Autor: Adam Wysokowski

Współpraca: Weronika Dołęga, Jerzy Howis

Recenzenci: Prof. dr hab. inż. Kazimierz Furtak
Prof. dr hab. inż. Wojciech Radomski

Projekt okładki: Zuzanna Wysokowska, Jerzy Howis

Wykonanie okładki: Ireneusz Gawliński

Wydawca: Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Maria Kasperska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Fotografie zamieszczone w książce pochodzą ze zbiorów własnych autora.

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rob to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo. Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2022

ISBN: 978-83-01-22249-9

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2022r. (Wydanie I)
Warszawa 2022

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288; infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Od autora

Tytułowa tematyka trwałości mostów stalowych jest zagadnieniem o dużym znaczeniu technicznym, ekonomicznym, jak również społecznym. Jest ona szczególnie ważna w kontekście możliwości bezawaryjnego, niezakłóconego korzystania przez nas, jako użytkowników, z niezbędnych w codziennym życiu drogowych, kolejowych i pieszo-rowerowych ciągów komunikacyjnych.

Obiekty mostowe, w tym te o konstrukcji stalowej, to ogromny majątek narodowy, który wymagał dużego nakładu sił i środków, a także ogromnego „wsadu” wiedzy, i jest dorobkiem wielu pokoleń. Tym samym wydaje się oczywistym, że majątek ten wymaga odpowiedniego utrzymania, wykonywania prac remontowych i zabiegów renowacyjnych, bądź też wzmacniania konstrukcji, aby możliwe było ich wieloletnie użytkowanie (jest oczywistym, że jak najdłuższe). W tym kontekście zagadnienie trwałości mostów nabiera szczególnego znaczenia.

Opisywana tematyka stanowi szerokie spektrum wiedzy z wielu dziedzin, które są wzajemnie ściśle związane. Dotyczą one zarówno sposobu właściwego konstruowania obiektów, stosowanych technologii i używanych materiałów – różnych na przestrzeni lat, jak też jakości samego procesu ich wznoszenia. Ma to też bezpośredni związek z poziomem utrzymania obiektów w trakcie ich eksploatacji, wielkością przeznaczonych nakładów finansowych na ten cel, jak również z metodami zarządzania gospodarką mostową.

Dlatego też opisanie tytułowego zagadnienia w jednym „dziele” jawi się jako trudne, a nawet bardzo trudne – z czego zdałem sobie sprawę już przy przygotowywaniu spisu treści. Było to zaraz po otrzymaniu propozycji wydawnictwa na przygotowanie tej monografii. Fakt zaproponowania opracowania tej książki uznaję z satysfakcją jako wyróżnienie i, co dla mnie osobiście również ważne, zauważenie mojego wcześniejszego dorobku w tej tematyce.

Monografia została przygotowana na bazie wieloletniej działalności w dziedzinie mostownictwa, zarówno o charakterze teoretycznym, jak i praktycznym, w tym licznych przeprowadzonych studiów literaturowych, ale także na podstawie wcześniejszych własnych prac badawczych i wdrożeniowych.

Zagadnienia związane bezpośrednio z konstrukcjami mostów stalowych, sposobami ich projektowania, wykonawstwa i badań, a także zarządzania i właściwego ich utrzymania były wiodącą tematyką od czasu ukończenia studiów i podjęcia pracy na Politechnice Wrocławskiej i przeplatały się w całym moim zawodowym życiu.

Wnikliwość i zasady właściwego porządkowania zagadnień technicznych zaszczepił we mnie już mój ojciec Jędrzej, który jako doświadczony projektant mostów kolejowych w pierwszych latach mojej pracy naukowej interesował się prowadzonymi przeze mnie badaniami.

Opisana w książce problematyka jest wynikiem nie tylko własnych prac, ale także wielu zespołów badawczych, z którymi miałem okazję współpracować i często nimi kierować w ramach prac zleconych z tzw. przemysłu, prac wdrożeniowych, ale także grantów naukowo-badawczych, krajowych i zagranicznych.

Pragnę wyróżnić tu doświadczenia zdobyte w zespole mostowym Politechniki Wrocławskiej, a następnie Przedsiębiorstwie Budownictwa Drogowo-Mostowego przy wznoszeniu mostów stalowych z użyciem nowatorskich w owym czasie technologii. Praca zawodowa w Instytucie Badawczym Dróg i Mostów m.in. przy badaniach odbiorczych konstrukcji mostowych, właściwej ocenie stanu technicznego konstrukcji, w tym pod kątem zjawisk korozyjnych, wdrażaniu nowych technologii m.in. mostów gruntowo-powłokowych, nowych gatunków stali, elementów wyposażenia, czy też antykorozji, pozwoliła na ocenę i określenie właściwych zasad utrzymania obiektów mostowych. Zdobyłem tam też ogromne doświadczenie w zakresie zarządzania obiektami mostowymi, w tym na temat przeglądów i procedur dokumentowania stanu technicznego, pełniąc przez kilkanaście lat funkcję Głównego Koordynatora Systemu Gospodarki Mostowej (SGM) od samego początku jego tworzenia (z ramienia Ministerstwa Transportu, a następnie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad). Warto wspomnieć, że system ten w drogownictwie działa do dzisiaj.

Dużą pomoc przy powstaniu tego dzieła zarówno pod kątem merytorycznym, jak i organizacyjnym otrzymałem od członków mojego zespołu w ramach działalności mojej firmy konsultingowo-projektowej Infrastruktura Komunikacyjna Sp. z o.o. Chciałbym wyróżnić w tym miejscu mgr. inż. Jerzego Howisa i mgr inż. Weronikę Dołęga, którzy również przyczynili się do końcowej formy tej publikacji.

Jest oczywistym, że prace badawcze, projektowe, proces inwestycyjny, zadania utrzymaniowe to prace zespołowe. Bez udziału całego zespołu nie osiągnie się pożądanych efektów.

Oprócz działalności praktycznej skupiam się również na pracy dydaktyczno-naukowej w Uniwersytecie Zielonogórskim, gdzie przed kilkunastu laty pod moim kierunkiem powstała specjalność drogowo-mostowa. Tym samym mam bezpośrednią możliwość kształcenia młodego pokolenia inżynierów i przekazywania wiedzy na temat zagadnień związanych z teoretycznymi i praktycznymi aspektami drogownictwa i mostownictwa, w tym otwarcie na temat trwałości mostów i jej wagi we właściwym podejściu do konstruowania obiektów mostowych.

Dlatego też, wszystkim osobom, z którymi miałem i mam przyjemność przez te wszystkie dekady zawodowej działalności pracować, a które z pewnością w znacznym stopniu przyczyniły się do powstania tej książki o tak szerokim zakresie tematycznym, serdecznie dziękuję.

Na końcową formę i czytelność monografii miały duży wpływ cenne uwagi i sugestie znamienitych recenzentów w osobach prof. Kazimierza Furtaka i prof. Wojciecha Radomskiego. Pragnę im w tym miejscu złożyć serdeczne podziękowania za włożony trud i poświęcony czas na opracowanie recenzji.

Słowa podziękowania należą się też mojej żonie Iwonie i rodzinie za wyrozumiałość.

Moim zdaniem w codziennej praktyce nie docenia się w sposób właściwy wagi problematyki trwałości. Wszyscy wiemy, że eksploatowany obiekt mostowy jest najczęściej niezauważany aż do momentu wyłączenia go z użytkowania, a przecież należy sobie uświadomić, że to właśnie trwałość decyduje, jak długo będzie on składową częścią tak nam wszystkim niezbędnej infrastruktury komunikacyjnej.

Nowy, wspaniały most cieszy nas wszystkich jako użytkowników. Należy mieć jednak na uwadze, że oprócz podstawowych parametrów technicznych oraz użytkowych, jakie musi on spełniać, ważna jest jego trwałość. Zależy ona od wielu cech, m.in.:

• jakości i kompletności prac projektowych,

• jakości wykonawstwa,

• jakości materiałów i technologii,

• metod zarządzania obiektem,

• poziomu utrzymania.

Jak z powyższego widać, zaburzenie na każdym etapie jednej z tych cech powoduje niechybne obniżenie trwałości, co przekłada się nie tylko na ograniczenie możliwości użytkowych obiektu, ale także na aspekt ekonomiczny i ekologiczny. Konstrukcja mostu o zmniejszonej trwałości wskutek na przykład niewłaściwej jakości jej wykonania bądź też zastosowanych złej jakości materiałów jest kosztowna w utrzymaniu, a w skrajnych przypadkach jej wzmocnienie lub przebudowa będzie generowała znaczne nakłady finansowe. Ponadto konieczność wykonywania z większą częstotliwością zabiegów utrzymaniowych, a w konsekwencji rozbiórka nietrwale skonstruowanego i niewłaściwie utrzymywanego obiektu wiąże się z oczywistymi stratami dla środowiska naturalnego. Trwałość konstrukcji obiektów mostowych jest ściśle zatem powiązana z zasadami zrównoważonego rozwoju.

Właściwe docenienie problematyki trwałości mostów stalowych jest niezwykle istotne pod względem technicznym, ale co również ważne pod względem właściwości użytkowych, bezpieczeństwa i zasad ekonomiki i wpisuje się w ochronę środowiska naturalnego. Opisane to zostało w przekazywanej do rąk szerokiego grona czytelników książce. Właśnie to przesłanie było moim głównym motywem opracowania tej monografii.

