Małe mosty kolejowe z płytą ortotropową Jacek Chróścielewski, Anna Banaś, Maciej Malinowski fot. M. Malinowski W artykule przedstawiono wyniki badań i analiz obliczeniowych mostów kolejowych małych rozpiętości z pomostami w formie płyty ortotropowej. Przedstawiono sposoby modelowania tych konstrukcji oraz podano zakres i metodykę prowadzonych badań in situ. Wyniki analiz teoretycznych porównano z wynikami badań. Przedstawiono wnioski dotyczące sposobów modelowania tego typu konstrukcji i konieczności badań in situ. Diagnozowanie konstrukcji inżynierskich to sztuka inżynierska. W tym sensie sztuka, że wymaga ona doświadczenia pomiarowego i wiedzy o zachowaniu się rzeczywistych konstrukcji oraz o sposobach jej opisu analitycznego, tzn. modelowania i w konsekwencji obliczania. Istotnym elementem przy diagnozowaniu obiektów inżynierskich jest jednoznaczna interpretacja mierzonych parametrów w odniesieniu do wartości teoretycznych (, 7-11). Zatem, w odróżnieniu od etapu projektowania, zadaniem formułowanych modeli obliczeniowych jest więc jak najdalej idące, wierne odzwierciedlenie rzeczywistej pracy konstrukcji z uwagi na mierzone parametry. Zasada ta dotyczy każdego typu i rodzaju konstrukcji, a tym samym każdego diagnozowanego obiektu, w tym przypadku mostowego. Jednym z narzędzi diagnozowania konstrukcji mostowych są badania odbiorowe próbne obciążenia, których ogólnym zadaniem jest sprawdzenie poprawności pracy ustroju i przyjętych założeń projektowych oraz sposobu jego obliczania (1, 11). W pracy przedstawiono i omówiono wybrane modele obliczeniowe, wyniki analiz teoretycznych oraz badań reprezentatywnych małych mostów kolejowych o jezdni zamkniętej z płytą ortotropową. Artykuł jest rozszerzeniem opracowania (1). I SUMMARY Paper presents calculation results and in-situ measurements temporary railway bridges. Methods to model these kind of structures properly and scope and methodology of load testing are presented. Results of theoretical analysis were compared with measurements. Conclusions of appliance sophisticated numerical modeling and necessity of in-situ measurements to check the correctness of structure work were drawn. Charakterystyka omawianych obiektów W artykule przedstawiono wyniki obliczeń oraz badań in situ przęseł trzech jednoprzęsłowych obiektów kolejowych wybudowanych w ramach modernizacji linii kolejowych w Gdyni i Redzie, oznaczonych w niniejszej pracy jako obiekty A, B i C. Przęsło obiektu A (fot. 1, oraz rys. ) to ustrój dwudźwigarowy z blachownicowymi dźwigarami skrzynkowymi w rozstawie,3 m, o rozpiętości L t =, m, z jazdą dołem i pomostem o konstrukcji płyty ortotropowej. Wysokość konstrukcyjna wynosi h k = 1,3 m. Przęsło obiektu B (fot. 3, rys. 3) to ustrój w skosie (α = 3 ), dwudźwigarowy, z blachownicowymi dźwigarami skrzynkowymi w rozstawie, m, o rozpiętości L t = 3, m, z jazdą dołem i pomostem o konstrukcji płyty ortotropowej. Wysokość konstrukcyjna wynosi h k = 1, m. Konstrukcję przęsła obiektu C (fot., oraz rys. ) stanowi ustrój dwudźwigarowy z blachownicami dwuteowymi w rozstawie,1 m, o rozpiętości L t = 1,3 m, z jazdą dołem i pomostem w postaci płyty ortotropowej. Wysokość konstrukcyjna obiektu wynosi h k = 1,3 m. Wszystkie przęsła oparte są na masywnych żelbetowych przyczółkach za pośrednictwem łożysk garnkowych. Modele obliczeniowe analizowanych obiektów Obliczenia statyczne oraz drgań i postaci własnych wykonano metodą elementów skończonych (). W obliczeniach stosowano elementy belkowe, powłokowe i podporowe. Do dyskretyzacji form traktowanych jako powierzchniowe wykorzystano -wymiarowe, -węzłowe powłokowe elementy skończone typu Timoszenko-Reissnera. Elementy te są klasy C, z odpowiednimi modyfikacjami (wzbogaceniem) funkcji kształtu, które eliminują efekt blokady (zakleszczania). Są one całkowane metodą Gaussa regułą -punktową, tj. w sposób pełny (FI). Do dyskretyzacji struktur traktowanych jako belkowe stosowano 1-wymiarowe, -węzłowe przestrzenne elementy Fot. 1. Widok ogólny przęsła obiektu A. Próbne obciążenie obiektu Fot.. Widok od spodu konstrukcji obiektu A
