Polskie obiekty mostowe z kompozytów polimerowych

STRESZCZENIE

Pierwsze dziesięciolecie XXI w. przyniosło znaczące upowszechnienie w budownictwie mostowym kompozytów polimerowych. W Polsce dopiero od roku 2015 zaczęły powstawać obiekty mostowe z kompozytów. W artykule przedstawiono ich krótką charakterystykę techniczną oraz kierunki rozwoju polskich mostów z kompozytów FRP oparte na wynikach dwóch polskich projektów naukowo-badawczych (Com-Bridge i Fobridge).

ABSTRACT

The first decade of XXI century has brought a wide promulgation of the use of FRP’s in bridge construction. Since 2015 the FRP bridges have been built in Poland. Their short technical characteristics as well as the development potential of the Polish FRP bridges, based on the two domestic R&D projects (COM-BRIDGE and FOBRIDGE) are also presented in the paper.

Polimerowe kompozyty włókniste FRP (ang. fibre reinforced polymers) to materiały powstałe z połączenia włókien syntetycznych (węglowych, szklanych, aramidowych, bazaltowych) oraz polimerów (np. żywicy epoksydowej, poliestrowej, winyloestrowej). Charakteryzują się one zdecydowanie lepszymi właściwościami mechanicznymi i fizycznymi niż powszechnie stosowane w budownictwie mostowym materiały konstrukcyjne, jak stal, beton czy drewno. Z konstrukcyjnego punktu widzenia do największych zalet kompozytów FRP należą m.in.: wysoka wytrzymałość, duża sztywność (w przypadku kompozytu z włókien węglowych), doskonała trwałość oraz mała masa konstrukcji, a co za tym idzie łatwość i szybkość budowy obiektu mostowego. Od kilkudziesięciu lat te właściwości kompozytów FRP są z powodzeniem wykorzystywane w przemyśle lotniczym, samochodowym i stoczniowym. Pierwsze dziesięciolecie XXI w. przyniosło także znaczące upowszechnienie kompozytów FRP w budownictwie, w tym w budowie obiektów mostowych [1]. Dzięki zastosowaniu bardzo wytrzymałych, lekkich i odpornych na korozję elementów z kompozytów FRP jest obecnie możliwe znaczące zwiększenie nośności, trwałości i niezawodności obiektów mostowych.

W Polsce pierwszy obiekt mostowy z kompozytów FRP powstał w 1999 r. w Łodzi na zamkniętym terenie oczyszczalni ścieków. Po latach zastoju dopiero w 2015 r. zaczęły powstawać kolejne krajowe obiekty mostowe z kompozytów FRP zarówno przywiezione w całości z Holandii, jak i stworzone przez polskich inżynierów i producentów elementów kompozytowych. Krótka charakterystyka tych obiektów oraz kierunki rozwoju budowy mostów z kompozytów FRP w Polsce są przedmiotem artykułu.

Fot. 1. Pierwszy polski obiekt mostowy z kompozytów FRP – kładka z kształtowników pultruzyjnych w Łodzi przez Ner (fot. W. Karwowski)

Zrealizowane obiekty mostowe z kompozytów FRP

W czerwcu 1999 r. na terenie grupowej oczyszczalni ścieków w Łodzi został oddany do użytku pierwszy w Polsce obiekt mostowy, wykonany z kompozytów FRP [2]. Jest on usytuowany u wylotu kanału z oczyszczoną wodą do rzeki Ner, a z kładki są pobierane próbki wody do badań. Kładka jest jednoprzęsłową konstrukcją kratownicową z jezdnią dolną o rozpiętości teoretycznej 20,0 m i szerokości użytkowej 1,0 m (fot. 1). Dźwigary kratownicowe typu N o wysokości 1338 mm i w rozstawie poprzecznym w osiach słupków 1200 mm są wykonane z kształtowników pultruzyjnych duńskiej firmy Fiberline. Kształtowniki z kompozytu z włókna szklanego na bazie żywicy epoksydowej GFRP (ang. glass fibre reinforced polymer) są połączone w węzłach za pomocą blach węzłowych ze stali nierdzewnej i śrub klasy M12-8.8.

