Zagadnienia projektowe i błędy wykonawcze mostowych konstrukcji gruntowo-stalowych damian bęben Politechnika Opolska d.beben@po.opole.pl 74 Od ponad dwudziestu lat na terenie Polski projektuje się i buduje coraz więcej małych mostów i przepustów wykonywanych z blach falistych. Elementem nośnym w tych konstrukcjach jest system gruntowo-stalowy, dlatego też często używa się powszechnie nazwy gruntowo-stalowe obiekty mostowe. Konstrukcje z blach falistych budowane są przeważnie jako obiekty mostowe położone na drogach lokalnych, ale też jako wiadukty kolejowe, a nawet jako autostradowe obiekty mostowe oraz ostatnio coraz częściej jako obiekty ekologiczne umożliwiające wędrówki dzikich zwierząt. Bardzo często projektanci mają ograniczony wpływ na dobór typu konstrukcji i niejednokrotnie nie mają pełnej świadomości wynikających zagrożeń, które mogą wystąpić podczas budowy obiektów mostowych tego rodzaju. W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia projektowe i błędy wykonawcze wpływające na zmniejszenie trwałości tych konstrukcji, z którymi można się spotkać w praktyce inżynierskiej. Zagadnienia i błędy projektowe W konstrukcjach wykonanych ze stalowych blach falistych wykorzystuje się współpracę powłoki z otaczającym ją gruntem zasypowym, nazywaną efektem przesklepiania obciążeń w gruncie. Podstawowym zadaniem sfałdowania blachy jest zwiększenie sztywności konstrukcji i stopnia współpracy powłoki z zasypką gruntową w porównaniu np. z blachami płaskimi, czy też cienkimi powłokami żelbetowymi. Konstrukcje powłok montuje się z wyprofilowanych blach falistych zwanych również płaszczami, które łączone są ze sobą za pomocą śrub sprężających. Rozwiązania takie pozwalają na stosunkowo łatwy, szybki i ekonomiczny montaż konstrukcji. Zasadniczym założeniem w pracy tego rodzaju konstrukcji jest takie wykonanie połączeń arkuszy blach falistych, aby zagwarantować w pełni statyczne i dynamiczne przekazywanie wzajemnych oddziaływań między elementami składającymi się na całość podatnej konstrukcji inżynierskiej [18 20]. Najwięcej trudności związanych z mostowymi konstrukcjami gruntowo-stalowymi sprawiają obliczenia projektowe. Obecnie, aby poprawnie zaprojektować obiekt skonstruowany z blach falistych należy skorzystać z wysoce specjalistycznego, dość drogiego, oprogramowania np. FLAC, ABAQUS, ANSYS, COSMOS oraz mieć dużą wiedzę na temat modelowania ustrojów powłokowych, a przede wszystkim odwzorowania oddziaływania między powłoką i gruntem [2, 11]. Stosując tradycyjne metody doboru typów konstrukcji z katalogów producentów, projektant postępuje stosunkowo bezpiecznie, zwłaszcza w przypadku niedużych obiektów. Natomiast, gdy konstrukcje są większe i bardziej skomplikowane, projektant może skorzystać z serwisu technicznego oferowanego przez producenta blach falistych. Pomaga on dobrać właściwe parametry powłoki do projektowanej konstrukcji. Jednak sam projektant ma stosunkowo małe możliwości oceny nośności, stanu wytężenia i wszystkiego, co jest związane z bezpieczeństwem konstrukcji mostowych. Zalecanymi przez producenta blach falistych są metody projektowania tych konstrukcji, np. szwedzka Sundquista- Petterssona [14], amerykańska AASHTO [1], czy też kanadyjska CHBDC [6]. Jednakże stosowanie tych metod prowadzi często do nadmiernych wymiarów konstrukcji, co głównie jest efektem konserwatywnego podejścia do rozkładu obciążeń przez warstwy gruntowe oraz stosowania dodatkowych współczynników bezpieczeństwa. W wielu przypadkach może wystąpić konflikt interesów. Z jednej strony projektant jest zainteresowany budową bezpiecznego i równocześnie ekonomicznego obiektu, a z drugiej strony jest dostawca producent, którego celem jest sprzedaż jak największej ilości produktów, także pod względem wagowym. Dlatego nie