Zielona Góra, luty 2022

Adam Wysokowski

Wykaz ważniejszych symboli i oznaczeń

A – pole powierzchni przekroju pierwotnego

a₁ – współczynnik zależny od materiału konstrukcji

a₂ – współczynnik zależny od niszczącego działania wody i powietrza oraz zawartych w nich domieszek agresywnych

a3 – współczynnik zależny od obciążeń użytkowych działających na most

a₄ – współczynnik zależny od jakości materiałów

a₅ – współczynnik zależny od jakości wykonania

a6 – współczynnik zależny od jakości utrzymania mostu związany z agresywnością środowiska korozyjnego, w którym element pracuje (wpływ czynników eksploatacji i utrzymania mostu)

aK, bK – odpowiednio sinusowy i kosinusowy element szeregu Fouriera

b – wykładnik wytrzymałości zmęczeniowej

c – wykładnik zmęczeniowego odkształcenia plastycznego

C – średnia penetracja korozyjna w µm (zmienna losowa)

di – i-ty odczyt grubości

dmax – maksymalna pomierzona grubość przekroju

dmin – minimalna pomierzona grubość przekroju

– średnia grubość

E – moduł Younga

– operator wartości oczekiwanej względem rozkładu

F – powierzchnia obszaru zniszczenia korozyjnego

FZ – dystrybuanta prawdopodobieństwa zapasu bezpieczeństwa

– dystrybuanta zmiennej losowej chi-kwadrat z n stopniami swobody

– gęstość zmiennej losowej chi-kwadrat z n stopniami swobody

– funkcja gęstości prawdopodobieństwa dla wektora losowego

f₀ – gęstość standardowego rozkładu normalnego

fZ – funkcja gęstości prawdopodobieństwa zapasu bezpieczeństwa

h – głębokość wżeru wywołanego korozją [mm]

K – współczynnik wytrzymałości cyklicznej

– funkcja gęstości prawdopodobieństwa dla wektora

m – współczynnik nachylenia krzywych zmęczeniowych

ML – ubytki korozyjne [mm, g/m²/rok]

n – całkowita liczba pomiarów

N – całkowita liczba zakresów naprężeń w widmie

– równoważna liczba cykli zakresów naprężeń

– równoważna zastępcza liczba cykli o zakresach naprężeń od ruchomych obciążeń normowych (parametr eksploatacyjnego widma naprężeń)

ni – liczba cykli w danym bloku widma o poziomie naprężeń s₁

Ni – maksymalna żywotność elementu odpowiadająca naprężeniom si

p – potęga równoważności

p(x)  –  wartości sił na długości linii wpływowej

qk  –  współczynnik rozdziału poprzecznego obciążeń dla pasa k

R – nośność, wytrzymałość

RH – wilgotność względna powietrza [%]

S – obciążenie

t – liczba cykli

T – temperatura [°C]

T – trwałość (w latach)

Td – okres dotychczasowej eksploatacji mostu

TFe – trwałość stali (blachy falistej) w zależności od jej grubości

Tmax  –  maksymalna długość okresu trwałości technicznej mostu

Tn    –  normowy okres eksploatacji obiektu

Tpm – okres ochrony (trwałość) powłoki malarskiej

TZn – okres ochrony (trwałość) powłoki cynkowej

X₁, … , Xk – wartości charakterystyczne parametrów obciążenia

y(x)  –  rzędne linii wpływowej statycznej (momentu lub reakcji) dla przekroju

Y₁, … ,Yn – wartości charakterystyczne parametrów, od których zależy nośność

Z – zapas bezpieczeństwa

– wartość oczekiwana zapasu bezpieczeństwa

2Nf – liczba nawrotów obciążenia (półcykli)

β – współczynnik działania karbu

β k  –  współczynnik redukcyjny wytrzymałości zmęczeniowej zależny od korozyjnych ubytków przekroju poprzecznego

β s  –  współczynnik redukcyjny wytrzymałości zmęczeniowej zależny od agresywności środowiska korozyjnego (wpływ czynników utrzymania)

β w –  współczynnik redukcyjny wytrzymałości zmęczeniowej zależny od koncentracji naprężeń od wżerów korozyjnych

∆σi – i-ty zakres naprężeń widma

ϕ∆ norm – normowy współczynnik dynamiczny zakresu naprężeń

∆σn – zakres naprężeń normowych

ϕ∆rzecz. – współczynnik dynamiczny zakresu naprężeń od obciążeń rzeczywistych

– jednostajny rozkład prawdopodobieństwa na n-wymiarowej sferze

σ ’f – współczynnik wytrzymałości zmęczeniowej (przyjmuje się jako równowartość naprężenia zerwania przy statycznym rozciąganiu)

ε ’f – współczynnik zmęczeniowego odkształcenia

σ₀ – naprężenie cyklicznej granicy plastyczności

γf₁, … , γfk – częściowe współczynniki bezpieczeństwa dla obciążenia

γm₁, … ,γmn – częściowe współczynniki bezpieczeństwa dla parametrów nośności

σn – miarodajne naprężenie normowe

∆W – energia jednostkowa w funkcji liczby 2Nf

σz – odchylenie standardowe zapasu bezpieczeństwa

ΔσA, ΔτA – wytrzymałość zmęczeniowa normatywna (dla N = 2 ⋅10⁶) w zależności od występującego typu karbu

Δσn – zakres naprężeń od ruchomych obciążeń normowych

Δσc Δτc – wytrzymałość zmęczeniowa normatywna

Δσd – wytrzymałość zmęczeniowa graniczna

ΔσL – wytrzymałość zmęczeniowa trwała

σc – zakres zmienności naprężeń ściskających

σt – zakres zmienności naprężeń rozciągających

γf – współczynnik zależny od okresu rejestracji widma

σwf – naprężenia miarodajne ściskające do wyznaczenia zmienności naprężeń

τwf – naprężenia miarodajne styczne do wyznaczenia zmienności naprężeń

1

Wstęp

Piśmiennictwo do rozdziału 1

Obiekty mostowe stanowią ogromny i ważny dorobek wielu pokoleń ludzkości praktycznie od zarania dziejów. Dotyczy to też – co prawda młodszych – konstrukcji wykonanych jako mosty stalowe. Większość z tych obiektów wykonanych ze stali – co cenne – przetrwała do naszych czasów i są nawet w dalszym ciągu z powodzeniem użytkowane, służąc ludziom na ich potrzeby komunikacyjne. Można tu zaryzykować stwierdzenie, że z pewnością przyczyniła się do tego ich duża trwałość.

Przez trwałość rozumie się tutaj zdolność do spełniania przez określony czas wymagań użytkowych, w warunkach oddziaływania wielu czynników – głównie eksploatacyjnych i środowiskowych – bez wyraźnego obniżenia właściwości użytkowych oraz bez ponoszenia nadmiernych kosztów eksploatacyjnych dla tego rodzaju budowli inżynierskich.

Dzięki zapewnieniu przez ich budowniczych – czasami w sposób nieświadomy – wspomnianej wcześniej odpowiedniej trwałości, a także przeprowadzaniu odpowiednich zabiegów utrzymaniowych, możemy się nimi dzisiaj cieszyć w większości przypadków „w naturze” i dalej je podziwiać.

Zdaniem autora cenny jest fakt, że na przykładzie tych historycznych konstrukcji, które do dzisiaj przetrwały, możemy prześledzić praktycznie cały rozwój światowego budownictwa mostowego. Dotyczy to również mostów o konstrukcji stalowej od samego początku ich wznoszenia. Śledzenie historii rozwoju techniki, opieranie się na niej i czerpanie informacji przy tworzeniu nowych obiektów inżynierskich – oczywiście przy wykorzystaniu osiągnięć „nowej wiedzy” [1.17] – daje silne podstawy do tworzenia obiektów mostowych spełniających wymagania bezpieczeństwa, potrzeby użytkowników, zapewniających odpowiedną trwałość z poszanowaniem zasad ekologii. Dlatego też w zagadnieniach trwałości mostów stalowych – o czym traktuje ta książka – warto pamiętać i korzystać na ile to możliwe szeroko z wiedzy historycznej tworzenia się stalowego budownictwa mostowego. Dotyczy to zarówno dobrych, jak i złych przykładów z tej lekcji historii. Doświadczenia i wnioski wyciągnięte z tej nauki mogą wiele wnieść do spełniania warunków trwałości, a może i jej podnoszenia przy budowaniu dzisiaj mostów stalowych.

Wraz z właściwym – jeszcze nie w pełni doskonałym – poznaniem procesu wytwarzania żelaza zaczęto myśleć o budowie z tego materiału również mostów. W owym czasie budowanie mostów z innych materiałów (drewno, kamień, cegła) stanowiło już dobrze poznaną i opanowaną sztukę. Była wtedy druga połowa XVIII wieku. Rozwój budownictwa stalowego nastąpił bardzo szybko, gdyż związany był wieloaspektowo z budową kolei żelaznych, najpierw w Anglii, a następnie na wszystkich kontynentach świata.

Żelazo okazało się przy tym bardzo przydatnym materiałem ze względu na jego zalety konstrukcyjne oraz powszechność występowania. Często nie zdajemy sobie sprawy, że skorupa ziemska zawiera ponad 4% żelaza.

Zauważono ponadto, że stop żelaza z węglem – czyli stal, jest o wiele twardsza i wytrzymalsza. Stopy są zazwyczaj bardziej wytrzymałe niż same metale wchodzące w ich skład. Czasami wystarczy mała ilość domieszki, aby diametralnie zmienić właściwości stopu. Dotyczy to też stali, gdzie domieszka 0,2% węgla zwiększa około dwukrotnie jej wytrzymałość w stosunku do wytrzymałości „czystego” żelaza.

W dobie rewolucji przemysłowej stosowano trzy różniące się znacznie swoimi właściwościami materiały żelazne. Było to najpierw:

• żeliwo (nazywane czasami żelazem lanym),

• następnie żelazo zgrzewne (nazywane później stalą zgrzewną),

• a w kolejnym etapie rozwoju żelazo zlewne, czyli stosowana do dzisiaj stal zlewna.

W pierwszym okresie do budowy mostów zaczęto stosować niedoskonałe jeszcze pod względem technologicznym żelazo lane, produkowane mało efektywnie, które z uwagi na dużą ilość niemetalicznych zanieczyszczeń charakteryzowało się niską jakością [1.21], [1.22]. Ponadto, materiał ten charakteryzował się wysoką wytrzymałością na ściskanie, ale wytrzymałość na rozciąganie była relatywnie niska. Z uwagi na wspomniany sposób produkcji struktura tego pierwszego materiału była wyraźnie niejednorodna. Tym samym charakterystyka mechaniczna tego materiału pozwalała na budowę mostu o konstrukcji łukowej, gdzie wykorzystywana jest dobra wytrzymałość na ściskanie.

Tak też – zgodnie z historycznymi przekazami – zrodziła się idea budowy pierwszego mostu z żeliwa w Coalbrookdale w Szkocji, którego budowa została ukończona w 1779 roku. Ma on kształt łuku kołowego, a jego rozpiętość wynosi 30,63 m. Budowniczym tego mostu był Abraham Darby III. Elementy do jego budowy powstały w sąsiedniej hucie, założonej przez jego dziadka Abrahama Darby I. Całkowita masa lanego żelaza konstrukcyjnego użytego do budowy tego mostu wyniosła 378,5 tony. W jego konstrukcji występują połączenia w postaci klinów (według wzoru wykorzystywanego z powodzeniem do łączenia konstrukcji drewnianych). Nie znano wówczas innego rodzaju połączeń konstrukcji stalowych, a elementy odlewane miały z oczywistych względów gabarytowe ograniczenia. Dzięki ostrożności budowniczych, którzy budowali pierwszy tego typu obiekt i dokonali jego przewymiarowania, obiekt ten jest z powodzeniem użytkowany do dzisiaj. Z uwagi na jego zabytkowy charakter i dzisiejsze wymogi użytkowe służy on jedynie ruchowi pieszemu (rys. 1.1).

