Próbne obciążenie drogowego mostu łukowego przez Wisłę w Toruniu

Próbne obciążenie drogowego mostu łukowego przez Wisłę w Toruniu Badania diagnostyczne Jacek Chróścielewski, Maciej Malinowski, Anna Banaś, Roman Rutkowski, Marcin Jeszka, Krzysztof Wąchalski W artykule przedstawiono zakres oraz wyniki badań diagnostycznoodbiorowych obciążenia próbnego mostu drogowego im. Elżbiety Zawackiej w Toruniu. W zakres testów wchodziły zarówno próby statyczne, jak i dynamiczne. Badania kontrolne obiektu powierzono Zespołowi Laboratorium Badań Terenowych Katedry Mechaniki Budowli i Mostów Politechniki Gdańskiej. Znaczący rozwój infrastruktury komunikacyjnej stwarza szanse dla projektów i wykonawców na tworzenie coraz bardziej nowatorskich i wyrafinowanych obiektów inżynierskich, które często wymagają pokonywania związanych z nimi kolejnych barier konstrukcyjnych i technicznych. Wprowadzanie nowych rozwiązań wiąże się z koniecznością głębszego poznania rzeczywistego zachowania się takich nowatorskich obiektów oraz weryfikacji przyjmowanych założeń teoretycznych i prognoz projektowych. Jednoznaczny obraz rzeczywistej pracy konstrukcji uzyskuje się na podstawie wyników dobrze i odpowiednio przygotowanego i realizowanego monitorowania zachowania się obiektu zarówno w okresie etapów jego realizacji, jak i w czasie końcowych badań odbiorowych, a także podczas jego eksploatacji (1-5). Niewątpliwie jednym z największych w kraju i innowacyjnym z uwagi na zastosowywane oryginalne rozwiązania projektowe oraz montaż jest most drogowy przez Wisłę w Toruniu (6). Nowa przeprawa mostowa (fot. 1), w skład której wchodzi most łukowy, została wybudowana w okresie 10.2010 r. 12.2013 r. Generalnym wykonawcą Fot. 1. Widok trasy mostowej w Toruniu przedsięwzięcia była firma STRABAG. Z uwagi na wielkość obiektu oraz innowacyjne rozwiązania technologiczne przy montażu konstrukcji zadanie przeprowadzenia badań kontrolnych obiektu powierzono Zespołowi Laboratorium Badań Terenowych Katedry Mechaniki Budowli i Mostów Politechniki Gdańskiej, który ma ponad 60-letnie fot. M. Łaukajtys 32 Rys. 1. Schemat oraz przekrój poprzeczny mostu łukowego przez Wisłę w Toruniu

mosty materiały Fot. 2. Fazy montażu dźwigarów łukowych przęsła nr 13-15 Fot. 3. Fazy montażu dźwigarów łukowych przęsła nr 13-15 fot. M. Malinowski fot. M. Malinowski fot. M. Malinowski Fot. 4. Fazy montażu dźwigarów łukowych przęsła nr 13-15 osadzanie łuków na stolikach montażowych doświadczenie w diagnozowaniu i badaniach obiektów mostowych. Zakres zadań obejmował zarówno monitorowanie zachowania się konstrukcji w okresie całego cyklu jego wznoszenia, jak i badania odbiorowe obciążenia próbnego mostu głównego. Charakterystyka obiektu Drogowy most łukowy w Toruniu ma ponad 540 m długości i 24 m szerokości. Całkowita długość trasy mostowej wraz z drogami dojazdowymi wynosi 4100 m. Estakady nad terenami zalewowymi po prawej i lewej stronie Wisły mają odpowiednio po 600 m i 830 m długości. Inwestycja obejmowała także budowę i przebudowę jedenastu ulic o łącznej długości 11 km, wzniesienie wiaduktu nad koleją i przejścia podziemnego oraz przebudowę kilku skrzyżowań i węzłów komunikacyjnych. Most główny jest dwuprzęsłową konstrukcją łukową z jazdą pośrednią o rekordowej w skali kraju rozpiętości przęseł 2 270 m (rys. 1). Dźwigary główne to dwa nachylone do siebie stalowe łuki bez ściągu o zamkniętym przekroju skrzynkowym w oryginalnej formie bisymetrycznego sześcioboku. W każdym przęśle łuki stężone są poprzecznie sześcioma stalowymi belkami skrzynkowymi. Wezgłowia łuków zaprojektowano jako system stalowożelbetowy. Ten nowatorski układ jest w górnej części wezgłowia stalowy, ma pusty w środku przekrój skrzynki i jest jednostronnie zatopiony oraz zespolony z częścią be- 33

