Identifikace příčin poklesů železniční mostní konstrukce

• Foto

METODY IDENTIFIKACE PŘÍČIN POKLESŮ
Hned předem mohla být vyloučena častá příčina poklesů mostních konstrukcí – sedání spodní stavby. To především proto, že na úložných prazích pilířů P1 a P2 (obr. 2) jsou uložena pohyblivá válcová ložiska středního obloukového pole nevykazujícího poklesy žádné a pevná ložiska poklesajícího krajního pole. Pro identifikaci příčin poklesů byly proto navrženy další zpodrobňující metody stavební diagnostiky a podrobnějšího zkoumání chování konstrukce: 

1. Materiálové zkoušky betonu spodní stavby s cílem potvrdit nebo vyvrátit podezření na nízkou pevnost betonu úložných prahů;
2. Měření poklesů konstrukce u ložisek za běžného provozu s cílem zjistit, zda dlouhodobé poklesání ložisek má analogický a zjistitelný projev i při běžném železničním provozu po konstrukci;
3. Měření dilatačních pohybů kolejnic s cílem zjistit, zda dilatační pohyby kolejnicových pásů v okolí dvou jinak konstrukčně shodných krajních polí mostu jsou navzájem porovnatelné, či nikoliv;
4. Stanovení současné geometrické polohy pevných ložisek s cílem potvrzení jejich pohybů, které by naopak svědčily o jiných příčinách dlouhodobých poklesů, než by se dalo usuzovat z případně nevyhovujících zkoušek podle bodu 1.

Cílem diagnostiky, v jejímž rámci byly postupně realizovány metody podle bodů 1 až 4, bylo tedy stanovení příčin poklesu mostní konstrukce v oblasti uložení na vnitřní podpoře P2 (pravobřežní vnitřní podpora na povodní straně) a následně návrh opatření pro zabránění dalšího prosedání v oblasti uložení na zmiňované podpoře. V bodě 1
zvolili řešitelé metodu podrobné diagnostiky pevnosti betonu spodní stavby včetně odběru jádrových vývrtů betonu. Tato metoda byla kombinována s měřením poklesů ložisek při běžných přejezdech železniční dopravy. V průběhu řešení úkolu byly tyto dvě základní metody doplněny o stanovení velikostí dilatačních pohybů mostních polí a stanovení velikosti naklonění poklesajících ložisek.

Měření deformací v oblasti uložení bylo založeno na průběžném indukčnostním měření průhybu v blízkosti poškozeného uložení na pilíři P2 a pro srovnání na neporušeném pilíři P4 na druhém břehu řeky Dyje. Průhyby byly měřeny indukčnostními snímači zapojenými do měřící ústředny Quantum. Cílem měření bylo získání hodnot zatlačení poškozených a nepoškozených ložisek do betonu příčníku spodní stavby a tím prokázání vyšších hodnot pružného zatláčení poškozených ložisek i při běžném provozním pojíždění mostu pro podporu návrhů opravy a závěrečných doporučení.

SLEDOVANÁ MOSTNÍ KONSTRUKCE
Přemostění tvoří dva tvarově shodné souběžné jednokolejové mosty, jejichž osová vzdálenost je 6,45 m (obr. 1). Vzhledem k úhlu křížení 41°30' jsou vůči sobě posunuty o 7,29 m. Niveleta na mostě je vodorovná. Most má tři prostá pole s rozpětím 24,0 + 63,0 + 24,0 m. Celková délka mostu je 112,80 m. Šířka jednokolejového mostu je 5,50 m, což odpovídá vzdálenosti hlavních nosníků.

Předmětem měření byla mostní konstrukce na povodní straně – kolej č. 1 ve směru na Vídeň (obr. 2). Součástí diagnostiky byly dále materiálové zkoušky betonu spodní stavby provedené na obou mostních konstrukcích pro obě koleje. Nosná konstrukce mostu je ocelová, v krajních prostých polích tvořená plnostěnnými ocelovými nosníky s mezilehlou mostovkou ztuženou příčníky a podélníky. Střední prosté mostní pole je rovněž tvořeno hlavními plnostěnnými nosníky, které jsou vynášeny ocelovou obloukovou konstrukcí. Mostovka středního pole je mezilehlá, ztužená příčníky a podélníky. Železniční svršek je přímo uložen na ocelovou desku mostovky.

Mostní opěry i vnitřní podpěry jsou založeny plošně. Oba vnitřní pilíře jednokolejného mostu jsou tvarově shodné, jsou tvořeny vždy dvěma kruhovými sloupy nesoucími masivní příčník o rozměrech 1,25 × 2,10 × 7,60 m. Kruhové sloupy průměru 1,70 m, založené na základové desce o rozměrech 7,60 × 6,50 × 1,50 m, jsou umístěny vždy pod ložisky mostu. Osová vzdálenost kruhových dříků je 5,5 m. Hnízda (část betonu příčníku s ovinutím výztuží) pro ložiska v úložných prazích pro střední a krajní pole jsou spojena vždy v jedno společné. Mostní opěry jsou půdorysně nepravidelného tvaru vyvolaného šikmostí mostu.

MATERIÁLOVÉ ZKOUŠKY BETONU SPODNÍ STAVBY
Zkoušky pevnosti betonu byly provedeny na vývrtech odebraných ze spodní stavby, konktrétně z železobetonových příčníků a sloupových podpěr. Vnitřní podpory mostu jsou tvořeny vždy dvěma kruhovými sloupy nesoucími masivní příčník. Příčníky byly v minulosti opravovány nanesením reprofilační opravné malty. Tato sanace byla pravděpodobně provedena technologií stříkaného betonu. K tomuto názoru opravňuje výskyt dutých míst – „stínu“ za pruty výztuze.

Pro stanovení pevnostních charakteristik betonu pilířů byly provedeny nedestruktivní zkoušky metodou Schmidtova tvrdoměru na 45 zkušebních místech (obr. 3). Dále bylo odebráno osm jádrových vývrtu o jmenovitém průměru 100 mm (obr. 4). Zkušební tělesa vyrobena z vývrtu byla použita jednak pro upřesnění nedestruktivních zkoušek pevnosti původního betonu a dále pro získání informací o provedené opravě – sanaci i z hlediska pevnosti opravné malty v konstrukci.

Při laboratorních zkouškách zkušebních těles z vývrtů bylo požadováno zejména stanovení objemové hmotnosti, pevnosti v tlaku a hloubky karbonatace. Jako doplňkové byly provedeny zkoušky pevnosti v tahu povrchových vrstev (odtrhové zkoušky – zkoušky přídržnosti) na povrchu betonu tří vývrtů ze sloupů.

MĚŘENÍ POKLESŮ V BLÍZKOSTI ULOŽENÍ
Pro měření průhybů v blízkosti uložení krajních mostních polí byla zhotovena měřící sestava. Do betonových příčníků mezilehlých pilířů byl ukotven měřící rám z lešenářských trubek (obr. 5), na který byly pomocí magnetického stojánku přichyceny dva indukčnostní snímače (1x WETA 1/2 mm a 1x WI/5 mm-T) zapojené do měřících ústředen Quantum X MX840A s maximální vzorkovací frekvencí 19,2 kHz/kanál (obr. 8). Snímače byly opřeny o zabroušenou spodní plochu pásnice krajního ocelového plnostěnného nosníku (obr. 6). Dvojice indukčnostních snímačů v jednom měřeném místě byla volena s ohledem na duplicitu měření, v případě výpadku jednoho ze snímačů. Pro další vyhodnocení byl využit indukčnostní snímač typu WI/5 mm-T s maximálním rozsahem měření 0 – 5 mm (obr. 7).

Měřící proběhlo na dvou příčnících (vždy 0,90 m od uložení) v krajních polích mostu. Měřící ústředny Quantum X byly pomocí síťových UTP kabelů prostřednictvím propojovacího můstku propojeny s notebookem s nainstalovaným software (catman^®Easy), který zpracovává a ukládá naměřená data do souboru (obr. 9). S ohledem na maximální vzorkovací frekvenci indukčnostního snímače (64 Hz v rozsahu +/- 1 mm a 40 Hz v celém rozsahu), byla pro měření zvolena vzorkovací frekvence 50 Hz. Taková frekvence plně stačila pro zachycení dynamických účinku resp. kmitaní konstrukce mostu při běžných přejezdech vlaků a souprav (obr. 10 a 11). Pomocí měřící sestavy mohl být průhyb mostního pole v blízkosti ložisek kontinuálně zaznamenáván při přejezdu vlaku.

VYHODNOCENÍ MĚŘENÍ
Vyhodnocení materiálových zkoušek
Při hodnocení pevnosti betonu v tlaku spodní stavby ze zkušebních těles jako souboru všech vnitřních příčníků byla průměrná pevnost 29,1 MPa; to sice vyhovuje podle ČSN EN 206-1 betonu třídy C16/20 (dříve značka 250), ale vzhledem k výskytu minimálních hodnot ležících mimo povolený interval beton všech příčníků vyhovuje pouze pevnostní třídě C16/20 a tedy nemá pevnost dřívější značky 250, kterou měl podle podkladů splňovat. Výsledky tedy naznačují, že místně se mohou vyskytovat lokální snížení pevnosti betonu a tato mohou mít vliv na chování konstrukce. Přesto nižší pevnost betonu příčníků není z důvodů lokálních nekvalit natolik významná, aby jí bylo možné vysvětlit poklesy ložisek (zatlačování do betonu).

Při hodnocení pevností betonu příčníků z nedestruktivních zkoušek beton příčníků splňuje třídu C20/25 a odpovídá dřívější značce 250, ovšem koeficient upřesnění byl uvažován odhadem, protože beton sloupů a beton příčníků vykazovaly jiné objemové hmotnosti a pro upřesnění nemohly být použity hodnoty odrazů získané v blízkosti zkušebních těles odebraných ze sloupů. Proto je třeba na toto splnění třídy C16/20 (dříve značky 250) pohlížet jako na méně přesné a pouze dokreslující závěry podle bodu 6.1.

Tab. 1 – Označení přejezdů jednotlivých vlaků, vyhodnocení rychlosti přejezdu

Tab. 2 – Maximální výchylky deformací při přejezdu vlaků

Vyhodnocení měření průhybů (pružného zatlačení konstrukce) v blízkosti podpor
Měřením bylo zachyceno celkem 6 přejezdů vlaků (tab. 1). Všechny sledované vlaky přejížděly mostem ve směru Břeclav – Vídeň dne 3. 4. 2012 v čase mezi 14:08 až 15:32. Doplňkově byla také z naměřených hodnot získaných na indukčnostních snímačích dopočtena rychlost soupravy (délka středního pole 63 m + délka lokomotivy 18 m podělená rozdílem časů při přejezdu).

Při přejezdu vlaku se konstrukce nad indukčnostním snímačem deformovala (poklesla dolů), po odlehčení se vrátila do původního stavu. Deformace, kmitání konstrukce, zaznamenával indukčnostní snímač v průběhu celého přejezdu vlaku na obou měřených místech. Maximální výchylky deformací od lokomotiv pod snímači jsou uvedené v tab. 2. Dále byl vyhodnocen rozdíl mezi poklesem na indukčnostním snímači 01 (směr Břeclav) a indukčnostním snímači 02 (směr Vídeň). U všech přejezdů byl zaznamenán větší pokles na indukčnostním snímači 02 (směr Vídeň) a to v rozmezí od 0,170 mm do 0,288 mm. Z výsledku měření lze usoudit, že ložisko na podpěře ve směru na Vídeň (snímač 02) se zatlačuje do úložného prahu více než na podpěře ve směru na Břeclav. Poměr deformací u I.S. 01 a I.S. 02 určuje, jak moc se jednotlivé přejezdy od sebe liší. Hodnoty se pohybují v rozmezí 1,100 až 1,185. Střední hodnota je 1,135 a směrodatná odchylka 0,023. Lze usoudit, že všechny přejezdy jsou relevantní pro vyhodnocení.

Zatlačení konstrukce směrem dolů je u problematických pevných ložisek prostého pole směrem na Vídeň vždy prokazatelně vyšší (o 0,17 až 0,29 mm) než u pevných ložisek prostého pole směrem na Břeclav. Toto zatlačení u poklesajících ložisek je průměrně o 13 % vyšší než u ložisek plně funkčních. Při jinak stejných tuhostech konstrukce a stejné vzdálenosti měřeného místa od osy ložisek lze vliv pružného průhybu konstrukce a pružného stlačení nepoškozeného betonu pod funkčním ložiskem eliminovat [2]. Zvýšené zatlačování tedy svědčí o tom, že poklesající ložisko se opírá o jinou hmotu, než je neporušený beton (nutně o hmotu s menší tuhostí). Tou může být beton již částečně rozdrcený, nebo beton s jiným rozdělením napětí pod spodní plochou stoličky, než s rozdělením rovnoměrným, jak je tomu o ložiska (stoličky) nepoklesající.

Metoda ad‑hoc měření zatlačování ložisek (svislých průhybů konstrukce v jejich blízkosti) se podle získaných výsledků osvědčila jako vhodná metoda doplňující diagnostiku betonu spodní stavby. Naměřené hodnoty se shodují vždy v tom, že zatlačení u poklesajícího ložiska je vždy větší, než u ložiska nepoškozeného, že poměr stlačení je stálý a nezávislý na hmotnosti pojíždějícího vlaku. Zobrazení polohy vlaků při přejezdu nad indukčnostními snímači a k nim přirazené zatlačení ložiska do úložného prahu pro dva vybrané vlaky je uvedeno na obr. 12 a 13.

ZÁVĚRY ZE SLEDOVÁNÍ DILATACE KOLEJE
V době provádění měření zatlačení konstrukce při přejezdech vlaků bylo polojasno až jasno s teplotou +24 až 26 °C, konstrukce byla osluněna. Při provádění diagnostiky byl rovněž zaznamenán dilatační pohyb kolejnic pomocí otisku upevňovadel na horním povrchu paty kolejnic (obr. 14 a 15). Dilatační pohyb kolejnic nad opěrou směrem na Vídeň byl významně menší než dilatační pohyb kolejnic směrem na Břeclav.

Nad opěrou směrem na Vídeň činil dilatační pohyb 9 až 10 mm, zatímco nad opěrou směrem na Břeclav činil 20 až 21 mm! Přitom původcem dilatačního pohybu jsou stejně dlouhá a stejně tuhá prostá krajní pole mostu. Toto pozorování dokresluje také skutečnost, že pohyb válců pohyblivého ložiska na Vídeň byl téměř nepozorovatelný. Rozdíl v dilatačních pohybech zaznamenaných na kolejnici činí 11 mm, a tato dilatace se děje patrně jiným, než standardním pohybem konstrukce nad pohyblivými ložisky, který se dále přenáší do kolejnic, kde je pozorovatelný.

V oblasti pohyblivého ložiska prostého pole mostu směrem na Vídeň je pozorovatelná dilatace menší cca o 11 mm oproti situaci u prostého pole směrem na Břeclav při jinak stejných délkách a tuhostech konstrukce (obr. 16). Dilatace se děje patrně ještě jiným, nestandardním způsobem.

ZÁVĚRY ZE SLEDOVÁNÍ NAKLONĚNÍ PEVNÝCH LOŽISEK
Pevná (stolicová) ložiska nad podpěrou P2 (ložiska dlouhodobě poklesající) byla v době provádění měření zatlačení konstrukce při přejezdech vlaků silně nakloněna v horizontálním směru. Připomíná se, že bylo polojasno až jasno s teplotou +24 až 26 °C, konstrukce byla osluněna. Naklonění ložisek nad pilířem P2 je zobrazeno na obr. 17 a 18. Velikost vodorovného posunu temene ložiska je dopočtem podle obrázku cca 20 – 22 mm, naklonění ložiska je 3,9 °!

Naklonění ložisek zhruba odpovídá rozdílu dilatací podle bodu 6.3. Část dilatačního pohybu se tedy odehrává nakláněním původně pevného ložiska, ze kterého se tak stává vlastně ložisko kyvné. V důsledku naklonění ložiska se rozdělení ložiskového tlaku mění z původně rovnoměrného na silně nerovnoměrné. V blízkosti dolů zatlačené strany ložiska lze očekávat enormní nárůst tlaku, patrně až na dvojnásobek původních hodnot. Ve spojitosti s relativně nízkou pevností betonu příčníků, která splňuje značku C20/25 jen velmi těsně a která vykazuje i lokální nekvality, dochází pravděpodobně k drcení betonu pod ložisky zejména nad podpěrou P2.

Drcení betonu pod ložiskem vede k jeho degradaci do větších hloubek (odhadem desítky až stovky mm). Degradace je umocněna konstrukčně nevhodným vyvýšením okolního betonu, ke kterému došlo při opravě úložných prahů cca před 17 lety. Toto vyvýšení umožňuje dlouhodobé zdržování se vody v prostoru pod kolem ložiska a její vnikání do betonu již poškozeného drcením v okolí kontaktu s ložiskem. V důsledku provlhnutí dále klesá zbytková pevnost betonu.

Periodické namáhání běžným provozem postupně zvětšuje oblast podrceného a degradovaného betonu pod ložiskem. Tak dochází k postupnému zatlačování ložisek nad podpěrou P2 dolů do betonu a to je doprovázeno nutností periodické opravy nivelety koleje vkládáním plechů pod konstrukci pro eliminaci tohoto zatlačování.

ZÁVĚR
Provedené pokročilé metody diagnostiky betonu spodní stavby a měření provedená současnými pokročilými technologiemi pracovníky VUT v Brně (Fakulta stavební, Ústav betonových a zděných konstrukcí) prokázala, že příčinu poklesu konstrukce mostu v oblasti podpěry P2 nelze spatřovat pouze nízké pevnosti betonu prahů, ale že jde pravděpodobně o spolupůsobení vlivu lokálně nižší pevnosti betonu příčníků a vzniku horizontálních sil vlivem teplotních dilatací konstrukce a kolejového pásu [1].

Pro identifikaci příčin poklesů (a pro návrh opravy) jsou rozhodující tyto poznatky:

1. Nepoklesá základ pilíře P2, neboť se neprojevují poklesy pohyblivého ložiska středního pole, které je delší a má i významně větší ložiskové tlaky.
2. Naopak pokles pevných ložisek nad pilířem P2 se děje zatlačováním vychýlených pevných ložisek do betonu prahů.
3. Beton pod vychýlenými ložisky je pravděpodobně částečně podrcen a degradován zvýšenou vlhkostí.
4. Zřetelně větší zatlačování poklesajícího ložiska je měřitelné i při běžném provozním zatížení.
5. Stávající konstrukční řešení neumožňuje řádně odvést srážkovou vodu od ložisek a ta je rizikem pro opravy metodou nového podlití ložisek apod.
6. Pevnost betonu sloupů podpěr splňuje třídu C20/25 (tedy i původně navrženou značku 250) a podpěry mohou plnit i nadále svoji statickou funkci.
7. Beton sloupů lze sanovat povrchovými vrstvami; pro tento typ sanace má dostatečnou pevnost povrchových vrstev v tahu.
8. Kolejnice a kolejový pás na straně mostu směrem na Vídeň vyvozují patrně příliš velké horizontální síly, které při oteplení směřují proti roztahujícímu se mostnímu poli; tím se brání volné dilataci mostního pole a pevné ložisko je namáháno příliš velkými horizontálními silami.

Následný návrh opravy vyšel z výše uvedených poznatků. V úsporné variantě a s přihlédnutím k dosažení dlouhodobé životnosti opravy je založen na výměně úložných prahů s vyšší kvalitou betonu a s vyztužením podle soudobých poznatků o místním namáhání betonu, na spolehlivém zakotvení pevných ložisek a na minimalizaci horizontálních sil od dilatujících kolejnicových pásů.

Tento příspěvek byl zpracován za podpory výzkumného záměru MSM 0021630519 „Progresivní spolehlivé a trvanlivé nosné stavební konstrukce“. Při zpracování tohoto příspěvku se použily výsledky projektu FAST-J-12-46 „Zesilování reálných mostních konstrukcí pomocí provizorních podpěr s řiditelnou proměnnou tuhostí“.

LITERATURA:
[1] Klusáček, L.: Expertní posudek a diagnostika spodní stavby mostu v km 80,930 TÚ 2401 Hohenau – Přerov (Břeclav – Vídeňák). KL-projekt, Brno, 2012.
[2] Klusáček, L.; Bureš, J.; Nečas, R.: Viadukt Křenová – podrobná analýza, 17. mezinárodní sympozium MOSTY 2012, Sborník příspěvků, Brno, duben 2012, ISBN 978-80-86604-56-5, str. 241 – 246.

Identification of the Reasons of the Railway Bridge Construction Decline
This article deals with the expert assessment of long-term declinations of the railway bridge at km 80,930 of the route between the towns Hohenau and Přerov. The need of it have been caused by making an effort to identify the reasons of long term declinations of the structure part located over the internal pillar. The design of repair was in interest too. The bearings declination has been in motion since the eighties and the final value is about 30 mm. The declination of the construction had to be eliminated using steel plates.

Autoři

• Doc. Ing. Klusáček Ladislav CSc.
• Ing. Nečas Radim Ph.D.