Zkušenosti a poznatky z uplatnění patinujících ocelí na mostech v České republice

• Foto

Většina mostů z patinujících ocelí v České republice byla vyrobena ve vítkovických mostárnách v Ostravě a ve Frýdku-Místku. Od menších ověřovacích konstrukcí v 70. letech minulého století se tyto oceli již od 80. let velmi rychle prosadily i pro velké a významné městské mosty a následně pro řadu velkých dálničních mostů. Přitom byly formulovány a prakticky ověřeny důležité konstrukční zásady a výrobní postupy, nutné pro zajištění jejich dlouhodobé životnosti a spolehlivé funkce.

STRUČNÝ PŘEHLED MOSTNÍCH KONSTRUKCÍ
Mezi první ověřovací konstrukce, vyrobené z patinujících ocelí, patří obslužná lávka na přehradě ve Slušovicích, silniční mosty v Žalmanově a ve Dvoře Králové a železniční mosty v Brně, Krnově a v Praze. Všechny tyto konstrukce jsou doposud provozně využívány, v rámci řešení výzkumného projektu Ministerstva průmyslu a obchodu (MPO ČR) FT–TA5/076 je korozní stav těchto objektů kontrolován a posuzován [1, 2, 3].

V 80. letech byly uvedeny do provozu velké městské mosty přes železniční trať v Ostravě- Svinově a přes řeku Ostravici ve Frýdku-Místku. Tyto mosty patřily k největším konstrukcím z patinujících ocelí nejen v ČR, ale i v Evropě. Hmotnost soustavy městských a tramvajových mostů v Ostravě-Svinově je vyšší než 3 000 t. Další městské mosty z patinujících ocelí byly v tomto období postaveny v Brně a několik menších konstrukcí také v Plzni.

Na základě převažujících příznivých zkušeností s uplatněním a dlouhodobě dobré funkce velkých mostů z patinujících ocelí realizovaných na Moravě v 80. letech minulého století přijalo Ředitelství silnic a dálnic ČR – závod Brno zásadní rozhodnutí, že tato materiálová koncepce bude využita i pro realizaci velkých ocelobetonových mostů na dálnici D47. Jejich mimořádně velký rozsah a význam je možné jednoduše dokumentovat jejich celkovou hmotností, která je větší než 30.000 t. Kromě těchto velkých mostů na dálnici D47 byly také dokončeny další významné mosty na dálnici D8 do Drážďan.

V souhrnu je možné konstatovat, že soustava velkých dálničních mostů na dálnici D47 (nyní D1) je z hlediska optimálního uplatnění patinujících ocelí řešena koncepčně správně a progresivně, což vytváří dobré předpoklady pro jejich dlouhodobou spolehlivou funkci s minimálními nároky na nutnou údržbu. Při porovnání se stavem v 70. a 80. letech minulého století jsou současné podmínky pro používání patinujících ocelí bez protikorozní ochrany ve výstavbě mostů i v dalších typech venkovních ocelovýchkonstrukcí (tj. pro  dosažení příznivého vzhledu a ochranné funkce korozní vrstvy) výrazně příznivější zejména z následujících základních a všeobecných důvodů:

• Projektanti a konstruktéři mají dostate k konkrétních a ověřených poznatků a zkušeností (dobrých i špatných) z dlouhodobé funkce dříve realizovaných staveb. Konstrukce z patinujících ocelí tak mohou navrhovat jen s minimálním rizikem nevhodného řešení a naopak plně využívat technické, ekonomické, ekologické a vzhledové výhody, které tato materiálová koncepce umožňuje.
• Moderní hutní technologie výroby plechů s minimem povrchových defektů a všeobecně pro výrobu konstrukcí používané tryskání povrchu materiálu vytváří velmi dobré předpoklady pro rychlé a rovnoměrné vytvoření vzhledově příznivé vrstvy korozních produktů s dostatečnou ochrannou funkcí.
• Při snížení korozní agresivity atmosféry na území ČR v období po roce 1990 jsou podmínky pro vznik a vlastnosti ochranné vrstvy korozních produktů obecně příznivější než dříve.

