Remonty i renowacje przepustów drogowych – cz. II

Fot. 1. Przykład wzmocnienia i renowacji przepustu drogowego z wykorzystaniem chemii budowla nej w postaci zapraw i wypraw niskoskurczowych (fot. autora)

Technologie i metody wzmacniania konstrukcji przepustów – cd.

Wzmacnianie przepustów za pomocą nowoczesnej chemii budowlanej

W przypadku obiektów o niewielkich uszkodzeniach strukturalnych lub obiektów zabytkowych i historycznych, gdzie nie możemy ingerować w dużym stopniu w ich architekturę, przy wzmacnianiu i renowacji należy stosować metody tradycyjne. Polegają one głównie na stosowaniu szeroko rozumianej chemii budowlanej w postaci zapraw, wypraw i materiałów iniekcyjnych. Wzmacnianie tych konstrukcji polega na strukturalnym wypełnianiu istniejących ubytków, rys i pęknięć, oraz późniejszym zabezpieczeniu antykorozyjnym.

W zależności od przeznaczenia wyróżniamy następujące rodzaje materiałów naprawczych z zakresu chemii budowlanej:

• do napraw niekonstrukcyjnych, których celem jest przywrócenie geometrii powierzchni lub estetycznego wyglądu obiektu;
• do napraw konstrukcyjnych, służące do uzupełniania ubytków konstrukcji, przywracania integralności i trwałości przepustu;
• zapewniające odpowiednią przyczepność między materiałem naprawczym a materiałem remontowanego obiektu;
• do iniekcji rys i pęknięć, mające na celu przywrócenie ciągłości elementu w uszkodzonym przekroju oraz zapewnienie trwałości konstrukcji;
• do ochrony powierzchniowej, stanowiące zabezpieczenie antykorozyjne i poprawiające trwałość przepustu.

Podstawowym problemem, który musi być rozwiązany przed przystąpieniem do naprawy przepustu, jest odpowiedni dobór materiału naprawczego a najczęściej całego systemu. Materiał ten musi zapewniać skuteczność naprawy oraz trwałość, tak aby poddany naprawie obiekt pracował bezpiecznie i posiadał wszelkie wymagane cechy użytkowe. Należy pamiętać, że po naprawie przepust będzie stanowił swoisty układ współpracujących za sobą materiału naprawianego obiektu i materiału naprawczego. Układ ten pracuje w warunkach oddziaływań zewnętrznych o charakterze mechanicznym (obciążenia użytkowe), termicznym oraz chemicznym (oddziaływanie czynników agresywnych). Aby taki układ pracował poprawnie, musi być spełnione wiele warunków dotyczących właściwości obydwu materiałów. Według wieloletnich doświadczeń autora zalecane jest tu stosowanie materiałów wchodzących w skład systemów naprawczych.

Na fot. 1 przedstawiono praktyczny przykład wzmocnienia i renowacji przepustu drogowego o konstrukcji sklepionej kamiennej z wykorzystaniem materiałów naprawczych w postaci zapraw i wypraw bezskurczowych bądź niskoskurczowych. Jak już wcześniej wspomniano, stosując omawianą metodę, należy bezwzględnie brać pod uwagę kompatybilność materiałów, tj. materiału istniejącej struktury konstrukcyjnej oraz materiału naprawczego. Kompatybilność oznacza w tym przypadku zgodność lub podobieństwo właściwości mechanicznych, fizycznych i chemicznych materiału naprawczego i naprawianego.

Czytaj też: Remonty i renowacje przepustów drogowych w infrastrukturze komunikacyjnej – cz. I

Do renowacji przepustów coraz częściej stosuje się taśmy z różnego rodzaju włókien FRP, najczęściej włókien węglowych CFRP Są one stosowane do wzmocnienia samej konstrukcji nośnej sklepienia bądź płyty konstrukcyjnej, ale także jako taśmy wzmacniające wklejane w spoiny przepustów ceglanych, po ich wcześniejszym, odpowiednim przygotowaniu. Takie rozwiązania są bardzo przydatne przy renowacji przepustów zabytkowych: pomimo zastosowanego zbrojenia nie narusza się wyglądu zewnętrznego elementów, gdyż przywraca się pierwotny wygląd spoin.

Znane są też rozwiązania wykonywania wzmacniających sklepień betonowych zbrojonych siatkami z włókien węglowych. Zalety takiego rozwiązania to głównie trwałość (brak korozji) i mała masa, a wada – brak przenoszenia ścinania przez materiały tego typu.

W przypadku uszkodzenia lub deformacji geometrycznej głównych elementów konstrukcyjnych przepustów (np. na skutek ich osiadania) możliwe jest zastosowanie zespolenia tych elementów z wykorzystaniem dodatkowego zbrojenia zewnętrznego wysokiej wytrzymałości. Umożliwia to uzyskanie bryły konstrukcyjnej o „zwartej” strukturze. Rozwiązanie polega tu na zastosowaniu zbrojenia wzmacniającego i zespalającego elementy konstrukcyjne w postaci kotew stalowych, np. z wykorzystaniem prętów żebrowanych o średnicy 16 mm i większej, w zależności od potrzeb wzmocnienia i ich koniecznej liczby. Przedmiotowe zbrojenie dodatkowe wklejane jest wtedy prostopadle do osi stwierdzonych rys i spękań.

Rys. 1. Przykład wzmocnienia przepustu drogowego z wykorzystaniem dodatkowego zbrojenia wzmacniającego (wg projektu autora)

Na rys. 1 przedstawiono przykład zastosowania tego typu wzmocnienia na podstawie projektu autora artykułu. Układ zbrojenia w konstrukcji musi umożliwiać jego dokładne otoczenie przez masę wypełniającą. Kotwy należy umieścić w uprzednio wykonanych bruzdach i zespolić z konstrukcją ściany bezskurczową zaprawą z dodatkiem materiałów syntetycznych (np. na bazie żywic epoksydowych). Po wykonaniu prac naprawczych, w celu zachowania odpowiedniej trwałości wykonanej naprawy, powierzchnię zewnętrzną trzeba wyprawić materiałami bezskurczowymi oraz zabezpieczyć powłokami antykorozyjnymi.

Wzmacnianie przepustów z wykorzystaniem geotekstyliów

W sytuacji gdy wymagane jest zwiększenie nośności przepustu o konstrukcji podatnej przy niewielkim naziomie, jak również przepustów usytuowanych w ciągu dróg, które podlegają przebudowie lub remontom (gdzie poszczególne warstwy nawierzchni ulegają rozbiórce), warto rozważyć możliwość zastosowania dodatkowych warstw wzmacniających w postaci nowoczesnych materiałów geotekstylnych wbudowanych w warstwie zasypki gruntowej.

W tym przypadku materiały geotekstylne znacznie poprawiają stateczność i wytrzymałość wzmacnianego przepustu. Warstwa wzmacniająca z materiału geotekstylnego stanowi bowiem dodatkowe „zbrojenie” konstrukcji nasypu wykonanego nad konstrukcją rury osłonowej i znacznie poprawia rozkład oddziaływań zarówno komunikacyjnych, jak i od obciążeń stałych. Wpływ ten, i to znaczny, potwierdziły wyniki wykonanych przez autora badań laboratoryjnych w skali naturalnej pod obciążeniami statycznym, dynamicznym, a także cyklicznymi (zmęczeniowymi).

Polecamy też: Przeciwdziałanie erozji wodnej w obiektach inżynierskich

Na rys. 2 przedstawiono zastosowanie warstwy wzmacniającej w postaci geowłókniny zbrojącej grunt i rozkładającej obciążenia eksploatacyjne.

Rys. 2. Przykład zastosowania warstwy wzmacniającej w postaci geowłókniny przy małym naziomie – zbrojącą grunt i rozkładającą obciążenia [5

W celu zapewnienia odpowiedniej trwałości eksploatacyjnej konstrukcji przepustu możliwe jest zastosowanie równolegle z materiałem geosyntetycznym dodatkowej membrany wykonanej z tworzyw sztucznych, stanowiącej warstwę ochronną przeciw skutkom oddziaływania wód opadowych na materiał, z którego wykonano konstrukcję przepustu.

