Dr inż. Tomasz Siwowski Dr inż. Dariusz Sobala Politechnika Rzeszowska

Dr inż. Krzysztof Żółtowski Politechnika Gdańska

ANALIZA PRZYCZYN PĘKNIĘCIA WĘZŁA KRATOWNICY KOLEJOWEJ. OCENA NOŚNOŚCI

GENESIS OF DAMAGE ON TRUSS RAILWAY BRIDGE. ANALISYS OF CARRYING CAPACITY.

Streszczenie. Przegląd szczegółowy kratowego mostu kolejowego ujawnił, oprócz typowych usterek utrzymaniowych, uszkodzenia w trzech z pośród czterech węzłów podporowych. Zauważono wybrzuszenia środników i pęknięcia spoin pasa dolnego i środnika. Oględziny oraz analiza dokumentacji wskazały, że przyczyną awarii było rozszczelnienie konstrukcji węzłów skrzynkowych i uszkodzenia w wyniku zamarzania. Wykonano analizę statyczno-wytrzymałościową konstrukcji przęsła i nieliniową analizę sprężysto-plastyczną MES fragmentu podporowego. Analiza wykazała brak doraźnych zagrożeń dla konstrukcji. Zalecono prace naprawcze z uwagi na efekty zmęczeniowe i ochronę korozyjną. Abstract. This paper describes unusual damage found on truss railway bridge over Głęboka River near Rudnik, Poland. Three out of four box sections near truss support node had deformed webs and flanges which looked like inflated. The lower welds of webs were cracked. Evaluation of archive documentation combined with local survey on the bridge exploited design error which led to filling the box sections with water. Water freezing in closed volume caused deformation of the plates and damage of welds. Numerical evaluation of bridge structure and detailed FEM modeling confirmed this hypothesis. The pre-deformed FEM model of the truss support node was used to estimate influence of damages on the carrying capacity of a structure. Application of advanced elasto-plastic analysis confirmed that global safety factors for damaged structure are met. Renovation of has to done to reduce fatigue degradation of steel and for corrosion protection.

1. Wstęp

Tematem referatu jest most kolejowy w ciągu toru nr 2 linii kolejowej Lublin-Przeworsk km 125.5+85.00 nad rzeką Głęboka w Rudniku nad Sanem (rys.1). Po około dwudziestu latach użytkowania w obiekcie zaobserwowano uszkodzenia w trzech węzłach podporowych kratownicy na początkowym odcinku pasa dolnego (Rys. 2). Stan techniczny obiektu

wzbudził wątpliwości użytkowniku i stał się bezpośrednią przyczyną wykonania kompleksowej ekspertyzy mającej na celu identyfikację przyczyn powstania uszkodzeń oraz ocenę dalszej możliwości użytkowania. W ramach prac eksperckich wykonano: studium materiałów archiwalnych, dokumentację fotograficzną i inwentaryzację uszkodzeń wraz z oceną stanu wnętrza przekrojów skrzynkowych, analizę statyczną i wytrzymałościowa przęsła mostu oraz szczegółową analizę nośności uszkodzonego węzła dźwigara kratownicowego pod kątem ewentualnych przyczyn powstania uszkodzeń.

Rys. 1. Most nad rzeką Głęboka w torze nr 2 linii kolejowej Lublin-Przeworsk

Obiekt został przebudowany w 1985 roku na podstawie dokumentacji Biura Projektów Kolejowych w Lublinie w miejsce istniejącego wcześnie mostu o niewystarczającej nośności. Przebudowano istniejące przyczółki i wykonano całkowicie nowe przęsło kratowe o nośności eksploatacyjnej „NC” PN-66/B-02015 .

Rys. 2. Przekrój poprzeczny i widok ogólny typowego węzła podporowego z zaznaczonym miejscem

wybrzuszenia i pęknięcia spoiny.

INFORMACJE OGÓLNE/ DŹWIGARY GŁÓWNE Numer inwentarzowy obiektu: 333/02184/245 Schemat statyczny: belka swobodnie podparta Rodzaj dźwigarów głównych: kratownica „M”, o pasch równoległych, górą

otwarta, z wieszakami Przekroje poprzeczne elementów kratownicy:

− pasy górny i dolny, krzyżulce skrajne:

skrzynkowe zamknięte

− pozostałe krzyżulce i wieszaki dwuteowe otwarte Połączenia elementów kratownicy i jezdni warsztatowe: spawane montażowe: nitowane (elementy główne - φ25mm,

drugorzędne - φ17mm) Rozpiętość teoretyczna: Lt = 31.44m Długość całkowita kratownicy: Lc = 32.34m Wysokość konstrukcyjna: Hk = 1.394m Wysokość ustrojowa: Hu = 4.5m Rozstaw dźwigarów: Bd = 4.85m Rozstaw poprzecznic: Bp = 3.93m Rozstaw podłużnic: Bpod = 1.80m Światło poziome obiektu: Spoz = 29.95m Skrajnia pozioma: Bs = 4.40m Skrajnia pionowa: bez ograniczeń Ciężar konstrukcji stalowej kratownicy: Gk = 550 kN Pomost stanowią poprzecznice dwuteowe spawane oraz podłużnice wykonane z kształtowników walcowanych INP450. Stężenia poprzeczne podłużnic wykonano z CNP160, natomiast skratowania poziome pasa górnego podłużnicy z kątownika L75x75x8mm tworząc w ten sposób pola o wymiarach 1965x1800mm. Jezdnia S49 z odbojnicami z szyn S49 ułożona została na mostownicach drewnianych 24x20x250cm. Na obiekcie zastosowano łożyska stalowe przegubowe i wałkowe.

2. Analiza materiałów archiwalnych

Przy opracowaniu oceny stanu technicznego wykorzystano projekt wykonawczy przebudowy mostu oraz raportu z przeglądu szczegółowego. W posiadaniu PKP jest kompletna dokumentacja techniczna przebudowy mostu, która po sprawdzeniu „in situ” grubości blach i wymiarów stała się podstawą prowadzenia dalszych analiz. W raporcie z wcześniej wykonanego przeglądu przedstawiono: ocenę uszkodzeń korozyjnych powłok malarskich; ocenę stanu podpór i elementów wyposażenia obiektu, inwentaryzację uszkodzeń węzłów podporowych w postaci deformacji blach oraz pęknięć spoin wraz z dokumentacją fotograficzną, zalecono wprowadzenie ograniczenia prędkości pociągów do 50km/h i opracowanie oceny stanu technicznego obiektu celem określenia przydatności konstrukcji do dalszej eksploatacji w aspekcie wykrytych uszkodzeń, zalecono również przeprowadzenie gruntownych prac remontowych.

Po wykonaniu pomiarów sprawdzających na obiekcie stwierdzono zgodność wykonanej konstrukcji z założeniami projektu. W dalszych analizach opierano się na dokumentacji projektowej mostu oraz na własnych pomiarach uszkodzeń i deformacji wykonanych na obiekcie.

3. Inwentaryzacja i ocena uszkodzeń

Podczas inwentaryzacji szczególną uwagę poświęcono uszkodzeniom występującym w strefie węzłów podporowych dźwigarów kratowych. Sprawdzono również stan innych elementów konstrukcji i nie wykryto istotnych uszkodzeń. Poza rozległymi ogniskami korozyjnymi, które generalnie obniżają trwałość konstrukcji reszta przęsła znajdują się w dobrym stanie technicznym. Uszkodzenia (pęknięcia) skoncentrowane są w węzłach podporowych. W ramach oceny stanu technicznego przeprowadzono na obiekcie następujące badania:

− inwentaryzację geometryczną odkształconych blach uszkodzonych węzłów podporowych dźwigarów głównych;

− inwentaryzację długości pęknięć spoin w uszkodzonych węzłach; − inwentaryzację wnętrza przekrojów skrzynkowych. Inwentaryzację geometryczną odkształconych blach w przekrojach skrzynkowych

przeprowadzono w oparciu o naniesione na powierzchnię inwentaryzowanych elementów siatki pomiarowe o oczkach 10x10cm. Mierzono deformację blachy od przyjętej pionowej lub poziomej płaszczyzny odniesienia.

W przypadku pęknięć badanie polegało na dokładnym oczyszczeniu spoin szczotkami drucianymi, jednoznacznym zlokalizowaniu defektu na długości elementu oraz określeniu długości pęknięcia.

W ramach oceny stanu technicznego przeprowadzono na obiekcie przegląd wnętrza wybranych przekrojów skrzynkowych przy pomocy endoskopu technicznego. Przeglądowi poddano wnętrze węzła podporowego pozbawionego uszkodzeń oraz węzła uszkodzonego. W tym celu w blachach pionowych wywiercono otwory o średnicy ok. 12mm. Przez otwory wprowadzono do wnętrza węzłów końcówkę endoskopu technicznego wyposażonego we własne źródło światła i aparat fotograficzny. Wewnątrz węzła nieuszkodzonego stwierdzono mało zaawansowaną korozję powierzchniową blach. Na dnie przekroju skrzynkowego stwierdzono występowanie niewielkiego zawilgocenia, które może wynikać z częściowego rozszczelnienia., jak również z naturalnego procesu wykraplania się pary wodnej wewnątrz szczelnego przekroju skrzynkowego. Spoiny wewnątrz skrzynki nie wykazują uszkodzeń. Węzeł jako całość jest w dobrym stanie.

Analogiczny przegląd wnętrza skrzynki węzła uszkodzonego pozwolił zidentyfikować bardziej zaawansowaną korozję powierzchniową i lokalne, głębsze ogniska korozji. Najbardziej zaawansowane procesy korozyjne występują na dnie skrzynki oraz wzdłuż spoin wewnętrznych. Pomimo większego zaawansowania korozji wewnątrz uszkodzonego przekroju skrzynkowego jego stan można uznać za dobry, nie wymagający uzupełniania przekroju blach ze względu na ubytki. Podczas przeglądu zaobserwowano również występowanie zawilgocenia wnętrza przekroju skrzynkowego na styku górnej blachy poziomej pasa dolnego oraz przepony zamykającej przekrój podporowy od czoła (rys. 3). Na styku tych blach brak jest spoiny. Zaobserwowane zawilgocenia pozwalają na przyjęcie

hipotezy, dotyczącej przyczyn i sposobu powstania uszkodzeń, która w dalszej części oceny podlegać będzie weryfikacji analitycznej.

4. Ocena uszkodzeń i hipoteza dotycząca przyczyn ich powstania.

Wyniki inwentaryzacji geometrycznej uszkodzonych węzłów prowadzą do następujących wniosków:

− uszkodzenia mają charakter ustabilizowany i nie podlegają propagacji; − wykryte uszkodzenia nie są typowe dla prętów i węzłów kratownic; − charakter uszkodzeń wskazuje na wystąpienie oddziaływań skierowanych od wnętrza

skrzynki na zewnątrz we wszystkich kierunkach; − w trzech węzłach podporowych występują podobne uszkodzenia o podobnym

zakresie.

Intensywnakorozja

szczelinowa

Miejsce gromadzeniasię wody

Przeponaszczelna

Brak spoin

Przepona szczelna

Nakładka mocującapas poprzecznicy

Korozja nitów

kieru

nek s

pływu w

ody

Rys. 3. Prawdopodobna droga penetracji wody opadowej do wnętrza przekroju skrzynkowego pokazana na przekroju podłużnym węzła podporowego

Powtarzalność uszkodzeń kieruje poszukiwanie przyczyn ich powstania w zastosowanym

rozwiązaniu konstrukcyjnym węzła podporowego. Przyjęto, że do wnętrza skrzynki dostała się woda, która w ciągu wielu lat wypełniła go ze względu na brak odpływu.. W czasie występowania niskich temperatur woda zamarzając w wielu cyklach, deformowała blachy. Nadmierne deformacje doprowadziły do pęknięcia najsłabszego elementu, którym była dolna spoina pachwinowa łącząca blachę poziomą z pionowymi. Po rozszczelnieniu się węzła w jego najniższym fragmencie przyczyna powstania uszkodzeń ustała. Na schemacie poniżej przedstawiono prawdopodobną drogę penetracji wody do wnętrza skrzynki (Rys. 3).

5. Analiza aktualnej nośności dźwigarów głównych z uwzględnieniem istniejących uszkodzeń.

W celu potwierdzenia hipotetycznego mechanizmu uszkodzenia i dla określenia jego

wpływu na nośność przęsła przeprowadzono analizę statyczno-wytrzymałościową konstrukcji mostu oraz szczegółową analizę węzła podporowego. Zbudowano prętowy model przestrzenny konstrukcji (rys.4), który posłużył do określenia sił wewnętrznych i naprężeń od normatywnego modelu obciążenia kolejowego k=+2 wg PN-85/S-10030 „Obiekty mostowe. Obciążenia”. Celem analizy szczegółowej było przeprowadzenie numerycznej weryfikacji przyjętej hipotezy uszkodzenia węzła. Wykonano połówkowy model powłokowy (rys. 5). Modelowano zarówno obciążenie ciśnieniem wywołanym przez zamarzającą wewnątrz skrzynki wodę (spowodowała ona deformację, a następnie uszkodzenia spoin), jak również określono wpływ istniejących deformacji blach na nośność węzła pod obciążeniem użytkowym. W analizie statyczno-wytrzymałościowej przyjęto następującą charakterystykę stali konstrukcyjnej St3M: E = 205 GPa G = 80 GPa ν = 0.3 Re,min = 235 MPa Rm = 373÷461 MPa R = 200 MPa Rt = 120 MPa Rd= 240 MPa RdH = 700 MPa Ponadto dla stali nitów St2N przyjęto: R`= 100 MPa Rd = 460 MPa Rt = 190 MPa Rm = 333÷412 MPa Analizę statyczno-wytrzymałościową przeprowadzono z wykorzystaniem systemu MES SOFiSTiK [3] zgodnie z zasadą stanów granicznych.

Rys. 4. Model przestrzenny kratownicy

Maksymalne naprężenia obliczeniowe HMH od układu podstawowego obciążenia w

rejonie uszkodzonego węzła wynoszą 133.6 MPa, co przy wytrzymałości obliczeniowej dla stali konstrukcyjnej R=200MPa nie mogło być samodzielną przyczyną powstania uszkodzeń. Maksymalne naprężenia obliczeniowe HMH od układu podstawowego obciążenia dla pozostałych elementów kratownicy są mniejsze od wytrzymałości stali (σ<R).

Szczegółową analizę węzła podporowego wykonano metodą elementów skończonych korzystając z poprzednich doświadczeń [1],[2],[4]. Na podstawie przyjętego schematu statycznego zbudowany został model powłokowy węzła złożony z 2696 węzłów i 3213 elementów klasy C0 w stanie wyjściowym bez deformacji (rys.5).

Rys. 5. Schemat statyczny węzła do analizy nośności.

Przeprowadzona została analiza pod obciążeniem spowodowanym zamarzającą wodą wewnątrz węzła (rys.6). Przykładano obciążenie w postaci ciśnienia wewnątrz skrzyni w procesie przyrostowym, do momentu uzyskania deformacji większych niż rzeczywiste. W wyniku otrzymano uplastycznienie na krawędzi pasa dolnego i środnika skrzynki (Rys. 6). Analiza potwierdza możliwość wystąpienia uszkodzenia spoiny oraz trwałej deformacji blach węzła pod obciążeniem zamarzającą wodą. Obciążenia te mogły być, zatem samodzielną przyczyną powstania uszkodzeń.

Rys. 6. Obciążenie ciśnieniem wewnątrz skrzynki

Dla tego samego modelu przeprowadzono również analizę nośności pod obciążeniem

użytkowym trzech wartościach deformacji wstępnych (bez deformacji, 25%,50% i 100% deformacji rzeczywistych – rys.7). Stwierdzono występowanie pierwszych stref plastycznych przy obciążeniu reakcją równą ok. 850kN. Reakcja ta jest znacznie mniejsza od reakcji charakterystycznej dla obiektu pod obciążeniem użytkowym. k=+1. Strefy uplastycznienia znajdują się w pobliżu stref uszkodzeń, ale nie są z nimi tożsame. Wyczerpanie nośności węzła następuje jednak przez utratę stateczności elementów krzyżulca przy reakcji podporowej wynoszącej ok. 2538 kN (rys.9).

Rp[kN]

V[mm]

Rys. 7. Postać deformacji skrzynki Tak przygotowany model został powtórnie przeanalizowany w celu uchwycenia wpływu deformacji na nośność węzła.

Rys. 8. Obraz wytężenia w węźle podporowym przy deformacjach rzeczywistych (fd = 1) – maksymalna reakcja

podporowa 850 kN i 2538 kN

Na podstawie wszystkich otrzymanych wyników analizy nośności węzła skonstruowano wykres opisujący tzw. ścieżki równowagi dla różnych wartości deformacji wstępnych. Na wykresie zaznaczono poziomą linią max. reakcję charakterystyczną na podporze od obciążenia normowego. Otrzymane wyniki wykazują, że obserwowany obecnie stan deformacji blach nie wpływa znacząco na nośność i nie zagraża przęsłu.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Przemieszczenia V [mm]

Rea

kcja

pod

poro

wa

0,5

R p

[kN

]

Max. reakcja chr.

Węzel idealny

fd= 0.25

fd= 0.50

fd= 1.00

Rys. 9. Analiza nośności węzła dla stali St3M – ścieżka równowagi

Z analizy szczegółowej węzła wynikają następujące wnioski:

• postać zniszczenia wskazuje jednoznacznie na działanie zamarzającej wody/lodu, • obciążenie ciśnieniem od wewnątrz skrzynki wskazuje, że pierwszym zniszczonym

elementem jest krawędź/spoina dolna; • analiza nośności wskazuje, że doraźnie zdeformowany przekrój może pracować po

uzupełnieniu zniszczonych spoin; • we wszystkich postaciach deformacji wstępnych utrata nośności następuje poprzez

utratę stateczności krzyżulca podporowego.

66.. WWnniioosskkii

1. Bezpośrednią przyczyną powstania uszkodzeń w elementach pasa dolnego kratownicy w

sąsiedztwie skrajnych węzłów podporowych było zamarznięcie wody wypełniającej przestrzeń skrzynki pasów.

2. Pośrednio do powstania uszkodzeń i zwiększania ich zakresu przyczyniły się: a. wadliwe ukształtowanie węzła podporowego nie zapewniające pełnej szczelności

przekrojów skrzynkowych;

b. brak właściwego utrzymania obiektu w zakresie zabezpieczeń antykorozyjnych, który doprowadził do zwiększenia się rozszczelnienia węzła montażowego poprzecznicy.

3. Występujące w węzłach podporowych uszkodzenia elementów pasa dolnego kratownicy nie stanowią doraźnego zagrożenia dla bezpieczeństwa obiektu pod obciążeniem użytkowym i umożliwiają jego dalszą prawidłową eksploatację. Stwierdzono natomiast konieczność kompleksowego remontu utrzymaniowego mającego głównie na celu zatrzymanie procesów korozyjnych.

4. Analiza numeryczna nośności węzła pozwoliła na ocenę stopnia zagrożenia i po raz kolejny [4],[5] stała się elementem procedury postępowania w przypadkach gdy standardowe podejście do problemów wytrzymałościowych zgodne z obowiązującymi normami zawodzi.

Literatura

1. Chróścielewski J., Żółtowski K.: „Analiza nośności zdeformowanych poprzecznic mostu kolejowego w Toruniu”, Konferencja Trwałość i przydatność konstrukcji mostowych, Poznań, 1989, s.39–48.

2. Chróścielewski J., Żółtowski K., Kozakiewicz A., Malinowski M., Szafrański M.: „Ocena wpływu „deformacji pierwotnych” środników na nośność przęseł mostu przez rzekę Wisłę w Kiezmarku”, Ekspertyza naukowo–badawcza, Politechnika Gdańska, 2003.

3. SOFiSTiK GmbH, Monachium. System analizy konstrukcji. www.sofistik.com. 4. Piekarczyk M.: „Wykorzystanie nadkrytycznej rezerwy nośności w projektowaniu

konstrukcji stalowych”, Politechnika Krakowska, Seria Inżynieria Lądowa, Monografie 281, Kraków, 2002.