06__Zoltowski_K_i_inni_Uszkodzenie_wiaduktu_kolejowego_nad_droga_krajowa_nr_7._Analiza_nosnosci_i_sposob_naprawy.pdf

XXIV

awariebudowlane

XXIVKonferencjaNaukowoTechniczna

SzczecinMiędzyzdroje,2629maja2009

Dr hab. inŜ. K RZYSZTOF ś ÓŁTOWSKI , zoltowk@pg.gda.pl

Mgr inŜ. M AREK S ZAFRAŃSKI , mszafran@pg.gda.pl

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów Politechniki Gdańskiej

USZKODZENIE WIADUKTU KOLEJOWEGO NAD DROG Ą

KRAJOW Ą NR 7. ANALIZA NO Ś NO Ś CI I SPOSÓB NAPRAWY

DAMAGES OF RAILWAY VIADUCT OVER ROAD 7. CARRYING CAPACITY ANALISYS

AND METHOD OF REPERATION

Streszczenie Przegląd wiaduktu kolejowego nad drogą krajową nr 7 w Pasłęku ujawnił znaczne deformacje

i uszkodzenia w dźwigarach głównych przęsła powstałe na skutek uderzeń pojazdów ponadgabarytowych.

W referacie przedstawiono analizę nośności oraz przyjęty sposób naprawy wspomnianego obiektu. Przedstawio-

no rezultaty analizy statyczno-wytrzymałościowej konstrukcji przęsła oraz nieliniowej analizy spręŜysto-plasty-

cznej MES z uwzględnieniem istniejących deformacji. Analiza wykazała brak doraźnych zagroŜeń dla konstru-

kcji. Zalecono prace naprawcze z uwagi na efekty zmęczeniowe i ochronę korozyjną.

Abstract During inspection of railway viaduct over national road no. 7 in Paslek large deformations and

damages of bottom part of main span were observed. They were identified as an action of over size vehicles.

The paper describes carrying capacity analysis and proposed method of reparation of this viaduct. Numerical

evaluation was made. The results of linear and non-linear, elasto-plastic FEM analysis of damage mechanism are

presented. The analysis proved that global safety factors for damaged structure are reached under the life load.

However renovation of the steel structure has to be done to eliminate plastic deformation in flange and reduce

fatigue degradation of steel.

1. Wst ę p

Uszkodzenia przęseł wiaduktów na skutek uderzeń pojazdów są zjawiskiem powszechnie

spotykanym. Częstą przyczyną jest zaniŜona skrajnia drogowa pod obiektem i ignorowanie jej

oznakowań przez uŜytkowników dróg. W wielu przypadkach, pomimo przepisowej skrajni,

dochodzi do uszkodzeń przęseł w wyniku uderzeń pojazdów ponadgabarytowych. Szczegól-

nie niebezpiecznym zjawiskiem jest uszkodzenie pasów dolnych przęseł wiaduktów kolejo-

wych. W takim wypadku awaria przęsła moŜe wywołać powaŜną katastrofę komunikacyjną.

Opisywany obiekt kolejowy zlokalizowany jest w ciągu linii kolejowej Olsztyn – Bogacze-

wo w km. kol. 74+970 nad drogą krajową nr 7 Warszawa – Gdańsk w Pasłęku. Ustrój nośny

przęsła stanowią dźwigary blachownicowe, współpracujące z ortotropową płytą jezdni. Dźwi-

gary odchylone są pod kątem 20 o od pionu. Dźwigar składa się ze środnika 1500

12, pasa

górnego 400

30 w strefie przypodporowej i 400

40 w strefie przęsłowej oraz pasa dolnego

20 na całej długości przęsła.

Konstrukcją jezdni jest płyta ortotropowa z poprzecznicami teowymi w rozstawie 1.37 m

oraz blachą pomostu, wzmocnioną podłuŜnymi Ŝebrami teowymi.

