XXVI
Konferencja
Naukowo-Techniczna
awarie budowlane 2013
L
UCJAN
G
UCMA
, l.gucma@am.szczecin.pl
B
OLESŁAW
M
AZURKIEWICZ
, bmazur@pg.gda.pl
Akademia Morska w Szczecinie
PROBLEMATYKA ZDERZEŃ JEDNOSTEK ŚRÓDLĄDOWYCH
Z MOSTAMI W POLSCE
CHOSEN PROBLEMS OF INLAND SHIPS COLLISIONS WITH BRIDGES
IN POLAND
Streszczenie W referacie przedstawiona została problematyka zderzeń jednostek śródlądowych z mosta-
mi w tym wypadkowość w Polsce i na świecie, wytyczne i normy oraz metody i modele stosowane
do oceny prawdopodobieństwa i skutków takich zdarzeń.
Abstract The paper presents several issues of inland collisions with bridges and accidents in Poland
and around the world, guidelines and standards, methods and models used to assess the probability
and consequences of such events.
1. Wypadkowość i problematyka zderzeń jednostek pływających z mostami
Mosty, zlokalizowane na akwenach ograniczonych, należą do szczególnie wrażliwej infra-
struktury z trzech głównych powodów:
– tworzą ograniczania nie tylko w płaszczyźnie pionowej, ale także poziomej;
– z racji przebywania na nich ludzi, mogą tworzyć dla nich zagrożenie w przypadku ude-
rzenia statku w most;
– koszt mostu jest zwykle znacznie większy od kosztu statku.
Na podstawie analiz literatury [Scheer, 2010; Radomski, 2011] można stwierdzić, że ude-
rzenie statku jest jedną z głównych przyczyn katastrof mostów i mogą stanowić nawet 30%
wszystkich przyczyn tych zdarzeń.
Amerykańskie statystyki [USCG, 2003] ujawniły, że duża część zderzeń statków z mosta-
mi powoduje jednakże stosunkowo niewielkie straty. W latach 1992–2001 zanotowano łącznie
2692 zderzenia. Tylko 61 z nich (2,2%) spowodowało straty większe od 0,5 mln USD. Aż 1702
zdarzania (63%) to incydenty, w których uszkodzenia nie były znaczące i nie dokonywano
napraw mostu. Dalsze analizy wyjawiły, że 78% z powyżej analizowanych wypadków
spowodowane było błędem nawigatora, a 12% innymi czynnikami operacyjnymi.
Wypadki na wodach śródlądowych są częste, lecz z uwagi na brak prowadzonych dokład-
nych statystyk, w szczególności zdarzeń nie powodujących znacznych strat, trudno jest
oszacować dokładnie ich prawdopodobieństwo.
W Polsce problem zderzeń z jednostkami śródlądowymi jest poważny, co wiąże się z prze-
starzałą, często przedwojenną infrastrukturą. W samym tylko rejonie zarządzanym przez
RZGW w Szczecinie odnotowuje się około jednego zderzenia jednostki z mostem w roku.
Najpoważniejszym zdarzeniem było zniszczenie prowadnic mostu Kolejowego w Szczecinie
w 2001 r., co spowodowało konieczność ich wymiany. Przy modernizacji okazało się,
924
Gucma L. i in.: Problematyka zderzeń jednostek śródlądowych z mostami w Polsce
ż
e wyremontowane tuż po wojnie podpory nie są w najlepszym stanie i nie mogą przenosić
znacznych obciążeń od uderzających w nie statków. Na podstawie danych z RZGW
w Szczecinie zebrano wszystkie przypadki zderzeń jednostek śródlądowych z mostami w re-
jonie RZGW Szczecin (rysunek 1). Było ich 17 w ciągu analizowanych 16 lat. Szczęśliwie
nigdy nie doszło do ofiar w ludziach. Dominują wypadki wynikające z błędu nawigatora, które
zdarzają się z częstością ok. 90%, co potwierdzają statystyki światowe. Niepokojący jest też
duży udział zderzeń z przęsłami, który wynosi aż 65%. Cześć z nich skończyła się poważa-
nymi uszkodzeniami statku. Zderzenia takie wynikają najczęściej z błędów w przygotowaniu
nawigacyjnym przejścia pod mostem, to jest z niewiedzy o aktualnym prześwicie mostu
lub wysokości nawodnej jednostki własnej.
Rys. 1. Liczba wypadków z mostami w rejonie administrowanym przez RZGW w Szczecinie
[Gucma L., 2013]
Interesujące statystyki przedstawił D. Proske [2003]. Zawarto w nich intensywności zde-
rzeń z mostami dla różnych europejskich śródlądowych dróg wodnych (tabela 1). Znając inten-
sywności ruchu, przedstawiono w nich również prawdopodobieństwo zderzenia w pojedyn-
czym przejściu.
Tabela 1. Obliczone średnie intensywności roczne zderzeń na różnych rzekach Europy [Proske, 2003]
Rejon badań
Zderzeń na rok
Zderzeń na 1 przejście
Tamiza (Wielka Brytania)
0,23
10,7·10
–6
Sekwana studium 1 (Francja)
0,0313
–
Sekwana studium 2 (Francja)
0,0556
15,7·10
–6
Men studium 1 (Niemcy)
0,0088
0,7·10
-–6
Men studium 2 (Niemcy)
0,016
61,0·10
–6
Men studium 3 (Lohr – Niemcy)
0,0351
21,0·10
–6
Mozela (Niemcy)
0,037
0,7·10
–6
Dunaj (Vilshofen – Niemcy)
0,158
–
Niemcy drogi śródlądowe studium 1
0,021
–
Niemcy drogi śródlądowe studium 2
0,0095
0,5·10
–6
Łaba (Drezno – Niemcy)
0,038
–
Ś
rednia
0,058
1,58
·
10
–5
0
1
2
3
4
1
9
9
4
1
9
9
5
1
9
9
6
1
9
9
7
1
9
9
8
1
9
9
9
2
0
0
0
2
0
0
1
2
0
0
2
2
0
0
3
2
0
0
4
2
0
0
5
2
0
0
6
2
0
0
7
2
0
0
8
2
0
0
9
2
0
1
0
2
0
1
1
2
0
1
2
Lata
L
ic
z
b
a
w
y
p
a
d
k
ó
w
Mosty i drogi
925
2. Zarządzanie ryzykiem w aspekcie zderzenia z jednostkami pływającymi
w rejonie mostów
Przeprowadzając analizy zagrożeń w rejonie mostów w aspekcie uderzenia statku, przyj-
muje się, że sytuacją krytyczną jest niezamierzone zderzenie statku z mostem lub jego zabez-
pieczeniami. Takie zdarzenia krytyczne dzieli się na [L. Gucma, 2009]:
– Zderzenie kadłuba z podporą mostu lub jej zabezpieczeniami;
– Zderzenie nadbudówki z przęsłem mostu.
Wypadki nawigacyjne polegające na zderzeniu statków z mostami można podzielić
na następujące kategorie:
– Kategoria 1. Statki w drodze przechodzące swoją założoną trasą pod mostem, które
zderzają się z podporą mostu w wyniku błędu nawigatora;
– Kategoria 2. Statki w drodze przechodzące swoją założoną trasą pod mostem, które
zderzają się z podporą mostu w wyniku awarii technicznej (najczęściej steru);
– Kategoria 3. Statki w drodze przechodzące swoją założoną trasą w rejonie mostu, które
zderzają się z jego podporą w wyniku podjęcia manewrów antykolizyjnych;
– Kategoria 4. Statki w drodze przechodzące w rejonie mostu, które zderzają się z podporą
mostu w wyniku niewykonania zwrotu;
– Kategoria 5. Statki, które utraciły napęd w rejonie mostu i są na niego zdryfowane;
– Kategoria 6. Statki w drodze, które uderzają w przęsło mostu w wyniku zbyt małego
zapasu, co jest spowodowane najczęściej błędem nawigatora;
– Kategoria 7. Statki w drodze, które przechodzą pod mostami otwieranymi i na skutek
uszkodzenia mechanizmu lub błędu ludzkiego zderzają się z przęsłem mostu lub opada
ono podczas zamykania na przechodzący statek;
– Kategoria 8. Statki, które nie podążają wyznaczonymi trasami, w tym statki rybackie
i turystyczne;
– Kategoria 9. Statki w drodze przechodzące swoją założoną trasą pod mostem, które
zderzają się częścią rufową z podporą w wyniku oddziaływania prądu lub wiatru na sta-
tek.
Drzewo logiczne możliwych scenariuszy wypadków i ich skutków dla powyższych kate-
gorii przedstawiono na rysunku 2.
