W artykule autorzy prezentują opis uszkodzenia dużego obiektu mostowego sprężonego kablami swobodnymi, którego bezpośrednią przyczyną była korozja kabla sprężającego i jego zerwanie. W wyniku prowadzonych dalszych badań okazało się, że nawet jeśli nie doszło jeszcze do zerwania kolejnych kabli, to w niektórych z nich występuje zaawansowana korozja i wymagają one wymiany.

SUMMARY

Failure of a prestressed concrete bridge as a result of the corrosion of prestressing cables
In the paper, the authors describe a failure of a large prestressed concrete bridge. The direct cause of the failure was corrosion and eventually breaking of an external prestressing cable. Further tests proved that other external prestressing cables are extremely corroded and require to be replaced with new ones.
Keywords: prestressed concrete, corrosion of prestressing steel

Konstrukcje sprężone tzw. kablami swobodnymi są szczególnie wrażliwe na ich uszkodzenia. Uszkodzenie kabla, nawet na najkrótszym odcinku, skutkuje jego zerwaniem i utratą siły sprężającej na całej długości kabla, a więc zmniejszeniem nośności konstrukcji. Dlatego tak ważne jest staranne zabezpieczenie kabli przed uszkodzeniami, w tym korozyjnymi [1, 5, 7]. Ponadto w przypadku stosowania kabli swobodnych, jeśli nie stosuje się specjalnych procedur monitoringu, zaleca się, by nośność konstrukcji (na poziomie gwarantującym niewystąpienie katastrofy) była zagwarantowana nawet przy uszkodzeniu (zerwaniu) 30% kabli. Wymóg ten należy mieć tym bardziej na uwadze, że w przypadku kabli bez przyczepności (do takich zaliczamy kable swobodne) opis zniszczenia konstrukcji (skutek) jest zdecydowanie bardziej niekorzystny niż w przypadku kabli z przyczepnością. Korzyści ze stosowania rezerwy nośności konstrukcji z kablami swobodnymi potwierdził opisany w artykule przypadek, gdy nawet po zerwaniu kabla o dużej nośności (31-splotowego) nie doszło do katastrofy budowlanej, pomimo intensywnej eksploatacji obiektu.


Opis konstrukcji

Estakada, w której doszło do awarii (zerwania) jednego z kabli, stanowi część przeprawy przez Wartę w Koninie, usytuowanej w ciągu drogi krajowej nr 25. Obiekt składa się z mostu przez Wartę typu extradosed (3 x 66,0 m) oraz estakad dojazdowych – północnej (35,2 + 6 × 60,0 + 52,2 = 454,4 m) i dwóch estakad dojazdowych południowych (59,20 + 9 x 60 + 59,20 = 658,40 m i 5 x 60,0 + 59,20 = 359,2 m), położonych po obu stronach mostu (fot. 1). Droga na obiekcie jest dwujezdniowa (po dwa pasy ruchu szerokości 3,5 m + ciąg pieszo-rowerowy o szerokości 2,5 m). Całkowita szerokość pomostu jednej konstrukcji (skrzynki) wynosi 11,94 m. W przekroju poprzecznym są dwie niezależne konstrukcje pod każdą jezdnią. Cała przeprawa ma ok. 1680 m długości. Obiekt został oddany do użytku w 2007 roku.

Dźwigar główny estakad dojazdowych ma przekrój skrzynkowy, jednokomorowy. Wysokość dźwigara głównego jest stała na całej długości i równa 260 cm. Szerokość skrzynki u dołu wynosi 560 cm, a u góry – 604 cm. Wsporniki mają wysięg 293 cm (rys. 1).

Przedmiotem artykułu będą jedynie uszkodzenia obiektu spowodowane korozją kabli sprężających występujące w estakadach dojazdowych do mostu. Estakady dojazdowe do mostu zostały wykonane w przeważającej części w technologii nasuwania podłużnego. Niewielka część estakady dojazdowej północnej (2½ przęsła) została wykonana na rusztowaniu stacjonarnym. Estakady zrealizowane w technologii nasuwania podłużnego zostały sprężone kablami umiejscowionymi wewnątrz przekroju (sprężenie wymagane na czas nasuwania) i następnie sprężone kablami swobodnymi umiejscowionymi wewnątrz skrzynek; natomiast fragment estakady wykonany na rusztowaniach został sprężony jedynie za pomocą kabli swobodnych. Zasadnicze sprężenie konstrukcji zostało zrealizowane kablami 31-splotowymi prowadzonymi po trasach łamanych. Ponadto konstrukcje sprężono dodatkowo (poza sprężeniem montażowym) kablami prostoliniowymi zlokalizowanymi nad podporami (na odcinkach górnych dewiatorów) oraz w przęsłach. Są to kable o mniejszej nośności.

