KONSTRUKCJA TYMCZASOWEGO ZABEZPIECZENIA STALOWEGO WIADUKTU DROGOWEGO NAD KOLEJĄ

ARCHIWUM INSTYTUTU INŻ YNIERII LĄ DOWEJ Nr 18 ARCHIVES OF INSTITUTE OF CIVIL ENGINEERING 2014 KONSTRUKCJA TYMCZASOWEGO ZABEZPIECZENIA STALOWEGO WIADUKTU DROGOWEGO NAD KOLEJĄ Józef RABIEGA Politechnika Wrocławska W referacie zaprezentowano zakres uszkodzeń trzyprzęsłowego wiaduktu drogowego o konstrukcji belkowej blachownicowej nad jednotorową linią kolejową relacji Jelenia Góra Szklarska Poręba. Przedstawiono najistotniejsze szczegóły projektu zabezpieczenia wiaduktu aby nie stwarzał zagrożenia dla ruchu kolejowego. Opisano technologię, pokazano rysunki konstrukcji zabezpieczenia obiektu. 1. WPROWADZENIE Przedmiotem opracowania jest stalowy wiadukt drogowy w km 13,748 linii kolejowej nr 311 relacji Jelenia Góra Szklarska Poręba w ciągu ulicy Piastowskiej zlokalizowanej na terenie Zakładu Linii Kolejowych w Wałbrzychu, w miejscowości Piechowice. Szacuje się, że wiadukt pochodzi z około 1902 r., czyli z okresu budowy linii kolejowej nr 311 na odcinku od Jeleniej Góry do Szklarskiej Poręby Górnej. Pierwszy odcinek dzisiejszej linii otwarto w sierpniu 1866 r. jako element budowanej wówczas Śląskiej Kolei Górskiej. W sierpniu 1891 r. otwarto odcinek do Cieplic, a w grudniu odcinek do Piechowic kończąc łatwiejszą ze względów terenowych część linii, którą dalej należało poprowadzić w głębokich wykopach i na wysokich nasypach oraz przebić tunel przed dzisiejszym przystankiem w Szklarskiej Porębie Dolnej. Prace te na odcinku do Szklarskiej Poręby Górnej zakończono w czerwcu 1902 r. zaś 5 dni później otwarto odcinek do wsi Tkacze (obecnie Harrachov). W związku z trudnym przebiegiem linii postanowiono dokonać jej elektryfikacji, co nastąpiło już w latach 20. XX wieku. Oficjalnie ruch pociągów z trakcją elektryczną rozpoczął się już w lutym 1923 r. Linia kolejowa do małego miasteczka, jakim wówczas była Szklarska Poręba była już przed II wojną światową bardzo popularnym szlakiem, umożliwiającym dalsze dotarcie do licznych sąsiednich miasteczek. Przedwojenna sieć trakcyjna została wstępnie przygotowana do uruchomienia, jednak jeszcze w 1945 r. ją zlikwidowano i wywieziono. W 1987 r. dokonano ponownej elektryfikacji linii co w znacznej mierze zapobiegło jej likwidacji, lecz wskutek zużycia nawierzchni znacznie ograniczono prędkość taboru, nawet do 20 km/h, po czym aż do kilkumiesięcznego, całkowi-

144 Józef Rabiega tego zawieszenia przewozów. Różne koleje losu przechodził odcinek linii od Szklarskiej Poręby Górnej do granicy państwa, który ostatecznie zamknięto w latach 90. XX wieku. Wznowienie przewozów na tej trasie nastąpiło w końcu pierwszej dekady XXI wieku. W latach 2009 2010 linia ta po przejęciu przez samorząd została gruntownie wyremontowana za pieniądze unijne i przekazana w zarządzanie PKP PLK. Po wyremontowaniu linii, nadzór budowlany wstrzymał jednak na niej ruch z racji zagrożeń jakie dla pociągów stwarzały usytuowane nad linią dwa obiekty mostowe w miejscowości Piechowice. 2. OPIS KONSTRUKCJI WIADUKTU STALOWEGO Konstrukcja nośna wiaduktu składa się z trzech przęseł, każde o schemacie statycznym belki swobodnie podpartej. Rozpiętości teoretyczne przęseł wynoszą 4,92 m + 11,20 m + 4,92 m, a całkowita długość obiektu, wraz ze skrzydłami podpór skrajnych wynosi 25,29 m. Konstrukcje przęseł są belkowe, ośmiodźwigarowe utworzone z 4 pakietów dwudźwigarowych blachownicowych o konstrukcji nitowanej. Na dźwigarach głównych, poprzecznie do nich ułożone są typowe tzw. zoresówki 110x240 mm tj. elementy stosowane dawniej na podbudowę nawierzchni drogowych mostów stalowych, wypełnione betonem, którego warstwa ma zmienną grubość od 5 21cm, na których na 4-centymetrowej podsypce piaskowej ułożona jest kostka granitowa, grubości 10 cm pokryta 3 (5) cm warstwą dywanika z betonu asfaltowego. Na obiekcie nie ma wydzielonych chodników, a całkowita szerokość przęseł wynosi 6,36 m. Wiadukt wyposażony jest w balustrady oraz bariery przeciwporażeniowe starego i nowszego typu. Stare osłony były niższe, z gęstą siatką oraz wypełnieniem z desek ułożonych pionowo, zaś nowego typu osłony miały wyższą wysokość (210 cm) i wypełnienie blaszane w dolnej części. Każdy dźwigar główny w przęśle nad torem kolejowym składa się z pasa dolnego i górnego z dwóch ceowników 80x80x10 mm i środnika z blachy 12x900 mm. W obu przęsłach nad zboczami przekopu dźwigary główne składają się z 2C280 mm. Rozstawy belek głównych we wszystkich trzech przęsłach wynoszą 0,86 m. Stężenia poprzeczne w pakietach między belkami głównymi rozstawione są co ok. 1,5 m i wykonane są w przęśle nad torem kolejowym z L80x80x10 mm a w przęsłach nad skarpami wykopu z ceowników 160. Przęsła wiaduktu opierają się na kamienno-betonowych przyczółkach oraz na dwóch ceglano-betonowych filarach. W podporach, elementy betonowe to nadlewki ich oczepów związane z elektryfikacją linii kolejowej i podnoszeniem przęseł dla uzyskania niezbędnej skrajni pionowej. Mimo tego do skrajnych belek głównych zamontowane są odbojnice sieci trakcyjnej, gdyż skrajnia pionowa wynosi tu tylko 5,298 m < 5,45 m. Na dojazdach do wiaduktu nawierzchnia drogowa jest bitumiczna. Dojazdy na wiadukt z obu stron były zabarykadowane 2 potężnymi głazami i słupkami z rur stalowych oraz rozpiętą między nimi

Konstrukcja tymczasowego zabezpieczenia stalowego wiaduktu 145 siatką stalową. Poniżej pokazano przekrój poprzeczny wiaduktu w stanie przed zabezpieczeniem (rys. 1). Rys. 1 Przekrój poprzeczny środkowego przęsła wiaduktu przed wykonaniem zabezpieczenia 3. OCENA STANU TECHNICZNEGO OBIEKTU 3.1. Stan techniczny wiaduktu Poniżej przedstawiono fotografię uszkodzonego wiaduktu (rys. 2). Rys. 2 Ogólny wygląd obiektu przed zabezpieczeniem

146 Józef Rabiega Stan techniczny przedmiotowego wiaduktu był wysoce niezadowalający, zagrażający bezpieczeństwu ruchu publicznego (kolejowego i użytkownikom obiektu mostowego). Przyczyną tego były znaczne uszkodzenia zarówno elementów konstrukcyjnych jak i wyposażenia. Do głównych defektów elementów nośnych obiektu zaliczono: uszkodzenia korozyjne pokładu z zoresówek oraz wypadające na tor kolejowy betonowe elementy ich wypełnienia, trwałe i nienadające się do naprawy korozyjne ubytki stalowych elementów konstrukcji przęseł, w tym głównie nad torem kolejowym, zdewastowane głowice, ubytki spoin i spękania podpór skrajnych, również ich skrzydeł, spękania ceglanych filarów (rys. 3). Rys. 3 Spękania ceglanych filarów Ponadto stwierdzono między innymi następujące uszkodzenia wyposażenia obiektu: nieodwracalne uszkodzenia osłon przeciwporażeniowych (starych i nowych), rozległe uszkodzenia balustrad (korozja, deformacje), zdewastowane głowice, ubytki spoin i spękania podpór skrajnych, również ich skrzydeł, zniszczona nawierzchnia na wiadukcie i dojazdach z obu stron, wegetacja roślin na widocznych elementach przęseł i podpór oraz na skarpach przekopów, które mają spore ubytki ziemne. Jako podstawowe przyczyny uszkodzeń można podać brak prac utrzymaniowych, oraz zaawansowany wiek obiektu, a także przejazdy czołgów w 1968r. (wg wywiadu z okolicznymi mieszkańcami).

Konstrukcja tymczasowego zabezpieczenia stalowego wiaduktu 147 Ze względu na awaryjny stan obiektu (ocena 0 w skali ocen wg instrukcji [1]) uznano, że zagraża on niesygnalizowaną katastrofą budowlaną. Wyniki z przeglądu rozszerzonego [2] wyraźnie nakazywały, aby z racji zaistniałych zagrożeń przęseł wiaduktu i na niestabilne głowice podpór rozebrać go w trybie awaryjnym. Autor opracowania [2] sformułował następujące wnioski i zalecenia dotyczące prac zabezpieczających obiekt do czasu planowanego wykonania prac rozbiórkowych: wiadukt należy wyłączyć całkowicie z użytkowania, w tym dla ruchu kołowego i pieszego, a dojścia i dojazdy do wiaduktu z obu stron skutecznie wygrodzić, dodatkowo należy zainstalować tablice ostrzegawcze o następującej treści: Zakaz wstępu, strefa niebezpieczna zagrożenie życia, przęsła wiaduktu wraz z uszkodzonymi fragmentami przyczółków i filarów należy rozebrać w pierwszej kolejności, wysokie koszty związane z ewentualną odnową i naprawą obiektu w celu jego przeznaczenia np. na kładkę dla pieszych nie gwarantowałyby uzyskania zadowalającej trwałości użytkowej, choć satysfakcja byłaby połowiczna, gdyż w tym miejscu potrzebny jest wiadukt. Ekspertyza wykonana w końcu 2013 r. [3] potwierdziła ww. obawy związane ze złym stanem obiektu. Ze względu na zaistniałe uszkodzenia dyskwalifikujące dalszą przydatność użytkową wiaduktu należy utrzymać wyłączenie go z użytkowania przy wstrzymaniu ruchu kolejowego pod obiektem, natomiast ewentualne przywrócenie tego ruchu uzależniono od wykonania stosownych prac zabezpieczających wiadukt. 3.2. Analiza statyczno-wytrzymałościowa W ramach analizy sprawdzono wytężenie dźwigarów głównych środkowego (najdłuższego) przęsła wiaduktu oraz zwymiarowano projektowaną konstrukcję wsporczą pod nowe elementy wyposażenia. Konstrukcję sprawdzono na obciążenia stałe, ponadto uwzględniono parcie wiatru i obciążenie śniegiem wg procedury podanej w EC. Wartości obciążeń charakterystycznych przemnażane były przez odpowiednie współczynniki, tworząc kombinacje obliczeniowe. Założono ubytki korozyjne dźwigarów głównych po 2 mm na każdym elemencie (półki, środniki). W celu sprawdzenia wytężenia dźwigarów głównych środkowego przęsła wiaduktu wykonano model obliczeniowy klasy (e 1, p 3 ) i przyjęto założenie, że zoresówki nie współpracują z dźwigarami głównymi i nie wpływają na rozdział poprzeczny obciążenia. Na podstawie laboratoryjnych badań gatunku stali przęsła ustalono, że jest to stal zlewna, nieuspokojona dla której można przyjąć R = 180MPa.

148 Józef Rabiega Dla najbardziej wytężonego dźwigara w SGN nośności od kombinacji obciążeń w układzie podstawowym i ze śniegiem naprężenia normalne w dźwigarach głównych nie są przekroczone. Obciążenie śniegiem wyznaczono wg normy PN-EN 1991-1-3. W przypadku przedmiotowego wiaduktu (1 strefa obciążenia śniegiem, wysokość nad poziomem terenu A = 390 m) charakterystyczna wartość obciążenia śniegiem wynosi 1,33 kpa. Odpowiada to grubości warstwy śniegu równej: 1,33/2,5 = 0,53 m (zakładając, że ciężar tzw. starego śniegu wg załącznika E normy PN-EN 1991-1-3 wynosi 2,5 kn/m 3 ). W związku z tym zalecono aby nie dopuszczać do sytuacji, w której na obiekcie zalegałaby pokrywa śniegu o grubości większej niż 0,50 m. Ponadto wykonano obliczenia projektowanej stalowej konstrukcji wsporczej pod zamocowanie osłon przeciwporażeniowych i osłon przed wejściem na obiekt. W tym przypadku zastosowano prętowy, płaski model obliczeniowy. Dominującym obciążeniem konstrukcji wsporczej było parcie wiatru na pełne osłony, których wysokość wynosiła do 2,5 m. Obciążenie konstrukcji parciem wiatru wyznaczono metodą uproszczoną wg normy PN-EN 1991-1-4. Przyjęto następujące parametry: strefa wiatrowa 3, kategoria terenu II, wysokość nad poziomem terenu A = 390 m. Obliczona wartość charakterystycznego parcia wiatru dla przęsła nieobciążonego wyniosła 0,88 kpa, ostatecznie przyjęto 1,0 kpa (założenie na korzyść bezpieczeństwa). 3.3. Badania gatunku i spawalności stali przęseł Analizę składu chemicznego materiału próbki wykonano metodą spektralną (tab. 1). Tabela 1. Wyniki analizy składu chemicznego Procentowa zawartość pierwiastka % C % Mn % Si % P % S % Cr % Ni Badana próbka 0,055 0,587 0,022 0,039 0,022 0,018 0,45 Pod względem składu chemicznego (w zakresie analizowanych pierwiastków) materiał badanego elementu odpowiada niskowęglowej stali zlewnej. Badany materiał spełnia także wymagania dotyczące składu chemicznego współczesnej stali gatunku 08XA wg normy PN-89/H-840023/03. Równoważnik węgla CEV, charakteryzujący spawalność metalurgiczną wynosi 0,161. Pomiary twardości wykonano na przekroju poprzecznym badanej próbki metodą Vickersa w warunkach zgodnych z PN EN ISO 6507-1;1999. Stosowano twardościomierz Zwick 321, obciążenie 10 kg (98,07N) działające w czasie 15s. Średnia twardość badanego elementu wyniosła 137 HV10 ± 3. Szlify do badań mikroskopowych wykonano na przekroju wzdłużnym. Obserwacje szlifów przeprowadzono przy powiększeniach z zakresu od 100x do

Konstrukcja tymczasowego zabezpieczenia stalowego wiaduktu 149 1000x w stanie nietrawionym oraz po wytrawieniu odczynnikiem Mi1Fe wg normy PN-61/H-04503. Stosowano mikroskop metalograficzny Neophot 32 sprzężony z kamerą cyfrową CCD Insight Spot. W opracowaniu przedstawiono dokumentację fotograficzną charakterystycznych struktur. W stanie nietrawionym na przekroju wzdłużnym stwierdzono występowanie średniej ilości wtrąceń niemetalicznych głównie siarczków rozmieszczonych pasmowo zgodnie z kierunkiem przeróbki plastycznej. - rys. 4. Po wytrawieniu 5% HNO 3 (Mi1Fe) stwierdzono drobnoziarnistą pasmową strukturę ferrytyczną z niewielką ilością perlitu wydzielonego na narożach ziaren ferrytu o zróżnicowanej wielkości ziarna rys. 5 i 6. Rys. 4. Średnia ilość wtrąceń niemetalicznych w postaci siarczków rozmieszczonych pasmowo zgodnie z kierunkiem przeróbki plastycznej. Pow. 100 x zgład nietrawiony Rys. 5. Drobnoziarnista pasmowa struktura ferrytyczna z niewielką ilością perlitu wydzielonego na narożach ziaren ferrytu. Pow. 100x trawiono 3%HNO 3 Rys. 6. Powiększenie obszaru struktury pokazanego na rys. 2. Ziarna ferrytu z niewielką ilością perlitu wydzielonego na granicach ziaren ferrytu. Pow. 400x trawiono 3%HNO 3 Badana stal nie wykazuje oznak degradacji strukturalnej i może być łączona metodami spawalniczymi.

150 Józef Rabiega 4. PROJEKT I REALIZACJA TYMCZASOWEGO ZABEZPIECZENIA WIADUKTU 4.1. Prace zabezpieczające Z racji zbliżającego się terminu (18 19.01.2014r.) zawodów Pucharu Świata w biegach narciarskich w Jakuszycach, w celu umożliwienia dojazdu koleją na tą imprezę należało w trybie pilnym uruchomić ruch na trasie Jelenia Góra Szklarska Poręba i dalej do granicy z Czechami. Aby przedmiotowy wiadukt drogowy nie stwarzał zagrożenia dla ruchu kolejowego na linii nr 131, należało wykonać stosowne prace zabezpieczające. Poniżej przedstawiono rysunek (rys. 7) i opis zaprojektowanych prac zabezpieczających obiekt. Rys. 7 Widok wiaduktu z boku wraz z projektowanym zabezpieczeniem Przewidziano i zrealizowano następujący zakres prac zabezpieczających: prace przygotowawcze: przygotowanie placu budowy, wyłączenie napięcia w sieci trakcyjnej, usunięcie zanieczyszczeń organicznych, nieorganicznych oraz wegetacyjnych roślin z nawierzchni pomostu, gzymsów podbalustradowych i z dźwigarów głównych przęseł, usunięcie głazów kamiennych zabezpieczających wjazdy na obiekt, zdemontowanie osłon przeciwporażeniowych z wypełnieniem drewnianym (starych) i stalowych (nowszych), zamontowanie na bitumicznej nawierzchni jezdni wiaduktu stalowej konstrukcji pod nowe elementy wyposażenia (balustrady, osłony przeciwporażeniowe, ogrodzenie za pomocą blach trapezowych wjazdów na obiekt); konstrukcja stelaży podzielona została na segmenty montażowe i miała postać ortogonalnego rusztu wykonanego z odcinków z ceowników walcowanych 180 i 160. W celu zabezpieczenia przed jej bocznymi przesuwami, została zakotwiona do konstrukcji pomostu za pomocą prętów gwintowanych, zamontowano nowe osłony przeciwporażeniowe,

