Problematika obvodových koutových svarů lamelových pásnic spřažených ocelobetonových mostních konstrukcí

• Foto

Účinky nepříznivě přispívající ke složitému stavu napětí v podélných koutových svarech lamelových pásnic mají několikeré příčiny. Při návrhu a používání lamelových pásnic se vychází z předpokladu, že lamely vždy působí ve stoprocentním kontaktu, což znamená, že zatížení od vozidel z lamely horní se do dolní přenáší prostým tlakem a že spolupůsobení obou lamel je plně realizováno smykovým tokem v obvodových koutových svarech, spojujících obě lamely. Ve skutečnosti však tento předpoklad nikdy dodržen není: není v možnostech reálné výroby ocelových konstrukcí zajistit, aby lamely (jako ocelové plechy) byly perfektně rovinné; jsou vždy počátečně zakřiveny a potom vždy dochází v závislosti na poloze vozidla k opakovanému stlačování resp. zvětšování mezery mezi lamelami, jež vzniká kombinací nevyhnutelných počátečních zakřivení obou lamel. K zakřivení lamel může dojít i vlivem jejich svařování a manipulací na stavbě. Potom pod mnohonásobně opakovaným zatížením vozidly, dochází k mnohonásobně opakovanému ohybu zatlačované lamely.

Jak bylo zjištěno, lamely pásnice při přejezdu vozidel k sobě dolehnou, nebo jsou od sebe páčeny. V důsledku zásadního rozdílu tuhostí pásnic (neboť horní plech je navíc vyztužen spřažením s betonovou deskou) oproti tuhostem měkkých okrajových svarů, se relativní natáčení okrajů desky a spodního plechu odehrává v těchto koutových svarech. Deformaci, vyvolanou velmi tuhou deskou, spřaženou s horním plechem, musí vykompenzovat velmi úzké koutové svary s minimální vlastní příčnou tuhostí. Tyto svary při tom jsou cyklicky příčně rozevírány, viz obr. 2b.

U koutových svarů lamelové pásnice vzniká kumulace poškození, jejíž intenzita záleží na počtu zatěžovacích cyklů (který u silničních mostů je velmi veliký) a rozkmitu napětí v rozhodujících místech svarů, jenž opět závisí na zatížení pásnice, její geometrii a intenzitě jejího ohybu („dýchání“), která je zase dána velikostí mezery mezi oběma lamelami, a tedy jejich imperfekcemi.

Namáhání okrajových koutových svarů vyvolané tímto jevem může být velmi závažné, závislé na konkrétním souběhu výrobních odchylek plechů od rovinnosti jejich povrchů v daném místě. Jedná se o náhodné faktory s velmi velkým rozptylem, situaci je nutno předpokládat značně odlišnou v jednotlivých úsecích lamelové pásnice a s téměř absolutní pravděpodobností je třeba očekávat, že v některých lokalitách (které třeba přístupné přímé inspekci nejsou) bude intenzita dýchání extrémně vysoká. Tento problém tedy obecně existuje, a nedá se proto odbýt tvrzením, že u některých zahraničních mostů nebyl zatím zjištěn jeho dopad.

Je zřejmé, že hodnoty těchto přídatných napětí mohou být značné, mění se v mnoha tisících cyklech denně a vytvářejí další složku namáhání podélných svarů, které jsou již namáhány smykovými toky plynoucími z funkce spřažení plechů lamelové pásnice.

V podélných koutových svarech působí současně významné podélné smykové namáhání příslušné zásadní funkci spřaženého konstrukčního systému (železobetonová monolitická deska spřažená s horním plechem lamelové pásnice ocelové svařované komorové konstrukce, spojená podélnými koutovými svary se spodním plechem lamelové pásnice).

Namáhání podélných koutových svarů spojujících plechy lamely pásnice je zvýšeno též v důsledku šikmosti boční stěny komorového průřezu, která z tohoto důvodu vnáší do pásnice příčnou vodorovnou složku napětí vyvolaných tíhou konstrukce mostu a užitného zatížení. Snaží se usmyknout spodní plech lamelové pásnice oproti plechu hornímu (obr. 2a).

Změny teploty desek lamelové pásnice vyvolávají tendenci rozměrových dilatací. Pokud teplota spodního ocelového plechu bude odlišná od teploty systému: horní plech, spřažený s tlustou betonovou deskou, potom koutové svary musí zajistit stejnou deformaci obou prvků lamelové pásnice. Horní plech lamelové pásnice je spřažen s tlustou betonovou deskou – tento plech nese asfaltovou vozovku, která je extrémně ohřívána slunečním zářením. Dolní plech lamelové pásnice je naopak od horní pásnice oddělen a je proto ve zcela odlišném teplotním režimu. Plechy lamelové pásnice jsou spolu spojeny pouze okrajovými koutovými svary.

Průřez působí v příčném směru jako rám s odpovídajícími vnitřními silami. „Pruty“ tohoto rámu tvoří horní betonová deska spřažená s horním plechem lamelové pásnice, která je připojena koutovými svary ke spodnímu plechu lamelové pásnice a dále stěny komorového průřezu s výztuhami a spodní pásnice mostu.

Problém (příčného) rámového rohu obsahujícího lamelovou pásnici: koutové svary jsou tak namáhány významnými účinky vyvolanými zatížením rámového rohu, zejména příčným ohybem komory mostu (kolmo k ose mostu), které se z horního plechu do spodního plechu lamelové pásnice vnáší prostřednictvím okrajových koutových svarů. Významné je, že jde opět o cyklické namáhání, opakující se při přejezdu vozidel, mající vliv na únavový účinek na koutové svary (obr. 2b).

Most je v půdorysném oblouku; odstředivé síly vyvolané jedoucími vozidly jsou vnášeny na povrch horní desky. Do celého průřezu se tyto síly zčásti dostávají prostřednictvím vzpěr a zčásti prostřednictvím podélných koutových svarů lamelové pásnice, které jsou tím též přídatně namáhány.

Sledovaný jev dýchání – cyklické vzájemné oddalování a přibližování plechů lamelové pásnice – se projevuje nejen v příčném směru (jak bylo prokázáno experimentálně), kde významně namáhá podélné koutové svary ohybem, obr. 2b, ale též v podélném směru a je tlumeno v oblasti u příčných tupých svarů lamelových pásnic, kde vyvolává velmi nepříznivou tendenci: efekt s cyklickým charakterem, který může vést případně až i k rozevření plechů na hranici příčného svaru, a tím může přispívat ke vzniku a rozvoji indikací v těsnících nebo tupých svarech lamelových pásnic.

Bylo pozorováno, že při dýchání lamelové pásnice vyfouknutí vzduchu z prostoru mezi plechy předchází jisté nasávání, a cyklus dýchání je opět zakončen nasátím. Možné vysvětlení této skutečnosti odpovídá konstrukčnímu uspořádání: cyklické vzájemné oddalování a přibližování desek lamelové pásnice se projevuje nejen v příčném, ale též ve směru podélném, kde příčné svary propojující oba plechy lamelové pásnice vytvářejí „podpory“ spodního plechu, který tak získává charakter obdobný spojitému nosníku. Proto, když je zatěžující vozidlo nad sousední sekci lamelové pásnice, dochází ve sledované sekci k tendenci k opačnému průhybu (tedy k oddálení plechů a k nasávání vzduchu); když vozidlo najede nad sledovanou sekci, dojde ke sblížení plechů projevujícímu se vyfouknutím vzduchu, a když vozidlo popojede k následující sekci, dojde opět k náznaku nasávání. Tato skutečnost prokazuje složitý charakter jevu a nepříznivé ovlivnění i dalších exponovaných součástí mostní konstrukce, které mohou být již ve stavu extrémního namáhání.

Rozložení napětí v pásnicích ocelových mostů je ovlivněno ochabnutím smykem, jehož intenzita závisí zejména na poměru šířky pásu a rozpětí a na druhu zatížení (soustředěné, rozložené…). Jedním z důsledků ochabnutí smykem je nerovnoměrné rozložení podélných normálových napětí podél šířky pásnice.

Smykový tok v průřezech obvyklých systémů tenkostěnného nosníkového typu s jednoplechovou pásnicí se rozvijí podle obr. 3. Tomu potom odpovídá deplanace průřezu a omezováním jejího volného vývinu následně dojde k odpovídajícímu ochabnutí smykem.

Pro obvyklé tvarové uspořádání (s jednou pásnicí) je typické klasické rozložení podélných normálových napětí podél šířky pásu vyznačeno na obr. 4 – napětí nejvyšší hodnoty dosahují ve styku se stěnou a klesají k okrajům pásu.

U lamelové pásnice je smykový tok převáděn mezi spodním a horním plechem ne přímo ze stěny, ale oklikou, přes obvodové koutové svary (jak ukazuje obr. 5). Tomu potom odpovídá deplanace průřezu lamelové pásnice – je zcela jiná ve spodním a jiná v horním plechu – a následně i projevy ochabnutí smykem. Pro lamelovou pásnici, složenou ze dvou plechů spojených na podélných okrajích koutovými svary, proto může být rozložení podélných normálových napětí složitější, jak
je patrné ze schématu (obr. 6) odpovídajícímu oblasti nad soustředěnou silou (např. reakcí). Ve spodním plechu má rozložení podélných normálových napětí obvyklý průběh, avšak s vyšší intenzitou než v případě jednovrstvé pásnice. V horním pásu naopak v některých oblastech délky konstrukce nastává jev označovaný jako negativní smykové ochabnutí, kdy napětí jsou nejvyšší na okraji pásu a naopak klesají k jeho středu. Důvodem je, že interakční smykové toky působí na horní plech prostřednictvím koutových svarů po jeho okrajích, kdežto na spodní plech ve středu šířky ve spojení se stěnou. Záleží však také na poloze spřahujících svorníků (trnů) v horním plechu.

Lamelová pásnice působí jako deskostěnový systém. Prvotně se to projevuje v rozdílném charakteru deplanace průřezů jednotlivých plechů, a následně rozdílným rozložením napětí. Poměry hodnot napětí v horním plechu a ve spodním plechu neodpovídají jejich vzdálenostem od neutrální osy průřezu mostu. Celková měrná síla v horním plechu v těchto oblastech délky konstrukce je menší než celková měrná síla ve spodním plechu, který je blíže neutrální ose průřezu mostní konstrukce. Následkem toho je spodní plech namáhán více a horní plech méně než by odpovídalo předpokladu rovinného rozložení napětí po výšce průřezu mostu s jednolamelovou pásnicí.

Tendence rozdílné deplanace průřezů plechů znamená další – páčivé – namáhání příčných montážních tupých svarů lamelové pásnice, které prostupují oba plechy – jde právě o ty svary, v nichž mohou být indikovány problémy. Je zřejmé, že pro popis napjatosti lamelové pásnice, složené ze dvou plechů spojených na podélných okrajích koutovými svary, zejména v singulárních oblastech, nestačí použití elementárních principů nosníkové statiky. To se týká i popisu namáhání podélných koutových svarů, které jsou výhradním přenašečem smyku mezi plechy lamelové pásnice.

Podélné koutové svary jsou součástí průřezu, a proto v nich vznikají podélná normálová napětí o velikosti zhruba shodné s velikosti podélných normálových napětí na okrajích plechů lamelové pásnice. Spolu s ostatními složkami namáhání – jak známo – vzniká v podélných koutových svarech spojujících plechy lamelové pásnice prostorový stav napětí.

Vnitřní povrch dutin mezi plechy lamelové pásnice je vystaven koroznímu namáhání oceli na povrchově neochráněných vnitřních plochách plechů ve spáře mezi lamelami, vystavených působení korozní atmosféry vč. vlivu kondenzované vody z vodní páry vstupující ponechanými otvory v dolním plechu pásnice. Tyto korozní vlivy mimo logického korozního celoplošného oslabení samotných plechů v delším časovém horizontu však mohou způsobit i urychlení rozvoje případných únavových poruch v kořenu koutového svaru, ale i těžko odhadnutelné korozní defekty v tzv. těsnícím svaru jako součásti tupého montážního příčného svaru lamel, a to v krátkém časovém horizontu. Při takové situaci je protikorozně neochráněná spára mezi lamelami nutně významnou příčinou zkrácené životnosti ocelové konstrukce mostu.

DISKUSE

Pro objasnění vzniku a vývoje jevu dýchání lamelových pásnic se objevují různé hypotézy, např. že vyfukování a nasávání vzduchu z prostoru mezi na sebe nedoléhajícími plechy lamelové pásnice je vyvoláváno transportem vzduchu zpod vrstvy mostní izolace nejen skrz beton spřažené desky, ale i dále montážními otvory v horním plechu lamelové pásnice, které byly zaplněny betonem spřažené desky jen netěsně. Tato hypotéza však pravděpodobná není; je jen těžko představitelné, že vzduch bez prodlení, současně s projíždějícím těžkým vozidlem, volně proniká tlustou betonovou deskou do otvorů v horní desce lamelové pásnice, zčásti vyplněných zateklým betonem. Pokud by tomu tak bylo, znamenalo by to, mj., že tlustou betonovou deskou může volně – bez odporu – proudit vzduch a že zdrojem tohoto jevu je nedoléhající (tedy vadná) vrstva izolace povrchu desky umožňující takovéto pumpující pohyby, se všemi průvodními dopady na dlouhodobou funkční schopnost izolace a životnost mostní konstrukce.

Nepravděpodobnost této hypotézy plyne i z toho, že dýchání se projevuje současně s přejezdem vozidla – bez zpoždění, které by jistě nastalo při průchodu vzduchu uvažovaným systémem propojených kaveren, trhlin a kapilár v betonu. Také intenzita a frekvence dýchání neodpovídá velkým odporům vůči proudění vzduchu, které by se ve složitém uvažovaném systému nutně vyskytovaly.

ZÁVĚR

Výčet nepříznivých vlivů a diskutovaných jevů má být alespoň upozorněním, ne-li přímo varováním, pro projektovou a též i pro výrobní sféru (do doby, než bude uspokojivě a komplexně teoreticky modelováno popisované řešení, případně i experimentálně ověřeno) před neuváženým používáním vícenásobných lamelových pásnic spřažených ocelobetonových průřezů, kde lamely jsou pouze obvodově propojeny.

Prezentované výsledky jsou součástí výzkumné a expertní činnosti Ředitelství silnic a dálnic ČR. Použity byly též poznatky z řešení grantového projektu GAČR č. 16-04454S.

Problems connected with the occurence of cracks in the peripheral fillet welds in the lamella flanges of composite steel-concrete bridge structures
As the plate elements of lamella flanges always exhibit unavoidable initial geometrical imperfections, a gap always occurs between them, into which the loaded lamella is pressed under load. Since the loading is many times repeated, the above phenomenon is also many times repeated, a pronounced cumulative damage process being thereby generated. This leads to the initiation of fatigue cracks in the longitudinal fillet welds connecting the individual lamellas, which can imperil the safety and useful lifetime of the bridge structure.

Autoři

• Ing. Hromádka Jan
• Prof. Ing. Křístek Vladimír DrSc., dr.h.c., FEng.
• Ing. Kunrt Jaromír FEng.
• prof. Ing. Škaloud Miroslav DrSc., dr.h.c. Mult., FEng.