MOSTOWE KONSTRUKCJE GRUNTOWO_POWŁOKOWE. LABORATORYJNE BADANIA NISZCZĄCE. AWARIE W CZASIE BUDOWY I EKSPLOATACJI.pdf

Dr hab. inŜ. Adam WYSOKOWSKI, prof. UZ awysokowski@ibdim.edu.pl

Instytut Badawczy Dróg i Mostów – śmigród

Dr inŜ. Leszek JANUSZ, leszek@viacon.pl

ViaCon Polska Sp. z o.o.

MOSTOWE KONSTRUKCJE GRUNTOWO – POWŁOKOWE.

LABORATORYJNE BADANIA NISZCZ Ą CE. AWARIE W CZASIE

BUDOWY I EKSPLOATACJI

SHELL – SOIL BRIDGE STRUCTURES. LABORATORY DESTRUCTIVE TESTS. FAILURE

DURING CONSTRUCTION AND OPERATION

Streszczenie Konstrukcje gruntowo - powłokowe znajdują coraz szersze zastosowanie w budownictwie

mostowym z uwagi na ich wiele zalet jak: prosty, nieskomplikowany montaŜ, szybkość wykonawstwa,

sztywność uŜytkową oraz trwałość. Wraz z początkiem stosowania tych konstrukcji w polskim mostownictwie w

Instytucie Badawczym Dróg i Mostów w śmigrodzie prowadzone są badania tego typu konstrukcji w skali

naturalnej na mostowym Stendzie badawczym. Analizowano siły wewnętrzne w konstrukcji powłok jak i

napręŜenia w gruncie oraz przeprowadzono badania zmęczeniowe. Badania te wykazały duŜą sztywność

uŜytkową i trwałość tych konstrukcji m.in. z uwagi na duŜą współpracę gruntu w przenoszeniu obciąŜeń. Z

uwagi na podatność przedmiotowych konstrukcji w fazie ich budowy są one bardzo „czułe” na wszelkie

odstępstwa od reŜimu technologicznego przy ich realizacji. Tym samym, mimo Ŝe stosunkowo rzadko, ale

jednak ulegają one awariom, głównie w czasie ich wykonywania. Przykłady awarii wraz z opisem i analizą ich

przyczyn przedstawiono w referacie.

Abstract There use of soil-steel shell structures in bridge construction is growing. This is due to their

numerous advantages such as: simple and uncomplicated assembly, quick construction, high bearing capacity

and durability. Together with the commencement of use of the said structures in Polish bridge practice, the Road

and Bridge Research Institute in śmigród started tests of such structures in natural scale on a Bridge Test Stand.

Internal forces in the steel walls of the structures and stress in soil were analysed. Fatigue tests were performed.

The tests showed high stiffness and durability of the structures also due to considerable soil- structure interaction

in terms of load carrying. As the said structures are very flexible at the stage of their construction, they tend to be

very ‘sensitive’ to any deviations from the technological regime during completion. Therefore, even if not very

frequently, they happened to fail, mainly at the construction stage. This paper presents examples of failure

together with a description and analysis of causes.

1. Wst ę p

Konstrukcje podatne z blach falistych, zwane często konstrukcjami powłokowymi

stosowane są powszechnie do budowy przepustów i małych mostów [1], [2], [3]. Pojęcie

mostów gruntowo - powłokowych bierze się z faktu współpracy powłoki stalowej wykonanej

z blach falistych z otaczającym ją gruntem w przenoszeniu obciąŜeń z ang. soil-structure

interaction [4]. Jakościowy charakter współpracy róŜny jest na etapie budowy i uŜytkowania.

541

Na etapie budowy obiektu następuje zasypywanie konstrukcji podatnej gruntem, który

powoduje deformacje kształtu powłoki stalowej. Na etapie uŜytkowania (stan uŜytkowy

konstrukcji) grunt staje się „sprzymierzeńcem” konstrukcji w przenoszeniu obciąŜeń dzięki

współpracy z powłoką stalową. Współpraca gruntu z konstrukcją powłokową powoduje

uzyskanie znacznych nośności obiektów gruntowo-powłokowych, co zostało bardzo dobrze

udokumentowane wynikami wielu badań m.in. [5], [6], [7], [8], [9], [10]. Wymiarowanie

konstrukcji podatnych z blach falistych (lub teŜ gruntowo-powłokowych) ewoluowało od

prostej metody napręŜeń pierścieniowych [11] z 1960 roku po ostatnio opublikowaną metodę

szwedzką [12] lub teŜ metodę opracowaną dla konstrukcji o kształcie skrzynkowym o nazwie

