Technologia montażu mostu przez Wisłę w Toruniu metodą

Technologia
montażu mostu
przez Wisłę w Toruniu
metodą transportu wodnego
– przygotowanie projektowe operacji
mgr inż. Tymon Galewski
mgr inż. Tomasz Deptuła
GTI
dr hab. inż. Krzysztof Żółtowski,
prof. PG
W okresie
od sierpnia
2012 r.
do maja 2013 r.
zrealizowano
montaż łuków
mostu przez
rzekę Wisłę
w Toruniu metodą
transportu
wodnego. Masa
jednej sekcji
montażowej
wynosiła 2700 ton
i była przedmiotem wielu złożonych zagadnień
teoretycznych,
inżynierskich, jak
również źródłem
niezapomnianych
wrażeń dla
projektantów,
wykonawców
oraz środowiska
Torunia i całej
Polski. W artykule
opisano złożone
zagadnienia
analizy montażowej jednostki
pływającej użytej
do realizacji
robót.
40
M
ost przez rzekę Wisłę w Toruniu jest tematem wielu
publikacji (1). Zespół projektowy w składzie:
Marek Sudak i Krzysztof Wąchalski z biura Pont Projekt
z Gdańska zaprojektował przeprawę w formie dwóch łuków
stalowych z jazdą dołem, o rozpiętościach 270 m. Charakterystycznym elementem zrealizowanej koncepcji jest brak
ściągów i wprowadzenie całego rozporu w fundamenty
posadowione na rusztach palowych. Jednym z istotnych
problemów projektowania i budowy mostu był montaż
łuków. W projekcie budowlanym przyjęto wspornikową
metodę montażu, polegającą na podnoszeniu sekcji z barek na Wiśle i podwieszaniu ich do zbudowanej wcześniej
części łuku z wykorzystaniem tymczasowych pylonów
montażowych. Taka budowa wymagałaby od wykonawcy
złożonych, czasochłonnych prac monterskich i spawalniczych w trudnych warunkach realizacyjnych. Pomimo wielu
niewątpliwie pozytywnych aspektów tej metody zespół realizacji montażu z firmy Montostal ze Szczecina zaproponował wcześniej sprawdzoną alternatywną metodę budowy.
Szczegółowe analizy harmonogramów realizacji robót i założonych przez zamawiającego terminów doprowadziły autorów montażu, Panów Janusza Gąsiora i Marka Cichowskiego
z firmy Montostal ze Szczecina, do wniosku, że jedynym
sposobem montażu gwarantującym dotrzymanie terminów
jest wykonanie łuków w całości na brzegu i wstawienie
na podpory przy użyciu środków pływających. Generalny
wykonawca – firma Strabag – przyjął argumenty pomysłodawców i mając również na uwadze pozyskany dodatkowy
czas potrzebny na wykonanie podpór mostu, podjął decyzję
o przyjęciu alternatywnego wykonania i montażu łuków.
Firma Montostal ze Szczecina, oferując montaż w całości z wody, dysponowała bogatym doświadczeniem
(2, 3) i wyposażeniem montażowym. Niestety, w przypadku mostu w Toruniu element o masie 2700 ton wymagał
sprzętu i środków pływających niedostępnych w kraju.
Dlatego w przedsięwzięciu kluczową część zadania
powierzono firmie ALE Heavylift, będącej w posiadaniu
odpowiednich barek montażowych i wież samopodnoszących. Dobór sprzętu montażowego był ważnym
etapem, ale rozwój procesu projektowania operacji montażu wykazał potrzebę przeprowadzenia szeregu analiz
statycznych i wytrzymałościowych na potrzeby koncepcji
i ostatecznego projektu. Zadanie to firma Montostal ze
Szczecina powierzyła zespołowi biura projektowego GTI
z Gdańska.
Organizacja montażu
i fazy budowy
Schemat budowy łuków przedstawiono na rys. 3-8. Wykonawcą łuków były firmy Vistal Gdynia i Mostostal Płock. Sek-
I SUMMARY
From August 2012 to May 2013 the mounting of the
arches of a bridge over the Vistula river in Toruń,
applying the method of water transportation, was
completed. The weight of one mounting section was
2700 tons and was the subject of numerous complex
theoretical and engineering issues, as well as the source
of unforgettable experience for designers, contractors
and engineering circles of Toruń and all over Poland.