Kolejne polskie kompozytowe kładki dla pieszych, tym razem o konstrukcji warstwowej (ang. sandwich), powstały dopiero w latach 2015-2016 w ramach budowy Wschodniego Szlaku Rowerowego Green Velo w województwie warmińsko-mazurskim. Cztery zbudowane kładki to konstrukcje płytowe wykonane przez holenderską firmę FiberCore [3]. Pierwsza kładka, która powstała w gminie Lelkowo, to obiekt o rozpiętości 7,0 m i szerokości całkowitej 6,0 m, w tym 5-metrowa jezdnia (fot. 2a). Po obiekcie jest dopuszczony przejazd maszyn rolniczych, dlatego konstrukcja kompozytowa ma nośność 30 ton. W gminie Kiwity podobna kładka powstała w ciągu trasy rowerowej, biegnącej po starym nasypie kolejowym. Kładka ma rozpiętość 10,0 m i szerokość 2,5 m (fot. 2b). Kolejna kładka powstała w gminie Gołdap nad rzeką Gołdapą. Przęsło kładki o wymiarach 16,0 x 4,3 m zostało podwieszone do łuku stalowego (fot. 2c). Ostatnia, najdłuższa ze wszystkich, kładka w ciągu trasy Green Velo powstała w gminie Frombork nad rzeką Bauda. Łączna długość tego sześcioprzęsłowego obiektu mostowego wynosi 61,0 m.

Pierwszy w Polsce most drogowy, którego przęsło wykonano z kompozytów FRP i betonu, został zbudowany w 2015 r. w miejscowości Błażowa koło Rzeszowa [4]. Most jest obiektem jednoprzęsłowym, swobodnie podpartym, położonym w spadku podłużnym 1% (rys. 1a). Główne parametry geometryczne mostu są następujące: rozpiętość teoretyczna przęsła 21,0 m; długość całkowita 22,3 m; szerokość całkowita 10,5 m; szerokości użytkowe pomostu: jezdnia 7 m (2×3,5 m), opaski bezpieczeństwa 2×0,50 m, chodnik jednostronny 1,50 m, bariera z gzymsem 2×0,5 m. Most drogowy ma nośność 40 ton. Przęsło mostu jest zbudowane z dźwigarów kompozytowych, zespolonych z płytą pomostu z betonu lekkiego. W przęśle są cztery dźwigary skrzynkowe w rozstawie osiowym 2,6 m, wykonane z kompozytu hybrydowego GFRP/CFRP (ang. carbon fibre reinforced polymer), usztywnione wewnętrznymi przeponami kompozytowymi i stężone dwiema poprzecznicami żelbetowymi z betonu lekkiego, zbrojonego prętami kompozytowymi (rys. 1b).

Fot. 2. Kładki pieszo-rowerowe holenderskiego systemu InfraCore w ciągu trasy Green Velo w woj. warmińsko-mazurskim: a) gmina Lelkowo, b) gmina Kiwity, c) gmina Gołdap (http://mostykompozytowe.pl)

Płyta pomostu o grubości 0,18 m jest wykonana z betonu lekkiego, zbrojonego prętami kompozytowymi GFRP Płytę zespolono z dźwigarami kompozytowymi za pomocą stalowych łączników sworzniowych, osadzonych w kompozytowych pasach górnych dźwigarów. Podobne zespolenie kompozytu i betonu wykonano na środnikach dźwigarów w strefie podporowej w celu zapewnienia sztywności poprzecznej przęsła. Wyposażenie przęsła składa się z kap chodnikowych, konwencjonalnej nawierzchni i izolacji, elementów odwodnienia, urządzeń dylatacyjnych oraz barier mostowych.

Na płycie pomostu wykonano betonowe kapy chodnikowe grubości 0,2 m z betonu lekkiego, zbrojnego dwiema siatkami z prętów GFRP Kapy są ograniczone od strony jezdni krawężnikami polimerobetonowymi, natomiast od strony zewnętrznej deskami gzymsowymi z GFRP Podpory mostu wykonano w postaci żelbetowych przyczółków pełnościennych, posadowionych na palach wierconych, formowanych w gruncie.

