W konstrukcjach z betonu sprężonego rozkład sił i naprężeń na długości elementu zmienia się w sposób bardziej złożony niż np. w konstrukcjach żelbetowych, dlatego trwają prace nad stworzeniem metody, która umożliwi uzyskanie dokładnych rozkładów badanych parametrów.
Konstrukcje sprężone są stosowane w naszym kraju od ponad 70 lat. Na początku lat 50. XX w. rozpoczęto produkcję pierwszych elementów strunobetonowych, a za pierwszą w Polsce konstrukcję kablobetonową uznaje się most w Starym Młynie k. Końskich z 1953 r. [1, 2]. Od tamtego czasu technologia ta stała się powszechna i obecnie jest wykorzystywana do wykonywania różnego rodzaju elementów budowlanych (np. stropów, dźwigarów dachowych, podkładów kolejowych, belek mostowych). Za sprawą dynamicznie rozwijającej się infrastruktury obserwujemy w naszym kraju prawdziwy rozkwit konstrukcji obiektów mostowych z betonu sprężonego zarówno strunobetonowych, jak i kablobetonowych.
Fot. © kokliang1981 – stock.adobe.com
Ze statystyk Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad wynika, że mosty sprężone stanowią dziś już prawie połowę wszystkich przepraw na sieci dróg zarządzanej przez nią, podczas gdy jeszcze w 2002 r. ich udział stanowił mniej niż 20% [3]. Dalszy wzrost liczby mostów sprężonych w najbliższych latach będzie rezultatem postępującej rozbudowy sieci dróg krajowych oraz budowy nowych linii kolejowych. Należy podkreślić, że odpowiednio zaprojektowane i zbudowane obiekty z betonu sprężonego należą do konstrukcji najbardziej trwałych i wymagających najmniejszych nakładów na utrzymanie w okresie eksploatacji [4]. Jednakże na etapie wykonania w konstrukcje te wprowadzane są siły sprężające o bardzo dużych wartościach, wskutek czego są one niestety niezmiernie wrażliwe na wszelkie błędy projektowe oraz wykonawcze. W przypadku ich wystąpienia konstrukcje najczęściej ulegają uszkodzeniom, które skracają okres ich prawidłowego funkcjonowania, lub awariom wymagającym bardzo kosztownych napraw. W skrajnych przypadkach może również dojść do katastrofy tego typu obiektów, czego przykłady znane są zarówno w Polsce, jak i za granicą [4-6]. Głównymi zagrożeniami dla konstrukcji sprężonych są uszkodzenia cięgien sprężających wywołane korozją i przyspieszonym przez nią zmęczeniem stali kabli, a najczęstszą przyczyną problemów jest niedostateczna ochrona stali sprężającej przed korozją spowodowana np. błędami wykonawczymi w postaci pustek w kanałach kablowych [4].
>>> Sprężone konstrukcje stropowe – charakterystyka, zastosowanie, podstawy projektowe
>>> Konstrukcje żelbetowe. Różnice między żelbetem a konstrukcjami sprężonymi struno- i kablobetonowymi
>>> Awaria i wzmocnienie sprężonej konstrukcji nośnej estakady
Identyfikacja uszkodzeń w konstrukcjach sprężonych obecnie stosowanymi metodami jest trudna i pracochłonna ze względu na zlokalizowanie cięgien sprężających najczęściej wewnątrz przekroju betonowego [7]. W Polsce i na świecie trwają prace nad opracowaniem efektywnej metody diagnostyki tych konstrukcji. Jedną z obiecujących jest technologia geometrycznie ciągłych pomiarów światłowodowych DFOS (ang. distributed fiber optic sensing) [9–13].
W artykule przedstawiono wybrane wyniki projektu badawczego pt. „System monitorowania i diagnostyki konstrukcji sprężonych za pomocą wbudowanych czujników światłowodowych (DFOS)”, zrealizowanego w latach 2022–2023 na Politechnice Rzeszowskiej [14, 15]. Na bazie tych wyników zaprezentowano potencjał technologii do diagnostyki uszkodzeń konstrukcji z betonu sprężonego.
W dalszej części artykułu:
Pomiary DFOS w konstrukcjach sprężonych
Wykorzystanie DFOS w programie badawczym
Wybrane wyniki badań
Cały artykuł dostępny jest w numerze 3/2024 miesięcznika „Inżynier Budownictwa”
Badania opisane w artykule zostały zrealizowane w ramach projektu pt. „System monitorowania i diagnostyki konstrukcji sprężonych za pomocą wbudowanych czujników światłowodowych (DFOS)”, sfinansowanego przez Podkarpackie Centrum Innowacji (projekt nr N3_056).
dr inż. Bartosz Piątek
Katedra Dróg i Mostów, Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury, Politechnika Rzeszowska
Literatura
1. J. Biliszczuk, Mosty w dziejach Polski, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2017.
2. T. Kluz, Z. Ciok, J. Zieliński, Pierwsze konstrukcje z betonu sprężonego w budownictwie mostowym w Polsce, „Inżynieria i Budownictwo” nr 2/1955, s. 62–72.
3. Portal informacyjny Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad, Stan obiektów mostowych na drogach krajowych zarządzanych przez GDDKiA, https://www.gov.pl/web/gddkia/stan-obiektow-mostowych-na-drogach-krajowych-zarzadzanych-przez-gddkia (dostęp: 10.01.2024 r.).
4. A. Jarominiak, Zagrożenia cięgien sprężających w mostach kablobetonowych, „Inżynieria i Budownictwo” nr 10/2019.
5. NCHRP 14-28, Condition Assessment of Bridge Post-Tensioning and Stay Cable Systems Using NDE Methods, Final Report, 2016, https://onlinepubs.trb.org/onlinepubs/nchrp/docs/NCHRP14-28_FR.pdf.
6. K. Żółtowski, M. Binczyk, Most Cłowy w Szczecinie – awaria, która przesądziła o przyszłości konstrukcji sprężonej [w:] Awarie Budowlane XXVI: Zapobieganie. Diagnostyka. Naprawy. Rekonstrukcje, Szczecin 2017.
7. A. Jarominiak, Nieniszczące metody kontroli stanu kabli mostów kablobetonowych i podwieszonych, „Drogownictwo” nr 12/2019.
8. R. Sieńko, Ł. Bednarski, Systemy monitorowania konstrukcji żelbetowych i sprężonych, XXXIII Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Gliwice 2018.
9. T. Howiacki, Światłowody w monitorowaniu konstrukcji inżynierskich, „Technical Issues” 3/2016, s. 36-42.
10. R. Sieńko, Ł. Bednarski, T. Howiacki, J. Koryciński, Pomiary deformacji mostu podwieszonego z wykorzystaniem światłowodowych czujników geometrycznie ciągłych DFOS, Seminarium Wrocławskie Dni Mostowe WDM2018, Wrocław 2018.
11. R. Sieńko, Ł. Bednarski, T. Howiacki, M. Gotowski, P. Pietraszak, D. Wiluś, Most Uniwersytecki w Bydgoszczy: światłowodowe pomiary odkształceń DFOS stalowych zakotwień w trakcie ich naprawy [w:] Awarie Budowlane XXX: Zapobieganie. Diagnostyka. Naprawy. Rekonstrukcje, Wydawnictwo Uczelniane ZUT, Szczecin 2022.
12. Ł. Bednarski, R. Sieńko, T. Howiacki, K. Zuziak, The smart nervous system for cracked concrete structures: theory, design, research, and field proof of monolithic DFOS-based sensors, „Sensors”, 2022 r., 22(22), 8713, https://doi.org/10.3390/s22228713.
13. G. Rodríguez, J.R. Casas, S. Villalba, Cracking assessment in concrete structures by distributed optical fiber, Smart Mater. Struct. 2015, 24, 035005, https://doi.org/10.1088/0964-1726/24/3/035005.
14. B. Piątek, T. Howiacki, M. Kulpa, T. Siwowski, R. Sieńko, Ł. Bednarski, Strain, crack, stress and shape diagnostics of new and existing postensioned structures through distributed fibre optic sensors, Measurement, 221, 113480, 2023, https://doi.org/10.1016/j.measurement.2023.113480.
15. B. Piątek, Monitoring światłowodowy DFOS w konstrukcjach kablobetonowych, „Drogownictwo” nr 5–6–7/2023.