The article presents the complex issues of the mounting
analysis of a watercraft used to complete the works.
cje o wymiarach wysyłkowych były wykonywane w firmie
Vistal Gdynia. Scalenie łuków odbyło się na placu zorganizowanym w sąsiedztwie budowy. W ten sposób uzyskano
możliwość wykonania prac spawalniczych przy łukach
równocześnie z powstawaniem podpór mostu i teoretycznie wielki montaż był możliwy od chwili ich zakończenia.
Gotowa sekcja montażowa 2 łuków o masie 2700 ton stwarzała szereg problemów żeglugowych. Z uwagi na ograniczoną głębokość rzeki konieczne było ograniczanie masy
zestawu pływającego do minimum. Aby to osiągnąć, zaprojektowano układ pływający, w którym łuki stanowiły istotny
element nośny, scalający dwa niezależne zespoły pływające.
Takie rozwiązanie wymagało zaprojektowania zespołu stężeń
zapewniających stateczności w zmiennych warunkach nautycznych i pogodowych. W tym celu zaprojektowano układ
dwudziestu stężeń linowych, mocowanych na wciągnikach
hydraulicznych regulujących pion i wytężenie układu. Ostatecznie osprzęt montażowy, czyli wieże samopodnoszące
i barki, ważył 1300 t, co w sumie dawało ciężar (wyporność)
zestawu pływającego na poziomie 4000 t. Dla porównania
– niszczyciel ORP Błyskawica, zacumowany jako muzeum
w porcie w Gdyni, ma wyporność ok. 2000 t.
Operacja transportu wodnego została podzielona
na 13 etapów (rys. 3-8), przedstawionych poniżej:
– Etap 1:
• bagrowanie kanałów (doków),
• scalanie łuku z wykorzystaniem wieży montażowej
na placu montażowym.
– Etap 2:
• wpłynięcie zespołu barek z wieżami podnoszącymi,
• osadzenie łuków na wieżach podnoszących,
• montaż stężeń linowych.
– Etap 3:
• wstępne podnoszenie łuku na barkach – przejęcie obciążenia na barki,
• dociągnięcie stężeń linowych,
• podniesienie łuku o ok. 3,5 m na pływających wieżach
podnoszących.
mosty technologie
Rys. 1. Wizualizacja modelu obliczeniowego MES – konfiguracja transportowa
– Etap 4:
• demontaż konstrukcji wieży montażowej na placu scacaleniowym,
• usunięcie osprzętu montażowego i konstrukcji podpoporowych łuku na placu montażowym.
– Etap 5:
• wypłynięcie jednostki montażowej ok. 73 m z kanałów
ów
(doków).
– Etap 6:
• montaż pływającej rozpory barek i jej stężeń linowych.
– Etap 7:
• transport wodny łuku.
– Etap 8:
• zacumowanie jednostki montażowej w położeniu ok.
3 m w stronę wyspy pod kątem ok. 5° od położenia instalacji,
• podniesienie łuku na pływających wieżach montażowych o ok. 12 m (zmienne, zależne od poziomu wody),
• kontrolowane luzowanie stężeń linowych w trakcie
podnoszenia.
– Etap 9:
• wpłynięcie na miejsce docelowe,
• stabilizacja jednostki montażowej cumami,
• przystąpienie do osadzania łuku na podporach.
– Etap 10:
• naciągnięcie wybranych stężeń celem skrócenia rozpiętości łuku o 15 cm od geometrii teoretycznej dla wprowadzenia strzałki montażowej,
• opuszczenie łuku i osadzenie na podporach czasowo
wyposażonych w specjalne przeguby.
– Etap 11 i 12:
• sekwencja luzowania lin wraz z opuszczaniem na wieży
pływającej,
• równoczesne pionowanie wież.
– Etap 13:
• wypłynięcie z rozporą montażową,
• wypłynięcie z każdą z wież pływających spod łuku.
Rys. 2. Wizualizacja modelu obliczeniowego MES – przemieszczenia wież i łuków
od parcia wiatru i wody w kierunku poprzecznym
Fot. 1. Widok na konstrukcję wieży montażowej pływającej – konfiguracja transportowa
w dokach (fot. T. Galewski)
41
Fot. 2. Widok na osadzoną konstrukcję łuków na wezgłowiach i wieże transportowe od strony podpory (fot. K. Żółtowski)
Obliczenia statyczne
jednostki montażowej
42
Jednostka montażowa mostu na Wiśle w Toruniu jest
wzorcowym przykładem konstrukcji, której nie da się
policzyć ręcznie, chociaż wielu próbowało. Schemat statyczny jednostki pływającej składał się z ogromnej liczby
elementów, a w szczególności:
• z łuku stalowego modelowanego – jako belka,
• z wieży samopodnoszącej modelowanej – jako kratownica belkowa,
• z lin odciągowych modelowanych – jako kable (elementy nieprzenoszące ściskania),
• z barek modelowanych – jako powłoka zastępcza
o sztywnościach wprowadzanych na podstawie faktycznych przekrojów barek.
