Mosty_Kolejowe_Wykład_1

Instytut Inżynierii Lądowej
Mosty kolejowe
W1 – wprowadzenie
Wykład dla specjalności Inżynieria Transportu Szynowego
Dr inż. Mieszko KUŻAWA
07.03.2014 r.
I. Wprowadzenie
Dane kontaktowe
dr inż. Mieszko Kużawa
• GeoCentrum PWr
• p. 122, bud. L1B
• [email protected]
• http://zm.pwr.wroc.pl/kuzawa/
• konsultacje:
• poniedziałek 15-17
Warunki zaliczenia grupy kursów Mosty kolejowe – wykładu i ćwiczeń projektowych
1.
1.
2.
Na oceną końcową z grupy kursów Mosty kolejowe składa się:
•
wynik zaliczenia wykładu,
•
wynik zaliczenia ćwiczeń projektowych.
Zaliczenie wykładu:
•
forma zaliczenia kolokwium zaliczeniowe,
•
termin:
ostatni wykład,
•
czas trwania:
około 40 min,
•
wyniki:
http://zm.pwr.wroc.pl/kuzawa/
Zaliczenie ćwiczeń projektowych:
•
terminowe i samodzielne wykonanie poprawnych merytorycznie
wszystkich elementów ćwiczenia projektowego,
•
obecność na min. 80% zajęć,
•
sprawdzian wiedzy teoretycznej i samodzielności wykonania ćwiczenia
może być przeprowadzony w formie ustnej lub pisemnej z
uwzględnieniem umiejętności rozwiązywania nieskomplikowanych zadań
inżynierskich.
Mosty kolejowe – ramowy program wykładu
1. Przepisy i literatura dotyczące przedmiotu
2. Rys historyczny, stan obecny (dane statystyczne) i kierunki rozwoju
kolejowych obiektów mostowych
3. Zagadnienia materiałowe
4. Klasyfikacja i przegląd rozwiązań konstrukcyjnych kolejowych obiektów
mostowych
5. Wymagania techniczne dla kolejowych obiektów mostowych
6. Zagadnienia projektowania kolejowych obiektów mostowych
7. Uszkodzenia kolejowych obiektów mostowych
8. Diagnostyka kolejowych obiektów mostowych
9. Ocena kondycji eksploatowanych konstrukcji
Wymiar godzinowy: 1h/tyg.
Przepisy prawne
1.
Ustawa z dn. 7 lipca 1994 roku Prawo budowlane, tekst jednolity z 21 listopada 2003 r. – Dz.U.
nr 207 poz. 2016.
2.
Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 10 września 1998 roku
w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budowle kolejowe i ich
usytuowanie – Dz.U. Nr 151 poz. 987.
3.
Id-2, Warunki techniczne dla kolejowych obiektów inżynieryjnych, PKP Polskie Linie
Kolejowe S.A., Warszawa 2005 r.
4.
Dyrektywa 2008/57/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 17 czerwca 2008 r. w sprawie
interoperacyjności systemu kolei we wspólnocie.
5.
Standardy Techniczne: szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy linii
kolejowych do prędkości Vmax ≤ 200 km/h (dla taboru konwencjonalnego) / 250 km/h (dla
taboru z wychylnym pudłem), Tom III: Obiekty Mostowe, PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.,
Centrum Naukowo-Techniczne kolejnictwa, Warszawa 2010 r.
Literatura przedmiotu
Podstawowa
1.
Danielski L., Mosty metalowe, skrypt PWr, Wrocław 1983 r.
2.
Ryżyński A., Wołowicki W., Skarżewski J., Karlikowski J., Mosty stalowe, Państwowe
Wydawnictwo Naukowe, Warszawa – Poznań 1984 r.
3.
Hydzik J., Mosty kolejowe – część II, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1986 r.
4.
Marszałek J., Chmielarski R., Wolniewicz A., Mosty Kolejowe, PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.,
Warszawa 2010 r.
Uzupełniająca
1.
Leonhardt F., Podstawy budowy mostów betonowych, Wydawnictwa Komunikacji i
Łączności, Warszawa 1982 r.
2.
Czudek H., Postawy mostownictwa metalowego, Warszawa 1997 r.
3.
Wołowicki W., Madaj A., Mosty betonowe. Wymiarowanie i konstruowanie, Wydawnictwa
Komunikacji i Łączności, Warszawa 1998 r.
4.
Karlikowski J., Madaj A., Wołowicki W., Mostowe konstrukcje zespolone stalowo-betonowe.
Zasady projektowania, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2007 r.
Podstawowe Normy do projektowania
Krajowe
1.
PN-85/S-10030 – Obiekty mostowe. Obciążenia
2.
PN-82/S-10052 – Obiekty mostowe. Konstrukcje stalowe. Projektowanie
3.
PN-91/S-10042 – Obiekty mostowe. Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone.
Projektowanie
Europejskie
1.
PN-EN 1990 Eurokod 0: Podstawy projektowania konstrukcji, załącznik A2.
2.
PN-EN 1991-2 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Oddziaływania ogólne. Ciężar
objętościowy, ciężar własny, obciążenia użytkowe w budynkach.
3.
PN-EN 1991-2 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 2: Obciążenia ruchome
mostów.
4.
PN-EN 1992-1-1 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i
reguły dla budynków.
5.
PN-EN 1992-2 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 2: Mosty betonowe:
Projektowanie i szczegółowe zasady.
6.
PN-EN 1993-1-1 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-1: Reguły ogólne i
reguły dla budynków.
7.
PN-EN 1993-2 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 2: Mosty stalowe.
II. Rys historyczny
Otwarcie linii Stockton-Darlington w Anglii, 1825 r.
Projektantem wielu obiektów mostowych tej linii był genialny samouk George Stephenson,
pomysłodawca zastąpienia trakcji konnej trakcją parową. Jego 4-przesłowy most z żeliwa
(ang. cast iron) nad rzeką Gaunless z przęsłami „rybkowatego” kształtu można do dziś
oglądać na największym w świecie muzeum kolei w Yorku.
Stephenson’s Stockton Bridge
Stephenson’s Stockton Bridge
Most kamienny nad rzeką Skerne, zaprojektowany przez Ignatius Bonomi, zlokalizowany
również wzdłuż linii Stockton-Darlington
Tees Suspension Bridge, 1830 r. – pierwszy kolejowy wiszący most na świecie.
Most wykonano z żeliwa (ang. cast iron), rozpiętość głównego przęsła wynosiła 86 m,
a zaprojektowany został przez Samuella Browna, pioniera wiszących konstrukcji
łańcuchowych. Most nie przetrwał długo.
II. Rys historyczny
1836-1840 – linia kolejowa North Midland Railway
Most Derwent w Derby (Wielka Brytania) zaprojektowany przez Georga Stephensona i jego syna
Roberta, pionierów inżynierii kolejowej.
Most kamienny Sawley Road w Long Eaton został zbudowany w latach 1837-1838 jest
jednym z niewielu mostów z tego okresu, dla którego oryginalne rysunki i inne dokumenty
przetrwały do dzisiaj.
Most przez rz. Bóbr w Bolesławcu, 1846 r.
Najstarszymi mostami kolejowymi na ziemiach polskich są mosty kamienne na Dolnym Śląsku,
budowane przez władze pruskie, np. pięknie ostatnio odrestaurowany most przez rzekę Bóbr z 1846 r.
Katastrofa mostu przez rzekę Dee w Wielkiej Brytanii w 1847 r.
Most tworzyły trzy swobodnie podparte przęsła o jednakowych rozpiętościach, równych 33,2 m.
Konstrukcję nośną każdego z przęseł stanowiły dwa żeliwne dźwigary dwuteowe, do których dolnych
półek zamocowano podkłady kolejowe – most był dwutorowy.
Żeliwne dźwigary były wzmocnione za pomocą rozciąganych prętów z żelaza zgrzewnego. Były one
rozmieszczone w taki sposób, że ich rozciąganie następowało po wystąpieniu rozciągania
spowodowanego zginaniem dźwigarów głównych.
Wzmocnienie żeliwnego (ang. cast iron) dźwigara prętami z żelaza zgrzewnego (ang. wrough iron)
Przekroje poprzeczne – żeliwnego dźwigara i jednego z przęseł mostu Dee
Most kolejowy Britannia nad Cieśniną Menai, 1850 r.
Most kolejowy Britannia zaprojektowany został przez Roberta Stephensona jak konstrukcja ciągła
belkowa z żelaza zgrzewnego (ang. wrough iron). Rozpiętość głównych przęseł wynosiła 141,73 m.
Podpory boczne osiągnęły wysokość 67 m, natomiast środkowa 70 m.
W przekroju poprzecznym konstrukcja mostu była złożona z dwóch zamkniętych skrzyń o wymiarach
4,40 x 9,10 m. Grubość zastosowanych blach to 11-16 mm. Skrzynie zostały zbudowane z płyt
i kątowników.
Obecny wygląd mostu odbiega od oryginału. Przyczyną tego stanu rzeczy jest pożar z 1870 roku. Wówczas,
pod wpływem temperatury, pojawiły się niebezpieczne ugięcia uniemożliwiające dalsze korzystanie z mostu.
Do odbudowy zastosowano przęsła dwupoziomowe na łukach stalowych (stal zgrzewna). Ponowne otwarcie
mostu nastąpiło w 1972 roku. Natomiast w 1977 roku ruszyła budowa drogi samochodowej nad linią
kolejową, którą otwarto w 1880 roku.
I Most przez Wisłę w Tczewie, 1851-1857 r.
W latach 1851–1857 powstał pierwszy most drogowo-kolejowy, którego projektantami byli Carl Lentze.
W momencie oddania do użytku, w roku 1857, był to najdłuższy most Europy i pierwszy żelazny most
na Wiśle (jego długość całkowita wynosiła 837,30 m).
Ustrój nośny kolejowo-drogowego mostu stanowiły 3 dwuprzęsłowe konstrukcje przypominające
w swojej formie pełnościenny most skrzynkowy „Britannia” (pełne ściany zastąpiono gęstym
skratowaniem). Takie przęsła okazały się nie tylko lżejsze i przez to oszczędniejsze w zużyciu materiałów,
ale także mniej narażone na działanie wiatru. Rozpiętość wszystkich przęseł była jednakowa i wynosiła
w osiach filarów 130,88 m.
Górne i dolne pasy tworzą, tak zwane "otwarte profile komorowe", składające się
z kątowników oraz poziomych i pionowych walcowanych płyt połączonych nitami.
Wysokość dźwigarów wynosi 8,68 m, zaś ich wzajemna odległość 6,43 m.
Wzmocnienie konstrukcji przęsła stanowią poziome wiatrownice.
II Most przez Wisłę w Tczewie, 1888-1891r.
W latach 1888-1891 George Christopher Mehrtens zbudował dwutorowy most, którego pomysłodawcą
i projektantem był Johann Wilhelm Schwedler. W czasie, gdy rozpoczęto budowę drugiego mostu,
konstrukcje kratowe znacznie się rozwinęły.
Ustrojem nośnym nowego mostu było sześć swobodnie podpartych kratownic soczewkowych
rozpiętości 129 m, z pomostem podwieszonym do dźwigarów głównych.
1 września 1939 r. mosty zostały zaatakowane przez hitlerowców jako jedno z pierwszych miejsc w Polsce
(11 min. przed Westerplatte), zostały też częściowo wysadzone przez broniące je Wojsko Polskie.
Do naszych czasów dotrwały jedynie trzy przęsła oryginalnej konstrukcji i cztery wieżyczki, które w 2000 r.
zostały wpisane na listę zabytków. Pozostałą część budowli stanowią różne rozwiązania techniczne, co
sprawia że Most Tczewski jest namacalnym dowodem ewolucji budownictwa mostowego. Obecnie most,
który przetrwał ponad 150 lat, jest w fatalnym stanie i wymaga natychmiastowego, kapitalnego remontu.
Most Księcia Alberta, 1859 r. – linia kolejowa London-Penzance
Royal Albert Bridge (pol. Most Księcia Alberta) zwany niekiedy Mostem Brunela lub Mostem Saltash most kolejowy przez rzekę Tamar między miastami Plymouth w hrabstwie Devon i Saltash w Kornwalii.
Długość mostu wynosi 666,8 m, najdłuższe przęsło ma rozpiętość 138,7 m i znajduje się 30 metrów nad
poziomem rzeki. Most w całości wykonany jest z żelaza (ang. wrough iron).
Most Piaskowy we Wrocławiu, 1861 r.
W roku 1861 powstała nowa jednoprzęsłowa nitowana żelazna konstrukcja mostu według projektu
Ernsta Ubera. Kratownicowe dźwigary oparte o przyczółki licowane granitem i klinkierem niosły
drewniany pomost. System kratownic nawiązywał do szesnastowiecznej kratownicy drewnianej.
Jest to pierwszy w rejonie wysp i najstarszy zachowany most żelazny we Wrocławiu.
Katastrofa mostu przez ujście rzeki Tay w 1879 r.
Jednotorowy most kolejowy przez ujście rzeki Tay w Szkocji ukończono w 1878 r., przekraczając
przewidywane koszty budowy (skąd my to znamy?) o 60%. Miał ponad 3 km długości i był wtedy
najdłuższym obiektem na świecie. Jego centralną część stanowiło 13 przęseł kratownicowych
z jazdą dołem, rozpiętości 75 m, podczas gdy sąsiednie przęsła kratownicowe były z jazdą górą.
Rozwiązanie to wynikało z potrzeb nawigacyjnych.
Przęsła nawigacyjne miały stałą i znaczną wysokość, równą 8,2 m. Były oparte na kratownicowych
podporach o dużej wysokości – 26,8 m, o stałych wymiarach w planie. Podpory te nie były
dostosowane kształtem do przenoszenia dużych sił w kierunku poprzecznym do
mostu (brak np. zewnętrznych elementów ukośnych). Było to – wraz ze zbyt słabym zamocowaniem
podpór w podstawie – głównym powodem katastrofy.
Katastrofa nastąpiła 28 grudnia 1879 r. podczas przejazdu pociągu.
Wszystkie przęsła centralne (nawigacyjne) wraz z pociągiem runęły do wody. Zginęło 75 osób, nikt nie
ocalał. Stało się to w czasie bardzo silnego wiatru (10-11 w skali Beauforta), wiejącego z prędkością
34 m/s. Most najpierw się poprzecznie rozkołysał (jak pionowy pręt z masą skupioną na wierzchołku),
a następnie zostały zerwane zamocowania kratownicowych podpór w podstawie i nastąpiło wspomniane
zawalenie przęseł.
Most Tay został odbudowany i rozbudowany przez równoległe do starego wzniesienie nowego,
niosącego drugi tor. Prace ukończono w 1887 r., a więc osiem lat po katastrofie.
Nadano inny, zapewniający stabilność, kształt podporom, które wykonano z żelaza zgrzewnego
w postaci kolumn o zmiennej szerokości, u góry stężonych poprzecznie łukiem. Zmieniono również
konstrukcję przęseł. Most istnieje do dziś. W 2003 r. był remontowany i wzmacniany.
Most Froth, 1879-1890 r.
Forth Bridge jest to most kolejowy przerzucony nad zatoką Firth of Forth, łączący Edynburg
z hrabstwem Fife. Most o długości całkowitej wynoszącej 2,5 kilometra składa z trzech masywnych belek
wspornikowych o konstrukcji kratownicowej w kształcie rombu oraz czterech mniejszych wiaduktów.
Każdy romb ma 110 metrów wysokości, natomiast rozpiętość pomiędzy nimi wynosi 521 metrów.
Most Maria Pia, 1877 r.
Jest to żelazny most kolejowy nazwany tak na cześć królowej Marii Pii Sabaudzkiej, żony króla Ludwika I.
Łączy Porto z Vila Nova de Gaia. Zbudowany w 1877 roku przez firmę Gustave Eiffel, według projektu
inż. Teofila Seyriga. Budowa trwała od 1 stycznia 1876 r. do 4 listopada 1877 r.. To pierwsze w historii
połączenie kolejowe obu brzegów rzeki Douro dopiero w roku 1991 zostało wycofane z użycia.
Viaduc de Garabit przez Truyère, 1882-1884 r.
Most zaprojektowany został przez Gustawa Eiffela, z żelaza zgrzewnego. Zasadniczym elementem konstrukcji
jest kratowy łuk dwuprzegubowy rozpiętości 165 m i wysokości 52 m nad doliną głębokości 120 m.
Most Luisa I w Porto, 1885 r.
Most przez rzekę Duoro zaprojektowany został przez belgijskiego inżyniera Teofila Seyriga z grupy
Gustave Eiffel, z żelaza zgrzewnego, jako kratowy łuk bezprzegubowy rozpiętości 160 m.
Mosty Młyńskie we Wrocławiu, 1885 r.
Konstrukcję nośną mostów wykonano w formie stalowych (stal zgrzewna), nitowanych,
górnoparabolicznych dźwigarów kratowych systemu Schwedlera. Ustrój nośny oparty został na
masywnych, murowanych z kamienia podporach, oblicowanych okładziną z szarego granitu.
Prace budowlane na moście północnym rozpoczęły się w maju 2011 r. W pierwszej kolejności
przystąpiono do rozbiórki nawierzchni jezdni (wykonanej z kostki granitowej na podbudowie piaskowej),
a następnie rozebrano istniejącą płytę pomostową.
Po rozbiórce istniejącej płyty (na etapie minimalnego obciążenia konstrukcji) przystąpiono do prac
związanych ze wzmocnieniem kratowych dźwigarów głównych i stalowego rusztu pomostu.
Pierwsza katastrofa mostu przez rzekę św. Wawrzyńca w Kanadzie, 1907 r.
Ten powszechnie znany i do dziś użytkowany
most do chwili obecnej dzierży rekord świata
w rozpiętości przęsła mostu kratownicowego –
549 m. Rekord ten jednak był okupiony ofiarami
ludzkimi, bo podczas budowy most dwukrotnie
ulegał katastrofom – pierwsza miała miejsce 29
sierpnia 1907 r., druga we wrześniu 1916 r.
Pierwszą katastrofę zapoczątkowała utrata
stateczności dolnego pasa kratownicy brzegowej
(kotwiącej długie przęsło od strony
południowej), mającej rozpiętość 152,5 m.
W wyniku tego cała połowa już wykonanego
mostu uległa zawaleniu.
Druga katastrofa mostu przez
rzekę św. Wawrzyńca w Kanadzie, 1916 r.
Nową budowę rozpoczęto w 1909 r.
W pierwotnym projekcie dokonano zmian
polegających na ukształtowaniu dolnego pasa
kratownicowej konstrukcji wzdłuż prostej, a nie
krzywej, a także zmieniono nieco rozpiętość przęseł
skrajnych, natomiast rozpiętość głównego przęsła
pozostała ta sama, czyli 549 m. Inaczej natomiast, bo
znacznie wnikliwiej, potraktowano zagadnienia
obliczeniowe oraz rozwiązania usztywnień konstrukcji.
Wprowadzone zmiany polegały głównie na przyjęciu
wyższego poziomu obciążenia użytkowego,
dokładnym wyznaczeniu ciężaru własnego, przyjęciu
wartości naprężeń dopuszczalnych o uzasadnionej
wartości, dwukrotnym sprawdzeniu obliczeń oraz
zastosowaniu mocnych usztywnień kratownicowych
ściskanego pasa konstrukcji.
Ponadto przeprowadzono szerokie badania
właściwości materiału i elementów konstrukcyjnych,
a także przestrzegano szczególnej staranności przy
czynnościach montażowych oraz unikano
tymczasowych połączeń na śruby.
Mimo to nie udało się jednak uniknąć drugiej katastrofy. Nastąpiła ona podczas podnoszenia przęsła
zawieszonego o długości 195 m – w pierwszym projekcie miało ono 206 m długości. Przęsło to było
połączone z urządzeniem podnoszącym za pomocą czterech narożnych łożysk. Przyczyną katastrofy
było nagłe zniszczenie jednego z nich, gdy podnoszona konstrukcja znajdowała się na wysokości 9 m nad
poziomem wody. Pozostałe trzy nie wytrzymały przeciążenia, działającego na dodatek z dużym
mimośrodem, i cała konstrukcja runęła do wody, ulegając skręceniu i innym deformacjom.
Most w Quebecu w ostatecznej postaci, 1917 r.
Drugą próbę podnoszenia przęsła, tym razem udaną, podjęto we wrześniu 1917 r., niemal równo rok po
opisanej katastrofie. Sposób połączenia łożysk przęsła zawieszonego z urządzeniem podnoszącym
kompletnie przeprojektowano. Most oddano do użytku w październiku 1917 r., po prawie 20 latach od
rozpoczęcia pierwszych robót.
Dziękuję za uwagę !