310

Mosty, drogi i koleje

Rys. 1. Widok ogólny wiaduktu od strony Warszawy

Rys. 2. Widok jezdni kolejowej wiaduktu

Nawierzchnię na wiadukcie stanowią szyny S-49 wraz z odbojnicami, ułoŜone na podkła-

dach drewnianych typu II/B i podsypce. Podsypkę ułoŜono na warstwie betonu ochronnego

gr. 4 cm wylanego na izolacji z papy asfaltowej. Tor na obiekcie usytuowany jest w łuku

poziomym R = 960 m na krzywej przejściowej i w przechyłce. Po zewnętrznych stronach

dźwigarów głównych wykonano chodniki robocze z kątowników L80

Rys. 3. Schemat ogólny wiaduktu

Rys. 4. Przekrój poprzeczny wiaduktu

Podstawowe parametry geometryczne i materiałowe konstrukcji przęsła:

Û materiał konstrukcyjny dźwigarów i jezdni stal St3M

Û materiał konstrukcyjny elementów chodnika stal St3Sx

Û rozpiętość przęsła

L t = 15.00 m

Û szerokość całkowita

B c = 6.28 m

Û szerokość uŜytkowa chodników roboczych

B ch = 2

0.75 m

Û spadek poprzeczny torowiska

dwustronny 2%.

404

8 oraz prefabryko-

wanych płyt Ŝelbetowych gr. 6 cm. Konstrukcja przęsła opiera się na masywnych, betonowych

przyczółkach posadowionych bezpośrednio. Maksymalna prędkość eksploatacyjna wg proje-

ktu wynosi 100 km/h. Schemat ogólny i przekrój poprzeczny wiaduktu pokazano na rys. 3 i 4.

ś ółtowski K. i inni: Uszkodzenie wiaduktu kolejowego nad drog ą krajow ą nr 7. Analiza no ś no ś ci...

2. Inwentaryzacja uszkodze ń

Wizja lokalna na wiadukcie ujawniła znaczne miejscowe deformacje plastyczne i uszko-

dzenia konstrukcji przęsła powstałe w wyniku uderzeń pojazdów ponadgabarytowych.

W przypadku dźwigara od strony Warszawy stwierdzono:

Û lokalną deformację pasa dolnego dźwigara głównego i poprzecznicy,

Û lokalną deformację Ŝebra zewnętrznego dźwigara głównego,

Û wygięcie krzyŜulców dwóch wsporników chodnikowych,

Û zniszczenie połączenia dwóch krzyŜulców wsporników chodnikowych z przęsłem (ścięcie

nitów).

Û zniszczenie połączenia Ŝebra z pasem dolnym dźwigara (ścięcie spoiny).

Rys. 5. Schemat ogólny przęsła z zaznaczeniem strefy uszkodzenia dźwigara od strony Warszawy

Rys. 6. Uszkodzenia dźwigara od strony Warszawy: 1) zdeformowany pas, 2) wygięte krzyŜulce wsporników

chodnikowych, 3) zdeformowane Ŝebro dźwigara, 4) ścięte nity łączące krzyŜulce wsporników chodnikowych

z przęsłem, 5) deformacja pasa dolnego poprzecznicy, 6) ścięta spoina łącząca Ŝebro z pasem dolnym dźwigara

Rys. 7. Pomierzone deformacje pionowe krawędzi pasa dolnego dźwigara od strony Warszawy

405

Mosty, drogi i koleje

Lokalizację oraz stwierdzone uszkodzenia dźwigara od strony Warszawy pokazano

odpowiednio na rysunkach 5 i 6. Pomierzone deformacje pionowe zewnętrznej krawędzi pasa

dolnego w strefie uszkodzenia pokazano na rysunku 7.

W przypadku dźwigara od strony Warszawy stwierdzono:

Û lokalną deformację pasa dolnego dźwigara głównego i poprzecznicy,

Û lokalną deformację Ŝebra zewnętrznego dźwigara głównego,

Û zniszczenie połączenia pasa dolnego poprzecznicy z dźwigarem głównym (ścięty nit),

Û zniszczenie połączenia Ŝebra z pasem dolnym dźwigara (ścięcie spoiny).