Rys. 2. Wizualizacja globalnego modelu obliczeniowego MES mostu Rys. 3. Wizualizacja szczegółowych modeli wycinkowych MES wezgłowi nr: 13, 15/13, 15/17 i 17 Wezgłowie Liczba węzłów Liczba elementów Liczba elementów bryłowych Liczba więzów powłokowych (część stalowa) (część betonowa) podporowych W13 65 487 48 540 185 903 12 W15/13 64 604 48 839 178 658 12 W5/17 66 539 49 040 190 287 12 W17 56 223 45 856 136 746 12 Tab. 1. Charakterystyka parametryczna modeli szczegółowych MES wezgłowi Wartości przemieszczeń pionowych ugięć pomostu Procentowa zgodność Ustawienie Wartości pomierzone Wartości teoret. f obciążenia Punkt pomiarowy sprężyste f trwałe f próbnego teoretyczne f f sprężyste całkowite [mm] f sprężyste [mm] f trwałe [mm] f teoretyczne [mm] [%] [%] u 1/7 (L) 113,5 111,8 1,7 114,41 98 1,5 u 2/7 (S) 124,9 123,7 1,2 125,79 98 1,0 Ustawienie U1/1 u 3/7 (P) 112,1 109,9 2,2 112,19 98 2,0 średnio w przekroju 118,5 116,8 1,7 118,99 98 1,5 Tab. 2. Ekstremalne wartości przemieszczeń pionowych ugięć konstrukcji przęsła uzyskane podczas realizacji testów statycznych 34 tonową, która w strefie dolnej przechodzi w monolityczną konstrukcję żelbetową. Pomost podwieszony jest do łukowych dźwigarów głównych za pomocą nieregulowanych sztywnych wieszaków rurowych. Konstrukcja pomostu jest stalowa, tworzą ją blachownicowe dźwigary podłużne oraz silnie rozbudowane poprzecznice wraz z płytą o ortotropii technicznej umiejscowioną w płaszczyźnie ich pasów górnych. W obrębie jezdni w płycie zastosowano żebra zamknięte, a w obszarze chodników otwarte. Wezgłowia połączone są monolitycznie z płytami fundamentowymi posadowionymi na palach prefabrykowanych pogrążanych. W celu ochrony podpory nurtowej przed bezpośrednim działaniem wód rzeki oraz dodatkowo zabezpieczenia przed rozmyciem dna koryta w obrębie podpory zbudowano sztuczną wyspę, umocnioną od zewnątrz narzutem kamiennym. Podczas realizacji inwestycji zastosowano innowacyjny dla tej skali obiektu sposób montażu dźwigarów głównych (7). Odcinki łuków stalowych o długości 230 m (dla każdego przęsła) i łącznej masie ok. 5500 t najpierw na brzegu były scalane po dwa w formę przęsła, które kolejno były zwodzone na pontonowych podporach pływających do miejsca wmontowania. Następnie w miejscu wbudowania były one podniesione z pontonów i przed trwałym uciąglającym zespoleniem osadzone na czterech specjalnie wykonstruowanych demontowanych stolikach montażowych (fot. 2-4). Monitoring zachowania się konstrukcji w czasie montażu Program kontroli i monitoringu zachowania się konstrukcji opracował zespół Laboratorium Badań Terenowych Katedry Mechaniki Budowli i Mostów Politechniki Gdańskiej we współpracy z Biurem Projektowym Pont-Projekt (Nadzór Autorski). Stanowił on wypełnienie wymagań projektowych oraz SST dla budowy mostu łukowego przez Wisłę w Toruniu.