mosty diagnostyka a) b) Fot.3. Widok ogólny obiektu B Fot.. Widok ogólny przęsła obiektu C. Próbne obciążenie obiektu Rys. 1. Wizualizacja modelu belkowego przęsła A prętowe (ramowe). Elementy te są typu Timoszenko klasy C o liniowych funkcjach kształtu. Ich równania konstytutywne uwzględniają ścinanie i mimośrodowe położenie osi odniesienia. Fot.. Widok od spodu konstrukcji przęsła obiektu C. Faza wstawiania przęsła Rys.. Przekrój poprzeczny przęsła obiektu A, układ i oznaczenie punktów pomiarowych Rys. 3. Przekrój poprzeczny przęsła obiektu B, układ i oznaczenie punktów pomiarowych Piśmiennictwo 1. Olaszek P., Łagoda M.: Rola próbnych obciążeń na przykładzie badań trzech dużych mostów. Drogownictwo, 1/3, 39-399.. Bień J.: Uszkodzenia i diagnostyka obiektów mostowych. WKiŁ, 1. 3. Chróścielewski J., Banaś A., Malinowski M., Miśkiewicz M.: Projekt próbnego obciążenia wiaduktu kolejowego w rejonie przystanku SKM Gdynia Wzgórze św. Maksymiliana. ARKOBI Maciej Malinowski, 1.. Chróścielewski J., Banaś A., Malinowski M.: Projekt próbnego obciążenia wiaduktu kolejowego w ciągu linii kolejowej nr 13 Reda Hel, nad projektowaną ulicą w Redzie. ARKOBI Maciej Malinowski, 1.. Chróścielewski J., Malinowski M., Rutkowski R., Banaś A., Miśkiewicz M., Rutkowski T.: Sprawozdanie z badań podczas próbnego obciążenia wiaduktu kolejowego w rejonie przystanku SKM Gdynia Wzgórze św. Maksymiliana. Politechnika Gdańska WILiŚ KMBiM, Gdańsk 11.. Chróścielewski J., Malinowski M., Banaś A., Rutkowski R.: Sprawozdanie z badań podczas próbnego obciążenia wiaduktu kolejowego w ciągu linii nr 13 Reda Hel nad projektowaną ulicą w Redzie. Politechnika Gdańska WILiŚ KMBiM, Gdańsk 1. 7. Chróścielewski J., Malinowski M., Miśkiewicz M.: Test loading of the longest span arch bridge in Poland. Bridges, tradition and future. Eds. A. Podhorecki, A.S. Nowak, University Press, University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz. Bydgoszcz, 9, s. 33-.. Chróścielewski J., Malinowski M., Miśkiewicz M., Dudek M.: Modelowanie konstrukcji mostowych obliczenia i weryfikacja in situ. Analizy numeryczne wybranych zagadnień mechaniki. Pod red. T. Niezgody, Warszawa 7, s. 7-1. Przęsło obiektu A, dwudźwigarowa blachownica skrzynkowa Dla konstrukcji przęsła A, z głównymi zamkniętymi dźwigarami skrzynkowymi, bazując na wcześniejszych własnych doświadczeniach dotyczących zbieżności różnych sposobów modelowania układów (9), opracowano dwa przestrzenne modele obliczeniowe, tj.: model belkowy i model powłokowo-belkowy (3). W modelu belkowym (rys. 1) konstrukcję przęsła potraktowano jako przestrzenny ruszt wzajemnie prostopadłych belek na mimośrodach (111 elementów belkowych, siatka węzłów, 1 więzów podporowych). Jako powierzchnię odniesienia/obciążenia przyjęto płaszczyznę Rys.. Przekrój poprzeczny przęsła obiektu C, układ i oznaczenie punktów pomiarowych W modelu powłokowo-belkowym (rys. ) dźwigary główne, poprzecznice oraz żebra podłużne dyskretyzowano elementami belkowymi na mimośrodach, a blachę koryta elementami powłokowymi (siatka 13 węzłów, 119 elementów belkowych, 1 elementów powłokowych, 1 więzów podporowych). Tu także, tak jak w po- 3