Schemat pracy jednostki montażowej był bardzo złożony.
Wartości sił, naprężeń i przemieszczeń były zależne
od wszystkich elementów składowych jednostki. Oto kilka
przykładów:
• Podatność lin odciągowych i sposób ich wstępnego napięcia decydowały o poziomie naprężeń w konstrukcji
wież podnoszących i w łuku. Zwiększanie napięcia lin
odciążało wieże, jednocześnie dociążając łuk i zmniejszając jego zapas bezpieczeństwa.
• Sposób cumowania zestawu pływającego miał istotny
wpływ na poziom sił w łuku i wieży.
• Stateczność wzdłużna zestawu na wodzie była głównie
zależna od podatności lin stężających i przechyłu pojedynczej wieży, spowodowanego np. naporem wiatru.
Stateczność można było poprawić przez większe napięcie lin. Niestety, towarzyszyło temu przeciążenie konstrukcji łuku i wież podnoszących.
Innym istotnym problemem było zdefiniowanie obciążeń, które należy przyjąć do zaprojektowania tak złożonej
operacji. Precyzyjne określenie ciężaru montowanej sekcji
okazało się problemem. Dla określenia masy całkowitej
zliczono na przykład udział powłok malarskich, których
na moście było 35 ton, i pomosty robocze wewnątrz
łuku, których miało być 37 ton. W sumie w obliczeniach
uwzględniono:
• obciążenia wiatrem i prądem wody z kombinatoryką
różnych kątów działania,
• imperfekcje i niepionowości, które same w sobie generowały znaczny wzrost sił wewnętrznych,
• zerwanie poszczególnych lin w kombinacjach z innymi
oddziaływaniami,
• niekontrolowany przechył jednostki, wywołany na przykład przez wpłynięcie na mieliznę lub perforację dna
barki i jej głębsze zanurzenie.
Obliczenie faktycznego zanurzenia i przechyłu jednostki
w wodzie musiało być wykonane dwiema metodami.
Metoda „okrętowa”, bazująca na określeniu objętości
kadłuba w wodzie przy zmiennym zanurzeniu i przechyle, daje prawidłowe wyniki co do wartości momentów
prostujących i wywracających statek przy zmiennych
kątach przechyłu. Traktuje ona kadłub jako ciało sztywne
i pomija wzrost zanurzenia wywołany podatnością
kadłuba. Zastosowany w projekcie model MES uwzględnia podatności kadłuba, daje natomiast błędne wyniki
przy większych kątach przechyłu. Dopiero świadome
połączenie wyników z obydwu metod dało odpowiednie rezultaty.
W świetle analiz MES o wartościach sił w poszczególnych
elementach decydowały głównie przechyły zestawu
pływającego na wodzie i imperfekcje wywołane nierównomiernym naciągiem lin oraz wiatr. Całość charakteryzowała się pracą silnie geometrycznie nieliniową. Niestety,
obliczenia wstępne wykonane przez firmę ALE przy
doborze wież podnoszących kompletnie pomijały efekty
nieliniowe i w konsekwencji układ wież pływających musiał być wzmacniany. Modyfikacje prowadzono już na budowie sukcesywnie, w ślad za analizami teoretycznymi.
Oprócz wspominanych prac studyjnych przeanalizowano
ogromną liczbę detali zarówno w łukach, jak i konstrukcji
wież oraz barek. Szczególną rolę w analizach konstrukcji
w trakcie projektowanej operacji odegrał zespół inżynierów z Zentrale Technik firmy Strabag, kierowany przez
mosty technologie
Rys. 3. Schemat montażu – podniesienie na wieżach pływających, montaż stężeń
Rys. 4. Schemat montażu – wypłynięcie, montaż rozpory i stężeń barek
Rys. 5. Schemat montażu – transport wodny
Rys. 6. Schemat montażu – pozycja do podniesienia
Rys. 7. Schemat montażu – podniesienie łuków
Rys. 8. Schemat montażu – osadzenie i wypłynięcie
Pana Eugeniusza Bindka. Zespół ten prowadził równolegle
z projektantami analizy sprawdzające, wnosząc istotny
wkład w ostateczną postać projektu.
