Stav ocelových mostů po sto letech užívání

• Foto

STATISTICKÁ ANALÝZA PORUCH OCELOVÝCH MOSTŮ

Prvním krokem pro zpracování statistické analýzy bylo vytvoření databáze poruch reprezentativního souboru mostních konstrukcí. V případě železničních mostů byl pro analýzu stavebního stavu vybrán soubor čítající 557 ocelových a ocelobetonových mostů středočeského kraje a hlavního města Prahy. Pro analýzu četnosti poruch byl vzhledem k značnému rozsahu soubor redukován na 118 mostů. Informace byly získány z protokolů podrobných prohlídek mostních konstrukcí, zapůjčených organizací SŽDC s.o. [1].

Statistický soubor vytvořený pro mosty PK sestává z 81 konstrukcí Libereckého a Jihomoravského kraje, přičemž data byla získána studiem údajů uvedených v zavedeném systému pro hospodaření s mosty BMS [2], [3]. Do databáze jsou zahrnuty jak ocelové, tak ocelobetonové mosty. Pro účely analýzy byl použit číselný kód, umožňující objektivní popis poruchy a snadnou následnou kvantifikaci poruch. Tento kód byl založen na principu existujícího kódu uvedeném v Katalogu závad mostních objektů pozemních komunikací [4]. Kód byl však modifikován tak, aby bylo umožněno jeho použití jak na mostech PK, tak na železničních mostech. Základní vlastností kódu bylo třídění poruch do kategorií podle příčiny vzniku a charakteru poruchy. Poruchy byly roztříděny do níže uvedených kategorií:

• Trhliny v betonových prvcích nosné konstrukce.
• Únavové trhliny v ocelových prvcích.
• Korozní oslabení ocelových prvků.
• Nesilová degradace prvků nosné konstrukce (vlivy zvětrávání, biologický a chemický rozpad).
• Účinky vnějšího zatížení (usmýknutí, přetržení a podobně).
• Poruchy izolace (vápenné výluhy, odkapávající voda a jiné známky poruchy izolace).
• Nadměrná deformace (průhyb, natočení, vybočení, kmitání a podobně).
• Závady vzniklé z důvodu provozu na mostě, nebo pod mostem.

Železniční mosty

Základním posuzovaným kritériem byl vliv stáří konstrukce na její poruchovost. Stávající železniční mosty s ocelovou nosnou konstrukcí v průměru dosahují stáří 78 let a blíží se tedy konci své návrhové životnosti. Ocelobetonové mosty se zabetonovanými nosníky (dále jen ZBN) dosahují průměrného stáří 58 let a spřažené ocelobetonové mosty 21 let. Významný počet mostů, zejména konstrukcí se ZBN, byl realizován v meziválečném období. Z tohoto důvodu byl statistický soubor pro účely analýzy rozdělen do skupin následovně:

• Mosty postavené před rokem 1918 (průměrné stáří mostů v souboru: 134 let)
• Mosty postavené v období 1918 až 1945 (průměrné stáří mostů v souboru: 90 let)
• Mosty postavené po roce 1945 (průměrné stáří mostů v souboru: 31 let)

Grafy na obr. 1 ukazují počet mostů dle stavebního stavu nosné konstrukce (NK) v závislosti na stáří, respektive pravděpodobnost, se kterou lze očekávat stavební stav NK v závislosti na stáří konstrukce. Ve zkoumaném statistickém souboru, čítajícím 557 mostů, bylo pouze 10 % mostů hodnocených stupněm 3 z hlediska stavebního stavu NK, přičemž mostů starších 100 let, které jsou již za hranou své plánované životnosti, se ve statistickém souboru vyskytuje kolem 40 %.

Výsledky také potvrzují předpoklad, že stavebním stavem 3 jsou nejčastěji hodnoceny nejstarší mosty. Na daném souboru bylo stupněm 3 hodnoceno 20 % ze všech mostů postavených před rokem 1918, tedy mostů kde již uplynula plánovaná doba životnosti konstrukce. Grafy na obr. 2 ukazují četnost jednotlivých typů poruch, respektive průměrný počet jednotlivých typů poruch na jeden most v závislosti na stáří konstrukce. Z výsledků je patrné, že na každý most postavený před koncem 1. Světové války připadá v průměru 11 poruch. Mosty z meziválečného období vykazují v průměru 10 poruch na jeden most. Nejmenší průměrný počet 5 poruch na jeden most připadá na mosty postavené po 2. světové válce. Zdaleka nejčetnější poruchou ocelových mostů je korozní oslabení, které tvoří téměř 50 % ze všech nalezených poruch.