TYPICKÉ VADY A PORUCHY DLOUHODOBĚ EXPONOVANÝCH KONSTRUKCÍ Z OCELI ATMOFIX
Jak již bylo uvedeno, jsou nově navržené konstrukce z patinujících ocelí z hlediska příznivého vývoje ochranné vrstvy patiny navrženy koncepčně správně, čímž jsou vytvořeny předpoklady pro jejich dlouhodobé spolehlivé fungování v případě pravidelných kontrol a údržby. U starších mostních objektů z patinujících ocelí je situace odlišná. Přestože je většina ploch chráněna příznivě vyvinutou patinou, na mostních konstrukcích se vyskytují místa či detaily s poruchami vývoje patiny, která mohou významně ovlivňovat spolehlivé fungování nosné konstrukce mostu. U dlouhodobě exponovaných mostních konstrukcí, na kterých byla identifikována místa s vizuálně nepříznivým vývojem ochranných korozních produktů, byla proto provedena systematická měření zbytkových tlouštěk. Aby bylo možno vyhodnotit závažnost poruchy, byla měření provedena vždy v místě identifikované vizuální poruchy a v nejbližším sousedním místě s příznivým nebo přijatelným vývojem patiny.

U všech posuzovaných mostních konstrukcí byly vyhodnoceny také příčiny vzniklé poruchy. Hlavní příčiny významných poruch vývoje patiny lze na základě prohlídek mostních konstrukcí rozdělit do následujících skupin příčiny se často vzájemně doplňují):

a) Poruchy plynoucí ze zanedbané údržby mostu:

• nefunkční mostní závěry
• poruchy odvodňovacích žlabů a potrubí (zanesené, prokorodované, odcizené apod.);
• poruchy částí mostu, které nejsou navrženy z konstrukční oceli (popraskaná vozovka, porušené chodníky a římsy apod.);
• dlouhodobé nánosy a nečistoty na vodorovných plochách ocelové konstrukce a na opěrách mostu.

b) Poruchy plynoucí z návrhu konstrukce:

• problematická volba konstrukčního systému (např. velké množství šroubovaných styčníků u příhradových konstrukcí);
• problematické detaily (především částečně uzavřené kouty);
• systém odvodnění mostu (zatékání na ocelovou konstrukci z odvodňovacích otvorů, nevhodné prstové mostní závěry apod.).

c) Poruchy plynoucí z dodatečných zásahů do konstrukce mostu.

d) Další příčiny (např. přímý přístup zvěře ke konstrukci mostu; kumulace nečistot od bezdomovců aj.).

Pro vyhodnocení vlivu poruchy na spolehlivé fungování konstrukce je rozhodující zjištění, zda dochází k významnému oslabování konstrukce, ve které části nosné ocelové konstrukce a na jak velké ploše k tomuto oslabování dochází. Vizuální hodnocení stavu patiny či měření tloušťky korozních produktů slouží především jako vodítko ke stanovení příčiny poruchy a k vyhledání potencionálně nebezpečných míst na konstrukci.

Z výsledků prohlídek a provedených měření vyplývá, že v místech s vizuálně ne zcela příznivým vývojem patiny často nedochází k výraznému oslabování konstrukce v porovnání s přilehlými plochami s příznivým vývojem patiny [1, 2]. Nezanedbatelná korozní oslabení byla zjištěna především v místech vzniku vrstevnatých korozních produktů. Spolehlivost každé konstrukce, nejen mostní, vystavené nepříznivému koroznímu oslabování je potřeba hodnotit individuálně, přičemž konečné rozhodnutí o závažnosti poruchy a případné opravě nosné konstrukce musí učinit zkušený a kvalifikovaný projektant-statik při zohlednění názoru dalších odborníků z oblasti protikorozní ochrany, svařování, výroby, montáže, diagnostiky, kontroly a údržby ocelových konstrukcí.

V této souvislosti je potřeba upozornit na skutečnost, že zdaleka ne všechny „závažné poruchy vývoje patiny“ publikované v pracích [4, 5] mají významný vliv na spolehlivost dané konstrukce. Kupříkladu lokální oslabení dolních pásnic hlavních nosníků z P20 o 1,5 mm v místě zanedbatelného ohybového momentu, tj. v místě kloubového uložení na opěře mostu, zcela jistě neohrožuje spolehlivé fungování konstrukce.

Autoři článku však v žádném případě nechtějí závažnost některých zjištěných poruch mostů z patinujících ocelí bagatelizovat (v oblasti kloubu na opěře u uvedeného příkladu naopak působí maximální posouvající síla – stejné oslabování koutových krčních svarů jako přilehlých dolních pásnic tak může být velmi závažné). Pouze je potřeba zdůraznit, že u každé zjištěné poruchy je nutno racionálně analyzovat její příčinu a závažnost, poté realizovat přiměřená a účinná opatření vedoucí především k potlačení příčiny poruchy a v případě potřeby sáhnout k opravě konstrukce.

SILNIČNÍ MOSTY PŘES ŽELEZNIČNÍ TRAŤ A PŘES ŘEKU ODRU V OSTRAVĚ-SVINOVĚ
V této části textu jsou stručně popsány korozní poruchy na soustavách silničních mostů přes železniční trať a přes řeku Odru v Ostravě-Svinově. Obě soustavy mostů byly vybrány především proto, že se nacházejí v těsném sousedství (ve vzdálenosti cca 300 m), na stejné komunikaci (silnice č. 479), stáří obou soustav je stejné, stavby mají téměř totožné konstrukční uspořádání a stejného správce, který potvrdil, že na obou soustavách nebyly prováděny v průběhu jejich životnosti žádné významné opravy. Jediný zásadní rozdíl je, že silniční mosty přes Odru jsou navržené z běžné konstrukční oceli opatřené nátěrem, zatímco silniční mosty přes železniční trať jsou z oceli patinující, především z oceli 15127 ATMOFIX B [6]. Na obě soustavy staveb tak lze nahlížet jako na zajímavý experiment, kdy jsou v podmínkách skutečného provozu a na reálných konstrukcích dlouhodobě testovány dva odlišné způsoby protikorozní ochrany.

Mosty přes železniční trať mají v podélném směru celkovou délku 144 m, rozpětí polí je 35,5 + 73,0 + 35,5 m. Staticky jsou mosty z důvodů možných účinků poddolování navrženy jako Gerberovy nosníky, délka vloženého pole je cca 52 m. Hlavní nosníky jsou uzavřené komory, ocelová mostovka je navržena jako ortotropní. Mosty byly postaveny v roce 1981. V souhrnu lze konstatovat, že na naprosté většině vnějších ploch ocelové nosné konstrukce se vytvořila dostatečně ochranná rovnoměrná vrstva patiny tmavohnědé barvy.

Problematickými oblastmi, kde se ochranná patina nevytvořila, jsou místa ovlivněná zatékáním z netěsných mostních závěrů a dilatací, viz obr. 1 až 3. Netěsnými mostními závěry a dilatacemi stéká voda (v zimním období s rozpuštěnými rozmrazovacími látkami) z mostovky přímo po povrchu konstrukce a následně také do vnitřních prostor komorových průřezů. Na dolních pásnicích a na přilehlé části stěny komorového průřezu (do výšky cca 20 cm nad dolní pásnicí) vznikají vrstevnaté korozní produkty a dochází k oslabování příslušných částí konstrukce mostu.

Největší úbytky byly změřeny u východní opěry mostu – stěna komory v části nad dolní pásnicí je lokálně oslabena o cca 4 mm v porovnání s přilehlým místem s dobře vyvinutou patinou, dolní pásnice je lokálně oslabena o cca 1,5 mm (obě maxima byla změřena v nezatížené části hlavního nosníku za ložiskem mostu, změřené hodnoty byly ovlivněny také úbytky z vnitřní části komory). V postižené oblasti rovněž dochází k nebezpečnému oslabování krčních svarů, neboť především nad ložisky u opěr působí maximální posouvající síly.

Mnohem závažnější důsledky, než je lokální oslabování vnějších ploch pod netěsnými mostními závěry, má zatékání vody do vnitřních prostor komor opatřených nátěry, viz obr. 4. Voda zatéká směrem od opěr mostů a vnitřních kloubů (oblasti s nulovými ohybovými momenty) až do oblastí s velkým ohybovým namáháním. Ke koroznímu oslabování dochází u dolní pásnice, přilehlých částí stěn a výztuh komory a především u krčních svarů, které jsou zatékáním silně poškozeny. Podrobné měření zbytkových tlouštěk nebylo prováděno, ve vytipovaných oblastech bylo změřeno korozní oslabení o cca 2 mm na svislých i vodorovných plochách poškozených zatékáním do komory mostu, podrobnosti v [1]. Stanovení korozní agresivity vnitřního prostředí provedené v roce 2009 ukazuje, že lze vnitřní prostředí komor mostů charakterizovat stupněm C1. Negativně jsou ovlivněny pouze plochy, na které přímo zatékají srážky nebo kde dochází k jejich kumulaci. Poznamenejme, že nátěry nezasažené zatékáním jsou stále funkční, místy dochází pouze k odlupování svrchní vrstvy nátěru.

Na soustavě mostů přes řeku Odru byly identifikovány významné poruchy nátěru spojené s korozí ve stejných místech a ze stejných příčin, jako u soustavy mostů z patinující oceli, viz obr. 5 až 8. Největší oslabení bylo změřeno na stěně vnějšího nosníku v místě opěry – cca 4 mm (stejné místo a stejná hodnota oslabení jako u mostů přes železniční trať). Vnitřní prostory komory nebyly v rámci projektu FT–TA5/076 prohlédnuty (k zatékání do komor zcela jistě dochází; poruchy uvnitř komor mohou být velmi závažné, na což byl správce mostu upozorněn).

Výsledky srovnávacích prohlídek pouze potvrzují zkušenosti autorů, že konstrukce opatřené nátěry nejsou obecně „lépe“ chráněny než konstrukce z patinujících ocelí bez povrchové ochrany. Je mylné se domnívat, že aplikací nátěru na plochy, na kterých se dostatečně nevyvinula patina, je konstrukce dostatečně chráněna. Vždy je potřeba hledat a následně odstranit především příčinu poruchy a o způsobu opravy pak rozhodnout na základě reálného stavu konstrukce a posouzení vlivu oslabení nosných prvků na spolehlivé fungování mostu. V případech, kdy nelze ani provedenou opravou zajistit podmínky pro vytvoření dostatečně ochranné vrstvy patiny, je potřeba sáhnout k jiným prostředkům protikorozní ochrany, např. nátěrům (nátěry ve vysoce exponovaných místech je potřeba obnovovat v krátkých časových intervalech).

Velmi diskutovaným problémem je preventivní ochrana nových konstrukcí z patinujících ocelí na místech, kde se předpokládají poruchy vývoje patiny. Autoři příspěvku se domnívají, že je především potřeba se těmto místům již při návrhu konstrukce vyhnout volbou vhodného konstrukčního systému a žádný nátěr vůbec neaplikovat nebo pouze v omezeném smysluplném rozsahu (např. americká směrnice [7] doporučuje navrhovat spojité nebo integrované mosty; aplikace nátěru je požadována pouze v oblastech pod dilatacemi). Preventivní ochrana konstrukcí z patinujících ocelí v rozsahu uvedeném v [8] je naopak zcela nepřiměřená a není podložena racionální analýzou poruch tvorby patiny na stávajících mostních konstrukcích v ČR.

Dokument [8] například požaduje protikorozní ochranu v rozsahu 5 m na každou stranu od pilíře spojité mostní konstrukce, kde k poruchám patiny vůbec nedochází. Aplikace protikorozní ochrany na dolní pásnice a přilehlé části stěn po celé délce hlavních nosníků spojitých spřažených mostů s horní mostovkou (konstrukční systém mostů na ostravské dálnici D1) by byla rovněž zcela zbytečná. Podrobná měření prokázala, že tloušťka patiny je sice v oblasti horní plochy pásnic a přilehlé stěny vyšší a oblast je vizuálně odlišná od zbytku konstrukce, přesto je patina dostatečně ochranná a k významnému koroznímu oslabování nedochází (kromě oblastí závažných poruch uvedených v části Typické vady… tohoto článku). Nejen výše uvedená ustanovení [8] tak vytvářejí zbytečné překážky účelnému využívání patinujících ocelí v nosných konstrukcích mostů. Komplexní inovace dokumentu [8] je proto naléhavě akutní a potřebná.

ZÁVĚR
Z velkého množství provedených prohlídek konstrukcí z patinujících ocelí zcela jasně vyplývá, že o spolehlivém fungování konstrukce s ohledem na ochrannou funkci patiny nerozhoduje materiál jako takový, ale především vhodná volba konstrukčního systému (včetně detailů) a pozornost věnovaná údržbě a kontrole mostu. Příznivé vlastnosti patinujících ocelí jsou nejlépe využity u tvarově jednoduchých konstrukcí, jako jsou například spojité spřažené mosty s horní mostovkou, kde nedochází k lokálním poruchám vývoje patiny. Použití patinující oceli může být naopak u jiných konstrukčních systémů problematické, například u příhradových konstrukcí s velkým množstvím šroubových spojů, částečně uzavřených koutů apod.

Situace v České republice je v současnosti taková, že platný předpis [8] Ministerstva dopravy ČR, který obsahuje celou řadu technicky nesprávných, zavádějících, účelových a ekonomicky nepřijatelných tvrzení a požadavků, neumožňuje projektantům využívat příznivé vlastnosti této oceli a navázat tak na úspěšné a oceňované stavby z minulých let. Jedním z hlavních cílů řešitelů projektu FT-TA5/076 je vytvořit vstupní podklady pro věcnou odbornou diskusi zainteresovaných odborníků, která by měla vést k vytvoření nové směrnice pro navrhování, koncepční a konstrukční řešení, výrobu a montáž, kontrolu a údržbu konstrukcí z patinujících ocelí.

Článek byl zpracován s finanční podporou MPO v rámci řešení projektu FT-TA5/076 Výzkum vlastností stávajících a nově vyvíjených patinujících ocelí z hlediska jejich využití pro ocelové konstrukce.

Ing. Vít Křivý, Ph.D.
Působí od roku 2005 jako odborný asistent na Katedře konstrukcí, Fakulty stavební, VŠB-TU Ostrava, kde se věnuje oborům ocelové konstrukce, dřevěné konstrukce, zatížení stavebních konstrukcí a teorie spolehlivosti konstrukcí. Současně je od roku 2007 zaměstnán jako vědecko-výzkumný pracovník Institutu ocelových konstrukcí s.r.o., kde se zabývá hodnocením spolehlivosti stávajících ocelových konstrukcí a prováděním preventivních a podrobných prohlídek ocelových konstrukcí.

Ing. Lubomír Rozlívka, CSc.
V návaznosti na činnost ve Výzkumu ocelových konstrukcí ve Vítkovicích Ostrava působí od roku 1993 v Institutu ocelových konstrukcí ve Frýdku-Místku jako vědecký pracovník a jednatel společnosti. Dlouhodobě se zabývá problematikou reálných vlastností konstrukčních ocelí, vývojem a hodnocením stavu ocelových konstrukcí a technickou normalizací v tomto oboru.

Ing. Kateřina Kreislová, Ph.D.
Působí od roku 1999 jako vědecko-výzkumný pracovník ve SVÚOM s.r.o. (bývalý Státní výzkumný ústav ochrany materiálu), kde se věnuje oborům atmosférická koroze kovů a kovových povlaků a dlouhodobé a urychlené korozní zkoušky. Ing. Kreislová je řešitelkou a spoluřešitelkou řady mezinárodní a národních výzkumných projektů v daném oboru. Současně je od roku 2008 předsedkyní normalizační komise TNK 32 pro oblast technické normalizace v oboru koroze a protikorozní ochrana.

LITERATURA:
[1] Kreislová, K. et al. Výzkum vlastností stávajících a nově vyvíjených patinujících ocelí z hlediska jejich využití pro ocelové konstrukce. Průběžné zprávy k projektu FT-TA5/076 za rok 2008 a 2009
[2] Křivý, V., Rozlívka, L. a Kreislová, K. Zkušenosti a poznatky z chování dlouhodobě exponovaných mostů z patinujících ocelí v České republice. In Sborník příspěvků 22. České a Slovenské konference Ocelové konstrukce a mosty 2009. Brno: CERM, 2009. ISBN 978-80-7204-635-5
[3] Knotková, D. et al. Hodnocení vrstev patin na konstrukcích z patinujících ocelí. In Sborník příspěvků 22. České a Slovenské konference Ocelové konstrukce a mosty 2009. Brno: CERM, 2009. ISBN 978-80-7204-635-5
[4] Pošvářová, M. a Matocha, K. Rizika chování patinujících ocelí použitých na mostních konstrukcích. Silnice Železnice, 2009, roč. 4, č. 4. ISSN 1803-8441
[5] Pošvářová, M. Vliv jednotlivých aspektů na dobu životnosti ocelové mostní konstrukce. Silnice Železnice, 2009, roč. 4, č. 1. ISSN 1803-8441
[6] Rozlívka, L. Nosné konstrukce z patinujících a vysokopevnostních ocelí. Technický zpravodaj Ocelové Konstrukce, 1988, roč. 24, č. 5, s. 3 – 29. ISSN 0322-7871
[7] Uncoated Weathering Steel in Structures. Technical Advisory, U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, 1989
[8] Technické podmínky TP 197 Mosty a konstrukce pozemních komunikací z patinujících ocelí. Praha: Ministerstvo dopravy ČR, 2008

Experience and knowledge with application of weathering steel on bridges in the Czech Republic
In this paper, attention is paid to a description of the specific properties of bridge structures fabricated from weathering steels. Some typical failures of patina layers forming are more closely specified in this paper, the causes of these failures are examined and the influence on structure reliability is assessed. The potential for present and future usage of weathering steels for design and realization of bridges in the Czech Republic is briefly indicated in the proposed paper as well.

Autoři

• Ing. Rozlívka Lubomír CSc.
• Doc. Ing. Křivý Vít PhD.
• Ing. Kreislová Kateřina PhD.