Katastrofy i awarie mostów spowodowane korozją cięgien

Poniżej, na kilku przykładach, pokazano istotę problemu oraz wskazano na potrzebę niezbędnej zmiany filozofii projektowania nowych konstrukcji.

Fot. pixabay / sarangib

Katastrofa wiaduktu Polcevera w Genui we Włoszech. Informacje ogólne

Riccardo Morandi projektował głównie mosty z żelbetu i betonu sprężonego. Był zdeklarowanym orędownikiem stosowania betonu sprężonego do konstrukcji inżynierskich i wzniósł w latach 60. i 70. XX w. największe na świecie mosty z tego materiału. Specjalizował się w projektowaniu głównie mostów łukowych i oryginalnie ukształtowanych mostów podwieszonych [1], [3]. Podwieszone mosty Morandiego były projektowane według prostego schematu; podstawowym elementem tych konstrukcji są sekcje składające się z ukośnych zastrzałów podpierających dwuwspornikową część ustroju nośnego. Ramiona wsporników są podwieszone do wolno stojących pylonów za pomocą obetonowanych cięgien (rys. 4) i razem z ramą podporową tworzą niezależny segment konstrukcji nośnej (sekcję podstawową).

Rys. 4. Przekroje poprzeczne przez obetonowane cięgna. Część dolna wanty (rysunek lewy) i część górna (rysunek prawy) [3]

Mosty Morandiego składały się z kilku takich sekcji, które łączono, wstawiając między nimi przęsła zawieszone o rozpiętościach od 30 do 40 m. Idea Morandiego polegała więc na wykorzystaniu pomysłu Gerbera – ciągłej konstrukcji przegubowej. Pierwszym wielkim obiektem [1] zbudowanym według tej koncepcji był most przez jezioro Maracaibo w Wenezueli. Natomiast most Wadial-Kuf w Libii miał najdłuższe betonowe przęsło (282 m) w kategorii mostów podwieszonych oraz mostów z betonu sprężonego [4].

Konstrukcja wiaduktu Polcevera

Wiadukt Polcevera projektu R. Morandiego w Genui został wybudowany w latach 1963-1966 jako połączenie dwóch ważnych dla Ligurii autostrad: Mediolan – Genua i Genua – Savona. Całkowita długość przeprawy to 1121 m. Jest to konstrukcja jedenastoprzęsłowa wznosząca się nad linią kolejową, zabudowaniami Genui oraz kanałem Polcevera (rys. 1).

Rys. 1. Widok z boku wiaduktu Polcevera [3]

Rozpiętości przęseł sięgają od 43 m do 209 m. Najdłuższe przęsła zlokalizowane są między sekcjami podstawowymi, w których skład wchodzą dwa wsporniki o łącznej długości 172 m i zawieszone na nich przegubowo 36-metrowe przęsła tworzące w ten sposób układ belki Gerbera. Dodatkowo części wspornikowe przęseł są podwieszone do pylonów za pomocą pary obetonowanych want. Mniejsze przęsła estakad dojazdowych do mostu głównego mają podobne rozwiązanie (rys. 3).

Rys. 3. Zakotwienie want w pomoście i pylonie [3]

Składają się z ramowych podpór i zawieszonych na nich przęseł. Elementy podstawowe przęseł konstrukcji nośnej stanowią w przekroju poprzecznym trójkomorową betonową skrzynkę (rys. 2).

Rys. 2. Konstrukcja pylonów wiaduktu Polcevera [3]

W latach 60. XX w. stosowano obetonowywanie kabli podwieszających służące jako zabezpieczenie antykorozyjne. Przekrojem takiej wanty jest prostokąt (rys. 4 i 5).

Rys. 5. Podpora części dojazdowej [3]

W jej centralnej części przebiegają cięgna główne (24x12T13), które naciągano w trakcie budowy przed zabetonowaniem. Przenoszą one ciężar własny konstrukcji. Cięgna dodatkowe (28x4T13) naprężano po zabetonowaniu całej wanty. Ich rolą jest przenoszenie sił od obciążeń użytkowych.

Technologię budowy wiaduktu pokazano na fot. 1-5, polegała ona na:

1. wykonaniu fundamentów i podpór mostu do poziomu spodu ustroju nośnego;

2. wykonaniu tzw. wahadła: dwuwspornikowej części ustroju nośnego metodą betonowania wspornikowego przy jednoczesnym wnoszeniu górnej części pylonu (fot. 1);

Fot. 1. Budowa części wspornikowej przęseł metodą betonowania wspornikowego [3]

3. zapewnieniu stabilności wahadła w czasie betonowania wspornikowego przez kable zewnętrzne układane nad płytą pomostu (fot. 2);

Fot. 2. Tymczasowe sprężenie zewnętrzne podtrzymujące wsporniki w czasie budowy [3]

4. montowaniu i napinaniu (po wykonaniu wahadła) podstawowych kabli nośnych 12T13 (zaznaczone na czarno na rys. 4), do których podwieszano deskowanie do uformowania „betonowego” cięgna; w osłonie betonowej pozostawiono kanały kablowe, w które – po stwardnieniu betonu – wprowadzano kable drugorzędne 4T13 (oznaczone okręgiem na rys. 5); po ich napięciu kanały były iniektowane;

5. montowaniu przęsła gerberowskiego i instalowaniu wyposażenia mostu po podwieszeniu konstrukcji.

Z analizy dostępnych publikacji [1-4] wynika, że wiadukt pod względem statyczno-wytrzymałościowym byt zaprojektowany poprawnie, a jego schemat statyczny pozwalał na stosunkowo łatwą ocenę wpływu uszkodzeń na bezpieczeństwo obiektu. Słabym punktem tej konstrukcji i innych mostów Morandiego była ochrona antykorozyjna cięgien – szczególnie w strefie siodła usytuowanego na wierzchołku pylonu (rys. 4). Zwróćmy uwagę, że promień zakrzywienia kabli jest równy 1,5 m. Dziś wiemy, że przy takiej krzywiźnie nośność kabli należy zredukować o ok. 20%. Czy zrobił to Morandi? Chyba nie. W miejscu wspomnianego siodła, ze względu na drgania want, następowało naprzemienne zginanie „betonowego cięgna”, które było w zasadzie pozbawione zbrojenia podłużnego. Stosowano tylko strzemiona z prętów o średnicy 6 mm. O tym, że są to newralgiczne punkty podwieszonych mostów Morandiego, świadczą zauważone w porę uszkodzenia sekcji S3.

Zauważmy, że obiekt powstał w początkowych latach stosowania betonu sprężonego, a Morandi oraz wielu innych było zafascynowanych możliwościami, jakie stwarzała nowa technologia. Zbudowano wielkie obiekty, ale zbyt optymistycznie oceniano trwałość cięgien sprężających. Dziś wiemy, że cięgna sprężające i wanty należy bardzo starannie zabezpieczać przed korozją i prowadzić je w taki sposób, aby była możliwa kontrola ich stanu.

Zobacz też: Ciekawa inwestycja – kładka wstęgowa nad jeziorem

Wiadukt Polcevera – wymiana kabli w sekcji S3 w latach 90. XX w.

W latach 90. XX w., po przeglądzie konstrukcji, zdecydowano się na wymianę elementów podwieszających przy pylonie S3. W miejscu monolitycznego połączenia jednej z want z pylonem pojawił się otwór w osłonie betonowej, który doprowadził do korozji części kabli sprężających [2]. Procedura wymiany kabli została opisana dosyć dokładnie w pracy [4]. Polegała ona na zainstalowaniu dodatkowych elementów stalowych na pylonie („czapki” – rys. 6) i na wspornikach poprzecznicy umieszczonej w miejscu kotwienia want w ustroju nośnym. Kable zamiennie napinano w kilku etapach, jednocześnie stopniowo wycinając kable pierwotne. Na rys. 6 przedstawiono sekcję S3 po wymianie kabli.

Rys. 6. Naprawa cięgien w sekcji S3 [2]

Domniemane przyczyny katastrofy wiaduktu Polcevera

14 sierpnia 2018 r. nastąpiła katastrofa wiaduktu Polcevera, która objęła swoim zasięgiem sekcję S1 wraz z opartymi na niej przęsłami gerberowskimi. Katastrofa mostu w Genui nastąpiła w czasie normalnej eksploatacji obiektu i pochłonęła 43 ofiary.

Przyczyny awarii bada specjalna komisja, ale po analizie literatury dotyczącej konstrukcji obiektu i filmów dokumentujących to wydarzenie można z dużą pewnością zrekonstruować przebieg katastrofy:

• Bezpośrednią jej przyczyną było zerwanie jednego z cięgien podtrzymujących wsporniki sekcji S1 (WEST) (fot. 6, rys. 7) od strony estakady dojazdowej. Zerwanie nastąpiło w pobliżu siodła na wierzchołku pylonu (fot. 6).
• Zerwana wanta o masie około 300 ton (porównaj rys. 5) runęła na ustrój nośny. Nastąpiło uderzenie w pomost z siłą, którą można szacować na przynajmniej 4,5 MN (3 MN x współczynnik dynamiczny). Obciążenie użytkowe znajdujące się po krytycznej stronie pylonu w czasie katastrofy należy szacować na 0,5 MN.
• Uderzenie „betonowego cięgna” o pomost spowodowało urwanie drugiej wanty i lawinowe zniszczenie sekcji S1 mostu.

Fot. 6. Wierzchołki poszczególnych sekcji przed katastrofą [6]

Na rys. 7 pokazano domniemane obciążenie ramienia sekcji S1 przez zerwane cięgno, a na fot. 7 – skutki katastrofy. Zwraca uwagę bardzo słabe zbrojenie pylonu, który poskładał się na stykach segmentów technologicznych.

Rys. 7. Obciążenie pomostu sekcji S1 w trakcie katastrofy

Po wnikliwych badaniach pozostałej części konstrukcji zdecydowano się na jej całkowitą rozbiórkę i budowę nowego mostu. W czerwcu 2019 r. pozostałości mostu zostały zburzone ładunkami wybuchowymi.

Fot. 7. Widok zniszczonej konstrukcji [5]

Katastrofa taśmowej kładki Troja w Pradze

Taśmowa kładka Troja w Pradze [6] została zbudowana w roku 1984 przy wykorzystaniu typowych paneli prefabrykowanych DSL. Był to obiekt o następujących rozpiętościach przęseł: 85,50 + 96,00 + 67,50 m. Panele miały 3,80 m szerokości i 3,00 m długości.

Kładki tego typu były budowane w następujący sposób [10], [11]:

1. W pierwszej fazie napinano i kotwiono liny nośne kładki (rys. 8).

Rys. 8. Szczegóły konstrukcji podwieszenia prefabrykatów typu DS-Lvm i DSL [11]

2. Następnie podwieszano do lin prefabrykowane panele. Liny nośne były umiejscowione w kanałach zlokalizowanych w segmentach, które były podtrzymane przez cztery specjalnie ukształtowane elementy wsuwane w gniazda kanałów (fot. 9 i rys. 8).

Fot. 9. Montaż segmentów prefabrykowanych typu DS-Lv [6], [11]

3. W kolejnej fazie kanały oraz styki wypełniano betonem.

4. Po stwardnieniu betonu napinano kable sprężające prowadzone w otworach paneli.

5. W końcowej fazie wykonywano nawierzchnię z cienkiej (2-5 cm) warstwy drobnoziarnistego betonu.

Fot. 10. Katastrofa kładki Troja w Pradze (fot. P. Ryjacek)

Fot. 11. Katastrofa kładki Troja w Pradze. Zerwane kable nośne i sprężające w środkowym przekroju głównego przęsła (www.uschovna.cz)

Kładka Troja w Pradze uległa katastrofie wiosną 2018 r. (fot. 10-12).

Przyczyną katastrofy była korozja cięgien nośnych i kabli sprężających spowodowana wodą dostającą się do kanałów wypełnionych nasiąkliwym betonem. Woda przedostawała się przez zarysowania nawierzchni i szczeliny na styku ścian kanałów z betonem monolitycznym. Ze względu na zwis kładki woda spływała do najniższego punktu przęsła kładki i tam się gromadziła. Cięgna w tej strefie znajdowały się cały czas w środowisku wilgotnym, co doprowadziło do korozyjnego ich niszczenia. W Czechach i Słowacji wybudowano kilkanaście obiektów, stosując panele typu DSL. Po katastrofie w Pradze wszystkie obiekty tego typu wyłączono z użytkowania i poddano badaniom.

Awaria mostu Cłowego w Szczecinie

Most Cłowy w Szczecinie (fot. 13) był przez ponad 40 lat największym mostem z betonu sprężonego w Polsce. Jego budowa zakończyła się w 1960 r. Była to konstrukcja trójprzęsłowa o schemacie ustroju Gerbera. Rozpiętości przęseł były następujące 58,60 +78,60 + 58,25 m [12]. Przęsło zawieszone z kablobetonowych belek prefabrykowanych miało rozpiętość 34,00 m. Projektantem mostu był Maksymilian Wolff. Po sprężeniu zachodniej wspornikowej części mostu w 1958 r. wystąpiło pękanie lin ze względu na ich zbyt duże wytężenie.

Fot. 13. Widok mostu Cłowego w Szczecinie

Awaria spowodowała konieczność naprawy polegającej na zdublowaniu systemu sprężenia. Przecięto pierwotne, uszkodzone kable sprężające i w stanie nienapiętym zainiektowano w kanałach. W zastępstwie wykonano sprężenie zewnętrzne kablami biegnącymi między środnikami każdego z trzech dźwigarów. Kable te w części otwartej przęseł zabetonowano w postaci taśm w celu zapewnienia im ochrony antykorozyjnej (fot. 14).

Fot. 14. Widok taśmy betonowej osłaniającej kable zewnętrzne w moście Cłowym (fot. K. Żółtowski)

W skrzynkowej części wspornikowej kable te prowadzono w stalowych duktach wypełnionych iniektem. Trasy kabli zastępczych i pierwotnego kabla skupionego były identyczne. Nowe sprężenie w przęśle wykonano z 30 kabli splotowych 3705 mm przypadających na każdy dźwigar. Oznacza to, że zwiększono liczbę kabli w każdym paśmie o sześć sztuk, jednocześnie redukując ich wstępne napięcie. Pierwotne sprężenie płyty w części wspornikowej nie uległo awarii. Jednak dla bezpieczeństwa dodano sześć kabli przypadających na każdy dźwigar. Na skutek źle działającego odwodnienia woda opadowa ściekała na taśmę betonową kryjącą cięgna przez 20… 25 lat. W efekcie cięgna skorodowały i zostały zarwane, co spowodowało poważną awarię części zachodniej mostu (fot. 15). Po analizie stanu uznano [12], że most nie nadaje się do naprawy. Obiekt rozebrano i na starych podporach zbudowano nowy ustrój stalowy.

Fot. 15. Awaria kabli zewnętrznych spowodowana korozją (fot. K. Żółtowski)

Wymiana kabli nośnych w moście wiszącym w Trancarville

Most w Trancarville (fot. 16) nad Sekwaną wybudowano w 1959 r. Jest to konstrukcja wisząca składająca się z zasadniczego mostu stalowego o rozpiętościach 176,00 + 608,00 + 175,00 m (rys. 10). Na lewym brzegu dodatkowo został wybudowany wiadukt o długości 400 m. Wysokości pylonów wynoszą po 123,40 i 121,90 m. Pomost podwieszono do nich za pomocą kabli nośnych o przekroju sześciokątnym o wysokości 650 mm i szerokości 580 mm. Składały się z 56 lin w głównym przęśle i z 60 w skrajnych przęsłach. Dodatkowe liny były kotwione w siodłach usytuowanych na pylonach. Każda lina składała się ze 169 drutów o średnicy 4,7 mm. Zabezpieczenie nieocynkowanych lin stanowiły warstwy lakieru bitumicznego.

Fot. 16. Most w Trancarville (fot. wikipedia.pl)

Rys. 10. Widok mostu w Trancarville z boku i przekroje poprzeczne przed i po modernizacji

W czasie eksploatacji mostu okazało się, że problemami nie były zjawiska aerodynamiczne i obciążenie od pojazdów, tylko zbyt słabe zabezpieczenie lin przed korozją. W roku 1965 stwierdzono pęknięcia liny nośnej przy zaciskach stanowiących miejsce zamocowania wieszaków. Do 1970 r. pękło 1711 drutów na 10 140 w przekroju. W latach 1970-1988 – kolejnych 147, wreszcie 2 lipca 1995 r. zerwana została cała lina, jedna z 60 lin w strefie bloku kotwiącego. W związku z awarią administracja rejonu Hawru uznała, że niezbędna jest wymiana lin nośnych mostu.

Założono, że każdy z istniejących kabli zostanie zastąpiony dwoma o mniejszej średnicy (rys. 11). Każdy nowy kabel składa się z 90 lin o średnicy 40 mm. Wszystkie druty zostały ocynkowane. W związku z przyjętym rozwiązaniem należało przebudować głowicę i zainstalować na niej dodatkowe siodła. Przebudowa polegała na jednoczesnym napinaniu nowych lin przy luzowaniu starych elementów [13].

Rys. 11. Idea przenoszenia obciążeń

Katastrofy i awarie mostów. Podsumowanie

Opisane katastrofy i awarie mostów zwracają uwagę rządów wielu krajów na problem bezpieczeństwa infrastruktury komunikacyjnej. W Europie podstawowa sieć dróg powstawała ponad 50 lat temu, a sieć linii kolejowych (wyłączając koleje dużych prędkości) ponad 100 lat temu. Dlatego też na naszym kontynencie mamy kilkaset tysięcy obiektów mostowych, których stan techniczny może budzić zastrzeżenia. Zapewnienie bezpiecznego użytkowania tych obiektów wymaga zatrudnienia wielu doświadczonych specjalistów i wielkich nakładów finansowych.

Należy również zweryfikować zasady projektowania konstrukcji podwieszonych i belkowych z betonu sprężonego oraz procedury oceny ich stanu i tak:

• W obiektach podwieszonych musi być możliwa kontrola stanu cięgien i ich ewentualna wymiana, a most powinien być tak zaprojektowany, by zerwanie dowolnych dwóch want nie powodowało jego katastrofy.
• Skrzynkowe mosty z betonu sprężonego powinny być tak projektowane, by przynajmniej 50-procent sprężenia stanowiły łatwe do kontroli kable zewnętrzne. Musi także być zapewniona możliwość ich wymiany (rys. 12).
• Wiszące konstrukcje taśmowe powinny być projektowane w taki sposób, aby cięgna nośne i sprężające były osłonięte rurami PEHD.
• Dziś w nowych mostach wiszących stosuje się specjalne zabezpieczenia drutów przed korozją, np. przez ich ocynkowanie i ciągłe osuszanie za pomocą specjalnego systemu klimatyzacyjnego.
• Należy doskonalić procedury oceny stanu mostów i możliwie szeroko stosować systemy elektronicznego monitoringu.

Rys. 12. Przykładowa konstrukcja prowadzenia kabli zewnętrznych umożliwiająca ich wymianę

Uwaga: Artykuł stanowi rozszerzenie referatu „Katastrofy i awarie sprężonych mostów spowodowane korozją cięgien” prezentowanego na konferencji „Awarie budowlane” 20-24 maja 2019 r. w Międzyzdrojach. Artykuł wykorzystuje tekst zatytułowany Katastrofa wiaduktu Polcevera w Genui z czasopisma „Inżynieria i Budownictwo” nr 11/2018.

Literatura

1. D. Buhler, Brucken in Lateinameri- ka – Technik und Geschichte, 27. Dresdner Bruckenbausympo- sium, 13-14 marca 2017, Drezno.
2. G. Camomila, F. Pisani, Y Marti- nez, F. Cabrera, A. Marioni, Repair of the Stay Cables of the Polceve- ra Viaduct in Genova, Italy, IABSE reports, 1995, Zurych 1968.
3. R. Morandi, Viaducto Polcevera, en Genova – Italia, Informes de la Construcción Vol. 21, nr 200.
4. W. Jr. Podolny, Concrete cable -stayed bridges, www.onlinepubs. trb.org.
5. J. Biliszczuk, M. Teichgraeber, katastrofie wiaduktu Polcevera w Genui, we Włoszech, „Inżynieria Budownictwo” nr 11/2018.
6. J. Biliszczuk i zespół, Mosty wstęgowe, WSMiW, DWE, Wrocław 2016.
7. www.newser.com
8. www.googlemaps.com
9. www.wikipedia.com
10. J. Strasky, Type DS.-L Precast Stress-Ribbon Footbridges, „Inze- nyrskie stvby” 1985.
11. J. Strasky, M. Pirner, DS-L. Stress- -ribbon Footbridges, Dopravni Stavby N.P, Ołomuniec 1986.
12. K. Żółtowski, M. Bińczyk, P Kali- towski, Most Cłowy w Szczecinie. Historia i Przyszłość, Duże mosty wieloprzęsłowe. Projektowanie, technologie budowy, monitoring, WDM, 29-30 listopada 2016, DWE, Wrocław.
13. J. Biliszczuk, Wymiana kabli nośnych w wiszącym moście Trancarville, „Inżynieria i Budownictwo” nr 11/1999.

prof. dr hab. inż. Jan Biliszczuk
mgr inż. Marco Teichgraeber
Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego Politechnika Wrocławska
Rysunki M. Teichgraeber

Polecamy też: Katalog typowych konstrukcji obiektów mostowych i przepustów