zawsze oferowane przez producentów rozwiązania konstrukcyjne są właściwe, tj. najlepsze z inżynierskiego punktu widzenia, a przede wszystkim ekonomiczne. W tym momencie pojawia się kwestia odpowiedzialności za projekt, co jak wiadomo w polskich warunkach prawnych jest związane wyłącznie z wiedzą projektanta. Niżej omówiono najczęstsze błędy projektowe popełniane w mostowych konstrukcjach gruntowo-stalowych. q Brak zabezpieczenia dna obiektu przed wymywaniem, jak na fot. 1. Jest to błąd spowodowany niewłaściwym zlokalizowaniem odprowadzenia wody opadowej, zwłaszcza podczas gwałtownych ulew. Trudność zwiększa się zasadniczo w przypadku, gdy obiekt położony jest na obszarze górzystym, gdzie występują duże spadki terenu i bardzo często spotyka się przepusty, w których otwory są zatykane przez konary i gałęzie drzew oraz inne zanieczyszczenia. q Zwężenie koryta przed i za obiektem, jak na fot. 2a. Prowadzi to bezpośrednio do spiętrzania wody przed obiektem, i tym samym zmniejsza się wydajność hydrauliczna. Powoduje to także rozmywanie gruntu w obrębie fundamentów (może zachodzić proces kawitacji). q Brak poprawnego odprowadzenia wody z obiektu, jak na fot. 2b. Przyczynia się do przedostawania się wody wraz z zanieczyszczeniami do powłoki stalowej oraz do warstw zasypki gruntowej. Może to powodować dość istotne zmiany we właściwościach fizycznych gruntu. Często spotyka się także brak korytek ściekowych umożliwiających bezpieczne odprowadzenie wody poza obiekt.
Fot. 1 a i b. Przykłady rozmycia nawierzchni gruntowej w jezdni przepustów Fot. 2. Przykłady błędów projektowych: zwężenie koryta potoku, nieprawidłowe odprowadzenie wody z jezdni q Brak odpowiedniego zabezpieczenia antykorozyjnego i antyabrazyjnego, jak na fot. 3. Stwarza to sprzyjające warunki do powstawania ognisk korozyjnych, zwłaszcza od strony gruntu. Innym efektem braku tych zabezpieczeń jest powstawanie uszkodzeń abrazyjnych dna konstrukcji obiektów, wywołanych przepływającą wodą niosącą materiał ziarnisty (piasek, kamienie, itp.). q Nieuzasadnione stosowanie wzmocnień powłoki (dodatkowe żebra usztywniające, wypełnianie żeber betonem, jak na fot. 4). Związane jest to ze stosowaniem rozwiązań konstrukcyjnych, które zostały opatentowane i z tego względu producenci konstrukcji trochę na siłę wprowadzają je do realizacji. W przypadku obiektów dużej rozpiętości, wzmocnienia zasadniczej powłoki mogą być uzasadnione. Fot. 3. Przykłady uszkodzeń spowodowanych korozją gruntowo-stalowych obiektów mostowych o przekroju: otwartym, zamkniętym [8] 75
Fot. 4. Przykłady wzmocnień powłok: wypełnienie żeber betonem, dodatkowe żebra usztywniające Natomiast jeżeli np. w obiekcie o rozpiętości 5,00 m i naziodzie A4 na odcinku węzeł Wielicka węzeł Brzesko pokazamie wynoszącym 1,00 m stosowane są dodatkowe żebra nego na rysunku 1. Posadowienie powłoki zaprojektowano usztywniające, i na dodatek nieprzewidziane przez projekna palach wierconych, o średnicy 1,0 m i długości po 11,0 m. tantów to w takim wypadku mamy do czynienia z niepotakich pali wykonano po 16 do każdego fundamentu [7]. Potrzebnym zwiększaniem zużycia stali i kosztów inwestycji. dobne rozwiązanie posadowienia zaproponowano w przyinną kwestią dotyczącą wzmocnień powłok stalowych jest padku obiektu położonego w ciągu drogi ekspresowej S-19 stosowanie wypełnień żeber wzmacniających betonem. Jest Rzeszów Zachodni Świlcza. Tu zastosowano pale prefabryto działanie doraźne, nie mające zbyt dużego znaczenia kowane o wymiarach 0,40 0,40 m i długości po 10,0 m. Wew późniejszej eksploatacji obiektu, gdyż trudno jest znaleźć wnętrzny rząd pali obu podpór wykonano w nachyleniu 10:1 właściwy sposób wypełniania przestrzeni w tych żebrach, a tym bardziej odpowiedniego zagęszczania betonu, nawet w przypadku stosowania