Využití inovativních postupů při posouzení stávajících ocelových mostních konstrukcí

• Foto

DOKUMENTACE ROZMĚRŮ MOSTNÍ KONSTRUKCE

S ohledem na absenci archivní dokumentace a značnou členitost konstrukce byla využita technologie 3D laserového zaměření v kombinaci s klasickými metodami dálkoměrného zaměřování. Hlavní výhodou použité technologie zaměření mostní konstrukce byly scany nepřístupných bodů ocelové konstrukce a spodní stavby, terénu (vegetace odfiltrována) přímo v globálních souřadnicích S‑JTSK.

Lokální měření průřezů bylo provedeno pomocí posuvných měřítek za pomoci horolezecké techniky. Na základě oměření rozměrů průřezů, rozměrů styčníkových plechů a polohy nýtů byly zkonstruovány detaily ocelové konstrukce. Následně byly do 3D scanů (mračen bodů) vkládány připravené části OK s cílem stanovit jejich prostorovou polohu tak, aby odpovídala zaměření, to znamená, aby se jednotlivé hrany prvků kryly s mračnem bodů. Výsledkem bylo detailní osové schéma všech prvků ocelové konstrukce, které bylo základním podkladem pro výpočetní model. Z těchto podkladů byly vyhotoveny přehledné výkresy stávajícího stavu mostní konstrukce a podrobných výkresů OK.

Vlastní hmotnost ocelové konstrukce byla nezávisle stanovena pomocí prostorového 3D tělesového modelu celé konstrukce mostu, který byl konstruován při vytváření výkresu stávajícího stavu. V grafickém programu byly modelovány veškeré detaily včetně styčníkových plechů. Při modelování byly průběžně řešeny veškeré prostorové kolize, což zajišťovalo správnost modelovaného konstrukčního detailu a veškerých jeho návazností.

Celková hmotnost ocelové nosné konstrukce byla stanovena virtuálním měřením na 866,7 t. Hmotnost revizních lávek a podlahových plechů činí 97,1 t. Celková hmotnost modelovaných částí ocelové konstrukce dle 3D statického výpočetního modelu je 678 t (pro objemovou tíhu oceli 7 850 kg × m³). Poměr modelované části ve statickém výpočetním programu a skutečné hmotnosti ocelové nosné konstrukce je ~1,28. Z hodnoty poměru hmotností je zřejmé, že nezanedbatelnou část vlastní hmotnosti OK tvoří její staticky nemodelované části, tzn. styčníkové plechy, příhradové spojky členěných prutů, příčná diafragmata prutů apod. Při uvážení očekávané přechodnosti mostní konstrukce tvoří vlastní tíha nezanedbatelnou část zatížení hlavního nosného systému. Z tohoto důvodu bylo nezbytné zpracování podrobného 3D tělesového modelu vlastní hmotnosti ocelové konstrukce.

VÝPOČETNÍ MODEL

Celá ocelová část mostní konstrukce byla modelována ve statickém mostním software MIDAS 2015 v2.2. Pro výpočet vnitřních sil globálního systému konstrukce byl vytvořen 3D prutový výpočtový model. Z důvodu přehlednosti výsledků a kapacity výpočetního softwaru byl základní model rozdělen na dva modelové typy:

1. globální statika nosné konstrukce (obálky pohyblivého zatížení; celkové kombinace zatížení),
2. analýza konstrukce (generované stavy od pohyblivého zatížení (stabilitní výpočet – vzpěrné délky prutů, nelineární výpočet – vliv II. řádu (imperfektní model), dynamický výpočet – vlastní tvary a frekvence).

Základem modelu bylo osové schéma konstrukce mostu dané systémovými osami, které bylo stanoveno při dokumentaci rozměrů stávající konstrukce. Průřezy jsou k osám připojeny s excentricitou dle skutečné polohy jejich těžiště, což je důležité pro stanovení odpovídajících přídavných („parazitních“) sil ΔMy a ΔMz ve styčníku. Součástí výpočetního modelu jsou i prvky železničního svršku z kolejnic a mostnic. Tyto prvky jsou modelovány tak, aby bylo zatížení roznášeno do podélníků a zároveň nespolupůsobily s globálním systémem.

Model mostní konstrukce obsahuje řadu vnitřních kloubů a nehmotných tuhých vazeb tak, aby bylo dosaženo správného působení. Tuhosti vnitřních kloubů mostovkové části byly kalibrovány na základě výsledků měření při ověřovací statické zkoušce mostní konstrukce. Pro stanovení podélných a rotačních koncových tuhostí byl použit specializovaný program IDEA StatiCa modul Connection, který pracuje na principech nové metody CBFEM (component based finite element method). Tuhosti byly stanoveny na detailních modelech styčníků, kde počet nýtů odpovídal reálnému styčníku.

Vzhledem k tomu, že globální model byl vytvořen z prutových prvků s celistvým průřezem, bylo nutné uvážit vliv změny tuhosti u prutů, které jsou tvořeny složenými průřezy členěných prutů. K tomuto účelu byly vytvořeny porovnávací modely v programu SCIA ENGINEER 2008.1. Pomocí vnitřních součinitelů tuhosti pak byly v globálním výpočetním modelu (Midas) prutům přiřazeny koncové tuhosti v připojení ve styčníku a ekvivalentní tuhosti členěného prutu po celé jejich délce.

OVĚŘOVACÍ ZATĚŽOVACÍ ZKOUŠKA

V rámci statického přepočtu byla provedena statická a dynamická zkouška dle zpracovaného a odsouhlaseného programu. Provedení zkoušky zajišťovala ČVUT v Praze, Fakulta stavební, nezávislé kontrolní měření deformací zajišťovala firma Vintegra, s. r. o. technologií radarové interferometrie. Výsledky zkoušek byly následně použity pro
verifikaci výpočetních modelů s experimentálně zjištěnými hodnotami měřených veličin. Účelem bylo ověření účinků stávající dopravy na mostě, tzn. ověření provozuschopnosti trati a dále ověření shody měřených veličin stanovených na výpočetním modelu mostu.

Statická zatěžovací zkouška ukázala obdobné chování výpočetního modelu a reálné konstrukce, a to i přes ovlivnění deformací extrémním nárůstem teploty vzduchu v průběhu zkoušky od 18 °C do 29 °C. Zjištěná normálová napětí odpovídala výsledkům modelu.

Dynamická zatěžovací zkouška ukázala značné hodnoty zrychlení. Překročení kritéria pohody „přijatelná“, tj. 2 m × s2 je o cca 50 %. Toto lze označit na hranici akceptovatelnosti, s ohledem na charakter provozu dopravy a stáří konstrukce. Dynamická zkouška byla z důvodu vodorovného kmitání ukončena při rychlosti přejezdu hnacího vozidla 50 km/h. Vlastní tvary a frekvence se po aktualizaci modelu a úpravě metody výpočtu na iteraci podprostoru dostaly do souladu s chováním konstrukce.

Z výsledků nezávislého měření pomocí radarové interferometrie vyplývá příznivá shoda předpokladů s experimentem.

ZÁVĚR

Při statickém přepočtu se uplatnily nejmodernější postupy v oblasti 3D modelování a statických výpočtů. Potvrdila se účelnost jejich využití pro dosažení co možná nejpřesnějších výsledků, na jejichž základě je možné konstrukci kvalifikovaně posoudit. Dosažená přesnost modelování by však nebyla plně využitelná bez moderních diagnostických postupů. Účelnost kombinace zvolených metod se v průběhu zpracování přepočtu potvrdila.

Innovative Procedures used for Assessment of Existing Steel Bridges
During static reanalysis of an old riveted steel bridge, situated on a railway over dam Orlík near the village of Červená nad Vltavou, there were used new analytical and computational methods. These methods, such as new 3D laser scanning technology, interferometric radar measuring, 3D designing or CBFEM based computational tools, were applied while surveying complicated geometry of the structure, measuring deformations of the loaded structure, analysing the stiffness of the structured sections and calculating normal and rotational stiffness of riveted joints.

Autoři

• Ing. Bartaloš Jan
• Ing. Kutina Filip
• Ing. Vlasák Martin