a) obiektów z belek prefabrykowanych typu „Płońsk”

a) obiektów z belek prefabrykowanych typu „Płońsk”

ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZARYSOWANIA
PRZĘSEŁ WIADUKTÓW NAD FILARAMI
PO UCIĄGLENIU
BELEK PREFABRYKOWANYCH
Zakopane, 2008 r
Plan wystąpienia
Geneza tematu i skala problemu
Podstawowe dane techniczne
analizowanych obiektów
Stan techniczny
Zakres przeprowadzonych analiz
Wyniki analizy
Uwagi i wnioski końcowe
Geneza tematu (1)
W latach 70-tych XX wieku wykonano wiele
Obiektów z belek prefabrykowanych.
Był to tylko element systemu prefabrykacji – nie
dopracowano innych elementów, w tym dylatacji.
Obiekty z prefabrykowanych belek sprężonych
były projektowane na klasę I obciążenia
według normy PN-66/B-02015; nośność 30 ton.
Belki główne przenoszą obecnie obciążenie klasy C
według normy PN-85/S-10030.
Geneza tematu (2)
Ze względu na zły stan techniczny część z tych
obiektów wymaga remontu; przyczyną tego stanu
są często nieszczelne dylatacje.
Po remoncie obiekt (dźwigary główne) ma mieć
nośność odpowiadającą co najmniej klasie B,
a płyta pomostu klasie A według PN-85/S-10030
Geneza tematu (3)
Jednym ze stosowanych prefabrykatów były belki
typu „Płońsk”.
W przypadku obiektów wieloprzęsłowych często był
stosowany układ przęseł swobodnie podpartych.
Belki były opierane na oczepach; „trapezowych” lub
tak zwanych „ukrytych”.
Wybudowano dziesiątki takich obiektów.
Po trzydziestu latach eksploatacji znaczna ich część
wymaga remontu ze względu na zły stan techniczny;
głównie oczepy i końce belek.
Geneza tematu (4)
Przyczyną złego stanu były nieszczelne dylatacje.
Ze względu na trudny dostęp do miejsc naprawy jej
skuteczność i wysoka jakość są trudne do uzyskania.
Oddzielny problem to potrzeba zwiększenia nośności
przynajmniej do klasy B według PN-91/S-10030.
Cele te można osiągnąć przez uciąglenie konstrukcji.
W przypadku belek opartych na oczepach
„trapezowych” najłatwiej jest zamienić układ przęseł
swobodnie podpartych na układ ciągły (belki ciągłe).
W przypadku oczepów „ukrytych” najłatwiej jest
zmienić układ przęseł (belek) swobodnie podpartych
na układ ramowy
Podstawowe dane techniczne analizowanych obiektów (1)
Analizie poddano obiekty mostowe wykonane z belek
prefabrykowanych typu „Płońsk” o rozpiętości przęseł:
15,00, 18,00 i 21,00 m.
Przyjęto szerokość obiektu odpowiadającą jezdni o
szerokości 7,00 m oraz obustronnym chodnikom dla
pieszych o szerokości 1,25 m (typowe obiekty zamiejskie
budowane w latach siedemdziesiątych XX wieku).
Rozpatrywano obiekty mostowe o dwóch, trzech, czterech i
pięciu przęsłach (większa liczba przęseł nie wnosi do
analizy nowych elementów).
Założono, że analizowane obiekty były wykonane zgodnie z
dokumentacją typową.
Podstawowe dane techniczne analizowanych obiektów (2)
Założono, że uciąglenie zostało wykonane po rozebraniu
nawierzchni oraz izolacji.
Oznacza to, że belki po uciągleniu są obciążone nawierzchnią
i izolacją oraz dodatkową warstwą żelbetową i jej skurczem,
a także obciążeniem użytkowym.
Ciężar własny belek działa w układzie przęseł swobodnie
podpartych.
Analizowano możliwość powstania rys prostopadłych
od momentów zginających, które mogą powstać w nowej
warstwie żelbetowej.
