Tomasz SIWOWSKI Dariusz SOBALA Politechnika Rzeszowska NAPRAWA I MODERNIZACJA STALOWEGO WIADUKTU

KOLEJOWEGO W CIĄGU LINII CMK

1. Wstęp

Przedmiotem referatu jest zrealizowana naprawa uszkodzeń stalowych poprzecznic pomostu zespolonego oraz zabezpieczenie układu konstrukcyjnego kratownicowego wiaduktu kolejowego przed ich ponownym powstaniem.

Wiadukt położony jest w ciągu linii kolejowej CMK pod Zawierciem. Ustrój nośny jednotorowego wiaduktu stanowią dźwigary kratownicowe bezsłupkowe typu Warrena o rozpiętości teoretycznej 93.0 m i wysokości całkowitej 13.4 m. Rozstaw głównych węzłów kratownicy wynosi 15.5 m. Elementy kratownicy wykonane są w całości z przekrojów dwuteowych spawanych z blach o różnych przekrojach, zależnych od położenia elementu na długości dźwigara. Elementy dźwigarów łączone są ze sobą w węzłach na nity. Dźwigary kratowe wykonano w całości ze stali 18G2A.

Rys. 1. Konstrukcja wiaduktu: widok ogólny i schemat przekroju poprzecznego

Pomost wiaduktu stanowi żelbetowe koryto balastowe, wykonane z betonu

Rw = 300 kG/cm2, zespolone ze stalowymi poprzecznicami spawanymi o przekroju dwuteowym i wysokości 840 mm. Grubość płyty oraz ścianek koryta wynosi 20 cm. Żelbetowe koryto balastowe było zdylatowane poprzecznie co 31m. Dylatacje o nieregularnym kształcie i szerokości około 3÷4 cm wypełnione były kitem asfaltowym. Poprzecznice wykonane są ze stali St3M z blach o wymiarach: 20x220 mm (pas górny),

10x800 mm (środnik) oraz 22x280 mm (pas dolny) i rozmieszczone są w rozstawie podłużnym co 3,10 m. Zespolenie koryta oraz poprzecznic wykonano za pomocą łączników sztywnych z kątowników L 150x150x14. W płaszczyźnie leżącej w połowie wysokości poprzecznic zamontowane zostały całej długości wiaduktu stężenia przeciwwiatrowe z kątowników.

Widok ogólny wiaduktu oraz schemat przekroju poprzecznego pokazano na rys. 1.

2. Uszkodzenia i przyczyny ich powstania

Rys. 2. Typowe uszkodzenie poprzecznicy

Po około 20 latach eksploatacji wiaduktu wykryte zostały pęknięcia środników poprzecznic zespolonych. Uszkodzenia miały następujące cechy wspólne:

• inicjacja pęknięcia na końcu spoiny łączącej pas górny ze środnikiem poprzecznicy, tuż nad nakładką węzła;

• przebieg pęknięcia wzdłuż spoiny na długości nakładki, a następnie zmiana kierunku przebiegu pęknięcia w stronę pasa dolnego poprzecznicy;

• towarzyszące pęknięciom przemieszczenie poziome części przekroju, występujące przy dużych pęknięciach;

• występowanie z większą intensywnością pęknięć w poprzecznicach na końcach zdylatowanych odcinków płyty pomostu;

• większa intensywność pękania po wschodniej stronie wiaduktu; • większa intensywność pękania od strony najazdu (północna strona wiaduktu);

Typowe pękniecie poprzecznicy wiaduktu pokazano na rys. 2.

Prawdopodobne przyczyny powstania uszkodzeń zostały szeroko omówione w kilu ekspertyzach [1, 2, 3] i referatach [4, 5, 6, 7] publikowanych w materiałach krajowych konferencji naukowo-technicznych. W związku z powyższym ograniczymy się w niniejszym referacie do podania głównych, zidentyfikowanych przyczyn powstania uszkodzeń. Należy podkreślić, że wśród badaczy zajmujących się omawianym obiektem nie było zgodności, co do oceny wpływu poszczególnych czynników na powstanie uszkodzeń.