Rys. 1.1. Pierwszy metalowy obiekt mostowy na świecie z 1779 roku w miejscowości Coalbrookdale w Szkocji (po lewej). Widoczny historyczny system połączeń w postaci klinów stalowych (po prawej)

Po udanej pierwszej próbie wzniesienia mostu z tego jeszcze niedoskonałego materiału zaczęto budować kolejne obiekty mostowe, również o konstrukcji łukowej, żeby wymienić chociażby:

• Most przez rzekę Strzegomkę w Łażanach koło Strzegomia zbudowany w 1796 roku. Jest on uznawany za pierwszy metalowy most na kontynencie europejskim. Jego konstrukcję nośną stanowi żeliwne przęsło łukowe o rozpiętości 15,10 m i strzałce 2,88 m, z pomostem opartym na pięciu łukach za pomocą charakterystycznych elementów kołowych. Most dzisiaj nie istnieje (ale cenna inicjatywa studentów i pracowników Politechniki Wrocławskiej – pasjonatów mostownictwa, doprowadziła do wydobycia spod dna rzeki fragmentów tej konstrukcji o dużych walorach historycznych).

• Waterloo Bridge (Early Cast Iron Bridge) wybudowany w 1815 roku według projektu Thomasa Telforda (do dzisiaj most jest eksploatowany). Znajduje się on nad rzeką Conwy River w miejscowości Betws-y-Coed (północna Walia) i został wzniesiony w celu upamiętnienia bitwy pod Waterloo, która miała miejsce w tym samym roku. Konstrukcję mostu stanowi łuk o rozpiętości 32,00 m o małej wyniosłości. Pomost jest oparty na łukach za pomocą ozdobnej konstrukcji wsporczej z charakterystycznym unikalnym motywem roślinnym w postaci kwiatów róż. Na rysunku 1.2 pokazano widok ogólny obiektu.

a)

b)

Rys. 1.2. Żeliwny most Waterloo Bridge wybudowany w 1815 roku według projektu Thomasa Telforda (fotografie wykonane w czasie VI Wyprawy Mostowej Wielka Brytania 1997 zorganizowanej pod kierunkiem prof. K. Flagi): a) widok ogólny mostu, b) szczegół wsporczej konstrukcji pomostu w postaci żeliwnego motywu kwiatowego

Żeliwo (żelazo lane) stosowane w najstarszych mostach zawierało od 2,7% do nawet 4,5% węgla. Według dzisiejszej nomenklatury (oznaczeń) jest w zasadzie „surówką żelaza”. Z uwagi na wcześniej wspomniany fakt, że wytarzane było w sposób „prymitywny”, materiał ten był niejednorodny, a jego właściwości zróżnicowane. Z biegiem lat dalsze ulepszanie metod produkcji, poprzez specjalistyczne zabiegi, doprowadziło do opanowania metod produkcji żeliwa szarego – które to zawiera węgiel w postaci grafitu. W tym procesie wytwarzania grafit powstaje przy powolnym schładzaniu płynnej surówki, co powoduje wzrost wytrzymałości na rozciąganie tak otrzymywanego żeliwa. Ten bezpieczniejszy w konstruowaniu mostów materiał w postaci żeliwa szarego, z uwagi na zdecydowanie większą w stosunku do tradycyjnego żeliwa wytrzymałość na rozciąganie, przyczynił się do powstania wielu kolejnych mostów wybudowanych w pierwszych dekadach XIX wieku [1.29]. Materiał ten był na przykład chętnie stosowany do budowy filarów mostów i wiaduktów w postaci okrągłych słupów z bogatą ornamentacją na wzór kolumn kamiennych z ozdobnymi głowicami. Do dzisiaj elementy takie możemy znaleźć w obiektach na terenie wielu miast w zachodniej Polsce, na przykład Wrocławia, Szczecina, Legnicy (rys. 1.3).

a)

b)

Rys. 1.3. Przykład filara wiaduktu kolejowego we Wrocławiu wykonanego z żeliwa: a) ogólny widok słupa jednego z filarów, b) szczegół ozdobnej głowicy zwieńczenia słupa filara

Przepisy niemieckie dotyczące ówczesnego żeliwa szarego przy określeniu nośności takiej konstrukcji podawały wartości naprężeń dopuszczalnych jak poniżej [1.1]:

• dla elementów ściskanych 50–100 MPa,

• dla elementów rozciąganych 25–30 MPa,

• dla elementów zginanych 30–60 MPa,

• dla ścinania 20–30 MPa.

Motywacją do poszukiwań nowych bardziej jednorodnych materiałów były katastrofy głównie belkowych mostów kolejowych z żelaza lanego, które wydarzyły się w dwóch pierwszych dekadach XIX wieku, zarówno na terenie Wielkiej Brytanii, jak i w Ameryce Północnej. Były w tym m.in. obiekty o konstrukcjach łańcuchowych, wybudowane przez słynnego Amerykanina Jamesa Finleya. Tym sposobem, od trzeciej dekady XIX wieku, możemy mówić o zastosowaniu do budowy mostów nowego wówczas materiału o lepszych parametrach od żeliwa, szczególnie na rozciąganie, tj. żelaza zgrzewnego określanego dzisiaj mianem stali zgrzewnej. Żelazo zgrzewne wytwarzane w pierwszym okresie XIX wieku, najczęściej w mało wydajnych piecach pudlarskich, zawierało znaczną ilość zanieczyszczeń różnymi związkami chemicznymi, głównie w postaci siarki (w tym siarczku żelaza) i fosforu (do 0,4%). Zanieczyszczenia takie, co dzisiaj wiemy, przyczyniają się do segregacji składników stopowych, co jest powodem powstawania mikropęknięć powierzchniowych, obniżając wyraźnie udarność oraz wytrzymałość zmęczeniową. Pomimo opanowania technologii walcowania małe „porcje”, w których produkowano stal zgrzewną, powodowały, że elementy konstrukcyjne składają się z różnych wytopów. Jest to przyczyną dużej niejednorodności tych elementów, w tym ich warstwowej i włóknistej budowy. Dlatego elementy takie charakteryzują się wyjątkowo dużą anizotropią właściwości wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż i prostopadle do kierunku walcowania. Mała zawartość węgla w tej stali powoduje, że jest ona dobrze kowalna z uwagi na jej „miękkość”. Utrudnione są natomiast wszystkie procesy jej utwardzania.

W tabeli 1.1 za pracą [1.5] podano charakterystykę tworzyw żelaznych używanych w XIX wieku w budownictwie na terenach wówczas niemieckich – w tym na terenie dzisiejszego Dolnego Śląska.

Tabela 1.1. Charakterystyka tworzyw żelaznych używanych w XIX wieku w Niemczech [1.5]

Parametry XIX-wiecznych tworzyw żelaznych

Parametr

Żeliwo szare

Żelazo zgrzewne

Żelazo zlewne

Skład chemiczny

3% C

1% Si

1,2–1,7 Mn %

0,16–0,26% P

0,06% S

0,05–0,10% C

0,07–0,33% Si

0,02–0,33% Mn

0,10–0,47% P

0,01–0,06% S

0,05–0,20% C

0,08–0,10% P

0,05-0,06% S

Gęstość objętościowa [kg/m³]

7250

7600–7800

7850

Wytrzymałość na rozciąganie Rm [MPa]

125

300–400 (w kierunku walcowania)

340–450

Wytrzymałość na ściskanie [MPa]

600

–

-

Granica plastyczności Re [MPa]

–

210–290 (przy rozciąganiu w kierunku walcowania)

180–280

Granica sprężystości [MPa]

–

160-160 (przy rozciąganiu w kierunku walcowania)

–

Współczynnik sprężystości podłużnej [GPa]

100

200–215

215

Współczynnik sprężystości poprzecznej [GPa]

38

75–80

83

Wydłużenie przy zerwaniu [%]

–

8–25

(przy rozciąganiu w kierunku walcowania)

20

Współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej

0,00001/°C

0,000012/°C

0,000011–0,000012/°C

Współczynnik oporu tarcia

0,15

–

–

Dane zawarte w tabeli wyraźnie pokazują zalety nowego wówczas materiału, tj. żelaza zgrzewnego w stosunku do wcześniej stosowanego żeliwa. Widać to wyraźne szczególnie w przypadku wytrzymałości na rozciąganie. Był to materiał, który charakteryzował się też dużo większą ciągliwością i odpornością na korozję. Wieloletnie obserwacje do dziś eksploatowanych konstrukcji dowodzą, że do stali zgrzewnej bardzo dobrze przylegają malarskie powłoki antykorozyjne i metalizacyjne.

Według przepisów niemieckich dotyczących stali zgrzewnych do obliczeń przyjmuje się dla elementów zginanych wartość naprężeń dopuszczalnych równą 75–108 MPa.

Właściwości stali zgrzewnej m.in. pod względem jej wytrzymałości na rozciąganie umożliwiły Thomasowi Telfordowi wybudowanie w 1826 roku mostu wiszącego na łańcuchach żelaznych przez cieśninę Menai w Walii (łączącą Walię z wyspą Anglesey). Możemy go uważać za pierwszy na świecie most wybudowany ze stali zgrzewnej. Długość zawieszonego przęsła to 176,0 m. Pomost kratownicowy zawieszony został na 4×4 łańcuchach, a jego pojedyncze ogniwa mają długość 2,91 m (rys. 1.4). Most ten jednak nigdy nie stanowił światowego rekordu długości przęsła, gdyż już w 1776 roku wybudowano wówczas w Chinach most Taoguan w Syczuanie z przęsłem o długości 200,0 metrów.

Rys. 1.4. Widok ogólny łańcuchowego mostu wiszącego przez cieśninę Menai w Walii (jest on uznawany za pierwszy w świecie most ze stali zgrzewnej)

Kolejnym mostem wiszącym T. Telforda wybudowanym z użyciem łańcuchów z żelaza zgrzewnego jest most nad rzeką Conway, kilka mil obok mostu Menai. Obiekt funkcjonujący do dzisiaj ma rozpiętość 99,7 m oraz charakterystyczne pylony w postaci okrągłych wież nawiązujących swoim kształtem do wież znajdującego się obok zamku (rys. 1.5).

a)

b)

Rys. 1.5. Widok ogólny łańcuchowego mostu wiszącego nad rzeką Conway projektu T. Telforda (po lewej), oraz rama portalowa w kamiennym pylonie nawiązującym swoim kształtem do wież znajdującego się obok zamku

Pierwszy wiszący most żelazny na kontynencie europejskim został wybudowany na terenie Huty Mała Panew w Ozimku w województwie Opolskim w 1827 roku. Jego rozpiętość wynosi 31,56 m. Most ten zachowany do dzisiaj (dzięki staraniom pasjonatów mostownictwa) stanowi pomnik techniki z tego okresu i jest istotnym świadectwem rozwoju myśli technicznej w budowie metalowych mostów wiszących.