V další části analýzy byl sledován výskyt poruch v závislosti na typu mostovky (viz obr. 3). Zdaleka nejhorší výsledky pro toto kritérium vykazuje prvková mostovka. Na prvkových mostovkách byla vyhodnocena největší četnost poruch souvisejících s korozí a poruch vzniklých provozem (např. vypadávání drobného kolejiva). Na zkoumaném souboru mostů bylo také nalezeno celkem 15 únavových trhlin, přičemž všechny se vyskytovaly v detailech prvkových mostovek. Nebyla nalezena žádná trhlina v hlavních nosnících, nebo jiných prvcích, jejichž kolaps by mohl mít za následek havárii celé konstrukce. Povětšinou šlo o trhliny v detailu plošného uložení mostnice na podélník, podružných detailech přípojů prvkové mostovky, či přípojích ztužení.

Mosty pozemních komunikací

Jak již bylo dříve popsáno, v České republice jsou ocelové mosty PK ve výrazné menšině. Nejstarší ocelové mosty jsou nejčastěji realizovány jako trámové příhradové mosty s dolní mostovkou, či plnostěnné mosty s dolní mostovkou. V případě novějších konstrukcí bývají ocelové prvky často spřaženy s betonovou deskou tak, aby byly co nejvýhodněji využity vlastnosti obou materiálů. Při posouzení vlivu stárnutí konstrukce na její poruchovost byl statistický soubor podobně jako u železničních mostů rozdělen do tří kategorií:

• Mosty postavené před rokem 1920 (průměrné stáří mostů v souboru: 125 let)
• Mosty postavené mezi lety 1920 a 1980 (průměrné stáří mostů v souboru: 55 let)
• Mosty postavené po roce 1980 (průměrné stáří mostů v souboru: 23 let)

Základní kritérium analýzy sledovalo četnost a pravděpodobnost výskytu konstrukcí, hodnocených různým klasifikačním stupněm stavebního stavu nosné konstrukce dle ČSN 73 6221 [6] (viz obr. 4). Podle tohoto kritéria můžeme konstatovat, že 6 % všech ocelových mostů PK bylo hodnoceno nejhorším klasifikačním stupněm VII – havarijní stav a ve špatném stavu se nachází další 3 % konstrukcí daného statistického souboru čítajícího 81 mostů. Z výsledků také plyne, že stavební stav konstrukce na stáří příliš nezáleží. Opět lze konstatovat, že počet mostů v havarijním stavu, nebo velmi špatném stavu je významně menší oproti předpokladu, který je dán počtem mostů překračujících svou plánovanou životnost.

Nejčastější poruchou je, stejně jako v případě železničních mostů, výskyt korozního oslabení nosných prvků. Analýza také odhalila výskyt trhlin v betonových deskách spřažených konstrukcí či degradaci betonu. Zajímavým poznatkem je fakt, že stav mostů PK se nezhoršuje v závislosti na stáří konstrukce (viz obr. 5). Ve skutečnosti z provedené studie vyplývá, že je poruchovost mostů PK na stáří spíše nezávislá. Některé typy poruch vykazují v závislosti na stáří konstrukce podobnou četnost. V některých případech jsou dokonce nověji postavené konstrukce v horším stavu. To platí například pro korozní poruchy, či projevy spojené s poruchou izolace. Z tohoto důvodu lze usuzovat na možné použití nekvalitních materiálů, či méně kvalitní provedení v příslušných obdobích. V rámci analýzy bylo také zaznamenáno významné množství poškozených dolních pásnic ocelových nosníků, z důvodu nárazu podjíždějícího nákladního vozidla. Důležitým poznatkem je, že na mostech PK nebyly nalezeny žádné únavové trhliny, nejspíše z důvodu nižšího působícího proměnného zatížení od dopravy.

Dalším kritériem pro posouzení poruchovosti mostů PK bylo hodnocení z hlediska třídy pozemní komunikace (viz obr. 6). Na základě vyhodnocení lze konstatovat, že mosty na pozemních komunikacích 1. třídy, a tedy s vyšší intenzitou dopravního zatížení, vykazují větší četnost poruch.

POZNATKY Z PROHLÍDEK OCELOVÝCH MOSTŮ

V uplynulém roce bylo prohlédnuto dalších cca 50 historických ocelových železničních mostů a mostů PK. Mimo popisu poruch a závad byly na většině prohlížených konstrukcí také provedeny nedestruktivní i destruktivní diagnostické zkoušky za účelem zjištění materiálových vlastností příslušné oceli. Vyhodnocení a tvorba zpráv (vzhledem k velkému rozsahu) stále pokračuje a výsledky budou známy v příštím roce. Obecně lze říci, že z hlediska četnosti poruch korespondují poznatky z provedených prohlídek se zjištěními statistické analýzy. V následujícím odstavci jsou rekapitulovány nejvýznamnější poruchy, které byly zaznamenány v rámci provedených prohlídek a statistické analýzy poruch ocelových konstrukcí:

• Únavové trhliny: Vyskytují se téměř výhradně na železničních mostech. Valná většina zaznamenaných poruch byla v detailu plošného uložení mostnice na podélník (viz obr. 7). Dále byly detekovány poruchy ve výztuhách mostnicových sedel při centrickém uložení mostnice na podélník, v přípojích nasazených podélníků, či v detailech přímého upevnění koleje na ortotropní mostovce.
• Koroze: Obecně je korozní oslabení nejčastější poruchou ocelových mostů. Z poznatků provedených prohlídek lze konstatovat, že procentuální oslabení plochy hlavních nosných prvků je ve většině případů spíše nevýznamné, a to i v případech, kdy se stav konstrukce jeví na první pohled velice dramatický. Největší korozní oslabení zpravidla postihuje podporové oblasti, kde se zadržují nečistoty a voda. Mezi závažnější korozní poruchy patří štěrbinová koroze v přípojích nýtovaných konstrukcí jak železničních mostů, tak mostů PK, kde může dojít z důvodu nárůstu korozních zplodin k tahovému namáhání nýtu. Povrchová koroze zpravidla způsobí větší procentuální oslabení u štíhlejších prvků, jako např. u prvků hlavního či příčného ztužení. Z tohoto důvodu jsou povrchovou korozí obecně více procentuálně oslabené mosty PK. Mezi další nejvíce oslabené prvky patří tenkostěnné profily mostin „Zorés“, používané na mostovkách nejstarších nýtovaných konstrukcí (viz obr. 7).
• Nadměrná deformace: Poměrně velké zastoupení mezi poruchami všech ocelových mostů mají nadměrné deformace spojené s nárazem vozidel, či z důvodu manipulace s mostem. Štíhlejší prvky příhradového ztužení z tohoto důvodu často vybočí se značnou výchylkou.
• Poruchy izolace: U ocelových a ocelobetonových mostů byly pozorovány případy zatékání, či výluhů pojiva indikujících poruchy izolace. Tyto poruchy se velmi často vyskytují na železničních mostech s kolejovým ložem. Rozsáhlejší poruchy byly zaznamenány zejména na starších mostech se zabetonovanými nosníky. V případě betonových konstrukcí jsou poruchy izolace katalyzátorem následného procesu degradace.
• Poruchy vzniklé provozem: Byly zaznamenány případy degradace ocelových, betonových i dřevěných prvků konstrukce v oblasti mostního svršku železničních mostů či vozovky.

ZÁVĚR

V České republice se nachází velké množství mostů, jejichž stáří se blíží nebo již překročilo plánovanou teoretickou životnost 100 let. Tyto mosty přesto slouží, byť někdy s menšími omezeními, provozu dodnes. Statistická analýza prokázala, že ocelové mostní konstrukce, za předpokladu přiměřené údržby, dokážou požadovanou životnost 100 let splnit a v naprosté většině případů lze životnost mostů prodloužit. Nicméně je třeba stav mostů prostřednictvím prohlídek nadále monitorovat a v případě nalezení závažnější poruchy přikročit k bezodkladné sanaci. Zaznamenané poruchy provozovaných mostů nemají v naprosté většině případů zásadní vliv na zatížitelnost a spolehlivost mostní konstrukce. Na základě výsledků analýzy lze konstatovat, že stav ocelových mostů je s ohledem na jejich průměrné stáří dobrý.

Příspěvek byl vypracován v rámci řešení projektu DG18P02OVV033 Metody zajištění udržitelnosti ocelových mostních konstrukcí industriálního kulturního dědictví podporovaném Ministerstvem kultury ČR.

REFERENCE:
[1] Protokoly z podrobných prohlídek mostních konstrukcí. Praha: SŽDC a. s., státní organizace, Oblastní ředitelství Praha, 2013.
[2] © VARS BRNO a. s. Bridge Management System – BMS [online]. © VARS BRNO a. s., 2001 Available from: www.bms.clevera.cz. 
[3] O’NEILL, O. Metodika pro stanovení stavu existujících mostů. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2013. 20 p.
[4] PONTEX SPOL. S R.O. Katalog závad mostních objektů pozemních komunikací [online]. 2008th ed. Praha: Pontex spol s r. o., 2008 Available from: www.bms.vars.cz. 
[5] SŽDC S5. Správa mostních objektů. Praha: SŽDC a. s., státní organizace, 2012. 79 p.
[6] ČSN 73 6221. Prohlídky mostů pozemních komunikací. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2018. 64 p.

Autoři

• doc. Ing. Ryjáček Pavel Ph.D.
• Ing. Stančík Vojtěch
• doc. Dr. Ing. Pospíšil Martin Ph.D.