Experimentálna analýza predpätého mostného nosníka po havárii mosta

Koncom roku 2015 došlo k uzatvoreniu premávky na mostnom objekte č. 59-090 na ceste s medzinárodným významom I/59 za obcou Podbiel na Orave, smerujúcou na hranice s Poľskom. Príčinou bolo zistenie závažnej poruchy na nosnej konštrukcii mosta, ktorý bol vybudovaný v roku 1956 ako jeden z prvej generácie mostov na Slovensku z dodatočne predpätých prefabrikovaných prvkov spojených priečnym predpätím do ortotropnej sústavy. Zistený zlý technický stav na moste si vyžiadal okamžitú uzávierku mosta. Príspevok pojednáva o zistených poruchách na moste, ich príčinách a vykonanej teoreticko-experimentálnej analýze pôsobenia predpätého nosníka po šesťdesiatročnej prevádzke [3].

Úvod

Prvá generácia predpätých mostov z tyčových prefabrikátov sa začala v širšej miere uplatňovať v bývalom Československu v období päťdesiatych až šesťdesiatych rokov minulého storočia. Na území severného Slovenska v oblasti Oravy bolo postavených viacero mostov práve s využitím technológie tzv. plnej prefabrikácie [1, 2, 4]. Jedným z typických predstaviteľov konštrukcie takýchto mostov sú prefabrikované nosníky tvaru T, dodatočne predpínané. Aplikácia dodatočného predpínania nosníkov bola vtedy typická – jednak pre pozdĺžny smer, ale aj priečny smer s cieľom vytvoriť ortotropnú sústavu bez použitia monolitického betónu [3, 5]. Dokonca aj časti priečnikov sa vyrábali v rámci samotného tyčového prvku, pričom zálievkový betón bol použitý iba v medzerách medzi priečnikmi. Vznikol tak staticky ortotropný systém bez použitia monolitického betónu oproti tomu, ako ho poznáme dnes, kedy sú štandardne tyčové prefabrikáty spriahované monolitickou doskou. Nosníky sa vtedy vyrábali buď v jednom kuse alebo z viacerých segmentov, najčastejšie 3 až 5. Vyššie uvedené typy mostných konštrukcií, ktoré sú doteraz prevádzkované na našej cestnej sieti, majú za sebou šesťdesiat až sedemdesiat rokov prevádzky, teda sú za polovicou svojej predpokladanej životnosti. V súčasnosti sa prejavuje ich nevyhovujúci technický stav, ktorého príčinou sú väčšinou tzv. prvotné detské choroby tejto technológie budovania mostov. Hlavným zdrojom porúch mostov tohto typu je absolútne nedostatočná ochrana predpínacej výstuže, či už v rámci jej trajektórie v betónovom prvku, alebo jej kotvenia. Potrebná úroveň predpínacej sily v konštrukcii predstavuje hlavnú zložku jej bezproblémového statického fungovania. K tomu sa samozrejme pridružuje aj fakt pôsobenia neustále narastajúcich účinkov dopravy a preťažovania konštrukcií hlavne v posledných desaťročiach a žiaľ aj zjavná nedostatočná úroveň údržby. Základnou ambíciou tohto príspevku je nielen poukázať na zistené poruchy a príčiny kolapsu tohto typu mostných konštrukcií, ale aj na získané veľmi cenné výsledky vykonanej teoreticko-experimentálnej analýzy predpätého nosníka po šesťdesiatročnej prevádzke.

Popis mostnej konštrukcie

Most premosťoval rieku Studený potok medzi obcami Podbiel a Nižná v dvoch poliach. Prevádzal komunikáciu I. triedy šírky 9,0 m. Komunikácia bola v mieste mostného objektu v smerovom oblúku s polomerom R = 900 m. Nosná konštrukcia predstavovala prefabrikovanú konštrukciu zloženú z dvoch samostatne pôsobiacich prostých polí. Rozpätia polí boli 2 × 26,30 m. Po oboch stranách mostovky boli vedené chodníky šírky 1,10 m. Na moste bol jednostranný priečny sklon 2,0 % a pozdĺžny sklon 0,26 %, obr. 1.