Celem prac studyjnych było ostateczne opracowanie
jednostki montażowej, odpornej na wszystkie możliwe
do przewidzenia zagrożenia. Znalezienie „złotego środka”
trwało kilka miesięcy i zostało niezależnie potwierdzone
przez zespół inżyniera Bindka z Wiednia.
a potwierdzenie kwalifikacji stanowią dyplom inżyniera,
życiorys zawodowy i referencje.
Operacja montażu wymagała czasowego zamknięcia toru
wodnego na Wiśle. Takie zamknięcie uzgadnia i przeprowadza Urząd Żeglugi Śródlądowej, który pyta, po co jest
potrzebne zamknięcie rzeki. Po otrzymaniu odpowiedzi,
że będzie pływał most, urząd odpowiada, że pływać
może tylko statek, a każdy statek musi mieć dopuszczenie
od towarzystwa klasyfikacyjnego – coś w rodzaju dowodu
rejestracyjnego, jak dla samochodu.
W przypadku mostu w Toruniu dopuszczeniem do żeglugi
zajmował się Polski Rejestr Statków w osobie Pana dr. inż.
Mariana Bogdaniuka, który z inżynierskim zaangażowaniem podszedł do wielce nietypowego zadania. Ostatecznie operacją na wodzie dowodził kapitan z odpowiednimi
uprawnieniami do prowadzenia statków po rzekach.
Krótki opis strony formalnej przedsięwzięcia daje pewien
pogląd na to, jak złożony był proces uzgadniania transportu
wodnego konstrukcji. Trzeba jednak podkreślić, że przy
opisanej powyżej mnogości przepisów, procedur i języków
użytych do korespondencji czynnikiem niezmiennym i często bagatelizowanym jest fizyka. Im większe zadanie, tym
bardziej w gąszczu zmieniających się przepisów i procedur
należy pamiętać, że fizyka jest niezmienna, a podstawowym obowiązkiem inżyniera jest tę fizykę rozumieć.
Zagadnienia prawne
w projektowaniu operacji
Projektowanie unikatowej operacji na wodzie zrodziło
szereg problemów i wątpliwości prawnych. Zostały one
przedstawione poniżej:
• Jakie przepisy odnoszą się do pływającej po Wiśle sekcji
mostu o długości 230 m i wysokości ponad lustro wody
ponad 60 m?
• Według jakich przepisów nadzór ma odebrać przygotowanie robót do realizacji?
• Czy wieża podnosząca jest urządzeniem dźwigowym,
czy rusztowaniem, jakim normom podlega i według jakich przepisów ma być odbierana?
Te i inne pytania związane z montażem na wodzie
nastręczały problemów przez cały czas przygotowania
operacji. Z punktu widzenia projektanta mostu jest to cały
czas konstrukcja budowlana, zaprojektowana wg norm
mostowych. W konsekwencji do pracy z konstrukcją
mostową wymagane są polskie branżowe uprawnienia
budowlane. Z punktu widzenia holenderskiego partnera,
czyli oddziału firmy ALE, jednostka montażowa to konstrukcja indywidualna, zaprojektowana wg „Eurokodów”.
W Holandii nie funkcjonują uprawnienia budowlane,
Piśmiennictwo
1. Wąchalski K., Sudak M.: Most
przez Wisłę w Toruniu. „Mosty”, 3/2010, s. 38-43.
2. Gąsior J., Żółtowski K.:
Aspekte der Montage von
Stahlkonstruktionen in der
Gegend von Szczecin. Berlin
2003.
3. Żółtowski K.: Bogenbrücke
über den Fluß Dziwna in Wolin – Entwurf und Realisierung. Stahlbau. „Stahlbau”,
9/2005, s. 685-690.
Podsumowanie
Zrealizowany montaż łuków mostu przez Wisłę w Toruniu
był zadaniem o ogromnym poziomie trudności – zarówno
w zakresie projektowym, jak i organizacyjnym. Smutnym wątkiem budowy pozostaje fakt, że pomysłodawca
i wykonawca montażu – firma Montostal ze Szczecina –
ogłosił upadłość w przeddzień realizacji montażu.
‰
43