betonu samozagęszczalnego. Poza tym kłóci się to z zasadą podatności tych konstrukcji. Należy również zauważyć, że w tych przypadkach przeważnie nie stosuje się żadnego zbrojenia tego betonu, co po kilkuletniej intensywnej eksploatacji obiektu doprowadza do jego wykruszenia się i beton nie spełnia już założonych zadań, czyli usztywniania powłoki, a jest tylko zbędnym balastem. q Niepoprawne posadowienie obiektów. W wielu przypadkach, zwłaszcza gdy stosowane są konstrukcje powłok o przekrojach otwartych, fundamenty żelbetowe są za duże. Przykładem takiego niewłaściwego postępowania jest budowa grunrys. 1. Przykład zastosowania pali wielkośrednicowych przy posadowieniu gruntowo-stalowego obiektu motowo-stalowego obiektu stowego [7] mostowego na autostra- 76
[7]. Projektanci, proponując takie rozwiązania konstrukcyjne posadowienia obiektów podatnych współpracujących z gruntem, najprawdopodobniej nie zdają sobie sprawy z zachowania się tego rodzaju obiektów pod obciążeniem, zwłaszcza wtedy, gdy nad powłoką jest ułożona warstwa gruntu o odpowiedniej grubości. W obu przypadkach wspomnianych mostów wynosiła ona ponad 1,50 m. Jeszcze większe zaniepokojenie budzi fakt stosowania podobnych rozwiązań posadowień w obiektach mostowych przeznaczonych jako przejścia dla zwierząt. Przykładem takiego rozwiązania jest budowa przejścia dla zwierząt nad drogą nr 5 Wrocław Poznań w miejscowości Trzebaw. W tym przypadku zastosowano ławy fundamentowe, jak w masywnym moście betonowym, o szerokości podstawy równej 4,00 m i wysokości 3,10 m oraz długości prawie 60 m [4]. q Niepotrzebne stosowanie dodatkowych usztywnień w połączeniu stalowej powłoki z fundamentem, jak na fot. 5. Powoduje to zmianę schematu statycznego podparcia z przegubowego na sztywne i powstanie dodatkowych sił wewnętrznych w powłoce. Takie rozwiązanie podparcia ogranicza swobodę deformacji przepustu spowodowaną obciążeniami zewnętrznymi i osiadaniem gruntu. q Brak barier ochronnych, np. we wnętrzach obiektów, jak na fot. 6. Doprowadza to często do bezpośrednich uszkodzeń mechanicznych elementów blach falistych w wyniku uderzeń pojazdów samochodowych. Inną ważną kwestią jest opracowanie poprawnych rozwiązań konstrukcyjnych w przypadku obiektów położonych w dużym skosie w stosunku do osi podłużnej przeszkody. Wówczas bowiem duża część wlotowa i wylotowa powłoki nie dochodzi do podpór, co powoduje, że rozkład obciążeń jest niesymetryczny i praca konstrukcji falistej powłoki nabiera charakteru przestrzennego. Należy w takich przypadkach stosować specjalne, dodatkowe wzmocnienia zakończeń powłoki, np. odpowiednio wykształtowane wieńce żelbetowe, co znacznie zwiększa koszt i utrudnia wykonawstwo takich obiektów. Ponadto, należy również zaznaczyć, że konstrukcje podatne są wykonywane z bardzo cienkich stalowych blach o grubości od 2 do 7 mm, które są cieńsze od grubości minimalnych, dopuszczonych przez normę konstrukcji mostowych [15]. Norma ta dopuszcza bowiem do stosowania blachy stalowe o grubości nie mniejszej niż t = 8 mm w mostach kolejowych i t = 7 mm w mostach drogowych na elementy podstawowe. Błędy wykonawcze Niżej omówiono najczęstsze błędy wykonawcze spotykane w tego rodzaju obiektach mostowych. q Błędy montażowe niepoprawne wykonywanie połączeń między blachami, jak na fot. 7. W szczególności doty- Fot. 5. Widoki połączenia blach z fundamentem usztywnione betonem Fot. 6. Przykłady braku barier ochronnych we wnętrzu obiektów: jedno-, dwuotworowych [9] 77
którego dochodzi do uszkodzeń ochronnej warstwy cynku. Efektem takiego działania jest powstawanie i rozwój ognisk korozyjnych podczas eksploatacji. q Niepoprawny dobór metody montażu konstrukcji stalowej. Generalnie wybór technologii montażu zależy od wykonawcy robót budowlanych i od jego możliwości sprzętowych. Częstym błędem popełnianym przez wykonawców jest montaż dużej konstrukcji poza miejscem jej wbudowania, a następnie za pomocą dźwigów umieszczenie jej na fundamentach. W takim przypadku dochodzi do niekontrolowanego rozpłaszczania się konstrukcji i nie jest możliwe już umieszczenie powłoki o właściwej geometrii w pierwotnie planowanym miejscu, na fundamencie. W takich przypadkach należy stosować specjalne ściągi lub po prostu rozluźnić połączenia poszczególnych arkuszy blach. q Brak liniowości ułożenia szyny bazowej na żelbetowych ławach fundamentowych, jak na fot. 9. Objawia się to wzajemnym przesunięciami elementów blach falistych. q Zastosowanie ciężkiego sprzętu budowlanego, np. koparki, walców, itp. Powoduje to często uszkodzenia konstrukcji stalowej, np. przebicia niektórych blach (fot. 10) lub ich wygięcia, zwłaszcza przy braku ostrożności ze strony operatorów tych maszyn. q Niepoprawne formowanie zasypki gruntowej. Może to spowodować utratę wytrzymałości gruntu na ścinanie oraz Fot. 7. Widok deformacji powłok wywołanych nieprawidłowym skręcaniem blach falistych czy to skręcania poszczególnych arkuszy blach od początku zbyt dużym momentem skręcającym, co praktykuje się dość często w celu przyspieszenia robót montażowych. W pierwszej kolejności bowiem powinno się skręcać konstrukcję w ten sposób, aby połączenia były luźne i dopiero w drugim etapie należy dokręcać śruby aż do uzyskania odpowiednich wartości momentów. q Uszkodzenia zabezpieczeń antykorozyjnych podczas montażu, jak na fot. 8. Jest to dość częsty błąd popełniany przez pracowników wykonujących montaż, w wyniku Fot. 8. Widok uszkodzonego zabezpieczenia antykorozyjnego blach falistych 78 Fot. 9. Błędne usytuowanie szyny bazowej (brak liniowości) na ławie fundamentowej
ekologicznym i estetycznym. Jednakże należy mieć na uwadze pewne niebezpieczeństwa podczas prac budowlanych, które mogą wyniknąć z błędów projektowania tego rodzaju obiektów mostowych. Bibliografia Fot. 10. Widok na uszkodzenie blachy falistej (przebicie) brak możliwości utworzenia zespolonego układu gruntowo-stalowego. Jest też bardzo istotne, aby grunt przeznaczony do zasypywania powłoki stalowej był materiałem sypkim drobno- lub średnioziarnistym, który umożliwia uzyskanie właściwego stopnia zagęszczenia. Innym często popełnianym błędem jest zasypywanie konstrukcji powłok zbyt grubymi warstwami gruntu, co uniemożliwia jego lokalne odpowiednie zagęszczenie i zarazem może spowodować niebezpieczne deformacje powłoki, prowadzące do utraty jej stateczności. Wymagania normowe W Polsce nie opracowano jeszcze norm dotyczących projektowania i odbioru gruntowo-stalowych konstrukcji mostowych, mimo że np. w Kanadzie, USA, czy w krajach skandynawskich od wielu lat stosowane są odpowiednie normy i zalecenia projektowe [1, 6, 14]. Istotnym wkładem w opracowanie szwedzkiej metody projektowej [14] była weryfikacja i kalibracja tej metody na podstawie przeprowadzonych badań doświadczalnych na konstrukcjach z blach falistych w skali naturalnej [3, 12, 13]. Obecnie projektant ma do dyspozycji obowiązujące w Polsce normy i zalecenia [15 18], jak w odniesieniu do tradycyjnych mostów stalowych, które nie uwzględniają specyficznej pracy konstrukcji gruntowo-stalowych oraz może skorzystać tylko z serwisu technicznego oferowanego przez dostawców tych konstrukcji. Także w Eurokodzie [5] nie uwzględnia się tego rodzaju konstrukcji mostowych. Na uwagę jednak zasługuje fakt opracowania przez Instytut Badawczy Dróg i Mostów Filia Wrocław [18] pierwszych zaleceń projektowych i technologicznych dotyczących podatnych konstrukcji inżynierskich wykonanych z blach falistych. Ukazały się także pozycje książkowe [9, 10], w których podano propozycje analiz i obliczeń tego rodzaju konstrukcji mostowych. Podsumowanie Mostowe obiekty z blach falistych, współpracujące z gruntem, stanowią już widok naturalny, dość rozpowszechniony układ konstrukcyjny w budowie mostów w Polsce, podobnie jak w innych krajach świata. Prezentowane konstrukcje są atrakcyjne pod względem konstrukcyjnym, ekonomicznym, [1] AASHTO LRFD. LRFD Bridge Design Specifications. American Association of State Highway and Transportation Officials, 5 th Ed., Washington, D.C. 2010 [2] P.H. Abdulrazagh, E. Bayoglu Flener: Numerical analysis of boxtype soil-steel structure under static service loads, 2nd European Conference on Buried Flexible Steel Structures, Rydzyna, April 23 24, 2012 [3] E. Bayoglu Flener: Field testing of a long-span arch steel culvert railway bridge over Skivarpsån, Sweden, Part III, TRITA-BKN Rep. No. 91, Dept. of Civil and Architectural Engineering, Div. of Structural Design and Bridges, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm 2005 [4] D. Bęben, P. Czyżewski, Z. Mańko: O budowie największego w Europie obiektu mostowego ze stalowych blach falistych typu Super Cor, Inżynieria i Budownictwo, vol. LX, 2004, nr 4, s. 198 201 [5] CEN, EN 1991-2. Eurocode 1: Actions on Structures Part 2: Traffic Loads on Bridges. European Committee for Standardization, Brussels 2002 [6] CHBDC. Canadian Highway Bridge Design Code. CAN/CSA-S6-06, Canadian Standards Association International, Mississauga, Ontario 2006 [7] K. Gwizdała, A. Słabek, P. Więcławski: Rozwiązania konstrukcyjne posadowienia przepustów drogowych, 56 Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN oraz Komitetu Nauki PZITB, Kielce-Krynica, 19 24 września 2010 r., s. 135 144 [8] P.L. Hansen: Rehabilitation opportunities for NBDOT steel culvert type bridges. Annual Conference & Exhibition of the Transportation Association of Canada, Saskatoon, Saskatchewan, October 14 17, 2007 [9] L. Janusz, A. Madaj: Obiekty inżynierskie z blach falistych. Projektowanie i wykonawstwo, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności WKŁ. Warszawa 2009 [10] Cz. Machelski: Modelowanie mostowych konstrukcji gruntowopowłokowych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne. Wrocław 2008 [11] Cz. Machelski, J. Marcinowski: Numerical modelling of moving load effects in a soil-steel bridge, 1 st European Conference on Buried Flexible Steel Structures, Rydzyna, April 23 24, 2007 [12] Z. Manko, D. Beben: Research on Steel Shell of a Road Bridge Made of Corrugated Plates during Backfilling, Journal of Bridge Engineering, ASCE, vol. 10, 2005, no. 5, s. 592 603 [13] Z. Manko, D. Beben: 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, 2005, no. 5, s. 604 621 [14] L. Pettersson, H. Sundquist: Design of soil-steel composite bridges, TRITA-BKN Rep. No. 112, Dept. of Civil and Architectural Engineering, Div. of Structural Design and Bridges, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm 2007 [15] PN-S-10052:1982.: Obiekty mostowe. Konstrukcje stalowe. Projektowanie [16] PN-S-10030:1985.: Obiekty mostowe. Obciążenia [17] PN-S-10050:1989.: Obiekty mostowe. Konstrukcje stalowe. Wymagania i badania [18] W. Rowińska, A. Wysokowski, A. Pryga: Zalecenia projektowe i technologiczne dla podatnych konstrukcji inżynierskich z blach falistych, IBDiM, Żmigród 2004 [19] A. Wysokowski, L. Janusz: General conclusions based on the testing of various types of corrugated flexible structures in laboratory in natural scale, 1 st European Conference on Buried Flexible Steel Structures, Rydzyna, April 23 24, 2007 [20] K. Williams, S. MacKinnon, J. Newhook: New and innovative developments for design and installation of deep corrugated buried flexible steel structures, 2 nd European Conference on Buried Flexible Steel Structures, Rydzyna, April 23 24, 2012 79