Badania eksploatacyjne obiektów mostowych

Długotrwała eksploatacja oraz czynniki środowiskowe, wpływają na stan techniczny obiek-tów mostowych. Ponadto ryzyko uszkodzenia konstrukcji rośnie wraz z czasem jej użytkowania ze względu na efekty zmęczeniowe. Ocena aktualnej nośności konstrukcji wobec zaistniałych uszkodzeń lub czasowej degradacji, stanowi częste zagadnienie badawcze. Przykładami mogą być prace CHRÓŚCIELEWSKI, SZAFRAŃSKI, ŻÓŁTOWSKI [2004], SIWOWSKI, SOBALA, ŻÓŁTOWSKI

[2005], ŻÓŁTOWSKI, SZAFRAŃSKI [2009]. Autorzy prowadzili badania numeryczne w oparciu o szerokie studium dokumentacji technicznej oraz szczegółową inwentaryzację uszkodzeń kon-strukcji.

W wielu przypadkach modele teoretyczne są trudne do zdefiniowania z uwagi na brak do-kumentacji, trudności w określeniu rzeczywistych parametrów materiałowych oraz stopnia de-gradacji konstrukcji. W tej sytuacji, potrzebną wiedzę na temat aktualnego stanu konstrukcji do-starczają badania in-situ.

Ważną rolą badań in-situ jest weryfikacja założeń projektowych i poprawności wykonania konstrukcji po wybudowaniu nowego lub modernizacji istniejącego obiektu. Na przykładzie wy-branych obiektów drogowych i kolejowych, CHRÓŚCIELEWSKI I INNI [2005] oraz C HRÓŚCIELEW-SKI I INNI [2007] zaprezentowali wypracowane koncepcje obliczeniowe oraz sposoby modelowa-nia przęseł mostowych na potrzeby próbnych obciążeń. Wykazali dużą zgodność rezultatów uzy-skanych dla przestrzennych modeli MES z wynikami badań in-situ.

Wobec modernizacji istniejących szlaków kolejowych, częstym zadaniem jest określenie przydatności istniejących obiektów do nowych wymogów eksploatacyjnych (ŻÓŁTOWSKI I INNI

[2010]). W większości przypadków problem dotyczy zwiększenia obciążenia użytkowego lub

prędkości ruchu taboru. Oprócz kontroli wielkości statycznych, konieczne jest również określe-nie odpowiedzi dynamicznej konstrukcji pod ruchem. Służą temu badania eksploatacyjne (dyna-miczne) w warunkach rzeczywistego obciążenia użytkowego. Metodyka tych badań opiera się na określeniu odpowiedzi konstrukcji poddanej działaniu wymuszenia w postaci przejeżdżającego pojazdu. Wielkościami mierzonymi są najczęściej odkształcenia, przemieszczenia i przyspiesze-nia w wybranych punktach konstrukcji. Analiza i odpowiedprzyspiesze-nia obróbka uzyskanych sygnałów, pozwala na określenie żądanych parametrów dynamicznych przęsła. Ich porównanie z warto-ściami teoretycznymi, pozwala na ocenę poprawności pracy oraz bezpieczeństwa eksploatacyj-nego obiektu.

Dla obiektów o szczególnym znaczeniu komunikacyjnym, stawia się często wymogi stałej kontroli w postaci systemów monitoringu. Monitorowanie konstrukcji pozwala w dłuższym okresie czasu na ocenę poprawności jej pracy, detekcję i ocenę zaistniałych uszkodzeń, zmian parametrów dynamicznych, prognozowanie żywotności oraz ocenę wielkości oddziaływań ze-wnętrznych. Monitorowanie konstrukcji może odbywać się w sposób ciągły lub okresowy. Przy-kład pierwszego rozwiązania przedstawiono w pracach MALINOWSKI, RUTKOWSKI [2005] oraz HILDEBRAND, MALINOWSKI, ŻÓŁTOWSKI [2009]. Autorzy scharakteryzowali zainstalowane sys-temy pomiarowe, umożliwiające „ciągłe” badanie zachowania się konstrukcji mostu III Tysiącle-cia im Jana Pawła II w Gdańsku oraz mostu podwieszonego przez Wisłę w Płocku. W pracach BIEŃ I INNI [2004] oraz ZWOLSKI I INNI [2007] przedstawiono możliwości okresowego monitoro-wania cech dynamicznych konstrukcji przez zastosowanie przenośnych wzbudników drgań.

Podano przykłady badań prowadzonych na mostach drogowych i kolejowych oraz rezultaty iden-tyfikacji parametrów dynamicznych badanych obiektów (częstotliwości i postacie drgań). Zwró-cono uwagę na możliwość wykrywania uszkodzeń w konstrukcji poprzez śledzenie zmian jej parametrów dynamicznych.

Badania eksploatacyjne służą również weryfikacji i kalibracji modeli numerycznych. Za-awansowane narzędzia analizy MES pozwalają na technicznie wystarczające odwzorowanie kon-strukcji (ŻÓŁTOWSKI [2009]). Zasadniczą trudnością jest jednak poprawne określenie tłumienia.

Obecność elementów drugorzędnych, w szczególności nawierzchni kolejowej (masy niekonstrukcyjne), wpływa istotnie na parametry dynamiczne przęsła. Wiele prac poświęcono badaniom zachowania się konstrukcji w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych.

FRYBA I PIRNER [2001]zaprezentowali doświadczenia z zakresu monitorowania oraz badań statycznych i dynamicznych wybranych obiektów mostowych prowadzonych od 1968 r. w Cze-chach i na Słowacji. CALCADA, CUNHA I DELGADO [2002] analizowali interakcję dynamiczną pojazdu metra oraz drogowo-kolejowego mostu Luiza I w Porto (rys. 1.15).

Rys. 1.15. Most Luiza I nad rzeką Douro w Porto (Portugalia): a) widok ogólny, b) prętowy model MES (CALCADA, CUNHA I DELGADO [2002])

Badania prowadzili pod kątem bezpieczeństwa konstrukcji mostu oraz komfortu jazdy pa-sażerów. W analizach numerycznych przyjęli złożony model pojazdu, składający się z trzech połączonych ze sobą wagonów o dwustopniowym, liniowym zawieszeniu oraz przestrzenny, prę-towy model MES mostu. Parametry dynamiczne przęsła (częstotliwości drgań, postacie drgań) uzyskali na podstawie badań in-situ.

Podobne badania przeprowadzili MARQUES I INNI [2007] dla kolejowego, kratowego mostu Trezoi w Portugalii. W symulacjach numerycznych wykorzystali model obciążenia w postaci strumienia jednomasowych oscylatorów lepko-sprężystych. Rezultaty analiz teoretycznych po-równali z wynikami badań in-situ. SU I INNI [2007] analizowali dynamikę typowych mostów RC położonych na magistrali Shinkansen w Japonii. W analizach numerycznych przyjęli dyskretny model pojazdu (każdy z wagonów o 27 stopniach swobody) oraz model MES przęseł. Analizo-wali wpływ prędkości ruchu oraz nierówności toru kolejowego na przyspieszenia konstrukcji przęsła. Rezultaty analiz numerycznych zweryfikowali podczas badań in-situ. XIA I INNI [2003]

badali dynamikę mostu Antoing, położonego w ciągu linii dużych prędkości Bruksela – Paryż.

Badania prowadzili w dwóch etapach. W pierwszym etapie, na podstawie pomierzonych drgań środowiskowych, wyznaczyli parametry modalne konstrukcji (częstości i postacie drgań swo-bodnych). W drugim etapie badali odpowiedź konstrukcji na wymuszenie pociągiem dużych prędkości Thalys. Mierzyli odkształcenia, przemieszczenia oraz przyspieszenia konstrukcji dla prędkości przejazdu w zakresie 265 ÷ 310 km/h. W pracy XIA,ZHANG,DE ROECK [2003] porów-nano rezultaty powyższych badań z wynikami analiz teoretycznych. ERMOPOULOS I SPYRAKOS

[2006] przedstawili rezultaty analiz numerycznych MES oraz rezultaty badań in-situ stalowego przęsła kratowego z jazdą górą. Celem prowadzonych prac było określenie aktualnej nośności oraz sposobu wzmocnienia konstrukcji pod kątem zwiększenia obciążenia użytkowego. XIA, ZHANG I SUN [2005] prowadzili złożone badania eksploatacyjne betonowego, skrzynkowego mo-stu nad rzeką Gouhe. Obiekt położony jest w ciągu testowego odcinka szybkiej magistrali kole-jowej Qin – Shen w Chinach. Konstrukcję mostu stanowi 28 swobodnie podpartych, prefabry-kowanych przęseł sprężonych. Nawierzchnię wykonano z betonowych prefabrykatów z zamoco-wanymi szynami kolejowymi. Podczas badań mierzono pionowe i poziome przemieszczenia, przyspieszenia oraz odkształcenia przęseł, poziome i pionowe siły w szynach oraz przyspieszenia pudeł wagonów. Prędkości ruchu mieściły się w przedziale 160 – 307 km/h. Szczególną uwagę zwrócono na wielkości, które warunkują bezpieczeństwo i stabilność jazdy oraz komfort pasaże-rów (współczynniki wykolejenia, współczynniki przeciążenia dynamicznego, siły poziome mię-dzy kołem i szyną, przyspieszenia nadwozia). W pracach XIA I ZHANG [2005] oraz ZHANG,XIA I GUO [2008] przeprowadzono obszerne studia teoretyczne. Ich rezultaty porównano z wynikami badań in-situ. MALM I ANDERSSON [2006] badali dynamikę stalowego, łukowego mostu kolejo-wego z jazdą dołem (rys 1.16a).

