, współpracujących z gruntem zasypowym i tworzących tym samym układ konstrukcyjny o dużej nośności. Jednakże sam projektant ma ograniczony wpływ na dobór typu konstrukcji i niejednokrotnie nie ma świadomości wynikających z tego zagrożeń, które mogą wystąpić podczas budowy takiego typu obiektów mostowych. Do budowy mostów nadają się przede wszystkim konstrukcje wykonywane ze stalowych blach falistych typu Fot.1. Super Cor, Stren Cor, Multiplate, Vario-sec, Tubosider i Voest (Alpina), które różnią się między sobą w głównej mierze wymiarami blach falistych. Najczęściej stosowanymi kształtami w kierunku podłużnym są: skrzynkowy, łukowy, okrągły, eliptyczny, łukowo-kołowy i gruszkowy, które są posadowione na żelbetowych ławach fundamentowych lub bezpośrednio ułożone na gruncie, na specjalnie do tego celu wykonanej poduszce piaskowej lub betonowej. Często noszą one nazwę mostów gruntowo-stalowych lub gruntowo-powłokowych [1]. Konstrukcje z blach falistych budowane są przeważnie jako mosty położone na drogach lokalnych, ale też jako wiadukty kolejowe (fot. 1), czy nawet jako mosty autostradowe oraz, ostatnio, również jako obiekty ekologiczne. W niniejszym artykule przedstawiono problemy projektowe, jak również wykonawcze oraz aspekty trwałości, z którymi można się spotkać, stosując powłoki stalowe wykonane z blach falistych lub płaskich na konstrukcje mostowe. Przykład zastosowania konstrukcji wykonanej ze stalowych blach falistych jako wiaduktu kolejowego stanowiącego przejście dla pieszych w Prudniku Rys.1. Elementy konstrukcji gruntowo-stalowej Problemy związane z projektowaniem konstrukcji gruntowo-stalowych Uwagi ogólne Technologia stosowania konstrukcji podatnych wykonanych z blach falistych opiera się na ścisłej współpracy powłoki stalowej z otaczającym ją gruntem zasypowym i wykorzystaniu efektu przesklepiania obciążeń w gruncie. Zadaniem sfałdowania blachy jest wzrost sztywności konstrukcji ustroju i zwiększenie stopnia współpracy powłoki z zasypką gruntową w porównaniu do blach płaskich. Konstrukcje powłoki składają się z wyprofilowanych blach falistych, zwanych również płaszczami lub elementami konstrukcyjnymi (powłokowymi), które łączone są ze sobą za pomocą śrub sprężających w przekroju poprzecznym, jak i na długości powłoki. Rozwiązania takie pozwalają na łatwy, szybki i ekonomiczny montaż konstrukcji. Założeniem pracy tego typu konstrukcji jest takie wykonanie połączeń między poszczególnymi arkuszami blach falistych, aby zagwa- 76 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 01/009 (0)
rantować w pełni statyczne i dynamiczne przekazywanie wzajemnych oddziaływań między elementami składającymi się na całość podatnej konstrukcji inżynierskiej [1]. Nośność tego typu obiektów jest kombinacją współpracujących ze sobą dwóch ośrodków konstrukcji stalowej i otaczającego ją gruntu zasypowego (rys. 1). Konstrukcje powłok złożone z blach falistych w związku z tym, że są podatne, pod naciskiem pochodzącym od obciążeń użytkowych przekazują siły odporu do otaczającego ich podłoża gruntowego, powodując w ten sposób równomierny rozkład nacisków (obciążeń). Oznacza to, że stalowa konstrukcja powłoki przenosi obciążenia zasadniczo dzięki siłom normalnym, a nie momentom zginającym i dzięki temu dopasowuje się łatwo do otaczającego ją gruntu. Zachowuje ona także swój pierwotny kształt wskutek utworzenia przesklepienia w gruncie (zjawisko przesklepiania się obciążeń w gruncie) oraz dzięki swojej budowie (falistość powierzchni) wytrzymuje również deformację wzdłużną. Powstające w gruncie sklepienie znacznie zmniejsza bezpośrednie naciski na stalową konstrukcję powłoki wykonaną z blach falistych i dzięki temu powstaje układ konstrukcyjny gruntowo-stalowy, który może przenieść duże obciążenia, znacznie większe niż w przypadku traktowania tylko stalowej powłoki jako głównego ustroju nośnego [1], [3], [4]. Dobór typu konstrukcji Najwięcej problemów związanych z obiektami mostowymi wykonywanymi ze stalowych blach falistych sprawia racjonalne ich projektowanie. Stosując tradycyjne metody doboru typów konstrukcji z katalogów producenta, projektant postępuje bezpiecznie w przypadku niedużych obiektów. Natomiast, gdy konstrukcje są większe i bardziej odpowiedzialne, projektant może skorzystać z serwisu technicznego oferowanego przez dostawcę, który pomoże mu dobrać właściwe parametry konstrukcji. Jednak sam projektant ma stosunkowo małe możliwości oceny nośności, stanu wytężenia i wszystkiego, co jest związane z bezpieczeństwem tego typu konstrukcji mostowych. Z tego względu może niekiedy wystąpić konflikt interesów. Z jednej strony projektant jest zainteresowany zaprojektowaniem bezpiecznego i ekonomicznego obiektu, a z drugiej strony jest dostawca producent, który jest przede wszystkim zainteresowany jak największą sprzedażą swoich produktów. Dlatego nie zawsze oferowane przez producentów propozycje muszą być najlepsze z inżynierskiego punktu widzenia, a przede wszystkim ekonomiczne. W tym momencie pojawia się kwestia odpowiedzialności za projekt, jak wiadomo, w polskich warunkach ponosi ją wyłącznie projektant. Kolejną ważną kwestią są poprawne rozwiązania konstrukcyjne w przypadku obiektu położonego w dużym skosie w stosunku do przeszkody. Wówczas bowiem duża część wlotowa i wylotowa powłoki nie dochodzi do podpór, co jednocześnie powoduje, że obciążenia są niesymetrycznie i praca konstrukcji powłoki nabiera charakteru przestrzennego. Należy w takich przypadkach stosować specjalne wzmocnienia zakończeń konstrukcji, np. odpowiednio wykształtowane wieńce żelbetowe. Rodzaje obciążeń i wynikające z tego zagrożenia Występuje także wiele trudności i niewiadomych związanych z projektowaniem konstrukcji gruntowo-stalowych ze względu na obciążenie (np. zasypką gruntową) statyczne i dynamiczne oraz wywołane normalną rzeczywistą eksploatacją, co zresztą w żaden sposób nie jest aktualnie w Polsce unormowane (z wyjątkiem opracowania wytycznych przez IBDIM [5]) przeciwnie niż w innych krajach, np. w USA, Kanadzie, Szwecji. Należy jednak podkreślić, że opracowane w innych krajach normy i wytyczne mają wiele niedoskonałości i są stale unowocześniane oraz poprawiane niemal na bieżąco, w miarę uzyskiwania nowych faktów i informacji o zachowaniu się tego typu konstrukcji mostowych, na podstawie wykonanych badań na obiektach rzeczywistych lub modelach, czy też analiz teoretycznych [6], [7], [8], [9]. Już w roku 1976 J. N. Kay i J. F. Abel [10] podkreślili fakt trudności w racjonalnym projektowaniu podatnych gruntowo-stalowych obiektów inżynierskich ze względu na wielowątkowość zadania, złożoność pracy i zachowania się konstrukcji powłok pod różnymi obciążeniami. Konserwatywne podejście normy AASHTO do obliczeń przewidywanych wartości sił wewnętrznych podkreślono również w pracach [11] i [1], w których przedstawiono analizy wykonane na podstawie badań doświadczalnych na trzech różnych konstrukcjach podatnych typu box culvert, które porównano z obliczeniami wykonanymi na podstawie normy AASHTO. Szczególnie niebezpieczna jest odpowiedź konstrukcji powłoki spowodowana bocznym parciem gruntu zasypowego podczas jego zagęszczania. Ponieważ cienka powłoka o grubości blach od 1,5 do 8,0 mm bez wykonanej zasypki nie ma jeszcze właściwej (bezpiecznej) i wymaganej przez odpowiednie przepisy i normy mostowe nośności, którą osiągnie dopiero po okresie kilku miesięcy, po oddaniu obiektu do normalnej eksploatacji. Uważa się, że praca powłoki mostów wykonanych ze stalowych blach falistych na etapie zasypywania jest jednym z najważniejszych problemów występujących podczas ich budowy, z uwagi na możliwość powstania różnych form wyboczenia i utraty stateczności, przeciwnie niż w przypadku typowych żelbetowych łukowych lub skrzynkowych obiektów mostowych (przepustów), gdzie od początku eksploatacji jest zachowana odpowiednia nośność. W pracach [13] i [14] zwrócono uwagę na coraz szersze stosowanie tego typu konstrukcji jako alternatywy dla betonowych obiektów mostowych o średnich rozpiętościach teoretycznych, a także ze względu na fakt, że wiele konstrukcji wykazuje pewne oznaki niebezpieczeństwa, tzn. możliwości utraty stateczności powłoki i gruntu, lub tworzenie się przegubów plastycznych i mechanizmów zniszczenia. Przeważnie uszkodzenia konstrukcji powłoki są spowodowane utratą stateczności i nośności otaczającego ją gruntu zasypowego, co może być wywołane cyklicznym jego odmrażaniem i zamrażaniem. Dlatego też coraz częściej stosowane są koncepcje wzmacniania zasypki przy użyciu geotkanin i geowłóknin, betonowych belek usztywniających powłokę oraz wywołanie lepszej współpracy gruntu z podatną konstrukcją. Wprowadzenie tych ulepszeń może przyczynić się do częstszego stosowania tego rodzaju konstrukcji, zwłaszcza w tych rejonach, gdzie występują duże różnice pomiędzy temperaturami latem i zimą. Stosowane są również pewne zabiegi polegające na wzmacnianiu stalowej powłoki poprzez wypełnianie żeber usztywniających całą konstrukcję mieszanką betonową. Dokonuje się tego po dokręceniu wszystkich śrub oraz zasypaniu powłoki gruntem. Jeżeli chodzi o zasadność stosowania wypełniania wzmocnienia (dodatkowych arkuszy blach falistych) mieszanką betonową, to jest to działanie doraźne nie mające zbyt dużego znaczenia w późniejszej eksploata- GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 01/009 (0) 77
cji obiektu, gdyż trudno jest sobie wyobrazić sposób wypełniania, a tym bardziej odpowiedniego zagęszczania betonu, nawet w przypadku betonu samozagęszczalnego. Należy również zaznaczyć, że przeważnie nie stosuje się żadnego zbrojenia tych żeber, co po kilkuletniej intensywnej eksploatacji obiektu może doprowadzić do pokruszenia się betonu, znajdującego się w przestrzeniach tych żeber i beton nie będzie już spełniał założonych zadań, czyli usztywniania powłoki. Metody obliczeniowe Powszechnie używane są najczęściej analityczne metody obliczeniowe oparte raczej na doświadczeniach samych projektantów niż na zdolnych do zastosowania modelach obliczeniowych. Dzieje się tak dlatego, że zbudowanie racjonalnego i optymalnego modelu numerycznego odzwierciedlającego rzeczywistą pracę gruntowo-stalowych konstrukcji mostowych i uwzględnienie współpracy pomiędzy stalową powłoką i otaczającym ją gruntem zasypowym oraz opisanie efektu przesklepiania obciążeń w gruncie, jest bardzo skomplikowane i złożone, co wymaga zastosowania zaawansowanych technik numerycznych. Obecnie metoda elementów skończonych (MES) i metoda różnic skończonych (MRS) są szeroko wykorzystywane do próby analizy stanu naprężeń, odkształceń i przemieszczeń w konstrukcji powłoki, jak i do otaczającego ją gruntu zasypowego przy zastosowaniu np. programów typu Cosmos, Robot Millennium, CandeCAD, Abaqus, Z-soil, FLAC, itp. Aktualnie, aby poprawnie zaprojektować obiekt skonstruowany z blach falistych, należy korzystać z wysoce specjalistycznego oprogramowania oraz mieć dużą wiedzę na temat modelowania przede wszystkim interakcji pomiędzy stalową konstrukcją powłoki i otaczającym ją gruntem. Pomimo widocznych ostatnio postępów odnośnie do możliwości wykorzystania nieliniowej analizy w modelach obliczeniowych gruntowo-stalowych konstrukcji i możliwości oceny ich wzajemnej współpracy za pomocą MES i MRS, nadal bardzo trudno jest określić i prawidłowo ocenić niezawodność, stateczność i nośność tych konstrukcji. Wykonywane standardowe badania doświadczalne pod obciążeniem statycznym i dynamicznym dowodzą, że wartości sił wewnętrznych, jakie się otrzymuje, w niewielkim stopniu wykorzystują nośność tych konstrukcji, co nie zawsze potwierdzają analizy numeryczne. Być może jest to spowodowane sposobem idealizacji, metodą odwzorowania lub sposobem rozkładu obciążenia w układach podatnych gruntowo-stalowych, a przede wszystkim nie uwzględnieniem rzeczywistej współpracy pomiędzy gruntem zasypowym i konstrukcją powłoki [15], [16], [17], [18]. Znanych jest wiele metod projektowych dla konstrukcji gruntowo-stalowych, np. metody: CHBDC (Canadian Highway Bridge Design Code), OHBDC (Ontario Highway Bridge Design Code), AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), Jana Vaslestada, Duncana i Drawskiego. Przykładowo w metodzie Duncana i Drawskiego, oprócz sił osiowych występujących w ściance konstrukcji, uwzględniono również momenty zginające. Dodatkowo metoda ta rozpatruje dwie fazy pracy konstrukcji: faza I montażu (gdy zasypka osiąga poziom klucza konstrukcji); faza II użytkowania (gdy zasypka osiąga projektowany poziom). Faza montażu zakłada, że poziom zasypki jest równy poziomowi klucza konstrukcji, zatem wysokość naziomu H = 0. W tym przypadku moment zginający M i siła tnąca w ściance konstrukcji T są obliczane z uwzględnieniem obciążeń stałych zgodnie z równaniami (1) i (): M = R B K m1 3, (1) T = K p1, () w których: γ ciężar właściwy gruntu, R B bezwymiarowy współczynnik redukcyjny zależny od stosunku wysokości do rozpiętości konstrukcji, K p1 bezwymiarowy współczynnik uzależniony od wysokości zasypki znajdującej się poniżej poziomu klucza konstrukcji, K m1 bezwymiarowy współczynnik zależny od parametru N f wyrażonego zależnością (3): N f = (E s D h ) / EI, (3) E s moduł sieczny, D h rozpiętość konstrukcji, E moduł sprężystości materiału, I moment bezwładności ścianki konstrukcji. Natomiast, drugi warunek (faza II) zakłada, że zasypka osiąga ostateczny poziom (faza użytkowania). W tym przypadku uwzględniane są również obciążenia zmienne, a moment zginający M i siła T tnąca w ściance konstrukcji określone są równaniami (4) i (5): M = R B (K m1 3 K m H) + R L K m3 D h LL, (4) T = K p1 + K p H + K p3 LL, (5) gdzie: R L współczynnik zależny od N f i H/D h, K p bezwymiarowy współczynnik uzależniony od wysokości naziomu, czyli zasypki znajdującej się powyżej poziomu klucza konstrukcji, K p3 bezwymiarowy współczynnik uzależniony od H / D h, K m i K m3 bezwymiarowy współczynnik zależny od parametru N f, LL obciążenie zmienne równomiernie rozłożone. Dobór technologii do prac montażowych i wynikające z tego zagrożenia Znanych jest wiele technologii montażu konstrukcji podatnych wykonywanych ze stalowych blach falistych [19]. W pracy zostanie scharakteryzowana typowa technologia montażu konstrukcji gruntowo-stalowej o dużej rozpiętości. Duże konstrukcje można montować w dwojaki sposób. Po pierwsze: złożenie całej konstrukcji poza miejscem wbudowania, a następnie umieszczenie całej powłoki w miejscu podparcia na 78 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 01/009 (0)
Fot.. Montaż pierwszych elementów blach falistych typu za pomocą dwóch dźwigów z użyciem rusztowania ruchomego Fot.3. Widok od czoła obiektu na zmontowane blachy ukośne powłoki ławach fundamentowych za pomocą dwóch dźwigów o dużym udźwigu. Takie przedsięwzięcie wymaga jednak stosowania ciężkiego sprzętu (dźwigów) ze względu na znaczny ciężar całej konstrukcji powłoki oraz dużej dokładności robót budowlanych z powodu stosunkowo wiotkiej i elastycznej konstrukcji. Ten rodzaj montażu znacznie utrudnia odpowiednie i dokładne umieszczenie konstrukcji na podporach. Drugi sposób polega na technologii montażu konstrukcji powłoki bezpośrednio na ławach fundamentowych. Prace montażowe konstrukcji wykonanej ze stalowych blach falistych należy poprzedzić robotami przygotowawczymi polegającymi na wydzieleniu terenu niezbędnego do prowadzenia prac oraz ustawieniu rusztowania przesuwnego nad drogą w celu utrzymania ciągłości ruchu komunikacyjnego (jeżeli taki wymóg jest konieczny). Można to zrealizować np. poprzez wykonanie specjalnego rusztowania przesuwnego stanowiącego pomost roboczy w postaci kratownicy przestrzennej umieszczonej pod montowaną powłoką stalową (fot. ). W pierwszej fazie montażu należy zwrócić szczególną uwagę na prawidłowe osadzenie dolnych płaszczy na żelbetowym fundamencie. Składanie początkowe konstrukcji powinno się prowadzić na jak najmniejszą liczbę śrub, dokręcając je wstępnie jedynie kluczami ręcznymi. Dopiero po złożeniu kilku pierwszych pełnych łuków można dokręcić pozostałe śruby. Należy zwrócić uwagę, aby nie dokręcać pierwszych śrub zbyt mocno, gdyż utrudniałoby to wpasowanie w otwory pozostałych śrub sprężających. Podczas wstępnego montażu trzeba kontrolować zgrubnie kształt konstrukcji powłoki, aby nie dopuścić do nadmiernych jej deformacji. Następnie poszczególne arkusze konstrukcji montuje się według wzoru schodkowego (tak jak układa się gont lub dachówkę), zgodnie z dokumentacją montażową. Jeden główny łuk (pierścień) w całości powinien być zmontowany na stanowisku roboczym na powierzchni terenu. Śrub nie należy w pełni skręcać do właściwej wielkości momentu skręcającego, lecz pozostawić je jako dokręcone ręcznie. Uchwyt do podnoszenia powinien być zaczepiony w pobliżu 19. otworu, licząc od obu dolnych krawędzi łuku. W tym stanie konstrukcja jest dość podatna i wrażliwa na odkształcenia i w związku z tym należy bardzo uważać podczas podnoszenia pierścienia w celu ustawienia go na podporach w tzw. profilu podporowym. Gdy pierścień znajduje się w pozycji pionowej, należy wprowadzić jeden z jego końców w podstawę profilu podporowego, a następnie zamocować śrubami kotwiącymi, pozostawiając jednak śruby w stanie luźnym. Następnie trzeba wsunąć drugi koniec pierścienia do stalowego profilu podporowego i ręcznie przykręcić śrubami. Kotwy śrubowe do połączenia profili podporowych muszą być wcześniej zabetonowane w ławach (zanim rozpocznie się montaż pierścieni). Nie należy pozostawiać śrub niedokręconych, ponieważ poszczególne blachy mogą mieć tendencję do wysuwania się w górę. Na tym etapie nie można dokręcać śrub do końca, lecz pozostawić je tak jak przy ręcznym dokręceniu. Dodatkowe otwory usytuowane wzdłuż profilu podporowego i na zewnętrznej krawędzi płyty mogą zostać wykorzystane do przesuwania płyt wzdłuż profilu podporowego, gdyż w tych otworach nie są wymagane śruby sprężające. Następne dwa pierścienie można montować według tej samej procedury. Pozostałe zaś elementy konstrukcji należy składać element po elemencie. Odbywa się to według odpowiedniej kolejności w celu uzyskania schodkowego wzoru. Następnie należy kontynuować zakładanie następnych arkuszy i na tym zakończyć montaż poszczególnych pierścieni, zapewniając zachowanie schodkowego wzoru układania. Konieczne jest także stosowanie śrub z łbem wpuszczonym na zewnętrznych krawędziach we wszystkich podłużnych złączkach przypadających we wgłębieniach blach falistych. Przed zainstalowaniem wzmocnień (żeber) żadnej śruby nie należy umieszczać w złączkach obwodowych. Na końcu powinno przystąpić się do montażu przyciętych blach ukośnych na wlocie i wylocie konstrukcji powłoki, jeżeli takie są przewidziane (fot. 3). Montaż żeber usztywniających (jeżeli jest to wymagane) należy rozpocząć po zmontowaniu co najmniej czterech pełnych głównych pierścieni. Pierścienie te należy montować z ręcznym dokręcaniem śrub. Śruby z łbem zakrytym i zwykłe przypadające we wgłębieniach blach falistych, które zostaną zakryte żebrami usztywniającymi, powinny być dokręcone przed położeniem elementów żeber. Należy zwrócić szczególną uwagę na dopasowanie otworów śrub z łbem wpuszczanym. Może być to zrobione poprzez umieszczenie trzech śrub lub trzech naprowadzających sworzni w środku trzech otworów na wierzchołku fali wzdłuż złącza podłużnego, zanim pozostałe śruby nie zostaną dokręcone. Montaż następnego żebra wzmacniającego można wykonać po zmontowaniu następnych dwóch pierścieni głównych. Po zmontowaniu żebra wszystkie śruby można dokręcić łącznie ze śrubami mocującymi żebra. W celu uzyskania projektowanego kształtu łuku może okazać się konieczne, aby dźwig nieco uniósł pierścień pionowo do góry w obszarze klucza łuku w celu osiągnięcia pełnego dopasowania złączy. Ostatecznie dokręcenie śrub powinno odbywać się najpierw w kierunku podłużnym łuku, a następnie obwodowo. Śruby należy dokręcać rozpoczynając od tych, GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 01/009 (0) 79
które znajdują się na wierzchołku konstrukcji, a następnie sukcesywnie w kierunku jej podparcia. Całą konstrukcję powłoki należy sprawdzić pod kątem prawidłowego dokręcenia śrub po jej zmontowaniu. Wymagany moment dokręcenia dla śrub, w przypadku dużych obiektów, waha się w granicach od 03 do 338 Nm. Następnym dość ważnym problemem jest prawidłowe prowadzenie prac budowlanych przez zespoły robocze. Często zdarza się, że wykonawca robót nie ma odpowiedniego doświadczenia w montażu konstrukcji stalowej wykonanej z blach falistych i sposobie układania (zagęszczania) zasypki gruntowej wokół tych konstrukcji, co może bezpośrednio prowadzić do znacznego wydłużenia czasu budowy, a w najgorszym przypadku nawet do awarii lub katastrofy budowlanej, a to w konsekwencji może zmniejszyć atrakcyjność tych rozwiązań konstrukcyjnych. Dlatego ważne jest, aby w całym procesie budowlanym tego typu obiektów uwzględniać niezależny nadzór naukowo-techniczny i/lub nadzór ze strony dostawcy tych konstrukcji oraz stosować badania kontrolne i odbiorcze. Trwałość konstrukcji gruntowo-stalowych Ważną kwestią jest również określenie trwałości konstrukcji z blach falistych ze względu na obciążenia eksploatacyjne i czynniki korozyjne. W polskich warunkach jest to zadanie trudne, ponieważ najstarsze konstrukcje tego typu w Polsce mają około 0 5 lat i tak naprawdę można tylko przypuszczać, jaki będzie ich stan techniczny za 5 czy 50 lat, ze względu chociażby na stały wzrost natężenia ruchu komunikacyjnego na polskich drogach. Oczywiście są metody służące do oceny trwałości konstrukcji mostowych, ale nie jest jeszcze jednoznacznie stwierdzone, czy nadają się one to tego typu obiektów o konstrukcji podatnej współpracujących z gruntem. W niektórych krajach, np. w USA, Kanadzie czy Szwecji średnia trwałość życia tego typu konstrukcji jest przyjmowana na około 50 70 lat. Jednakże zakres i warunki zastosowania, jak i względy ekonomiczne mogą dawać podstawę do wydłużenia jak i do skrócenia długości okresu trwałości. Wiele czynników ma zasadniczy wpływ na trwałość konstrukcji gruntowo-stalowych, m.in.: korozja chemiczna i elektrochemiczna, abrazja, dobór właściwych materiałów, poprawne projektowanie, odpowiednie utrzymanie obiektu, odporność na oddziaływanie środowiska lokalnego. Ogólnie, na trwałość konstrukcji gruntowo-stalowych mają wpływ dwa rodzaje agresywności: pierwsza dotyczy zewnętrznych obciążeń eksploatacyjnych (ruch komunikacyjny), natomiast druga związana jest z negatywnym oddziaływaniem środowiska naturalnego, zwłaszcza w przypadku, kiedy występuje duże jego zanieczyszczenie wtedy wszystkie procesy, np. korozyjne ulegają zintensyfikowaniu. Wytrzymałość eksploatacyjna elementów konstrukcji zależna jest od zbioru obciążeń eksploatacyjnych. Zbiór ten jest sumą wszystkich obciążeń uporządkowanych według wielkości i częstości występowania naprężeń w czasie przyjętej trwałości obiektu. Zbiory obciążeń opisują obciążenia eksploatacyjne, to znaczy obciążenia zmienne, którym poddany jest element budowli bezpośrednio lub pośrednio w następstwie jego współpracy z innymi elementami konstrukcji. Najczęstszym sposobem określania zbiorów obciążeń jest bezpośredni pomiar wytężenia poszczególnych elementów konstrukcyjnych pod rzeczywistym obciążeniem, czyli wykonanie badań eksploatacyjnych oraz rozpoznanie i zarejestrowanie aktualnej struktury ruchu na obiekcie i drodze. Pomiary na obiekcie rzeczywistym dają możliwość poznania dokładnego przebiegu zmian odkształceń (naprężeń normalnych), chociaż ustalona przez nie objętość (zakres) zbioru nie jest zgodna z rzeczywistą liczbą cykli zmiany obciążenia. Na tej podstawie jest możliwe oszacowanie przewidywanej wytrzymałości eksploatacyjnej oraz określenie trwałości obiektu. W przypadku negatywnego oddziaływania środowiska dość duże znaczenie ma określenie współczynnika ph zarówno wody, jak i gruntu oraz minimalna elektryczna rezystywność miejsca wbudowania i materiału zasypki. Współczynnik ph wody i gruntu wskazuje kwasowość lub zasadowość, podczas gdy minimalna rezystywność określa względną ilość rozpuszczalnych soli w gruncie lub w wodzie. W związku z powyższym należy w odpowiedni sposób zaprojektować dualny system trwałości konstrukcji, który z jednej strony zapewni spełnienie wszystkich założeń statyczno-wytrzymałościowych oraz eksploatacyjnych, a z drugiej strony będzie odporny na agresywne działanie środowiska naturalnego, w którym ma być obiekt wbudowany i eksploatowany. Można to zrealizować w pierwszym przypadku poprzez odpowiednie zaprojektowanie grubości blach i wysokości naziomu nad konstrukcją, a w drugim przypadku poprzez uwzględnienie w projekcie dodatkowego zabezpieczenia antykorozyjnego i/lub antyabrazyjnego, np. grubsze powłoki cynkowe, powłoki malarskie, większa grubość blach, wyłożenie dna obiektu brukiem (lub betonem), itp. Stan techniczny konstrukcji gruntowo-stalowych powinien być również stale monitorowany, ponieważ może dojść do poważnych uszkodzeń obiektu (obniżenie trwałości) w związku ze zmianami agresywności środowiska (zmiana ph wody i/lub zasypki) oraz zwiększeniem natężenia ruchu komunikacyjnego w stosunku do pierwotnie przyjętego. Wymagania normowe Generalnie w Polsce nie opracowano jeszcze norm w zakresie projektowania i odbioru gruntowo-stalowych konstrukcji mostowych, mimo że np. w Kanadzie i USA od wielu lat stosuje się dość powszechnie konstrukcje podatne na mosty i wiadukty, a nawet na obiekty autostradowe. Również szwedzka administracja drogowomostowa stara się opracować odpowiednie przepisy w tym względzie na podstawie m.in. wyników badań doświadczalnych mostu w Gimån [1], [6], [7]. Pewną nobilitację dla polskiego mostownictwa stanowi fakt, że szwedzka administracja drogowa, doceniając osiągnięcia polskiej grupy badawczej (w skład której wchodzą autorzy artykułu) w dziedzinie badań takich obiektów, zaprosiła polski zespół badawczy do wykonania analizy doświadczalnej na pierwszym tego typu obiekcie w Skandynawii. Na uwagę jednak zasługuje również fakt opracowania zaleceń projektowych i technologicznych dla podatnych konstrukcji inżynierskich wykonanych z blach falistych przez Instytut Badawczy Dróg i Mostów Filia Wrocław [5], jednak wymagają one pewnych udoskonaleń, aby były przydatne do stosowania przez inżynierów w polskich warunkach projektowych. Aktualnie projektant musi opierać się na obowiązujących w Polsce normach i zaleceniach ([5], PN-8/S-1005 [0], 80 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 01/009 (0)
PN-85/S-10030 [1], PN-89/S-10050 []) dla tradycyjnych mostów stalowych, które nie uwzględniają specyficznej pracy konstrukcji gruntowo-stalowych oraz może skorzystać z serwisu technicznego oferowanego przez dostawców. Trzeba jednak wyraźnie podkreślić, że podane wyżej normy dotyczą klasycznych konstrukcji mostowych, przy czym do chwili obecnej nie opracowano jeszcze zasad i przepisów projektowych i odbiorczych, które powinny spełniać rozpatrywane powłoki podczas różnych faz ich budowy i eksploatacji. Polskie ustawodawstwo powinno wziąć dobry przykład z innych krajów, które w oparciu o badania doświadczalne na obiektach rzeczywistych i wszechstronne analizy teoretyczne próbują unormować stosowanie tych konstrukcji położonych na drogach publicznych. Podsumowanie Konstrukcje podatne wykonywane ze stalowych blach falistych stanowią już naturalny, dość powszechnie stosowany, element konstrukcyjny w budowie mostów nie tylko w Polsce, ale i w innych krajach świata, np. Czechy, Ukraina, Szwecja, Litwa, Norwegia, RPA, Włochy, RFN, Austria, Rosja, Kanada, USA, Australia, Korea Płd. Jednakże należy mieć na uwadze pewne niebezpieczeństwa, które mogą wyniknąć podczas prac budowlanych, jak również w trakcie powstawania projektu tego typu obiektów mostowych. Doświadczenia praktyczne z przeprowadzonych badań pod obciążeniem w różnych etapach budowy, a także poczynione przez autorów tego artykułu w trakcie tych pomiarów obserwacje pracy konstrukcji powłok w różnych obiektach, jak również szeroka analiza wyników uzyskanych ze wszystkich pomiarów i porównanie ich z wartościami obliczeniowymi pozwoliły na sformułowanie wniosków o charakterze ogólnym i