Prezentowana awaria dotyczy pasa dolnego kratownic sprężonych o rozpiętości 28,5 m, obciążonych rurociągami wypełnionymi mediami.
Po prowizorycznym, tymczasowym podparciu kratownic estakady wykonano badania przyczyn ich awarii, a następnie projekt wzmocnienia załamanego sprężonego przęsła poprzez zmianę jego schematu statycznego na trójprzęsłową kratownicę żelbetową o rozpiętości ok. 8 m.
Projektowane w Polsce w latach 50. ubiegłego stulecia kablobetonowe dźwigary dachowe czy kratownice sprężone zyskały praktyczne zastosowanie w budujących się obiektach gospodarki narodowej. Wymagania projektowe w stosunku do konstrukcji tradycyjnych zostały zapewnione zarówno w aspekcie analizy obliczeniowej zjawisk reologicznych, jak i stanów granicznych konstrukcji. Zdarzały się niestety przypadki niespełnienia wymagań wykonawczych, a szczególności prawidłowych zabezpieczeń antykorozyjnych oraz nieprawidłowości w eksploatacji kratownic. Przedstawiona zostanie analiza awarii sprężonych kratownic, stanowiących konstrukcję nośną przęsła estakady zbudowanej w latach 1956–1957 w dużych zakładach chemicznych.
Rys. 1. Schematy kratownic o rozpiętościach w osiach podpór A1 = 24 m, A2 = 20 m, A3 = 16 m
Opis konstrukcji estakady sprężonej
Estakada składała się z 13 przęseł o rozpiętościach w osiach podpór 24, 20 i 16 m (rys. 1). Stanowią ją żelbetowe kratownice złożone z prefabrykowanych elementów o modułowej długości ok. 4,0 m, sprężne po montażu w pasie dolnym kablami typu Freyssineta 12ø5. Wysokość kratownic liczona w osiach pasów wynosi ok. 2,5 m. Styki pasów dolnych kratownic sprężonych zostały dodatkowo zespawane za pomocą stalowych blach opasujących pas dolny.
Każde przęsło estakady stanowią dwie bliźniacze, sprężone kratownice ułożone w rozstawie 2,45 m, połączone dodatkowo w górnych i dolnych węzłach żelbetowymi poprzecznicami. Elementy te stanowią poprzeczne stężenie kratownic oraz są elementami nośnymi dla rurociągów technologicznych, które spoczywają na nich lub są do nich podwieszone (rys. 2). Dodatkowo na dolnych poprzecznicach w przestrzeni pomiędzy kratownicami spoczywa pomost technologiczny wykonany z płyt żelbetowych. Uciąglenie pasów górnych kratownic wykonano przy użyciu blach stalowych. Kablobetonowe dźwigary opierają się na podporach słupowych.
Analiza szczątkowej dokumentacji wykonawczej estakady wykazała, iż kratownice montowane były z zachowaniem ujemnej strzałki ugięcia wynoszącej 60 mm.
Rys. 2. Schemat obciążenia estakady rurociągami pasów górnych kratownic wykonano przy użyciu blach stalowych. Kablobetonowe dźwigary kratowe opierają się na podporach słupowych.
Awaria i uszkodzenia załamanegoprzęsła estakady
W trakcie pracy zakładów wystąpiła niespodziewanie awaria jednego przęsła kratownic o rozpiętości 23,5 m, co w konsekwencji mogło doprowadzić do unieruchomienia zakładów. W trybie natychmiastowym obydwie załamane kratownice w awaryjnym przęśle zostały podparte za pomocą systemu stalowych podpór tymczasowych (fot. 1).
Fot. 1. Tymczasowe podparcie uszkodzonych kratownic
Badania wykazały, że przyczyną załamania przęsła estakady była duża korozja zarówno zakotwień kabli, jak i samych drutów sprężających. Wystąpiło zerwanie skorodowanych kabli sprężających w pasie dolnym kratownicy „a” (fot. 2 i 3).
Fot. 2. Widok fragmentu przerwanego
Fot. 3. Szczegół „A” pasa dolnego żelbetowo-sprężonej kratownicy „a”
Równocześnie w sąsiedniej kratownicy „b” awaryjnego przęsła doszło do ścięcia pasa dolnego w kratownicy (fot. 4 i 5). Ponadto w złamanym przęśle stwierdzono liczne uszkodzenia korozyjne słupków, krzyżulców i poprzecznic (fot. 6).
Fot. 4. Widok ściętego pasa dolnego
Fot. 5. Szczegół „A” żelbetowo-sprężonej kratownicy „b”
Fot. 6. Widoczne uszkodzenia krzyżulca i słupka kratownicy
Projekt wzmocnienia sprężonej konstrukcji nośnej załamanego przęsła estakady
Najprostszym rozwiązaniem projektowym byłoby wyburzenie załamanego przęsła o rozpiętości osiowej 24 m i zastąpienie go nową konstrukcją kratownic sprężonych lub stalowych. Jednak ze względu na wymogi ciągłości produkcji zakładów nie można było nawet częściowo wyłączyć z eksploatacji rurociągów przebiegających przez załamane i prowizorycznie podparte przęsło estakady. Należało zatem opracować taki projekt wzmocnienia załamanego przęsła, który by zakładał usuwanie prowizorycznych podpór etapami, ale równocześnie gwarantował wieloletnią bezpieczną eksploatację przęsła przy istniejących obciążeniach. Przy zerwaniu kabli sprężających w pasie dolnym kratownic oraz jego spękaniu i odkształceniu wykluczone było wzmocnienie poprzez zastosowanie nowego sprężenia zewnętrznego.
Przyjęty do realizacji projekt odbudowy załamanego przęsła opierał się na czterech założeniach:
– Wykonaniu kompleksowej naprawy uszkodzonych elementów konstrukcji kratownicy, tj. słupków, krzyżulców, poprzecznic i pasów górnych poprzez odtworzenie skorodowanego zbrojenia, ubytków w betonie i w otuleniu przy zastosowaniu materiałów i technologii renomowanej firmy specjalistycznej w tym zakresie.
– Wykonaniu obudowy złamanych pasów dolnych każdej z uszkodzonych kratownic w postaci stalowego „koryta“ wypełnionego odpowiednio modyfikowanym betonem i utworzeniu w ten sposób stalowo-betonowych pasów dolnych kratownic.
– Zamianie schematu statycznego sprężonej kratownicy jednoprzęsłowej na trójprzęsłową kratownicę żelbetową. Modyfikacja ta wymagała sprawdzenia istnienia odpowiedniego zbrojenia słupków, krzyżulców i pasa górnego. Weryfikację zbrojenia w kratownicy wykonano Ferroscanem PS200 (rys. 3). Przeprowadzono następnie analizę statyczno-wytrzymałościową trójprzęsłowej kratownicy żelbetowej oraz zwymiarowano stalowe elementy podparcia. W celu zapewnienia bezpośredniego przekazania sił z węzłów górnych, i przez to redukcji sił w prętach kratownicy, wprowadzono dodatkowe krzyżulce stalowe. Ze względu na agresję środowiska zakładów przemysłowych pr zyjęto założenie, że przy pełnym programowanym obciążeniu wykorzystanie nośności prętów nie przekroczy 60%. Zmodyfikowaną statycznie kratownicę wraz z siłami w elementach kratowych i konstrukcją wsporczą przedstawiono na rys. 4
– Naprawie elementów uzupełniających, tj. pomostu przechodniego, barierek itp.
Rys. 3. Wyniki inwentaryzacji zbrojenia i sprężenia przęsła
Rys. 4. Schemat podparcia 24-metrowej rozpiętości żelbetowo-sprężonej kratownicy wraz z działającym obciążeniem i siłami w prętach kratownicy
Realizacja wzmocnienia złamanego przęsła estakady
Rekonstrukcję załamanego przęsła estakady, tymczasowo podpartego w miejscach słupków kratownicy sprężonej, przeprowadzono etapowo.
Wykonano naprawę wszystkich żelbetowych elementów kratownic, tj. słupków, krzyżulców i pasów górnych oraz dolnych i górnych poprzecznic żelbetowych.
W drugim etapie przystąpiono do rekonstrukcji pasów dolnych kratownic.
Ze względu na spękania betonu dolnych pasów kratownic żelbetowo-sprężonych zaprojektowano ich obudowę stalowym „korytem” zespolonym z istniejącym betonem przy użyciu wklejanych kotew M10, a następnie dodatkowo wypełniając koryta samozagęszczalnym betonem. Z uwagi na konieczność utrzymywania podparcia tymczasowego dźwigarów wykonanie stalowego koryta realizowano odcinkami pomiędzy istniejącymi podporami tymczasowymi. Po zakończeniu montażu koryta na odcinkach między tymczasowymi podporami i uzyskaniu przez beton odpowiedniej wytrzymałości przestawiono podpory z węzłów kratownic na końcowe odcinki stalowego koryta, a następnie wykonano uciąglenie koryta w węzłach przez przyspawanie blach na zakład oraz zabetonowanie brakujących odcinków koryta.
Wykonano fundament pod konstrukcję podpierającą kratownicę.
Schemat statyczny kratownicy pozwalał na usunięcie podpory tymczasowej w środku rozpiętości, co umożliwiło w jej miejscu wykonanie stopy fundamentowej.
Następnie wykonano dodatkowe krzyżulce stalowe w skrajnych przęsłach obydwu kratownic.
W etapie końcowym dokonano montażu ostatecznego podparcia dźwigarów, uzyskując trójprzęsłowy schemat pracy pasów dolnych dźwigarów żelbetowych, a następnie zwolniono wszystkie tymczasowe podpory.
Szczegóły realizacji rekonstrukcji załamanego przęsła estakady przedstawiono na rys. 5.
Ostateczny widok zrekonstruowanego przęsła ilustruje fot. 7.
Rys. 5. Szczegóły realizacji rekonstrukcji załamanego przęsła estakady
Fot. 7. Widoczne uszkodzenia krzyżulca i słupka kratownicy
Wnioski
Betonowe kratownice sprężone kablami o rozpiętościach do 24 m projektowane i wykonywane w latach pięćdziesiątych ubiegłego stulecia muszą podlegać regularnej kontroli technicznej obejmującej w szczególności badania korozyjne zakotwień i kabli sprężających oraz stan naciągu kabli. Badane przęsła wykazały niejednokrotnie stan przedawaryjny wymagający natychmiastowego wzmocnienia.
W rozważanym przypadku awarii przęsła kratownicy o rozpiętości w osiach podpór 24 m udało się przez prowizoryczne podparcie nie dopuścić do katastrofy, a następnie opracować i wykonać wzmocnienie przy założeniu zamiany sprężonej kratownicy 24-metrowej na trójprzęsłową kratownicę żelbetową o przęsłach rozpiętości 8 m.
Stosowanie jakichkolwiek dodatkowych podparć istniejących przęseł kratownic powoduje zmianę ich schematu statycznego i powinno być każdorazowo poprzedzone analizą statyczno-wytrzymałościową uwzględniającą możliwe do wystąpienia stany naprężeń.
prof. dr hab. inż. Krzysztof Dyduch
TEQUM Consulting Engineers
dr inż. Rafał Szydłowski
Politechnika Krakowska
Artykuł oparty na referacie przygotowanym na XXV konferencją „Awarie budowlane” (Szczecien – Międzyzdroje, maj 2011 r.)