Konstrukcja tymczasowego zabezpieczenia stalowego wiaduktu 151 naprawa starych balustrad poprzez likwidację deformacji oraz montaż wypełnienia z siatki stalowej, usunięto wszystkie luźne, odstające elementy spod przęseł, wraz z ostukaniem młotkiem, głównie przestrzeni między zoresówkami, wykonano stężenie obu ceglanych filarów obejmami z ceowników 160, ściągniętych prętami stalowymi o średnicy 30 mm, na śruby, powyżej i poniżej sklepienia ceglanego, zamontowano osłony z siatek z tworzywa sztucznego od spodu i z boków skrajnych przęseł, w pozycji napiętej, zamontowano od spodu przęsła środkowego (nad torem kolejowym) zabezpieczenie w postaci pełnych płyt z poliwęglanu komorowego, płyty oparto i trwale zamocowano do górnych powierzchni dolnych pasów dźwigarów głównych tak, aby żadne elementy zamocowania nie wystawały poniżej krawędzi dolnych pasów dźwigarów głównych, na dojazdach do obiektu zamontowano ogrodzenia z pełnym wypełnieniem zabezpieczającym przed wejściem i wjazdem na wiadukt z tym, że od strony ul. Kolejowej w ogrodzeniu zainstalowano furtkę zamykaną na klucz, służącą do wejścia na obiekt w celu wykonania bieżących prac utrzymaniowych i dokonania oceny stanu obiektu, z obu stron na wjazdach na wiadukt zamontowano typowe betonowe bariery ochronne zabezpieczające przed wjazdem na wiadukt, zamontowano, pod nadzorem uprawnionego przedstawiciela PKP, nowe uszynienie przęseł wiaduktu i wszystkich nowych elementów stalowych, w tym elementów ściągów filarów, wiadukt na dojazdach oznakowano znakami ostrzegawczymi i informującymi, że przedmiotowy obiekt jest wyłączony z ruchu, wykonano prace porządkowe w obrębie wiaduktu po zainstalowaniu wszelkich zabezpieczeń, wycięto drzewa i krzaki w obszarze po 5,0 m z każdej strony wiaduktu. Rys. 8 Widok wiaduktu z boku po wykonaniu zabezpieczenia

152 Józef Rabiega Podczas wykonywania prac zabezpieczających wiadukt, zabroniono wjazdu na obiekt maszyn i pojazdów mechanicznych o masie przekraczającej 500 kg. Na fotografiach poniżej (rys. 8, 9, 10) przedstawiono wykonane zabezpieczenia przedmiotowego wiaduktu. Rys. 9 Widok od spodu środkowego przęsła wiaduktu po wykonaniu zabezpieczenia Rys. 10 Widok jezdni na wiadukcie po wykonaniu konstrukcji wsporczej pod osłony przeciwporażeniowe

Konstrukcja tymczasowego zabezpieczenia stalowego wiaduktu 153 5. PODSUMOWANIE Dzięki zrealizowanym pracom zabezpieczającym wiadukt, można było przywrócić ruch kolejowy na trasie Jelenia Góra Szklarska Poręba na tydzień przed zawodami Pucharu Świata w biegach narciarskich. Zastosowane rozwiązania, mimo, że zrealizowane zostały w trybie pilnym i przy zastosowaniu ograniczonych środków technicznych są skuteczne. Zgodnie z instrukcją Id-16 opracowano specjalnie dla niniejszego obiektu Instrukcję utrzymania obiektu mostowego w czasie jego użytkowania. Z racji złego stanu technicznego i zaawansowanego wieku wiaduktu, okres dopuszczenia ruchu pod obiektem ustalono na 12 miesięcy z możliwością przedłużenia po pozytywnych wynikach obserwacji po tym okresie. O dalszych losach obiektu zadecyduje jego właściciel na podstawie stosownej ekspertyzy. LITERATURA [1] GDDKiA. Instrukcje przeprowadzanie przeglądów drogowych obiektów inżynierskich. Warszawa 2005. [2] Mosty Kolasa. Przedsiębiorstwo Usług Projektowo Technicznych. 2013. [3] Mosty, Józef Rabiega. Ekspertyza techniczna wraz z projektem zabezpieczenia stalowego wiaduktu drogowego w km 13,748 dz.115/13 AM1, linii kolejowej nr 311 relacji Jelenia Góra Szklarska Poręba w miejscowości Piechowice. Ramiszów 2013. CONSTRUCTION OF TEMPORARY PROTECTION OF STEEL ROAD VIADUCT OVER THE RAIL Summary The paper describes scope of damages of three-span steel viaduct construction above single-track railway line from Jelenia Góra to Szklarska Poręba. Article presents the most important details of the project, which aimed to apply a safety elements on construction and its equipment to eliminate a threat to railway traffic.