mosty materiały Rys. 4. Rozmieszczenie przekrojów i punktów pomiarowych na przęśle nr 13-15 mostu Celem badań było określenie stopnia wytężenia i ocena poprawności pracy łukowych dźwigarów głównych podczas faz montażowych. Założenia systemu monitorowania oraz wstępne wyniki badań podczas osadzania przęsła nr 13-15 mostu przedstawiono w pracy (10). Szczegółowe omówienie wyników monitorowania konstrukcji w czasie jego wznoszenia będzie przedmiotem kolejnych publikacji. Badania podczas próbnego obciążenia Badania podczas próbnego obciążenia mostu drogowego przez Wisłę w Toruniu przeprowadzono w dniach 8-10 listopada 2013 r. Badania obejmowały zarówno testy statyczne, jak i dynamiczne obiektu (8, 9). Zakres badań podczas próbnego obciążenia mostu został dostosowany do rodzaju i specyfiki ustroju oraz stanowił kontynuację, uruchomionego od początku montażu, systemu monitoringu konstrukcji. Badania przeprowadzono na podstawie projektu próbnego obciążenia (8). Wartości teoretyczne analizowanych parametrów konstrukcji wyznaczono w punktach pomiarowych na podstawie obliczeń na zaawansowanych przestrzennych modelach MES (rys. 2 i 3). Jako globalny model obliczeniowy mostu przyjęto przestrzenny układ powłokowo-belkowy. Konstrukcję płyty pomostu, ściany usztywniające wezgłowia oraz podpory modelowano 4-węzłowymi powłokowymi elementami skończonymi. Dźwigary łukowe, stężenia poprzeczne łuków, wezgłowia, poprzecznice, dźwigary i żebra podłużne pomostu oraz pale modelowano 2-węzłowymi elementami belkowymi z uwzględnieniem mimośrodów. Wieszaki modelowano elementami kratowymi. Parametry geometryczne i materiałowe konstrukcji przyjęto na podstawie rysunków konstrukcyjnych obiektu. Wygenerowany model konstrukcji mostu składał się z: siatki 155 544 węzłów, 158 284 elementów powłokowych, 101 714 elementów belkowych, 35

Rys. 5. Przemieszczenia pionowe ugięcia konstrukcji przęsła nr 13-15 podczas realizacji ustawienia U1/1 obciążenia próbnego Rys. 6. Przemieszczenia pionowe ugięcia konstrukcji przęsła nr 13-15 podczas realizacji ustawienia U2/1 obciążenia próbnego 36 92 elementów kratowych, 19 więzów podporowych pomostu. Do analizy stopnia wytężenia i określenia stopnia współpracy części stalowej i betonowej wezgłowi łuków wykonano 4 szczegółowe modele przestrzenne (rys. 3, tab. 1). Tworzą je elementy powierzchniowe (część stalowa skrzynka dźwigara łukowego) oraz elementy bryłowe (część betonowa wezgłowi) przy odpowiednich warunkach brzegowych uwzględniających globalne oddziaływanie części konstrukcji podczas kolejnych schematów próbnego obciążenia. Do badań statycznych obiektu podczas próbnego obciążenia użyto różnych kombinacji obciążenia składającego się z 12 samochodów 4-osiowych o średnim ciężarze 336 kn. W ramach badań statycznych zrealizowano 4 ustawienia (28 schematów) obciążenia próbnego. Podczas badań statycznych mierzone i rejestrowane były wartości dla: 141 punktów pomiarowych przemieszczeń pionowych ugięć konstrukcji przęseł (2 23 przekrojów pomiarowych, po trzy punkty pomiarowe w przekroju, oraz dodatkowe punkty na przęśle nr 13-15),

mosty materiały Przekrój pomiarowy 1-1 U1/1 T1/1/W13 T2/1/W13 T3/1/W13 T4/1/W13 T5/1/W13 T6/1/W13 T7/1/W13 T8/1/W13 T9/1/W13 T10/1/W13 σ pom [MPa] 19,0 25,4 24,4 13,8 2,8-3,9-16,8-36,5-30,4-40,0 σ pom / σ teoret [%] 109 108 112 102 82 95 110 123 104 123 Przekrój pomiarowy 2-2 U1/1 T1/2/W13 T2/2/W13 T3/2/W13 T4/2/W13 T5/2/W13 T6/2/W13 T7/2/W13 T8/2/W13 T9/2/W13 T10/2/W13 σ pom [MPa] 5,0 7,9 6,4 4,7 0,5-1,1-4,7-8,1-9,3-9,1 σ pom / σ teoret [%] 109 105 125 124 89 93 98 98 Przekrój pomiarowy 3-3 U1/1 T1/3/W13 T2/3/W13 T3/3/W13 T4/3/W13 T5/3/W13 T6/3/W13 T7/3/W13 T8/3/W13 T9/3/W13 T10/3/W13 σ pom [MPa] 3,9 6,2 5,5 4,3 0,9-1,1-4,7-6,5-6,5 6,8 σ pom / σ teoret [%] 95 100 93 102 112 93 89 91 Przekrój pomiarowy 4-4 U1/1 T1/4/W13 T2/4/W13 T3/4/W13 T4/4/W13 T5/4/W13 T6/4/W13 T7/4/W13 T8/4/W13 T9/4/W13 T10/4/W13 σ pom [MPa] 3,6 5,2 4,4 3,4 0,8-0,7-3,1-5,8-6,3-6,3 σ pom / σ teoret [%] 97 98 98 110 91 98 102 97 Tab. 3. Zarejestrowane wartości naprężeń normalnych σ [MPa] w punktach pomiarowych wezgłowia nr 13 podczas realizacji ustawienia U1/1 obciążenia próbnego a) b) c) d) Rys. 7. Ewolucja naprężeń normalnych w punkcie pomiarowym T10/1/W13 (część stalowa łuku przy wezgłowiu 13) wywołana przejazdem dwóch samochodów jeden za drugim, po lewej jezdni, przez sztuczną przeszkodę w formie progu o wysokości 10 cm ustawionego w przekroju pomiarowym 12-12 (L/2): a) w dziedzinie czasu, b) w dziedzinie częstotliwości. Ewolucja przyspieszeń konstrukcji przęsła 13-15 w punkcie pomiarowym a7z (składowa pionowa przyspieszeń pomostu przy wpięciu wieszaka nr 7) wywołana przejazdem czterech samochodów (2 kolumny po 2 pojazdy) po lewej jezdni przez sztuczną przeszkodę w formie progu o wysokości 10 cm ustawionego w przekroju pomiarowym 7-7 (L/4): c) w dziedzinie czasu, d) w dziedzinie częstotliwości 37

f 1,teor. = 0,58-0,61 f 2,teor. = 1,02-1,04 f 3,teor. = 1,32 f 1,pom. = 0,55 f 2,pom. = 1,00 f 3,pom. = 1,28 f 4,teor. = 1,59-1,65 f 5,teor. = 1,76-1,80 f 6,teor. = 1,97-1,99 f 4,pom. = 1,55 f 5,pom. = 1,78 f 6,pom. = 2,05 f 7,teor. = 2,25 f 8,teor. = 2,50-2,55 f 9,teor. = 3,66 f 7,pom. = 2,13 f 8,pom. = 2,47 f 9,pom. = 3,68 Tab. 4. Wizualizacje postaci drgań własnych oraz porównanie wartości pomierzonych i teoretycznych wartości częstotliwości drgań własnych konstrukcji przęsła 38 1 punktu pomiarowego przemieszczeń poziomych konstrukcji na łożysku ruchomym, 6 punktów pomiarowych przemieszczeń poziomych i pionowych dźwigara łukowego, 2 punktów pomiarowych odkształceń/naprężeń przyrostów sił w wieszakach, 44 punktów pomiarowych odkształceń/naprężeń w dźwigarze łukowym w wezgłowiu i w bezpośrednim jego sąsiedztwie, 4 punktów pomiarowych odkształceń/naprężeń w pasach dolnych podłużnego dźwigara pomostu, 40 punktów pomiarowych temperatury konstrukcji zlokalizowanych na dźwigarach łukowych, ich wezgłowiach oraz dźwigarach podłużnych pomostu, 11 punktów pomiarowych przyspieszeń konstrukcji przęsła (dźwigary łukowe oraz konstrukcja pomostu), 8 punktów pomiarowych osiadania podpór. Rozmieszczenie przekrojów i punktów pomiarowych w przęśle nr 13-15 przedstawiono na rys. 4. Pomierzone wartości statyczne przemieszczeń oraz odkształceń/naprężeń w konstrukcji podczas prób statycznych były zgodne z teoretycznymi, obliczonymi w oparciu o przyjęte modele MES (tab. 2, rys. 5, 6 i 7). Wyznaczone ekstremalne wartości ugięć trwałych były mniejsze od wartości granicznych wg PN-82/S- 10052. Badania dynamiczne przęsła nr 13-15 realizowano z użyciem zestawów dwóch oraz czterech samochodów 4-osiowych poruszających się po obiekcie z różnymi prędkościami. Podczas testów dynamicznych rejestrowano czasowe zmiany reprezentatywnych parametrów konstrukcji. Mierzono i rejestrowano wartości dla: 2 punktów pomiarowych przemieszczeń pionowych ugięć konstrukcji przęsła, 4 punktów pomiarowych odkształceń/naprężeń w pasach dolnych podłużnego dźwigara pomostu, 4 punktów pomiarowych odkształceń/naprężeń w dźwigarze łukowym w wezgłowiu, 2 punktów pomiarowych odkształceń/naprężeń przyrostów sił w wieszakach, 11 punktów pomiarowych przyspieszeń konstrukcji przęsła. Badania przeprowadzono, realizując 40 testów przejazdów obciążenia próbnego. Realizowano przejazdy ze stałą prędkości na obiekcie, po gładkiej jezdni oraz z dodatkowym wymuszeniem drgań w wyniku hamowania pojazdów oraz przejazdów samochodów przez sztuczną przeszkodę w formie progu wysokości 10 cm, ustawioną na jezdni w różnych przekrojach badanego przęsła. Przykładowe zarejestrowane przebiegi parametrów konstrukcji przedstawiono na rys. 7. Na podstawie wyników badań dynamicznych zidentyfikowano częstotliwości i postaci drgań własnych konstrukcji. W tab. 4 porównano wartości pomierzone i teoretyczne częstotliwości oraz przedstawiono wizualizacje postaci drgań własnych. Na podstawie zarejestrowanych przebiegów przemieszczeń, odkształceń/naprężeń i przyspieszeń oszacowano

mosty materiały a) b) Rys. 8. Zarejestrowane przebiegi sygnałów w dziedzinie czasu i częstotliwości dla wieszaka nr 12 a) b) Rys. 9. Zarejestrowane przebiegi sygnałów w dziedzinie czasu i częstotliwości dla wieszaka nr 17 a) b) Rys. 10. Zarejestrowane przebiegi sygnałów w dziedzinie czasu i częstotliwości dla wieszaka nr 19 logarytmiczny dekrement tłumienia konstrukcji na poziomie ν pom 0,036. Pomiary sił w wieszakach Podczas próbnego obciążenia prowadzono pomiary nieinwazyjne przyrostów sił normalnych w wieszakach poprzez pomiar pośredni, rejestrując odkształcenia/ naprężenia przy zastosowaniu autorskich ekstensometrów indukcyjnych. Pomiar ten umożliwia jednak jedynie określenie przyrostu siły normalnej w elemencie od określonego obciążenia zewnętrznego. Wielkości sił w wieszakach mostów łukowych czy wantach w mostach podwieszonych można oszacować, stosując również nieinwazyjną metodę pośrednią, poprzez pomiar częstotliwości drgań własnych napiętych lin (na skutek danej kombinacji obciążeń) po ich wzbudzeniu zadanym impulsem dynamicznym. W omawianym przypadku sprawdzano poziom wartości sił normalnych w wieszakach od obciążeń stałych i statycznych eksploatacyjnych po wzbudzeniu dynamicznym wieszaków i pomiarze składowych ich przyspieszeń podczas drgań. Pomiary wykonywano przy użyciu akcelerometrów MEMS oraz wzmacniaczy HBM. Przykładowe wykresy zarejestrowanych sygnałów przedstawiono na rys. 8-10. Podsumowanie Otrzymane z badań wartości oraz rozkłady i przebiegi mierzonych parametrów potwierdziły prawidłową pracę konstrukcji i założenia przyjęte zarówno w projekcie budowlano-wykonawczym, jak i w projekcie próbnego obciążenia. Analiza wyników badań statycznych i dynamicznych obiektu wskazały na poprawną pracę konstrukcji zachodzącą w zakresie sprężystym. Wyniki badań potwierdziły bardzo dobrą zgodność symulacji numerycznych w ramach przyjętych modeli obliczeniowych z rzeczywistym zachowaniem się konstrukcji. Zastosowana metoda pośredniego, nieinwazyjnego pomiaru sił w wieszakach daje możliwości kontroli sił wewnętrznych w tego typu elementach konstrukcyjnych na różnych etapach budowy i okresach eksploatacji obiektu. Podejście takie umożliwia bieżącą kontrolę i na jej podstawie ewentualną aktualizację programu podwieszania pomostu w przypadku mostów łukowych i podwieszonych. Przeprowadzony zakres badań odbiorowych był kontynuacją systemu ciągłego monitorowania technicznego realizowanego w trakcie wznoszenia obiektu. Wyniki przeprowadzonych badań oraz obliczeń numerycznych potwierdzają głęboki sens jednoczesnego prowadzenia badań in situ wspieranych aparatem teoretycznym o dobrze zidentyfikowanych parametrach modelu obliczeniowego. Zaawansowane analizy numeryczne poparte odpowiednio zaplanowanymi badaniami in situ pozwalają na jednoznaczną identyfikację zachowania się nawet najbardziej skomplikowanych konstrukcji i stanowią cenną bazę danych i doświadczeń dla projektantów i wykonawców kolejnych niestandardowych obiektów mostowych. Piśmiennictwo 1. Wenzel H.: Health Monitoring of Bridges. A. John Wiley and Sons, Ltd. Publication, 2009. 2. Bień J.: Uszkodzenia i diagnostyka obiektów mostowych. WKŁ, 2010. 3. Malinowski M.: Monitoring der Brücke des III. Jahrtausends in Danzig. Stahlbau, 8/2003, s. 567-573. 4. Malinowski M., Rutkowski R.: Badania mostu III Tysiąclecia im. Jana Pawła II w Gdańsku w trakcie trzyletniej eksploatacji. Inżynieria i Budownictwo, 6/2005, s. 323-236. 5. Hildebrand M., Malinowski M., Żółtowski K.: Monitoring mostów podwieszonych. Mosty, 3/2009, s. 16-24. 6. Projekt wykonawczy mostu łukowego przez rzekę Wisłę w Toruniu. Branża mostowa. PONT-PROJEKT Sp. z o.o. 2008. 7. Projekt montażu mostu łukowego przez rzekę Wisłę w Toruniu 5 etapów. PONT-PROJEKT Sp. z o.o. 8. Chróścielewski J., Banaś A., Malinowski M.: Projekt próbnego obciążenia drogowego mostu łukowego przez Wisłę w Toruniu. 2013. 9. Chróścielewski J., Banaś A., Malinowski M., Rutkowski R., Sitarski A: Sprawozdanie z Badań podczas próbnego obciążenia drogowego mostu łukowego przez Wisłę w Toruniu. 2013. 10. Chróścielewski J., Witkowski W., Banaś A., Daszkiewicz K., Malinowski M., Wąchalski K.: Założenia systemu i wstępne wyniki z monitoringu podczas montażu pierwszego przęsła mostu łukowego przez rzekę Wisłę w Toruniu. Archiwum Instytutu Inżynierii Lądowej Politechniki Poznańskiej 16/2013. Współczesne metody budowy, wzmacniania i przebudowy mostów. XXIII Seminarium. 2013, s. 37-48. 39