Poszerzanie mostów – cz. I

W ostatnich latach zaobserwować można ogromny wzrost natężenia ruchu drogowego w wielu krajach świata, także w Polsce. Jest to efektem rozwoju gospodarczego i społecznego tych krajów. Wyniki przeprowadzanych co pięć lat na zlecenie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad (GDDKiA) generalnych pomiarów ruchu (GPR) wskazują, że tylko na naszych drogach krajowych w pięcioleciu 2005-2010 zanotowano wzrost ruchu o 22% w stosunku do poprzedniego pięciolecia, natomiast w pięcioleciu 2010-2015 wzrost ten był wprawdzie mniejszy, ale i tak osiągnął 14% w stosunku do lat 2005-2010. Ten spadek dynamiki wzrostu wynikał także ze zwiększenia długości sieci dróg krajowych w latach 2010-2015. Dane o wzroście ruchu, obejmujące okres piętnastolecia 2000-2015, przedstawiono graficznie na rysunku. Zwraca uwagę szczególnie duży wzrost ruchu drogowego taboru ciężkiego. W porównaniu z bazowym rokiem 2000 ruch ten uległ w roku 2015 zwiększeniu nieco o ponad 150%.

Wzrost ruchu obserwowany jest także na sieci dróg lokalnych oraz – w sposób szczególnie wyraźny – w wielu miastach. Najbardziej spektakularnym i najnowszym przykładem poszerzenia dużego obiektu zlokalizowanego w mieście jest most im. gen. Stefana Grota-Roweckiego w Warszawie, co było już przedmiotem publikacji [2], [3], [4], [5].

Rys. Wyrażona w procentach dynamika wzrostu ruchu na pozamiejskich drogach krajowych w Polsce w latach 2000-2015 [1]

Wzrost ruchu jest podstawową przyczyną zarówno potrzeby rozbudowywania sieci drogowej o nowe jej odcinki, jak i modernizacji pewnych istniejących już fragmentów przez poszerzanie dróg lub dobudowywanie nowych nitek drogowych równolegle do eksploatowanych (rozbudowę dróg o jezdniach dwukierunkowych w drogi dwujezdniowe). Takie działania wymagają także odpowiedniego poszerzenia obiektów mostowych usytuowanych w ciągu modernizowanych dróg, tak aby nie stanowiły one tzw. wąskich gardeł ciągu drogowego.

Generalnie liczba obiektów w Polsce wymagających modernizacji oceniana jest na ok. 20% ogólnej ich liczby, co świadczy o dużym zakresie potrzeb. W innych nawet bardziej rozwiniętych gospodarczo krajach procent ten jest większy, np. w USA wynosi ok. 40%.

Przedstawione dalej przykłady wskazują, że potrzeba poszerzenia mostu może dotyczyć tych eksploatowanych od wielu już lat, w tym obiektów mających cechy zabytków, co wymaga specjalnych rozwiązań materiałowych, konstrukcyjnych i technologicznych, oraz zbudowanych stosunkowo niedawno – znane są przypadki pilnej potrzeby poszerzenia obiektów użytkowanych dopiero od ok. 10 lat.

Poszerzanie mostów należy do bardzo trudnych i wysoce nierutynowych działań technicznych, które muszą być poprzedzone wnikliwymi analizami ekonomicznymi, obliczeniowymi i badaniami stanu poszerzanej konstrukcji, a także analizami estetycznymi proponowanych rozwiązań. Tematyce tej jednak nie poświęcano dotychczas większych opracowań w postaci monografii lub podręczników. Publikacja [6] ma dziś już tylko historyczne znaczenie, a w innych pozycjach książkowych są tylko stosunkowo krótkie rozdziały o poszerzaniu mostów (np. [7]). Ten niedostatek całościowych ujęć poszerzania mostów dotyczy zarówno krajowego, jak i światowego rynku wydawniczego. Próbę uzupełnienia tego braku podjęli ostatnio autorzy tego artykułu. Ich obszerna monografia „Poszerzanie mostów” ukazała się nakładem wydawnictwa PWN, przy wsparciu finansowym m.in. Polskiej Izby Inżynierów Budownictwa.

W niniejszej publikacji zwrócimy tylko w syntetyczny sposób uwagę na podstawowe zagadnienia dotyczące poszerzania mostów – bardziej szczegółowe ich ujęcie znaleźć może czytelnik w wymienionej monografii.

Tabl. 1 Podstawowe warianty poszerzania obiektów mostowych

Podstawowe zagadnienia techniczne i ekonomiczne

Poszerzanie obiektów mostowych jako proces techniczny może być realizowane w kilku podstawowych wariantach, które przedstawiono i krótko opisano w tabl. 1. Ponadto warto jest wprowadzić odróżnienie względnie niewielkiego poszerzenia obiektu od stosunkowo dużego. Pierwsze dotyczy sytuacji, gdy liczba pasów ruchu na jezdni nie ulega zmianie w porównaniu ze stanem pierwotnym i są one poszerzane głównie przez zwężenie chodników lub przeniesienie ruchu pieszego (i ewentualnie rowerowego) na nowo wybudowane wsporniki zewnętrzne. Drugie dotyczy sytuacji, w której liczba pasów ruchu na jezdni ulega zwiększeniu w porównaniu ze stanem pierwotnym. Obie wymienione sytuacje zostaną zilustrowane przykładami realizacji.

Podjęcie decyzji o poszerzeniu danego obiektu musi być oparte na sformułowaniu odpowiedzi na pytania, zestawione w tabl. 2.

Odpowiedzi na te pytania wymagają danych z zakresu planowania przestrzennego i komunikacyjnego oraz analiz ekonomicznych i technicznych, opartych także na badaniach obiektu. W najbardziej syntetycznym ujęciu z odpowiedzi tych ma wynikać wniosek, czy bardziej uzasadnione jest poszerzanie istniejącego obiektu z ewentualnym wzmocnieniem elementów jego konstrukcji czy też rozbiórka istniejącego obiektu i wykonanie nowego, spełniającego wszystkie bieżące lub przyszłe warunki eksploatacji i wymagania dotyczące trwałości w całym okresie jego przewidywanego użytkowania.

Z tablic 1 i 2 wynika, że poszerzenie obiektu może dotyczyć tylko modernizacji funkcjonalnej, polegającej na zmianie parametrów geometrycznych obiektu (poszerzenie jezdni, chodników, zwiększenie skrajni pod obiektem, poprawa wzdłużnych i poprzecznych pochyleń pomostu) albo też modernizacji tej towarzyszyć może modernizacja strukturalna, polegająca na zwiększeniu nośności obiektu w porównaniu z przewidywanym w projekcie.

Zwykle występuje potrzeba obu wymienionych rodzajów modernizacji. W celu uściślenia trzeba dodać, że przywracanie poszerzanemu obiektowi nośności projektowej nie jest jego modernizacją strukturalną, mimo że zastosowane metody wzmocnienia konstrukcji mogą być w obu przypadkach identyczne.

W nawiązaniu do tabl. 2 warto zwrócić uwagę, że wszelkie współcześnie ujmowane analizy techniczne, ekonomiczne i społeczne powinny być przeprowadzane z uwzględnieniem całego przewidywanego okresu eksploatacji zmodernizowanego obiektu (popularnie: od kołyski po grób) wraz z kosztami jego rozbiórki i korzyściami z recyklingu materiałów rozbiórkowych. Procedury takie są zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju, bardzo dzisiaj lansowanymi.

