Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Ekspertyza techniczna estakady wschodniej E-5 w ciągu drogi krajowej nr 25 Trasy Bursztynowej w Koninie

3,304 views

Published on

.

Published in: Government & Nonprofit
  • Login to see the comments

Ekspertyza techniczna estakady wschodniej E-5 w ciągu drogi krajowej nr 25 Trasy Bursztynowej w Koninie

  1. 1. UUUNNNIIIPPPLLLAAANNN sssppp... zzz ooo...ooo... PROJEKTOWANIE MOSTÓW PROJEKTOWANIE DRÓG KONSULTACJE I EKSPERTYZY NADZORY UNIPLAN sp. z o.o. ul. Wilczak 13/72 61-623 Poznań tel (061) 639 01 06 fax (061)8217308 Biuro: os. St. Batorego 25/28 60-087 Poznań, tel. 8217308 UNIPLAN spółka z o.o. 61-623 Poznań ul. Wilczak 13/72 tel (061)639 01 06 fax (061)821 73 08 Rejestr Handlowy 5862 Sąd Rejonowy w Poznaniu Bank Zachodni WBK 16 Odział w Poznaniu NIP 778-00-44-464 Nr 50 1090 1362 0000 0000 3603 2454 Regon 630526881 Zleceniodawca: Miasto Konin Plac Wolności 1 62-500 Konin Ekspertyza techniczna estakady wschodniej E-5 w ciągu drogi krajowej nr 25 Trasy Bursztynowej w Koninie Opracowali: dr hab. inż. Arkadiusz Madaj, prof. PP (nr upr. 7131/133/P/2001) dr hab.inż. Wojciech Siekierski mgr inż. Katarzyna Mossor Poznań, grudzień 2017
  2. 2. Strona 1 z 53 1. Podstawa i przedmiot opracowania Opracowanie wykonano na zlecenie Miasta Konin, Plac Wolności 1, 62-500 Konin (umowa nr 100/ZDM/2017 z dnia 11.10.2017) Przedmiotem opracowania jest wykonanie ekspertyzy technicznej estakady wschodniej E5 w ciągu drogi krajowej nr 25 Trasy bursztynowej w Koninie. W szczególności przedmiotem ekspertyzy jest ustalenie przyczyn zerwania kabla sprężającego oraz ustalenie warunków dalszej eksploatacji estakady. Opracowanie wykonano w oparciu o: – badania stanu zerwanego kabla (w tym m.in. badania makroskopowe stanu powierzchni kabla i otaczającego go iniektu: „in situ” – lokalne usunięcie osłon kabli i makroskopowa ocena stanu splotów oraz iniektu i pobranie próbek splotów i zaczynu do dalszych badań, badania stopnia wypełnienia kanałów kablowych iniektem), – badania nieniszczące stopnia wypełnienia kanałów kablowych, – ocenę stanu elementów związanych – przede wszystkim – z realizacją sprężenia (bloki kotwiące, dewiatory) – ocenę ogólnego stanu dźwigarów głównych – ze szczególnym zwróceniem uwagi na widoczne na powierzchni dźwigara głównego rysy, – analizę dokumentacji projektowej, ze szczególnym uwzględnieniem projektu sprężenia oraz programu sprężenia , – analizę dokumentacji powykonawczej, – protokoły sprężania oraz protokoły iniekcji, – badania laboratoryjne iniektu oraz stali sprężającej (własne), – wywiad z osobami realizującymi obiekt, w tym przede wszystkim z osobą kierującą robotami związanymi ze sprężaniem, – analizy statyczno-wytrzymałościowe, zwłaszcza pod kątem wpływu zerwania kabla na zmianę rozkładu naprężeń w konstrukcji przęsła, – analizę strat sprężania, zwłaszcza analizę porównawczą różnicy strat doraźnych wynikających ze zrealizowanego sposobu sprężenia (na podstawie protokołów sprężania) i wynikających ze sposobu sprężania opisanego w programie sprężania.
  3. 3. Strona 2 z 53 2. Opis konstrukcji Wiadukt stanowi część przeprawy mostowej przez Wartę w Koninie, umiejscowionej w ciągu drogi krajowej nr 25. Cała przeprawa składa się z mostu przez Wartę oraz dwóch estakad dojazdowych. Obiekt będący przedmiotem analizy jest jedną z estakad dojazdowych, położoną od strony miasta Konina. W dokumentacji projektowej nosi on oznaczenie „Estakada E5”. Droga na obiekcie jest dwujezdniowa. Obiekt składa się dwóch niezależnych konstrukcji pod każdą jezdnię. Schematem statycznym ustroju nośnego estakady E5 jest ośmioprzęsłowa belka ciągła. Dźwigar główny ma przekrój skrzynkowy, jednokomorowy. Przekrój poprzeczny dźwigara głównego jest stały na całej długości. Ściany boczne skrzynek są pochylone. Zasadnicza grubość ścian bocznych wynosi 400 mm. W przekrojach przypodporowych jest ona zwiększona do 600 mm. Wysokość skrzynki w osi wynosi 2,60 m. W środku rozpiętości, między ścianami skrzynki grubość górnej płyty (pomostu) wynosi 250 mm. Wsporniki mają wysięg 2930 mm i grubość, odpowiednio, na końcu 210 mm, a w miejscu zamocowania w ścianach skrzynki – 400 mm. Grubość pokładu dolnego wynosi 250 mm. Płyta górna i wsporniki sprężono poprzecznie pojedynczymi splotami odmiany 1860 MPa o przekroju nominalnym 150 mm2 . Górna płyta skrzynki ma pochylenie dostosowane do pochylenia jezdni, dolna natomiast jest pozioma. Szerokość skrzynki dołem wynosi 5600 mm. W przekroju poprzecznym dźwigar podparty jest na dwóch łożyskach w rozstawie osiowym 4500 mm. Nad podporami skrajnymi zaprojektowano poprzecznice w postaci tarcz o grubości 1200 mm. Poprzecznice nad podporami pośrednimi są konstrukcjami ramownicowymi. Na obciążenia montażowe przewidziano sprężenie osiowe, zlokalizowane w górnej i dolnej ścianach skrzynki (kable 7- mio i 13-nasto splotowe kable linowe o przekroju splotu 150 mm2 i nominalnej wytrzymałości na rozrywanie R=1860 MPa). Jako sprężenie docelowe zaprojektowano tzw. kable swobodne, umieszczone we wnętrzu skrzynki (31- jedno spolotwe kable linowe o trasach łamanych oraz 13-to, 19-to i 25-pięcio splotowe kable linowe, prostoliniowe w przęsłach i nad podporami pośrednimi, o przekroju splotu 150 mm2 i nominalnej wytrzymałości na rozrywanie R=1860 MPa). Konstrukcje wykonano w technologii nasuwania podłużnego. Wysuwanie obiektu odbyło się z wykorzystaniem dziobu montażowego montowanego do pierwszego segmentu o długości 20 m, z zastosowaniem pośrednich podpór tymczasowych umieszczonych w środku
  4. 4. Strona 3 z 53 rozpiętości każdego przęsła (poza skrajnym przęsłem przy przyczółku). Konstrukcja przęsła była montowana odcinkowo na stanowisku nasuwania zlokalizowanym pomiędzy podporami nr 8 i 9, a następnie wysuwana. Ustrój podzielono na 14 segmentów montażowych o długości 30m (pierwszy segment 20,8m). Ostatnie przęsło zostało wykonane na rusztowaniu stacjonarnym. Segmenty nasuwane były sprężane sukcesywnie, przed wykonaniem wysunięcia ze stanowiska montażowego. Sprężenie docelowe przewidywano po zakończeniu procesu budowy (nasuwania). Szczegółową analizę przyjętego i zrealizowanego sposobu sprężania podano w dalszej części opracowania. 3. Opis uszkodzeń 3.1 Ogólna charakterystyka uszkodzeń przęsła Podczas przeglądu mostu, przeprowadzonego we wrześniu 2017 r., stwierdzono w części wschodniej estakady E5 zerwanie kabla sprężającego o trasie łamanej, przechodzącego przez dwa przęsła – między podporami P5 i P7. Jest to kabel o 31 splotach 15,7 mm, zlokalizowany przy ścianie wschodniej skrzynki. Poza opisanym uszkodzeniem, które było bezpośrednią przyczyną wyłączenia obiektu z eksploatacji, w czasie badań, których celem było ustalenie przyczyn zerwania kabla stwierdzono również wiele innych uszkodzeń: – pęknięcia niektórych dewiatorów zlokalizowanych przy górnej ścianie skrzynki, po stronie wschodniej, – wycieki wody w miejscach pęknięć dewiatorów, – wycieki wody w miejscu mocowania sączków odwadniających izolację, – lokalne wycieki wody oraz zacieki na ścianach skrzynki po stronie wschodniej (miejsce lokalizacji linii odwodnienia). Opisane uszkodzenia zostały pokazane na fot. 1÷13.
  5. 5. Strona 4 z 53 Fot. 1 Przecieki wody i spękania dewiatora – bloku oporowego (podpora 7) Fot. 2 Przecieki wody i spękania dewiatora – bloku oporowego (podpora 7)
  6. 6. Strona 5 z 53 Fot. 3 Przecieki wody i spękania dewiatora – bloku oporowego (podpora 7) Fot. 4 Mokre plamy na płycie dolnej skrzynki. Wycieki z systemu odwodnienia.
  7. 7. Strona 6 z 53 Fot. 5 Wycieki wody w miejscu wyprowadzenia rury odprowadzającej wodę z sączka odwadniającego izolację Fot. 6 Zacieki na bocznej ścianie przekroju (skrzynki)
  8. 8. Strona 7 z 53 Fot. 7 Zabezpieczenie bloku kotwiącego zerwanego kabla Fot. 8 Spękania zabezpieczenia bloku kotwiącego kabla (podpora 7 – fot. 7)
  9. 9. Strona 8 z 53 Fot. 9 Widok zerwanego kabla. Zacieki na ścianach bocznych dźwigara głównego Fot. 10 Widok bloku kotwiącego zerwanego kabla na podporze 5 – zabezpieczenie bloku kotwiącego
  10. 10. Strona 9 z 53 Fot. 11 Zdeformowana osłona kabla sprężającego Fot. 12 Odsłonięty fragment uszkodzonego kabla w miejscu przerwania osłony. Brak iniektu. Widoczne ogniska korozji
  11. 11. Strona 10 z 53 Fot. 13 Zniszczona osłona kabla w miejscu przejścia przez dewiator – dolna część poprzecznicy (charakterystyczny brunatny kolor iniektu), przemieszczenie poziome osłony kabla Podczas przeglądu mostu stwierdzono również przecieki wody przez dylatację na styku estakady E5 i mostu przez Wartę (fot. 14, 15). Biorąc pod uwagę brak, przynajmniej w części, wypełnienia kanałów kablowych iniektem, w przypadku braku szczelności kanałów kablowych w pobliżu bloków kotwiących, grozi to przedostaniem się wody do kanałów kablowych i korozją kabli. Woda może przenikać również do zakotwień, powodując ich korozję.
  12. 12. Strona 11 z 53 Fot. 14 Zacieki na filarze – styk estakady E5 i mostu przez Wartę. Spękania betonu Fot. 15 Zacieki na filarze – styk estakady E5 i mostu przez Wartę. Spękania betonu
  13. 13. Strona 12 z 53 3.2 Opis uszkodzeń kabla W miejscu oznaczonym A na rys. 1 dokonano usunięcia osłony poliuretanowej kabla na długości ok. 4 m. Był to odcinek widocznego spęcznienia osłony poliuretanowej. Okazało się, że w miejscu tym nastąpiło zerwanie 25 z 31 splotów (fot. 16). Do zerwania pozostałej liczby splotów doszło w innym miejscu, a w miejscu stwierdzonego zerwania splotów nastąpiło ich rozplecenie, które spowodowało spęcznienie osłony. Bezpośrednią przyczyną zerwania splotów była korozja wżerowa (pitting) (fot. 19÷21). Rys. 1 Lokalizacja miejsc, w których dokonano usunięcia osłony kabla C2 (odległości mierzone od krawędzi dewiatorów - wymiary w [cm]) Fot. 16 Widok kabla w miejscu zerwania po usunięciu osłony poliuretanowej – pierwsza odkrywka liczona od podpory 5
  14. 14. Strona 13 z 53 Fot. 17 Widok splotu w miejscu usunięcia osłony poliuretanowej – pierwsza odkrywka liczona od podpory 5 Fot. 18 Widok splotu w miejscu usunięcia osłony poliuretanowej – pierwsza odkrywka liczona od podpory 5
  15. 15. Strona 14 z 53 Fot. 19 Wżery korozyjne na drutach splotu Fot. 20 Zerwane pojedyncze sploty
  16. 16. Strona 15 z 53 Fot. 21 Widok splotu z ogniskami korozji 3.3. Analiza stanu kabla w miejscu wykonania odkrywki (rys. 1, oznaczenie „C”). Poniżej zaprezentowano stan kabla w miejscu usunięcia osłony, oznaczonej „C” na rys. 1. Fot. 22 Wygląd kabla po usunięciu osłony. Widoczny pokruszony iniekt, o białej barwie
  17. 17. Strona 16 z 53 a) b) Fot. 23 Widok na zbliżeniu miejsca pokazanego na fot. 22. Widoczne liczne ogniska korozji a) widok całego fragmentu kabla b) powiększony fragment oznaczony na fot a) elipsą
  18. 18. Strona 17 z 53 Fot. 24 Widok na miejsce pokazane na fot. 22, bezpośrednio po usunięciu iniektu. Widoczne liczne ogniska korozji (zaznaczone elipsami). Badania makroskopowe wykazały, że iniekt jest pokruszony (efekt cofającego się kabla). Poza tym, ma biały kolor. Po usunięciu pokruszonego iniektu nie stwierdzono większych uszkodzeń kabla. Jednak na podstawie bliższych oględzin kabla, przy zastosowaniu lupy, stwierdzono występowanie rdzawych wykwitów. Pobrane z tego miejsca próbki iniektu poddane zostały badaniu w mikroskopie skaningowym. Badania wykazały występowanie w składzie iniektu cząstek żelaza, co potwierdza przedostanie się do iniektu fragmentów produktów korozji splotów. 3.4. Analiza stanu uszkodzonego kabla po jego demontażu Po demontażu zerwanego kabla dokonano wizualnej oceny jego stanu technicznego na całej długości. Stan techniczny kabla oraz stan iniektu pokazano na fot. 25÷32.
  19. 19. Strona 18 z 53 Fot. 25 Wygląd iniektu uszkodzonego kabla. Iniekt o odcieniu żółtym w górnej części kabla, o małej wytrzymałości i niezwartej strukturze Fot. 26 Wygląd iniektu uszkodzonego kabla. Zaznaczony elipsą obszar – iniekt o odcieniu żółtym, o małej wytrzymałości i niezwartej strukturze
  20. 20. Strona 19 z 53 Fot. 27 Ogniska korozji widoczne po usunięciu iniektu; wżery korozyjne Fot. 28 Ogniska korozji – widoczne po usunięciu iniektu Wżery korozyjne
  21. 21. Strona 20 z 53 Fot. 29 Ogniska korozji splotów – widoczne po usunięciu iniektu Fot. 30 Przekrój uszkodzonego kabla po demontażu. Ogniska korozji na drutach splotu kabla Ogniska korozji splotów
  22. 22. Strona 21 z 53 Fot. 31 Korozja splotów nad podporą 6 – po usunięciu osłony i iniektu (kanał kablowy tylko w części wypełniony iniektem) Fot. 32 Głowica uszkodzonego kabla – po usunięciu zabezpieczającego betonu (podpora 7)
  23. 23. Strona 22 z 53 Na podstawie przeprowadzonego badania stwierdzono: – złą jakość iniektu – w części przekroju iniekt niezwiązany, o odcieniu żółtym i luźnej strukturze, – korozję spotów na przeważającej długości kabla – nie stwierdzono śladów korozji na splotach położonych na odcinku ok. 35 m od podpory 7, – lokalne występowanie korozji wżerowej na niektórych splotach. 4. Analiza systemu sprężania 4.1 Projekt sprężania Na etapie projektowania przyjęto dwa systemy sprężania konstrukcji. Jeden system był realizowany w czasie nasuwania konstrukcji, a drugi – po jej nasunięciu. W czasie nasuwania konstrukcji przyjęto system sprężania kablami umieszczonymi w elementach konstrukcji betonowej przęseł. Następnie po nasunięciu konstrukcji przewidziano system sprężenia kablami swobodnymi, usytuowanymi wewnątrz przekroju przęseł – wewnątrz dźwigara skrzynkowego. Wszystkie kable zaprojektowano jako kable wielosplotowe: 31L15,7; 25L15,7; 19L15,7; 13L15,7; 7L15,7. Kable wymagane na etapie nasuwania konstrukcji (kable wewnętrzne) oznaczono literami E (2 x 13L15,7) i G (2 x 13L15,7) – kable prowadzono górą oraz H (2 x 7L15,7) i F (2 x 7L15,7) – kable prowadzone dołem. Zaprojektowano je jako kable prostoliniowe, prowadzone odpowiednio w górnej i dolnej płycie skrzynki. Tzw. kable docelowe zaprojektowano jako kable swobodne i zlokalizowano je wewnątrz przekroju skrzynkowego. Oznaczono je literami A (31L15,7), B (31L15,7), C (31L15,7) – kable prowadzone po trasach łamanych, Dd1 do Dd6 (13L15,7) – kable prostoliniowe zlokalizowane przy dolnej krawędzi przekroju w przekrojach przęsłowych (przęsła 1 do6) i Dd7 (25L15,7) – przęsło 7 oraz Dg1 do Dg6 (7L15,7) – kable prostoliniowe, nad podporami 2 do 7. Zgodnie z programem sprężania, wg dokumentacji powykonawczej, przewidziano następujący sposób sprężania konstrukcji: „Program sprężania. Sprężanie centryczne i poprzeczne ustroju niosącego estakady E5” Autor: Maciej Hildebrand, wrzesień 2006 W programie sprężania przewidziano naciąganie naprzemiennie kabli, tzn. tak, aby po jednej stronie przekroju nie było przewagi większej niż o jeden naciągnięty kabel. Naciąg
  24. 24. Strona 23 z 53 miał być wykonywany jednostronnie z odczytem na stronie biernej. Przewidziano naciąg za pomocą prasy K350C (prasa do naciągu kabli wielosplotowych). „Program sprężania. Sprężanie zewnętrzne estakady E5” Autor: Andrzej Berger, styczeń 2007 Przewidziano naciąganie naprzemiennie, tzn. tak, aby po jednej stronie przekroju nie było przewagi większej niż o jeden naciągnięty kabel. Przyjęto zasadę, iż w pierwszej kolejności będą naciągane kable w środku rozpiętości przęsła (kable oznaczone symbolem Dd oraz indeksem cyfrowym) oraz kable nadpodoprowe (oznaczone symbolem Dg oraz indeksem cyfrowym). W dalszej kolejności przewidziano, że sprężane będą kable przebiegające przez dwa przęsła (kable oznaczone symbolami A, B i C oraz indeksami cyfrowymi). Sprężenie miało być prowadzone w kierunku obu końców estakady, począwszy od podpory nr 5, na której zainstalowano łożysko stałe. Przyjęto sprężanie za pomocą pras przewidzianych do kabli wielosplotowych. Przyjęto, ze naciąg kabli będzie wykonywany z obu stron. W programie przyjęto, że ewentualnie w przypadku kabli sprężających przechodzących tylko przez przekroje przęsłowe albo podporowe, będzie realizowane za pomocą prasy jednosplotowej, metodą splot po splocie. Zwraca się uwagę, że opisany program sprężania został ustalony na podstawie dokumentacji, opatrzonej pieczęciami: „Dokumentacja powykonawcza”, a więc nominalnie wg takiej kolejności i w taki sposób realizowany był naciąg. Jest to uwaga o tyle istotna, że przyjęty sposób sprężania oraz kolejność naciągu ma istotny wpływ na wartość strat doraźnych oraz wartość ewentualnych tzw. momentów wzbudzonych, a więc parametrów przyjętych na etapie projektowania konstrukcji i technologii sprężania. 4.2. Analiza rzeczywistego sposobu sprężania kablami swobodnymi Jak wynika z dostępnych protokołów sprężania, w rzeczywistości sposób sprężania był odmienny niż wynikało z programu sprężania, mimo, że program ten został potwierdzony jako „Dokumentacja powykonawcza”, więc nominalnie sposób sprężania powinien tak przebiegać, jak we wzmiankowanym dokumencie. Wobec przedstawionej poniżej rzeczywistej technologii sprężania, odmiennej od zamieszczonej w omawianym dokumencie, nie można nadać mu cech „dokumentacji powykonawczej”. W
  25. 25. Strona 24 z 53 oparciu o protokoły sprężania ustalono, że w przypadku estakady E5 – konstrukcja wschodnia, sprężanie docelowe konstrukcji odbywało się w sposób zasadniczo odmienny od zatwierdzonego programu sprężania. Zwłaszcza dotyczy to sprężania kablami swobodnymi (sprężenie docelowe). Stwierdzono ponadto, że sprężanie kablami docelowymi realizowano częściowo, jeszcze przed sprężeniem montażowym ostatniego segmentu (data sprężenia kabli wewnętrznych B2-1.06; A1 – 25.06 B1 – 26.06 i 27.06; C1 – 26.06, A2 – 29.06; C2- 03.07, a kabli centrycznych (wymaganych w czasie nasuwania konstrukcji) odpowiednio: G8 – 04.06 (kabel nad podporą 8 – przedostatni segment), H9 i F8 – 03.07 a kabli E8 i G9 – 04.07. Sprężanie centryczne wykonywano sekwencyjnie, poczynając od segmentu S1 do S14, przy czym w czasie sprężania, przed sprężeniem kabli G8 znajdujących się w segmencie S14 (segment nad podporą 8), dokonano sprężenia dwóch kabli sprężenia wewnętrznego, tj. kabli oznaczone jako B2 (kable długie – 130 m, zlokalizowane pomiędzy podporą 6 i 8, a więc obejmujące segmenty S10, S11, S12, S13 i S14). Po sprężeniu centrycznym kabli G8, dokonano sprężenia długich kabli wewnętrznych oznaczonych A1, B1, C1, A2 i C2, tj. jeszcze przed sprężeniem centrycznym ostatniego segmentu S15, przy czym, jak wynika z dat na protokołach sprężenia, część kabli segmentu 15 (H i F) sprężano w tym samym dniu co kable wewnętrzne C2 (patrz zestawienie dat sprężania zamieszczone powyżej). Ponadto sprężanie kabli długich rozpoczęto od podpory pierwszej, a nie jak przewidziano w projekcie od środka estakady, a część kabli długich (krzywoliniowe) sprężono przed kablami krótkimi. Dopiero po sprężeniu części kabli długich dokonano sprężenia kabli krótkich (prostoliniowych), by po sprężeniu wszystkich kabli krótkich dokończyć sprężanie kablami długimi A i C (prowadzone po trasach łamanych). Sprężenie zakończono sprężeniem kabli prostoliniowych w przęśle skrajnym (8–9). Z protokołów sprężania wynika również, że ze względu na brak możliwości zamocowania pras wielosplotowych z dwóch stron kabli, dokonano naciągu długich kabli 31-splotowych, z jednej strony. Ma to istotny wpływ na wielkość strat doraźnych od sprężania (patrz pkt. 8.2). Ponadto w „dokumentacji powykonawczej" stwierdzono występowanie dwóch protokołów sprężania odnoszących się do tego samego kabla, z dwoma rożnymi „pomierzonymi” wartościami wydłużenia spotów (kable oznaczone jako F1). Podsumowując należy stwierdzić, że przeanalizowana na podstawie protokołów sprężania kolejność naprężania poszczególnych kabli odbiegała w sposób istotny od
  26. 26. Strona 25 z 53 opisanego i potwierdzonego opisem „dokumentacja powykonawcza” programu sprężania, a przede wszystkim: – sprężanie kablami swobodnymi (znajdującymi się wewnątrz konstrukcji przęseł) rozpoczęto jeszcze przed naprężeniem wszystkich kabli wewnętrznych (w płytach skrzynki), – sprężanie kablami swobodnymi generalnie rozpoczęto od kabli długich krzywoliniowych (zamiast od kabli krótkich), – sprężanie kablami długimi odbywało się od podpory skrajnej, a nie jak przewidziano w projekcie od podpory środkowej, – naprężania kabli drugich dokonywano z jednego końca, a nie jak przewidziano w projekcie z dwóch stron. Jeśli więc przyjmiemy, że program sprężania był skorelowany z procesem projektowania, zmiany w zrealizowanym sposobie sprężania musiały mieć wpływ na wartości strat doraźnych sprężania i rozkład sił wewnętrznych wywołanych sprężeniem. Autorzy opracowania nie znaleźli natomiast w dokumentacji powykonawczej żadnych informacji, by Autor projektu dokonał odpowiednich korekt w obliczeniach wytrzymałościowych konstrukcji wynikających ze zmiany opracowanego programu sprężania. 4.3 Analiza sposobu iniekcji kanałów kablowych – kable zewnętrzne Zgodnie z programem sprężania, oznaczonym klauzulą „dokumentacja powykonawcza”, kanały kablowe, po sprężeniu miały być zainiektowane zaczynem cementowym. Projektowano wykonanie zaczynu składającego się z: – 200 kg cementu portlandzkiego bez dodatków CEMI 42,5 (R), – 72÷76 l wody, – 2 kg preparatu o nazwie Tricosal 183, a więc przyjęto nominalnie 1% dodatku pęczniejącego Tricosal 183 w stosunku do ilości betonu cementu. Z protokołów iniekcji wynika, że do wykonania iniektu, przeliczając na 200 kg cementu stosowano 76 l wody oraz 2 kg preparatu Tricosal 183, a więc skład był zgodny z recepturą podaną programie sprężania. Natomiast z przedstawionego w roku 2017 programu naprawczego wynika, że stosowano większa ilość wody (do 40 l na 100 kg cementu) oraz dwukrotnie większa ilość preparatu Tricosal 183 (2 kg preparatu na 100 kg cementu) niż
  27. 27. Strona 26 z 53 zakładano w projekcie sprężania. Zwraca się również uwagę, że jednym z współautorów programu sprężania była osoba, która opracowała program naprawczy (po zerwaniu kabla). Z rozmów przeprowadzonych z wykonawcą sprężania wynika, że w rzeczywistości zastosowano skład mieszanki do iniekcji opisany w programie naprawczym, a więc zastosowano maksymalną dopuszczalną ilość preparatu powodującego pęcznienie iniektu o nazwie Tricosal 183. W oparciu o program sprężania ustalono, że teoretyczna ilości zaczynu dla poszczególnych typów kabli wynosi: – 3,1 l/mb dla kabli typu 13C15, – 5,22 l/mb dla kabli typu 19C15, – 6,67 l/mb dla kabli typu 25C15, – 8,42 l/mb dla kabli typu 31C15. Jak wynika z protokołów z przeprowadzonej iniekcji, nominalnie została zachowana receptura iniektu przewidziana w programie sprężania. Uzyskany stosunek w/c wynosił 0,38. Jednak w dokumentacji powykonawczej nie znaleziono protokołów wszystkich badań zaczynu zastosowanego do iniekcji, przewidzianych w projekcie sprężania (brak wyniku badań płynności – lepkości umownej – oraz wytrzymałości). Biorąc pod uwagę nominalną długośc kabli, teoretyczna objetość iniektu wtłaczanego do osłon kabli typu: – 31C15 – długości 130 m powinna wynosić: 1094 l, – 31C15 – długości 125 m powinna wynosić: 1052 l, – 31C15 – długości 101 m powinna wynosić: 850 l , – 31C15 – długości 65 m powinna wynosić: 547 l, – 25C15 – długości 28 m powinna wynosić: 167 l, – 19C15 - długości 21 m powinna wynosić: 109 l, – 19C15 – długości 10 m powinna wynosić: 52 l, – 13C15 – długości 10 m powinna wynosić: 31 l. Jednak jak wynika z protokołów iniekcji, przykładowo wtłoczono: – w kanały kablowe 31C15 długości 130 m: od 1031 do 1042 l (nominalnie 1094 l – mniej ok. 5%), – w kanały kablowe 31C15 długości 101 m: od 798 do 802 l (nominalnie 850 l – mniej ok. 6%) – w kanały kablowe 31C15 długości 125 m: od 987 do 989 l (nominalnie 1052 l – mniej ok. 6%),
  28. 28. Strona 27 z 53 – w kanały kablowe 31C15 długości 65 m: od 518 do 522 l (nominalnie 547 l – mniej ok. 5%) – w kanały kablowe 25C15 długości 101 m: od 798 do 800 l (nominalnie 850 l – mniej ok. 6%) Ponadto w „dokumentacji powykonawczej" w przypadku wielu kanałów kablowych, występują po dwa protokoły sprężania, ze sprzecznymi danymi dotyczącymi procesu iniekcji. Przykładowo: – w przypadku kabla C1 znajdują się dwa protokoły iniektowania datowane na 28.08.2007, które podają odpowiednio wtłoczoną ilość zaczynu: C1P – 1033 l (czas 26 min), C1L – 1031l (czas 24 min) oraz C1P – 1032l (czas 25min) i C1L – 1031 l (czas 25 min), – w przypadku kabla B1 znajdują się dwa protokoły iniektowania datowane na 29.08.2007, które podają odpowiednio wtłoczoną ilość zaczynu: B1P – 1042 l (czas 26 min), B1L – 1040l (czas 26 min) oraz B1P – 1039l (czas 25min) i B1L – 1041 l (czas 26 min), – w przypadku kabla A2 znajdują się dwa protokoły iniektowania datowane na 30.08.2007, które podają odpowiednio wtłoczoną ilość zaczynu: A2P – 1040 l (czas 25 min), A2L – 1042 (czas 26 min) oraz A2P – 1041l (czas 25min) i A2L – 1039 l (czas 25 min). Podobnie znajdują się dwa protokołu iniektowania kabla C2, kabla B2 czy kabla A3 oznaczone tą samą data podające różne wartości wtłoczonego zaczynu i różny czas iniekcji. Ponadto na podstawie przeprowadzonych oględzin kabli stwierdzono, że iniektowanie odbywało się prawdopodobnie od strony jednej z głowic, ponieważ generalnie na długości kabli nie stwierdzono wentyli iniekcyjnych. Na długości osłon kablowych stwierdzono jedynie kilka otworów odpowietrzających) zlokalizowanych przy górnych dewiatorach. Ponadto stwierdzono kilka otworów o średnicy ok. 18 mm zlokalizowanych przy górnych dewiatorach oraz dwa otwory o średnicy ok. 6 mm na pochylonym odcinku jednego kabla krzywoliniowego. Podsumowując można stwierdzić, że generalnie w kanały kablowe wtłoczono mniej zaczynu, niż wynikałoby z teoretycznych obliczeń (mniej o 5÷6%). Sprzyjać temu mogła przyjęta technologia iniekcji (brak wentyli odpowietrzających). Prawdopodobnie efektem przyjętej technologii sprężania jest stwierdzony brak całkowitego wypełnienia iniektem kanałów kablowych zarówno uszkodzonego kabla jak i pozostałych (patrz pkt. 3.2 do 3.4). 4.4 Badania skuteczności iniekcji kanałów kablowych Badania skuteczności kanałów kablowych dokonano metodą ostukiwania osłon kablowych oraz w jednym przypadku wykonując odwiert o średnicy 5 mm w jednej z osłon
  29. 29. Strona 28 z 53 kanału (przy podporze 9), w celu potwierdzenia braku skutecznej iniekcji, ustalonego na podstawie ostukiwania osłon kablowych. Na tej podstawie stwierdzono, że osłony kablowe na znacznej długości nie są w pełni wypełnione prawidłowo (przede wszystkim brak wypełnienia przy górnej krawędzi osłony). Poza tym w kilku przypadkach stwierdzono, że brak wypełnienia kanału sięgający jego połowy wysokości („głuchy” dźwięk po uderzeniu młotkiem w osłonę). Odcinki kabli, na których stwierdzono nie prawidłowe wypełnienie osłon, pokazano na rys. Z1a÷Z1d. 5. Badania materiałowe 5.1 Badania materiału zastosowanego do iniekcji kanałów kablowych Wykonano badania próbek pobranych z trzech miejsc zerwanego kabla. Miejsca pobrania próbek oznaczono na rys. 1 (próbki pobrane w miejscach usunięcia osłony). Przeprowadzono badania makroskopowe i chemiczne pobranych próbek. Próbkę nr 1 pobrano w miejscu stwierdzonego zerwania kabla sprężającego (fot. 33), próbkę nr 2 i 3 – w kolejnych miejscach usunięcia osłony (miejsca, w których nie doszło do zerwania kabla - fot. 34). Próbki te poddano badaniom makroskopowym i chemicznym, a także badaniom w mikroskopie skaningowym. Stan zaczynu cementowego w miejscu wykonania odkrywek był zróżnicowany. W miejscu, w którym wystąpiła silna, wżerowa korozja i zerwana została przeważająca liczba splotów, zaczyn cementowy miał postać luźnej, niezwiązanej mieszaniny cząstek (grudek). Materiał w chwili pobrania był wilgotny i rozpadał się na drobniejsze cząstki w dłoniach. Kolor mieszaniny był ciemnoszary. W pozostałych miejscach iniekt był co prawda pokruszony, ale grudki miały zwartą postać. Pokruszenie iniektu było spowodowane prawdopodobnie efektem działania przemieszczającego się w otulinie kabla sprężającego. W miejscu pobrania próbki nr 2 iniekt był również wilgotny (miejsce, w którym stwierdzono ogniska korozji). Badania przy wykorzystaniu mikroskopu skaningowego wykazały też wyraźne zróżnicowanie struktury iniektu. Próbka pobrana w miejscu zerwanego kabla wykazywała strukturę wskazującą na brak prawidłowej krystalizacji cementu. Wskazuje to prawdopodobne na zaburzenia w procesie wiązania cementu. W pozostałych próbkach stwierdzono strukturę charakterystyczną do związanego cementu.
  30. 30. Strona 29 z 53 Fot. 33 Struktura iniektu pobrana z miejsca, w którym doszło zerwania kabla
  31. 31. Strona 30 z 53 Fot. 34 Struktura iniektu pobrana z miejsca, w którym nie doszło zerwania kabla
  32. 32. Strona 31 z 53 W próbce pobranej z odkrywki oznaczonej jako „C” na rys. 1 stwierdzono występowanie cząstek żelaza. Potwierdziło to makroskopowe obserwacje splotów, na których zaobserwowano ziarna (ogniska) z produktami korozji (fot. 27÷30). Badania pH betonu. Wszystkie pobrane próbki miały pH w przedziale od 12,2 do 12,5, a więc odczyn silnie zasadowy. Iniekt nie jest więc skarbonatyzowany. Stal w takim środowisku ulega pasywacji. Zawartość chlorków W żadnej z badanej próbek zaczynu nie twierdzono obecności chlorków. 5.2 Badania stali sprężającej Na fot. 35, 36 pokazano zdjęcie struny w mikroskopie skaningowym pobranej z miejsca, w którym wystąpiły uszkodzenia korozyjne oraz z miejsc bez uszkodzenia. Widoczne są spękania włókien struny pobranej z miejsca, w którym stwierdzono uszkodzenie korozyjne.
  33. 33. Strona 32 z 53 Fot. 35 Widok struny nieuszkodzonej korozyjnie
  34. 34. Strona 33 z 53 Fot. 36 Widok struny uszkodzonej korozyjnie (widoczne pęknięcia w poprzek włókien)
  35. 35. Strona 34 z 53 6. Przyczyny bezpośrednie zerwania kabla sprężającego Na podstawie przeprowadzonych badań i studiów literaturowych stwierdzono, że bezpośrednia przyczyną zerwania kabla była korozja wżerowa splotów, tzw. pitting. W miejscu, którym doszło do zerwania splotów składających się na kabel stwierdzono ogniska korozji na odcinku ok. 3,0 m. W miejscu tym iniekt nie miał zwartej struktury i był pokruszony (fot. 25, 26). Ponadto iniekt w tych miejscach był wilgotny (częste występowanie iniektu o takiej strukturze stwierdzono również w czasie badania uszkodzonego kabla po jego demontażu). Badania chemiczne iniektu pobranego z miejsca zerwania kabla wykazały, że ma on odczyn silnie zasadowy (pH 12,3), co nominalnie powinno prowadzić do pasywacji stali i zabezpieczać przed korozją. Nie stwierdzono w nim również występowania chlorków. Nominalnie więc w środowisku, w którym umieszczono kable, występowały korzystne warunki z punktu widzenia ochrony stali przed korozją. Na podstawie dokonanych analiz przyjęto hipotezę, że przyczyną wystąpienia korozji wżerowej było powstanie mikroogniw galwanicznych. Stawia się hipotezę, że do powstania mikroogniw przyczyniło się napowietrzenie iniektu (efekt niestarannego odpowietrzenia zaczynu – brak na długości kabli wentyli odpowietrzających). Do zwiększonej ilości powietrza w zaczynie mógł przyczynić się duży dodatek środka – Tricosal 183, w którym jako środek ekspansywny zastosowano aluminium. Powstaniu korozji wżerowej sprzyjało również zawilgocenie iniektu, spowodowane prawdopodobnie dodaniem zbyt dużej ilości wody do zaczynu. W efekcie nie cała woda weszła w reakcję z cementem, a jej nadmiar nie mógł odparować z uwagi na szczelność osłony kabli. W takim środowisku, w miejscach napowietrzonych, tworzy się obszar katodowy, a w miejscach o zmniejszonej ilości powietrza – obszar anodowy. Do takiej polaryzacji powierzchni stali sprężającej mogą również prowadzić zanieczyszczenia na kablu, powstałe przed jego wbudowaniem i zainiektowaniem. W obecności wilgoci zawartej w iniekcie (w obecności elektrolitu) dochodzi do przepływu prądu pomiędzy anodą i katodą i następuje korozja obszarów anodowych. Hipotezę tę potwierdzają ogniska korozji stwierdzone poza miejscem zerwania kabla (fot. 27÷30). Z punktu widzenia powstawania ognisk korozji bardziej korzystny jest całkowity brak iniektu, gdy kabel (stal sprężająca) znajduje się w środowisku gazowym (w powietrzu). Wtedy procesy korozyjne przebiegają wolniej, co potwierdził stan powierzchni splotów w miejscu, w którym po zerwaniu kabla doszło do uszkodzenia osłony i gdzie stwierdzono całkowity brak iniektu. W miejscu tym stwierdzono jedynie występowanie korozji równomiernej, bez wyraźnych ognisk korozyjnych (wżerów).
  36. 36. Strona 35 z 53 Do silnego rozwoju korozji, co doprowadziło do zerwania kabla, mogło przyczynić jego lokalne zanieczyszczenie. Potwierdzeniem hipotezy, że przyczyną korozji kabli jest nieprawidłowa iniekcja kanałów kablowych, w tym zła jakość iniektu, jest stwierdzenie występowania ognisk korozji na prawie całej długości zerwanego kabla. Jeśli hipoteza ta jest prawdziwa – a wskazują na to zarówno badania iniektu, jak i stanu zerwanego kabla, to z uwagi na to, że w podobny sposób prowadzono iniekcję pozostałych kabli (ten sam skład mieszanki stosowanej do iniekcji oraz ta sama technologia iniekcji), również w przypadku innych kabli mogą występować mniejsze lub większe ogniska korozji, co może w przyszłości doprowadzić do ich zerwania. Wniosek ten dotyczy nie tylko analizowanej estakady wschodniej E5, ale wszystkich pozostałych obiektów składających się na przeprawę „Most Unii Europejskiej” w ciągu drogi krajowej 25. 7. Analiza dokumentacji powykonawczej Analiza dokumentacji oznaczonej jako „dokumentacja powykonawcza” wskazuje na istotne braki w niej występujące. Ponadto wiele elementów z projektu pierwotnego jest oznaczone jako „dokumentacja powykonawcza”. Dostępna dokumentacja jest niekompletna, a w niektórych przypadkach podaje sprzeczne informacje dotyczące sposobu wykonania konstrukcji. Poza tym, nie wszystkie dokumenty są jednoznacznie opisane, ze wskazaniem kto jest np. autorem zmian w projekcie podstawowym (kto jest autorem projektu zamiennego). Dotyczy to np. kluczowego dokumentu, jakim jest projekt zamienny sposobu budowy estakady – zamiast budowy metodą „przęsło po przęśle” budowa metodą „nasuwania podłużnego”, na którym brak jest wskazania, kto jest jego autorem. Poza tym, niektóre dokumenty, na których znajduje się opis „dokumentacja powykonawcza” nie odpowiadają rzeczywistości. Dotyczy to np. wspomnianego już sposobu sprężania konstrukcji. Poza tym, podane przez faktycznego Autora projektu zamiennego (formalny Autor projektu wskazany na dokumentach odbiorczych jest inny) wartości sił sprężających są inne niż przyjęte w programie sprężania i potwierdzone z protokołami sprężania. Ponadto podane przez faktycznego projektanta wartości strat doraźnych są niewiarygodne. Przykładowo podane, jako przyjęte na etapie projektowania straty doraźne krótkich kabli prostoliniowych są identyczne ze stratami kabli długich, prowadzonych po trasach wielokrotnie załamanych.
  37. 37. Strona 36 z 53 Dlatego też dokumentacja oznaczona jako „Dokumentacja powykonawcza” jest niewiarygodna i w naszej ocenie nie opisuje faktycznego sposobu zaprojektowania i wykonania przęseł estakady E5. 8. Analiza wpływu zerwania kabli na rozkład sił wewnętrznych 8.1 Uwagi wstępne Dokumentacja pierwotna zakładała, ze estakady będą montowane metodą „przęsło po przęśle”. Dla tak przyjętego sytemu montażu zawarty jest w dokumentacji projektowej wyciąg z obliczeń statyczno-wytrzymałościowych. Zwraca się ponadto uwagę, że dokumentacja pierwotna projektu budowy estakady ma klauzulę „dokumentacja powykonawcza”. Prawdopodobnie już na etapie realizacji inwestycji pojawił się projekt zamienny, w oparciu o który realizowana była budowa estakady. W projekcie zamiennym przyjęto, że estakada będzie budowana metoda nasuwania podłużnego, przyjmując stanowisko do nasuwania po stronie mostu na Warcie (pomiędzy podporą 8 i 9). W taki sposób był realizowany obiekt. Skutkowało to m.in. odmiennym od założonym w projekcie pierwotnym sposobem sprężenia konstrukcji i wynikającym z tego powodu wartościami naprężeń zawartymi w opracowaniu: Projekt architektoniczno-budowlany. Tom IV – Część opisowa”. Brak jest natomiast do zamienionego systemu montażu w dostępnej dokumentacji powykonawczej, podstawowych informacji dotyczących przyjętych w projekcie parametrów sprężania, a przede wszystkim informacji dotyczących przyjętych parametrów sprężania: – wartości początkowej siły sprężającej, w miarodajnych przekrojach (najbardziej wytężonych), – wartości mimośrodu wypadkowej siły sprężającej, w miarodajnych przekrojach (najbardziej wytężonych), – przyjętej maksymalnej wartości początkowego wytężenia siły sprężającej, tzn. czy w obliczeniach uwzględniono przyrost naprężeń w kablach swobodnych na skutek odkształceń całego elementu (pkt. 5.10.8 EC2). Ponadto w dostępnej brak jest informacji, kto jest autorem projektu. (Na rysunkach projektu zamiennego brak jest autora projektu zamiennego oraz osoby sprawdzającej). Ponadto stan niepewności, co do przyjętych parametrów sprężania, pogłębiają również uzyskane od prawdopodobnego Projektanta obiektu przyjętych na etapie projektowania wartości początkowych sił sprężających oraz strat sprężania.
  38. 38. Strona 37 z 53 Powyższe informacje podaje się, ponieważ m.in. z tego powodu brak jest możliwości weryfikacji poprawności obliczeń statyczno-wytrzymałościowych. Dlatego w dalszej części opracowania przeanalizowano jedynie wpływ skutków odstępstw od założeń projektowych ustalonych na podstawie dostępnej dokumentacji m. in. projektu sprężania czy protokołów sprężania, na potencjalne zmiany w rozkładzie sił wewnętrznych. Przeanalizowano również potencjale zmiany w rozkładzie sił wewnętrznych od sprężania, po zerwaniu kabla C2 oraz potencjalnych skutków zerwania kolejnych kabli. 8.2 Analiza wpływu sposobu sprężania na wartość strat doraźnych od sprężania Poniżej pokazano przykładowo różnice wartości strat doraźnych w wewnętrznych (tzw. docelowych) kablach sprężających, prowadzonych po trasach łamanych. Są to kable 31C15,7, które w zasadniczy sposób decydują o nośności przęseł. Ponieważ w dokumentacji projektowej brak jest informacji o parametrach sprężania (m.in. początkowa wartość siły sprężającej, wartości mimośrodów) wykorzystane w analizie wartości przyjęto na podstawie projektu sprężania oraz analizy rysunków projektu zamiennego. Parametry wymagane do obliczenia strat doraźnych sprężania przyjęto na podstawie katalogu firmy Freysinnet. Przeanalizowano dwa przypadki: – naciąg dwustronny (zgodnie z projektem sprężania), – naciąg jednostronny (faktycznie zrealizowany). Ponadto przyjęto, ze naciąg był realizowany prasą wielosplotową – równoczesny naciąg wszystkich splotów. Obliczenia przeprowadzono ponadto dla dwóch przypadków potencjalnych strat od niezamierzonego sfalowania kanałów kablowych: – tarcie wywołane tą przyczyną na całej długości kabli, – tarcie wywołane tą przyczyna jedynie na odcinkach kabli znajdujących się wewnątrz bloku betonowego – pominięcie tarcia na odcinkach, w których osłona HPDE znajdowała się poza betonem.
  39. 39. Strona 38 z 53 A. Dane przyjęte do obliczeń na podstawie „Projektu sprężania” Tab. 1 Dane przyjęte do analizy kabel 31C15,7 długość 130 [m] Pole przekroju kabla Ap 4650 [mm2 ] Wytrzymałość stali sprężającej 1860 [MPa] Charakterystyka osłony kabli HDPE [-] średnica 140mm grubość 6,7mm Początkowa siła sprężająca P0 (na zakotwieniu) 6562 [kN] Moduł sprężystości stali splotów Es 195 [GPa] 𝑎 𝑝 = 4𝑚𝑚 – średnia wartość poślizgu w zakotwieniu (wg dziennika sprężania) k = 0,007 - suma kątów niezamierzonych zakrzywień trasy na jednostkę długości; wartość wg Aprobaty Technicznej na system sprężania firmy Freyssinet 𝜇 = 0,12 - współczynnik tarcia między cięgnem i jego kanałem; wartość wg Aprobaty Technicznej na system sprężania firmy Freyssinet B. Straty spowodowane tarciem Uwzględniono straty spowodowane tarciem wynikające z łamanej trasy kabla oraz niezamierzonych kątów falowania na odcinakach prostych. Trasę przyjęto jako poligonalną, z pominięciem zakrzywień trasy kabli na dewiatorach górnych i dolnych. Wyniki przestawiono na rys. 2 i 3, przy założeniu: – strata od niezamierzonego falowania kanału na całej długości kabla (rys. 2), – strata od niezamierzonego falowania kanału tylko na długościach dewiatorów (rys. 3), przy czym odpowiednio: a) naciąg dwustronny – pierwotnie zakładany w projekcie (rys. 2a, 3a), b) naciąg jednostronny – zrealizowany na budowie (rys. 2b, 3b),
  40. 40. Strona 39 z 53 Rys. 2 Straty spowodowane tarciem dla naciągu a) dwustronnego b) jednostronnego; wartości przedstawiają sumaryczne zmniejszenie siły sprężającej za każdym dewiatorem - strata od niezamierzonego falowania kanału uwzględniona na całej długości kabla Rys. 3 Straty spowodowane tarciem dla naciągu a) dwustronnego b) jednostronnego; wartości przedstawiają sumaryczne zmniejszenie siły sprężającej za każdym dewiatorem - strata od niezamierzonego falowania kanału uwzględniona tylko na długościach dewiatorów Uwaga. Podane na rys. 2 i 3 przy wektorach wartości sił oznaczają wartość straty doraźnej wywołanej tarciem za kolejnym dewiatorem. Z przedstawionej analizy wynika, że w wariancie pierwszym (strata od niezamierzonego falowania kanału uwzględniona na całej długości kabla) największa wartość straty wynosi 787 kN dla naciągu dwustronnego oraz 1464 kN dla naciągu jednostronnego, co stanowi odpowiednio 12% oraz 22% wartości początkowej siły sprężającej. W wariancie drugim (strata od niezamierzonego falowania kanału uwzględniona tylko na długościach dewiatorów) największa wartość straty wynosi 558kN dla naciągu dwustronnego oraz 962 kN dla naciągu jednostronnego, co stanowi odpowiednio 8,5% oraz 15% wartości początkowej siły sprężającej.
  41. 41. Strona 40 z 53 C. Straty wywołane poślizgiem w zakotwieniach Straty wyznaczono od strony zakotwienia czynnego do punktu, w którym wartość strat od tarcia jest większa od strat od poślizgu. Wartość i zasięg strat przedstawiono na rys. 4. Rys. 4 Straty spowodowane poślizgiem w zakotwieniach (schemat dla przypadku naciągu jednostronnego) D. Straty wywołane sprężystym skrótem betonu a) w przypadku, gdy kable krótkie były sprężane w pierwszej kolejności: 340 kN – strata w kablu sprężanym w pierwszej kolejności, 0 kN - strata w kablu sprężanym w drugiej kolejności. b) w przypadku, gdy kable krótkie były sprężane w drugiej kolejności: 470kN – strata w kablu sprężanym w pierwszej kolejności, 130kN - strata w kablu sprężanym w drugiej kolejności. E. Podsumowanie wyników analizy wartości strat w zależności od sposobu sprężania Ostatecznie oszacowano następujące sumaryczne wartości strat doraźnych w przekrojach krytycznych – oznaczonych cyframi rzymskimi na rys. 5. Rys. 5 Analizowane przekroje krytyczne
  42. 42. Strona 41 z 53 Tab. 2 Porównanie wartości strat doraźnych przy naciągu jedno- i dwustronnym dla przypadku gdy kable krótkie były sprężane w pierwszej kolejności przekrój SUMA - naciąg jednostronny +wariant a) SUMA - naciąg dwustronny +wariant a) [kN] %P0 [kN] %P0 I-I 917 14 917 14 II-II 1127 17 1127 17 III-III 1457 22 917 14 IV-IV 1687 26 574 9 Tab. 3 Porównanie wartości strat doraźnych przy naciągu jedno- i dwustronnym dla przypadku gdy kable krótkie były sprężane w drugiej kolejności przekrój SUMA - naciąg jednostronny +wariant b) SUMA - naciąg dwustronny +wariant b) [kN] %P0 [kN] %P0 I-I 1047 16 1047 16 II-II 1257 19 1257 19 III-III 1587 24 1047 16 IV-IV 1817 28 704 11 Z przedstawionej analizy wynika, że w zależności od sposobu naciągu splotów: jednostronny lub dwustronny wynika, że przekroju najbardziej oddalonym od miejsca przyłożenia siły sprężającej maksymalna strata siły sprężającej różni się o ok. 9%. Wpływ zmiany kolejności naciągu kabli (najpierw długie, a potem krótkie) powoduje zwiększenie strat siły sprężającej w kablach długich o ok. 2%. Podsumowując stwierdzono, że zmiana przyjętej na etapie projektowania technologii sprężania spowodowała zwiększenie straty sprężania o ok. 10%, o tyle więc w przybliżeniu mogła zmniejszyć się w niektórych przekrojach wartość początkowej siły sprężającej, w stosunku do siły przyjętej na etapie projektowania.
  43. 43. Strona 42 z 53 8.3 Oszacowanie strat reologicznych sił w kablach swobodnych – o trasie krzywoliniowej Analiza dotyczy kabli scharakteryzowanych w pkt. 7.2 (kabel 31C15,7 długości 130 m) Dane wyjściowe: – całkowite odkształcenie skurczowe 000245,0cs – współczynnik pełzania 3,1),( 0  tt – zmiana naprężeń w cięgnach wywołana przez relaksację stali (dla drugiej klasy relaksacji stali) ∆𝜎 𝑝𝑟 = 71𝑀𝑃𝑎 Wyniki w przekrojach krytycznych (rys. 5): Obliczenia wykonano zgodnie z wytycznymi norm PN-EN 1992-1-1:2008 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu - Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków oraz PN-EN 1992-2:2010 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu - Część 2: Mosty betonowe: Projektowanie i szczegółowe zasady. Tab. 4 Wartość strat reologicznych przekrój ΔPc+s+r [kNm] %P0 I 886 13,5 II 694 10,6 III 872 13,3 IV 692 10,5 Oszacowana wartość strat reologicznych w wybranych przekrojach krytycznych znajduje się w przedziale 10,5÷13,5%. 8.4 Analiza statyczna skutków zerwania kabla 8.4.1 Cel analizy Analizę przeprowadzono w celu oszacowania konsekwencji zmiany siły sprężającej w efekcie: a) zaistniałego uszkodzenia (zerwanie) kabla sprężającego,
  44. 44. Strona 43 z 53 b) hipotetycznego uszkodzenia (zerwanie) kolejnego kabla sprężającego (wariantowo: w tych samych przęsłach, w sąsiednich przęsłach), c) zmiany technologii naciągu kabli z planowanego w projekcie (naciąg kabli "krótkich" o trasach prostoliniowych realizowany w pierwszej kolejności i dwustronny naciąg kabli "długich" 31C15,7, o trasach łamanych – wariant wynikający z „Projektu sprężania”) na zastosowany na budowie (naciąg kabli "krótkich" w drugiej kolejności i jednostronny naciąg kabli "długich" – wariant rzeczywiście zrealizowany). UWAGA: kable "krótkie" – cięgna Dd i Dg wg projektu, tj. poprowadzone tylko nad podporą lub tylko w środkowej części przęsła, kable "długie" – cięgna A, B, C wg projektu, tj. poprowadzone od podpory do podpory wzdłuż jednego lub dwóch przęseł. 8.4.2. Model obliczeniowy konstrukcji Analizę przeprowadzono metodą elementów skończonych w środowisku programu Robot. Model obliczeniowy utworzono z elementów prętowych (rys. 6). Dane geometryczne i materiałowe przyjęto wg dokumentacji projektowej. Sprężenie zamodelowano jako układ sił skupionych i momentów zginających przyłożonych do węzłów usytuowanych zgodnie z lokalizacją zakotwień i dewiatorów. Węzły te połączono w sposób sztywny z węzłami należącymi do elementów modelujących ustrój nośny przęsła, usytuowanymi w zgodnych przekrojach poprzecznych. Analizowano sprężenie siłami naciągu opisywany jako "na zakotwieniu" oraz siłami naciągu z uwzględnieniem strat sprężania. Straty sprężenia oszacowano na podstawie dodatkowych obliczeń własnych. Biorąc pod uwagę, że przy każdej ze ścianek skrzynki prowadzone są dwa "długie" kable sprężające, które kotwione są nad podporami pośrednimi mijankowo, oszacowano uśrednione straty sprężania w kablach "długich" – tab. 5. W przypadku kabli "krótkich" przyjęto, że straty wynikają wyłącznie ze zjawisk reologicznych i wynoszą 12%.
  45. 45. Strona 44 z 53 Rys. 6. Widok ogólny modelu obliczeniowego (kolorem czerwonym zaznaczono połączenia sztywne) Tab. 5. Uśrednione straty sprężania dla kabli "długich" Technologia sprężania Straty siły sprężającej [%] doraźne reologiczne suma Kable "krótkie" sprężane w pierwszej kolejności, naciąg dwustronny kabli "długich" (projekt) 14 12 26 Kable "krótkie" sprężane w drugiej kolejności, naciąg jednostronny kabli "długich" (realizacja) 21 12 33 8.4.3. Zakres analizy Przeanalizowano następujące schematy obciążenia: – schemat I: sprężenie kablami zewnętrznymi, siły sprężające jak "na zakotwieniu", – schemat I-S: sprężenie kablami zewnętrznymi, siły sprężające z uwzględnieniem strat, – schemat II: zmniejszenie sprężenia spowodowane zerwaniem jednego kabla C2, siły sprężające jak "na zakotwieniu", – schemat II-S: zmniejszenie sprężenia spowodowane zerwaniem jednego kabla C2, siły sprężające z uwzględnieniem strat, – schemat III: zmniejszenie sprężenia spowodowane zerwaniem obu kabli C2, siły sprężające jak "na zakotwieniu", – schemat III-S: zmniejszenie sprężenia spowodowane zerwaniem obu kabli C2, siły sprężające z uwzględnieniem strat, – schemat IV: zmniejszenie sprężenia spowodowane zerwaniem kabli C2 i A3 po tej samej stronie skrzynki, siły sprężające jak "na zakotwieniu",
  46. 46. Strona 45 z 53 – schemat IV-S: zmniejszenie sprężenia spowodowane zerwaniem kabli C2 i A3 po tej samej stronie skrzynki, siły sprężające z uwzględnieniem strat, – schemat V: zmniejszenie sprężenia spowodowane zmianą technologii sprężania, spowodowana różnymi stratami siły sprężającej. 8.4.4 Wybrane wyniki analizy Wyniki analizy przedstawiono na wykresach naprężeń w skrajnych (górnych i dolnych) włóknach dźwigara skrzynkowego. Na rys. 7 pokazano efekt sprężenia, natomiast na rysunkach 8÷11pokazano utratę efektu sprężenia, co należy interpretować jako "sprężenie, którego w konstrukcji brakuje". Na wykresach pokazanych na rys.7÷11 na osi poziomej odłożono odległość od podpory nr 1 wyrażoną w metrach, a na osi pionowej – wartość naprężenia w MPa. Na wykresach linie ciągłe odnoszą się do sprężenia siłami o wartościach jak "na zakotwieniu", a linie przerywane – do sprężenia z uwzględnieniem strat. Symbole: sD i sG – naprężenie normalne w włóknie dolnym i górnym, sDst i sGst – naprężenie normalne w włóknie dolnym i górnym z uwzględnieniem strat sprężania. Naprężenia dodatnie oznaczają ściskanie. Rys. 7 Sprężenie kablami zewnętrznymi (schematy I i I-S) -8,00 -4,00 0,00 4,00 8,00 12,00 16,00 20,00 24,00 -24,8 35,2 95,2 155,2 215,2 275,2 335,2 395,2 455,2 sD (MPa) sG (MPa) sDst (MPa) sGst (MPa)
  47. 47. Strona 46 z 53 Rys. 8 Zmniejszenie siły sprężającej w efekcie zerwania jednego kabla C2 (schematy II i II-S) Rys. 9 Zmniejszenie siły sprężającej w efekcie zerwania obu kabli C2 (schematy III i III-S) Rys. 10 Zmniejszenie siły sprężającej w efekcie zerwania kabli C2 i A3 przy tej samej ścianie skrzynki (schematy IV i IV-S) -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 -24,8 35,2 95,2 155,2 215,2 275,2 335,2 395,2 455,2 sD (MPa) sG (MPa) sDst (MPa) sGst (MPa) -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 -24,8 35,2 95,2 155,2 215,2 275,2 335,2 395,2 455,2 sD (MPa) sG (MPa) sDst (MPa) sGst (MPa) -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 -24,8 35,2 95,2 155,2 215,2 275,2 335,2 395,2 455,2 sD (MPa) sG (MPa) sDst (MPa) sGst (MPa)
  48. 48. Strona 47 z 53 Rys. 11 Zmniejszenie siły sprężającej w efekcie zmiany technologii sprężenia z projektowej na zrealizowaną (schemat V) 8.4.5 Wnioski Po uwzględnieniu strat sprężania zmniejszenie siły sprężającej w konsekwencji zerwania kabla C2 wynosi około 15÷20% sprężenia kablami zewnętrznymi – proporcja wartości rzędnych wykresów zaznaczonych liniami przerywanymi, niebieską w przęsłach 5-6 i 6-7 oraz brązową nad podporą 6, na wykresach pokazanych odpowiednio na rys. 8 i rys. 7. Bezwzględne wartości zmniejszenie naprężeń od sprężenia pokazano na rys. 8. Po uwzględnieniu strat sprężania zmniejszenie naprężeń od sprężenia w przypadku zerwania kolejnego kabla może osiągnąć wartość około 35%, tak w przęśle jak nad podporą – proporcja wartości rzędnych wykresów zaznaczonych liniami przerywanymi, niebieską w przęsłach 5-6 i 6-7 oraz brązową nad podporą 6, na wykresach pokazanych odpowiednio na rys. 9 i rys. 7. Bezwzględne wartości zmniejszenia naprężeń od sprężenia pokazano na rys. 9 i rys. 10. Po uwzględnieniu strat sprężania zmniejszenie naprężeń od sprężenia w konsekwencji zmiany technologii sprężania nie przekracza 0,5 MPa (linie niebieska i brązowa na rys. 11), z wyjątkiem przęsła nr 8 (niebieska linia na rys. 11), gdzie jest ona równa około 1 MPa. 9. Analiza zarysowania konstrukcji estakady Rysy występują w miejscu niektórych przerw technologicznych, związanych z realizacją kolejnych segmentów. Są one zlokalizowane w pobliżu miejsc momentów -0,50 -0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 -24,8 35,2 95,2 155,2 215,2 275,2 335,2 395,2 455,2 sD (MPa) sG (MPa)
  49. 49. Strona 48 z 53 zerowych od obciążenia stałego i nie mają wpływu na nośność i trwałość obiektu (fot. 37÷39). Rysa ukośna na ścianie bocznej skrzynki w skrajnym przęśle od strony mostu, zlokalizowana jest ok. 4,0 m od osi podparcia przęsła. Jej lokalizacja pokrywa się w przybliżeniu z lokalizacją podpory tymczasowej, na której oparte było deskowanie służące do wykonania skrajnego przęsła. Rysa ta powstała prawdopodobnie na etapie sprężania konstrukcji, w wyniku deformacji skrajnego przęsła, które – jak wynika z protokołów sprężania – zostało sprężone dopiero po sprężeniu części kabli docelowych (o trasach łamanych), z więc nie miało prawdopodobnie jeszcze wymaganej nośności na obciążenia montażowe i oparte było na rusztowaniu. Podobnie jak rysy równoległe do osi dźwigara, nie obniża ona wymaganej nośności i trwałości obiektu. Fot. 37 Rysa ukośna na ścianie bocznej przęsła skrajnego – od strony mostu (ok. 3,5 m od filara)
  50. 50. Strona 49 z 53 Fot. 38 Rysa pozioma na ścianie dolnej – w miejscu przerwy technologicznej w skrajnym przęśle od strony mostu Fot. 39 Rysa pozioma na ścianie dolnej – w miejscu przerwy technologicznej
  51. 51. Strona 50 z 53 10. Wnioski końcowe. Zalecenia Na podstawie przeprowadzonych badań ustalono, że bezpośrednią przyczyną zerwania kabla była korozja splotów. Jakkolwiek, mimo że występują niejasności i sprzeczności oraz braki w dokumentacji opisanej jako „dokumentacja powykonawcza”, to analiza dostępnej dokumentacji projektowej i przeprowadzona ograniczona analiza statyczno-wytrzymałościowa wykazały, że zastosowane rozwiązania projektowe nie miały bezpośredniego wpływu na awarię kabla. Jednak analiza zachowanej dokumentacji projektowej oraz dokumentacji związanej z realizacją obiektu nie wyklucza hipotezy, że rzeczywista nośność konstrukcji jest inna od zamierzonej. Hipotetyczną przyczyną zerwania kabla, była korozja wżerowa, na skutek powstania lokalnych mikroogniw, spowodowanych przede wszystkim złą jakością wypełnienia kanałów kablowych iniektem. Nie wyklucza się również tego, że do tak intensywnej korozji w miejscu zerwania kabla mogło przyczynić się jego lokalne zanieczyszczenie. Hipotezę o przyczynie korozji wynikającej z powstawania mikroogniw, jako efektu zróżnicowanego stopnia natlenia powierzchni kabli i ewentualnego jego lokalnego zanieczyszczenia, potwierdza brak chlorków w badanych próbach zaczynu iniekcyjnego oraz wysokie pH (powyżej 12). Nominalnie takie środowisko powinno prowadzić do pasywacji drutów wykorzystanych do wykonania splotów i zabezpieczać je przed korozją. Dodatkowe badania zerwanego kabla, wykonane po jego demontażu i usunięciu osłony wykazało ponadto: – brak pełnego wypełnienia iniektem całej osłony kabla, – złą jakość iniektu na znacznych odcinkach kabla (iniekt nie w pełni związany, o niskiej wytrzymałości, o żółtym zabarwieniu, słabo związany ze splotami), – na znacznych odcinkach rdzawy nalot na splotach, lokalnie niektóre druty wyraźnie powierzchniowo skorodowane na znacznych odcinkach, – na niektórych drutach widoczne wżery korozyjne. Dobrą jakość splotów stwierdzono jedynie na nieznacznych odcinkach odsłoniętego kabla. Na podstawie przeprowadzonych szczegółowych badań zaczynu i kabla w miejscu jego zerwania oraz badań makroskopowych całego zerwanego kabla (w tym iniektu) po jego demontażu, uważamy, że istnieje duże prawdopodobieństwo, graniczące z pewnością, że opisany stan może dotyczyć pozostałych kabli. Jest to tym bardziej prawdopodobne z
  52. 52. Strona 51 z 53 uwagi na stwierdzony brak starannego wypełnienia iniektem wielu osłon pozostałych kabli (rys. Z1a÷Z1d). Ponadto istnieje realne zagrożenie, że iniekt może być również w wielu miejscach wilgotny oraz o złej jakości, co nawet przy wypełnionych kanałach kablowych stwarza potencjalne zagrożenie występowaniem ognisk korozji. W przypadku niezahamowania procesów korozji splotów musi to doprowadzić do zmniejszenia przekroju kabli w takim stopniu, że zostanie wyczerpana ich nośność i nastąpi ich zerwanie. Nie wyklucza się, że do ewentualnego zerwania kabli może przyczynić się, poza korozją, ich przeciążenie, jeśli popełniono błędy na etapie projektowania i sprężania (niedoszacowanie strat doraźnych, niezależny naciąg pojedynczych splotów, nieuwzględnienie wzrostu naprężeń w kablach swobodnych na skutek deformacji przęseł). Przeprowadzona analiza statyczno-wytrzymałościowa wskazuje, że zmiana technologii sprężania (kolejność naciągu kabli, sposób naciągu kabli długich – naciąg jednostronny czy dwustronny), nie powoduje istotnej zmiany w rozkładzie sił wewnętrznych (naprężeń) wywołanych sprężeniem, jednak pod warunkiem poprawnej pracy wszystkich kabli. Natomiast istotny wpływ na rozkład sił wewnętrznych ma zerwanie kabla 31C15,7 („długiego”). Zerwanie jednego kabla powoduje zmniejszenie efektów sprężenia o ok. 15- 20%, natomiast zerwanie drugiego kabla „długiego” w tym samym przęśle powoduje zmniejszenie efektów sprężenia o ponad 35%. Stan taki jest groźny dla bezpieczeństwa eksploatacji konstrukcji i stwarza realne zagrożenie wystąpieniem katastrofy. Z tego powodu, do czasu naprawy (odtworzenia) uszkodzonego kabla obiekt nie może być użytkowany. W związku z tym należy: – wykonać wymianę uszkodzonego kabla na nowy (proces ten jest realizowany w czasie opracowywania niniejszej ekspertyzy); jest to warunek konieczny, którego spełnienie pozwoli na przywrócenia do użytkowania estakady, – dokonać demontażu osłon kablowych w miejscach braku wypełnienia kanału kablowego w znacznym stopniu (patrz rys. Z1a÷Z1d) i dokonać oceny stanu kabli na tych odcinkach, – w przypadku nie stwierdzenia uszkodzenia kabli na tych odcinkach na skutek korozji (niewystąpienia wżerów korozyjnych, a co najwyżej zaobserwowania niewielkich, powierzchniowych nalotów korozyjnych), wykonać nowe osłony kablowe np. z dwudzielnych rur osłonowych stosowanych do ochrony kabli energetycznych czy telekomunikacyjnych i dokonać iniekcji kabli, przy czym zaleca się dokonać iniekcji materiałami plastycznymi (woski, bitumy); w przypadku iniekcji zaczynem cementowym
  53. 53. Strona 52 z 53 należy do zaczynu dodać inhibitory korozji (można też dokonać zabezpieczenia kabli w miejscach usuniętych osłon inną metodą – technikę zabezpieczenia ustalić z wykonawca sprężenia – firmą Freyssinet); – wykonać kilka odkrywek kontrolnych w miejscach stwierdzonego przez ostukiwanie kanałów kablowych częściowego wypełnienia iniektem (w miejscach wskazanych na rys. Z1a÷Z1d, jako miejsca o niepełnym wypełnieniu osłon kablowych) i dokonać oceny stanu iniektu oraz kabli; ilość wykonanych odkrywek ewentualnie zwiększyć na podstawie bieżącej oceny stanu kabli. Wynik przeprowadzonej oceny stanu kabli w miejscach dokonanych odkrywek będzie podstawą do wydania ostatecznej opinii o warunkach dalszej eksploatacji estakady oraz podjęcia ewentualnych dalszych kroków zapewniających bezpieczeństwo eksploatacji estakady tj. naprawa zabezpieczenia antykorozyjnego kabli (iniekcji) lub ich wymiana. Ewentualna naprawa musi być poprzedzona projektem i prowadzona pod nadzorem kompetentnej osoby, mającej doświadczenie w pracach związanych ze sprężaniem konstrukcji. Wymienione badania stanu kabli należy wykonać w możliwie krótkim terminie. Do tego czasu, ponieważ przeprowadzona analiza statyczno-wytrzymałościowe nie wykazała żeby przyczyną zerwania kabla były rażące błędy projektowe, po wymianie uszkodzonego kabla, dopuszcza się eksploatację estakady na dotychczasowych zasadach, pod warunkiem regularnej oceny stanu kabli, tj. wizualnej ich oceny nie rzadziej niż co miesiąc. W razie stwierdzenia zerwania kolejnego kabla, obiekt należy natychmiast wyłączyć z eksploatacji, ponieważ ewentualne zerwanie kolejnego kabla grozi katastrofą. Niewykonanie powyższych zaleceń dotyczących zbadania stanu pozostałych kabli i skutecznego wypełnienia osłon kablowych może skutkować zerwaniem kolejnego kabla i wystąpieniem katastrofy budowlanej oraz koniecznością całkowitego wyłączenia mostu z eksploatacji i jego odbudowy. Taką ewentualność potwierdzają doświadczenia opisane w piśmiennictwie przedmiotu, jako bezpośredni skutek braku poprawnego zabezpieczenia kabli sprężających przed korozją. Niezależnie od napraw wynikających z zerwania kabla C2 oraz związanych z błędami w sposobie iniekcji cementowej kanałów kablowych, uważamy, że należy wyeliminować przecieki (naprawić system odwodnienia przęseł) oraz dokonać iniekcji sklejającej (tzw. siłowej) pęknięć dewiatorów.
  54. 54. Strona 53 z 53 Zaobserwowane zarysowanie przęseł nie stanowi aktualnie zagrożenia dla bezpieczeństwa eksploatacji. Należy je jedynie poddać regularnej obserwacji. Ponowne badania stanu rys należy przeprowadzić w przypadku ewentualnego zerwania kolejnego kabla. Uwaga końcowa. Bezwzględnie konieczne jest przeprowadzenie badania stanu kabli, w tym skuteczności wykonania iniekcji, w pozostałych obiektach przeprawy mostowej oraz prowadzenie ich stałego monitoringu. Należy się bowiem spodziewać, że z uwagi na to, że sprężenie i iniekcję kanałów kablowych wykonywała ta sama firma, wg tej samej technologii, podobne uszkodzenia kabli mogą wystąpić również w pozostałych obiektach. Opracowali: Dr hab. inż. Arkadiusz Madaj, prof. PP (upr. nr 7131/133/P/2001) Dr hab. inż. Wojciech Siekierski Mgr inż. Katarzyna Mossor
  55. 55. 8 7 9 5920 6000 140 280 360 [ ] 715 [pustki lokalne] 475 [pustki lokalne] 290 [pustki lokalne] 670 1050 390 1120 421 1250 291 990 190 130 231 1440 100 220 [ ] 500 420 170 500 300 150 910 630 140 230 skala 1:50 rys. Z1a
  56. 56. 5 67 5999 6001 470 zerwany kabel C2 zerwany kabel C2 360 50 130 970 200 1590 130 100 1440 rys. Z1b skala 1:50
  57. 57. 4 3 5 6000 6000 70 650 680 140 1340 550 700 590 50 150 4601080 200 140 270 210130 rys. Z1c skala 1:50 200
  58. 58. 3 2 1 6000 3520 390 600 100 380 550 210 180 70 440110170 rys. Z1d skala 1:50

×