Podstawowe dane techniczne analizowanych obiektów (3)
Analizę przeprowadzono przy obciążeniu użytkowym
klasy A, B i C według normy PN-85/S-10030 [2].
Jako porównawcze przyjęto obciążenie klasy I
według PN-66/B-02015 [1], obowiązującej w okresie
projektowania i budowy analizowanych obiektów.
Założono przy tym, że przy obciążeniu klasy I nośność
najbardziej wytężonych belek w przekroju poprzecznym
jest w pełni (w 100%) wykorzystana.
Ponieważ analizowano stan graniczny użytkowalności,
przyjmowano wartości obciążeń charakterystycznych.
Podstawowe dane techniczne analizowanych obiektów (4)
Zarysowanie sprawdzono według normy PN-91/S-10042 [3].
Jako zmienne przyjęto średnicę i rozstaw prętów
zbrojeniowych (przyjęto pręty żebrowane ze stali A-II według
PN-91/S-10042 – taka była stosowana w okresie budowy
obiektów).
Ograniczeniem możliwości wzmocnienia była nośność
na zginanie przekrojów przęsłowych oraz nośność
strefy ściskanej przekrojów podporowych (przyfilarowych).
Podstawowe dane techniczne analizowanych obiektów (5)
Rysy powstałe w płycie żelbetowej pomostu są osłonięte
przed wymianą masy przez izolację.
Z punktu widzenia korozji prętów zbrojeniowych
ich szerokość nie jest tak ważna jak rys odsłoniętych,
gdy decyduje ona o szybkości karbonatyzacji betonu
w otoczeniu prętów zbrojeniowych i tym samym zmniejsza
jego właściwości ochronne.
Podstawowe dane techniczne analizowanych obiektów (6)
Jako dopuszczalną szerokość rysy przyjęto 0,2 mm
ze względu na zagrożenie powstania uszkodzeń izolacji
przy rysach szerszych.
Wzięto przy tym pod uwagę, że w analizowanych przekrojach
występuje duża zmienność odkształcenia w stosunku do
odkształcenia średniego, gdyż udział obciążeń stałych
w obciążeniu całkowitym jest znacznie mniejszy niż gdyby
wartość momentów podporowych była zależna także od
ciężaru własnego belek.
Podstawowe dane techniczne analizowanych obiektów (7)
Rozpatrzono dwa sposoby uciąglenia; uciąglenie
monolityczne tylko przęseł (powstaje układ belkowy ciągły)
oraz monolityczne połączenie przęseł i oczepów filarów
(powstaje układ ramowy).
Założono przy tym, że sztywność na zginanie przęseł
odniesiona do ich rozpiętości jest 2,5 razy większa niż
sztywność na zginanie podpór odniesiona do ich wysokości.
Potrzebny przekrój zbrojenia wyznaczono z warunku
nośności przekrojów podporowych.
Stan techniczny
Duże zróżnicowanie w różnych częściach obiektu
oraz nawet na długości poszczególnych elementów
Liczne przecieki i zacieki na końcach przęseł oraz
korozja i ubytki betonu w oczepach, a także korozja
zbrojenia; przyczyna typowa – nieszczelne dylatacje
Korozja powierzchniowa łożysk; w wielu przypadkach
bardzo zaawansowana
Nieszczelna izolacja (przecieki wody); głównie na
końcach przęseł
Pozostałe defekty stanu technicznego są nieistotne
z punktu widzenia celu i zakresu referatu
Zakres prac remontowych i modernizacyjnych (1)
Zakres prac remontowych wynikał przede wszystkim z:
niewłaściwych współcześnie rozwiązań konstrukcyjnych
(niskie poręcze, nieszczelne dylatacje, nieszczelna
izolacja, nierówna nawierzchnia, brak elementów
odwodnienia)
złego stanu technicznego
(korozja betonu i zbrojenia, ubytki betonu,
zacieki na gzymsach wsporników chodnikowych
i oczepach, korozja łożysk)
Zakres prac remontowych i modernizacyjnych (2)
Zdecydowano się na:
naprawy powierzchniowe wszystkich elementów
żelbetowych
wymianę izolacji i nawierzchni oraz oczyszczenie
łożysk na przyczółkach
wymianę poręczy na bariero-poręcz spełniającą
współczesne wymogi bezpieczeństwa
oraz
ZMIANĘ SCHEMATU KONSTRUKCYJNEGO
Z PRZĘSEŁ SWOBODNIE PODPARTYCH NA
CIĄGŁE
Zakres przeprowadzonej analizy
Zakres prac przeprowadzonej analizy dotyczył:
a) obiektów z belek prefabrykowanych typu „Płońsk”
(zmiana schematu konstrukcyjnego):
- układ belkowy ciągły
- układ ramowy
b) Parametry analizy:
- liczba przęseł – 2 ÷ 5
- rozpiętości przęseł – 15 m, 18 m, 21 m
Wyniki przeprowadzonej analizy przedstawiono na
kolejnych wykresach
Wyniki analizy
Wyniki przeprowadzonej analizy przedstawiono na kolejnych
rysunkach 1 ÷ 10.
Pokazano na nich zależność między średnicą prętów d [mm]
oraz ich rozstawem s [cm], przy spełnieniu warunku
szerokości rysy w = 0,2 mm.
Dla zwiększenia czytelności rysunków zależność tę
przedstawiono w sposób ciągły w przyjętym zakresie
średnic d, pomimo że są one jednoznacznie zdeterminowane
i właściwe byłoby punktowe przedstawienie zależności d – s.
Dla uproszczenia na rysunkach przyjęto następujące opisy
poszczególnych linii: liczby 15, 18, 21 oznaczają rozpiętości
przęseł w [m].
25
s [cm]
20
15
15
18
21
10
5
0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
d [mm]
Rys. 1. Wpływ rozpiętości przęsła na zależność d – s w obiekcie
dwuprzęsłowym przy obciążeniu klasy C – układ ramowy
25
s [cm]
20
15
15
10
18
21
5
0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
d [mm]
Rys. 2. Wpływ rozpiętości przęsła na zależność d – s w obiekcie
dwuprzęsłowym przy obciążeniu klasy B – układ ramowy
25
s [cm]
20
15
10
15
18
21
5
0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
d [mm]
Rys. 3. Wpływ rozpiętości przęsła na zależność d – s w obiekcie
trójprzęsłowym przy obciążeniu klasy C – układ ramowy
25
s [cm]
20
15
15
21
18
10
5
0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
d [mm]
Rys. 4. Wpływ rozpiętości przęsła na zależność d – s w obiekcie
trójprzęsłowym przy obciążeniu klasy B – układ ramowy
25
s [cm]
20
15
10
15
18
21
5
0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
d [mm]
Rys. 5. Wpływ rozpiętości przęsła na zależność d – s w obiekcie
czteroprzęsłowym przy obciążeniu klasy B – układ ramowy
25
s [cm]
20
15
10
15
18
5
0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
d [mm]
Rys. 6. Wpływ rozpiętości przęsła na zależność d – s w obiekcie
pięcioprzęsłowym przy obciążeniu klasy B – układ ramowy
25
s [cm]
20
15
15
18
21
10
5
0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
d [mm]
Rys. 7. Wpływ rozpiętości przęsła na zależność d – s w obiekcie
dwuprzęsłowym przy obciążeniu klasy B – układ belkowy
25
s [cm]
20
15
15
18
21
10
5
0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
d [mm]
Rys. 8. Wpływ rozpiętości przęsła na zależność d – s w obiekcie
trójprzęsłowym przy obciążeniu klasy B – układ belkowy
25
s [cm]
20
15
15
18
21
10
5
0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
d [mm]
Rys. 9. Wpływ rozpiętości przęsła na zależność d – s w obiekcie
czteroprzęsłowym przy obciążeniu klasy B – układ belkowy
25
s [cm]
20
15
15
18
21
10
5
0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
d [mm]
Rys. 10. Wpływ rozpiętości przęsła na zależność d – s w obiekcie
pięcioprzęsłowym przy obciążeniu klasy B – układ belkowy
Uwagi końcowe (1)
W pracy przedstawiono wyniki analizy związanej
z zarysowaniem przęseł nad filarami po uciągleniu belek
prefabrykowanych.
Rozpatrzono przypadek uciąglenia przęseł przez
zastosowanie poprzecznic podporowych, łączących końce
belek sąsiednich przęseł (układ belkowy ciągły)
oraz końce przęseł i oczepy filarów (układ ramowy).
Przy ocenie szerokości rys uwzględniono wpływ
skurczu betonu dodatkowej warstwy żelbetowej.
Uwagi końcowe (2)
Wyniki przeprowadzonej analizy wskazują, że w obiektach
dwu-, trój-, cztero- i pięcioprzęsłowych możliwy jest taki
dobór średnicy d i rozstawu s prętów zbrojeniowych, aby
był spełniony warunek szerokości rys w ≤ 0,2 mm przy
obciążeniu klasy C, B i A, przy rozpiętościach przęseł
15, 18 i 21 m.
Jednak tylko w przypadku rozpiętości 15 m
istnieje we wszystkich przypadkach możliwość zastosowania
prętów wszystkich rozważanych średnic d = 20 ÷ 32 mm.
Uwagi końcowe (3)
Łatwiejszy jest dobór średnic prętów i ich rozstawu
w układach belkowych; mniejsze wartości momentów
zginających niż w układach ramowych przy tych samych
rozpiętościach przęseł i klasie obciążeń użytkowych.
Jednak ze względu na nośność obiektów po uciągleniu,
o której decyduje nośność belek prefabrykowanych,
układy ramowe są korzystniejsze, gdyż w ich przypadku
momenty zginające przęsłowe mają najmniejsze wartości.
Niemniej jednak w analizie nośności obiektów uciąglonych
do układów ramowych należy sprawdzić, czy nie decyduje
o niej nośność podpór (możliwy wzrost momentów
zginających w filarach).
Uwagi końcowe (4)
Niezależnie od sposobu uciąglenia, dla danej klasy
obciążenia i rozpiętości przęseł najmniejsze zagrożenie
ze względu na stan zarysowania występuje w przekrojach
nad podporami środkowymi obiektów czteroprzęsłowych
i pięcioprzęsłowych.
Dla tych przekrojów ze względu na zarysowanie można
byłoby dopuścić nawet obciążenie klasy A w obiektach
o rozpiętości przęseł do 18 m.
Jednak ze względu na momenty przęsłowe konieczne
byłoby wzmocnienie belek prefabrykowanych
(wyniki tej analizy nie są przedstawione w tej pracy).
Uwagi końcowe (5)
Biorąc pod uwagę wyniki analizy stanu zarysowania oraz
wyniki nie prezentowanej tu analizy stanu granicznego
nośności można stwierdzić, że
uciąglenie przęseł pozwala zwiększyć nośność obiektów
mostowych z belek prefabrykowanych typu „Płońsk”
do klasy B przy rozpiętości przęseł do 18 m.
Przy większych rozpiętościach przęseł oraz klasie A obciążeń
użytkowych konieczne jest dodatkowe wzmocnienie belek,
a spełnienie warunku wynikającego ze stanu granicznego
zarysowania wymaga szczegółowej analizy.
Uwagi końcowe (6)
Oprócz klasy obciążenia użytkowego na stan zarysowania,
a tym samym na zależność d – s, ma rozpiętość przęseł.
Gdy wynosi ona 15 m, niezależnie od klasy obciążenia
użytkowego, możliwe jest spełnienie warunku w ≤ 0,2 mm.
Z kolei warunek ten jest spełniony niezależnie od rozpiętości
przęseł oraz sposobu uciąglenia przy klasie C obciążeń
użytkowych.
Dziękuję za uwagę