Drugi polski most drogowy, którego przęsło wykonano tym razem w całości z kompozytów FRP został zbudowany w 2016 r. w Rzeszowie [5]. Most jest położony w ciągu drogi powiatowej i przekracza niewielki potok Czarna. Jest obiektem jednoprzęsłowym, swobodnie podpartym, położonym w spadku podłużnym 2,1% i jednostronnym spadku poprzecznym 3%. Główne parametry techniczne mostu są następujące (rys. 2a): rozpiętość teoretyczna przęsła – 10,0 m; długość całkowita pomostu – 10,7 m; całkowita szerokość mostu – 7,7 m; szerokości użytkowe: jezdnia – 5 m (2 x 2,5 m), opaska bezpieczeństwa – 2 x 0,5 m; chodnik – 0,75-1,1 m; balustrada z gzymsem – 2 x 0,25 m. Most ma nośność 30 ton. Przęsło mostu jest wykonane z czterech dźwigarów kompozytowych o przekroju skrzynkowym w rozstawie osiowym 1,9 m oraz zespolonej z dźwigarami kompozytowej, warstwowej płyty pomostu (rys. 2b). Kompozytowa płyta pomostu o grubości 0,13 m ma konstrukcję warstwową, składającą się z dwóch zewnętrznych laminatów okładzin oraz rdzenia z pianki PUR, usztywnionej laminatami żeber wewnętrznych. Wszystkie laminaty dźwigarów oraz płytę pomostu wykonano w całości z kompozytu GFRP na bazie żywicy epoksydowej. Podpory mostu wykonano w postaci żelbetowych przyczółków pełnościennych, posadowionych na mikropalach o średnicy 110 mm i długości 4,0 m.

Rys. 1. Most o konstrukcji hybrydowej kompozytowo-betonowej w Błażowej, k. Rzeszowa: a) schemat ogólny, b) przekrój poprzeczny przęsła

Do końca 2017 r. powstało w Polsce siedem obiektów mostowych, w których konstrukcja przęseł jest wykonana z kompozytów FRP W tej grupie pięć obiektów to kładki dla pieszych, dwa obiekty to mosty drogowe. W grupie kładek dla pieszych krajowe osiągnięcia nie są jeszcze zbyt spektakularne. Wszystkie zbudowane kładki są systemowymi rozwiązaniami dwóch europejskich potentatów w produkcji konstrukcyjnych elementów kompozytowych, tj. firm Fiberline z Danii i FiberCore z Holandii.

Ich konstrukcje zostały zaprojektowane i wytworzone w krajach producentów i przywiezione w całości do Polski na miejsce wbudowania. Ze względu na dość wysoką cenę ich liczba nie jest znacząca, ale należy się spodziewać dalszej promocji i związanej z tym ekspansji produktów obu firm na polskim rynku, jak to ma miejsce w całej Europie. Dwa mosty drogowe z kompozytów, hybrydowy i typu „all-composite” to konstrukcje polskie, powstałe w ramach prac konsorcjum naukowo-przemysłowego w składzie: Mostostal Warszawa SA, Politechnika Rzeszowska, Promost Consulting Sp. z o.o., Politechnika Warszawska, realizującego projekt badawczy R&D pod nazwą Com-Bridge (www.com-bridge.pl). Już dzisiaj w większości krajów europejskich i w USA o wyborze rodzaju konstrukcji decydują analizy ekonomiczne, środowiskowe i społeczne cyklu życia obiektu mostowego, spełniające główne postulaty zrównoważonego rozwoju.

W tych analizach kompozytowe obiekty mostowe mają zdecydowaną przewagę nad konstrukcjami wykonanymi z materiałów konwencjonalnych. Dlatego uzasadniony wydaje się dalszy rozwój w Polsce technologii budowy mostów kompozytowych. Możliwe kierunki tego rozwoju przedstawiono poniżej.

Rys. 2. Most kompozytowy w Rzeszowie: a) schemat ogólny, b) przekrój poprzeczny przęsła

Kierunki rozwoju – kompozytowe kładki dla pieszych

Pierwsza polska oryginalna konstrukcja kładki kompozytowej powstała w ramach projektu badawczego Fobridge, zrealizowanego w latach 2013-2015 przez konsorcjum w składzie: Politechnika Gdańska, Wojskowa Akademia Techniczna, Roma Sp. z o.o. Głównym celem projektu było opracowanie architektoniczno-materiałowo-konstrukcyjne systemu kompozytowych przęseł kładek dla pieszych o schemacie statycznym swobodnie podpartego dźwigara [6].

W projekcie Fobridge założono, że kładka pieszo-rowerowa ma szerokość użytkową 2,5 m oraz maksymalną rozpiętość 16 m. Przyjęta rozpiętość kładki wynika z szerokości skrajni drogowej jednojezdniowej (dwa pasy ruchu) drogi ruchu przyspieszonego, nad którą kładka ma przeprowadzić ruch pieszy i rowerowy oraz – przy odpowiednich dojazdach – pozwolić na przejazd pojazdu serwisowego lub karetki pogotowia ratunkowego. Twórcy kładki zakładają również wykorzystanie typowego przęsła nad innymi przeszkodami (drogi samochodowe, kolejowe, przeszkody wodne itp.) oraz sugerują zastosowanie takich obiektów jako przepraw tymczasowych na obszarach dotkniętych klęskami żywiołowymi. Konstrukcja kładki ma kształt typu U, a ściany boczne dźwigara, odchylone na zewnątrz 3° od pionu, są jednocześnie balustradami o wysokości ok. 1,3 m. Geometria konstrukcji nośnej w widoku z boku jest opisana na łuku kołowym (strzałka odwrotna 0,33 m), a maksymalny spadek podłużny nie przekracza 8%. Dużą zaletą konstrukcji typu U jest niewielka wysokość konstrukcyjna, wynosząca zaledwie kilkanaście centymetrów.

W ramach projektu Fobridge wykonano prototyp przęsła kładki o rozpiętości 14,0 m, szerokości użytkowej 2,6 m oraz wysokości użytkowej 1,3 m (fot. 3). Przęsło kładki jest ukształtowane w łuku pionowym o promieniu 97,4 m, a płyta pomostu ma grubość 0,11 m. Kładka Fobridge jest nowatorskim rozwiązaniem konstrukcyjnym, łatwym w wytworzeniu i montażu, jej podstawowymi atutami są trwałość ograniczająca do minimum koszty utrzymania i doskonałe parametry wytrzymałościowe i dynamiczne (bardzo ważne dla lekkich kładek). Konstrukcja jest także przyjazna dla środowiska, gdyż część materiału użytego do produkcji kładki pochodzi z recyklingu PET, a cały materiał kładki w 60% nadaje się do powtórnego recyklingu. Dzięki możliwości barwienia kompozytu kładka może także stanowić bardzo atrakcyjny obiekt miejski.

Rys. 3. Przekrój przęsła belkowo-płytowego kładki stanowiącej pieszo-rowerowe poszerzenie istniejącego mostu drogowego w Rzeszowie

Drugim układem konstrukcyjnym kompozytowych kładek dla pieszych, który w niedługim czasie ma szansę na upowszechnianie w Polsce, jest konstrukcja powstała w ramach projektu Com-Bridge. Są to przęsła belkowo-płytowe, w których belki kompozytowe mają kształt U z wewnętrznymi przeponami, a płyta pomostu ma konstrukcję warstwową, która jest zespolona z belkami za pomocą kleju. Alternatywę w tym rozwiązaniu stanowi także pomost z typowych kształtowników pultruzyjnych. Pierwszy obiekt tego typu powstanie niedługo w Rzeszowie i będzie stanowić pieszo-rowerowe poszerzenie istniejącego mostu drogowego (rys. 3). Zastosowanie tego typu rozwiązania pozwoliło na uzyskanie wymaganych rozpiętości poszczególnych przęseł kładki (23,5 + 25,0 + 25,0 + 23,5 m), które będą oparte na wspornikach stalowych mocowanych do istniejących podpór mostu. Ze względu na konieczność dostępu (w sytuacjach wyjątkowych) do sieci ciepłowniczych i wodociągowych, podwieszonych do istniejącej konstrukcji mostu, inwestor wymagał lekkiej i szybko demontowanej konstrukcji kładki. Warunki te doskonale będą spełniały przęsła kompozytowe.

Kierunki rozwoju – kompozytowe mosty i wiadukty drogowe

Głównym kierunkiem rozwoju kompozytowych mostów drogowych m.in. powstałych w ramach projektu Com-Bridge jest prefabrykacja. Prefabrykacja mostowa współcześnie wykorzystuje coraz częściej nowe, innowacyjne materiały i ich kombinacje w dotychczasowych lub zmodyfikowanych formach konstrukcyjnych. Wśród tych materiałów są m.in. betony lekkie o wysokiej wytrzymałości oraz betony ultrawysokowartościowe UHPC (ang. ultra high performance concrete). Prognozuje się także, że jednym z kierunków rozwoju prefabrykacji będzie zwiększenie udziału w ich produkcji materiałów pochodzących z recyklingu (kruszywa do betonu, dodatki do cementu), w tym zwłaszcza niewykorzystywanych dotąd w budownictwie spoiw polimerowych pochodzenia mineralnego, tzw. geopolimerów. Pojawiły się także pierwsze mostowe prefabrykaty hybrydowe, w których połączono beton zwykły lub lekki z kompozytem FRP wykorzystując specyficzne właściwości poszczególnych materiałów [7]. Wydaje się, że właśnie ten kierunek wykorzystania kompozytów w budowie mostów ma obecnie największe szanse na dalszy rozwój i kolejne wdrożenia. Dźwigar hybrydowy powstały w ramach projektu Com-Bridge może być bardzo dobrym prefabrykowanym elementem konstrukcyjnym dla wieloprzęsłowych obiektów mostowych. W ramach tego projektu opracowano system konstrukcyjny mostów składający się z dźwigarów prefabrykowanych z kompozytu FRP oraz płyty pomostu z betonu lekkiego, zbrojonej prętami kompozytowymi GFRP i wykonywanej na kompozytowym deskowaniu traconym [8]. Typowa belka kompozytowa została zaprojektowana przy założeniu ok. 2,5 m osiowego rozstawu poprzecznego w przekroju przęsła. Koncepcja obiektu mostowego zakłada, że typowy przekrój poprzeczny przęsła będzie miał cztery dźwigary, a kolejne przęsła będą połączone monolitycznymi węzłami uciągającymi, betonowanymi in-situ łącznie z płytą pomostu. Końce belek kompozytowych zostały specjalnie dostosowane w celu ukształtowania takich węzłów (rys. 4).

Rys. 4. Uciąglenie prefabrykowanych dźwigarów kompozytowych: a) schemat uciąglenia przęseł, b) przygotowanie belek do uciąglenia (fot. T. Siwowski)

Ze względu na niewielki ciężar prefabrykatu kompozytowego (ok. 3,5 tony) jego transport na budowę oraz montaż jest łatwy i nie wymaga specjalnego sprzętu dźwigowego oraz organizowania przejazdów ponadnormatywnych. Kolejną cechą systemu jest zastosowanie kompozytowego deskowania traconego płyty pomostu SIP (ang. stay-in-place formwork), układanego między belkami kompozytowymi i na nich opartego. Kompozyt SIP minimalizuje ciężar własny deskowania w pierwszej fazie pracy dźwigarów, zapewnia ich stabilizację w czasie betonowania płyty pomostu oraz skraca do minimum czas realizacji obiektu. Deskowanie z lekkich kompozytów pozwala na szybkie zaszalowanie całej powierzchni płyty, a zastosowanie połączeń klejonych między deskowaniem i dźwigarami zapewnia uzyskanie dobrej szczelności szalunku. Możliwe jest także uzyskanie częściowej współpracy deskowania kompozytowego z betonową płytą pomostu, co prowadzi do zmniejszenia ilości betonu i minimalizacji ciężaru własnego płyty.