Rys.. Wizualizacja modelu powłokowo-belkowego przęsła A Rys.. Wizualizacja modelu belkowego przęsła C Rys. 7. Wizualizacja modelu powłokowo-belkowego przęsła B Rys.. Wizualizacja modelu powłokowo-belkowego przęsła C Rys. 9. Wizualizacja modelu powłokowego przęsła C 9. Chróścielewski J., Malinowski M., Miśkiewicz M., Dudek M.: Wybrane mosty kolejowe obliczenia i weryfikacja insitu. : Programy w Komputerowym Wspomaganiu Analizy, Projektowania i Wytwarzania. IX konferencja naukowo-techniczna w Giżycku, materiały konferencyjne, Warszawa. 1. Chróścielewski J., Malinowski M., Miśkiewicz M., Żółtowski K.: Modelowanie konstrukcji mostowych w świetle badań. Pięćdziesiąta pierwsza Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB Problemy naukowobadawcze budownictwa KRYNICA : Gdańsk Krynica, 1-17 września. T., Geotechnika. Mosty. Organizacja i Zarządzanie w Budownictwie. Fizyka budowli. Red. J. Ziółko, A. Bolt, P. Korzeniowski, E. Supernak; Politechnika Gdańska Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska. Gdańsk,, s. 13-11. przedniej konstrukcji, geometria płyty koryta stanowiła powierzchnię odniesienia dla zróżnicowanego układu belek na mimośrodach. Przęsło obiektu B, Dla konstrukcji przęsła B opracowano obliczeniowy model powłokowo-belkowy (). W modelu (rys. 7) dźwigary główne, poprzecznice oraz żebra podłużne dyskretyzowano elementami belkowymi na mimośrodach, a blachę koryta elementami powłokowymi (siatka 1 węzłów, 17 elementów belkowych, 139 elementów powłokowych, 7 więzów podporowych). Jako powierzchnię odniesienia/obciążenia przyjęto płaszczyznę Przęsło obiektu C, dwudźwigarowa blachownica skrzynkowa Dla konstrukcji przęsła C, ze względu na otwarty charakter dwuteowych dźwigarów głównych (zob. (9)), opracowano trzy przestrzenne modele obliczeniowe, tzw. model belkowy, model powłokowo-belkowy, model powłokowy (3). W modelu belkowym (rys. ) konstrukcję przęsła potraktowano jako przestrzenny ruszt wzajemnie prostopadłych belek na mimośrodach (111 elementów belkowych na siatce 9 węzłów oraz 1 więzów podporowych). Jako powierzchnię odniesienia/obciążenia przyjęto płaszczyznę W modelu powłokowo-belkowym (rys. ) dźwigary główne, poprzecznice oraz żebra podłużne, lokalnie usztywniające płytę jezdni, dyskretyzowano elementami belkowymi na mimośrodach, a blachę koryta elementami powłokowymi (siatka 13 węzłów, w tym 13 elementów belkowych, 13 elementów powłokowych oraz 1 więzów podporowych). Geometria płyty koryta stanowiła powierzchnię odniesienia dla zróżnicowanego układu belek na mimośrodach. W modelu powłokowym (rys. 9) cały układ konstrukcyjny przęsła, tj. dźwigary główne, poprzecznice, żebra oraz blachę koryta, dyskretyzowano elementami powłokowymi (siatka węzłów, 97 elementów powłokowych oraz 1 więzów podporowych). Zakres badań in situ obiektów Badania in situ omawianych obiektów obejmowały pomiary statyczne i dynamiczne (, ). W badaniach statycznych przęsła A mierzono przemieszczenia pionowe ugięcia i odkształcenia/naprężenia w pasach dźwigara głównego oraz poprzecznicy. Podczas prób statycznych przęsła C mierzono przemieszczenia pionowe ugięcia, odkształcenia/naprężenia w pasach dźwigara głównego i poprzecznicy oraz w żebrze. Testy dynamiczne swoim zakresem obejmowały pomiary przemieszczeń pionowych ugięć, odkształceń/naprężeń i przyspieszeń konstrukcji przęseł. Punkty pomiarowe w badanych przęsłach przedstawiono na rys. -. Badania statyczne każdego z przęseł przeprowadzono dla ustawień jednej lokomotywy spalinowej ST. W testach dynamicznych generowano obciążenie poprzez przejazd lokomotywy z różnymi prędkościami po obiekcie ze względów technicznych maksymalna prędkość wynosiła 7 km/h.
mosty diagnostyka Naprężenia normalne σ = σ xx [] Ugięcia f [mm] w punktach pomiarowych T1/1 T/1 u1/1 u/1 dźwigar gł. poprzecznica dźwigary główne powłokowo-prętowy,3 9,11 1,3 1, σ obl p /f obl p prętowy σ obl b /f obl b,1 3,3 1,3 1,3 Ust. U1 σ pom / 3,7 9,1 13, 13, σ pom /σ obl p,/ /f obl p [%] 9 1 9 σ pom /σ obl b,/ /f obl b [%] 9 9 Tab. 1. Obliczeniowe i eksperymentalne wartości odkształceń/naprężeń i ugięć, obiekt A = 3,Hz = 3,3Hz) = 7,Hz =,Hz) mm konstrukcji prz s a w torze nr 1 - d wigar u1/1-1 lok. ST - 1 1 1 1 1 przestrzenny model belkowy 1 1 1 1 Rys. 1. Przebiegi czasowe wartości obliczeniowych i pomierzonych ugięć obiektu A przy przejeździe jednej lokomotywy ST konstrukcji prz s a w torze nr 1 - poprzecznica rodkowa t/1-1 lok. ST - 1 1 1 1 1 1 przestrzenny model belkowy 3 3 Rys. 11. Przebiegi czasowe wartości obliczeniowych i pomierzonych odkształceń/naprężeń normalnych σ xx obiektu A przy przejeździe jednej lokomotywy ST = 1,1Hz = 11,77Hz) Rys. 1. Postacie i częstotliwości drgań własnych = 17,Hz = 17,Hz) Wyniki badań i obliczeń Wyniki, przęsło A, Reprezentatywne wartości obliczeniowe z dwóch modeli (prętowy, powłokowo-prętowy) oraz pomierzonych odkształceń/naprężeń i ugięć z pomiarów statycznych przedstawiono w tab. 1 oraz na rys. 1-11 (). Dodatkowo w tabelach pomierzone wartości odniesiono do wartości obliczeniowych i przedstawiono w procentach. Pod pojęciem: wyniki teoretyczne lub obliczeniowe w niniejszej pracy rozumie się wartości uzyskane z obliczeń. Ekstremalne zarejestrowane wartości przyspieszeń przęsła podczas przejazdów jednej lokomotywy St wynosiły: =, m/s, =,1 m/s. Z zarejestrowanych przebiegów ugięć, odkształceń/ naprężeń i przyspieszeń przęsła wyseparowano częstotliwości drgań własnych konstrukcji, które przedstawiono na rys. 1. Wyniki, przęsło B, Wyniki wartości obliczeniowych z modelu powłokowo-prętowego oraz pomierzonych przedstawiono w tab. (). Ekstremalne zarejestrowane wartości przyspieszeń przęsła podczas przejazdów jednej lokomotywy St wynosiły: =, m/s, =,3 m/s. Z zarejestrowanych przebiegów ugięć, odkształceń/ naprężeń i przyspieszeń przęsła wyseparowano częstotliwości drgań własnych konstrukcji, które przedstawiono na rys. 13. =, Hz = 3,99 Hz) Rys. 13. Postacie i częstotliwości drgań własnych Naprężenia normalne σ = σ xx [] =,9 Hz =, Hz) Wyniki, przęsło C, dwudźwigarowa blachownica dwuteowa Analogiczne wyniki wartości obliczeniowych z trzech modeli (prętowy, powłokowo-prętowy, powłokowy) oraz pomierzonych przedstawiono w tab. 3- i na rys. 1-1 (). Ugięcia f [mm] w punktach pomiarowych T1/1 T/1 u1/1 u/1 dźwigar główny dźwigary główne powłokowo-prętowy σ obl p /f obl p 9, 9,3 1,9 9, Ust. U model powłokowo-prętowy σ obl p /f obl p 17, 17, 9,1 1,9 Ust. U1 σ pom / 3,, 1,1,9 Ust. U σ pom / 1, 1,1 9,9 1, σ pom /σ obl p,/ /f obl p [%] 1 9 91 σ pom /σ obl b,/ /f obl b [%] 1 1 11 9 Tab.. Obliczeniowe i eksperymentalne wartości odkształceń/naprężeń i ugięć, obiekt B 11. Chróścielewski J., Banaś A., Malinowski M., Miśkiewicz M: Kolejowe konstrukcje odciążające typu mostowego w świetle badań in situ i analiz teoretycznych. Współczesne metody budowy, wzmacniania i przebudowy mostów, XXI Seminarium, materiały konferencyjne w druku, Poznań Rosnówko, 7-..11.
mm Rys. 1. Przebiegi czasowe wartości obliczeniowych i pomierzonych ugięć obiektu C przy przejeździe jednej lokomotywy ST Rys. 1. Przebiegi czasowe wartości obliczeniowych i pomierzonych odkształceń/naprężeń normalnych σ xx obiektu C przy przejeździe jednej lokomotywy ST konstrukcji prz s a w torze nr 1 - d wigar u/1-1 lok. ST -1 1 1 1 1 1 3 7 przestrzenny model belkowy przestrzenny model powlokowy 9 1 mm konstrukcji prz s a w torze nr 1 - poprzecznica rodkowa u3/1-1 lok. ST -1 1 1 1 1 1 3 7 9 przestrzenny model belkowy przestrzenny model pow okowy 1 11 3 3 1 1-3 3 1 1 - konstrukcji prz s a w torze nr 1 - d wigar T/1-1 lok. ST 1 1 1 1 Ekstremalne zarejestrowane wartości przyspieszeń przęsła podczas przejazdów jednej lokomotywy St wynosiły: =,9 m/s, =,3 m/s. Podsumowanie i wnioski W zakresie prowadzonych obecnie modernizacji linii kolejowych między innymi wymaga się od obiektów mostowych stosowania jezdni zamkniętych. Przy przejściu linii kolejowej nad dwupasmową drogą kołową, typowym dla ustrojów stalowych małych i średnich rozpiętości, jest zastosowanie przęseł swobodnie podpartych z pomostami w formie płyty ortotropowej. Przy tego typu konstrukcjach najczęściej przestrzenny model belkowy przestrzenny model belkowopow okowy konstrukcji prz s a w torze nr 1 - poprzecznica rodkowa T3/1-1 lok. ST przestrzenny model belkowy 1 1 1 1 1. Chróścielewski J., Banaś A., Malinowski M.: Mosty kolejowe małych rozpiętości obliczenia i badania. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Budownictwo i Inżynieria Środowiska. Zeszyt nr 3/11/III, s. 17-1, ISSN: 9-. Naprężenia normalne σ =σ xx [] T/1 T3/1 dźwigar gł. poprzecznica powłokowy σ teoret p 3,7 7,3 powłokowo -prętowy σ teoret p-b 3,7, belkowy σ teoret b 37,99 7,3 Ust. U1 σ pom 31, 9,7 σ pom /σ teoret p [%],7 131, σ pom /σ teoret p-b [%],9 11,3 σ pom /σ teoret b [%],9 13, Tab. 3. Obliczeniowe i eksperymentalne wartości odkształceń/naprężeń, obiekt C Ugięcia f [mm] u1/1 u/1 u3/1 u/1 dźwigary główne poprzecznica żebro powłokowy f teoret p 9, 9, 9, 9,73 powłokowo-prętowy,7,7 9, 9,3 f teoret p-b belkowy f teoret b,,,9,9 Ust. U1 7, 7, 7,97 7,91 /f teoret p [%],3 77,, 1,3 /f teoret p-b [%] 7,,,, /f teoret b [%] 9,,9 9,7,1 Tab.. Obliczeniowe i eksperymentalne wartości ugięć, obiekt C stosowane są dwie formy dźwigarów głównych: belki skrzynkowe o przekroju zamkniętym lub przekroje otwarte w postaci dwuteowych dźwigarów blachownicowych. Oba te przypadki rozwiązań konstrukcyjnych obiektów rozważane są w niniejszej pracy. Konstrukcje te w pewnym sensie wykazują wiele analogii w stosunku do rozważanych w pracy (11). Różnice pomiędzy obiektami tymczasowymi konstrukcjami odciążającymi (11) a stałymi, omawianymi w tej pracy, polegają na sposobie posadowienia oraz na konstrukcji pomostu i stężeń. Modele obliczeniowe: prętowy i powłokowo-prętowy przęseł z zamkniętymi dźwigarami skrzynkowymi, poza obszarami różnego typu nieregularności, dają zadowalające i zbieżne wyniki. W przypadku dźwigarów cienkościennych otwartych, m.in. ze względu na efekty skręcania generujące złożone postaci deformacji, wskazane jest stosowanie bardziej zaawansowanych modeli obliczeniowych. Dobrym rozwiązaniem są tu modele traktujące ustrój jako przestrzenną strukturę powłokową. Jednak w tym przypadku należy zawsze dobrać odpowiednio zagęszczoną dyskretyzację wynikającą z warunku zbieżności rozwiązania. Ponadto podejście powłokowe pozwala śledzić strefy wytężeń ekstremalnych oraz lepiej odzwierciedla przestrzenne dynamiczne zachowanie konstrukcji, które jest istotne w przypadku obiektów przeznaczonych dla dużych prędkości. Reasumując, połączenie zaawansowanych obliczeń i weryfikujących je badań in situ, rozszerzonych poza podstawowy zakres wymagany w przypadku standardowych badań odbiorowych, stanowi doskonałe źródło wiedzy o rzeczywistym zachowaniu się konstrukcji.