Zalety stali zgrzewnej z uwagi na zwiększoną wytrzymałość na rozciąganie pozwoliły opracować i opatentować w USA nowe rodzaje ogólnie znanych dzisiaj kratownic typu Howe ’a (1840) i Parrota (1844). Wiliam Howe, architekt z Massachusetts, opatentował dźwigar z elementami rozciąganymi wykonanymi z żelaza. Oba te patenty były wynikiem wielu awarii mostów z prętami rozciąganymi, które wykonane były z żeliwa. Dzięki tym patentom powszechne stało się w owym czasie stosowanie mostów kratownicowych z żelaznymi prętami rozciąganymi w ciągu amerykańskich linii kolejowych.

Omawiając światową historię budowy mostów ze stali zgrzewnej, nie może zabraknąć wybudowanego w 1857 roku zabytkowego dzisiaj mostu drogowego przez Wisłę w Tczewie. Warto podkreślić, że staraniem polskich inżynierów mostowców (głównie prof. Zbigniewa Cywińskiego z Politechniki Gdańskiej) obiekt ten został wpisany na światową listę zabytków techniki. Wybudowany przez Władze Królestwa Prus obiekt ma 6 przęseł o długości 130,88 m każde, co było wówczas rekordową rozpiętością [1.36]. Podobnie jak przęsła innych budowanych wtedy mostów miały one kształt skrzynki z gęstym skratowaniem wykonanym z płaskowników ze stali zgrzewnej z połączeniami nitowanymi. Warto dodać, że obok – równolegle do tego mostu drogowego – w 1891 roku wybudowano most kolejowy, też o konstrukcji kratownicowej, ale już w nowocześniejszym systemie z sześcioma wolnopodpartymi przęsłami soczewkowymi (kształt soczewek tworzą pasy górne i dolne) o rozpiętości 6⋅128,60 m [1.33].

Jako kolejne osiągnięcie mostownictwa stalowego, znajdującego się obecnie na ziemiach polskich, można wymienić Most Piaskowy we Wrocławiu wybudowany w 1861 roku. Warto dodać, że jest to najstarszy Most Wrocławia i znajduje się w historycznej części miasta. Wcześniej w tym miejscu znajdował się obiekt mostowy o konstrukcji drewnianej, przebudowany następnie na most o żelaznej konstrukcji kratownicowej, właśnie w podanym wyżej roku. Most wykonany jest w konstrukcji stalowej nitowanej, opartej na masywnych przyczółkach licowanych regularnymi blokami kamienia granitowego. Długość kratownic wynosi 31,10 m, a rozpiętość teoretyczna przęsła 29,66 m [1.23]. Konstrukcję nośną mostu (dźwigary) stanowią dwie stalowe kratownice typu podwójnego o wysokości 2,98 m (rys. 1.6).

Rys. 1.6. Most Piaskowy we Wrocławiu z roku 1861. Widok ogólny (po lewej) i wjazd na obiekt (po prawej)

Kolejnym polskim mostem, który przyczynił się do rozwoju światowego mostownictwa stalowego, jest Most Kierbedzia przez Wisłę w Warszawie wybudowany w 1864 roku. Obiekt ten nie przetrwał do dzisiejszych czasów, a na jego oryginalnych masywnych podporach po drugiej wojnie światowej w 1949 roku wybudowano nową konstrukcję Mostu Śląsko-Dąbrowskiego. Ten historyczny obiekt został wybudowany przez jednego z ówczesnych wybitnych mostowców – Polaka gen. inż. Stanisława Kierbedzia [1.28]. Był to most z przęsłami w postaci nitowanych kratownic wielokrotnych, złożonych z płaskowników wykonanych ze stali zgrzewnej. Konstrukcja tego mostu, jak i innych z tego okresu – już wcześniej wymienionych, przypominała długą skrzynię stalową (sześć przęseł o długości 79,25 m każde). W czasie działań wojennych zarówno pierwszej, jak i drugiej wojny światowej konstrukcja mostu uległa zniszczeniu. Dzięki niedawnym staraniom pracowników Instytutu Badawczego Dróg i Mostów fragmenty tej cennej historycznie konstrukcji zostały wydobyte z dna Wisły i są wyeksponowane w Pontiseum stworzonym na terenie tego Instytutu w Warszawie (rys. 1.7).

Rys. 1.7. Widok elementów konstrukcyjnych Mostu Kierbedzia wydobytych z Wisły znajdujących się w specjalnie zorganizowanym Pontiseum na terenie Instytutu Badawczego Dróg i Mostów w Warszawie

Zalety stali zgrzewnej w owym czasie, mimo pewnych wad tego materiału konstrukcyjnego – o czym wiemy dzisiaj, przyczyniły się do jego popularności wśród konstruktorów i wznoszono z jego użyciem wiele oryginalnych mostów w tamtym okresie na terenie Europy. W 1877 roku inżynier Gustave Eiffel wybudował kolejowy most Maria Pia nad rzeką Duero, koło Porto (Portugalia) – rys. 1.8. Istniejącą i podziwianą do dzisiaj łukową konstrukcję kratownicową wykonano z żelaza zgrzewnego o rozpiętości 160,0 m i strzałce 42,5 m.

Warto wiedzieć, że wcześniej już, po roku 1864 inż. Eiffel wybudował sześć uznanych mostów z żelaza zgrzewnego w rejonie Masywu Centralnego w formie przestrzennych konstrukcji, co wydatnie przyczyniło się do jego sławy. Najsłynniejszym jego obiektem z tego okresu jest most Garabit nad rzeką Truere w południowej Francji (1884 r.). Konstrukcja ta charakteryzuje się największą na owe czasu rozpiętością przęsła łukowego L = 165,0 m z pomostem położonym na wysokości aż 122,0 m nad dnem przeszkody.

Rys. 1.8. Most Maria Pia nad rzeką Duero w Portugalii, którego konstruktorem był Gustave Eiffel. W tle widoczny most kolejowy o sprężonej konstrukcji kablobetonowej

Kolejnym, powszechnie znanym obiektem o konstrukcji stalowej, który warto tu przytoczyć, jest most Luisa nad rzeką Duero. Położony jest w centrum Lizbony i w godny podziwu sposób łączy dwa strome brzegi rzeki Duero (rys. 1.9). Wybudowany on został przez byłego ucznia Eiffla Théophile’a Seyriga i ma łukową konstrukcję kratownicową o jezdniach na dwóch poziomach, przy czym dolna jezdnia stanowi ściąg łuku. Rozpiętość łuku mostu wynosi 172,0 m.

Rys. 1.9. Most Luisa w centrum Porto nad rzeką Duero w Portugalii konstruktora Théophile’a Seyriga

Za początek produkcji stali zlewnej, która stosowana jest do dzisiaj, można przyjąć według różnych źródeł rok 1865. Od tego czasu oba rodzaje stali, czyli również zgrzewna, stosowane były do budowy konstrukcji mostów równolegle. Używane dzisiaj nazewnictwo techniczne tworzyw żelaznych, czyli obejmujące żeliwo, staliwo i stal zlewną zostało jednoznacznie zdefiniowane dopiero w drugiej dekadzie XX wieku. Wcześniej stosowano różne nazwy tych materiałów. Stal zlewna używana do wyrobu elementów konstrukcyjnych jest w przeciwieństwie do żeliwa i stali zgrzewnej materiałem jednorodnym, co jest jej dużą zaletą. Charakteryzowała się dobrą wytrzymałością zarówno w kierunku jej walcowania, jak i poprzecznym, cechami sprężystymi, a także ciągliwością.

Pierwsze światowe upowszechnienie tego nowoczesnego wówczas rodzaju stali miało miejsce przy jej zastosowaniu do budowy wyjątkowej konstrukcji kolejowego mostu kratownicowego nad zatoką Forth w Szkocji. Most ten o imponującej na owe czasy długości całkowitej – prawie 2,5 km – został wybudowany w latach 1882–1889. Zużyta do jego wzniesienia masa stali konstrukcyjnej wyniosła ponad 58 000 ton. Warto przytoczyć tutaj fakt, że niedowiarków zasadności konstrukcyjnej tej nowatorskiej gigantycznej budowli miał przekonać model zasadności technicznej z przeprowadzonych prób statycznych, którego schemat został zamieszczony w miejscowej prasie (rys. 1.10).

Rys. 1.10. Idea schematu statycznego mostu Firth of Forth zamieszczona w jednej z lokalnych gazet z okresu budowy obiektu [1.2]

Na rysunku 1.11 pokazano natomiast fotografie (wykonane przez autora) tej do dzisiaj z powodzeniem eksploatowanej konstrukcji. Most ma konstrukcję kratownicową, dwuwspornikową, o długości przęseł w świetle 2×521,0 m z łukowymi przęsłami zawieszonymi na wspornikach o długości 107,0 m każde. Wysokość kratownic nad podporami jest do dnia dzisiejszego imponująca i wynosi 110,0 m.

a)

b)

Rys. 1.11. Most Firth of Forth – widok ogólny (po lewej), szczegół kratownicy o wysokości ponad 100 m (po prawej)

O trafności takiego, opisanego wyżej, sposobu budowy i zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych niech świadczy fakt podjęcia się budowy podobnej konstrukcji, ale o rozpiętości o 28,0 m większej, w Quebec w Kanadzie. Budowa tego obiektu zakończyła się jednak tragicznie jego spektakularną katastrofą w 1907 roku. Łącznie zginęło 88 osób pracujących przy jego wznoszeniu. Przyczyną była wyjątkowo delikatna konstrukcja w stosunku do mostu Forth przy zwiększonej rozpiętości przęsła, a także fakt zastosowania połączeń nitowanych o niewystarczającej nośności. Ciekawostką może być informacja, że do odbudowy do dziś eksploatowanej konstrukcji obiektu użyto 2,5 krotnie więcej stali niż w pierwotnym niefortunnym projekcie. Warto nadmienić, że projektantem nowej konstrukcji był również uznany polski mostowiec Rudolf Modrzejewski.

W owym okresie nastąpił również intensywny rozwój budownictwa mostowego w USA. Wynikało to z potrzeb komunikacyjnych stale rozbudowujących się aglomeracji miejskich, w tym Nowego Jorku. Zaistniała potrzeba połączenia wyspy Manhattan ze stałym lądem. W 1883 roku, w maju nastąpiło otwarcie Mostu Brooklińskiego budowanego przez Washingtona Roeblinga (budowę mostu ze względów zdrowotnych dokończyła jego żona Emily, która wcześniej była jego asystentką). Należy mieć na uwadze, że idea jego wybudowania i projekt należą do ojca Washingtona Roeblinga – Johna Augustusa Roeblinga. Sam John A. Roebling w roku 1857 tak pisał o swoim projekcie: „Dzieło, które zamierzam, o ile zostanie wybudowane wedle moich projektów, będzie nie tylko największym istniejącym mostem, lecz także największym osiągnięciem inżynieryjnym tego kontynentu i tego wieku”. Rozpiętość ukończonego i użytkowanego do dzisiaj obiektu wynosi 486,0 m – w owym czasie najdłuższe przęsło na świecie (o 50% więcej od przęsła w Cincinati o długości 322,0 m wybudowanego w 1866 r). Zastosowano wysoką kratownicę usztywniającą, a do jej podwieszenia użyto kabli stalowych z ukośnie przebiegającymi cięgnami podwieszającymi, które dodatkowo usztywniają pomost i wybiegają promieniście z pylonów. Chodnik położony jest centralnie w przekroju poprzecznym, obok jezdni drogowych i kolejowych, które znajdują się po obu stronach pomostu (rys. 1.12).

a)

b)

c)

Rys. 1.12. Wiszący Most Brookliński w Nowym Jorku wybudowany w 1883 roku (na górze). Widoczny charakterystyczny jednej z pylonów (po lewej) oraz układ olinowania przęsła nurtowego z dodatkowymi cięgnami wachlarzowymi (po prawej)

W 1903 roku oddano do użytku kolejny drogowy most Manhattanu nazwany Williamsburg Bridge o rozpiętości 487,5 m (większej niż mostu Brooklińskiego). Warto zaznaczyć, że jest to pierwszy most wiszący o całkowicie stalowych pylonach (pylony mostu Brooklińskiego wykonano jako masywne z ciosów kamiennych). W moście tym 4 stalowe kable o średnicy 473 mm każdy podtrzymują kratownicę o wysokości ponad 12,0 metrów z obustronnymi wspornikami w przekroju poprzecznym dla ruchu kołowego. Ciekawostką jest, że most miał być według projektu pierwotnego podwieszony na tradycyjnych łańcuchach, ale ostatecznie zastosowano nowe wówczas rozwiązanie w postaci kabli.

W 1909 roku zbudowano kolejny most łączący Manhattan ze stałym lądem przez East River nazwany Manhattan Bridge. Wzniesiony został on przez Gustava Lindenthala – przy jego projektowaniu użyto wyjątkowo nowoczesnej na owe czasy teorii odkształceniowej. Umożliwiło to wykonanie znacznie smuklejszych kratownic, pomostu usztywniającego, a także konstrukcji pylonów (rys. 1.13).

a)

b)

c)

Rys. 1.13. Wiszący Manhattan Bridge w Nowym Jorku wybudowany w 1909 roku. Widoczne szczegóły architektoniczne zwieńczenia pylonu oraz układ dwupoziomowej kratownicy usztywniającej

Kolejnym rekordowym dziełem Gustava Lindenthala w historii mostów stalowych, tym razem dla ruchu kolejowego, jest most Hell Gate („Wrota Piekła”) pomiędzy Randalls Island a Astorią nad odnogą East River w Nowym Jorku. Na obiekcie znajdują się 4 tory kolejowe. Jest on jednym z ostatnich bezprecedensowych mostów wybudowanych w ciągu amerykańskich linii kolejowych. Przez ponad 15 lat obiekt ten o rozpiętości L = 298,0 m był najdłuższym mostem łukowym na świecie, przy wysokości łuku wynoszącej 93,0 m. Warto podkreślić, że masa konstrukcji stalowej do jego budowy wynosiła 39 000 ton (rys. 1.14).

Rys. 1.14. Wybudowany w 1917 roku kolejowy most Hell Gate Bridge w Nowym Jorku

Omawiając największe stalowe mosty Stanów Zjednoczonych, należy wspomnieć Most Benjamina Franklina nad rzeką Delaware w Filadelfii, który zaprojektował nasz znany rodak – mostowiec Rudolf Modrzejewski (Ralph Modejski). Sam most został otwarty do ruchu w 1926 roku. W chwili oddania do użytku Most Benjamina Franklina, z rozpiętością przęsła głównego wynoszącą 533 m, był najdłuższym mostem wiszącym na świecie (rys. 1.15). Mianem tym obiekt cieszył się zaledwie 3 lata, gdyż już w 1929 r., w Detroit, Rudolf Modrzejewski pobił swój własny rekord (przęsło tamtejszego Ambassador Bridge łączącego USA z Kanadą ma ponad 560 m długości – rys. 1.16). Całkowita długość filadelfijskiego mostu wynosi 2917,86 m, a jego skalę obrazuje również fakt, iż do budowy użyto ponad 70 tys. ton stali. Również sam pomost miał rekordową szerokość wynoszącą 39,0 m.

Rys. 1.15. Most Benjamina Franklina nad rzeką Delaware w Filadelfii wg projektu Rudolfa Modrzejewskiego, ukończony w 1926 roku

Rys. 1.16. Most Ambassador Bridge przez rzekę Detroit, którego konsultantem był Rudolf Modrzejewski, ukończony w 1929 roku

W tym miejscu należy przybliżyć chociaż w skrócie sylwetkę wybitnego polskiego konstruktora Rudolfa Modrzejewskiego, a właściwie Ralpha Modjeskiego, bo takiego imienia i nazwiska używał w Stanach Zjednoczonych. W 1893 roku otworzył swoją firmę, a już pod koniec roku otrzymał korzystny kontrakt na budowę mostu na rzece Missisipi w Rock Island w stanie Illinois. W 1896 roku konstrukcja została skończona i było o niej i jej twórcy głośno. Od tego czasu Rudolf Modrzejewski wpisał się w epokę potrzeby budowy dużych mostów do celów komunikacyjnych w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej. Był pionierem praktycznego zastosowania w budowie mostów wiszących stalowych pylonów, zamiast stosowanych wcześniej murowanych wież z kamienia. Należy dodać, że wiele wprowadzonych rozwiązań konstrukcyjnych przyczyniło się do podniesienia trwałości mostów oraz uprościło zabiegi technologiczne dotyczące ich utrzymania. Zbudował prawie 40 mostów na największych rzekach Ameryki Północnej, a jego specjalnością były wiszące mosty kolejowe. Amerykańska prasa z zachwytem pisała o dokonaniach polskiego inżyniera. W 1903 roku został inżynierem roku, a rok później w ankiecie wygrał konkurs na najwybitniejszego budowniczego mostów [1.6], [1.18].

Należy w tym miejscu wspomnieć, że z inicjatywy Towarzystwa Miłośników miasta Bydgoszczy i Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy w 2008 roku w celu upamiętnienia tej wybitnej postaci patronem Mostu Fordońskiego został właśnie Rudolf Modrzejewski. Obiekt Jego imienia jest mostem kolejowo-drogowym, o konstrukcji kratownicowej, na rzece Wiśle w Bydgoszczy, w dzielnicy Fordon. Długość mostu wynosi 1005,0 m, a szerokość 16,8 m. Most oddano do użytku w 1956 roku (w miejscu wcześniejszego obiektu). Na fotografiach zamieszczonych na rys. 1.17 pokazano widok Mostu Fordońskiego wraz z tablicą upamiętniającą nadanie im. Rudolfa Modrzejewskiego.

a)

b)

c)

d)

Rys. 1.17. Widok kratownicowego mostu Fordońskiego nad Wisłą (po lewej na górze) wraz z tablicą upamiętniającą nadanie mu imienia Rudolfa Modrzejewskiego (po prawej na górze), oraz wystawa poświęcona temu wydarzeniu na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym w Bydgoszczy w 2008 r. (oba zdjęcia na dole)

W 1931 roku został wybudowany rekordowy most drogowy Bayonne nad Kil Van Kull między New Ark a Staten Island. Jest to dzieło Othmara Ammanna, który był wcześniejszym asystentem Gustava Lindenthala. Most ma niecodzienną konstrukcję łukową o rozpiętości L = 503,6 m i imponuje lekkością swojej konstrukcji. W rozwiązaniu tym zasadniczy rozpór z pasa przekazywany jest na przyczółki, na których znajdują się lekkie kratownicowe stalowe konstrukcje podtrzymujące pomost. Ciekawostką jest, że masa stali konstrukcyjnej użytej do budowy wynosi w tym przypadku 16 520 ton, co jest ilością dwa razy mniejszą niż w konstrukcji Sydney Harbour Bridge (pomimo zbliżonych rozpiętości). Światło pionowe mostu wynosi ponad 45 m.

W 1931 roku powstał też kolejny most Nowego Jorku przez rzekę Hudson imienia George ’a Washingtona. Jego rozpiętość L = 1067,0 m była ok. dwukrotnie większa od rozpiętości rekordowego wówczas przęsła. Most pozostawał rekordzistą do 1937 r. Kratownice usztywniające o stosunku długości do wysokości 1:90 zawieszone zostały na czterech kablach nośnych. Naga nitowana konstrukcja pylonów o masywnym układzie kratownicowym, zaprojektowana przez Othmara Ammanna według jego pierwotnych założeń, miała być ich zbrojeniem i zamierzano wypełnić ją betonem. Ostatecznie, z oszczędności przy aprobacie lokalnej społeczności zrezygnowano z tego rozwiązania. Tym samym do dziś możemy podziwiać jedynie zaprojektowane „zbrojenie” pylonów – pokazane na rys. 1.18 (do dziś stanowi to ciekawostkę tego obiektu).

a)

b)

Rys. 1.18. Most imienia George ’a Washingtona przez rzekę Hudson w Nowym Jorku. Widok ogólny (po lewej) oraz szczegół kratownicy usztywniającej w obrębie jednego z pylonów (po prawej)

Wyjątkowym i ważnym do dzisiaj obiektem komunikacyjnym położonym na terenie Kalifornii jest obiekt Oakland Bay Bridge w San Francisco (rys. 1.19). Został on zrealizowany według projektu i pod nadzorem Rudolfa Modrzejewskiego. Ta imponująca do dziś budowla składa się z dwóch osobnych obiektów:

• West Bay Crossing – z wyspy Yerba Buena do San Francisco – podwójny most wiszący 2⋅704 m z przęsłami bocznymi połączonymi gigantycznym, jak na owe czasy, masywnym zakotwieniem kesonowym. Pomosty obu mostów są dwupoziomowe z dwunastoma pasami ruchu samochodowego, opartymi na kratownicowej belce usztywniającej.

• East Bay Crossing łączący wsypę Yerba Buena z Oakland o przęsłach kratownicowych, w tym dwuwspornikowa konstrukcja kratownicowa o najdłuższych na owe czasy rozpiętościach z przęsłem środkowym L = 427,0 m. Kratownice mają pasy górne podniesione nad podporami.

Rys. 1.19. Majestatyczna stalowa konstrukcja mostu Oakland Bay Bridge w San Francisco z przęsłami o konstrukcji wiszącej wg projektu Rudolfa Modrzejewskiego

Most Golden Gate, hucznie otwarty do ruchu 27 maja 1937 roku, powstał pod nadzorem Josepha Straussa. Budowa mostu nad cieśniną o nazwie „Złote Wrota” między San Francisco a zachodnim wybrzeżem była rozważana od lat. Dopiero jednak umiejętność pokonywania dużych rozpiętości, czyli m.in. budowa mostów ze stali, pozwoliła zrealizować i urzeczywistnić te ambitne plany. Most został starannie dopracowany pod względem architektonicznym, co dotyczy również nadania mu charakterystycznego i unikalnego do dzisiaj koloru. Z czasem wpisał się do światowego mostownictwa – jako jego ikona. Rozpiętość środkowego przęsła wynosi 1088 m i mimo jego wieku jest on dalej w czołówce mostów o największej rozpiętości (rys 1.20). Każdy kabel waży 7 120 ton

a)

b)

c)

Rys. 1.20. Most Golden Gate w San Francisco – konstrukcja bloku kotwiącego oraz przekrój kabla nośnego mostu

i jest wykonany z ponad 27 000 drutów. Wieszaki wykonano z lin i znajdują się w rozstawie co 15,0 m. Ponieważ zatoka San Francisco słynie z częstych mgieł, opracowano specjalny kolor dla tego obiektu, który od tego czasu nosi nazwę International Orange. Kolorystyka ta przestrzegana jest z pietyzmem do dnia dzisiejszego. Farba, zabezpieczając most przed korozją, sprawia, że jest on lepiej widoczny w czasie mgły. Kolor ten (zastrzeżony specjalistycznym patentem) można uzyskać z palety CMYK, lub za pomocą kodu PMS [1.8], [1.34]. Z uwagi na powtarzające się cyklicznie w ostatnich latach trzęsienia ziemi zdecydowano się most gruntowanie przebudować, odpowiednio go wzmacniając, głównie w celu podniesienia bezpieczeństwa sejsmicznego jego konstrukcji. Szersze informacje na ten temat można znaleźć w artykule autora [1.34].

Kolejną imponującą stalową konstrukcją mostową na świecie jest wybudowany w latach 1924–1932 most Harbour Bridge w Sydney w Australii, o rozpiętości głównego przęsła Lt = 503,0 m i masie konstrukcji stalowej 58 000 ton. Obiekt stanowił nowy niedoszły rekord w czasie celebracji jego otwarcia, gdyż w listopadzie 1931 roku otwarto most Bayonne w New Ark o 0,60 m dłuższym przęśle. Projektantem mostu był John Bradfield, który wzorował się na konstrukcji mostu Hell Gate w Nowym Jorku. Ten wówczas najdłuższy i najszerszy jednoprzęsłowy most świata powstał w czasie najgłębszego kryzysu gospodarczego w latach 30. XX wieku i stał się znakiem nadziei na lepszą przyszłość [1.35]. Przy budowie znalazło zatrudnienie wielu ludzi, co w czasach bezrobocia pozwo-

Rys. 1.21. Charakterystyczna sylwetka łuku mostu Harbour Bridge w Sydney w widoku od strony południowo-zachodniej

liło miastu na swobodniejszy oddech. Należy wspomnieć, że w owym czasie bezrobocie we wschodniej części Australii dochodziło nawet do 30%. Budowa tak dużej inwestycji była niezwykle kosztowna i znalazło przy niej zatrudnienie kilka tysięcy ludzi (przy czym przy samej konstrukcji ok. 1500 osób). Dzięki tej budowie, która trwała ok. ośmiu lat, Sydney stało się najbogatszym miastem Australii, co po części przyczyniło się do jej rozwoju gospodarczego. Z uwagi na rodzaj i kształt konstrukcji Most Portowy mieszkańcy zaczęli nazywać m.in. „wieszakiem na ubrania”, „podstawką na tosty”, czy też „żelaznymi płucami”. Na moście znajduje się 8 pasów ruchu, 2 tory kolejowe, chodnik (od strony wschodniej) i droga rowerowa (od strony zachodniej). Na rysunku 1.21 pokazano widok ogólny mostu Harbour Bridge.

Wracając na kontynent europejski, w 1894 roku wybudowano most zwodzony Tower Bridge w Londynie z przęsłem podnoszonym o imponującej długości 79,0 m oraz z kładkami dla pieszych w górnej części mostu, zawieszonymi 43,0 m nad lustrem wody. Most ten stanowi dobrze zachowaną atrakcję turystyczną Londynu, a jednocześnie stanowi cenny zabytek techniki światowego mostownictwa (rys. 1.22).

a)

b)

Rys. 1.22. Most Tower Bridge w Londynie. Widok ogólny z podniesionym przęsłem (po lewej), ozdobny ornament węzła konstrukcji stalowej (po prawej)

W 1903 roku powstał kolejny obiekt o rekordowej rozpiętości mostu wiszącego (L = 290,0 m). Wybudowany został nad Dunajem w Budapeszcie ze stosunkowo lekkim w tym okresie podwieszeniem przęsła z kratownicowym pomostem usztywniającym o niewielkiej wysokości. Nazwany został Mostem Elżbiety i wpisał się na stałe w architekturę stolicy Węgier (przebudowany w 1964 r.). Warto podkreślić, że na docenienie zasługuje dbałość zarządców obiektu o zachowanie pierwotnej formy architektonicznej i trwałości tego mostu.

Ciekawą konstrukcję pod względem układu konstrukcyjno-architektonicznego, będącą przykładem rozwoju konstrukcji stalowych w Europie, jest Most Tumski we Wrocławiu wybudowany w 1899 roku (rys. 1.23). Jest to dwuprzęsłowy, nitowany obiekt o konstrukcji kratownicowej systemu Gerbera. Długość mostu wynosi 52,19 m, szerokość pomostu 6,84 m, a wysokość ramy portalu 6,90 m. Stal na elementy konstrukcyjne mostu wyprodukowana została w Hucie Piła (Pielahütte) na Śląsku – huta ta słynęła wówczas z produkcji wysokojakościowej stali do budowy konstrukcji infrastrukturalnych na terenach Królestwa Prus i Niemiec. Obiekt jest użytkowany do dzisiaj i w 2020 roku poddany został gruntownej renowacji wraz z wykonaniem nowego zabezpieczenia antykorozyjnego (rys. 1.23). Ciekawostką jest fakt, że w trakcie remontu zdjęto ponad pięć ton kłódek, które zgodnie z tradycją przez wiele lat były zawieszane przez zakochanych na poręczach mostu.

a)

b)

Rys. 1.23. Most Tumski we Wrocławiu, w tle widoczna Archikatedra św. Jana Chrzciciela we Wrocławiu (po lewej) oraz widok licznych kłódek na poręczach obiektu przed jego remontem w 2019 roku (po prawej)

Z tego nowoczesnego gatunku stali zlewnej wykonano też wiele w owym czasie obiektów mostowych na ziemiach dzisiejszej Polski. Można do nich zaliczyć na przykład dwa znane wrocławskie mosty nad Odrą:

• Most Zwierzyniecki o konstrukcji łukowej z jazdą dołem ukończony w 1897 roku. Do jego budowy zastosowano łuk o konstrukcji kratownicowej ze ściągiem dla mostu, z dolnym pomostem o długości 60,60 m. Rozpiętość konstrukcji wynosi 62,00 m. Widok obiektu pokazano na rys. 1.24.

a)

b)

Rys. 1.24. Most Zwierzyniecki we Wrocławiu. Widok z perspektywy Odry (po lewej) oraz wjazd na obiekt (po prawej)

• Most Grunwaldzki powstał w latach 1908–1910 i miał połączyć znajdujące się we wschodniej części miasta osiedla oraz instytucje z centrum. Za jego wizualne aspekty odpowiadał architekt Richard Pluddemann, który zaprojektował most dla zielonogórskiej (wtedy Grünberg) firmy Beuchelt & Co. Przez 25 lat pełnił on we Wrocławiu funkcję wrocławskiego radcy budowlanego. Jeszcze w trakcie prac nad mostem przeszedł na emeryturę, a następnie zmarł nie doczekawszy tym samym widoku ukończonego mostu. Rozpiętość przęsła głównego wynosi 114,0 m, a szerokość całkowita 18,0 m (rys. 1.25). Cenne informacje techniczne na temat tego obiektu oraz ciekawostki związane z jego budową można znaleźć w m.in. w specjalnej publikacji na ten temat [1.4].

a)

b)

Rys. 1.25. Widok ogólny Mostu Grunwaldzkiego we Wrocławiu (po lewej) oraz szczegół zakotwienia taśm nośnych (po prawej)

Jeżeli chodzi o wspomnianą firmę Beuchelt & Co, to z uwagi na duże zasługi w upowszechnianiu stalowego mostownictwa w Europie warto wspomnieć pokrótce historię tej firmy. Przedsiębiorstwo zostało założone w 1876 roku przez Georga Beuchelta oraz Alberta Ribbecka. Jak wskazywała nazwa (Fabryka Mostów i Konstrukcji Stalowych Beuchelt), podstawową działalnością była produkcja konstrukcji stalowych (używanych przede wszystkim do budowy mostów). Ważnym elementem aktywności przedsiębiorstwa było prowadzenie biura projektowego konstrukcji stalowych umożliwiającego nadążanie za najnowszymi trendami budowlanymi, lecz także prowadzenie kompleksowych prac łącznie z projektowaniem, produkcją, dostawą oraz montażem mostów w terenie. W ciągu wielu dekad rozwoju swojej aktywności w dziedzinie konstrukcji mostów firma oferowała budowę stalowych mostów każdego typu i długości, zarówno kolejowych, jak i drogowych, a także liczne inne usługi z omawianego zakresu. Ponadto warto wspomnieć, że firma ta wykonała też wiele stalowych hal dworcowych w różnych miastach Europy (tj. Wrocławia, Gliwic, Lipska, Berlina itp.).

W tabeli 1.2 zestawiono wybrane przykłady stalowych obiektów drogowych wykonanych przez firmę Beuchelt & Co na terenie dzisiejszego województwa lubuskiego.

Tabela 1.2. Wybrane przykłady stalowych obiektów drogowych wykonanych przez firmę Beuchelt & Co na terenie dzisiejszego województwa lubuskiego

Miejscowość

Rok budowy

Długość [m]

Nazwa przeszkody

Uwagi / typ konstrukcji

Cigacice

1924

391,2

Odra

kratownica stalowa typu W

Bytom Odrzański

1906/1907

102 (przęsło nurtowe)

Odra

most wysadzony w 1945 r., pozostała część podpór

Nowa Sól – kanał portowy

1743/1927

12,6

Port odrzański

most ruchomy z podnoszonym przęsłem

Krosno Odrzańskie

1905

164

Odra

kratownica stalowa typu N

Kostrzyn

1882

Odra

Kostrzyn

1878

Warta

Jeśli chodzi natomiast o stalowe kolejowe obiekty mostowe, należy dodać, że żadne inne przedsiębiorstwo nie dorównywało w liczbie realizacji na Śląsku firmie Beuchelt [1.10]. Zestawienie stalowych kolejowych obiektów mostowych wykonanych przez tę firmę zawiera tabela 1.3.

Tabela 1.3. Kolejowe obiekty mostowe wykonane przez firmę Beuchelt & Co na terenie Śląska [1.10]

Lokalizacja

Rok budowy

Masa konstrukcji w tonach

1. Wiadukty w Wałbrzychu i Głuszycy (Wałbrzych – Kłodzko)

1879/1880

550

2. Most na Odrze w Krapkowicach (łącznie z podporami )

1896/1897

500

3. Mosty dla Kolei Legnicko-Rawickiej

1897

1300

4. Most na Nysie Kłodzkiej w Byczeniu (Kamieniec Ząbkowicki – Złoty Stok)

1899

340

5. Most na Bobrze w Nowogrodzie Bobrzańskim (Krzystkowicach)

1903

410

6. Most na Osobłodze na linii Kędzierzyn-Koźle – Racławice Śląskie

1903

220

7. Mosty dla kolei Bolesławiec – Nowa Wieś Grodziska

1905

210

8. Mosty na linii Jelenia Góra – Wleń

1905/1906

200

9. Mosty dla 2. toru linii Kamieniec Ząbkowicki – Nysa

1907

260

10. Most na Małej Panwi na linii Wrocław Brochów – Opole Groszowice

1907

360

11. Trzy wiadukty na linii Wałbrzych – Kłodzko

1907/1908

710

12. Most na Odrze w Stanach

1907/1908

1700

13. Most na Bobrze na linii Jelenia Góra – Lwówek Śląski

1908

310

14. Most na Odrze w Brzegu Dolnym

1908/1909

860

15. Mosty dla Nyskiej Kolei Powiatowej

1910/1911

230

16. Most na Odrze w Ścinawie

1911/1913

2600

17. Most na Odrze w Brzegu Dolnym

1911/1913

1100

18. Wymiana przęseł mostów nad Bystrzycą na linii Wrocław – Jaworzyna Śl.

1912/1913

140

Lokalizacja

Rok budowy

Masa konstrukcji w tonach

19. Rozbudowa kładki nad torami na stacji Wrocław Muchobór

1913

300

20. Trzy wiadukty estakady w Strzegomiu

1913

170

21. Most na Odrze w Lubiążu

1913/1916

2100

22. Mosty na starej Odrze oraz starym i nowym kanale żeglownym dawnej Kolei Prawego Brzegu Odry

1914/1915

1200

23. Most na Baryczy kolei Leszno – Krzelów

1915/1916

200

24. Most na Czarnej Wodzie na linii Legnica – Miłkowice

1924

220

25. Most na Kaczawie na linii Legnica – Miłkowice

1924/1925

470

26. Most na Kwisie na linii Żagań – Miłkowice

1924/1925

620

27. Most na Bobrze w Ciechanowicach

1925

180

28. Most na Odrze w Kędzierzynie-Koźlu (Nysa – Kędzierzyn Koźle)

1925/1926

1100

29. Most na Bobrze w Lesznie Górnym na linii Żagań – Miłkowice

1925/1926

420

30. Mosty zalewowe Odry na linii Brzeg – Kędzierzyn-Koźle

1926

230

31. Most przez teren żeglowny Odry we Wrocławiu

1926

650

32. Most o konstrukcji wspornikowej na Odrze w Opolu

1927

600

33. Mosty na Nysie Kłodzkiej koło Lewina Brzeskiego

1928

160

34. Mosty na Bystrzycy Dusznickiej, Nysie Kłodzkiej i Młynówce w Książku (Kłodzko – Kudowa Zdrój) i Lipowej

1929

490

35. Wiadukt nad ulicą Charlesa de Gaulle’a na stacji Zabrze

1929

120

36. Most na Odrze w Głogowie (część przęseł)

1935

900

Produkcja elementów stalowych była kontynuowana po wojnie już przez Zaodrzańskie Zakłady Przemysłu Metalowego WAGMO (1945), a potem ZASTAL (1948).

W przypadku mostu kolejowego nad Odrą w Stanach należy wspomnieć, że w momencie jego wybudowania (1908) był to najdłuższy most kolejowy w Europie (rys. 1.26). Po rewitalizacji i modernizacji most w Stanach zmienił funkcję użytkową – przeprowadza jedną z głównych ścieżek rowerowych województwa lubuskiego.

a)

b)

Rys. 1.26. Most kolejowy w Stanach wykonany przez firmę Beuchelt & Co w 1908 roku – jeden z najdłuższych mostów kolejowych w Europie. Widok przęsła nurtowego (po lewej) i przęseł zalewowych (po prawej)

Ciekawą pod względem technicznym stalową konstrukcją mostową jest zrealizowany przez omawianą firmę istniejący do dziś most o konstrukcji podnoszonej w Nowej Soli. Konstrukcję mostu stanowią dwa dźwigary stalowe o rozpiętości 12,6 m, z jazdą dołem. Między dźwigarami znajdują się jezdnie, a po zewnętrznych stronach – chodniki dla pieszych. Na przyczółkach zamontowana została konstrukcja stalowa umożliwiająca podnoszenie mostu. Składa się ona z ram poprzecznych oraz dwóch ram podłużnych. Ramy te na wysokości rygla są na stałe ze sobą połączone i dodatkowo stężone konstrukcją stalową. Na uwagę zasługuje fakt, że istnieją jedynie dwie tego typu (sposób podnoszenia) ruchome konstrukcje mostowe w Europie (rys. 1.27).

Rys. 1.27. Most o konstrukcji podnoszonej w Nowej Soli wykonany przez firmę Beuchelt & Co z 1927 r. – jeden z dwóch tego typu mostów ruchomych w Europie

W pierwszej dekadzie XX wieku obok zlewnych stali niskowęglowych zaczęto wytwarzać stale wysokowęglowe oraz stale stopowe o specjalnym przeznaczeniu. W 1925 roku opracowano technologię produkcji stali krzemowej, której wartość naprężeń dopuszczalnych była wyższa o 50% w stosunku do tradycyjnej wówczas, powszechnie stosowanej stali St37. Na początku lat 30. XX wieku wprowadzono do powszechnego użytku wysokowartościową stal St52 o podwyższonych parametrach mechanicznych. Te dwa typowe gatunki stali były stosowane w Europie do budowy mostów stalowych praktycznie do końca XX wieku. W tabeli 1.4 za pracą [1.5] podano parametry stali zlewnych używanych w Niemczech na początku XX wieku.

Tabela 1.4. Parametry stali zlewnych używanych w Niemczech na początku XX wieku [1.5]

CHARAKTERYSTYKA XX-WIECZNYCH STALI ZLEWNYCH

Oznaczenie gatunku

Wytrzymałość na rozciąganie Rm [MPa]

Granica plastyczności Re

[MPa]

Naprężenie dopuszczalne

[MPa]

St00.12

< 500

–

120¹⁾

Pospolita stal budowlana (Handelsbaustahl)

340–500

240–280

140 (160)²⁾

St37.12 (stal niskowęglowa)

370–450

St48 (stal wysokowęglowa)

480–580

–

156–182³⁾

StSi (stal krzemowa)

–

–

210⁴⁾

St52 (stal wysokowartościowa)

520–640

340–360

ok. 200⁵⁾

¹⁾ Od 1937 roku zakazano stosować stali St00.12 do elementów nośnych.

²⁾ Wartość w nawiasie odnosiła się do dokładnych obliczeń uwzględniających wszystkie obciążenia i wpływy.

³⁾ Według „Zentralblatt der Bauverwaltung”.

⁴⁾ Według „Tachenbuch für Bauingenieure”.

⁵⁾ Według „Vorschriftenblatt der DRB” nr 918156 z 1937 r.

Do jednych z najcenniejszych obiektów polskiego mostownictwa z tego okresu należy bez wątpienia zaliczyć wybudowany w 1928 roku pierwszy na świecie most spawany, nad rzeką Słudwią koło Łowicza, według projektu profesora Stefana Bryły. Warto w tym miejscu pokrótce przybliżyć sylwetkę tego wybitnego inżyniera i męża stanu. Dyplom inżyniera uzyskał na Wydziale Inżynierii Szkoły Politechnicznej we Lwowie w 1908 roku. W rok po ukończeniu studiów obronił doktorat, by już w roku następnym otrzymać tytuł docenta i prowadzić wykłady z rysunku technicznego, encyklopedii nauk inżynierskich, statyki budowli. W 1927 roku prof. Bryła opublikował na łamach Przeglądu Technicznego pierwszą pracę naukową na temat spawania elektrycznego żelaza w budownictwie i mostownictwie. Ten kamień milowy w jego karierze umożliwił mu osiągniecie celu w postaci realizacji pierwszego na świecie stalowego mostu drogowego spawanego elektrycznie, zrealizowanego na rzece Słudwi w Maurzycach koło Łowicza, budowanego w latach 1928–29 i oddanego do użytku 12 sierpnia 1929 roku. Most ten dla prof. Bryły i jego współpracowników był znakomitym obiektem doświadczalnym. Przyjęty układ konstrukcyjny jest typowy dla obiektu mostowego o klasycznej konstrukcji nitowanej. Konstrukcję stanowi układ kratownicowy, jednoprzęsłowy o rozpiętości 27,0 m, zrealizowany przez firmę Rudzki i S-ka. Widok konstrukcji pokazano na rys. 1.28.

Był to „most bez jednego nitu”, jak podkreślano w opisach. I co najważniejsze: sposób zaproponowany przez prof. Stefana Bryłę przynosił kolosalne oszczędności. Most ten wykazał, że przez stosowanie połączeń spawanych występuje istotna oszczędność stali w stosunku do nitowania [1.27]. Według obliczeń budowniczych tego obiektu, zamieniając sposób połączeń w tym przypadku zaoszczędzono 20% stali.

a)

b)

c)

Rys. 1.28. „Most bez jednego nitu” – pierwszy na świecie stalowy most spawany prof. Stefana Bryły na rzece Słudwi pod Łowiczem

Opis mostu i metody prof. Bryły zostały ogłoszone w kilkunastu językach w czasopismach technicznych wszystkich większych krajów świata. Pierwszy (wg projektu przygotowanego przez Stefana Bryłę w 1927–28 r.) i oddany do eksploatacji most spawany elektrycznie udowodnił ogromne możliwości techniczne i ekonomiczne nowej technologii budowy nie tylko obiektów mostowych [1.6]. Most na Słudwi istnieje do dziś, a od kilkunastu lat został wyłączony z eksploatacji i zakwalifikowany do grona zabytków światowego dziedzictwa cywilizacyjnego [1.5].