Fot. 3. Prototyp kładki pieszo-rowerowej Fobridge o konstrukcji warstwowej (https://ctwt.pg.edu.pl)

Podsumowanie

Prognozy związane z rozwojem światowego rynku mostów z kompozytów FRP są umiarkowanie optymistyczne. Specjalistyczna agencja Market & Markets szacuje wzrost inwestycji na poziomie 72,5 mln USD w 2021 r., tj. o ok. 45% w ciągu pięciu lat (2016-2021). Prognozowany w tym okresie skumulowany roczny wskaźnik wzrostu (CAGR) wynosi 6,4%, przy czym wartość ta jest wyższa w przypadku mostów drogowych (6,7%) niż w przypadku kładek dla pieszych (5,4%). Praktycznie porównywalny rozwój jest prognozowany w Europie (7,1% rocznie) oraz w USA i Kanadzie (7,0%). Wśród krajów europejskich liderem pozostanie Wielka Brytania (wzrost 7,25% rocznie), lecz wg prognoz drugie miejsce pod względem inwestycji w mosty kompozytowe zajmie w tym okresie Rosja (6,7%). Analiza rynkowa przewiduje także większą dynamikę rozwoju mostów kompozytowych w pozostałych krajach, nieocenianych indywidualnie (tj. oprócz UK i Rosji, także Niemcy, Francja, Holandia i Dania). Skumulowany roczny wskaźnik wzrostu inwestycji jest tu szacowany w wysokości 6,4%, co daje racjonalne podstawy do optymistycznej oceny także polskiego rynku mostów kompozytowych. Przykładem, że jest to możliwe, są oprócz zbudowanych na Podkarpaciu w latach 2015-2016 dwóch kompozytowych mostów drogowych powstałe w podobnym okresie cztery (!) nowe kładki dla pieszych tylko w jednym województwie warmińsko-mazurskim. Spośród czynników warunkujących rozwój mostów kompozytowych wymienia się najczęściej: opracowanie powszechnie akceptowanych norm i standardów oraz procedur projektowych, udowodnienie trwałości środowiskowej i eksploatacyjnej mostów z kompozytów FRP oraz opracowanie zoptymalizowanych metod produkcji i budowy wraz z technologiami naprawy mostów kompozytowych. Niekiedy w grupie niezbędnych do rozwiązania zagadnień wymienia się także standardy kontroli jakości na każdym etapie cyklu życia mostu, poczynając od wytwarzania kompozytu przez budowę mostu, technologie utrzymaniowe aż po utylizację i/lub recykling materiału po rozbiórce mostu. Wymienione zagadnienia rodzą wiele problemów badawczych, które stoją przez jednostkami naukowymi, współpracującymi z przemysłem kompozytowym. Również kilkuletnie prace naukowo-badawcze prowadzone na Politechnice Rzeszowskiej pozwoliły na sformułowanie kierunków dalszych badań, które mogą się przyczynić do upowszechnienia stosowania tych innowacyjnych, bezpiecznych i trwałych konstrukcji w polskim mostownictwie [1].

dr hab. inż. Tomasz Siwowski, prof. PRz

Politechnika Rzeszowska                                  

Promost Consulting Rzeszów

Piśmiennictwo

1. T. Siwowski, Mosty z kompozytów FRP, Kształtowanie, projektowanie, badania, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2018.
2. H. Zobel, W. Karwowski, M. Wróbel, Kładka z kompozytu polimerowego zbrojonego włóknem szklanym, „Inżynieria i Budownictwo” nr 2/2003.
3. A. Madaj, Mosty kompozytowe. Nowoczesne rozwiązania konstrukcji przęseł mostów, „Mosty” nr 3/2015.
4. T. Siwowski, M. Rajchel, D. Kaleta, L. Własak, Pierwszy w Polsce most drogowy z kompozytów FRP, „Inżynieria i Budownictwo” nr 10/2016.
5. T. Siwowski, M. Kulpa, M. Rajchel, D. Kaleta, Nowy most drogowy z kompozytów FRP, „Mosty” nr 3-4/2017.
6. J. Chróścielewski, M. Klasztorny, K. Wilde, M. Miśkiewicz, R. Romanowski, Kompozytowa kładka pieszo-rowerowa o konstrukcji przekładkowej, „Materiały Budowlane” nr 7/2014.
7. T. Siwowski, Prefabrykacja mostowa: doświadczenia, stan obecny i perspektywy, Budownictwo prefabrykowane w Polsce – stan i perspektywy, Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2016.
8. T. Siwowski, M. Rajchel, D. Kalata, L. Własak, Koncepcja wieloprzęsłowego obiektu mostowego z prefabrykowanych dźwigarów kompozytowych, Duże mosty wieloprzęsłowe. Projektowanie, technologie budowy, monitoring, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2016.