Przykład wykonania warstwy wzmacniającej w postaci geowłókniny z dodatkową geomembraną ochronną znajduje się na fot. 2. Do najnowszych rozwiązań z dziedziny gruntów zbrojonych należy innowacyjna technologia materiałów kompozytowych w postaci geosiatek drenujących. Rozwiązanie to w postaci jednokierunkowych geosiatek zbudowanych z pasów podłużnych i taśm poprzecznych łączy właściwości zbrojące z funkcją drenażu geosyntetycznego. Przedmiotowa technologia może mieć szczególne zastosowanie w przypadku konstrukcji nasypów z gruntów o słabej przepuszczalności, np. gruntów spoistych [1].

Do indywidualnego ustalenia na etapie projektowania pozostaje liczba zastosowanych warstw zbrojenia, ich rozmieszczenie na wysokości naziomu, a także rodzaj zastosowanych geosyntetyków i ich gramatura.

Zdaniem autora w przypadku obiektów nowo budowanych oraz remontowanych, gdzie zachodzi konieczność rozbiórki części zasypki nad obiektem, proces zasypywania osłonowej konstrukcji podatnej ma bardzo istotne znaczenie dla bezpieczeństwa pracy obiektu. W tym przypadku zastosowanie wspomnianych warstw wzmacniających znacznie poprawi zarówno nośność obiektu, jak również jego późniejszą trwałość eksploatacyjną.

Fot. 2. Praktyczny przykład zastosowania warstwy wzmacniającej w postaci geowłókniny z dodatkową geomembraną ochronną nad konstrukcją podatną o małym naziomie, w trakcie jej wykonywania (fot. autora)

Czytaj też: Zintegrowane obiekty mostowe z prefabrykatów żelbetowych

Metody obliczeń dotyczące wzmacniania konstrukcji przepustów

Zasadniczym problemem przy projektowaniu konstrukcji zagłębionych w gruncie jest wyznaczenie wielkości oraz rozkładu obciążeń działających na ich powierzchnię zewnętrzną. Wielkość i rozkład naprężeń od obciążeń zewnętrznych, a przede wszystkim od ciężaru gruntu znajdującego się nad konstrukcją zależy od sztywności konstrukcji nośnej przepustu.
W przypadku obiektów wymagających wzmocnienia przy doborze metod obliczeniowych należy mieć na względzie fakt, że istniejąca konstrukcja przepustu powinna być traktowana jako element zasypki współpracującej z nową konstrukcją. Dlatego też przy obliczeniach konstrukcji wzmocnienia przepustów można – zdaniem autora należy – brać pod uwagę współpracę konstrukcji wzmacniającej z gruntem zasypki przepustu. Wiedzę tę upowszechnia autor od kilkunastu lat na podstawie wyników wielu przeprowadzonych przez siebie badań w skali naturalnej, zarówno w laboratorium, jak i na zrealizowanych przepustach drogowych i kolejowych (np. w trakcie ich próbnych obciążeń). Potwierdzają to również doświadczenia zawarte w wypowiedzi prof. P. Noakowskiego [3] na temat znaczenia niedocenianego zjawiska interakcji konstrukcji nośnych z gruntem w przypadku budowli podziemnych dla przyrostu bezpieczeństwa i ekonomii tych budowli. Polega to na ustalaniu właściwego odporu gruntu przy uwzględnieniu spadku sztywności konstrukcji, traktując takie budowle jako „zespolone”.

Wśród metod obliczeniowych dotyczących omawianych konstrukcji dotychczas możemy wymienić takie jak [9], [10]:

• teoria ściskania pierścieniowego;
• metoda American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO);
• metoda Duncana i Drawskiego;
• metoda Ontario Highway Bridge Design Code (OHBDC);
• metoda Canadian Highway Bridge Design Code (CHBDC);
• metoda Vaslestada;
• metoda Klóppela-Glócka;
• analityczna metoda sprężysta;
• metoda Sundquista-Pettersona;
• metoda skandynawska – obliczanie przepustów podatnych;
• metoda elementów skończonych (MES).

Procedury obliczeniowe według wymienionych metod zostały opisane w wielu ogólnie dostępnych pozycjach literaturowych, do których autor odsyła czytelników. Trzeba mieć świadomość, że metody te powstały w różnym czasie i opierały się na dostępnej wówczas wiedzy. Są one sukcesywnie doskonalone i uwzględniają wiele istotnych parametrów. Według doświadczenia autora większość tych metod jest konserwatywna i uzyskiwane według nich wyniki posiadają „zapasy” w stosunku do przeprowadzonych badań obiektów rzeczywistych.

Przykładowy schemat teoretyczny modelu obliczeniowego dla konstrukcji podatnej według metody Klóppela i Glócka opartej na badaniach niszczących przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3. Strefy oddziaływania obciążenia na konstrukcję podatną według teorii Kloppela i Glocka [8]

Przy obliczaniu konstrukcji wzmacniających (np. w metodzie reliningu), w przeciwieństwie do obliczeń konstrukcji nowo budowanych, należy również brać pod uwagę – szczególnie przy zbieraniu obciążeń stałych – że istniejąca konstrukcja stanowi dodatkowe obciążenie w początkowej fazie eksploatacji przepustu komunikacyjnego.

W późniejszej fazie eksploatacji istniejący obiekt, współpracując z konstrukcją przez jej stopniową degradację, tworzy w efekcie quasi-homogeniczny ośrodek gruntowy współpracujący z konstrukcją podatną.

W tym przypadku istnieje pewna trudność w prawidłowym doborze metod obliczeniowych. Zasadniczym problemem napotkanym przy projektowaniu konstrukcji zagłębionych w tak „skomplikowanym” ośrodku jest wyznaczenie wielkości oraz rozkładu obciążeń działających na ich powierzchnię zewnętrzną. W dużej mierze trudności te wynikają z losowego i reologicznego charakteru czynników mających wpływ na pracę konstrukcji.

Używane obecnie metody obliczeniowe (głównie metody tradycyjne) różnią się od siebie, co może być przyczyną częstego przewymiarowania i utrudnia możliwość weryfikowania wyników.

Jak już wspomniano, przy projektowaniu omawianych konstrukcji należy pamiętać, że zasypka stanowi istotny element decydujący o bezpieczeństwie użytkowania i stanowi element konstrukcyjny obiektu, współpracując z rurą osłonową w przenoszeniu obciążeń [2], [4].

W opisywanym przypadku ze względu na skomplikowaną strukturę obliczeniową najefektywniejsze wydają się metody komputerowe z zastosowaniem metody elementów skończonych (MES) z właściwym uwzględnieniem parametrów pracy nowej i istniejącej konstrukcji. W opisywanym przypadku ze względu na skomplikowaną strukturę obliczeniową najefektywniejsze wydają się metody komputerowe z zastosowaniem metody elementów skończonych z właściwym uwzględnieniem parametrów pracy nowej i istniejącej konstrukcji. Jednakże prawidłowe zamodelowanie takiej konstrukcji w środowisku MES wymaga dużego doświadczenia od projektanta i stanowi klucz w uzyskaniu miarodajnych wyników obliczeń (rys. 4).

Istotą a zarazem zasadniczą różnicą metody elementów skończonych od stosowanych metod analitycznych projektowania konstrukcji jest to, że pozwala ona na zbudowanie bliższego rzeczywistości modelu obiektu (złożonej struktury konstrukcyjnej). Ma to zastosowanie szczególnie przy renowacji i wzmacnianiu eksploatowanych przepustów o różnorodnej konstrukcji. Dzięki temu zjawiska zachodzące w analizowanych ośrodkach zamodelowane są w sposób zbliżony do rzeczywistego rozkładu naprężeń.

Rys. 4 Praktyczny przykład zastosowania warstwy wzmacniającej w postaci geowłókniny z dodatkową geomembraną ochronną nad konstrukcją podatną o małym naziomie [6]

Podsumowanie

Artykuł ten dotyczy ważnych zagadnień związanych z koniecznością przebudowy i wzmacniania konstrukcji przepustów komunikacyjnych. Jak wspomniano na wstępie, ich rola w krajowej infrastrukturze komunikacyjnej jest niemniej ważna niż często spektakularnych konstrukcji mostowych.

Artykuł w syntetyczny sposób porusza kwestie związane zarówno z metodami wzmacniania omawianych obiektów, jak również stosowanych w tym przypadku zasad obliczeniowych i ze względu na jego ramy nie wyczerpuje tematu.

W celu odpowiedniego doboru technologii wzmocnienia zwrócono uwagę na rodzaje materiałów stosowanych przy renowacji przepustów oraz sposoby doboru konstrukcji wzmacniającej. Dobór metody powinien uwzględniać zarówno wymogi inżynierii trwałości, jak i zachowanie zasad zrównoważonego rozwoju. Niezwykle ważna jest konieczność zapewnienia ciągłości ruchu drogowego lub jego ograniczenie w minimalnym zakresie. Znacznie zmniejsza to ponoszone koszty społeczne przy tego typu inwestycjach.

Zdaniem autora odpowiedni dobór technologii wzmocnienia lub renowacji pozwala na uzyskanie zakładanej trwałości obiektu przy zminimalizowaniu nakładów materiałowych i ekonomicznych. Zastosowanie optymalnych, zrównoważonych rozwiązań inżynierskich do remontów i renowacji konstrukcji przepustów, w tym o charakterze zabytkowym, przynosi korzyść zarówno użytkownikom ciągów komunikacyjnych, jak i środowisku naturalnemu.

Uwaga: w literaturze w cz. I błędnie podano nazwisko autora pozycji [13] literatury, za co przepraszamy. Autorem tej pozycji jest A. Wysokowski.

dr hab. inż. Adam Wysokowski, prof. UZ

kierownik Zakładu Dróg i Mostów

Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska

Uniwersytet Zielonogórski

Literatura

1. J. Bryk, Nasypy z gruntów spoistych z zastosowaniem geosiatek drenujących, „Inżynier Budownictwa” nr 12/2018.
2. B. Kunecki, Zachowanie się ortotropowych powłok walcowych w ośrodku gruntowym pod statycznym i dynamicznym obciążeniem zewnętrznym, rozprawa doktorska, Wrocław 2006.
3. P. Noakowski, Głos Rady Recenzentów miesięcznika Builder, „Builder” nr 8(253)/ 2018.
4. Cz. Machelski, Modelowanie mostowych konstrukcji gruntowo-powłokowych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2008.
5. W. Rowińska, A. Wysokowski, A. Pryga, Zalecenia projektowe i technologiczne dla podatnych konstrukcji inżynierskich z blach falistych, GDDKiA-IBDiM, Żmigród 2004.
6. E. Rusiński, J. Czmochowski, T. Smolnicki, Zaawansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2000.
7. A. Wysokowski, Remonty i renowacje przepustów drogowych w infrastrukturze komunikacyjnej – cz. I, „Inżynier Budownictwa” nr 2/2019.
8. A. Wysokowski, J. Howis, Przepusty w infrastrukturze komunikacyjnej – cz. 15 Projektowanie przepustów według eurokodów, cz. III, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” listopad-grudzień 2013.
9. A. Wysokowski, J. Howis, Przepusty w infrastrukturze komunikacyjnej – cz. 9 Metody obliczeń konstrukcji przepustów, cz. III Nowe metody obliczeń, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” wrzesień-październik 2010.
10. A. Wysokowski, J. Howis, Przepusty w infrastrukturze komunikacyjnej – cz. 7 Metody obliczeń konstrukcji przepustów, cz. I Ogólne zasady obliczeń, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” marzec-kwiecień 2010.