Procedura zarządzania ryzykiem to wielostopniowa racjonalna metoda, mająca na celu
zwiększanie bezpieczeństwa żeglugi poprzez ochronę życia i zdrowia ludzi, środowiska oraz
własności [Gucma L., 2009]. Procedura polega na analizie (estymacji) ryzyka, oszacowaniu
ryzyka, podjęciu decyzji o jego akceptowalności oraz jego czasowej kontroli. Składa się ona
z czterech etapów:
– Identyfikacji zagrożeń;
– Analizy ryzyka (estymacja ryzyka na podstawie posiadanych danych bez uwzględniania
zmian w analizowanym obszarze), która składa się z szacowania prawdopodobieństwa
powstania zagrożenia (probability assessment) i określenia skutków zdarzenia
(consequence analysis);
– Oszacowania (oceny) ryzyka (porównanie ryzyka z wartościami kryterialnymi, a więc
z poziomem akceptowalnym);
– Zarządzania ryzykiem (z uwzględnieniem metod redukcji ryzyka i czasowej jego
kontroli).
926
Gucma L. i in.: Problematyka zderzeń jednostek śródlądowych z mostami w Polsce
Rys. 2. Drzewo logiczne najbardziej możliwych scenariuszy zderzeń statków z mostami
wraz z przyczynami i skutkami
Do analizy ryzyka najczęściej stosuje się najczęściej miary ryzyka grupowego do których
można zaliczyć krzywe spodziewanych ofiar śmiertelnych w funkcji ich prawdopodobieństwa
rocznego, przedstawione za pomocą tzw. krzywych ryzyka (FN
−
frequency-number of
fatalities) (rysunek 3);
Rys. 3. Przykładowe krzywe ryzyka F–N wraz z krzywymi dla mostów niemieckich [Gucma L., 2013]
Mosty i drogi
927
3. Obciążenia mostów od zderzeń z jednostkami pływającymi
W Europie najbardziej znanymi badaniami dotyczącymi obciążeń od jednostek śródlądo-
wych są badania K.
E. Meier-Dörnberg’a [1983]. Ich celem było zbadanie zjawisk podczas zde-
rzenia barek z wrotami śluz i podporami mostów. Badał również zachowanie się barek po wej-
ś
ciu na mieliznę. Zastosował modele fizyczne w skali 1:4,5 i 1:6 oraz badania numeryczne.
Meier-Dörnberg określił siłę działającą na przęsło podczas zderzenia i stwierdził jej nieza-
leżność od statycznych i dynamicznych obciążeń. Według przeprowadzonych badań siła ta
uzależniona jest tylko od wielkości odkształcenia kadłuba barki. Przyjęto 0,1 m jako granicę
pomiędzy odkształceniami plastycznymi i sprężystymi (odkształcenie dla energii E równej
około 0,5 MNm).
Na podstawie badań Meier-Dörnberga można przedstawić model obliczania odkształceń
i sił generowanych podczas zderzenia z barki z podporą mostu. W pierwszym kroku należy
obliczyć odkształcenie d jako:
(
)
1
13
0
1
1
3
−
+
=
E
,
,
d
[m]
(1)
W następnym kroku, w zależności od wartości deformacji kadłuba, obliczane jest obcią-
ż
enie P
D
, które wynosi:
(
)
≥
+
<
=
−
+
=
m
1
0
dla
13
0
1
5
m
1
0
dla
95
10
1
13
0
1
186
,
d
E
,
,
d
E
,
E
,
P
D
[MN]
(2)
Na podstawie badań Meier-Dörnberga AASHTO [1991] zbudowało swoje wytyczne,
przekształcając zależności określające siły do postaci:
≥
+
<
=
m
1
0
dla
6
1
6
m
1
0
dla
60
,
d
d
,
,
d
d
P
D
[MN]
(3)
Na rysunku 4 przedstawiono obciążenia od zderzenia z podporą mostu dla typowych
zestawów o wyporności od 1900÷7600 t w zależności od ich prędkości. Widać wyraźną grani-
cę pomiędzy odkształcaniem plastycznym a sprężystym.
Rys. 4. Wartości obciążeń dla różnych zestawów śródlądowych w zależności od prędkości
według formuły Meiera-Dörnberga [1983]
0
5
10
15
20
25
0
1
2
3
4
5
6
7
Pr
ę
dko
ść
[m/s}
S
iła
[
M
N
]
1900
3800
5700
7600
Wyporno
ść
[t]
928
Gucma L. i in.: Problematyka zderzeń jednostek śródlądowych z mostami w Polsce
W Polsce brak jest narodowych wytycznych do zarządzania ryzykiem w rejonie mostów
i ich właściwego zabezpieczania. W Polskiej Normie PN-85/S-10030 [Norma, 1985], w której
określono obciążenia od jednostek dla różnych klas dróg śródlądowych (tabela 2).
Tabela 2. Obciążenia projektowe podpór [MN] od jednostek śródlądowych [Norma, 1985]
Lp.
Klasa drogi wodnej
Kierunek uderzenia
równoległy do nurtu
prostopadły do nurtu
1.
V
8,0
1,6
2.
IV
5,0
1,0
3.
I – III
1,0
0,2
4. Wybrane studia przypadków
W latach 2003÷2013 zespół naukowy inżynierii ruchu morskiego Akademii Morskiej
w Szczecinie wykonał szereg analiz bezpieczeństwa mostów w tym [Gucma L., 2013]:
– most Kolejowy w Szczecinie (2003),
– dwie lokalizacje mostowe w Elblągu (2008),
– mosty na Wyspę Spichrzów w Gdańsku (2009),
– dwa mosty na Motławie w Gdańsku (2009),
– most na Ostrów Brdowski w Szczecinie (2013).
Porównanie uzyskanych wyników dotyczących obciążeń ww. lokalizacji, metody obliczeń
i przyjęte wielkości statków maksymalnych przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 3. Obciążenia podpór lub ich zabezpieczeń określone w różnych studiach przypadków
Lp. Metoda określania obciążeń
Maksymalny
statek wyporność
[t]
Prędkość
zakładana
[m/s]
Obciążenie
wzdłużne
[MN]
Obciążenie
poprzeczne
[MN]
1.
JCSS [JCSS 2001]
1500
1,5
1,6
0,5
2.
Meiera-Dörnberga
3700
3
9,5
0,9
3.
jw.
190
1,5
3,8
0,07
4.
jw.
3200
1,0
6,5
0,4
5.
jw.
1500
1,5/2,5
6,5
2,5
5. Podsumowanie
Wykazano, że problem zderzeń statków z mostami w Polsce jest poważny szczególnie
na akwenach śródlądowych. Dodatkowo fakt znacznej degradacji infrastruktury przyczynia
się do jego pogłębiania. Istnieje szereg możliwość redukcji ryzyka. Jedną z nich jest na przy-
kład wyposażanie mostów w tzw. odwrotne wodowskazy, które informują nawigatora
o aktualnym prześwicie pod mostem.
Projektowanie nowych lokalizacji mostowych powinno być poparte indywidualnymi
analizami ryzyka, gdyż jak wykazano normy i wytyczne nie zawsze zapewniają optymalne
założenia do ich projektowania.
Należy rozważyć przeprowadzenie głębszej dyskusji w kwestii bezpieczeństwa lokalizacji
mostowych w aspekcie zderzeń ze statkami w Polsce zwłaszcza, że ewentualne katastrofy
mogą pociągać za sobą ofiary śmiertelne.
Mosty i drogi
929
Literatura
1.
AASHTO (1991), Guide specification and commentary for vessel collision design of high-
way bridges. Volume I: Final report. American Association of State Highway and Trans-
portation Officials (AASHTO). Washington, D.C.
2.
Gucma L. (2009), Wytyczne do zarządzania ryzykiem morskim. Wydawnictwo Akademii
Morskiej w Szczecinie. Szczecin.
3.
Gucma. L. (2013). Zarządzanie ryzykiem w rejonie mostów usytuowanych nad drogami
wodnymi w aspekcie uderzenia jednostek pływających. Wydawnictwo Akademii Morskiej
w Szczecinie. Szczecin.
4.
JCSS (2001), Probabilistic Model Code. Part 2 Load Models. 2.18. Impact Load. Joint
Committee on Structural Safety (JCSS), Number 99-CON-DYN/M0098.
5.
Meir-Dörnberg K.E. (1983), Ship Collisions, Safety Zones and Loading Assumptions
for Structures on Inland Waterways (in German). VDl-Berichie, No. 496.
6.
Norma (1985), Polska Norma PN-85/S-10030. Obiekty mostowe. Obciążenia.
7.
Proske D. (2003), Ein Beitrag zur Risikobeurteilung von alten Brücken unter
Schiffsanprall. Ph.D. Thesis, Technische Universität Dresden.
8.
Radomski W. (2011), Katastrofy i awarie mostów a rozwój wiedzy budowlanej. Konferen-
cja Naukowo-Techniczna – Awarie Budowlane. Międzyzdroje.
9.
Scheer J., Failed Bridges – Case Studies, Causes and Consequences, Ernst&Sohn, 2010.