Nosná konštrukcia pozostávala z desiatich dodatočne predpätých nosníkov T prierezu v osovej vzdialenosti 1,14 m. Nosníky boli priečne spojené medziľahlými priečnikmi v osovej vzdialenosti 5,24 m s priečne vedenou predpínacou výstužou. Priečne predpätie bolo vedené v hornej prírube nosníkov v osovej vzdialenosti kotiev približne 0,80 m a v priečnikoch. Konštrukčná výška nosníkov bola 1,35 m, horná príruba šírky 1,10 m a spodná šírky 0,47 m. Nosníky boli predopnuté káblami z patentovaných drôtov priemeru 4,5 mm.

Spodnú stavbu tvorili gravitačné opory s nadväzujúcimi rovnobežnými gravitačnými krídlami a medziľahlý pilier. Založenie spodnej stavby bolo plošné v celom rozsahu. Uloženie nosníkov bolo realizované na krajných oporách na tangenciálne posuvné oceľové ložiská a na stredovom pilieri na pevné. Opory aj pilier boli realizované z prostého betónu chráneného kamenným obkladom hrúbky okolo 400 mm. Pilier v priereze pozostával z plného drieku v obdĺžnikovom tvare, pričom na návodnej strane bol tvarovaný do špice a na opačnej strane v zaoblenom tvare. Výška drieku piliera bola 3,65 m a šírka 13,40 m.

Popis zistených porúch a ich príčiny

Pri jednej z pravidelných prehliadok správcom bolo na moste v poli č. 2 zaznamenané nadmerné kmitanie konštrukcie po prechode ťažkých vozidiel. Následne bola na moste vykonaná podrobná prehliadka, ktorá zistila veľmi závažné statické poškodenie mosta, ktoré viedlo prakticky k okamžitému rozhodnutiu o jeho uzatvorení.

Na pravom okraji mostovky v druhom poli došlo na štyroch krajných nosníkoch k rozvoju enormných statických trhlín. Boli objavené značné ohybové trhliny v strednom priereze so šírkou niekoľko centimetrov a viedli takmer celou výškou prierezu až do hornej príruby, obr. 2. Charakteristická široká trhlina v mieste max. namáhania predstavovala učebnicový príklad náhleho, neduktilného porušenia prvku. V tomto poli bolo na pravej strane rovnako možné identifikovať aj výraznú deformáciu mostovky obr. 1a, sprevádzanú nadmerným kmitaním celej konštrukcie, čo bolo veľmi citeľné hlavne pri prejazdoch ťažkej kamiónovej dopravy. Zároveň bol viditeľný aj stav postupne sa rozvíjajúcich ďalších trhlín aj na zvyšných šiestich nosníkoch priečneho rezu. To rozhodlo o okamžitom uzavretí mosta. Treba podotknúť, že dovtedy bola na moste plná prevádzka vrátane ťažkých kamiónov. Intenzita dopravy z daného obdobia tam bola okolo 14 000 vodidiel, z toho 3 000 ťažkých vozidiel denne.

Pri demolačných prácach sa ukázala aj hlavná príčina kolapsového stavu, ktorou bola silná korózia jednak predpínacej výstuže, ale aj kotiev, obr. 3. Pozdĺžnu predpínaciu výstuž nosníka tvorilo 22 ks 12 drôtových káblov z patentovaných drôtov priemeru 4,5 mm. Z toho štrnásť káblov bolo priebežných a osem nepriebežných kotvených do hornej príruby nosníkov, obr. 4. Káble boli kotvené do jednoduchých kotevných dosiek, buď ako samostatné kotevné dosky pre jeden kábel, alebo ako kotevné dosky pre dvojicu káblov. Zakotvovanie drôtov prebiehalo cez plné kotevné kužele. Z celkového počtu 44 kotiev / 1 nosník bolo šestnásť kotiev kotvených do hornej príruby nosníka pod spádovou vrstvou vozovky, čo významne urýchľovalo natekanie vody do parabolických káblov, ktoré následne korodovali v miestach tesne pod kotvou alebo aj priamo v strednom priereze nosníkov. Počas demolačných prác sa diagnostikou zistilo, že takmer 80 % káblov bolo nezainjektovaných, resp. zálievkova hmota bola v kanálikoch len lokálne alebo zdegradovaná veľmi nízkej kvality.

Treba poznamenať, že okrem úbytku predpätia, spôsobeného koróziou drôtov, kotevných prvkov a nedostatočnou injektážou sa podpísala na krehkom zlyhaní nosníkov aj absencia betonárskej výstuže, obr. 5.
Dnešná požiadavka min. výstuže A_s,min voči zabráneniu krehkého lomu vypočítaná v súlade s normou STN EN 1992-1-1 bola podhodnotená asi o 85 %. To jasne potvrdzovalo nízku duktilitu predpätých nosníkov a predznačovalo charakter porušenia. Dôkazom toho bola aj skutočnosť, že po prerezaní drôtov priečneho predpätia došlo k samovoľnému pádu niektorých poškodených nosníkov, ktoré nedokázali prenášať ani vlastnú tiaž. Príklad porušenia takého nosníka je na obr. 6. V priečnom smere bola predpínacia výstuž tvorená jedenástimi drôtovými káblami vedenými v hornej prírube nosníkov veľmi husto, každých cca 320 mm, a v priečnikoch po jedenástich káblov. Priečne predpätie bolo ešte relatívne funkčné a dokonca čiastočne aj injektované, čo v podstate zaisťovalo, že zatiaľ nedošlo k udalosti s fatálnymi následkami. Je možné povedať, že nosná konštrukcia fungovala prakticky v stave schopnom ako tak prenášať zaťaženie, len vzhľadom k relatívne dobrej kondícii priečneho predpätia a jeho predimenzovaniu.

Priečny sklon mostovky bol jednostranný, smerom k pravému okraju mosta, čo rovnako prispievalo k urýchľovaniu korózie predpínacej výstuže hlavne na krajných nosníkoch pravej strany. Zaujímavé bolo, že betón nosníkov bol na dobu výstavby mosta pomerne kvalitný, pričom dosahoval tlakových pevnosti 50–52 MPa, ktoré boli zisťované nedeštruktívnou metódou Schmidtovým tvrdomerom. Avšak bolo vidieť, že nosníky majú lokálne hniezda spôsobené nedostatočným hutnením pri ich výrobe.

Okrem primárnych porúch nosnej konštrukcie boli identifikované aj ďalšie relatívne bežné poruchy na spodnej stavbe a príslušenstve, ktoré však odpovedali časovej dĺžke exploatácie mosta. Degradáciou betónu, ako aj pomerne rozsiahlou koróziou betonárskej výstuže, boli poznačené zatečené úložné prahy oboch opôr a stredového piliera. Mostné závery boli nefunkčné a ich pretekanie malo za následok aj rozsiahlu koróziu mostných oceľových ložísk.

Zaťažovacia skúška predpätého nosníka

Po dohode s investorom rekonštrukcie stavby a správcom mosta SSC nám vyšiel v ústrety aj dodávateľ demolačných prác, ako aj následnej rekonštrukcie mosta, ktorým bola firma Doprastav, a.s. Po vzájomnej dohode bola zvolená zaťažovacia skúška 1 : 1 na zvolenom nosníku v prvom poli mosta. Po podrobnej prehliadke zvyšku nosnej konštrukcie bol zvolený 4. nosník (T4) od okraja mosta, ktorý bol aj v relatívne najlepšom technickom stave. Od ostatnej konštrukcie bol uvoľnený prerezaním priečneho predpätia v pozdĺžnom smere. Z oceľových prvkov a ťahových tyčí bola vytvorená improvizovaná testovacia zostava, ktorá spolu s ostatnými štyrmi nosníkmi zabezpečovala protiváhu tlačného lisu pri teste trojbodovým ohybom, obr. 7. Hydraulický lis sa rozopieral medzi mohutný oceľový roznášací nosník a hornú plochu sledovaného nosníka.

Počas skúšky bola sledovaná sila v hydraulickom lise a zaznamenávané pomerné pretvorenia na tlačenom betóne, ťahanej betonárskej výstuži typu Roxor a zvislé deformácie v stredovom priereze prostredníctvom vizualizačného systému Spider 8. Pri zaťažovaní bol použitý hydraulický lis (Enerpac) s kapacitou F = 1000 kN. V čase skúšky bola odstránená asfaltová vozovka a bol ponechaný len spádový betón na nosníkoch v hrúbke 50 mm.

Meranie zvislých deformácií nosníka bolo vykonané potenciometrickými snímačmi typu Novotechnik TR 100. Boli inštalované v strednom priereze (S1–S3). Potenciálne možné pohyby sadania celej sústavy boli ešte kontrolované na ložiskách snímačmi (S4–S5). Tu však k pohybom nedošlo. A rovnako tak boli ešte osadené kontrolné snímače (S6–S7), ktoré zabezpečovali sledovanie deformácie priľahlých nosníkov tvoriacich protiváhu. Na snímanie pomerných pretvorení boli použité lepené odporové tenzometre (G). Tenzometer (G1) sledoval vývoj tlakových pretvorení na hornej ploche nosníka. Tenzometer (G2) potom zaznamenával vývoj ťahových napätí na betonárskej výstuži, kde však došlo k jeho porušeniu prakticky okamžite po dosiahnutí medze klzu ocele. Na drôty predpínacej výstuže z dôvodu malého profilu nebolo možné v daných podmienkach stavby osadiť tenzometre.

V našom prípade sa jednalo o patentované drôty s nízkou relaxáciou a pri stanovení teoretických hodnôt pevnostných parametrov ocele v predpínacej výstuži sa vychádzalo z literatúry [1] a normy [9]. Maximálna pevnosť bola deklarovaná na úrovni 165 kp/mm² a najmenšia medza klzu na úrovni 120 kp/mm². Modul pružnosti bol 190 GPa. Po skúške boli z drôtov odobraté aj vzorky, ktoré boli potom následne testované ťahom v laboratóriu a boli overované predpokladané pevnostné parametre ocele. Stredná hodnota max. pevnosti bola na úrovni f_t = 1 647 MPa a stredná hodnota medze klzu na úrovni f_y = 1 160 MPa.

Výsledky experimentálnej a teoretickej analýzy predpätého nosníka

Hlavným cieľom teoreticko-experimentálnej analýzy bolo overiť statické chovanie predpätého nosníka po cca šesťdesiatročnej prevádzke na silne zaťaženom moste nielen dopravným zaťažením, ale aj náročnými klimatickými vplyvmi hornej Oravy. Výsledky experimentálneho merania slúžili na:
■ zistenie aktuálnej úrovne predpätia v nosníku, čo je v praxi je možné experimentálne stanoviť len veľmi zložito a zväčša len nepriamymi metódami;
■ zistenie zvyškovej únosnosti predpätého nosníka.

Zaťažovacia skúška prebiehala v režime postupného priťažovania s jedným odľahčujúcim medzikrokom, ktorý bol realizovaný po dosiahnutí cca 90 % teoretickej ohybovej únosnosti nosníka na úroveň cca 50 % zaťaženia. Následne bol nosník opäť priťažený až na medznú teoretickú únosnosť.

Pracovný program nosníka pod zaťažením dokumentuje obr. 8, ktorý prezentuje závislosť zvislých deformácií na snímačoch (S1–S3) od zaťažovacej sily F vyvodenej hydraulickým lisom. Obr. 8 poukazuje na rozdiel medzi teoreticky vypočítanou reláciou sily a deformácie v prípade, že by sa jednalo o nepoškodený nosník a reálnym správaním nosníka. Výpočtom v súlade s normami [7, 8] bolo stanovené limitné zaťaženie na medzi odolnosti F = 768 kN. Pri zaťažovacej skúške však bola dosiahnuté max. sila v lise na úrovni F = 652 kN. Čo predstavuje redukciu asi 17 % vzhľadom k hodnote, ktorá by bola teoreticky definovaná prepočtom predpätého nosníka v danom čase. Z grafu vidieť, že nosník sa choval lineárne po úroveň sily v lise F = 402 kN až do vzniku prvej trhliny. Avšak teoretický vznik prvej trhliny mal nastať až pri sile F = 471 kN, čo predstavuje redukciu asi 18 %, pričom táto hodnota dobre koreluje s hodnotou úbytku kapacity predpätia na úrovni medzného stavu odolnosti. Maximálna deformácia na snímači (S2) bola 155 mm. Potom už postupne dochádzalo k posunom na samotnej improvizovanej lámacej stolici a ďalšie zaťažovanie už bolo nebezpečné. Navyše sila v lise ostávala už konštantná, teda bola dosiahnutá maximálna hodnota a nosník sa prakticky deformoval bez nárastu zaťaženia.

Aby bolo možné stanoviť aktuálnu veľkosť pôsobiacej predpínacej sily vzhľadom k reálnemu chovaniu nosníka podľa obr. 8, boli vytvorené aproximáciou dva hraničné výpočtové modely nosníka, ktoré simulovali nosník jednak s pôsobiacim plne súdržným, ako aj s plne nesúdržným predpätím, obr. 9a. Dôvodom boli pochybnosti o spoľahlivej funkčnosti zálievky káblov z už vybúraných nosníkov. Model, ktorý výstižnejšie popisoval reálne chovanie nosníka, však bol model so súdržným predpätím aj napriek stochastickému charakteru kvality zálievok káblov. 

Celý článek naleznete v archivu čísel 3/2021.