Na podstawie [1, 2 i 3] jako główne przyczyny można wyróżnić: błędy konstrukcyjne popełnione na etapie projektowania obiektu do których można

zaliczyć: • słabe stężenie podłużne obiektu w poziomie pomostu w postaci stężeń

przeciwwiatrowych wykonanych z kątowników umieszczonych mimośrodowo w stosunku do osi pomostu – położenie stężeń ustala wymuszony kąt obrotu poprzecznic w znacznej odległości od ich osi bezwładności;

• brak tężników przeciwhamownych; • niewystarczające nieuwzględnienie wpływu współpracy pomostu zespolonego z

dźwigarami głównymi kratownicowymi przy wymiarowaniu pomostu – na długości pomostu zastosowano dwie przerwy dylatacyjne, dzielące pomost na odcinki długości 31.0 m, które przez niedbałe wykonanie nie spełniały swojej funkcji;

różnicę i nierównomierność odkształceń termicznych żelbetowej i stalowej części wiaduktu;

współpracę pomostu zespolonego z dźwigarami głównymi kratownicowymi pod obciążeniem użytkowym (wydłużanie pada dolnego kratownicy). Jak wykazały analizy przeprowadzone w [1] wpływ pozostałych obciążeń i

oddziaływań (ciężaru własnego, obciążeń użytkowych pionowych i poziomych) mógł być bezpiecznie przenoszony przez istniejącą konstrukcję przęsła. Z uwagi na znaczną sztywność węzłów łączących poprzecznice z dźwigarami głównymi zniszczenia w konstrukcji nie występowały w sposób lawinowy. Jednakże z uwagi na bardzo wysoki poziom naprężeń w obszarze węzłów praktycznie pewny był dalszy rozwój uszkodzeń, a także występowało zagrożenie kruchych pęknięć. Ponadto pęknięcia środników poprzecznic prowadziły do redystrybucji obciążenia na pozostałe elementy węzłów. Stopień i kierunek tej redystrybucji był trudny do oceny. Można było jedynie przypuszczać, że dochodzi do zwiększenia wytężenia nitów oraz spoin w węźle. Dlatego należało w jak najkrótszym czasie przystąpić do naprawy uszkodzonych elementów i zabezpieczenia układu konstrukcyjnego wiaduktu przed ich ponownym powstaniem.

W pracy [6] przedstawiona została inna koncepcja opisu przyczyn powstania uszkodzeń. Autorzy przypuszczają, że przyczyną powstania pęknięć było dynamiczne skręcanie pasa górnego poprzecznicy wskutek ugięcia płyty koryta. Swoje przypuszczenia poparli analizą dynamiczną pomostu, która wykazała możliwość powstania uszkodzeń analogicznych do zaobserwowanych na obiekcie.

3. Propozycje sposobu naprawy pęknięć i zabezpieczenia układu konstrukcyjnego kratownicy przed ich ponownym powstaniem

W ekspertyzach [1, 2, 3] podawano różne sposoby naprawy uszkodzonych

poprzecznic oraz zabezpieczenia układu konstrukcyjnego kratownicy przed ich ponownym powstaniem. Omówimy je w skrócie w kolejności chronologicznej.

W opracowaniu [2] autorzy zalecają naprawę przez wykonanie nakładek na uszkodzone poprzecznice i zamontowanie sztywnych tężników przeciwhamownych. Zaproponowano również zabezpieczenie kratownicy przed nierównomiernym oddziaływaniem termicznym poprzez przykrycie zewnętrznych powierzchni pasów dolnych kratownicy warstwą styropianu. Jak można było przypuszczać sposób naprawy nie znalazł uznania Inwestora, prawdopodobnie ze względu na bezpieczeństwo konstrukcji. Warstwa styropianu, która jako idea jest w tym przypadku jest rozwiązaniem poprawnym, w praktyce uniemożliwiłaby ocenę ewentualnych uszkodzeń dźwigarów. Pod znakiem zapytania stoi również trwałość proponowanego rozwiązania i jego wpływ na ochronę antykorozyjną obiektu.

Zapewne podobny sposób rozumowania przeprowadzili autorzy opracowania [3], którzy przedstawili w formie rysunkowej praktyczne rozwiązanie zabezpieczenia uszkodzonego węzła poprzecznicy przy użyciu blach i kątowników. Nie podtrzymali oni zalecenia wykonania zabezpieczenia pasów kratownicy styropianem, uznając jednocześnie wagę negatywnego wpływu oddziaływań termicznych na powstanie uszkodzeń. Zanegowali również skuteczność zalecanego w [2] zamontowania dodatkowych tężników przeciwhamownych.