Do sprężania użyto kable wielosplotowe wykonane ze stali sprężającej o wytrzymałości 1860 MPa. Naciąg, niezależnie od długości kabli i ukształtowania trasy, był jednostronny – nominalnie prasami do naciągu kabli wielosplotowych (wszystkie sploty naciągane równocześnie). Po naciągnięciu kanały kablowe zostały wypełnione zaczynem iniekcyjnym, wykonanym przy użyciu cementu oraz niewielkiego dodatku środka powodującego ekspansję zaczynu.

Opis awarii

Do awarii polegającej na zerwaniu kabla sprężającego doszło w estakadzie dojazdowej – północnej (strona wschodnia mostu). Przeprowadzone badania wykazały, że bezpośrednią przyczyną zerwania kabla była korozja. W jej wyniku nastąpiło uszkodzenie 25 z 31 splotów, co doprowadziło do przerwania ich ciągłości (fot. 2-4). Pozostałe sploty uległy zerwaniu w innym przekroju w wyniku ich przeciążenia. Na szczęście nie doszło do katastrofy budowlanej. Okazało się bowiem, że pomimo iż doszło do zmniejszenia siły sprężającej o ok. 20%, to rezerwa nośności była na tyle duża, że nie został przekroczony stan graniczny nośności. Jednak ze względu na zachowanie bezpieczeństwa eksploatacji postanowiono estakadę, a w konsekwencji jedną jezdnię całej przeprawy mostowej, wyłączyć z eksploatacji do czasu wymiany zerwanego kabla, a cały obiekt poddać szczegółowym badaniom, zwłaszcza pod względem stanu kabli sprężających. Przeanalizowano również dokumentację projektową i powykonawczą w celu ustalenia zgodności wykonanej konstrukcji z projektem. Szczegółowe wyniki badań stanu kabli oraz skutków częściowego braku sprężenia w estakadzie, w której stwierdzono zerwanie kabla, autorzy artykułu przedstawili w [6]. W prezentowanym artykule autorzy przedstawiają wyniki badań kabli we wszystkich estakadach dojazdowych do mostu.

Wyniki badań

W pierwszej kolejności przeprowadzono badania stanu kabli w części estakady, w której nastąpiło zerwanie kabla. Następnie po stwierdzaniu lokalnej korozji kabli, złej jakości iniektu oraz jego miejscowego nasycenia wodą (iniekt wilgotny) dokonano badania kabli w pozostałych estakadach. Ocenę stanu technicznego kabli wewnętrznych dokonywano po wcześniejszym usunięciu osłon kabli. Usunięcia osłon wykonano w miejscach, w których stwierdzono brak iniektu (występowanie pustek powietrznych). Przeprowadzone badania wykazały dużą ilość miejsc, w których stan kabli był niewłaściwy, a lokalnie stwarzający zagrożenie zerwaniem w najbliższym czasie na skutek zaawansowanej korozji splotów. Lokalizacje miejsc z największymi uszkodzeniami kabli były bardzo zróżnicowane. Jednak najczęściej występowały one w pobliżu górnych dewiatorów lub w pobliżu głowic kotwiących. Są to najwyżej położone miejsca kabli. Przykładowe korozyjne uszkodzenia kabli pokazano na fot. 5-7. Były to odcinki o różnej długości – dochodzące nawet do kilku metrów. Jednak w tego typu kablach swobodnych długość zaatakowanego korozją odcinka kabla nie ma dużego znaczenia, ponieważ o nośności całego kabla (w przypadku analizowanej konstrukcji – kabli nawet ponad 130-metrowych) decyduje jeden, nawet najkrótszy odcinek, a wręcz przekrój.

Poza uszkodzeniami korozyjnymi w niektórych miejscach stwierdzono również zerwane pojedyncze sploty (fot. 8), co nastąpiło prawdopodobnie już na etapie sprężania konstrukcji. Zewnętrznym objawem zerwanych splotów były lokalne spęcznienia osłon kablowych (fot. 9).

Badaniom poddano również stopień wypełnienia kanałów kablowych oraz jakość i stan iniektu. Najistotniejszym spostrzeżeniem było niecałkowite wypełnienie kanałów kablowych lub całkowity brak iniekcji (fot. 14). Stwierdzono również niewielkie pustki przy górnej krawędzi osłon (kilkumilimetrowe na długości niekiedy kilku metrów). W wielu miejscach iniekt miał strukturę pumeksu (fot. 11). Niekiedy był spękany (fot. 12) i o niskiej wytrzymałości. Badania składu chemicznego iniektu nie wykazały, by zawierał on chlorki, natomiast w niektórych strefach, w miejscu wykonanych odkrywek, iniekt był wilgotny. Lokalnie stwierdzono ponadto pokrycie splotów jedynie cienką warstwą iniektu (fot. 13). Na podstawie zachowanej dokumentacji oraz rozmów z wykonawcą obiektu ustalono, że iniekcję długich, ponad 130-metrowych kabli, prowadzono od strony jednej z głowic, a nie jak powinno być to realizowane, od najniższego punktu kabla. Ponadto na kablach tak długich brak było wentyli odpowietrzających, stwierdzono jedynie namiastki wentyli w postaci otworów o średnicy 6 mm (fot. 10).

Ocena wyników badań

Na podstawie przeprowadzonych badań jednoznacznie stwierdzono, że bezpośrednią przyczyną zerwania kabli była korozja, jakkolwiek stwierdzono zerwanie pojedynczych splotów, prawdopodobnie już w czasie sprężania. Przyczyną zrywania splotów w czasie sprężania mogło być naciąganie pojedynczych splotów zamiast naciągu wszystkich splotów równocześnie, co jest niedopuszczalne w przypadku kabli wielosplotowych prowadzonych po trasach łamanych.

Jak wykazały badania, korozja splotów była skutkiem całkowitego braku iniekcji niektórych kabli lub częściowe niezainiektowania odcinków kabli, a także niewłaściwa jakość iniektu – wadliwa struktura i zawilgocenie. Spowodowało to już po 10 latach eksploatacji lokalnie zaawansowaną korozję splotów, grożącą w każdej chwili ich zerwaniem (poza obecnym już zerwaniem jednego z kabli).

Po usunięciu produktów korozji ze splotów zaatakowanych korozją stwierdzono na splotach, które były wadliwie zainiektowane lub iniekt miał złą jakość (wilgotny, o niskiej wytrzymałości), wżery korozyjne zmniejszające nie tylko efektywny przekrój, ale także dodatkowo stanowiące karby naprężeń obniżające wytrzymałość zmęczeniową splotów (fot. 15). Jak wykazują badania, zagrożenie zerwaniem splotów, nawet w niewielkim stopniu skorodowanych, jest większe, niż wynikałoby to ze zmniejszenia jego przekroju [2, 3, 9]. Przykładowo – zmniejszenie przekroju splotu o ok. 20% skutkuje zmniejszeniem jego nośności nawet o 50% [4]. Dlatego w wyniku tych badań podjęto decyzję o wymianie znacznie korozyjnie uszkodzonych splotów. W przypadku splotów, w których stwierdzono jedynie pojedyncze ogniska korozji na niektórych drutach, podjęto decyzję o ich oczyszczeniu z produktów korozji i uzupełnieniu iniektu z dodatkiem inhibitorów korozji. Decyzję o uzupełnieniu iniektu podjęto również w przypadku lokalnego niewypełnienia kanałów kablowych przy braku widocznych ognisk korozji na splotach. Istotnym kryterium o konieczności całkowitego demontażu osłon kablowych i całkowitym usunięciu „starego” iniektu była jego lokalnie zła jakość, a przede wszystkim stwierdzono zawilgocenie.
Krytycznym zagadnieniem jest jednak ocena stanu technicznego kabli na odcinkach górnych dewiatorów, o długości ok. 10 m. Są to fragmenty kabli, których stan jest praktycznie niemożliwy do oceny. Istnieje natomiast realne zagrożenie, że na tych odcinkach kanały nie są prawidłowo wypełnione iniektem (najwyższe punkty kanałów kablowych). W czasie iniekcji mogły powstać na tych odcinkach pustki, np. na skutek sedymentacji zaczynu. Możliwe jest również, że powstałe pustki przynajmniej lokalnie zostały wypełnione wodą wydzieloną z iniektu. Woda ta na skutek szczelności kanałów kablowych nie mogła odparować. Stanowi to stałe potencjalne zagrożenie korozji splotów [8, 10].

Zakres wykonanych napraw

Po przeprowadzonych badaniach stanu kabli w całym obiekcie, poza oczywistą wymianą zerwanego kabla, podjęto decyzję o wymianie kabli, w których stwierdzono całkowity brak iniekcji kanałów kablowych lub tylko część splotów była zabezpieczona iniekcją i dodatkowo stwierdzono zaawansowaną korozję znacznej ilości splotów. Wymiana splotów została poprzedzona analizą statyczno-wytrzymałościową konstrukcji, z uwzględnieniem m.in. zmiany mimośrodów kabli sprężających (nowa konstrukcja dewiatorów) oraz osłabieniem niektórych kabli przy ewentualnym zerwaniu pojedynczych splotów. Wymianę kabli sprężających realizuje wykonawca sprężenia mostu. Również stosowna analiza statyczno-wytrzymałościowa została przeprowadzona na zlecenie wykonującego sprężenie. Dodatkowo częściową analizę statyczno-wytrzymałościową przeprowadzili autorzy artykułu [6]. Jej celem było ustalenie skutków zerwania kabli oraz oszacowanie m.in. strat sprężania.

W miejscu zerwanego kabla oraz kabli zakwalifikowanych do wymiany zainstalowano nowe kable sprężające. Ze względu na trudności demontażu splotów na odcinkach długich dewiatorów wypełnionych iniektem konieczne było zaprojektowanie nowych bloków oporowych oraz nowych, tym razem stalowych, dewiatorów (fot. 16). W przypadku gdy zaatakowane korozją były pojedyncze druty w niektórych splotach, zdecydowano się jedynie na ich oczyszczenie z produktów korozji i ponowne zainiektowanie zaczynem cementowym z dodatkami inhibitorów korozji. W miejscach, w których stwierdzono całkowity brak wypełnienia kanałów, a sploty nie były zaatakowane korozją, podjęto decyzję jedynie o uzupełnieniu wypełnienia kanałów. W przypadku całkowitego demontażu osłon kablowych jako obudowę zastosowano rury dwudzielne.

Podsumowanie

Przeprowadzone badania i ustalone na ich podstawie wnioski wskazują na kluczową rolę poprawnej iniekcji kanałów kablowych na trwałość konstrukcji sprężonych, a mającą związek ze stanem kabli sprężających. Stwierdzono, że o skuteczności iniekcji jako zabezpieczenia splotów, decydują:

    • odpowiednie kształtowanie kanałów kablowych,
    • sposób prowadzenia iniekcji (iniektowanie kabli od najniżej położnych punktów na długości kabli),
    • prawidłowe odpowietrzenie kanałów kablowych (co do liczby i miejsc ich rozmieszczenia),
    • stosowanie iniektu o prawidłowym składzie, z przestrzeganiem zalecanego stosunku w/c (woda/cement) w celu całkowitego wykorzystania wody do hydratacji cementu,
    • zachowanie granicznej, dopuszczalnej sedymentacji zaczynu.

W celu zapewnienia całkowitego otulenia splotów iniektem kanały powinny być płukane wodą i przedmuchiwane sprężonym powietrzem przed tłoczeniem zaczynu. Ponadto należy przestrzegać następujących zasad:

    • wbudowywać sploty niezanieczyszczone,
    • wbudowywać sploty bez śladów korozji (fot. 17),
    • w przypadku splotów prowadzonych po trasach krzywoliniowych lub załamanych do naciągu używać pras pozwalających na równoczesny naciąg wszystkich splotów (niedopuszczany naciąg pojedynczych splotów),
    • iniekcja musi zostać wykonana niezwłocznie po wbudowaniu splotów (maksymalnie po dwóch-trzech dniach od wbudowania),
    • konieczna jest pełna kontrola ilości wtłoczonego zaczynu iniekcyjnego i potwierdzenie zgodności wtłoczonego zaczynu z ilością nominalną.

W przypadku splotów, na których stwierdzono lokalne, niewielkie ogniska korozji, zaleca się stosowanie inhibitorów korozji jako dodatku do iniektu. W celu zahamowania procesów korozji możliwe jest zastosowanie ochrony katodowej. Istnieją jednak istotne ograniczenia w stosowaniu ochrony katodowej, zwłaszcza czynnej, ponieważ użycie zbyt dużego napięcia może skutkować kruchością wodorową stali sprężającej. Ponadto osłony kablowe (zarówno stalowe, jak i z tworzyw sztucznych) działają jak izolator i istotnie zmniejszają skuteczność ochrony cięgna [1].

Piśmiennictwo
  1. ACI 222.2R-01 Corrosion of Prestressing Steels. ACI Committee 222, 2001. American Concrete Institute.
  2. Bruce S.M., McCarten P.S., Freitag S.A., Hasson L.M.: Deterio­ration of prestressed concrete bridge beams. „Land Transport New Zealand Research Report”, 2008, 337.
  3. Fumin L., Yingshu Y., Chun-Qing L.: Corrosion propagation of prestressing steel strands in concrete subject to chloride attack. „Construction and Building Materials”, 25/2011, 3878-3885.
  4. Lu Z.H., Li F., Zhao Y.G.: An investigation of degradation of mechanical behaviour of prestressing strands subjected to chloride attacking. 5th International Conference on Durability of Concrete Structures, Shenzhen University, China 2016.
  5. Madaj A., Mossor K.: Korozja stali sprężającej w konstrukcjach kablobetonowych. Przyczyny, skutki, zapobieganie. „Archiwum Instytutu inżynierii Lądowej”, 26/2018, 93-108, DOI: 10.21008/j.1897-4007.2018.26.08.
  6. Madaj A., Mossor K., Siekierski W.: Awaria kabla sprężającego estakady drogowej. Przyczyny i skutki. „Archiwum Instytutu Inżynierii Lądowej”, 26/2018, 109-121, DOI: 10.21008/j.1897-4007.2018.26.09.
  7. 7.    Madaj A., Mossor K.: Wpływ procesu sprężania na trwałość kablobetonowych konstrukcji sprężonych. „Materiały Budowlane”, 551 (7/2018), 34-36. DOI: 10.15199/33.2018.07.10, ISSN 0137-2971.
  8. Moawad M., El-Karmoty H., El-Zanaty A.: Behavior of corrodedbonded fully prestressed and conventional concrete beams. „Housing and Building National Research Center HBRC Journal”, January 2016.
  9. Nurberger U.: Corrosion Induced Failures of Prestressing Steel. „Otto Graf Journal”, 2012,vol. 13.
  10. Paciorek M.J., Kanstad T., Hendriks M.: The effect of reinforcement corrosion on the structural behavior of prestressed bridges in the Norwegian coastal regions. 2017.

 


Fot. 1. Widok estakady dojazdowej do mostu

 


Fot. 2. Zwisający (nienapięty kabel) wewnątrz konstrukcji przęsła, który uległ zerwaniu

 


Fot. 3. Zerwany kabel po usunięciu osłony

 


Fot. 4. Zerwane w wyniku korozji pojedyncze sploty

 


Fot. 5. Ogniska korozji w pobliżu górnych dewiatorów niewypełnionych iniektem

 


Fot. 6. Skorodowane sploty. Iniekt o żółtym zabarwieniu – wilgotny

 


Rys. 1. Przekrój poprzeczny dźwigara głównego

 


Fot. 7. Zawansowana korozja splotów

 


Fot. 8. Zerwany pojedynczy splot widoczny w odkrywce wykonanej w miejscu zgrubienia osłony kablowej

 


Fot. 9. Lokalne zgrubienie osłony kabli

 


Fot. 10. Zaczopowane otwory w rurach osłonowych – element odpowietrzenia

 


Fot. 11. Iniekt o strukturze pumeksu

 


Fot. 12. Spękany iniekt o niskiej wytrzymałości

 


Fot. 13. Sploty częściowo pokryte iniektem

 


Fot. 14. Sploty całkowicie pozbawione iniekcji

 


Fot. 15. Wżery korozyjne na splotach po usunięciu produktów korozji

 


Fot. 16. Stalowy dewiator wykorzystany do montażu wymienianego kabla

 


Fot. 17. Zamontowane skorodowane sploty – przed sprężeniem – stan splotów niedopuszczalny















W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij