URČOVÁNÍ ZATÍŽITELNOSTI ŽELEZNIČNÍCH MOSTNÍCH OBJEKTŮ prof. Ing. Josef Vičan, CSc. - Ing. Jozef Gocál, PhD. - Ing. Jaroslav Odrobiňák, PhD. - doc. Ing. Martin Moravčík, - doc. Ing. Peter Koteš, PhD. ŽU v Žiline, Stavebná fakulta, Katedra stavebných konštrukcií a mostov DETERMINATION OF RAILWAY BRIDGE LOADING CAPACITY Summary In frame of global European standardization and in consequence of new knowledge related to the existing bridge reliability, the need for revision of the service handbook: Determination of the railway bridge loading capacity [1] has started up. The new guideline has been worked up by the collective of the Department of Structure and Bridges from the University of Žilina in cooperation with SŽDC, s.o. and other cooperators among academicians and designers. In the presented paper, the attention is paid to the general concept and basic assumptions of the new guideline for determining the railway bridge loading capacity. 1. Úvod Významným procesem a zdrojem informací pro rozhodování o strategii údržby, oprav nebo rekonstrukcí stávajících mostních objektů je jejich hodnocení. Má-li být hodnocení objektivní, musí vycházet ze spolehlivostní koncepce založené na základním parametru spolehlivosti stávajících mostních objektů, kterým je zatížitelnost. Zatížitelnost železničních mostních objektů je rovněž rozhodujícím parametrem pro vyhodnocení přechodnosti železničního provozního zatížení. Představovaná nová směrnice stanovuje všeobecná pravidla a metodiku určování zatížitelnosti železničních mostních objektů pro různě definovanou úroveň její přesnosti a následně uvádí pravidla pro ověřování přechodnosti železničního provozního zatížení příslušné traťové třídy zatížení (TTZ) podle ČSN EN 15528 jakož i pravidla pro vyhodnocení přechodnosti konkrétních kolejových vozidel. Směrnice platí pro určování zatížitelnosti trvalých a zatímních mostních objektů a dalších objektů s konstrukcí mostům podobnou spravovaných SŽDC, s.o. na železničních tratích s traťovou rychlostí do 200 km/hod. Výjimku ze závazných ustanovení této směrnice může na základě předložené žádosti povolit jen GŘ SŽDC, s.o., O13 OMT. Dnem účinnosti této směrnice se v celém rozsahu ruší Služební rukověť SR5 (S) [1], avšak hodnoty zatížitelnosti stanovené podle této služební rukověti zůstávají v platnosti a jsou nadále plně použitelné pro posuzování přechodnosti. Směrnice rovněž platí pro určování zatížitelnosti prvků nových mostních objektů, avšak pro úroveň spolehlivosti odpovídající návrhu nového mostního objektu, tj. pro návrhové hodnoty účinků zatížení a únosnosti průřezů a prvků mostních objektů definovaných podle současně platných norem ČSN a ČSN EN bez možnosti využití úlev uvedených v této směrnici. 2. Členění směrnice a základní zásady určování zatížitelnosti Směrnice svojí strukturou kopíruje členění evropských norem. Tvoří ji obecná část platná pro všechny druhy mostních objektů a následující přílohy A, B, C, D specifikují pravidla určování zatížitelnosti pro jednotlivé mostní objekty podle materiálu, z kterého jsou zhotoveny (ocelové, spřažené ocelobetonové, betonové a zděné). Příloha E představuje tradiční tabulku přehledu zatížitelnosti a vzor jejího vyplňování. V nově zavedené příloze F jsou vysvětleny postupy doplněné příslušnými vzorci pro přesnější výpočet hodnot dílčích součinitelů účinků 1
zatížení a spolehlivosti materiálů na základě zpřesněné úrovně spolehlivosti, příp. na základě údajů zjištěných zkouškami. Obecná část má 5 kapitol. Po úvodních ustanoveních, citovaných a souvisejících normách a obdobných předpisech následují zkratky a značky používané v jednotlivých částech směrnice. Aplikované termíny a definice vychází z mostního názvosloví a jsou doplněny o některé specifické pojmy zavedené ve směrnici, příp. mírně upravené oproti normovému názvosloví. Ve směrnici jsou zavedeny dva druhy zatížitelnosti, a to normální a výjimečná. Normální zatížitelnost prvku mostního objektu je definovaná v souladu s pojetím normové definice tohoto pojmu. Nově zavedená výjimečná zatížitelnost se určuje přepočtem mostního objektu podle postupů a zásad uvedených ve směrnici pro určení zatížitelnosti kategorie C, resp. D s dalšími úlevami definovanými v kapitole 4.9 směrnice. V směrnici jsou ponechány v souladu s původní SR5(S) [1] čtyři kategorie zatížitelnosti, a to: - kategorie A: zatížitelnost stanovená odhadem na základě informací získaných zejména z procesu dohlédací činnosti; - kategorie B: zatížitelnost stanovená porovnávacím přepočtem stávajícího mostního objektu, označovaná jako odvozená zatížitelnost; - kategorie C: zatížitelnost stanovená přepočtem stávajícího mostního objektu na základě jeho ověřeného skutečného stavu nebo analýzou nového mostního objektu, resp. jeho části; - kategorie D: zatížitelnost stanovená přepočtem stávajícího mostního objektu na základě jeho ověřeného skutečného stavu nebo analýzou nového mostního objektu, resp. jeho části, doplněnými experimentálním ověřením chování mostního objektu, příp. jeho části, kterým se ověří správnost zvoleného výpočtového modelu. Kategorii zatížitelnosti mostního objektu stanovuje příslušný správce mostního objektu (SMT) nebo odborný útvar zadavatele jako součást zadání pro určení zatížitelnosti mostního objektu. Odborným útvarem zadavatele se v směrnici rozumí GŘ SŽDC, s.o., O13 OMT. Přechodnost provozního zatížení se ve směrnici definuje v souladu s ČSN EN 15528, přičemž provozním zatížením se v směrnici rozumí traťové třídy zatížení (TTZ), konkrétní kolejová vozidla a příp. i lokomotivní třídy. Nově je zaveden termín těžká zásilka, za kterou se v směrnici považuje provozní zatížení překračující TTZ příslušné trati s přidruženou rychlostí a přepravující se za speciálně stanovených provozních podmínek. V kapitole 3 směrnice jsou uvedeny obecné zásady a pravidla jejího používání, jakož i podmínky určování normální a výjimečné zatížitelnosti. Podstatná je kapitola 4 směrnice, v které jsou uvedeny rozhodující zásady pro potřeby určování zatížitelnosti železničních mostních objektů. Jedná se o podstatná ustanovení pro přepočty mostních objektů s uvedením základních částí přepočtu, tj. technická zpráva k přepočtu mostního objektu, vlastní přepočet mostního objektu a přehled zatížitelnosti (podle přílohy E) se specifikací jejich součástí. Spolehlivost mostních objektů se posuzuje a jejich zatížitelnost se určuje pomocí metody dílčích součinitelů. V metodě dílčích součinitelů se ověřuje, zda ve všech relevantních návrhových situacích nejsou překročeny příslušné mezní stavy únosnosti a použitelnosti mostních objektů. Mezní stavy únosnosti mostních objektů jsou v směrnici definovány následovně: - porušení průřezu prvku mostního objektu překročením jeho návrhové únosnosti nebo mezního poměrného přetvoření - ztráta stability tvaru prvku mostního objektu, - porušení spoje, - únavové porušení při opakovaném vysoko cyklovém namáhání, - ztráta stability polohy, pro kterou se však zatížitelnost se nestanovuje. 2
Z hlediska mezních stavů únosnosti se prokazuje, že extrémní návrhové hodnoty účinků zatížení odpovídající stanovené hodnotě zatížitelnosti nepřekračují návrhovou únosnost průřezů a prvků mostního objektu nebo jeho části. Mezní stavy použitelnosti mostních objektů jsou: - omezení pružných napětí, - omezení přetvoření z hlediska bezpečnosti dopravy, - vznik nepřijatelných kmitání, - omezení trhlin. V další části směrnice jsou ustanovení specifikující stálá a proměnná zatížení mostních objektů při přepočtech a obecné postupy stanovení materiálových vlastností při určování zatížitelnosti. V zásadě jsou respektována pravidla a ustanovení platná pro zatížení mostních objektů podle příslušných Eurokódů. Svislé proměnné zatížení železniční dopravou se při přepočtech mostních objektů zohledňuje modelem zatížení 71 podle ČSN EN 1991-2 [4] se součinitelem α = 1,00. Ostatní složky zatížení železniční dopravou (boční ráz, odstředivá síla, rozjezdové a brzdné síly) jsou definovány v souladu s [4] a rovněž se v přepočtech uvažují se součinitelem α = 1,00. Dynamické účinky pohyblivého svislého zatížení železniční dopravou, reprezentovaného modelem zatížení 71, se v přepočtu mostního objektu zohledňují pomocí dynamických součinitelů Φ 2, Φ 3, které se stanoví podle [4] pro pečlivě udržovanou kolej (Φ 2 ), resp. standardně udržovanou kolej (Φ 3 ). Pokud odborný útvar zadavatele nestanoví jinak, řídí se volba dynamického součinitele Φ 2, resp. Φ 3 v přepočtech mostních objektů pravidly uvedenými v [4]. Mimořádná zatížení se v přepočtech stávajících mostních objektů uvažují podle [4]. Prvky a části mostního objektu se na účinky mimořádných zatížení posoudí, avšak zatížitelnost se pro tato zatížení neurčuje. Současně jsou definovány hodnoty dílčích součinitelů pro stanovení návrhových hodnot účinků stálých zatížení, proměnných zatížení železniční dopravou (zatěžovací model 71, boční ráz, odstředivá síla, rozjezdové a brzdné síly) a klimatických zatížení. Hodnoty dílčích součinitelů účinků stálých zatížení γ G byly upraveny v porovnání s hodnotami specifikovanými v ČSN EN 1990 [3] a jsou uvedeny v tab. 1. Tab. 1 Hodnoty dílčích součinitelů účinků stálých zatížení Dílčí součinitele účinků stálého zatížení γ G Prvky nebo části mladší než 30 let Prvky nebo části starší než 30 let Ocelové a prefabrikované betonové prvky Prvky z ostatních materiálů Ocelové a prefabrikované betonové prvky Kontrola měřením rozměrů Bez kontroly Prvky z ostatních materiálů Kontrola měřením rozměrů Bez kontroly 1,25 1,30 1,20 1,25 1,25 1,30 Dílčí součinitel γ Q,LM71 účinků svislého proměnného zatížení železniční dopravou se při určování zatížitelnosti jednotlivých prvků mostního objektu uvažuje v závislosti na stáří prvku mostního objektu a jeho plánované zbytkové životnosti následujícími hodnotami: - pro nosné prvky mostních objektů mladší než 30 let: γ Q,LM71 = 1,45, - pro nosné prvky stávajících mostních objektů starší než 30 let: γ Q,LM71 = 1,30. Proměnné zatížení železniční dopravou (model zatížení 71 včetně zatížení bočním rázem, rozjezdovými a brzdnými silami a odstředivou silou pro mostní objekty s kolejí v oblouku) se v přepočtech stávajících mostních objektů považuje za skupinové vícesložkové zatížení 3
železniční dopravou s pravidly tvoření skupin podle tab. 6.11 v [4]. Každá z těchto skupin zatížení, vzájemně se vylučujících, představuje jedno charakteristické proměnné zatížení pro kombinaci s nedopravními zatíženími. Charakteristické hodnoty zatížení větrem se v přepočtech mostních objektů uvažují podle ČSN EN 1991-1-4. Dílčí součinitel účinků zatížení větrem se bere hodnotami v závislosti na stáří prvku mostního objektu následovně: - pro nosné prvky mostních objektů mladší než 30 let: γ Q = 1,50, - pro nosné prvky stávajících mostních objektů starší než 30 let: γ Q = 1,35. Reprezentativní hodnoty zatížení teplotou se v přepočtech mostních objektů uvažují podle ČSN EN 1991-1-5. Dílčí součinitel účinků zatížení teplotou se uvažuje hodnotami uvedenými při zatížení větrem. Směrnice poskytuje možnost stanovení hodnot dílčích součinitelů účinků zatížení přesnějším postupem podle přílohy F v závislosti na stáří prvku mostního objektu a pro konkrétní hodnotu plánované zbytkové životnosti mostního objektu, kterou určuje odborný útvar zadavatele. V případě materiálových vlastností stávajících mostních objektů se jejich charakteristické a návrhové hodnoty se stanoví: - na základě prohlídkou ověřené dokumentace mostního objektu s využitím norem a předpisů platných v době jeho návrhu, - na základě diagnostického průzkumu a zkoušek materiálů provedených se souhlasem SMT, případně odborného útvaru zadavatele. Dílčí součinitele spolehlivosti materiálů jsou pro jednotlivé materiály mostních objektů specifikovány v přílohách A až D. Poté jsou v dalších částech kapitoly 4 stanoveny postupy určování zatížitelnosti podle jednotlivých kategorií A, B, C a D. Největší pozornost je věnována určování zatížitelnosti kategorie C resp. D, které se stanovují přepočtem podle v současnosti platných norem a předpisů. Normy a směrnice platné v době návrhu mostního objektu se považují za informativní podklad. Globální analýza mostního objektu se při přepočtech doporučuje provádět přednostně pružnostními metodami s vystižením prostorového působení mostního objektu. Proto se doporučuje použití prostorových modelů umožňujících komplexní globální analýzu mostního objektu. Nevylučuje se možnost použití nelineárních globálních analýz zejména v souvislosti s přesnějšími výpočty betonových, zděných, spřažených ocelobetonových mostních objektů apod., kde může být aplikace nelineárních výpočtů výstižnější i žádoucí. Při globální analýze stávajícího mostního objektu se vždy přihlíží ke skutečnému stavu jeho jednotlivých prvků a částí. Případné poruchy včetně příslušných imperfekcí nosných prvků a částí mostního objektu je třeba vhodným způsobem zahrnout do zvoleného výpočtového modelu tak, aby se vliv poruch promítl do výsledné odezvy na zatížení a zohlednila se redistribuce vnitřních sil vyvolaná poruchami. Současně se požaduje vhodným způsobem zohlednit vliv poruch stávajícího mostního objektu i při stanovení únosnosti jeho průřezů, prvků příp. dílčích částí. Konkrétní doporučení pro jednotlivé typy mostních objektů jsou uvedena v přílohách A, B, C, D směrnice. Zatížitelnost jednotlivých prvků mostního objektu se stanoví metodou dílčích součinitelů z podmínky spolehlivosti příslušného mezního stavu. Z hlediska mezních stavů únosnosti se zatížitelnost Z LM71 prvku mostního objektu stanoví pomocí obecného vztahu: n 1 ZLM71 = R d E rs,ed,i / ELM71,Ed, (1) i= 1 kde R d je návrhová hodnota únosnosti průřezu nebo prvku mostního objektu, 4
E LM71,Ed je návrhová hodnota účinků svislého proměnného zatížení železniční dopravou, reprezentovaného modelem zatížení 71, včetně dynamických vlivů, n 1 Ers,Ed,i jsou návrhové, kombinační nebo skupinové hodnoty účinků ostatních i= 1 zatížení, které působí současně se svislým proměnným zatížením železniční dopravou. Uvedený obecný vzorec však nevylučuje aplikace iteračních forem výpočtu zatížitelnosti, zejména v případech komplikovaných podmínek spolehlivosti. Pokud stanovená hodnota zatížitelnosti Z LM71 1,0, lze úměrně k této určené zatížitelnosti Z LM71 redukovat i ostatní účinky zatížení železniční dopravou, tj. účinky zatížení bočním rázem, rozjezdovými a brzdnými silami a odstředivou silou. Výslednou hodnotu zatížitelnosti Z LM71 je třeba v tomto případě určit taktéž iterační formou výpočtu. 3. Úroveň spolehlivosti stávajících mostních objektů Otázkou úrovně spolehlivosti pro přepočty stávajících mostních objektů se zabývala a stále zabývá celá řada výzkumníků z celého světa. Všeobecně se všichni shodují na úvaze, že úroveň spolehlivosti pro hodnocení stávajících mostů by měla být nižší než ta, která se aplikuje při jejich návrhu. Tyto závěry byly zapracovány do amerických i kanadských norem pro hodnocení stávajících mostů. Podobné úvahy byly diskutovány již při stanovení úrovně spolehlivosti pro přepočty ocelových železničních mostů při tvorbě normy [2]. Do finální verze této normy a potom i do rukověti [1] byla zavedena hodnota dílčího součinitele zatížení železniční dopravou γ UIC = 1,25, přitom při návrhu nového mostu se používala hodnota γ UIC = 1,40. Od doby přípravy těchto předpisů došlo k posunu poznatků a kvality normových podkladů, které vyústily do tvorby Eurokódů, kde se úroveň spolehlivosti nových mostních objektů opět revidovala. Všechny tyto změny a úvahy bylo třeba zohlednit i při zpracování nové směrnice pro určování zatížitelnosti železničních mostních objektů. Teoretické základy spolehlivosti stávajících mostů vychází z předpokladu, že železniční mostní objekty jsou kontrolované v rámci pravidelné dohlédací činnosti poskytující informace o jejich aktuálním technickém stavu, které nebyly k dispozici při jejich návrhu. Údaje tak doplňují základní informace získané z dokumentace mostního objektu. Spolu s dalšími údaji získanými v průběhu životnosti mostního objektu vytváří zdroj informací redukujících nejistoty vstupních parametrů procesu ověřování jeho spolehlivosti. Současně je třeba zohlednit fakt, že spolehlivost stávajících mostních objektů se v rámci přepočtů ověřuje pro zbytkovou životnost a ne pro návrhovou životnost, která u nových mostů činí 100 roků, zatím co u stávajících objektů je prokazatelně nižší. Tyto úvahy lze s využitím matematické teorie pravděpodobnosti zpracovat a pro posuzování stávajících mostních objektů lze definovat nižší úroveň spolehlivosti, než jaká platí pro posuzování novostaveb. Tato hladina spolehlivosti je stanovena v závislosti na stáří posuzovaného prvku mostního objektu a jeho plánované zbytkové životnosti. Matematické analýzy uvedených úvah s použitím podmíněné pravděpodobnosti a výsledky analýz byly autory prezentovány například v [5], [6]. Jedním z podstatných výstupů teoretických analýz jsou hodnoty indexů spolehlivosti β t uvedené v tab. 2, které platí pro ověřování spolehlivosti prvků stávajících mostních objektů. Z uvedených hodnot indexů spolehlivosti lze stanovit hodnoty dílčích součinitelů účinků zatížení i spolehlivosti materiálů, které se uplatní při výpočtu jejich návrhových hodnot. Postup výpočtu dílčích součinitelů účinků zatížení a spolehlivosti materiálů je v směrnici uveden v příloze F. 5
Tab. 2 Úroveň spolehlivosti stávajících mostních objektů Zbytková životnost (roky) Úroveň hladiny spolehlivosti daná indexem spolehlivosti β t podle stáří nosného prvku v letech 10 a méně 20 30 40 50 60 70 80 90 a více 5 3,358 3,212 3,112 3,035 2,972 2,918 2,871 2,829 2,791 10 3,468 3,356 3,274 3,209 3,155 3,108 3,066 3,029 2,996 20 3,545 3,467 3,405 3,354 3,310 3,271 3,236 3,205 30 3,576 3,516 3,466 3,424 3,386 3,352 3,322 40 3,593 3,544 3,502 3,465 3,433 3,403 50 3,604 3,563 3,526 3,494 3,465 60 3,611 3,575 3,543 3,515 70 3,617 3,585 3,557 80 3,621 3,592 90 3,624 Do finální verze směrnice se přijala koncepce vždy jen dvou hodnot dílčích součinitelů účinků zatížení a spolehlivosti materiálů, a to pro mostní objekty s prvky mladšími jak 30 let včetně nových mostů v hodnotě odpovídající dílčímu součiniteli s hodnotou stejnou, jako při návrhu nového mostního objektu, a pro prvky starší než 30 let s modifikovanou hodnotou dílčího součinitele stanovenou směrnicí. Jak již bylo výše uvedeno, k dispozici je možnost postupovat přesněji a s využitím tab. 2 si určit hodnotu indexu spolehlivosti β t a následně postupy uvedenými v příloze F směrnice stanovit hodnotu příslušného dílčího součinitele účinků zatížení resp. spolehlivosti materiálu. Tato hodnota se musí vždy uvést do přehledu zatížitelnosti mostního objektu nebo jeho části podle vzoru uvedeného v příloze E směrnice. Literatura [1] SR5(S): Určování zatížitelnosti železničních mostů. České dráhy, 1995 [2] ON 73 6222: Přepočet ocelových železničních mostů a výpočet jejich zatížitelnosti. UNM Praha 1988. [3] ČSN EN 1990, Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí. UNMZ Praha, 2011. [4] ČSN EN 1991-2, Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 2: Zatížení mostů dopravou. UNMZ Praha, 2011. [5] Koteš, P.; Vičan, J.: Reliability levels and partial safety factors according to Eurocodes for evaluation of existing bridges. In: Assessment, upgrading and refurbishment of infrastructures. IABSE Conference, Rotterdam, Netherlands, May 6-8, 2013. Zürich: IABSE, 2013. - ISBN 978-3-85748-123-9. - CD-ROM, [8] s. [6] Koteš, P.; Vičan, J.: Recommended reliability levels for evaluation of existing bridges according to Eurocodes. In: Structural Engineering International, Vol. 23, No. 4, November 2013, pp. 411-417(7), ISSN 1016-8664. Oznámení V článku jsou prezentované výsledky výzkumných aktivit podpořených Agenturou na podporu výzkumu a vývoje v rámci projektu APVV-0106-11, jakož i grantovou agenturou VEGA, projekt č. 1/0583/14. prof. Ing. Josef Vičan, CSc., Žilinská univerzita v Žiline, Stavebná fakulta, Katedra stavebných konštrukcií a mostov, +421 41 513 5501, vican@fstav.uniza.sk. 6