Hodnocení degradovaných ocelových mostů
Předmětem článku je souhrnná informace pro projektovou praxi o dosažených výsledcích několika výzkumných projektů, řešených na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební ČVUT v Praze. Tyto projekty se zaměřovaly na posuzování historických ocelových mostních konstrukcí.
Absolvoval ČVUT v Praze, Fakultu stavební, kde vede katedru ocelových a dřevěných konstrukcí. Člen řady národních a mezinárodních institucí a komisí, jako je IABSE, IABMAS, dále v ECCS předsedá Bridge Committee. V oblasti normalizace působí v TC 250-SC3 ve WG9 Evolution and Maintenance of EN 1993-1-9, dále pod TC250/SC3 v AHG Assessment and Retrofitting of Existing Iron and Steel Structures. V oblasti zatížení pak působí v TC250/SC1 ve WG3 TG Dynamic Interface between Bridges and Rolling Stock.
Bylo dosaženo jednak součinitelů, zohledňujících vliv koroze na kategorii únavových detailů nýtovaných konstrukcí, dále byla zpracována metodika pro hodnocení únavové životnosti ocelových mostních konstrukcí. Pro praktické využití byl vytvořen software, umožňující vyhodnotit metodou kumulace poškození a metodami lomové mechaniky zbytkovou životnost konstrukce se zohledněním externích vlivů koroze. Výsledky jsou přímo využitelné pro ocelové mostní konstrukce. Výsledky, popisované v článku, navazují na článek stejných autorů, publikovaný v roce 2016 [5].
Materiálové vlastnosti historických mostů
Za uplynulých pět let se katedra ocelových a dřevěných konstrukcí podílela na řadě diagnostických průzkumů. Ve valné většině se jednalo o ocelové historické mostní konstrukce železniční i silniční. V roce 2018 proběhly průzkumy řady dalších historických mostů. Celkem se jedná o 35 mostů, ze kterých byly odebrány vzorky a byly provedeny materiálové zkoušky. Jejich výsledky, a to zejména mez kluzu a pevnost, mohou být zajímavé pro odbornou veřejnost jako určité vodítko při posuzování a hodnocení obdobných konstrukcí. Zobrazeny jsou mosty postavené mezi lety 1865 až 1947. Celkem se jednalo o 284 zkušebních vzorků. Minimální mez kluzu byla zjištěna fy,min = 206 MPa, průměrná hodnota meze kluzu pak byla fy,prům = 296 MPa. Hodnota meze kluzu na úrovni 5% kvantilu při souhrnném zhodnocení všech vzorků fy,k = 241 MPa. Je tedy patrné, že provedení materiálových zkoušek a diagnostického průzkumu může vést k daleko příznivějším hodnotám než aplikace normativních hodnot.
Dále je zajímavé vynést hodnoty meze pevnosti a meze kluzu na časovou osu. Poměrně překvapivě v tomto případě není stoupající trend, ale hodnoty jsou spíše stále v podobném rozmezí. Výsledky jsou samozřejmě ovlivněny i nalezením několika vzorků velmi kvalitních či málo kvalitních ocelí.
Zkoušky statického chování zkorodovaných prvků
Pro zjištění skutečného chování konstrukcí postižených různou mírou koroze byla provedena série experimentů na vzorcích odebraných z železničního mostu z roku 1874, situovaného na trati Týniště nad Orlicí – Meziměstí. Odběr proběhl při celkové rekonstrukci mostu, přičemž pro účel zkoušek byly vyjmuty celkem čtyři nýtované podélníky. Odebrané vzorky byly postiženy různou úrovní koroze, od masivní po povrchovou.
Dolní i horní pásnice podélníků se skládaly ze dvou profilů L 100 × 80 × 8, přičemž na horní pásnici byla dále příložka 220 × 10 mm (příčný řez viz obr. 3 dole). Stojinu tvořil plech 12 × 200 mm. Celková výška podélníků činila 210 mm, průměr nýtů byl 20 mm. Dále byly rovněž odebrány vzorky pro stanovení mechanických vlastností materiálu.
Na vzorcích opatřených tenzometry a snímači dráhy byla provedena standardní statická zatěžovací zkouška ve čtyřbodovém ohybu až do dosažení plastické únosnosti (viz obr. 3 nahoře). Na základě materiálových zkoušek pak byla stanovena návrhová pevnost materiálu, a to třemi různými způsoby – podle ČSN EN ISO 13822, podle metodického pokynu a jako minimální hodnota pevnosti zjištěné z materiálových zkoušek. Následně bylo zohledněno korozní oslabení, a to třemi způsoby:
■ Metoda A – příčný řez obsahoval jednotlivé části s jejich minimální tloušťkou, tedy minimální tloušťkou dolní pásnice, horní pásnice a stěny.
■ Metoda B – pro příčný řez byla použita průměrná tloušťka horní, dolní pásnice a stěny.
■ Metoda C – maximální korozní oslabení bylo aplikováno na všechny části příčného řezu.
Pro všechny metody byly stanoveny průřezové charakteristiky a únosnost. K nejvyšší únosnosti vede metoda B, která je současně i nejbližší reálné elastické únosnosti. Laboratorní zkouška ukázala, že jednotlivé části příčného řezu se nechovají identicky, a stěna je zatížena výrazně více. Současně dochází ke vzniku špiček napětí v korozním důlku.
Únavové experimenty
Vzorky pro laboratorní únavové zkoušky byly odebrány z existující konstrukce ocelového železničního mostu v Holubově a jejich výběr byl zaměřen tak, aby byla k dispozici variabilita v úrovni korozního poškození. Jednalo se o vzorky nýtovaných spojů, které byly vyříznuty z dolního pasu příhradového nosníku a podle stupně korozního oslabení byly rozděleny do několika skupin:
■ 1. skupina, bez koroze (vzorky S1.1 až S1.4) – žádné měřitelné korozní oslabení, pouze změna barvy povrchu;
■ 2. skupina, střední úroveň koroze (vzorky S2.1 až S2.3) – střední úroveň korozního oslabení – zejména na horním povrchu horního plechu a na hlavách nýtů, průměrná hloubka (0,5–1,5 mm) korozních důlků, rozsah tloušťky korozního oslabení v rozmezí 1–2 mm;
■ 3. skupina, vysoká úroveň koroze (vzorky S3.1 až S3.3) – vysoká úroveň korozního oslabení – zejména na horním povrchu horního plechu a na hlavách nýtů, průměrná hloubka (2–3 mm) korozních důlků, rozsah tloušťky korozního oslabení v rozmezí 2–4 mm;
■ 4. skupina, vzorky s chybějícím nýtem (vzorky S4.1 až S4.3) – žádné měřitelné korozní oslabení.
Celkem dva vzorky typu 1 byly osazeny velkým množstvím tenzometrů za účelem validace numerického modelu, dále pak rovněž induktivními snímači dráhy. Celkem jedenáct vzorků typu 2 bylo osazeno dvěma tenzometry, a to zejména pro identifikaci vzniku únavové trhliny.