Rys. 8. Schemat ogólny przęsła z zaznaczeniem strefy uszkodzenia dźwigara od strony Gdańska

Rys. 9. Uszkodzenia dźwigara od strony Gdańska: 1) deformacja pasa dolnego dźwigara głównego,

2) deformacja pasa dolnego poprzecznicy, 3) zniszczone połączenie spawane Ŝebra z pasem dolnym dźwigara,

4) ścięty nit połączenia pasa poprzecznicy z dźwigarem

Rys. 10. Pomierzone deformacje pionowe krawędzi pasa dolnego dźwigara od strony Gdańska

406

ś ółtowski K. i inni: Uszkodzenie wiaduktu kolejowego nad drog ą krajow ą nr 7. Analiza no ś no ś ci...

Lokalizację oraz stwierdzone uszkodzenia dźwigara od strony Gdańska pokazano odpo-

wiednio na rysunkach 8 i 9. Pomierzone deformacje pionowe zewnętrznej krawędzi pasa

dolnego dźwigara od strony Warszawy w strefie uszkodzenia pokazano na rysunku 10.

3. Analiza no ś no ś ci prz ę sła z uwzgl ę dnieniem istniej ą cych deformacji

ρ = 78,5 kN/m – cięŜar objętościowy

E = 205000 MPa – współczynnik spręŜystości podłuŜnej (moduł Young’a)

G = 80000 MPa – współczynnik spręŜystości poprzecznej

ν = 0.3 – współczynnik Poissona

R = 225 MPa – charakterystyczna, gwarantowana granica plastyczności

R = 375 MPa – wytrzymałość na rozciąganie

R = 195 MPa – wytrzymałość obliczeniowa

Projektant wykonał obliczenia nośności przyjmując załoŜenie o pełnej współpracy blachy

koryta jezdni z dźwigarem głównym w przenoszeniu obciąŜeń. Aby zweryfikować to załoŜenie

wykonano przestrzenny belkowo-powłokowy model przęsła. Parametry geometryczne i materia-

łowe przyjęto zgodnie z projektem wiaduktu. Dźwigary główne, poprzecznice, Ŝebra pionowe,

blachę poszycia oraz środniki Ŝeberek podłuŜnych płyty pomostowej wymodelowano cztero

i trójwęzłowymi elementami powłokowymi. Elementami belkowymi wymodelowano pasy Ŝebe-

rek podłuŜnych płyty pomostowej. Warunki brzegowe (podpory) przyjęto jako liniowe na

szerokości pasa dolnego, zgodnie z załoŜeniem układu swobodnie podpartego. W modelu nume-

rycznym pominięto elementy chodników roboczych. CięŜar chodników uwzględniono w postaci

liniowego obciąŜenia, przyłoŜonego do pasów dolnych dźwigarów w osi środników. CięŜar

własny elementów konstrukcyjnych przęsła uwzględniono bezpośrednio w modelu numery-

cznym, natomiast cięŜar nawierzchni przyjęto jako obciąŜenie powierzchniowe na całej długości

przęsła. ObciąŜenie uŜytkowe przyjęto zgodnie z PN-85/S-10030 dla klasy k+1. Na rysunku 11

pokazano wizualizację modelu numerycznego przęsła wiaduktu.

Rys. 11. Wizualizacja modelu obliczeniowego oraz szczegół przypodporowy (SOFiSTiK)

Ogółem układ zdyskretyzowano na 42168 elementów, w tym 42000 elementów powłoko-

wych klasy C 0 i 168 elementów belkowych.

W ramach obliczeń statyczno – wytrzymałościowych wyznaczono obwiednie napręŜeń od

obciąŜeń charakterystycznych i obliczeniowych we wszystkich modelowanych elementach kon-

strukcji dla układu bez deformacji. Uwzględniono obciąŜenia stałe i zmienne dla klasy k+1

407

Obliczenia nośności wykonano metodą elementów skończonych (MES) przy wykorzy-

staniu programu SOFiSTiK [1]. W analizie nośności przyjęto charakterystyki materiału

wg projektu wiaduktu [2] odpowiadające stali St3M:

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: