NIEKTORÉ VÝSLEDKY MONITORINGU SÍL V ZÁVESOCH MOSTA APOLLO

NIEKTORÉ VÝSLEDKY MONITORINGU SÍL V ZÁVESOCH MOSTA APOLLO ABSTRAKT Jaroševič Andrej 1) - Chandoga Milan 2) - Fabo Peter 3) Príspevok sa zaoberá meraním síl v lanách závesov oblúkového mosta Apollo. Paralelne s výstavbou mosta Apollo firma Projstar - PK s.r.o. vyvinula, vyrobila a na moste inštalovala unikátny monitorovací systém merania síl v závesoch. Z celkového počtu 66 závesov bol na 62 kusoch osadený magnetoelastický monitorovací systém pre meranie individuálnej napätosti v každom lane závesu. Systém umožňuje dlhodobé kontinuálne, resp. časovo definované meranie síl a je súčasťou väčšieho monitorovacieho celku mosta. Nakoľko súčasťou inštalovaného systému sú aj veľmi presné snímače teploty, bolo možné prvýkrát veľmi podrobne a ucelene sledovať vplyv klimatických teplotných zmien na napätosť závesov. Obmedzený rozsah tohto príspevku dovoľuje ukázať len torzo problematiky, viac o meraní je možno nájsť v [1] a [2]. 1. Opis meracieho systému Základným prvkom monitorovacieho systému sú elastomagnetické (EM) snímače sily PSS2. Snímače boli vyvinuté pre veľmi presné meranie sily v sedempramencových lanách,6" obalených plášťom z HDPE priemeru 2mm. Snímač, kalibrovaný na vzorkách použitých lán, zaručuje neistotu merania +/-1, MPa. Pri použití obecnej kalibračnej krivky pre daný typ lana je neistota merania vyššia a pohybuje sa okolo +/- 5 MPa. Snímač môže byť opatrený identifikátorom, ktorý má pevne naprogramovanú pamäť uchovávajúcu údaje potrebné pri meraní a presný snímač teploty, ktorý slúži pre teplotnú korekciu nameraných hodnôt. Snímače boli nasunuté na každé lano závesu (obr.1). Závesy sa zostavovali v horizontálnej polohe na povrchu mostovky. Po namontovaní závesov boli vývody snímačov vyvedené cez priechodku do komory mosta (obr.2) a pripojené na vstupy multiplexera, pomocou ktorého sa realizuje postupné meranie síl v lanách závesu. V spodnej kotve závesu je umiestnený externý identifikátor a presný snímač teploty. Po pripojení meracej aparatúry je záves jednoznačne identifikovateľný a nie je možné zameniť namerané údaje. Pripojením multiplexeru na prenosnú meraciu aparatúru je možné vykonať individuálne meranie síl v závese. Pri automatickom meraní sa použije osem osemkanálových meracích aparatúr, ku každej sa pripojí osem multiplexorov. Všetky meracie aparatúry sú cez rozhranie RS485 pripojené na technologický počítač Advantech, ktorý riadi meranie a archivuje namerané údaje. Schéma celého monitorovacieho systému mosta je na obr.3. 1 Doc. RNDr. Andrej Jaroševič, PhD., 2 Doc. Ing. Milan Chandoga,PhD., Projstar- PK spol.s r.o., Nad Dunajom 5, 8414 Bratislava, tel. +421-2-65422432, fax. +421-2-65422432, e-mail: projstar-pk@stonline.sk 3 RNDr. Peter Fabo, PhD., Katedra experimentálnej fyziky, Fakulta matematiky, fyziky a informatiky, Univerzita Komenského, Mlynská dolina F2, 842 48 Bratislava, tel. +421-2-6295517, fax. +421-2-6541235, e-mail: fabo@fmph.uniba.sk

Obr.1 EM snímače PSS 2 Obr.2 Spodná kotva závesu a multiplexor Obr.3 Schéma monitorovacieho systému mosta Apollo 2. Technológia výstavby mosta Apollo Z viacerých alternatív technologických riešení výstavby mosta bola realizovaná technicky náročná a neštandardná metóda otáčania hotovej nosnej konštrukcie. Táto technológia dovolila zostaviť takmer kompletnú nosnú konštrukciu priamo na brehu rieky s použitím provizórnych podperných systémov. Postup výstavby zahrňoval tieto etapy : a) hlavné trámy a mostovka boli zostavené na provizórnych podperách. Jediným definitívnym bodom podoprenia bolo kalotové ložisko na podpere "bratislavského" brehu, okolo ktorého sa realizovalo neskoršie otočenie mosta b) oblúk mosta bol zostavený na provizórnych podperách uložených na mostovke c) odstránili sa provizórne podpery oblúka d) zostavili a aktivovali sa závesy e) odstránili sa provizórne podpery trámu a most zostal podopretý len na štyroch ložiskách f) nasledoval presun konca mosta na súlodie a jeho otočenie k "petržalskej" podpere g) pripojenie estakád h) záverečná rektifikácia závesov. Bližšie a podrobnejšie o celej operácii otáčania nájdete v literatúre [2].

3. Niektoré výsledky merania sily v závesoch Základný monitoring sily v závesoch pokrýva obdobie od osadenia prvých snímačov až po posledné merania realizované počas zaťažovacej skúšky mosta. Údaje za viac ako 1 mesiacov výstavby mosta poskytujú veľa cenných poznatkov, ktoré prehlbujú naše poznanie o skutočnom pôsobení viaclanových závesov. Vzhľadom na obmedzený rozsah tohto príspevku je možné ukázať len časť výsledkov. 3.1 Prvá aktivácia závesov - začiatočným predpätím lán Prvé merania síl v závesoch boli realizované pri zostavovaní a aktivácii závesov. Závesy boli zostavené v horizontálnej polohe na mostovke. Počas montáže závesov boli na každé lano závesov 5-66 nasunuté snímače PSS2. Po namontovaní závesov, keď vo všetkých lanách bola nulová sila, bolo vykonané nulové čítanie EM snímačov. Oproti pôvodnému zámeru aktívne vniesť sily do závesov a tým nadvihnúť trám nad montážne podpery, boli sily do závesov vnesené pasívne, zdvihnutím konca mosta v provizórnom uložení pomocou hydraulických valcov a odstránením provizórnych podper. Prvou operáciou po inštalácii závesov bolo napnutie celého závesu na cca.1 kn a vyrovnanie síl v lanách na úrovni 1 kn. Na vyrovnanie síl bol použitý na tento účel vyrobený prípravok, ktorý umožňoval manuálne napnúť lano na presnú silu a manuálne zatlačiť kotevné čeľuste do kotevnej objímky. Ukázalo sa, že vyrovnať silu medzi jednotlivými lanami sklonených krátkych závesov na tak nízkej hladine napätosti je prakticky nemožné. Preto boli závesy aktivované vyššou silou cca 4 kn, pričom boli napínané skupinovo z mostného oblúka. I pri tomto postupe boli rozdiely síl medzi jednotlivými lanami závesu neprípustne veľké. Preto sa na kritických závesoch vykonala rektifikácia síl pomocou manuálneho prípravku. Pri rektifikácii sily v lanách závesu bola overená aj možnosť určiť silu v lanách pomocou manuálneho prípravku z údaja dynamometra v okamihu odkotvenia lana. Na obr.4 je znázornený časový priebeh sily v lanách závesu č.5 počas takéhoto merania dňa 13.8.24. Pre prehľadnosť sú znázornené iba zmeny sily voči začiatočnému stavu. Ako je vidieť, v okamihu odkotvenia lana je sila v lane už vyššia o 1 2 kn voči skutočnej hodnote. Jedná sa o krátke závesy, kde rozhodujú už desatiny milimetra. Pri prvých kontrolovaných lanách sa po opätovnom zakotvení lana sila vrátila na pôvodnú hodnotu, pri ďalších lanách dochádzalo ku vzájomnému ovplyvňovaniu lán a zakotveniu na odlišnej hodnote sily. 3.2 Druhá aktivácia závesov - spustením trámu Po rektifikácii sily v jednotlivých lanách závesov bola mostná konštrukcia jednostranne nadvihnutá, čím sa uvoľnili montážne podpery a tiaž trámu sa prerozdelila medzi závesy. Počas tejto operácie bola nepretržite monitorovaná sila v závesoch č.14 a č.5. Na obr.5 je znázornený časový priebeh sily v jednotlivých lanách závesu č.14 počas dvíhania mostnej konštrukcie. Z priebehu sily na obr.5 je vidieť, že napriek dôkladnej rektifikácii závesov, ktorá trvala tri dni, prvé nadvihnutie mostnej konštrukcie znamenalo podstatné prerozdelenie sily medzi jednotlivými lanami závesu. Rozdiel Fmax Fmin, ktorý bol na začiatku 6, kn sa po zodvihnutí mostnej konštrukcie zvýšil na 12,8 kn. Podobne sa choval aj druhý sledovaný záves č.5.

4 3 Zmena sily v lane / kn 2 1-1 -2-3 11:4 11:5 12: 12:1 12:2 12:3 12:4 12:5 13: 13:1 13:2 Obr.4 Časová zmena sily v jednotlivých lanách závesu č.5 počas kontroly sily dynamometrom Sila / kn 5 45 4 35 3 25 2 15 Lano 1 Lano 2 Lano 3 Lano 4 Lano 5 Lano 6 Lano 7 Lano 8 Lano 9 Lano 1 Lano 11 Lano 12 1 5 23.8.4 23.8.4 12: 24.8.4 24.8.4 12: dátum / čas 25.8.4 25.8.4 12: 26.8.4 26.8.4 12: Obr.5 Časový priebeh sily v jednotlivých lanách závesu č.14 počas dvíhania mosta Po presunutí mostnej konštrukcie na pontóny bol most naplavený na pilier č.1 v koryte Dunaja. Počas otáčania, ktoré trvalo 9 dní, bol nepretržite monitorovaný najdlhší záves č.34. Na obr.6 je znázornený časový priebeh sily v jednotlivých lanách závesu, na obr.7 priebeh teploty v dolnej kotve závesu.

Podstatný vplyv na silu v lanách má teplota, najmä rýchlosť nárastu a poklesu teploty. V dôsledku nerovnomerného zohrievania jednotlivých lán závesu sa mení aj rozdiel sily medzi lanami (max. 1,7 kn), čo predstavuje v danom prípade 5,5% z priemernej hodnoty sily v lanách závesu. 38 37 F / kn 36 35 34 33 32 31 3 29 28 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S1 S11 S12 27 26 16.9.4 17.9.4 18.9.4 19.9.4 2.9.4 21.9.4 22.9.4 23.9.4 24.9.4 25.9.4 26.9.4 Obr. 6 Časový priebeh sily v lanách závesu č.34 počas naplavovania mosta 3 28 26 24 22 T / C 2 18 16 14 12 1 16.9.4 18.9.4 2.9.4 22.9.4 24.9.4 26.9.4 Obr.7 Priebeh teploty v spodnej kotve závesu č.34 počas naplavovania mosta

3.3 Záverečná rektifikácia závesov Po pripojení krajných polí ku HMO bola v troch etapách vykonaná konečná rektifikácia závesov na dosiahnutie projektovaného tvaru konštrukcie. Pred rektifikáciou boli premerané sily vo všetkých sledovaných závesoch. Podľa odporúčania FIB [3] nemá odchýlka sily v jednotlivých lanách od strednej hodnoty sily, pripadajúcej na jedno lano, presahovať ±2% GUTS, čo v danom prípade predstavuje hodnotu sily 5,58 kn. Túto požiadavku, ako je vidieť z obr.8, nespĺňalo 18 lán z celkového počtu 74 meraných lán. 12 Odchýlky od strednej hodnoty sily v závese pred rektifikáciou 1 8 Počet lán 6 4 2-1 -9-8 -7-6 -5-4 -3-2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Viac Interval / kn Obr.8 Histogram odchýlok sily v jednotlivých lanách od strednej hodnoty sily, pripadajúcej na jedno lano, po naplavení mosta Vstupnou veličinou pre rektifikáciu bolo celkové skrátenie závesu. Pretože sa jednalo o hodnoty 18-35mm, krátke závesy (do č.1 a od č.58) boli rektifikované skupinovo tzv. gradientovým lisom, ostatné závesy jednolanovým predpínacím lisom, lano po lane. Podľa výsledkov merania sily v jednotlivých lanách závesov bol stanovený postup napínania jednotlivých lán závesov tak, aby sa zmenšoval rozdiel sily medzi jednotlivými lanami závesu. Tento postup sa ukázal ako veľmi efektívny, o čom svedčí aj výsledný histogram odchýlok sily od strednej hodnoty sily, pripadajúcej na jedno lano, zobrazený na obr.9. 14 12 Odchýlky od strednej hodnoty sily v závese po 3. kole rektifikácie a korekcii závesov 6 a 65 1 Počet lán 8 6 4 2-5,5-5 -4,5-4 -3,5-3 -2,5-2 -1,5-1 -,5,5 1 Interval / kn 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 Obr.9 Histogram odchýlky sily v jednotlivých lanách od strednej hodnoty sily po ukončení rektifikácie závesov

Počas rektifikácie dvojice závesov boli priebežne monitorované sily vo všetkých lanách obidvoch závesov a prípadné odchýlky boli okamžite korigované. Po ukončení rektifikácie dvojice závesov boli premerané sily v piatich susediacich závesoch z oboch strán a výsledky boli porovnané s údajmi od projektanta. Problém pri vyrovnávaní rozdielu sily medzi jednotlivými lanami závesu vznikol u krátkych závesov, kde už rozhodujú desatiny milimetra. Aj keď boli použité kotevné čeľuste s malým poklzom, predpovedať úbytok sily po zatlačení kotevných čeľustí je prakticky nemožné. Navyše dochádza k úbytkom sily v už napnutých lanách. Príklad rektifikácie krátkeho závesu č.6 je zobrazený na obr.1 a obr.11. Záves bol povolený pomocou gradientového lisu a opätovne napnutý jednolanovou pištolou. Z obr.1 je vidieť aj prerozdeľovanie sily medzi závesmi. 55 5 45 Celková sila / kn 4 35 3 25 2 15 Z6 Z8 Z1 Z12 1 16: 17: 18: 19: 2: 21: 22: 23: : 1: 2: Čas Obr.9 Priebeh celkovej sily v závesoch č.6, 8, 1 a 12 počas rektifikácie 8 7 6 5 Sila / kn 4 3 2 1 B1-L1 H1-L1 B2-L5 H2-L2 B3-L6 H3-L3 B4-L12 H4-L8 2:5 21:5 21:2 21:35 21:5 22:5 22:2 22:35 22:5 23:5 23:2 Čas Obr.1 Priebeh sily v jednotlivých lanách závesu č.6 počas rektifikácie

Najmä obrázok č.1 dokumentuje potrebu monitorovania skutočnej sily v každom lane závesu. Aj ak meriame presne hodnotu vnesenej sily (napríklad presným dynamometrom na predpínacom lise), výslednú hodnotu sily po zakotvení môžeme odhadnúť len veľmi hrubo. 75 7 65 6 Vypočítané po rektifikácii Namerané po ZS Namerane po rektifikáciii Namerane 1885 Sila / kn 55 5 45 4 35 3 25 2 4 6 8 1121416182222426283323436384424446485525456586626466 Číslo závesu Obr.11 Sily v závesoch mosta Apollo 4. Závery Ako dokazuje obr.9 výsledok rektifikácie závesov mosta Apollo spĺňa požiadavky formulované v tendrovej dokumentácii. Domnievame sa, že bez použitia EM snímačov a rozsiahleho merania počas výstavby a najmä rektifikácie by nebolo možné spoľahlivo preukázať výsledný stav síl v závesoch mosta a najmä rozdelenie sily medzi jednotlivé laná závesu. Ukázalo sa tiež, že všeobecne deklarovaná metóda vyrovnávania sily v lanách závesu pomocou rôznych prípravkov, alebo dvojice jednolanových lisov za istých podmienok nemusí viesť k očakávanému výsledku a splneniu požiadavky maximálnej odchýlky v napätosti lán závesu podľa [3]. Pre ilustráciu je na obr.11 rozdelenie síl medzi jednotlivé závesy mosta. Ako je vidieť, namerané sily v závesoch po rektifikácii sa dobre zhodujú s teoretickým výpočtom. Po zaťažovcej skúške mosta nedošlo ku žiadnym zmenám sily v závesoch, sila v závesoch sa postupne zvyšovala v dôsledku dobudovania mosta (zábradlie, vozovka). Literatúra: [1] Vývoj a výroba EM systému pre meranie síl v závesoch mosta Košická, meranie počas výstavby. ZOD č.:1/3/24 Projstar PK s.r.o., objednávateľ: MCE Linz, Bratislava, Január 24 [2] Meranie napätosti závesov mosta Košická. Záverečná správa, Projstar-PK, spol.s.r.o., Bratislava, Jún 25 [3] fib Bulletin 3, Recommendation "Acceptance of stays cable systems using prestressing steels.", Lausanne, January 25