W trakcie badań opisanych w [1] podjęto próbę eksperymentalnego i analitycznego oszacowania wpływu poszczególnych czynników na powstanie uszkodzeń. Jak wykazały pomiary hamowanie nie powodowało znaczącego wzrostu naprężeń w elementach pomostu. Analizy numeryczne wykazały natomiast niszczące skutki oddziaływań termicznych oraz współpracy pomostu z dźwigarami głównymi pod wpływem obciążeń ruchomych. Autorzy ekspertyzy [1] zaproponowali wykonanie przebudowy elementów pomostu, która eliminowała przyczyny powstawania pęknięć. Można to było uzyskać przez całkowitą przebudowę poprzecznic wraz z likwidacją ich zespolenia z płytą pomostu lub przez zmniejszenie długości odcinków żelbetowej płyty pomostu przez wykonanie dodatkowych dylatacji. Obie zaproponowane metody przebudowy powodowały znaczne zmniejszenie wymuszonych przemieszczeń poziomych pasów górnych poprzecznic, co było bezpośrednią przyczyną powstania uszkodzeń. W przypadku pozostawienia w pomoście istniejących poprzecznic zalecono ich naprawę. Podkreślono, że wykonanie tylko naprawy nie spowoduje likwidacji przyczyn powstania uszkodzeń. Należało się zatem spodziewać wystąpienia kolejnych uszkodzeń zarówno w poprzecznicach nieuszkodzonych jak i naprawionych. Dalsza propagacja pęknięć zostałaby jedynie przesunięta w czasie. Obserwację poczynione na obiekcie po kolejnym sezonie zimowym zdawały się potwierdzać te wnioski.

4. Zrealizowany sposób naprawy

Opracowany w Pracowni Projektowej „Promost Consulting” w oparciu o wnioski

płynące z ekspertyz [1, 2, 3] i referatów [4, 5, 6] projekt naprawy uszkodzonych poprzecznic i zabezpieczenia układu konstrukcyjnego kratownicy podzielony został na dwa etapy związane ściśle z charakterem koniecznych do podjęcia działań.

W pierwszym etapie opracowano projekt zabezpieczenia i przywrócenia zdolności eksploatacyjnej uszkodzonym poprzecznicom. Zrealizowana naprawa (rys. 3) polegała na: - wywierceniu na końcu każdego pęknięcia otworu o średnicy 20 mm, który miał

za zadanie powstrzymanie propagacji pęknięcia – zabieg ten został wcześniej przeprowadzony na kilku pękniętych poprzecznicach, ale nie przyniósł oczekiwanego efektu (pęknięcia rozwijały się nadal promieniście od wykonanego otworu) ze względu na niewłaściwe wykonanie otworów - miały one zbyt małą średnicę ok. 8 mm i wykonane zostały bez dokładnego wyznaczenia rzeczywistego końca pęknięcia;

- przyspawaniu wcześniej przygotowanych nakładek przykrywających pęknięte środniki do istniejących blach nakładek węzłowych;

- zamontowanie w górnej strefie węzła dodatkowych, płaskich nakładek wzmacniających krytyczną strefę inicjacji pęknięcia bez jej nadmiernego przesztywniania.

Rys. 3. Zabezpieczenie uszkodzonych środników poprzecznic

A

A

Pas górny poprzecznicybl. 220x20 mm

Środnik poprzecznicybl. 800x10 mm

280

45

842

80010

42

842

800

22 22

200

20 20

Pas dolny poprzecznicybl. 280x22 mm

Nakładka bl. 780x340x8 mm

Nit φ23

Pas górny poprzecznicybl. 220x20 mm

PRZEKRÓJ A-A

255

970

630

100 55

8080

50

220

8080

826

Podkładka 630x255x8 mm

Żelbetowa płyta pomostu

Nakładkabl. 780x340x8 mm

Nity φ23 mm

Pierścień 3LC-2R28G AT/97-03-0068

Środnik poprzecznicybl. 800x10 mm

Podkładka

Blacha

Sworznie HuckFastening System

55 100 100 100 100 100 75

Sworznie i pierścienie typu C50L HUCK FASTENING SYSTEM

8080

Pas dolny poprzecznicy

Pas dolny kratownicy

Blacha 970x100x10 mm

Powłoka TEMP-COAT

Ze względu na konieczność prowadzenia robót w przerwach w ruchu na niezwykle ważnej i uczęszczanej linii kolejowej zaprojektowano wykonanie połączeń klejowo-sprężonych z użyciem łączników umożliwiających mechaniczny i szybki montaż węzła.

Rys. 4. Rozwiązanie konstrukcyjne dodatkowej poprzecznicy i dylatacji.

Do zmontowania wzmocnienia środników poprzecznic wykorzystano 22 łączniki HUCK C50LR-BR28-28G o średnicy 28 mm. Jak wykazała praktyka umożliwiły one sprawne i szybkie wykonanie węzłów w krótkich przerwach w ruchu na linii kolejowej. Przypadek zrządził, że w kilku węzłach istniejące elementy konstrukcyjne uniemożliwiły zmontowanie wszystkich łączników HUCK ze względu na gabaryty urządzenia naciągowo-zaciskowego. Konieczne było zastąpienie dwóch łączników HUCK zwykłymi śrubami sprężającymi. Opóźniło to znacznie wykonanie tych węzłów, ponieważ montaż dwóch zwykłych śrub sprężających zajmował z reguły tyle samo czasu co założenie i zmontowanie pozostałych 20 łączników typu HUCK.

Rys. 5. Schemat pomostu wiaduktu z lokalizacją dodatkowych poprzecznic i dylatacji

ND

3330

1510

9300

28

1630

1590

Kierunek Góra Włodowska

41 2 3

OBJAŚNIENIA:ND - nowa dylatacja;RD - remontowana dylatacja;P - nowa poprzecznica

2790

12801510

NP

5 6 87 9

ND

131011

12 14 15

RD 1820

19

17

16 18

NP

20 21

ND

242223

25 26 27

RD

Kierunek Zwiercie

1550

1590

29 30

NP

3231 33

2300 8003100

Istniejąca poprzecznica zespolona

Istniejąca poprzecznica zespolonaDodatkowa poprzecznica stalowa

Stal 18G2, H=842 mm

Skrócone stężenie z kąt.150x150x15 mm

Przewiązka stalowa

Dodatkowe żebro środnika pasa dolnego kratownicy

Adaptowana dylatacja koryta żelbetowego typu TARCO

Tłuczeń

Izolacja - 1 cmKoryto żelbetowe - 20 cm

Siatkobeton - 4 cm

Nawierzchnia S60

Dodatkowa blacha węzłowabl. 2700x8x583 mm

bl. 1885x14x250 mm

bl. 2700x14x780 mmSworznie C50LR-BR28-28GAT/97-03-0068

Blacha klinowa 50x16x220 mm

Bl. 340x10x x775 mm

Sworznie C50LR-BR28-28GAT/97-03-0068

Profilowanie powierzchni spodu płytyzaprawą Sikadur 41 gr. 3 mm

W drugim etapie zaprojektowano zabezpieczenie układu konstrukcyjnego kratownicy poprzez zredukowanie najbardziej destrukcyjnych czynników powodujących powstawanie pęknięć. Wyeliminowano siły spowodowane nieprawidłowym i niedbałym wykonaniem dylatacji pomiędzy poszczególnymi sekcjami pomostu zespolonego poprzez ich wyremontowanie. Ponadto, poprzez wykonanie dodatkowych dylatacji w każdej z sekcji pomostu, zredukowano o połowę destrukcyjny wpływ współpracy pomostu z dźwiagarmi głównymi (rys. 4 i 5). Zaprojektowano wykonanie adaptowanych dylatacji bitumicznych typu TARCO dla zapewnienia szczelności pomostu w miejscu dylatacji. Pozwoliło to na pozostawienie praktycznie bez zmian układu odwodnienia obiektu. Zastosowano jedynie sączki po obu stronach dylatacji w osi ścieku. Konieczność wykonania dodatkowych dylatacji wymusiła zaprojektowanie dodatkowych poprzecznic stalowych, które umożliwiły przecięcie płyty żelbetowej pomostu. Poprzecznice zaprojektowano ze stali 18G2A co umożliwiło zachowanie wymiarów praktycznie identycznych jak poprzecznic istniejących, lecz bez zespolenia z płytą żelbetową (rys. 4 i 5).

W celu zmniejszenia wpływów termicznych związanych z nierównomiernym nagrzewaniem dźwigarów kratowych obiektu położonego na osi północ-południe zaproponowano Inwestorowi pomalowanie konstrukcji specjalną powłoką TEMP-COAT. Powłoka ta została opracowana na potrzeby amerykańskiego programu kosmicznego i po raz pierwszy użyta przez NASA jako warstwa izolacyjna promów kosmicznych. Jest to mieszanina składająca się w 80% z mikroskopijnych, wypełnionych powietrzem ceramicznych i silikonowych paciorków wtopionych w matrycę akrylowych substancji wiążących. Po nałożeniu TEMP-COAT tworzy elastyczną, odkształcającą się wraz z podłożem powłokę posiadającą unikalne właściwości izolacyjne. Ponadto TEMP-COAT posiada właściwości powłoki antykorozyjnej, która może być stosowana samodzielnie lub jako składnik systemu powłok antykorozyjnych. Oczekiwana w przypadku wiaduktu pod Zawierciem redukcja temperatury powierzchni stali wynosiła ok. 20-27°C i była równa spodziewanej różnicy temperatur poszczególnych elementów wiaduktu pod wpływem bezpośredniego promieniowania słonecznego. Mimo stosunkowo niewielkich kosztów zastosowania powłoki, ze względu na możliwości finansowe Inwestora, zalecono jedynie zabezpieczenia pasa dolnego kratownicy.

5. Wnioski końcowe

Po wykonaniu naprawy uszkodzonych poprzecznic zostały w pełni przywrócone parametry eksploatacyjne pomostu zakładane w projekcie wiaduktu, zarówno w zakresie nośności jak i prędkości przejazdu taboru kolejowego. Należy zaznaczyć, że zgodnie z przeprowadzonymi obliczeniami statycznymi pomost wiaduktu miał przed naprawą nośność odpowiadającą klasie obciążeń k+1 wg PN-85/S-10030. Podniesienie klasy obciążeń i dostosowanie obiektu do dużych prędkości zakładanych dla linii CMK wymagało dodatkowych analiz i prac projektowych, które przeprowadzone zostały w ubiegłym roku przez BPK Lublin.

Ze względu na złożony charakter przyczyn powstania uszkodzeń trudno jest w chwili obecnej ocenić skuteczność zaproponowanych i zrealizowanych rozwiązań. Wymagają one prowadzenia szczegółowych obserwacji obiektu w długim okresie

eksploatacji. Autorzy prowadzą okresowo na obiekcie pomiary termiczne, które umożliwią ocenę skuteczności działania powłoki TEMP-COAT poprzez porównanie z wynikami pomiarów przeprowadzonych przed naprawą.

6. Piśmiennictwo [1] Ocena przyczyn powstania i koncepcja naprawy uszkodzeń wiaduktu kolejowego w

km 214.863 linii kolejowej CMK, RAPORT U-4994, Politechnika Rzeszowska, 1997

[2] Kowal Z., Dziurla M.: Orzeczenie przyczyn uszkodzeń oraz opracowanie dokumentacji naprawy mostu stalowego w km 214.863 linii CMK, Politechnika Świętokrzyska, Kielce 1994 r.

[3] Łukasiewicz A., Rakowski G.: Analiza stanu nośności jezdni zespolonej stalowego mostu kratownicowego w km 214.863 linii kolejowej CMK w aspekcie stwierdzonych uszkodzeń poprzecznic, BPK Lublin, czerwiec 1995 r.

[4] Siwowski T., Sobala D., Ślęczka L.: Analiza przyczyn pękania zespolonej poprzecznicy kratowego wiaduktu kolejowego. Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej „Mosty Zespolone”, Kraków, 1998

[5] Alkhafaji T., Sobala D., Zobel H.: Naturalne oddziaływania termiczne w zespolonym moście kratowym, Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej „Mosty Zespolone”, Kraków, 1998

[6] Weseli J., Pradelok S.: Analiza przyczyn pęknięcia poprzecznic kratowego mostu kolejowego. Materiały XIX Konferencji Naukowo-Technicznej „Awarie Budowlane”, Szczecin-Międzyzdroje, 1999.

[7] Zobel H., Alkhafaji T., Siwowski T., Sobala D., Ślęczka L.: Przyczyny awarii kratowego wiaduktu kolejowego w ciągu CMK pod Zawierciem. Materiały XIX Konferencji Naukowo-Technicznej "Awarie Budowlane 99". Międzyzdroje. Maj 1999.