Analýza závad klenbových mostů, vliv závad na únosnost a bezpečnost mostů.

Ing. Jiří Pokorný CSc., Ing. Pavel Štěpán, Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice

Typy mostních konstrukcí v síti ČD.

Typy mostních konstrukcí a jejich četnost v síti ČD byly zjišťovány na GŘČD (ing. Vejvoda), kde jsou evidovány v programu MES.

Typ mostní konstrukce	Počet	%
mosty ocelové	2645	25,88
spřažené	67	0,66
zabetonované nosníky	1420	13,90
železo betonové	1900	18,60
předpjatý beton	397	3,88
prostý beton	429	4,19
kamenné (klenby)	2884	28,22
cihelné (klenby)	475	4,64
Celkem	10217	99,97

Procentuelní vyjádření četnosti klenbových mostů je nasledovní:

Typ mostní konstrukce	Počet	%
z prostého betonu činí	423	4,19
z kamene	2884	28,22
z cihel	475	4,64
Celkem mosty klenbové	3782	37,05

V celkovém počtu 10217 mostů evidovaných u Českých drah je tedy četnost klenbových mostů značná a vzhledem k tomu, že v současné době v převážné většině svým stavem ohrožují bezpečnost provozu na železnici,a vyžadují opravy a sanační práce značných rozsahů, je věnována analýze poruch těchto konstrukcí určitá pozornost. Z provedených rozborů těchto konstrukcí a na základě prostudování příčin poruch nejčastěji uváděných v revizních zprávách a dalším studiem je možno poruchy klenbových mostů rozdělit následujícím způsobem:

A. Podélné trhliny.

B. Trhliny v opěře.

C. Kaverny.

D. Vysunutí desek.

E. Odtržení konce křídla. Tato porucha se často objevuje u mostů se šikmými křídly. Příčinou bývá podemletí konce křídla nebo špatné založení křídla, jako celku.

F. Vyboulení zdiva. Příčinou vyboulení zdiva bývá velmi často voda a vegetace. Tato porucha v mnoha případech předchází před vznikem kaverny. Je třeba posoudit hloubku uvolnění a místo, kde k poruše dochází. Zobrazení poruchy i se sanační opravou vyztužením ocelovými tyčemi je znázorněno na obrázku.

G. Odtržení opěry. Tato porucha se vyskytuje stále častěji v poslední době u řady klenbových mostů. Příčina pro vznik této poruchy je stále zvyšující se nápravové tlaky kolejových vozidel na železničních mostech, nepříznivě působící dynamické účinky vozidel na násypy ve kterých vznikají boční tlaky jimiž jsou pak namáhány průčelní zdi.Tyto účinky způsobují buď posun opěry a nebo v případě, že spojení opěry s klenbou je spolehlivé a odolává posunutí může dojít k oddělení trhlinou části klenby s průčelní zdi.

Z prováděného sledování poruch na těchto mostech, které se mnohdy stupňují až do způsobení havarijního stavu mostu můžeme uvést hlavní příčiny, které tyto poruchy způsobují:

1. Poškozená izolace, zatékání vody narušuje spárování u kleneb cihelných a kamenných, vznikají trhliny vlivem mrazu.
2. Degradace materiálu z let 1930 (cihly, kámen, beton) způsobují tvarovou změnu střednice.
3. Vliv vegetace, nefunkční dilatace, způsobují zhoršování fyzikálních vlastností použitého materiálu.
4. Zvyšující se nápravové tlaky kolejových vozidel a počty přejezdů způsobují soustavné přetěžování mostů, jak statické, tak hlavně dynamické, na které tyto mosty , klenby nejsou dimenzovány. Vznikají poruchy základů vlivem sedání opěr a odlišného sedání přilehlého násypu, které zasahují nosnou konstrukci a mění podmínky podepření mostu.
5. Změny provozní, vzdálenost os kolejí (původní 3m nyní 4m) snižuje roznášecí šířku a roznos zatížení. Výškové změny na mostě zvyšování nivelety vede k rozevírání mostů.
6. Změny průřezů při rekonstrukcích včetně nového půdorysného uspořádání mohou způsobit odlišné namáhání než na které klenby byly navrženy.

Vzhledem k tomu, že významný vliv na poruchy těchto mostů má vliv zatížení, jeho stoupající intenzita jež vede mnohdy až k přetěžování těchto mostů, je třeba věnovat určitou pozornost právě statickému řešení těchto mostních konstrukcí, (průběhu vnitřních sil), aby bylo možno porovnávat různé stavy současnosti, s provedenými návrhy a realizacemi těchto staveb v minulosti.

Materiál, vlastnosti.

Materiál, cihly, kámen má daleko k materiálu, který by vyhovoval Hoockovu zákonu. Vyjádření vztahu mezi přetvořením a napětím je příliš složité, takže oblouky byly mnohdy považovány za oblouky z pružného materiálu což bylo v rozporu se skutečností.

Podmínky rovnováhy klenby.

Pro klenbu platí tři podmínky rovnováhy, kterým musí konstrukce vyhovět v každé spáře:

a) Podmínka rovnováhy vzhledem k pootočení. V libovolném průřezu klenby nesmí tlakové centrum vystoupit z průřezu.
b) Podmínka rovnováhy vzhledem k posunutí. Úhel sevřený paprskem výslednice a kolmic k vyšetřované spáře nesmí být větší než úhel tření j ,který je přibližně pro zdivo na maltě j = 22,5° – 37°
c) Podmínka bezpečné pevnosti. V žádné části průřezu nesmí být při namáhání překročena pevnost materiálu klenby.

Specifické problémy vzniku poruch u mostů klenbových z kamene a cihel.

U zděných mostů z kamene a cihel odezvou konstrukce na statické zatížení s dynamickou složkou je časově závislá deformace, přetvoření nebo porucha. To znamená, že v čase dochází k postupnému nárůstu deformací (přetvoření), rozvoji a šíření poruch, které pak v konečném stádiu vedou k zhroucení konstrukce. Z původních vlasových trhlin nepravidelně uspořádaných v cihelném zdivu, či maltě, dochází ke vzniku trhlin větší šířky k uvolňování zdiva ve spárách k vypadávání malty a k havarijním stavům. Příčinou poruch zdiva jsou fyzikální, chemické a biologická vlivy. Snižování objemu zdiva narušováním jeho celistvosti a rozpadem jeho složek se snižuje únosnost zdiva.

Trhliny, jako závažné poruchy zdiva vznikají buď vlivem změny stavu napětí nebo přetvoření ve zděném prvku následkem změny zatížení, deformací a přetvořením přilehlých prvků, degradací a rozrušováním zdiva. Podle příčiny vzniku jsou trhliny způsobeny silovými nebo přetvárnými účinky zatížení, dále změnou stavu napětí, případně přetvoření ve zděném prvku (rovinný nebo prostorový stav napjatosti).

Zdivo možno klasifikovat, jako nehomogenní křehký materiál skládající se ze dvou látek o různých fyzikálních charakteristikách. U běžného zdiva jsou zpravidla tlaková svislá a tahová vodorovná přetvoření malty při zatížení zdiva svislými silami větší než odpovídající přetvoření kusového staviva, (cihel) avšak celkově menší než odpovídající přetvoření samotné malty bez spolupůsobení s kusovým stavivem. U malt s malou pevností je soudržnost malty a cihel malá a při tlakovém zatížení zdiva je malta vytlačována ze spár. Soudržnost obou materiálů zajišťuje jejich spolupůsobení a tím i shodné přetvoření. V důsledku vzájemného působení je malta, která má tendenci k většímu příčnému přetvoření příčně tlačená a cihly příčně taženy. Pro tento případ poměru pevnosti malty a cihel může vzniku svislých trhlin v ložných spárách vyplněných maltou předcházet vznik svislých trhlin v cihlách, které se porušují tahem.

Ve zdivu s maltou vysoké pevnosti dochází k obdobnému mechanismu, který však působí opačně. Cementová malta s vyšším modulem pružnosti přebírá v důsledku vyšší tuhosti menší příčné přetvoření příčná tahová napětí způsobená tendenci cihel k většímu příčnému přetvoření, cihly jsou v tomto případě namáhány příčným tlakem. Při rostoucím zatížení se objeví zpravidla první svislé trhliny ve výplni ložných spár a teprve následně nebo současně v cihlách.

Základní příčinou porušování zděného prvku namáhaného svislým tlakem a vyčerpání jeho únosnosti v tlaku je rozvoj převážně tahových trhlin v cihlách.

Podmínku kompatibility (stejné příčné deformace cihel a malty v blízkém okolí styčné spáry)můžeme přibližně napsat ve tvaru

kde Ds_xt = normálová síla na jednotku délky spáry způsobená smyk. tokem t

Z uvedeného vlivu vzájemného spolupůsobení složek zdiva je zřejmý význam dodržování předepsaných výšek ložných spár , význam vlivu případného příčného vyztužování zdiva v ložných spárách na zvýšení pevnosti zdiva. Pevnost zdiva v tlaku R_msc by se měla vyjadřovat jako proměnná hodnota závislá na pevnosti cihel v tlaku R_uc, malty v tlaku R_mc a pevnosti cihel R_ut popřípadě malty R_mt v tahu , přičemž právě pevnost cihel R_ut se uplatňuje zejména u zdiva při zatíženích blížících se meznímu zatížení, kdy nastává rozvoj trhlin a má tedy významný vliv na zůstatkovou únosnost zdiva. Trhlina vznikne v tom místě ( průřezu ) zděné konstrukce, kde působící normálové napětí v tahu překročí lokální(místní) pevnost zdiva v tahu R_mst, případně kde hodnota příčného přetvoření překročí hodnotu mezního poměrného přetvoření v tahu e_xm. Pevnost zdiva v tahu, jako heterogenního materiálu závisí na poloze průřezu, to je na vzdálenosti a poloze posuzovaného průřezu vzhledem k ložným a příčným spárám. U tlačených mostních opěr klenbových mostů obvykle první svislé tahové trhliny vznikají ve střední třetině výšky prvku. Zde jsou největší hodnoty příčného přetvoření e_x a z těchto míst se šíří trhliny směrem nahoru a dolu. Vznik trhlin v patách klenby nebo v dolní části opěry výrazným způsobem snižuje únosnost opěry.

Vedle svislých tahových trhlin vznikají v případech, kdy směr hlavního napětí v tahu svírá s vodorovnou osou úhel a > 25^o stupňovité trhliny procházející styčnými a ložnými spárami.Je-li úhel a > 25^oprobíhají trhliny ve styčných spárách a v cihlách a mohou být částečně šikmé ve směru hlavního napětí v tlaku.Smykové trhliny svislé i šikmé vznikají v místech rozdílného posunu dvou částí jednoho prvku a nebo v místech dvou na př.kolmých prvků. Jejich nejčastější příčinou jsou účinky objemových změn a rozdílného sedání. Pro smykové trhliny v provázaném zdivu je charakteristické,že jsou vytvořeny z řady po sobě následujících krátkých šikmých tahových trhlin zpočátku vlasových později výrazně viditelných šikmých.

Vedle lokálních trhlin se ve zděné konstrukci můžeme setkat i s výskyty trhlin, které jsou důsledkem přelévání (redistribuce) tahových či smykových napětí po průřezu zděného prvku z části porušeného trhlinou do části neporušených.

Na následujícím obrázku je uveden pracovní diagram zděného tlačeného prvku N, e zidealizovaný, který je charakteristický třemi oblastmi. K tomuto diagramu je zobrazeno předpokládané porušení svislé zděné konstrukce trhlinami tak, jak v jednotlivých stádiích zatěžování bude pravděpodobně probíhat.

Začátek porušení je charakteristický vytvořením jedné nebo více průběžných svislých trhlin.Svislé trhliny obvykle vznikají v prodloužení styčných spár. Rozdělením zděného pilíře průběžnými svislými trhlinami na jednotlivé sloupky je dosaženo mezního stavu únosnosti. Častou příčinou snížení únosnosti zdiva je jeho nekvalitní provedení rozdílná kvalita kusového staviva a malty v ložných spárách. Rozdílné nepružné dotlačování zdiva může být způsobeno rozdílnou kvalitou malty případně rozdílnou tloušťkou ložných spár.

Při posuzování klenbových mostů nelze opomenout při sledování způsobu porušení i trhliny vzniklé účinkem objemových změn na konstrukci způsobených změnou teploty, kdy jde zpravidla o smykové trhliny v důsledku cyklického charakteru tohoto účinku.

Poměrně rozsáhlou skupinu poruch zděných mostních kleneb tvoří poruchy způsobené vynuceným přetvořením v důsledku změny tvaru základové spáry, to je nerovnoměrným poklesem a pootočením. Jde o poklesy, drcení materiálu v důsledku koncentrace tlakových napětí. Podobné porušení zdiva může vzniknout v místech náhlé změny průřezu třeba vlivem změny provozního půdorysného uspořádání na železničním svršku. Závažným činitelem pro vznik poruch u těchto konstrukcí je i celková degradace materiálu, která vzniká opakovanými procesy,souvisejícími se změnami vlhkostí, vysušováním a změnami teplot, kdy materiál mění svoje fyzikální vlastnosti.

Závěr

Vzhledem k tomu, že je průběžně sestavován plán oprav a rekonstrukcí těchto mostů, mohli by uvedené informace posloužit právě pro vytypovávání vhodných objektů pro tyto účely. Oprávněnost zajímat se o tyto konstrukce je dána i tím, že ze 106 vybraných mostů GŘČD pro sanace a rekonstrukce je 74 klenbových, u kterých byl specifikován následující rozsah prací:

Druh opravy	počet	%
Sanace klenby včetně hydroizolací	18	24,32
Sanace klenby včetně spodní stavby	23	21,08
Obnova hydroizolace včetně drobných oprav	18	24,32
Sanace spodní stavby	15	20,27

Zbylých 30,18% což činí 32 mostů, jsou mosty jiného charakteru (většinou ocelové).

Literatura:

1. Akademik Bechyně: Betonové obloukové mosty
2. Lipanská E.: Historické klenby
3. Stavební ročenka ČKAIT, 1997

zpět na seznam