Rys. 1.16. Analizowany most (MALM I ANDERSSON [2006]): a) widok ogólny, b) prętowy model MES (ABAQUS)

Przyczyną badań były znaczne drgania wieszaków, zaobserwowane podczas przejazdu ta-boru po przęśle. Na podstawie pomierzonych przyspieszeń i odkształceń wieszaków, określono ekstremalne amplitudy drgań, częstości drgań, współczynniki dynamiczne oraz liczby tłumienia.

Rezultaty badań in-situ porównano z wynikami symulacji numerycznych, opartych na prze-strzennym modelu MES mostu i pojazdu kolejowego (rys 1.16b). Na podstawie hipotezy Pal-mgrena-Minersa⁶ przedstawiono prognozę pojawienia się spękań zmęczeniowych w wieszakach, w zależności od dobowego obciążenia eksploatacyjnego mostu.

RIGUEIRO,REBELO I DA SILWA [2007]analizowali dynamikę płytowych wiaduktów sprężo-nych, położonych wciągu linii kolejowej Linz – Wels w Austrii. Przeprowadzili analizę porów-nawczą wpływu różnych typów nawierzchni kolejowej na odpowiedź czasową i częstotliwo-ściową przęseł. Weryfikację modeli teoretycznych przeprowadzili w oparciu o przeprowadzone badania eksploatacyjne. Dla tych samych obiektów, REBELO I INNI [2005] przeprowadzili identy-fikację częstości drgań, postaci drgań oraz liczb tłumienia, na podstawie zapisu drgań swobod-nych, rejestrowanych bezpośrednio po zjeździe taboru z konstrukcji. W pracach KWARK I INNI

[2004] oraz KWARK I INNI [2005] autorzy analizowali dynamikę betonowego mostu Yeon-Jae, położonego w ciągu testowego odcinka koreańskiej magistrali kolejowej dużych prędkości KHSR. Porównali maksymalne przemieszczenia i przyspieszenia przęseł uzyskane podczas ba-dań eksploatacyjnych z wynikami symulacji numerycznych. WOŁOWICKI, STURZBECHER I A PA-NAS [2005] prowadzili badania eksploatacyjne wybranych obiektów mostowych linii kolejowej Knapówka – Góra Włodowska. Celem badań była ocena możliwości dostosowania badanych konstrukcji do ruchu pojazdów z dużymi prędkościami. Autorzy analizowali przemieszczenia i przyspieszenia przęseł podczas przejazdu lokomotywy testowej z zadaną prędkością. Oceny dokonali w oparciu o stosowne przepisy normatywne. Podobne badania prowadzili HEIDEN I STADLER [2009] dla wybranych wiaduktów linii kolejowej pomiędzy Wiedniem i Salzburgiem.

Celem badań była ocena możliwości dopuszczenia ruchu pociągów z prędkościami przekraczają-cymi 250 km/h. Zidentyfikowane na podstawie badań częstości drgań oraz liczby tłumienia, wy-korzystali do aktualizacji modeli numerycznych stworzonych na potrzeby projektu badawczego.

W pracach LIU I INNI [2009¹]orazLIU I INNI [2009²]przedstawiono rezultaty badań eksploatacyj-nych oraz analiz numeryczeksploatacyj-nych zespolonego wiaduktu Sesia, położonego w ciągu linii kolejowej dużych prędkości Turyn – Mediolan. Podczas badań mierzono drgania środowiskowe konstrukcji oraz odpowiedź mostu na wymuszenie pociągiem dużych prędkości ETR500Y. Na podstawie drgań środowiskowych zidentyfikowano współczynniki tłumienia oraz postacie i częstości drgań swobodnych mostu. Podczas przejazdów pociągu rejestrowano przebiegi odkształceń i przyspieszeń w wybranych punktach konstrukcji. Otrzymane wyniki porównano z rezultatami analiz numerycznych, prowadzonych dla dwóch przypadków: bez uwzględnienia interakcji po-jazd-most (model pojazdu w postaci sił skupionych) oraz przy uwzględnieniu interakcji (model dynamiczny pojazdu o 15-tu stopniach swobody). Rozszerzeniem prac jest pozycja GUO IINNI

[2012], w której autorzy rozbudowali model pojazdu do układu o 27 stopniach swobody oraz uwzględnili trójwarstwowy model nawierzchni kolejowej (por. rys. 1.8b).