Obecnie rozwijane są i w większości oprogramowane komputerowo następujące rodzaje analiz: ekonomiczna ocena cyklu życia – LCCA (ang. Life Cycle Cost Analysis), środowiskowa ocena cyklu życia – LAC (ang. Life Assesment Cycle), społeczna analiza cyklu życia – LCSA (ang. Life Cycle Social Analysis) oraz będąca syntezą wymienionych zintegrowana analiza cyklu życia, pozwalająca na holistyczną (całościową) ocenę aspektów kosztowych, środowiskowych i społecznych całego cyklu życia obiektu mostowego z uwzględnieniem wspomnianej już strategii zrównoważonego rozwoju. Nie miejsce tu na opisywanie tych metod. Wspomnimy tylko, że czynnik czasu oraz koszty społeczne są w nich traktowane jako kategoria ekonomiczna. Nie znalazły jeszcze one powszechnego zastosowania w polskiej praktyce
mostowej, ale na świecie są w coraz szerszym użyciu. Ich propagatorem w Polsce jest prof. Tomasz Siwowski. Jedną z jego licznych publikacji na ten temat jest pozycja [9].

W przeważającej większości przypadków poszerzanie mostów drogowych – a takie właśnie są przede wszystkim poszerzane – polega na monolitycznym połączeniu starej części pomostu z nową. Wtedy występuje pełna współpraca obu części w kierunkach wzdłużnym i poprzecznym. Bywają jednak, choć znacznie rzadziej i tylko w odniesieniu do obiektów z betonu, stosowane rozwiązania polegające na połączeniu starej części konstrukcji z nową za pomocą wiotkiej płyty. Wtedy można przyjąć, że obie części przenoszą obciążenia od taboru niezależnie od siebie. Ta wiotka płyta eliminuje wzdłużną przerwę dylatacyjną na długości całego obiektu, co ze względu na komfort
i bezpieczeństwo ruchu oraz trwałość i utrzymanie konstrukcji jest pożądane. Dalej przedstawimy zagadnienie poszerzenia monolitycznego starej i nowej części konstrukcji.

Zagadnienia obliczeniowe

Poszerzanie istniejących obiektów mostowych, zwłaszcza te zaliczone do poszerzeń stosunkowo dużych, musi być poprzedzone bardzo wnikliwą analizą obliczeniową, która ma swoją specyfikę. Wynika ona z następujących najważniejszych czynników:

a) monolityczne poszerzenie pomostu zawsze prowadzi do wzrostu obciążenia starej części konstrukcji, co wynika z większej niż poprzednio liczby pasów ruchu oraz zwiększonych mimośrodów jego działania przy niesymetrycznym obciążeniu pomostu – inaczej i bardziej ogólnie: poszerzenie przęseł zawsze powadzi do redystrybucji sił wewnętrznych w konstrukcji obiektu mostowego;

b) w związku z czynnikiem a) stara część konstrukcji może wymagać (i tak na ogół jest) wzmocnienia, nawet gdy jej stan techniczny jest dobry;

c) wzmocnienie konstrukcji jest niemal zawsze wymagane, gdy klasa nośności poszerzonego obiektu ma być podwyższona w stosunku do nośności, na którą zaprojektowano starą część obiektu;

d) projektant musi dokładnie znać stan techniczny obiektu, aby określić, czy i jaki powinien być zakres wzmocnienia – czy powinien obejmować on tylko konstrukcję nośną czy też podpory, a nawet i fundamenty mostu;

e) szczególnie ważne jest przyjęcie adekwatnego modelu obliczeniowego, co dotyczy nie tylko klasy modelu (np. e1, p2; e2, p3 etc.), ale także właściwego przyjęcia charakterystyk materiałowych – ponadto w przypadku konstrukcji z betonu konieczne jest uwzględnienie efektów reologicznych (skurczu i pełzania betonu), wynikających z wyraźnej różnicy wieku starej i nowej części konstrukcji;