MACOR [13]. Metoda szwedzka jest najbardziej nowoczesną i rozbudowaną. Została

opracowana na podstawie badań niszczących kilku obiektów z blach falistych, pozwala na

określenie poziomu bezpieczeństwa projektowanego obiektu. Uwzględnia złoŜony stan

napręŜeń w ściance konstrukcji wynikający z oddziaływania momentów zginających i sił

normalnych od obciąŜeń stałych i zmiennych. Pozwala ona wymiarować konstrukcję

uwzględniając kilka warunków dotyczących stateczności i nie zawiera ograniczeń kształtów

przekroju poprzecznego konstrukcji. Metoda zakłada następujące obliczenia sprawdzające:

1. Stany graniczne uŜytkowania:

- sprawdzenie deformacji kształtu konstrukcji,

- obliczenie osiadania gruntu wokół konstrukcji (obliczenia te powinny by ć

przedmiotem opracowania dokumentacji geotechnicznej).

2. Stany graniczne nośności:

- sprawdzenie, czy w górnej cz ęś ci konstrukcji nie powstanie przegub plastyczny

lub mechanizm ła ń cucha kinematycznego,

- sprawdzenie odkształce ń korony konstrukcji,

- sprawdzenie współczynnika bezpiecze ń stwa dla poł ą cze ń ś rubowych,

- sprawdzenie bezpiecze ń stwa na wyboczenie (jako uzupełnienie sprawdzenia

warunku wyczerpania no ś no ś ci przez powstanie przegubu plastycznego).

Inne warunki:

- sprawdzenie, czy konstrukcja wykazuje wystarczaj ą c ą sztywno ść podczas

monta Ŝ u, eksploatacji itp. (tzw. „handling stiffness”),

- sprawdzenie parcia gruntu na konstrukcj ę w naro Ŝ ach (strefa pachwinowa-

sprawdzenie stateczno ś ci gruntu nad konstrukcj ą ,

- sprawdzenie no ś no ś ci fundamentów betonowych(dla konstrukcji łukowych).

W oparciu w bogate doświadczenia w zakresie wymiarowania obiektów gruntowo-

powłokowych naleŜy stwierdzić, Ŝe dominującą rolę dla stateczności konstrukcji odgrywa

sztywność gruntu otaczającego konstrukcję. WyraŜana jest ona najczęściej poprzez parametr

gruntowy, tzw. moduł sieczny gruntu (E s ) [14]. W róŜnych materiałach źródłowych znaleźć

moŜna jego wielkość, która zaleŜna jest od rodzaju uŜytego gruntu i wskaźnika jego

zagęszczenia. Dla celów wymiarowania najczęściej przyjmowane są wartości około 30 MPa.

Jak się okazuje wielkość ta ma niebagatelne znaczenie dla bezpieczeństwa pracy konstrukcji.

542

2. Badania laboratoryjne konstrukcji gruntowo – powłokowych w skali naturalnej

2.1. Opis przeprowadzonych bada ń

W Instytucie Badawczym Dróg i Mostów w śmigrodzie prowadzone są od 1997 roku

badania tego typu konstrukcji w skali naturalnej na mostowym Stendzie badawczym.

Do zasadniczych zrealizowanych badań w tym zakresie naleŜy zaliczyć:

- badania konstrukcji owalnej o przekroju zamkniętym typu Multi Plate,

- badania konstrukcji o przekroju otwartym typu Box Culvert - w systemie Multi Plate,

- badania stalowej karbowanej konstrukcji o przekroju kołowym o średnicy l m typu

HELCOR,

- badanie karbowanej konstrukcji o przekroju kołowym wykonanej z tworzyw sztucznych

PEHD.

Obecnie prowadzone są badania konstrukcji Box Culvert z fundamentami wiotkimi (w

postaci blach karbowanych) w porównaniu z fundamentami sztywnymi (bloki Ŝelbetowe).

Na schematycznym rysunku nr 1 pokazano rodzaje dotychczasowych przebadanych

mostowych konstrukcji gruntowo – powłokowych.

Przepust

Silowniki

Grunt

Konstrukcja

Multi Plate

Fundament

1m 2m 3m 4m 5m

Płyta przenosząca

obciąŜenia

Konstrukcja

Box Culvert

Konstrukcja

HELCOR

Konstrukcja

Arot OPTIMA

Rys. 1. Schematy badanych konstrukcji przepustów w skali naturalnej na Stendzie IBDiM w śmigrodzie.

543

2.2. Wyniki przeprowadzonych bada ń

Z uwagi na to, Ŝe omawiane konstrukcje pracują jako gruntowo - powłokowe - istotna w

tych badaniach jest współpraca z gruntem. Dlatego teŜ analizowano siły wewnętrzne w

konstrukcji powłok jak i napręŜenia w gruncie oraz przeprowadzono badania zmęczeniowe.

Wyniki pomierzonych wartości parć gruntu za pomocą presjometrów nad konstrukcją

gruntowo – powłokową Multi Plate, przy róŜnych wysokościach naziomów oraz ich

obciąŜeniu pokazano na rysunku 2.

50 kPa

1 00 kP a

nr 8

nr 1 1

nr 13

nr 8

nr 1 1

nr 13

nr 7

nr 6

nr 7

nr 6

nr 4

nr 5

nr 4

nr 5

n r 1

nr 2

nr 1

nr 2

nr 3

n r 3

Rys. 2. Schematyczny wykres parcia gruntu a) – przy naziomie - 1.0 m; obciąŜenie naziomu 67,5 kPa

b) – przy naziomie - 0,3 m; obciąŜenie naziomu 244,0 kPa.

Badania zmęczeniowe realizowano dla badanych konstrukcji gruntowo – powłokowych

przy sinusoidalnym cyklu zmian obciąŜenia z częstotliwością f = 1 Hz, przy pełnej

synchronizacji działania obu siłowników. Równolegle przeprowadzano rejestrację, zarówno

odkształceń jednostkowych, przemieszczeń powłoki, jak i zmian parcia gruntu.

Na rysunku 3 pokazano wyniki badań zmęczeniowych dla konstrukcji stalowej typu Multi

Plate w przedziale od 0 do 500 tys. cykli.

0,00

100

150

200

250

300

350

400

450

500

-1,00

-2,00

Konstrukcja Multi Plate

Czujnik indukcyjny I6

(Przemieszczenie górnego sklepienia)

ObciąŜenie zmęczeniowe 0 - 500 000 cykli

Naziom o wysokości 1,0 m

-3,00

-4,00

-5,00

-6,00

-7,00

-8,00

-9,00

Cykle [tys.]

Rys. 3. Wyniki badań zmęczeniowych dla konstrukcji stalowej typu Multi Plate.

Na rysunku 4 pokazano sposób przeprowadzania badań niszczących dla wszystkich

badanych w IBDiM w śmigrodzie obiektów gruntowo – powłokowych wraz z

przykładowymi uszkodzeniami dla przykładowej konstrukcji Box Culvert.

544

CZUJNIK

INDUKCYJNY NR 1

CZUJNIK

INDUKCYJNY NR 3

0,0

Czas

120

150

180

210

F I =500kN

-20

F II =1000kN

-40

CZUJNIK

INDUKCYJNY NR 2

F III =1500kN

-60

F IV =2000kN

-80

-100

-120

Czas [s]

Rys. 4. Proces przeprowadzenia badań niszczących i ich wyniki dla konstrukcji Box Culvert

a, b) – widok zniszczeń sklepienia górnego, c)- schemat obciąŜenia niszczącego,

d) - przemieszczenie czujników indukcyjnych

W czasie badań - jak juŜ wcześniej wspomniano - rejestrowano odkształcenia jednostkowe

(w dwóch głównych kierunkach), przemieszczenia powłok oraz parcia gruntu na całym

obwodzie powłok. Przykładowy wykres przemieszczeń górnego sklepienia pokazano na

rysunku 5, a wykresy momentów gnących na rysunku 6 (dla rury stalowej typu HELCOR).

Czas [s]

200

400

600

800

1000

1200

0,0

-0,1

-0,2

-0,3

-0,4

-0,13

-0 . 11

Czujnik indukcyjny I5

p max =143,10 kPa; H=0,6 m

-0,29

-0,26

-0,5

-0,6

-0,67

-0,75

-0,7

-0,8

-0,9

-1,0

-0,78

Pierwsze obciąŜenie

Drugie obciąŜenie

-0,93

Rys.5. Wykres przemieszczeń górnego sklepienia rury stalowej HELCOR.

ObciąŜenie p max =71,55kPa; naziom H=0,6 m

ObciąŜenie p max =143,10 kPa; naziom H=0,6 m

0,8 Nm

-1,7 Nm

-4,1 Nm

2,7 Nm

-2,4 Nm

-1,7 Nm

Skala: 1Nm -

-2,4 Nm

ObciąŜenie p max =239,32 kPa; naziom H=0,6 m

ObciąŜenie p max =239,32 kPa; naziom H=0,3 m

4,9 Nm

-3,7 Nm

-3,9 Nm

-6,5 Nm

11,1 Nm

-5,2 Nm

2,4 Nm

3,6 Nm

Skala: 5Nm -

Rys. 6. Momenty gnące w przepuście HELCOR.

545

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: