PROCESY ZMĘCZENIOWE W MOSTACH WOJSKOWYCH

Artur DUCHACZEK*, Zbigniew KAMYK**, Zbigniew MAŃKO***

*

) Wyższa Szkoła Oficerska Wojsk Lądowych we Wrocławiu

**

) Wojskowy Instytut Techniki Inżynieryjnej we Wrocławiu

***

) Centrum Naukowo-Badawcze MOSTAR Wrocław,

Politechnika Wrocławska

1. WSTĘP

Mosty są najdłużej eksploatowanymi obiektami typu inżynierskiego i takimi
pozostaną przynajmniej w najbliższej przyszłości. Ze względu na swą specyfikę
eksploatacyjną, narażone są one w wysokim stopniu na procesy starzenia, a w
szczególności na wpływy obciążeń zmęczeniowych. Najsłabszymi ogniwami
konstrukcji przęseł i podpór mostowych są zazwyczaj ich węzły konstrukcyjne
oraz występujące w nich połączenia (przeguby, bolce). Miejsca połączeń między
poszczególnymi elementami konstrukcyjnymi charakteryzują się tym, że
występuje w nich znaczna koncentracja naprężeń, a nawet ich nieciągłości. Z
tego względu są one na ogół najbardziej wrażliwe na pękanie i lokalne płynięcie
materiału. Mogą one zatem wpływać decydująco na ograniczenie wytrzymałości
całego układu konstrukcyjnego przęseł i podpór. W mostach wojskowych, z
założenia, występuje znacznie więcej połączeń umożliwiających szybki ich
montaż i demontaż w porównaniu do konstrukcji mostów cywilnych. Luzy
montażowe występujące w takich połączeniach zwiększają automatycznie
dynamiczny charakter obciążenia ruchomego, co powoduje znacznie większą ich
podatność na pękania (uszkodzenia) o charakterze zmęczeniowym.

Wielu inżynierów i naukowców pracujących w środowisku cywilnych

obiektów mostowych często utożsamia pojęcie tymczasowości mostów
wojskowych z brakiem ich odpowiedniej wytrzymałości zmęczeniowej. Celem
niniejszej pracy jest zwrócenie uwagi na problematykę wytrzymałości i
trwałości zmęczeniowej stalowych mostów wojskowych oraz zaprezentowanie
prób rozwiązania tego problemu w Polsce i krajach sojuszniczych NATO.

Zgodnie z zapisami zawartymi w polskiej normie obronnej [1] most

wojskowy to obiekt wybudowany w celu zagwarantowania wojskom lądowym
swobody działania w terenie, zapewnienia im ciągłości zaopatrywania w środki
materiałowo-techniczne oraz ewentualne umożliwienie szybkiej ewakuacji w
inne miejsce.

Ze względu na rodzaj konstrukcji, mosty wojskowe zostały podzielone na

mosty zmechanizowane (tzw. towarzyszące), pływające, składane,
prowizoryczne i kombinowane.

Większość typów konstrukcji mostów wojskowych (za wyjątkiem

mostów prowizorycznych) zalicza się do obiektów mostowych przeznaczonych
do tymczasowego użytkowania w określonym miejscu i czasie, a następnie
przewidzianych do szybkiego ich przeniesienia w inne kolejne miejsca oraz do
rozbiórki i demontażu. Konstrukcje te są dobrze przystosowane do
wielokrotnego zastosowania, szybkiego ich montażu i demontażu w kolejnych
lokalizacjach w terenie w trakcie działań wojennych lub w różnych sytuacjach
kryzysowych (powódź, trzęsienia ziemi, itp.). Nie można, zatem, w żadnym
wypadku, uważać, że są to obiekty o małej trwałości eksploatacyjnej, czy też
niewielkiej wytrzymałości zmęczeniowej. Jest ona jednoznacznie zdefiniowana
przez odpowiednie normy branżowe oraz Departament Polityki Zbrojeniowej,
który bezpośrednio zamawia i nadzoruje wszystkie projekty nowych typów
konstrukcji mostów wojskowych. Norma obronna pt. „Mosty zmechanizowane.
Wymagania ogólne” [2] określa m.in., że minimalna trwałość konstrukcji mostu
zmechanizowanego, podobnie jak i składanego [3], powinna wynosić, co
najmniej 3500 przejazdów pojazdów o masie (ciężarze) zbliżonej do nośności
mostu oraz co najmniej 400 cykli organizowania (budowania) i tym samym
likwidacji przepraw mostowych (montażu i demontażu). Ponadto poszczególne
elementy konstrukcyjne mostów powinny być odporne na długotrwałe
przebywanie w temperaturach od –50ºC do +50ºC oraz upadki z wysokości 0,75
m i na działanie wiatru o średniej prędkości 30 m/s.

Nawet przy definiowaniu mostu wysokowodnego, który jest jednym z

licznych przykładów mostów prowizorycznych opisanych w normie [1] podano,
że jest to obiekt mostowy wykonany z materiałów miejscowych przeznaczony
do długotrwałego użytkowania. Wyjątkiem w tym przypadku są mosty
niskowodne i podwodne, które jedynie ze względu na fakt, że muszą
uniemożliwiać prowadzenie żeglugi na ciekach wodnych, zapewniać spływ kry
lodowej oraz przepływ wysokiej wody, z założenia przewidziane są do
krótkotrwałego użytkowania (eksploatacji), a następnie dość często nie są w
całości wykorzystywane powtórnie w innym miejscu w terenie (tzn. w nowej
lokalizacji). Często jednak się zdarza, że tzw. prowizorki mostów są używane w
bardzo długim okresie eksploatacji, a więc powinny być one także przygotowane
w niektórych przypadkach ich zastosowań na znacznie wyższe poziomy
rozpatrywanych parametrów technicznych samych konstrukcji wojskowych jak i
ich obciążeń niż wstępnie planowano.

Zazwyczaj inwestor reprezentujący MON nie narzuca sposobu i metod

obliczeniowych takich mostów, a sprawdza jedynie prawidłowość różnych
rozwiązań konstrukcyjnych, w tym także trwałość zastosowanych konstrukcji
mostowych, poprzez szczegółowe badania odbiorcze modelu, a następnie

prototypu nowego obiektu [4]. Należy również mieć na uwadze istotny fakt, że
projektantów wojskowych różnych obiektów mostowych obowiązują także
normy cywilne [5], [6], których zapisów muszą również ściśle przestrzegać.

Skrócenie zatem okresu użytkowania mostu do kilku tysięcy cykli

obciążeń eksploatacyjnych pozwala jednocześnie zwiększyć zakres zmiany
naprężeń powyżej 0,4

R

m

(gdzie R

m

jest wytrzymałością doraźną materiału na

rozciąganie), co jest charakterystyczne dla konstrukcji stalowych mostów
stałych o nieograniczonej trwałości zmęczeniowej. Tak więc, w elementach
składowych mostów wojskowych występują również procesy zmęczeniowe, lecz
mają one inne zakresy i są inaczej w nich uwzględniane w porównaniu do
analizy konstrukcji cywilnych, a następnie sprawdzane podczas badań
doświadczalnych (testów odbiorczych zmontowanych obiektów).

2.

ZASADY

UWZGLĘDNIANIA

PROCESÓW

ZMĘCZENIOWYCH

W PRZEPISACH DOTYCZĄCYCH MOSTÓW WOJSKOWYCH

Naukowcy z Wielkiej Brytanii (Anglii), USA i RFN, opracowując w latach 90.
ubiegłego wieku wspólny program rozwoju konstrukcji mostów wojskowych,
zawarli trójstronne porozumienie dotyczące szczegółowych zasad ich
projektowania i badań doświadczalnych niezbędnych podczas prób odbiorczych
[7]. Szczególnie interesujące są rozwiązania dotyczące problematyki ujęcia
zmęczenia w konstrukcjach stalowych wojskowych obiektów mostowych, gdyż
łączą one w sobie niezwykle bogate doświadczenia tych trzech sygnatariuszy
tego porozumienia.

Niżej podane parametry mają decydujący wpływ na trwałość

zmęczeniową mostów wojskowych (lub ich elementów konstrukcyjnych) oraz
podstawowego niezbędnego sprzętu do ich rozkładania lub budowania
(demontażu):

−

Spektrum (typ lub rodzaj) pojazdów z określonym, faktycznym (aktualnym)
oraz rzeczywistym ciężarem obciążonych pojazdów wojskowych.

−

Spektrum rozpiętości teoretycznych stosowanych przęseł (ich ubytków,
przerw, pęknięć, itp.) wraz z odpowiednią liczbą przejazdów pojazdów.

−

Liczba rozłożeń mostu lub jego montaży (demontaży).

−

Uderzanie, czyli uwzględnienie dynamicznego (gwałtownego) wpływu
pojazdów.

−

Mimośrodowość obciążenia.

−

Rzeczywiste warunki podparcia przęseł mostu.

−

Możliwa zmiana położenia (miejsca) elementu modułowego mostu przy
każdym kolejnym jego rozłożeniu lub montażu (demontażu) w nowym
układzie konstrukcyjnym.

Połączenie powyższych czynników wraz z częstotliwością ich stosowania

w praktyce stanowią, tzw. parametry spektrum obciążenia.

Należy zgodzić się z autorami pracy [7], że obecnie nie jest możliwe

uzyskanie rzeczywistych spektrów (widm) obciążenia dla mostów wojskowych,
gdyż aktualnie nie są znane ani powszechnie dostępne informacje na temat
wpływu powyższych parametrów na trwałość zmęczeniową poszczególnych
elementów konstrukcyjnych mostów wojskowych. Stąd jak dotychczas
(podobnie jak w mostach cywilnych), wymagana ich trwałość zmęczeniowa
(eksploatacyjna) jest na ogół wyrażana jako określona liczba przejazdów
pojazdów n

i

, maksymalnej znanej klasy obciążenia wojskowego przy

maksymalnie najdłuższej rozpiętości teoretycznej przęsła mostu oraz przy
określonej liczbie rozłożeń lub montaży. Ponadto nie ustalono jeszcze żadnego,
nawet przybliżonego, spektrum obciążenia przy rozkładaniu lub montażu mostu.

W przypadku możliwości konstruowania mostów składanych

(modułowych) w różnych formach i układach geometrycznych lub
konstrukcyjnych dla różnych kombinacji wojskowych klas obciążenia MLC
(Military Load Classification) i różnych długościach przęseł, należy wówczas
rozpatrzeć układ konstrukcji mostu o możliwie największej podatności na
wpływy (uszkodzenia) zmęczeniowe, bazując w oparciu na normalnym
(przeciętnym) poziomie użytkowania i odpowiednim poziomie naprężeń.

Używanie mostu przy różnych klasach obciążenia MLC i dowolnych

rozpiętościach teoretycznych przęseł można w przybliżeniu odnieść do stałych
parametrów amplitudy naprężeń, określonych wcześniej w moście, stosując
zasadę Palmgrena-Minera lub zasadę uszkodzenia liniowego podaną w formie
(2.1):

1

2

2

2

2

1

1

1

1

≤

+

+

+

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

i

i

i

i

σ

N

σ

n

σ

N

σ

n

σ

N

σ

n

K

, (2.1)

gdzie naprężenie

σ

i

, i trwałość zmęczeniowa N

i

pochodzi z danych obciążenie

MLC/rozpiętości (różne długości przęseł), nad którymi odbywają się przejazdy
pojazdów wojskowych, przy czym n

1

, n

2

, …, n

i

to liczby przejazdów obciążenia

wywołujące w konstrukcji przęseł odpowiednio naprężenia

σ

1

,

σ

2

, ...,

σ

i

.

W przypadku, kiedy możliwe jest ustalenie rzeczywistego (w miarę

dokładnego) spektrum obciążenia, to najbardziej właściwe jest zastosować
zaprogramowaną próbę zmęczeniową zrealizowaną na reprezentatywnych
próbkach testowych, ażeby możliwie jak najdokładniej określić zależności
powstałych uszkodzeń w elemencie konstrukcyjnym typu zmęczeniowego.

Według zawartego porozumienia [7] przyjmuje się, że zakres

projektowanego obciążenia zmęczeniowego P

FAT

jest równy obciążeniu

pojazdem wojskowym bez żadnych innych dodatkowych czynników,
pomnożonemu przez odpowiedni współczynnik dynamiczny dla danego
elementu konstrukcyjnego mostu, obejmujący przede wszystkim
mimośrodowość obciążenia oraz tzw. uderzenie, a więc dynamiczny wpływ
obciążeń ruchomych. Na potrzeby wykonywania wspólnych projektów

technicznych dla aktualnego posiadanego wyposażenia wojska w mosty i sprzęt
pomocniczy, tego typu współczynnik dynamiczny można określić za pomocą
prób lub w oparciu o doświadczenia. W oparciu o aktualnie wykorzystywane w
inżynierii wojskowej typy konstrukcji mostowych stosuje się następujące
uśrednione wielkości współczynników dynamicznych dla różnych typów ich
elementów konstrukcyjnych [7]:

-

proste mosty o schemacie statycznym w postaci belki swobodnie podpartej –
1,075;

-

wzmocnienia połączeń (przegubów) – 1,150;

-

belki mostów pontonowych (pływających) – 1,035.

Zakłada się przy tym, że inne stosowane obciążenia w mostach niż

zasadnicze obciążenia pochodzące od pojazdów wojskowych nie mają
większego znaczenia, i się je pomija, a obciążenia przypadające na podpory
mostowe mają podobny poziom wielkości, co w przypadku przęseł. Pewne
jednak części składowe takich mostów mogą być zaprojektowane na inne
warunki i wielkości obciążeniowe. Ponadto, obciążenia projektowe stosowane
przy montażu mostów nie są jeszcze ostatecznie w pełni ustalone i zatwierdzone
[7].

Z powodu powszechnie znanego – dość dużego – rozrzutu

otrzymywanych wyników związanych z określaniem trwałości elementów
konstrukcyjnych mostów w zakresie obciążeń zmęczeniowych oraz oceny
możliwości użytkowania przęsła, często przekraczającego wymagany minimalny
czas eksploatacji, istnieje dość duże ryzyko, że most może zawieść w czasie jego
kolejnego użytkowania (montażu).

Projekt dopuszczający powstałe uszkodzenia w przęśle powinien

zagwarantować, że podczas jego eksploatacji mogą pojawić się pęknięcia
zmęczeniowe, zaś pozostałe części elementów konstrukcji oraz ich połączenia
wytrzymają niezawodnie maksymalne obciążenie robocze (eksploatacyjne) P
(bez wystąpienia jakichkolwiek zniszczeń lub uszkodzeń) aż do momentu
wykrycia podstawowego uszkodzenia. Do akceptacji możliwe jest zatem
podczas prowadzenia analizy uszkodzonego mostu przyjęcie współczynnika
bezpieczeństwa o wielkości równej 1 (to samo powinno dotyczyć określenia
wpływu korozji lub uszkodzeń przypadkowych lub wypadkowych).
Rozwiązania dotyczą przede wszystkim konstrukcji metalowych oraz
specjalnych konstrukcji zespolonych.

Zakres zmiany naprężenia spowodowanego przez założony przebieg

projektowanego obciążenia zmęczeniowego P

FAT

nie może przekraczać zakresu

naprężeń uzyskanego z najodpowiedniejszej minimalnej krzywej Wö1hlera dla
zależności wielkości naprężeń od liczby obciążeń

σ

/N przy wartości 1,5n, bądź z

najodpowiedniejszej średniej krzywej przy wartości 2,25n (1,5×1,5n). Ponadto,
dodatkowo należy przeprowadzić sprawdzian potwierdzający, że maksymalne
naprężenie wywołane obciążeniem projektowym P, nie może przekraczać

niższej wartości naprężenia dopuszczalnego opisanego szczegółowo w pracy [7].
Jeśli to jest możliwe, należy wówczas przyjąć, że dla danego elementu
konstrukcyjnego (detalu) mostu wojskowego współczynnik bezpieczeństwa
konstrukcji powinien wynosić 1,5 dla wartości minimum lub 2,25 dla jego
wartości średniej.

Aby uzyskać właściwą tolerancję powstałych uszkodzeń, należy już na

etapie projektu uwzględniać następujące czynniki projektowe takie jak:

-

dobór materiałów i poziomów naprężeń, zapewniający powolne rozchodzenie
się (propagację) pęknięć oraz na osiąganie stosunkowo dużej długości
pęknięcia krytycznego,

-

zapewnienie wielu ścieżek obciążenia,

-

zapewnienie detali konstrukcyjnych, powstrzymujących pęknięcia,

-

zapewnienie możliwości łatwego dostępu do wykonywania przeglądów detali
mostowych,

-

ustalenie planu kontroli pęknięć pod kątem zapewnienia bezpiecznej
trwałości oraz bezpieczeństwa wszystkich elementów krytycznych mostu,
które nie są w pełni bezpieczne w razie ich uszkodzenia, wraz z podaniem
metod wykonywania przeglądów, wskazanie wymagań w zakresie danych
materiałowych, zakładanego rozmiaru pęknięcia początkowego, wymaganą
częstotliwość dokonywania przeglądów i tego typu podobnych zdarzeń, itp.

Wielkość tolerancji dopuszczalnych uszkodzeń zaobserwowanych w

elementach konstrukcyjnych i detalach mostów wojskowych zależy od tego, na
jakim poziomie dociekań administracja, jak i (lub) bezpośredni użytkownik są
gotowi i odpowiednio przygotowani do przeprowadzania przeglądów
konstrukcji mostowych. Przegląd sprzętu należy tak zaplanować, aby zapewnić
właściwe i adekwatne wykrywanie i monitorowanie powstałych uszkodzeń oraz
umożliwiać naprawę lub wymianę poszczególnych elementów konstrukcyjnych
lub ich połączeń. Należy to również potwierdzić podczas prób i testów
doświadczalnych przęseł przeprowadzonych zgodnie z zapisami tego
porozumienia [7].

W trakcie wykonywania przeglądów mostów należy uwzględnić m.in.

następujące podstawowe czynniki:

-

położenie i typ (postać) uszkodzenia (zniszczenia),

-

pozostałą trwałość eksploatacyjną (wytrzymałość) elementów
konstrukcyjnych,

-

wykrywalność, i związaną z nią, różne techniki dokonywania przeglądów
mostów (powinny one być oparte na ocenie powstałego największego
uszkodzenia lub wadzie materiału, o stosunkowo małym
prawdopodobieństwie jego wykrycia, a nie zaś na najmniejszym, jaki jest w
ogóle możliwy do znalezienia w konstrukcji analizowanego przęsła),

-

częstotliwość dokonywania przeglądów,

-

oczekiwaną prędkość propagacji (przyrostu rozchodzenia się) pęknięcia,
umożliwiającą redystrybucję naprężeń wywołanych w elementach
konstrukcyjnych przęseł i podpór mostowych,

-

długość pęknięcia krytycznego powstałego w elementach przęsła lub podpór,
przed koniecznością podjęcia decyzji odnośnie ich naprawy lub wymiany.

Poza tym należy mieć na uwadze lub przewidzieć konieczność

przeprowadzenia laboratoryjnych badań w zakresie obciążeń zmęczeniowych
nad ustaleniem elementów krytycznych lub detali występujących w mostach
wojskowych, szczególnie w przypadku, gdy brak jest możliwości szybkiego
dostępu do odpowiednich minimalnych krzywych zmęczeniowych typu

σ

/N lub

nie można przewidzieć właściwej postaci lub typu pęknięcia w analizowanym
elemencie. W przypadku posiadania ograniczonej liczby próbek badawczych lub
gdy cała konstrukcja mostu poddana jest testom doświadczalnym, tak że
dochodzi tylko do jednego typu uszkodzenia (zniszczenia) zaobserwowanego od
tego samego typu obciążenia na większej liczbie próbek, należy zastosować
wymagany czynnik trwałości (czasu) podany w tabeli 1. Wyniki uzyskane z
badań mogą być poddane analizie statystycznej, jeśli jest, co najmniej pięć lub
więcej próbek. Najmniejsza trwałość próbek do osiągnięcia ich zniszczenia
powinna być, co najmniej równa minimalnej projektowanej trwałości
konstrukcji ustalonej na poziomie wartości 1,5n. Jeżeli rozpatrywany element
lub cała konstrukcja przęsła (lub podpory) mostu poddana temu samemu
obciążeniu obejmuje krytyczną bezpieczną trwałość elementu polegającą na
wskazaniu takiego elementu, który zawiera dopuszczalną wielkość tolerancji

Tabela 1. Współczynniki bezpieczeństwa przy wymaganej trwałości mostów n

przyjmowanych podczas projektowania oraz wykonywania testów badawczych

Typ projektu

Projektowanie Test

Minimalna krzywa

σ/Ν (97,5%)

Średnia krzywa

σ/Ν (50%)

Brak bezpieczeństwa – dopuszczalna
tolerancja uszkodzeń

1,50

1,50×1,5 = 2,25

1,00×

Tabela 2

Bezpieczna trwałość –
kontrolowane użytkowanie

1,50×1,5 = 2,25 1,50×2,25 = 3,37

1,50×

Tabela 2

Bezpieczna trwałość –
niekontrolowane użytkowanie

1,5×10 = 15

2,25×10 = 22,50

10×

Tabela 2

Bezpieczna trwałość – niekontrolo-
wane użytkowanie, niezmienne
widmo (spektrum) obciążeń

1,5×6,7 = 10

2,25×6,7 = 15,75

6,7×

Tabela 2

Nieskończona trwałość

1)

–

1,33

1)

1,33

1)

×1,50 = 2,00

–

1)

Poszczególne wielkości należy przemnożyć przez wartości współczynników podanych

w tabeli 2. Wartość 1,33 została ustalona na podstawie badań przy n = 1×10

7

cykli

obciążeń dla różnych gatunków stali lub przy n = 2×10

6

cykli obciążeń w przypadku

stopów aluminium.

uszkodzeń, to oznacza, że trwałość zmęczeniowa jest wydłużona, zaś minimalna
trwałość detalu o bezpiecznej jego trwałości musi przekroczyć wartość
maksymalnej trwałości oczekiwanej obliczonej z dopuszczalnej tolerancji
uszkodzenia określonego detalu.

Preferowany do stosowania podczas budowy mostów jest sprzęt

wojskowy mający na swoim wyposażeniu tolerancję dopuszczalnych uszkodzeń.
Najbardziej ekonomiczna konstrukcja przęsła (lub podpory) zostanie
wyprodukowana (lub zbudowana) wówczas, jeśli zaprojektuje się ją pod kątem
wymaganej minimalnej trwałości zmęczeniowej, a więc większego możliwego
zakresu naprężeń, i zarządzi się przy tym konieczność dokonywania regularnych
przeglądów technicznych. Mogą jednak mieć miejsce w praktyce inżynierskiej
przypadki, kiedy regularne przeglądy nie są możliwe do wykonania przez
administratora lub użytkownika mostu, gdyż nie chcą oni się do nich
zobowiązać, a wynikające z tego kary administracyjne są tak niewielkie, że są
możliwe przez nich do przyjęcia. W pracy [7] podano także, trzy inne sposoby
projektowania, które można użyć w praktyce inżynierskiej. Generalnie jednak
nie są one powszechnie zalecane, o ile nie ma na nie wyraźnego zamówienia, ale
uwzględniono je jednak w niniejszej pracy po to m.in., aby przedstawić
równocześnie inne dostępne alternatywy bezpiecznego projektowania. Są to,
m.in.:
1. Kontrolowana trwałość – zapewniająca prowadzenie bezpiecznego

użytkowania mostu.

2. Niekontrolowana trwałość – zapewniająca bezpieczeństwo mostu.
3. Nieskończona trwałość konstrukcji mostowej.
1. W przypadku trwałości kontrolowanej zapewniającej bezpieczne użytkowanie
mostu, regularne wykonywanie przeglądów pod kątem pęknięć zmęczeniowych

Tabela 2. Wielkości współczynnika n niezbędne przy obliczaniu trwałości elementów

mostów wojskowych w zależności od liczby próbek przy założeniu 95% pewności i 95%

przekroczenia, przy przyjęciu standardowego odchylenia zbioru wartości

σ stosowanego

na poziomie log 0,176

1)

Typy próbek

Liczba badanych próbek

1 2 4 6 8 9 10

100

Wszystkie próbki uległy uszkodzeniu.

Średnia czynników n log.

3,80 3,12 2,73 2,55 2,48 2,44 2,40 2,09

Pierwsza próbka ulegająca uszkodzeniu. 3,81 2,67 2,01 1,75 1,60 1,54 1,54 0,91

1)

Próbki przeznaczone do badań zmęczeniowych. Należy dodać, że przy dużych

elementach konstrukcyjnych oraz w celu zwiększenia liczby badanych próbek można
uznać, że istnieje więcej niż jedna krytycznego detalu konstrukcyjnego
zmęczeniowego, pod warunkiem, że jego geometria i obciążenie są identyczne, a
zapoczątkowanie pęknięcia w jednej próbce nie wpływa na obciążenie żadnej innej
próbki. Można zatem uwzględnić symetrię konstrukcji i powtarzalnych detali
mostowych, pod warunkiem, że przyłożone obciążenie jest symetryczne.

nie jest wymagane lub mogą być one niemożliwe do wykonania. W projektach i
próbach doświadczalnych stosuje się współczynnik zależny od przyjętej
projektowanej wielkości tolerancji uszkodzeń. Jednak, aby wziąć poprawkę na
błędy w kontrolowaniu i w zbiorczym współczynniku cykli obciążeń, w
projektowanej trwałości konstrukcji mostu uwzględnia się dodatkowo
współczynnik o wielkości 1,5, co daje wartość łączną 2,25n przy zastosowaniu
krzywej zmęczeniowej minimalnej lub 3,37n przy wykorzystaniu krzywej
średniej. Element konstrukcyjny lub sprzęt trzeba koniecznie z założenia
wymienić, kiedy przeprowadzona kontrola (monitorowanie) wskaże
użytkownikom (lub administracji mostowej), że dobiegła do końca ich trwałość
wymagana i założona przez użytkownika. Niedozwolona jest także naprawa
uszkodzeń zmęczeniowych pojawiających się w elementach konstrukcyjnych, w
których dopuszczalna wielkość tolerancji uszkodzeń nie była konieczna.
2. W przypadku niekontrolowanej trwałości zapewniającej bezpieczeństwo
przęsłu lub podporze mostu, jeśli okazałoby się, że przegląd i monitorowane lub
użytkowanie sprzętu lub elementów są niepraktyczne lub nie zostaną
zaakceptowane przez użytkownika (lub administratora), konieczne jest
zapewnienie zabezpieczenia przed ewentualnym uszkodzeniem (zniszczeniem)
katastrofalnym, zwiększając trwałość przęsła (lub elementu) wymaganą przez
użytkownika przez zastosowanie wartości współczynnika równego dziesięć, tzn.
10n (tabele 1 i 2). Uwzględnia to również różnice zmian pojawiających się w
widmie obciążenia w okresie trwałości sprzętu mostowego. Chociaż użytkownik
jest zwolniony z obowiązku sprawdzania zastosowanego sprzętu, gwarantowane
jest bowiem tylko wymaganie trwałości n. Nie oznacza to automatycznie
wydłużenia okresu trwałości eksploatacyjnej elementu (lub przęsła). Jeśli widmo
obciążenia pozostanie niezmienione przez cały okres użytkowania (eksploatacji)
obiektu, można użyć wielkości równej 6,7n. Zakres naprężenia powodowanego
przez odpowiedni zakres projektowanego teoretycznego obciążenia
zmęczeniowego P

FAT

nie może przekraczać zakresu naprężenia otrzymanego

przy skorzystaniu z najodpowiedniejszej dla danego typu elementu
zmęczeniowej krzywej minimalnej dla charakterystyki

σ

/N przy 15n, tzn.

1,5×10n, bądź z najodpowiedniejszej zmęczeniowej krzywej średniej przy
wielkości 22,5n, czyli 1,5

2

×10n. Jeśli zaś spektrum (widmo) obciążenia nie

ulega zmianie pozostaje niezmienione, można użyć zakresu naprężenia przy
wielkości równej 10,0n z krzywą minimalną lub przy 15,75n z krzywą średnią.
Ponadto należy przeprowadzić dodatkowe sprawdzenie elementu w celu
upewnienia się, że naprężenie wywołane w nim obciążeniem projektowym P,
nie przekracza niższej wartości dopuszczalnego naprężenia ujętego w pracy [7].
3. W przypadku nieskończonej trwałości elementu uważa się generalnie, że
występuje ona przy projektowaniu ujętym pod kątem naprężenia
asymptotycznego przy wykorzystaniu najodpowiedniejszej krzywej minimalnej
dla charakterystyki

σ

/N przyjętej jak przy wielkości n = 1×10

7

cykli obciążeń

dla różnych gatunków stali lub 2×10

6

cykli obciążeń dla stopów aluminium,

wobec naprężenia wynikającego ze średniej krzywej zmęczeniowej dla
materiałów przy tych cyklach obciążeń, można też zastosować statyczny
współczynnik bezpieczeństwa konstrukcji o wielkości 1,33. Poziomy naprężeń
należy sprawdzać drogą prób, testów, i pożądana jest także próba (test)
zmęczeniowa przeprowadzona na obiekcie rzeczywistym potwierdzającą
uzyskane wcześniej rezultaty. Nieskończoną trwałość elementu zapewniającą
bezpieczeństwo stosuje się stosunkowo bardzo rzadko, ponieważ użytkowników
zazwyczaj satysfakcjonuje normalnie niekontrolowana stosunkowo bezpieczna
trwałość elementu, zapewniająca odpowiedni poziom bezpieczeństwa mostu.

Uwagi podane w Wytycznych [7] zalecają przy obliczaniu przęseł

stosowania zasad mechaniki powstawania pęknięć w materiałach
konstrukcyjnych poprzez założenie nieokreślonego początkowego pęknięcia w
najbardziej niekorzystnym miejscu w krytycznym elemencie konstrukcyjnym
(np. ucho, sworzeń, śruba, itp.). Pęknięcie to nie może przekraczać rozmiarów
pęknięcia krytycznego zakładanego w projektowanej trwałości danego elementu
konstrukcyjnego, która ma być określona. W przeciwnym wypadku koniecznym
jest zmiana projektu, materiału lub potrzebny jest przegląd, aby uzyskać projekt
o dopuszczalnej wielkości tolerancji uszkodzeń. Jeśli nie jest to możliwe,
wymagany jest przegląd polowy obiektu, aby uzyskać projekt o kontrolowanej
trwałości zapewniającej dalsze bezpieczne użytkowanie mostu.

3. DIAGNOZA POWSTAŁYCH PĘKNIĘĆ ORAZ ICH NAPRAWA

Pęknięcia mogą się rozwijać z powodu zmęczenia materiału albo złych
rozwiązań konstrukcyjnych mostów lub ich szczegółów, które powodują
występowanie wysokiej koncentracji naprężeń. Przykładem takich szczegółów
są m.in.: narożniki, nagłe i duże zmiany w szerokościach i grubościach
elementów konstrukcyjnych, koncentracja dużych lub krzyżujących się spawów
(spoin), albo niewystarczającej powierzchni przeznaczonej do bezpośredniego
przeniesienia obciążeń, z powodu zbyt dużych nacisków powierzchniowych.
Zmęczenie materiału i koncentracje naprężeń są bardzo ważnymi czynnikami
powodującymi awarie (lub uszkodzenia elementów) konstrukcji stalowych.
Gruntowna analiza większości tych czynników jest realizowana w
amerykańskim stowarzyszeniu AASHTO (the American Association of State
Highway Transportation Officials Manual), Inspection of Fracture Critical
Bridge Members [8].

W pracy [8] opisano podstawowe zasady oceny zmniejszania

(pogorszenia) wielkości wytrzymałości i trwałości zmęczeniowej elementów
konstrukcyjnych w mostach wojskowych. Na zmniejszenie wielkości trwałości
stalowych elementów konstrukcyjnych wpływ mają głównie procesy korozji

oraz samo zmęczenie materiału (i wynikające z tego pęknięcia). Ustalenie miejsc
osłabionych w konstrukcji mostowej (przez korozję i pęknięcia) ma
najważniejsze znaczenie na wybór właściwej metody i oceny sposobu naprawy
tego uszkodzonego elementu. Zwykle jest to robione dokładnymi
mechanicznymi (jak np. suwmiarki) albo elektrycznymi (jak np. depth meter)
przyrządami pomiarowymi. Pełne oszacowanie pęknięcia stalowego elementu
konstrukcyjnego jest bardzo ważne, gdyż może ono doprowadzić do szybkiego
niekontrolowanego zniszczenia elementu, a tym samym mostu. Wszystkie
pęknięcia (uszkodzenia) w elementach konstrukcyjnych mostu powinny zostać
odnalezione, a następnie oceniony ich charakter i rozmiary oraz zdefiniowany
zasięg ich propagacji oraz jej prędkość. W celu szczegółowego wizualnego
badania (oględzin) elementu, można skorzystać z szerokiego wyboru metod
nieniszczących. Wytyczne [8] przedstawiają trzy najpopularniejsze sposoby
badań prowadzonych na wojskowych konstrukcjach przęseł i podpór stalowych,
do których należą m.in.:
a) Metody nieniszczące:
1. Farby penetrujące. Metoda ta jest głownie używana w celu zidentyfikowania
miejsc i zasięgu pęknięć powierzchniowych i wad powierzchni, takich jak
cienkie rysy pochodzące m.in. od pęknięć zmęczeniowych. Nie może ona zostać
zastosowana w celu identyfikacji wad podpowierzchniowych. Podczas próby,
badany obszar musi być gruntownie wyczyszczony z różnych zanieczyszczeń
takich jak farby, rdzy, tłuszczu i substancji oleistych. Następnie na badany
obszar nanosi się płyn penetrujący, tak, aby został on wchłonięty w ewentualne
pęknięcia. Po określonym czasie, nadmiar płynu jest wycierany. W przypadku
wystąpienia na powierzchni materiału elementu pęknięcia rysuje się na niej
jasno czerwony zarys tego uszkodzenia.
2. Test magnetyczny cząstek materiału. W próbie tej, pole magnetyczne jest
wywołane w stali przy użyciu źródła o ustalonej mocy. Wykrywanie skazy
(wady) jest dokonywane przez stosowanie bezwładnych opiłków żelaza, które
przyciąga wywołane pole magnetyczne. Opiłki metalu są przyciągane
szczególnie silnie w miejscu występowania skaz materiału (w tym przypadku
stali). Próba ta wymaga jednak bardzo dobrze wyszkolonej obsługi.
3. Badania radiograficzne. Metoda ta wykorzystuje promienie X do
identyfikacji pęknięć zarówno powierzchniowych jak i na wskroś (w głąb)
materiału. Zdolność próbki do zmniejszania gęstości przejścia promieni X
wykazuje jej względną homogeniczność. Każdy brak ciągłości materiału, taki
jak np. powstałe pęknięcie zmęczeniowe, wykazywane zostaje na filmie
umieszczonym za badanym elementem jako obraz mniej gęsty w porównaniu do
rodzimego materiału. Ta metoda jest najkorzystniejsza i jest używana
najczęściej w analizowaniu spawów (spoin) na złych lub niekompletnych
połączeniach, wykazuje także wtrącenia żużli oraz inne wtrącenia, oraz
nieciągłości materiału i tzw. kieszenie powietrzne.

b) Metody niszczące, tzw. rozciągliwe kupony (próbki), polegające na pobraniu
próbek materiału z elementu konstrukcyjnego i poddanie ich wszechstronnym
badaniom wytrzymałościowym i zmęczeniowym.

Aby wykonać dokładną analizę nośności mostu, należy najpierw poznać

dokładnie właściwości stali, z której został on wykonany. Dla wielu starszych
mostach, ani typ (gatunek) stali ani jej własności nie są w pełni znane. W tych
przypadkach konieczne jest wycięcie tzw. „kuponów” (próbek) do dalszych
badań. Jest oczywistym faktem, że sama operacja wycinania próbki powoduje
już na ogół dość znaczne uszkodzenie elementu konstrukcyjnego, a zatem przy
zabiegu tym wymagana jest dość duża rozwaga. Miejsce dla wycięcia próbki
powinno być wybrane bardzo rozsądnie, aby z jednej strony dostarczyć
najdokładniejszych informacji o materiale, a z drugiej zaś spowodować
minimalne ubytki (uszkodzenia) w badanym elemencie mostu. Wybór ten
powinien należeć do doświadczonego inżyniera (dowódcy). Próbki powinny
mieć od 9 do 12 cali (225–305 mm) długości oraz od 2 do 3 cali (50–80 mm)
szerokości, i są one przeważnie mechanicznie wycinane z elementu
konstrukcyjnego.

Wzmacnianie istniejących mostów następuje zwykle w przypadku, gdy

mają one przenieść większe obciążenia niż te, na które zostały pierwotnie
zaprojektowane. Wzmacnianie może być również wskazane w przypadku
nieodpowiedniego zaprojektowania albo jako skutek miejscowego pogorszenia
właściwości wytrzymałościowych (uszkodzenia) elementu konstrukcyjnego w
moście. Decyzja odnośnie wzmocnienia elementu mostu albo jego wymiany
powinna uwzględniać m.in.: wiek konstrukcji, rodzaj materiału, z którego
elementy zostały wykonane, zmęczenie materiału wynikające z czasu jego
eksploatacji, szacowany koszt naprawy, zwiększony okres użytkowania
konstrukcji oraz możliwość zwiększenia jego podstawowej nośności.

Wzmocnienie elementów konstrukcyjnych mostu może zostać wykonane

na trzech zasadniczych poziomach, tj.:
1. Wzmocnienie pojedynczych elementów występujących w konstrukcji mostu

w celu umiarkowanego powiększenia właściwości trakcyjnych (ruchowych)
obiektu, w tym także na wzrost jego nośności.

2. Zmianę konstrukcji nośnej mostu przez dodanie nowych elementów

konstrukcyjnych, takich jak: podłużnica, filar, pokłady, etc.

3. Zmianę konstrukcji mostu poprzez połączenie wzmocnienia istniejących

starych elementów i dodanie nowych, w celu zwiększenia całkowitej
nośności obiektu mostowego.

Większość zadań remontowych odnosi się prawie do wszystkich mostów,

bez względu na użyty materiał do ich budowy (stal, beton, drewno, żeliwo, stopy
aluminium, kamień, itp.). Głównym celem wzmocnienia mostów jest
konieczność przywrócenia im ich pierwotnych właściwości
wytrzymałościowych, w taki sposób, aby mogły one przenosić obciążenia

eksploatacyjne, które przenosiły jeszcze przed ich uszkodzeniem lub
osłabieniem całej konstrukcji mostu. Te naprawy mogą obejmować m.in.:
wzmacnianie, zastępowanie (wymianę), albo dodanie dodatkowych podparć do
elementów w istniejącej konstrukcji mostu. W przypadku wspólnych zadań
naprawczych, obejmują one oprócz przęseł przede wszystkim naprawę podpór i
fundamentów takich mostów.

Występująca duża rozmaitość różnych typów powstałych pęknięć w

elementach konstrukcyjnych mostów uniemożliwia zastosowanie jednej tylko
metody naprawczej. Aktywne pęknięcia należy zabezpieczać w sposób
skuteczny przed dalszą propagacją ich rozwoju, oraz podania elastycznego
materiału uszczelniającego, który będzie się rozrastać razem z rozwojem
powstałego pęknięcia. Nieaktywne zaś pęknięcia powstałe w elementach
konstrukcyjnych lub detalach mostowych zasadniczo wymagają jedynie ich
scalenia oraz uszczelniania ewentualnych ubytków materiału.

Najpopularniejszymi sposobami naprawy stalowych elementów

konstrukcyjnych w mostach wojskowych są:

−

Dodanie elementów metalowych (np. nakładek), aby wzmocnić te obszary
konstrukcji, które zostały osłabione przez korozję albo obciążenia zewnętrzne
lub zmęczeniowe (rys. 1).

−

Spawanie albo dospawanie nakładek w celu naprawy pęknięć w elementach
konstrukcyjnych mostu spowodowanych przez zmęczenie materiału lub
przeciążenie oraz po uszkodzeniu ponad gabarytowym środkiem transportu
lub uderzeniem pojazdów w konstrukcję mostową przez nieuważnych
kierowców.

−

Modernizacje różnych typów połączeń.

a) b)

Rys. 1. Przykład wzmacniania dwuteowników przez dodawanie nakładek:

a) widok z boku, b) przekrój poprzeczny A

−A

Typowe pęknięcia, które występują w dźwigarach i w ich połączeniach są

najczęściej spowodowane przez zmęczenie materiału oraz nadmierne
przeciążenie konstrukcji. Pęknięcia ogólnie zaczynają się na powierzchni

Wzmocnienia

Wzmocnienia

Wzmacniana podłużnica

Istniejące pokrycie (nakładka)

Istniejące pokrycie (nakładka)

PRZEKRÓJ POPRZECZNY A-A

WIDOK Z BOKU

materiału i propagują do wewnątrz (w głąb) elementu konstrukcyjnego. Aby
właściwie naprawić powstałe pęknięcia, najpierw muszą one zostać w miarę
dokładnie zamknięte (poszczególne części elementu zbliżone do siebie), i
dopiero wówczas połączone (zespawane). Bardzo istotnym czynnikiem jest to,
aby podczas zamykania powstałego pęknięcia, naprawiany element
konstrukcyjny nie znajdował się pod bezpośrednim obciążeniem, tzn., aby
obciążenie zewnętrzne (użytkowe) przenoszone było przez pozostałe elementy
lub dodatkowe elementy pośrednie.

Dotychczas zostały opracowane różne metody, które mogą być użyte do

zamknięcia zaistniałych pęknięć:

−

Sprężanie następcze elementów (rys. 2).

−

Przeniesienie obciążenia poza uszkodzony element, czyli tzw. lewarowanie
konstrukcji, tj. bezpośrednie odciążenie elementu (rys. 3 i 4).

−

Użycie podgrzanych nakładek stalowych. Najpierw należy przyspawać
nakładkę do elementu uszkodzonego tylko od jednej strony powstałego
pęknięcia. Następnie należy podgrzać w odpowiedni sposób samą nakładkę
w celu bezpośredniego rozszerzenia materiału (tj. zwiększenia wymiarów
nakładki) i tak rozgrzaną nakładkę przyspawać do uszkodzonego elementu
konstrukcyjnego z przeciwnej strony. Po ostygnięciu nakładki, przyczyni się
ona do zamknięcia powstałego pęknięcia w naprawianym elemencie.

Rys. 2. Przykład sprężania następczego elementów

Do najczęściej używanych metod naprawy elementów konstrukcyjnych

mostów betonowych należą [8]:

-

wiercenie i zatykanie (rys. 5a),

-

wtrysk materiału epoksydowego (rys. 5b),

-

zszycie powstałego pęknięcia (rys. 5c).

Otwory większe od średnicy bolców

2 cale grubości (50 mm), klasa 50

Podłużnica

Przekrój B-B

Przekrój A-A

Liny i cięgna

a)

b)

Rys. 3. Zastosowanie metody lewarowania podczas wymiany uszkodzonych oczepów

przy użyciu: a) dodatkowej podpory tymczasowej, b) klamer blokujących

Wiele miejsca na temat okresowej kontroli bezpieczeństwa mostów

poświęcono również w pracy [9]. Przedstawiono w niej między innymi
podstawowe zasady oraz przepisy i procedury dotyczące odpowiedzialności za
okresowe badania i ocenę mostów będących w utrzymaniu przez korpus
amerykańskich saperów (USACE) na cywilnych obiektach mostowych.

Rys. 4. Zastosowanie metody lewarowania przęsła podczas wymiany dźwigarów

Uszkodzony oczep

Dodatkowy górny oczep

Dodatkowy oczep

Lewary

Dodatkowy dolny oczep

Uszkodzony

oczep

Klamry blokujące

Uszkodzony dźwigar

6”

×12”×16”

Lewar

Drewniany

oczep

12”

×12”

Pokład drewniany

4”

×6”

Należy nadmienić, że polskie wojska inżynieryjne nie mają jeszcze w

posiadaniu tak szczegółowych przepisów dotyczących eksploatacji mostów
wojskowych.

Również w amerykańskiej instrukcji budowy mostów tymczasowych [10]

poświęcono wiele miejsca pęknięciom zmęczeniowym, wskazując jako główne
miejsca ich występowania, wymagające szczegółowych oględzin, m.in. otwory
na nity lub śruby, spoiny oraz inne zewnętrzne nieregularności (karby).

b)

c)

Rys. 5. Metody naprawy pęknięć zmęczeniowych w elementach konstrukcyjnych [8]:

a) wiercenie i zatykanie, b) wtrysk materiału epoksydowego, c) zszycie pęknięcia

Pęknięcie

Materiał ściany (konstrukcja)

Przewód kontrolny

Złączka

Iniekcja

Zaprawa

epoksydowa

Otwory wiercone w betonie dla
wprowadzenia uchwytów klamer łączących.
Wypełnienie masą bezskurczową.

Klamry zszywające

Uwzględnić należy długość czynnika,
miejsce (lokalizacje) i orientację
uchwytów (klamer), tak, aby naprężenia
rozciągające w poprzek pęknięcia zostały
rozprowadzone w głąb betonu, a nie
koncentrowały się tylko na jego
powierzchni.

Pęknięcie

Dziura (otwór) wywiercona w trzonie ściany
(przyczółka) i umieszczony centrycznie wzdłuż powstałego
pęknięcia. Wielkość otworu zależy od szerokości pęknięcia.
Średnica otworu wynosi od minimum 2 do 2,5 szerokości
pęknięcia.

Wtyczka bitumiczna

4. POLSKIE

DOŚWIADCZENIA

W

ZAKRESIE

OCENY

ZMĘCZENIA

KONSTRUKCJI PRZĘSEŁ MOSTÓW WOJSKOWYCH

W Siłach Zbrojnych RP, po wielu latach wykorzystywania sprzętu mostowego
pochodzącego jeszcze z lat 60., rozpoczęto prace badawcze i wdrożeniowe
nowych konstrukcji i urządzeń przeprawowo-mostowych. Najbardziej
zaawansowane są badania kołowego mostu towarzyszącego typu MS-20 o
nośności według klasy MLC 70/110 [11], [12], którego prototyp przechodzi
obecnie próby doświadczalne [13]. Zgodnie z przyjętymi założeniami taktyczno-
technicznymi [12] trwałość tego mostu została określona na 30 lat.
Prawdopodobieństwo utrzymania stanu zdolności mostu w założonym okresie
jego trwałości (żywotności) i użytkowania (eksploatacji) nie może być niższe
niż na poziomie o wielkości równej 0,95. Przęsło takie umożliwia
nieograniczoną liczbę przejazdów pojazdów gąsienicowych i kołowych o klasie
niższej niż obciążenie typu MLC 50 [11]. Aby sprawdzić, czy zaprojektowany
most spełnia wszystkie podane podstawowe wymagania, w Katedrze Budowy
Maszyn WAT przeprowadzone zostały badania zmęczeniowe mostu
samochodowego typu MS-20, przeznaczonego dla pododdziałów inżynieryjno-
drogowych Sił Zbrojnych RP. W pracy [13] przedstawiono wybrane wyniki
badań zmęczeniowych i niszczących pojedynczej koleiny modelu takiego mostu.

Po przeprowadzeniu badań zmęczeniowych pojedynczej koleiny mostu

obejmujących 5000 cykli obciążeń, których przebieg i metodykę opisano
szczegółowo w pracy [13], dokonano obserwacji stanu technicznego wszystkich
spoin oraz całej konstrukcji nośnej badanych zespołów konstrukcyjnych. W
wyniku ich analizy nie stwierdzono żadnych uszkodzeń ani też odkształceń
występujących w tej konstrukcji.

Jednocześnie przeprowadzona próba doświadczalna nad wytrzymałością

zmęczeniową tego mostu nie spowodowała trwałego uszkodzenia żadnego
badanego zespołu, tak więc nie nastąpiło przekroczenie wytrzymałości
zmęczeniowej wybranych elementów konstrukcyjnych. Wykonano również
próbę niszczącą jednego bloku koleinowego tego mostu.

Przeprowadzone badania doświadczalne koleiny mostu MS-20 wykazały,

że analizowana konstrukcja zapewnia bezpieczne przenoszenie wymaganych
obciążeń eksploatacyjnych w zakresie przyjętej liczby cykli obciążeń, w tym
przypadku powyżej 5000. Badania te zostaną powtórzone już dla prototypu
przęsła, zgodnie z zaplanowaną metodyką badań doświadczalnych i zasadami
opracowywania i wdrażania nowego sprzętu przeprawowego na wyposażenie
wojsk inżynieryjnych w Polsce.

W artykule [14] przedstawiono wybrane wyniki badań doświadczalnych

pod obciążeniem zmęczeniowym próbek wykonanych ze stali gatunku
WELDOX 900, z której wykonane zostały koleiny nowego mostu MS-20, w
zakresie małej liczby cykli obciążeń przy różnych rodzajach (typach) obciążeń

zewnętrznych. Konieczność wykonania takich badań wynikała z faktu, że
producent konstrukcji przęseł z reguły podaje tylko część niezbędnych przy
bieżącym projektowaniu parametrów wytrzymałościowych materiału, z którego
wykonana została konstrukcja mostu.

Uzyskane wyniki z badań doświadczalnych dowiodły także konieczność

głębszego poznania charakterystyki zmęczeniowej stali gatunku WELDOX 900
w zakresie stosunkowo małej liczby cykli obciążeń przy różnych
charakterystykach ich przebiegów. Własności wytrzymałościowe stali bowiem
mają duży wpływ na trwałość zmęczeniową poszczególnych elementów
konstrukcyjnych, a zwłaszcza połączeń spawanych badanego mostu typu MS-
20, a więc także na niezawodność całej konstrukcji nowo zaprojektowanych
przęseł [14]. W przypadku tego mostu ma się do czynienia głównie z
obciążeniami o cyklu zbliżonym do charakterystyki cyklu odzerowo-tętniącej, a
więc w tym przypadku ma zatem miejsce wzmocnienie materiału, co jest
korzystne dla trwałości zmęczeniowej konstrukcji przęseł mostowych.

Również w Wyższej Szkole Oficerskiej Wojsk Lądowych we Wrocławiu

od kilku lat prowadzone są dość intensywnie badania doświadczalne i analizy
obliczeniowe związane z zastosowaniem rozwiązań konstrukcyjnych
wykorzystywanych w stalowych mostach wojskowych, jak i też podjęto liczne
próby oceny trwałości zmęczeniowej i eksploatacyjnej takich mostów [15]. Na
przykład przedmiotem pracy [15] były badania umożliwiające oszacowanie
trwałości zmęczeniowej konstrukcji stalowych dźwigarów przęseł mostów
niskowodnych zawierających już szczelinę zmęczeniową propagującą
bezpośrednio od wywierconych otworów montażowych umiejscowionych w
środniku dźwigara.

Jednym z głównych celów badań zmęczeniowych wykonanych przez A.

Duchaczka i Z. Mańko, które przeprowadzono w latach 2006–2007 [15] w
laboratorium badawczym Instytutu Budownictwa Politechniki Wrocławskiej
(rys. 6) było sprawdzenie, czy dźwigar główny przęsła mostu niskowodnego,
mający uszkodzenia o ustalonych wymiarach, przeniesie bezpiecznie określoną
w obliczeniach zmęczeniowych liczbę cykli obciążenia o zadanej
charakterystyce (amplitudzie).

W badaniach testowano dwuteownik zwykły IPN 400 wykonany ze stali

gatunku S235JRG2. Przeprowadzone badania dźwigara stalowego obejmowały
20 000 cykli obciążeń o charakterze zmęczeniowym [15].

Uzyskana w trakcie badań doświadczalnych przeprowadzonych na

rzeczywistym elemencie konstrukcyjnym przęsła prędkość rozwoju pęknięcia
zmęczeniowego była znacznie mniejsza od prędkości otrzymanej z obliczeń
numerycznych MES. Wpływ na tak zróżnicowane wyniki mogły mieć przede
wszystkim przyjęte wartości parametrów zmęczeniowych, uzyskane z zależności
korelacyjnych między wielkościami wytrzymałościowymi stali określonego
gatunku oraz zjawisko miejscowego wzmocnienia materiału [14].

Prowadzenie badań doświadczalnych w zakresie obciążeń

zmęczeniowych na tak dużych obiektach, jakimi są konstrukcje mostowe jest
często ze względów ekonomicznych, i także technicznych niemożliwe. Wydaje
się zatem, że inżynierom (dowódcom) zajmującym się tego typu konstrukcjami i
problemami zmęczeniowymi pozostają często jedynie metody numeryczne
oszacowania ich trwałości zmęczeniowej, których wiarygodność otrzymanych
wyników wzrasta wraz ze zwiększeniem liczby przyjętych różnorodnych modeli
obliczeniowych i odpowiednich parametrów wytrzymałościowych materiału z
którego wykonano elementy konstrukcyjne mostów.

Przy obecnie stosowanej technice obliczeniowej, prowadzenie analiz

zmęczeniowych wojskowych konstrukcji mostowych nie jest już tak zbyt
czasochłonne jak to miało miejsce jeszcze w niedalekiej przeszłości. Stosując
jednak podstawowe wyrażenia zaczerpnięte z mechaniki pękania materiałów
oparte o współczynnik intensywności naprężeń K i współczynnik kształtu Y,
można uzyskać dość zadawalające wyniki obliczeń, które pozwalają na bardzo
trafną ocenę aktualnej trwałości zmęczeniowej takich obiektów.

Na rysunku 7 przedstawiono uzyskane w trakcie przeprowadzonych

obliczeń zrealizowanych za pomocą MES [16] wykresy zmienności
współczynnika kształtu Y w zależności od stosunku długości szczeliny a do
wysokości badanego dwuteownika h.

Szczegółowe obliczenia wykonano dla dwóch różnych przyjętych modeli

obliczeniowych środnika dźwigara (rys. 8). Do tworzenia siatki elementów
skończonych użyto metody triangularyzacji Delaunay’a i Kanga, która może być
stosowana do generowania siatek dla dowolnej powierzchni płaskiej, co
szczegółowo opisano w pracach [15], [16].

Procedury wykorzystane w pracy [16] miały na celu przybliżone

oszacowanie (ocenę), tzw. pozostałej trwałości eksploatacyjnej dźwigarów
stalowych stosowanych dość powszechnie w mostach wojskowych, i dlatego też
wymagały wykorzystania minimalnej liczby danych obliczeniowych. Realizowane
jest to poprzez maksymalne wykorzystanie równań korelacyjnych występujących
między wielkościami (parametrami) zmęczeniowymi a wielkościami
wytrzymałościowymi rozpatrywanego materiału, które zaprezentowano, m.in. w

a)

b)

Rys. 6. Widok stanowiska badawczego zbudowanego w Instytucie Budownictwa

Politechniki Wrocławskiej: a) badany dźwigar, b) analizowane pęknięcie w środniku

pracach K. Rykaluka [17], S. Kocańdy i J. Szali [18] oraz J. Germana [19]. Dzięki
temu opracowany i zastosowany oryginalny (autorski) algorytm obliczeniowy
wymaga podania jedynie kilku podstawowych danych materiałowych [15].

Kryterium siłowe wykorzystywane jest przede wszystkim w przypadku

pękania kruchego występującego w warunkach płaskiego stanu odkształcenia [20].
Dlatego też, ze względu na niewielkie wymiary geometryczne kształtowników
stalowych stosowanych w mostach wojskowych, należy w obliczeniach dodatkowo
wprowadzić wzory (4.1) uwzględniające odporność stali na pękanie w konkretnych
warunkach obciążenia K

C

, zaprezentowane m.in. w pracy [17]:

4

Ic

2

Ic

C

4

1

1

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

=

e

R

K

g

,

K

K

lub

4

0

2

C

5

2

,

gR

,

K

K

⎟

⎟
⎠

⎞

⎜

⎜
⎝

⎛

=

e

1,8

Ic

(4.1)

gdzie R

e

jest granicą plastyczności stali, natomiast g grubością środnika badanego

dwuteownika.

a)

b)

Rys. 8. Sposób podparcia oraz schemat obciążenia analizowanego dwuteownika w dwóch

rozpatrywanych modelach obliczeniowych środnika: a) I model, b) II model

Modele obliczeniowe:

1,131

0,645

0,698

0,798

0,711

0,818

1,485

0,743

0,900

0,739

0,802

1,612

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

Stosunek długości szczeliny a do wysokości dwuteownika h

Wspó

łczynnik kszta

łtu

Y

Model I

Model II

Rys. 7. Zmienność współczynnika kształtu Y w zależności od stosunku długości

szczeliny zmęczeniowej a do wysokości dwuteownika h dla dwóch rozpatrywanych

modeli obliczeniowych środnika [16]

P

-P

X

D

a

b

p

/2

W

P

a

d

d

X

X

D

X

P

W

/2

Aby uwzględnić wpływ współczynnika asymetrii cyklu obciążenia R na

pozostałą trwałość eksploatacyjną sprawdzanych elementów konstrukcyjnych
mostu należy liczbę cykli obciążeń konieczną do ich zniszczenia N

p

obliczyć

wykorzystując wzór Formana (4.2), który opisuje dwie fazy (II i III) kinematycz-
nego wykresu pękania zmęczeniowego podanego przez J. Germana [19]:

a

K

C

K

K

R

N

m

a

a

d

)

(Δ

Δ

)

(

F

k

o

F

C

p

⎟

⎟
⎠

⎞

⎜

⎜
⎝

⎛

−

−

∫

=

1

, (4.2)

gdzie a

o

stanowi długość szczeliny początkowej, a a

k

długość szczeliny

krytycznej. Wielkości C

F

i m

F

są to stałe materiałowe, natomiast

ΔK stanowi

zakres zmienności współczynnika intensywności naprężeń.

Na rysunku 9 zaprezentowano przykładowe wykresy przedstawiające

trwałość eksploatacyjną N

p

dźwigara głównego przęsła mostu niskowodnego

zbudowanego z dwuteowników zwykłych 450 mm (ze stali gatunku St3S) dla
różnych długości pęknięć propagujących od otworów montażowych
wykonanych w środniku, opisanych szczegółowo w pracy [16].

Zaprezentowane wykresy (rys. 9) umożliwiają bezpośrednie i

natychmiastowe określenie pozostałej trwałości eksploatacyjnej dźwigara
stalowego mającego pęknięcia propagujące od otworów montażowych
umieszczonych w jego środniku.

Podany w pracy [16] sposób analizy zmęczeniowej może być przydatny

nie tylko do oceny trwałości stalowych mostów wojskowych, ale również dla
całej gamy różnych konstrukcji stalowych z już istniejącym pęknięciem.

Problematyką zmęczenia stalowych obiektów mostowych zajmował się

również Z. Kamyk i Z. Mańko [21] realizując cykl badań poświęconych ocenie
wytrzymałości zmęczeniowej połączeń na śruby sprężające w mostach

Wytężenie dźwigara [%]:

0

100

200

300

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Długość szczeliny a [mm]

Tr

w

ał

ość

d

źwi

ga

ra

N

p

[

tys

. c

ykl

i]

80

90

100

Rys. 9. Wykresy trwałości eksploatacyjnej dźwigara głównego mostu niskowodnego

wykonanego z dwuteownika zwykłego 450 mm (stal St3S) dla pęknięć propagujących

od otworów montażowych zlokalizowanych w środniku

stalowych o dźwigarach pełnościennych (rys. 10). W pracach [22], [23]
dokonano oceny wyników uzyskanych z badań doświadczalnych pod
obciążeniem zmęczeniowym, trzech modeli styków montażowych blachownic w
skali naturalnej na śruby sprężające, zarówno czarne jak i ocynkowane ogniowo
(rys. 11).

Rys. 10. Widok ogólny stanowiska badawczego z modelem dźwigara blachownicowego

ze stykiem montażowym na śruby sprężające pod obciążeniem zmęczeniowym

Rys. 11. Widok modelu styku montażowego na stanowisku badawczym oraz porównanie

wielkości standardowej

Przeprowadzone badania dynamiczne i zmęczeniowe połączeń wykazały,

że sam łącznik, czyli śruba pracuje prawie tak samo jak pod obciążeniem
statycznym, tj. tak jakby wyłącznie pod ciężarem własnym konstrukcji. Taki
rodzaj pracy powoduje, że typowe dla obciążeń zmęczeniowych zjawiska
cyklicznego przyrostu naprężeń są znacznie ograniczone. Obciążenie
zewnętrzne powoduje jedynie maksymalnie około 3,5% przyrost naprężeń
w śrubach sprężających w stosunku do stanu po sprężeniu styku montażowego.
Obciążenia cykliczne nie spowodowały także utraty nośności połączenia
poprzez poślizg łączonych blach, czyli ciernego charakteru pracy połączenia.
Przyrost amplitud przemieszczeń względnych blach w styku montażowym, w
trakcie 2 mln cykli obciążenia, nie przekroczył wielkości dopuszczalnej 150 μm
(rys. 12) [21]. Zmiany wartości poszczególnych badanych wielkości i ich
rozkład nie wykazywały istotnych relacji z rodzajem zastosowanych śrub

sprężających. Ostatecznie stwierdzono, że nie ma żadnych zasadniczych
przeszkód w stosowaniu śrub sprężających ocynkowanych ogniowo w mostach
stalowych w Polsce.

Ze względu na specyfikę eksploatacji wojskowych konstrukcji

mostowych wykorzystanie połączeń

śrubowych jest najbardziej

rozpowszechnione podczas ich montażu, a dotychczasowe badania własne [22],
[23] potwierdziły, że połączenia na śruby sprężające mogą być wykorzystywane
we wszystkich typach składanych konstrukcji przęseł i podpór mostowych, w
tym także wojskowych.

5. PODSUMOWANIE

Materiały prezentowane w niniejszej pracy (oraz pracy [24]), z całą pewnością
potwierdzają fakt, że lekceważenie problematyki zmęczenia występujące w
stalowych mostach wojskowych jest dość istotnym zaniedbaniem projektowym,
a nawet w pewnym sensie błędem, mimo ich traktowania jako obiektów
tymczasowych (o krótkotrwałym użytkowaniu w jednym miejscu). Stosunkowo
uboga literatura krajowa dotycząca omawianej problematyki powinna być w
najbliższej przyszłości zdecydowanie poszerzona, chociażby o wyniki badań
doświadczalnych i teoretycznych oraz ich analiz prowadzonych od kilku lat w
Wyższej Szkole Oficerskiej Wojsk Lądowych we Wrocławiu, i wprowadzone do
powszechnego użytku w Siłach Zbrojnych RP [15], [16], [25].

Udowodniono w sposób jednoznaczny, że zmęczenie w stalowych

elementach konstrukcyjnych mostów wojskowych również występuje (podobnie

15

25

35

45

55

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

N [10

3

]

w [

μm]

ind. 5_I_tzn

ind. 5_II_tzn

ind. 5_III_cz

ind. 6_I_tzn

ind. 6_II_tzn

ind. 6_III_cz

Rys. 12. Porównanie przebiegów zmian amplitud przemieszczeń względnych blach w

styku blachownicy w górnej części środnika (ind. 6) i pasa górnego (ind. 5) w czasie

badań zmęczeniowych dla trzech modeli styków montażowych [21]

jak w mostach cywilnych), tylko ma inny zakres i jest inaczej liczone, a
następnie sprawdzane na drodze badań doświadczalnych. Charakteryzuje się
przede wszystkim tym, że jest to wytrzymałość zmęczeniowa przy stosunkowo
małej liczbie cykli obciążeń i zwana jest także wytrzymałością zmęczeniową
krótkotrwałą (ang. low-cycle fatigue). Z nazwą tą nie zawsze należy kojarzyć
krótki okres trwałości (żywotności) konstrukcji przęsła (oraz podpór) lub ich
elementów. Chodzi w tym przypadku tylko o stosunkowo małą liczbę cykli
obciążeń dopuszczaną w tych obiektach, ale przy wysokich poziomach obciążeń
roboczych (eksploatacyjnych), przy czym odstępy czasowe między
poszczególnymi cyklami obciążenia mogą być również niekiedy dość znaczne.

W praktyce wojskowej i inżynierskiej (w przypadku zastosowań o

charakterze cywilnym) rzeczywiście mosty wojskowe nie są eksploatowane non
stop, i przeznaczone są raczej do eksploatacji w stosunkowo krótkich okresach
w porównaniu do klasycznych mostów cywilnych, ale głównie w sensie liczby
cykli obciążeń, a nie lat. Jednakże należy mieć pełną świadomość zaplanowanej
liczby cykli obciążenia przewidywanych w tego typu mostach, ponieważ
występujące w nich zjawiska zmęczeniowe są bardzo ważne z uwagi na
bezpieczeństwo konstrukcji zwłaszcza, że z założenia pracują one na znacznie
wyższym poziomie wytężenia niż mosty stałe. Dodatkowo są one narażone na
różnorodne oddziaływania przeciwnika, które mogą przyśpieszać zjawiska
destrukcyjne w rozważanej konstrukcji mostu (np. wybuchy). Uszkodzenia
głównych elementów nośnych powstałe w tego typu mostach wymagają od
dowódców i inżynierów wojskowych szybkiego podjęcia odpowiedzialnych
decyzji, co do wybrania właściwego sposobu dalszej bezpiecznej eksploatacji
uszkodzonego mostu.

LITERATURA

1. NO-54-A200.

1998.: Norma obronna. Mosty wojskowe. Terminologia.

Klasyfikacja. Wymagania.

2. NO-54-A202. 1998.: Mosty zmechanizowane. Wymagania ogólne.
3. NO-54-A203. 1998.: Mosty składane. Wymagania ogólne.
4. NO-23-A501. 2004.: Mosty zmechanizowane – Metody badań.
5. PN-82/S-10052. 1982.: Obiekty mostowe. Konstrukcje stalowe. Projektowanie.
6. ENV 1993–1–9.: Eurocode 3. Desigin of Steel Structures, European Committee for

Standardisation, Brussels, 2005.

7. Trilateral Design and Test Code for Military Bridging and Gap-crossing Equipment

Agreed to by: Federal Republic of Germany, United Kingdom and United States of
America published in the United States in January 2005.

8. Bridge Inspection, Maintenance, and Repair, ARMY TM 5-600, AIR FORCE

AFJPAM 32-1088, Departments of the Army and the Airforce, Washington,
December 1994.

9. Periodic Safety Inspection and Continuing Evaluation of USACE Bridges.

Washington, Department of the Army, U.S. Army Corps of Engineers, 31 August
2002.

10. Military Nonstandard Fixed Bridging. FM3-34.343 (FM5-446), Headquarters

Department of the Army, Washington, February 2002.

11. STANAG 2021. Wojskowe obliczenia klasyfikacji mostów, promów, tratw i

pojazdów.

12. Założenia taktyczno-techniczne. Most samochodowy MS-20. Dyrektor Departamentu

Polityki Zbrojeniowej Ministerstwa Obrony Narodowej, Warszawa, 2003.

13. Kuczmarski F., Marecki P.: Badania wytrzymałościowe i trwałościowe kolein mostu

towarzyszącego MS-20. V Międzynarodowa Konferencja Uzbrojeniowa, Waplewo,
2004, s. 518–535.

14. Goss Cz., Marecki P.: Wyniki badań niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej

stali WELDOX 900. Biuletyn WAT, vol. LVII, 2008, nr 1, s. 89–99.

15. Duchaczek A., Mańko Z.: Wyznaczanie trwałości eksploatacyjnej mostów

wojskowych. Wyższa Szkoła Oficerska Wojsk Lądowych im. gen. Tadeusza
Kościuszki we Wrocławiu. Praca naukowo-badawcza, nr ID/831, Wrocław, 2005–
2007.

16. Duchaczek A., Mańko Z.: Zastosowanie metod numerycznych do oceny trwałości

eksploatacyjnej dźwigarów stalowych w mostach wojskowych. Górnictwo
Odkrywkowe, nr 4–5/2008, s. 55–61.

17. Rykaluk K.: Pęknięcia w konstrukcjach stalowych. Dolnośląskie Wydawnictwo

Edukacyjne (DWE), Wrocław, 2000.

18. Kocańda S., Szala J.: Podstawy obliczeń zmęczeniowych. Wydawnictwo Naukowe

PWN, Warszawa, 1997.

19. German J.: Podstawy mechaniki pękania. Politechnika Krakowska, Kraków, 2001.
20. Neimitz A.: Mechanika pękania. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1998.
21. Kamyk Z.: Ocena wytrzymałości zmęczeniowej połączeń na śruby sprężające w

mostach stalowych. Raporty Instytutu Inżynierii Lądowej Politechniki
Wrocławskiej, z serii PRE-60/99 (praca doktorska, promotor: dr hab. inż. Zbigniew
Mańko, prof. nadzw. PWr. – obrona 14 marca 2000), Wrocław, grudzień 1999 r.

22. Kamyk Z., Mańko Z.: Wnioski z badań doświadczalnych połączeń ciernych

dotyczące oceny możliwości stosowania śrub sprężających Peinera w stykach
mostów stalowych. Cz. I. Konstrukcje Stalowe, 3 (32)1999, s. 42

−45 i Cz. II.

Konstrukcje Stalowe, 4 (33)1999, s. 44

−46.

23. Mańko Z., Kamyk Z.: Ocena wytrzymałości zmęczeniowej połączeń ciernych na

śruby sprężające w mostach stalowych. Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne
(DWE), Wrocław, 2004.

24. Duchaczek A., Kamyk Z.: Uwzględnienie procesów zmęczeniowych podczas

projektowania i eksploatacji mostów wojskowych. W: Mosty stalowe, Wrocław:
Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Seminarium Wrocławskie Dni Mostowe,
Wrocław, 27–28 listopada 2008 r., s. 265–274.

25. Duchaczek A., Mańko Z.: Ocena trwałości eksploatacyjnej dźwigarów stalowych w

mostach wojskowych. V Ogólnopolska Konferencja Mostowców Konstrukcja i
Wyposażenie Mostów, Wisła, 5

−6 listopada 2008 r., 2008 r., s. 87−94.

THE FATIGUE PROCESSES OF THE MILITARY BRIDGES

Summary

The paper is presented the fatigue strength of military bridges. Further in

the article the author provides details on these issues in the NATO’s countries.
The paper also describes the Polish experiences in fatigue research of military
bridges structures.