szczegółowym [1], [6], [7]. Podziękowanie: Prace badawcze, na podstawie których powstała niniejsza publikacja naukowa są współfinansowane przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Program Operacyjny Kapitał Ludzki. Referat został wygłoszony w trakcie V Ogólnopolskiej Konferencji Mostowców w Wiśle. LITERATURA [1] BĘBEN D., Współpraca gruntu i konstrukcji mostowych wykonywanych ze stalowych blach falistych. Wydział Budownictwa Politechniki Opolskiej, Opole, wrzesień 005. [] KRAJNIK D., MICHALSKI J. B., Pierwsze mosty kanadyjskie w Europie. Inżynieria i Budownictwo, vol. LVIII, 00, nr 3 4, s. 159 161. [3] VASLESTAD J., Long-term behaviour of flexible large-span culverts. Transportation Research Record, no. 131, pp. 14 4, Transportation Research Board, Washington D.C. 1990. [4] ROWIŃSKA W., WYSOKOWSKI A., PRYGA A., Zalecenia projektowe i technologiczne dla podatnych konstrukcji inżynierskich z blach falistych. Instytut Badawczy Dróg i Mostów w Warszawie Filia Wrocław, Ośrodek Badań Mostów, Betonów i Kruszyw, Żmigród, kwiecień 004. [5] MAŃKO Z., BĘBEN D., Dynamic testing of a corrugated steel arch bridge. Canadian Journal of Civil Engineering, National Research Council, Canada, Vol. 35, 008, No. 3, pp. 46 57. [6] MAŃKO ZEE Z., BĘBEN D., Static load tests of a road bridge with a flexible structure made from Super Cor type steel corrugated plates. Journal of Bridge Engineering, ASCE, vol. 10, 005, no. 5, pp. 604 61. [7] MCCAVOUR T. C., BYRNE P. M., MORRISON T. D., Long span reinforced steel box culverts. Transportation Research Record, no. 164, Transportation Research Board, Washington D.C., 1998, pp. 184 195. [8] MCGRATH T. J., MOORE I. D., SELIG E. T., WEBB M. C., TALEB B., Recommended specifications for large-span culverts. Transportation Research Board Simpson Gumpertz and Heger Incorporated. NCHRP Report, no. 473, Washington D. C., 00. [9] KAY J. N., ABEL J. F., Design approach for circular buried conduits (Abridgement). Transportation Research Record, no. 616, Transportation Research Board, Washington D. C., 1976, pp. 78 80. [10] HURD J. O., SARGAND S. M., HAZEN G. A., SUHAR- DJO S. R., Structural performance of an aluminum box culvert. Transportation Research Record, no. 1315, Transportation Research Board, Washington D. C., 1991, pp. 46 5. [11] SARGAND S. M., HAZEN G. A., HURD J. O., Structural evaluation of box culverts. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, vol. 118, Dec. 199, no. 1, pp. 397 3314. [1] KENNEDY J. B., LABA J. T., Suggested improvements in designing soil-steel structures. Transportation Research Record, no. 131, Transportation Research Board, Washington D. C., 1984, pp. 96 104. [13] MOHAMMED H., KENNEDY J. B., SMITH P., Improving the response of soil-metal structures during construction. ASCE, Journal of Bridge Engineering, vol. 7, 00, no. 1, pp. 6 13. [14] BĘBEN D., MAŃKO Z., Badania statyczne mostu drogowego wykonanego ze stalowych blach falistych. Kwartalnik Instytutu Badawczego Dróg i Mostów Drogi i, Warszawa 003, nr 3, s. 17 4. [15] DUNCAN J. M., CHANG C. Y., Nonlinear analysis of stress and strain in soils. Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division, ASCE, vol. 96, Sept. 1970, no. SM5, pp. 169 1653. [16] SEED R. B., RAINES J. R., Failure of flexible long-span culverts under exceptional live loads. Transportation Research Record, no. 1191, Transportation Research Board, Washington D. C., 1988, pp. 9. [17] ANTONISZYN G., Mostowe konstrukcje gruntowo-powłokowe. Geoinżynieria, drogi, mosty, tunele. Nr 3, 008, s. 58 60. [18] BĘBEN D., CZYŻEWSKI P., MAŃKO Z., O budowie największego w Europie obiektu mostowego ze stalowych blach falistych typu Super Cor. Inżynieria i Budownictwo, Vol. LX, nr 4, 004, s. 198 01. [19] PN-8/S-1005. Obiekty mostowe. Konstrukcje stalowe. Projektowanie. [0] PN-85/S-10030. Obiekty mostowe. Obciążenia. [1] PN-89/S-10050. Obiekty mostowe. Konstrukcje stalowe. Wymagania i badania. GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 01/009 (0) 81