STUDIUM PORÓWNAWCZE PEWNYCH TYPÓW WIADUKTÓW NAD AUTOSTRADAMI

mgr inż. Piotr Łaziński Zespół Badań Terenowych Dróg i Mostów Politechniki Śląskiej dr inż. Marek Salamak Katedra Dróg i Mostów Politechniki Śląskiej STUDIUM PORÓWNAWCZE PEWNYCH TYPÓW WIADUKTÓW NAD AUTOSTRADAMI w świetle wyników próbnych obciążeń W latach 2002 2009 zespół złożony z pracowników Katedry Dróg i Mostów Politechniki Śląskiej oraz firmy CADmost Projekt z Gliwic przeprowadził około 200 badań mostów pod próbnym obciążeniem. W większości były to obiekty usytuowane nad autostradami A1, A2, A4, A18 oraz drogami ekspresowymi S1, S3, S7, S69. Aparatura pomiarowa pod wiaduktem WD-01c nad drogą S3 Klucz Pyrzyce Zebrane w ten sposób wyniki oraz doświadczenia pozwoliły na przeprowadzenie bardziej pogłębionych analiz dotyczących zgodności między mierzonymi w czasie badań ugięciami dźwigarów a wartościami uzyskiwanymi w obliczeniach na podstawie przyjętych modeli teoretycznych. Ma to istotne znaczenie w prawidłowym wnioskowaniu o tym, czy zbudowany obiekt uzyskał wymaganą i założoną przez projektanta nośność przęsła. Dodatkowo pozwala zweryfikować model teoretyczny. W przypadku obiektów eksploatowanych można w ten sposób wnioskować na temat ich stanu technicznego oraz zachowania projektowanej nośności. Zestawienie przebadanych obiektów mostowych Najczęściej spotykane wiadukty nad autostradami i drogami ekspresowymi w Polsce, które są obecnie budowane lub eksploatowane, można podzielić w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego na sześć głównych typów (ryc. 1 do ryc. 6): 1. TYP 1 żelbetowe ustroje płytowe; 2. TYP 2 sprężone ustroje płytowe; 3. żelbetowe belki trapezowe połączone płytą pomostową; 4. sprężone belki trapezowe połączone płytą pomostową; 5. prefabrykowane belki sprężone zespolone z żelbetową ; 6. stalowe dźwigary blachownicowe zespolone z żelbetową. Wybór typu uwarunkowany jest wieloma czynnikami. Zależy on między innymi od parametrów ruchowych drogi, która znajduje się na obiekcie, rozpiętości i liczby przęseł, charakteru przeszkody i możliwości zabudowy przestrzeni pod obiektem, kąta skrzyżowania osi wiaduktu z przeszkodą. Procentowy rozkład występowania każdego z rozwiązań przedstawiono na przykładzie 14 OBIEKTY inżynierskie 1/2010 OBIEKTY inżynierskie 1/2010 15

Ryc. 1 Typ 1 żelbetowy ustrój płytowy Ryc. 2 Typ 2 sprężony ustrój płytowy Ryc. 3 Typ 3 żelbetowe belki trapezowe połączone Ryc. 4 Typ 4 sprężone belki trapezowe połączone Ryc. 5 Typ 5 prefabrykowane belki sprężone zespolone z żelbetową Ryc. 6 Typ 6 stalowe dźwigary blachownicowe zespolone z żelbetową obiektów, które zostały przebadane przez nasz zespół w ciągu ostatnich kilku lat. Obejmują one następujące odcinki dróg: autostrada A4, odcinek Kleszczów Sośnica (rok 2004 2005); autostrada A2, odcinek Konin Koło (rok 2005); droga krajowa DK-18, odcinek Iłowa Golnice (rok 2006); droga ekspresowa S1, obwodnica Skoczowa (rok 2007); autostrada A4, odcinek B Wykroty Krzy- żowa (rok 2007 2008); autostrada A2, Węzeł Stryków II Węzeł Stryków I (rok 2008) (ryc. 8); autostrada A4, odcinek Węzeł Wielicka Węzeł Szarów (rok 2008); droga ekspresowa S3, odcinek Węzeł Klucz Węzeł Pyrzyce (rok 2009) (ryc. 8). Z przedstawionego na ryc. 7 wykresu wynika, że najliczniej występującymi w Polsce typami wiaduktów nad autostradami są obiekty, w których ustrój nośny stanowią dwie szerokie belki trapezowe z betonu sprężonego, połączone