f) przyjęcie modelu obliczeniowego, możliwie ściśle odwzorowującego rzeczywistą konstrukcję, ma również ważne znaczenie, dlatego że gdy istniejąca od dawna eksploatowana konstrukcja jest w dobrym stanie technicznych, to rezerwy jej nośności mogą tkwić w uproszczonych modelach obliczeniowych, stosowanych w okresie jej projektowania (tj. w erze przedkomputerowej) – analiza może wtedy wykazać, że mimo wzrostu obciążenia spowodowanego poszerzeniem obiektu stara jego część nie wymaga żadnego wzmocnienia;

g) w wielu przypadkach, zwłaszcza w odniesieniu do poszerzania przęseł stalowych, konieczna jest oprócz analizy statycznej także analiza dynamiczna, szczególnie ze względu na efekty zmęczeniowe w połączeniach, drgania wydłużonych wsporników i zmianę charakterystyk dynamicznych poszerzonej konstrukcji.

Projektant poszerzenia mostu musi mieć bardzo dobre rozeznanie co do stanu technicznego obiektu i skali wzrostu obciążenia po jego modernizacji, tak aby wybrać odpowiedni wariant spośród wymienionych w tabl. 1. Ogólnie rzecz biorąc, potrzeba wzmacniania podpór i fundamentów występuje rzadziej niż potrzeba wzmacniania elementów konstrukcji przęseł. Należy jednak każdorazowo zakres wzmocnienia szczegółowo zanalizować.

Wszystkie podane tu informacje wskazują na wyjątkowo duże znaczenie diagnostyki stanu technicznego konstrukcji podlegającej poszerzeniu.

Diagnostyka ta dotyczyć powinna zarówno cech materiałów istniejącego obiektu, jak i nośności elementów jego konstrukcji – przęseł, podpór i fundamentów. Odpowiednie procedury badawcze i opis stosowanych metod diagnostycznych znaleźć można w obszernej monografii [10].

Uwaga: Zagadnienia estetyczne będą omówione w cz. II artykułu.

prof. dr hab. inż. Wojciech Radomski

Politechnika Warszawska i Politechnika Łódzka

dr inż. Andrzej Kasprzak

Mosty Gdańsk Sp. z o.o.

Piśmiennictwo

1. Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad, Synteza wyników GPR 2015 na zamiejskiej sieci dróg krajowych, Warszawa, marzec 2016.
2. A. Kasprzak, A. Berger, A. Nadolny, Poszerzenie i wzmocnienie mostu gen. Stefana Grota-Roweckiego w Warszawie, X Jubileuszowe Seminarium Naukowo-Techniczne Wrocławskie Dni Mostowe – Współczesne Technologie Budowy Mostów, Wrocław 2014.
3. A. Kasprzak, M. Gałecki, A. Berger, A. Nadolny, Przebudowa mostu Grota-Roweckiego w Warszawie, „Materiały Budowlane” nr 7/2015.
4. M. Gałecki, A. Kasprzak, A. Berger, A. Nadolny, Aspekty wykonawcze przebudowy mostu gen, Grota-Roweckiego w Warszawie, Archiwum Instytutu Inżynierii Lądowej Politechniki Poznańskiej, 19, 2015.
5. A. Kasprzak, A. Berger, A. Nadolny, Sprężenie zewnętrzne mostów stalowych, „Inżynier Budownictwa” nr 9/2015.
6. J. Bartoszewski, Wzmacnianie i poszerzanie mostów, WKŁ, Warszawa 1962.
7. M. Rybak, Przebudowa i wzmacnianie mostów, WKŁ, Warszawa 1983.
8. W. Radomski, A. Kasprzak, Poszerzanie mostów, PWN, Warszawa 2017.
9. T. Siwowski, Algorytm wyboru technologii naprawy mostu według zasad zrównoważonego rozwoju, „Materiały Budowlane” nr 9/2013.
10. J. Bień, Uszkodzenia i diagnostyka obiektów mostowych, WKŁ, Warszawa 2010.