żelbetową. Na wymienionych odcinkach dróg przebadano w sumie aż dwadzieścia siedem takich konstrukcji, co stanowi 42 % wszystkich badanych wiaduktów. Projekty próbnego obciążenia i opis sposobu badań statycznych Projekty i realizację próbnych obciążeń statycznych i dynamicznych wykonano według jednolitych, własnych procedur badawczych, obejmujących między innymi dobór pojazdów i schematów obciążeń, ustalenie rodzaju pomiarów i umiejscowienia punktów pomiarowych oraz analizę rzeczywistej sztywności przęseł. W projektach próbnych obciążeń do analizy statycznej wykorzystywano między innymi modele rusztowe, belkowo-płytowe, płytowe i powłokowe, czy prętowo-powłokowe (w zależności od typu ustroju nośnego) odwzorowujące geometrię i sztywność dźwigarów głównych, poprzecznic oraz pasm płyt pomostowych pomiędzy poprzecznicami. Przykładowy model konstrukcji obiektu pokazano na Ryc. 9. Połączenie konstrukcji z podłożem w osiach łożysk zamodelowano za pomocą więzi odwzorowujących stopnie swobody tych łożysk. Obliczenia statyczne ustroju nośnego wykonane zostały za pomocą programu Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2010. Wykorzystując utworzony model przeprowadzono obliczenia określające wartości momentów zginających w dźwigarach głównych od poszczególnych schematów obciążenia próbnego, które porównywano z momentami charakterystycznymi od użytkowych obciążeń normowych. We wszystkich obiektach zakładano relację tych sił wewnętrznych na poziomie około 80 do 90 %, przy najniekorzystniejszym ustawieniu obciążeń normowych według normy [6]. Próbne obciążenie wiaduktu WD-01c nad drogą S3 Klucz Pyrzyce 16 OBIEKTY inżynierskie 1/2010 OBIEKTY inżynierskie 1/2010 17

Ryc. 7 Procentowy rozkład występowania typów obiektów autostradowych poddanych przez zespół próbnym obciążeniom na wybranych odcinkach dróg W ustrojach dwuprzęsłowych zakładano realizację trzech schematów obciążenia. Dwóch przęsłowych (S1 i S2), dobranych z warunku maksymalnego wytężenia dźwigarów głównych w przęśle oraz jednego podporowego (P1). Schemat podporowy przyjęto z warunku największego momentu podporowego przy odpowiednio dużej reakcji nad filarem. Wszystkie obiekty obciążane były najczęściej samochodami czteroosiowymi załadowanymi tłuczniem do masy całkowitej około 35 t. Przed próbą pojazdy były kontrolowane w zakresie ich parametrów mających wpływ na wyniki. Sprawdzano typ pojazdu, rozstaw osi kół oraz protokoły ich ważenia. Przykładowe ustawienia samochodów w przyjętych schematach, na długości i w przekroju poprzecznym pokazano na ryc. 10. wo w trakcie pomiarów rejestrowano temperaturę powietrza. Miejsce usytuowania standardowych punktów pomiarowych pokazano na ryc. 11. Spostrzeżenia dotyczące wyników badań Duża liczba przeprowadzonych próbnych obciążeń statycznych na podobnych do siebie obiektach pozwoliła zestawić wyniki w rozdzieleniu na sześć wybranych typów konstrukcji. Przy porównywaniu posłużono się stosunkiem pomierzonych ugięć sprężystych U s ustroju nośnego, wywołanych próbnym obciążeniem, do wartości teoretycznych ugięcia U o, obliczonych wcześniej w projekcie próbnego obciążenia. Średnia relacja U s /U o zobrazowana została graficznie na wykresie (ryc. 12). Największą zgodność wyników teoretycznych z pomierzonymi uzyskiwano w przypadku wiaduktów typu 6 (dźwigary stalowe zespolone z ). Jest ona bliska 90 %. Natomiast w ustrojach betonowych (typ 1 do 5), wyznaczone z pomiarów in situ średnie ugięcia wynoszą w zależności od rodzaju ustroju nośnego od 51 % do 55 % ugięć obliczonych teoretycznie. Stalowe bądź zespolone ustroje nośne potwierdzają większą poprawność przyjmowanych modeli obliczeniowych. Wynika to z faktu, że stal konstrukcyjna jest materiałem jednorodnym i zakładane normowe cechy fizyczne materiału są bliskie rzeczywistości. Inaczej jest w mostach betonowych. Materiał ten charakteryzuje się dużą niejednorodnością. Z uwagi na to obliczeniowe wartości parametrów opisujących beton w normie 9 są po stronie bezpiecznej. Konsekwencją jest duża różnica ugięć teoretycznych i pomierzonych, za którą odpowiada sztywność EI, a w szczególności wartość modułu sprężystości. Badania wykonywano według własnych, jednolitych procedur badawczych, które nasz zespół wypracował przez lata, i które pokrywają się z obowiązującymi obecnie zaleceniami [11] oraz praktyką stosowaną Ryc. 9 Przykładowy model obliczeniowy wybranego obiektu Aparatura pomiarowa przy badaniu statycznym wiaduktu prefabrykowanego a) b) Ryc. 8 Ustawienie pojazdów na moment podporowy (a) i przęsłowy (b) Podczas realizacji wszystkich schematów próbnego obciążenia statycznego prowadzony był pomiar ugięć dźwigarów głównych oraz osiadań podpór. Ugięcia mierzone były czujnikami zegarowymi z dokładnością 0,01 mm, a osiadania za pomocą niwelacji precyzyjnej z dokładnością 0,2 mm. Wszystkie odczyty wykonywano w tym samym czasie podczas każdego ze schematów w odstępie 15 minut. Obciążenie znajdowało się na wiadukcie 45 minut w przypadku schematów przęsłowych oraz 30 minut przy podporowych. Dodatko- 18 OBIEKTY inżynierskie 1/2010 OBIEKTY inżynierskie 1/2010 19

wienie podstawowych danych technicznych przedstawiono w tab. 1, a ich przekroje poprzeczne pokazano na ryc. 14. Ustroje nośne zestawionych wiaduktów stanowią dwie szerokie belki o przekroju trapezowym połączone i sprężone cięgnami 19L15,5. Nad podporami dźwigary usztywnione są żelbetowymi poprzecznicami również o przekroju trapezowym. Wysokości belek waha się od 1,5 m do 2,0 m, a ich osiowy rozstaw wynosi od 5,0 m do 6,8 m. Obustronne wsporniki mają wysięgi od 1,5 m do 2,0 m. Rozpiętość teoretyczna dźwigarów głównych Ryc. 11 Przykładowe rozmieszczenie punktów pomiarowych Ryc. 12 Średnia relacja ugięć Us/Uo w sześciu typach badanych obiektów mostowych Próbne obciążenie wiaduktu WD-01c nad drogą S3 Klucz Pyrzyce Ryc. 10 Schematy obciążeń obiektu przykładowego wiaduktu w naszym kraju przez innych badaczy [1]. Tak duże różnice w osiąganych wynikach w przypadku wiaduktów betonowych skłoniły autorów do próby oszacowania składowych wartości, które wpływają na te odchylenia. Skupiono się przy tym na jednym wybranym typie konstrukcji, który najczęściej występuje nad autostradami w Polsce, a mianowicie na dwuprzęsłowym ustroju składającym się z dwóch szerokich sprężonych belek trapezowych połączonych (typ 4). Na przykład na odcinku Kleszczów Sośnica autostrady A4 stanowi on aż 87 % wiaduktów (ryc. 13). Wyniki badań betonowych dwuprzęsłowych wiaduktów dwubelkowych Do pogłębionej analizy obiektów o konstrukcji ustroju nośnego typu 4, wzięto zbudowane w latach 2004 2005 wiadukty nad autostradą A4 (odcinek Kleszczów Sośnica). Przeprowadzają one różne klasy dróg (gminne, powiatowe i krajowe) ponad autostradą, co ma wpływ na takie parametry jak szerokość jezdni i chodników, rozstaw belek oraz oczywiście klasę obciążenia. Z kolei różny kąt skosu wpływa na rozpiętości przęseł. Zesta- wynosi: 28,0 do 42,5 m. Trzy obiekty mają w planie kształt prostokątny, a pozostałe to konstrukcje ukośne. Całkowita szerokość wynosi od 10,3 m do 13,2 m. Wszystkie wiadukty posadowione są bezpośrednio. Podporami skrajnymi są żelbetowe przyczółki o konstrukcji masywnej lub ażurowej zatopione w nasypie. Filary tworzą dwa owalne słupy żelbetowe o wymiarach gabarytowych 1,2 x 1,5 m umieszczone pod każdą belką. Jezdnie usytuowane są symetrycznie i mają szerokość między krawężnikami od 6,1 m Ryc. 13 Procentowy rozkład typów obiektów nad autostradą A4 (odcinek Kleszczów Sośnica) 20 OBIEKTY inżynierskie 1/2010 OBIEKTY inżynierskie 1/2010 21

Ryc. 14 Przekroje poprzeczne przęseł badanych wiaduktów Tab. 2 Ugięcia dźwigarów uzyskane w próbnych obciążeniach wybranych wiaduktów Próbne obciążenie wiaduktu WD-01d nad drogą S3 Klucz Pyrzyce Tab. 1 Zestawienie podstawowych danych technicznych badanych wiaduktów przed i po wykonaniu próbnych obciążeń nie wykazały żadnych zmian. Jeśli chodzi o ugięcia sprężyste ustrojów nośnych, wywołane próbnym obciążeniem statycznym, to były one znacznie mniejsze od obliczonych teoretycznie. W przypadku schematów przęsłowych stanowiły od 50 do 78 % wartości teoretycznych, co świadczy o większej od założonej sztywności oraz uzyskaniu wymaganej nośności przęseł. Jednak tych dużo mniejszych od teoretycznych ugięć nie należy traktować wprost jako rezerwy nośności. Rozbieżności te spowodowane są bowiem głównie przyjęciem niewłaściwego modelu teoretycznego. Pierwszym istotnym czynnikiem jest wiek betonu, mający wpływ na jego wytrzymałość oraz na wartość modułu sprężystości. Widać to po relacji ugięć U s /U o w przypadku wiaduktu E(Mo)019 (ryc. 15), w którym okres od betonowania ustroju nośnego do próbdo 11,1 m. Nawierzchnię stanowią dwie warstwy asfaltobetonu o łącznej grubości około 8 cm ułożone na termozgrzewalnej izolacji płyty pomostowej. W zależności od wymagań funkcjonalnych, na obiektach wykonano monolityczne kapy chodnikowe pokryte nawierzchnią z żywic epoksydowych oraz typowe barieroporęcze sztywne lub bariery energochłonne SP-06 ze stalowymi balustradami. Wyniki ugięć z próbnych obciążeń statycznych opisanych obiektów przedstawiono w tab. 2. Zestawione wartości maksymalnych ugięć sprężystych porównano z teoretycznymi obliczonymi w projekcie próbnego obciążenia. W ostatniej kolumnie podano liczbę dni, jakie upłynęły od zabetonowania ustroju nośnego do czasu wykonania próbnego obciążenia. Na podstawie przeprowadzonych badań próbnych obciążeń analizowanych obiektów stwierdzono, że konstrukcja podpór była stabilna, pomierzone podczas obciążenia mostów maksymalne osiadania przyczółków i filarów były znacznie mniejsze od dopuszczalnych (5 mm). Ugięcia trwałe przęseł nie przekroczyły 10 % ugięć całkowitych, spełniając tym samym warunek normowy. Wykonane dodatkowo badania jakości betonu potwierdziły jego wysoką klasę oraz bardzo dobrą jednorodność. Oględziny wiaduktów 22 OBIEKTY inżynierskie 1/2010 OBIEKTY inżynierskie 1/2010 23

Czujniki zegarowe do pomiaru przemieszczeń Ryc. 15 nego obciążenia był najkrótszy i wyniósł 66 dni dając tym samym średni stosunek ugięć na poziomie 76 %. W pozostałych obiektach okres ten był znacznie dłuższy i wahał się od 121 do 534 dni dając wyniki stosunku ugięć pomierzonych (sprężystych) do obliczonych na poziomie 51 do 62 %. Drugim czynnikiem jest fakt, że wiadukt E(Mo)019 o sztywności rzeczywistej najbardziej zbliżonej do projektowanej nie ma chodników dla pieszych, a więc kapy chodnikowe mają najmniejszą szerokość. Pomniejszenie efektu wpływu wyposażenia na wzrost sztywności potęguje fakt, że obiekt ten ma najwyż- sze (2,00 m) dźwigary z pozostałych badanych obiektów (1,50 1,60 m). Procentowy udział pola powierzchni kap chodnikowych do pola ustroju nośnego w przypadku obiektu E(Mo)019 wynosi 6,2 %, a na przykład dla obiektu E(Mo)007 jest to wartość aż 16,8 %. Wnioski Dwuprzęsłowe betonowe wiadukty są najczęściej stosowanym rozwiązaniem przy prowadzeniu drogi ponad autostradą. Wśród obiektów przebadanych przez zespół pracowników Katedry Dróg i Mostów Politechniki Śląskiej stanowią one zdecydowaną większość. Z przeprowadzonych badań i analiz wynika, że w przypadku ustrojów nośnych, zwłaszcza składających się z dwóch sprężonych belek trapezowych połączonych ze sobą płytą pomostową i poprzecznicami podporowymi (typ 4) duży wpływ na zgodność mierzonych ugięć dźwigarów z obliczonymi teoretycznie ma wiek oraz rodzaj zastosowanego kruszywa. Często bowiem zdarza się, że w celu spełnienia niektórych wymagań specyfikacji technicznych zawyża się klasę betonu w stosunku do projektowanej. Dlatego przy analizie wyników próbnego obciążenia celowe byłoby przeprowadzenie badań niszczących próbek betonu o recepturze stosowanej w badanym obiekcie przynajmniej po 7, 14, 28 i 90 dniach od betonowania. Otrzymana relacja naprężenie odkształcenie (σ-ε) pozwoliłaby w sposób przybliżony wyznaczyć rzeczywisty moduł sprężystości betonu i porównać go z różnymi propozycjami prognozowania wartości modułu sprężystości betonu w funkcji czasu. Wpływ zespolenia płyt chodnikowych z ustrojem nośnym jest znaczący w zależności od udziału ich pola powierzchni w całym przekroju poprzecznym. Efekt ten został zweryfikowany przez nasz zespół na rzeczywistym obiekcie w różnych etapach jego budowy. Pozwoliło to zaproponować wartość współczynnika efektywnego zespolenia płyty chodnikowej z ustrojem nośnym. W zakresie sprzętowym wspólnie z zespołem AGH przeprowadzono próbę wykorzystania georadaru IBIS do pomiaru ugięć statycznych. Wyniki tych badań wraz z proponowaną procedurą zostaną wkrótce opublikowane. Próbne obciążenie obiektów WD-4 (z lewej) i M-2 (z prawej) na drodze S8 Białystok Katarynka Komentarz do przepisów regulujących badania mostów pod próbnym obciążeniem Obecnie w Polsce obowiązują trzy normy odbiorcze [8][10], omawiające wymagania dotyczące elementów i konstrukcji mostowych. Podają one tolerancje i metody badań kontrolnych oraz odbiorczych w zależności od rodzaju zastosowanego materiału konstrukcyjnego. Niezbędnym uzupełnieniem w zakresie wartości obciążeń i własności materiałowych są normy [6][7][9]. W październiku 2008 roku GDDKiA wprowadziła zarządzenie [11] wraz z zaleceniami dotyczącymi wykonywania badań mostów pod próbnym obciążeniem, które mają zastosowanie do drogowych obiektów mostowych znajdujących się na drogach krajowych. Dokument ten jest uzupełnieniem norm odbiorczych i pewnym uszczegółowieniem procedur przeprowadzania próbnych obciążeń. Określono w nim między innymi kryteria, jakie musi spełniać jednostka badawcza, porządkujące w pewien sposób rynek wykonawców badań. Zgodnie z intencją autorów ma to być jednostka naukowo-badawcza w rozumieniu Ustawy 2390 z dnia 8.10.2004 O zasadach finansowania nauki, posiadająca nadaną przez Ministra Nauki kategorię jednostki naukowej nie niższą niż 2, i która w sposób ciągły prowadzi badania lub prace rozwojowe w dziedzinie konstrukcji mostowych. Oprócz tego, mając na względzie chęć zapewnienia wysokiej metrologicznej jakości wykonywanych badań, narzucono obowiązek posiadania przez tę jednostkę, systemu jakości zgodnego z normą PN-EN ISO/IEC 17025 [12], który powinien być akredytowany przez Polskie Centrum Akredytacji. Ustanowiono przy tym trzyletni okres przejściowy, w którym nie ma jeszcze obowiązku posiadania akredytacji. W chwili wprowadzania tego zarządzenia, jedyną jednostką w pełni spełniającą te wymagania był tylko Instytut Badawczy Dróg i Mostów. Praktyka pokazała, że dokument nie jest zbyt rygorystycznie przestrzegany. Zarówno jeśli chodzi o posiadanie systemu jakości, ale przede wszystkim w odniesieniu do statusu jednostki naukowo-badawczej. W lutym 2009 roku w Katedrze Dróg i Mostów powołany został specjalny Zespół Badań Terenowych, którego zadaniem jest głównie realizacja próbnych obciążeń mostów. Składa się on z tych samych doświadczonych pracowników, którzy od wielu lat zaangażowani są w badania odbiorcze mostów. W maju ukończony został proces wdrożenia systemu jakości zgodnego z normą PN-EN ISO/IEC 17025 [12], a w najbliższym czasie będzie on akredytowany przez jednostkę akredytującą upoważnioną na terenie Polski do akredytacji laboratoriów badawczych (PCA). Tym samym Zespół spełnia wymagania Zarządzenia [11]. Piśmiennictwo: 1. Bień J., Rawa P., Zwolski J.: Próbne obciążenia autostradowych obiektów mostowych, Inżynieria i Budownictwo 11/2001. 2. Łaziński P.: Rzeczywista sztywność konstrukcji przęsła w próbnych obciążeniach, Wrocławskie Dni Mostowe, Technologiczne aspekty w projektowaniu i budowie mostów betonowych, s. 157 168, Wrocław listopad 2006. 3. Łaziński P.: Współpraca płyty chodnikowej z betonowym ustrojem nośnym, V Ogólnopolska Konferencja Mostowców Konstukcja i wyposażenie mostów, s. 147 157, Wisła, listopad 2008. 4. Łaziński P., Radziecki A., Salamak M.: Wpływ dodatkowych elementów na sztywność konstrukcji przęsła, IV Ogólnopolska Konferencja Mostowców - Konstukcja i Wyposażenie mostów, s. 115-122, Wisła październik 2005. 5. Łaziński P., Weseli J.: Wyznaczenie rzeczywistych czasowych rozkładów cech betonu dla modelowania i planowania badań odbiorczych mostów autostradowych, Projekt badawczy promotorski N506 396235. 6. PN-85/S-10030 Obiekty mostowe. Obciążenia. 7. PN-88/B-06250 Beton zwykły. 8 PN-89/S-10050 Obiekty mostowe. Konstrukcje stalowe. Wymagania i badania. 9. PN-91/S-10042 Obiekty mostowe. Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Projektowanie. 10. PN-99/S-10040 Obiekty mostowe. Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Wymagania i badania. 11. Zarządzenie nr 35 GDDKiA z dnia 12 sierpnia 2008 roku w sprawie zaleceń dotyczących wykonywania badań pod próbnym obciążeniem drogowych obiektów mostowych. 12. PN-EN ISO/IEC 17025 Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących Średnia relacja ugięć U s /U o oraz czas od betonowania do próbnego obciążenia SUMMARY A paper describes typical structure solutions of selected viaducts over motorways in Poland. Results of static load tests of over 150 bridges gave a wide data and experience in deduction about the compatibility between measured and theoretical span deflections occurred in assumed models. 24 OBIEKTY inżynierskie 1/2010 OBIEKTY inżynierskie 1/2010 25