Mosty „nowej ery”

Wraz z początkiem XX wieku coraz powszechniej zaczęto stosować nowoczesne rodzaje stali, w odróżnieniu od dotychczasowych gatunków określane ogólnie mianem „stale wysokich właściwości” (ang. high performance steel) [1.24]. Są to stale produkowane z użyciem nowoczesnych procesów metalurgicznych, do których należy zaliczyć ulepszanie cieplne, jak również walcowanie termomechaniczne. Produkcja ta pochłania znacznie więcej energii, natomiast niezaprzeczalne są zalety tak produkowanych stali.

Stosowanie tych stali o podwyższonych właściwościach mechanicznych pozwala budować obiekty mostowe o znacznie większych niż wcześniej rozpiętościach przęseł i wymagających mniejszych nakładów robocizny w trakcie procesów wytwórczych, co jest istotne z uwagi na efekty ekonomiczne [1.25]. Zmniejszona liczba dźwigarów w przekroju mostów, ograniczenie ich liczby często do dwóch w przekroju poprzecznym, czy też eliminacja zbędnych poprzecznic, żeberek, bądź też często innych elementów usztywniających, prowadzi niezaprzeczalnie do oszczędności materiałowych i prostoty konstrukcji. Podane zalety konstruowania są wynikiem zwiększenia wytrzymałości produkowanych stali z użyciem nowoczesnych procesów metalurgicznych, a także możliwości produkcji blach tzw. grubych, bądź też elementów o zmiennej grubości. Do zalet tak budowanych konstrukcji mostów stalowych należy też zmniejszenie kosztów zabiegów antykorozyjnych i utrzymania obiektów, co wpisuje się w dzisiejsze tendencje budowy trwałych obiektów mostowych.

Po drugiej wojnie światowej, przy odbudowie zniszczeń wojennych, zaczęto szeroko stosować zarzucone wcześniej konstrukcje o przekroju skrzynkowym. Było to wynikiem postępu zarówno pod względem materiałowym, jak również rozwoju metod obliczeniowych i docenienia dzięki temu zalet ich sztywności. Konstrukcje o przekroju skrzynkowym ponad 100 lat wcześniej były stosowane przez Stevensona w wielu obiektach mostowych Walii – chociażby w słynnym moście kolejowym Brytania. Miały one grubościenne, konieczne wówczas przekroje z uwagi na stosowany materiał, jakim było kruche żeliwo lane. Właściwości nowoczesnej stali zlewnej pozwoliły w tym przypadku wykorzystać zalety cienkościennych przekrojów skrzynkowych, w tym głównie dużej wspomnianej sztywności tak projektowanych przekrojów.

W latach 70. XX wieku zaczęto stosować znaną szeroko na świecie stal trudnordzewiejącą. Była ona stosowana szeroko szczególnie w krajach Ameryki Południowej i Północnej, a także w Australii. Stosuje się ją do budowy mostów z uwagi na jej ważne cechy pod względem ochrony konstrukcyjno-materiałowej. Pierwszym obiektem kolejowym w Polsce, powstałym w celach badawczych, do którego wykonania użyto stali trudnordzewiejącej, był wiadukt nad drogą krajową nr 8 w Kępnie. Zaraz po jego wybudowaniu w pierwszych latach eksploatacji wykonywane były badania i kompleksowy monitoring, który potwierdził dobre właściwości tego typu stali do budowy mostów. Warto wymienić tu również interesujący obiekt przez Wisłę w Zakroczymiu, wykonany ze stali trudnordzewiejącej, o konstrukcji skrzynkowej. Do jego budowy pierwszy raz użyto stali trudnordzewiejącej produkcji krajowej 12HNNbA. Konstrukcja została wykonana w Gdyńskiej Stoczni i holowana w górę Wisły do miejsca jej wbudowania. Projekt wykonał Transprojekt Gdański. Most ma 6 przęseł o konstrukcji ciągłej 75,0 m + 4⋅95,0 m + 75,0 m. Od momentu zakończenia budowy w 1990 roku obiekt znajduje się z powodzeniem w ciągłej eksploatacji.

Analizując rozwój konstrukcji mostów o rekordowych rozpiętościach, należy wspomnieć o kamieniu milowym mostownictwa w zakresie mostów podwieszonych – moście Normandie we Francji. Obiekt ten został oddany do użytku w styczniu 1995 roku. Przęsło podwieszone ma rozpiętość 856,0 m, a projektantem mostu był znany prof. Michel Virlogeux.

Kolejnym obiektem o imponującym pod względem rozpiętości podwieszonym przęśle głównym jest Most Tatara w Japonii. Obiekt mostowy został otwarty w maju 1999 roku. Znajduje się w prefekturach Hiroshima i Ehime w Japonii. Znajdują się na nim 4 pasy ruchu – po dwa pasy w każdym kierunku. W tej lokalizacji pierwotnie miał zostać wybudowany most wiszący o imponującej rozpiętości 1480,0 metrów, jednak w 1989 roku projekt został zmieniony na rzecz konstrukcji podwieszonej o rozpiętości 890,0 m. Należy wspomnieć, że konstrukcja pylonów w kształcie odwróconej litery Y wykonanych ze stali ma wysokość 220,0 m.

Przy opisie rozwoju mostów podwieszonych o konstrukcji stalowej nie można pominąć polskich osiągnięć w tym zakresie – mostu Solidarności w Płocku. Idea budowy tego mostu powstała na początku lat 90. XX wieku – chodziło o poprawę ogólnej sytuacji komunikacyjnej miasta Płocka. Budowa mostu rozpoczęła się w lipcu 2002 roku, a zakończyła w październiku 2007 roku. Główne przęsło Mostu Solidarności w Płocku jest najdłuższym w Polsce i tej części Europy przęsłem o rekordowej rozpiętości wynoszącej 375 m przy jednej płaszczyźnie olinowania. Konstrukcja mostu składa się z trzech zasadniczych części: lewobrzeżnej estakady nad terenem zalewowym o rozpiętości 5 × 58,0 m, pięcioprzęsłowego podwieszonego mostu głównego 2 × 60,0 m + 375,0 m + 2 × 60,0 m, oraz estakady prawobrzeżnej [1.3]. Konstrukcję przęsła głównego stanowi trójkomorowy stalowy przekrój skrzynkowy z centralnym układem podwieszenia (rys. 1.29).

a)

b)

Rys. 1.29. Most podwieszony przez Wisłę w Płocku – widok ogólny (po lewej), szczegół oparcia i zakotwienia konstrukcji stalowej skrzynkowej na jednym z filarów (po prawej)

W przypadku mostów podwieszonych należy tu wspomnieć „ikonę” tego typu konstrukcji – Wiadukt Millau z najwyższym rekordowym pylonem o wysokości 341,0 m. W obiekcie tym zastosowano układ podwieszenia również o jednej płaszczyźnie olinowania. Rozpiętość najdłuższych przęseł jest zbliżona do wysokości pytonów i wynosi 342,0 m. Jako konstrukcję przęseł zastosowano trójkomorowy stalowy przekrój skrzynkowy z dodatkowym usztywnieniem poprzecznym w postaci stężeń w układzie kratownicowym. Wiadukt ma 2460 m długości i jest zlokalizowany nad doliną rzeki Tarn w Oksytanii. Światło pionowe (wysokość od poziomu rzeki do poziomu spodu konstrukcji) to 270 m. Czyni to Wiadukt Millau najwyższym obiektem mostowym tego typu w Europie. Pewną ciekawostką jest fakt, że trwałość konstrukcji została jednoznacznie określona i jest ona przewidziana na 120 lat.

Stałe dążenie do „bicia” kolejnych rekordów rozpiętości przęseł mostowych, jak również rozwój metod obliczeniowych wpłynęło na dynamiczny postęp w dziedzinie lekkich mostowych konstrukcji wiszących. Już w 1966 roku ukończono budowę mostu 25 kwietnia (pierwotnie Salazara) przez rzekę Tag w Lizbonie (Portugalia). Rozpiętość najdłuższego przęsła mostu wynosi 1013,0 m, a przęseł skrajnych 2⋅483 m. Dźwigar usztywniający kratownicowy ma wysokość 10,7 m i długość całkowitą 2297 m (rys. 1.30). W owym czasie to rozwiązanie stanowiło rekord długości tego typu konstrukcji. We wnętrzu kratownicy belki usztywniającej tego mostu przeprowadzono linię kolejową o dwóch torach (po przebudowie obiektu w 1999 r.).

Rys. 1.30. Most 25 kwietnia w Portugalii – kolor powłok malarskich został dobrany, aby nawiązywał do mostu Golden Gate

W 1981 roku został wybudowany kolejny rekordowy pod względem parametrów geometrycznych Humber Bridge z głównym przęsłem o rozpiętości 1410 m i skrajnymi przęsłami o rozpiętościach 280,0 m i 530,0 m (rys. 1.31). Warto podać, że przez prawie dwie dekady XX wieku był to obiekt o najdłuższym na świecie przęśle środkowym.

a)

b)

Rys. 1.31. Most Humber Bridge nad ujściem rzek Ouse i Trent w Wielkiej Brytanii

W czerwcu 1998 roku oddano do ruchu most przez Wielki Bełt w Danii (Storebæltsforbindelsen). Stanowi on rekordową do dzisiaj konstrukcję w Europie: rozpiętość przęsła wiszącego wynosi 1624,0 m, a przęseł skrajnych 2 × 535,0 m (rys. 1.32). Światło pionowe ze względu na potrzeby żeglugowe wynosi 65,0 m.

a)

b)

Rys. 1.32. Most wiszący Wielki Bełt w Danii o imponującej rozpiętości głównego przęsła, wynoszącej 1624,0 m

Przedstawiając fakty dotyczące rozwoju światowego mostownictwa stalowego, trudno nie wspomnieć o ciągach komunikacyjnych łączących wyspy japońskie Honsiu i Schikoku, gdzie wybudowano wiele mostów o rekordowych rozpiętościach przęseł. W krótkim czasie powstały trzy trasy łączące te wyspy: Kobe–Naruto (1990 r.), Onomichi–Imabari (1999 r.) i Kojima-Sakaide (1988 r.). Do ich realizacji w 1970 roku powołano zarząd budowy mostów Honsiu-Shikoku. Ze względu na potrzeby komunikacyjne wynikające z rozwoju tych tras w ciągu kilkunastu lat wybudowano wiele imponujących mostów o konstrukcji stalowej. Warto tu wymienić dwa mosty wiszące Kita i Minami Bisan-Seto (rys. 1.33) oraz dwa bliźniacze mosty podwieszone Hitsushijima i Iwakurojima (rys. 1.34). Należy do nich również most Akashi Kaikyō o rekordowej na świecie do dzisiaj rozpiętości przęsła środkowego 1990,80 m.

a)

b)

Rys. 1.33. Widok dwóch mostów wiszących: Kita i Minami Bisa-Seto, o rozpiętościach środkowych przęseł odpowiednio 980,0 m i 1100,0 m, bezpośrednio po ich oddaniu do ruchu

a)

b)

Rys. 1.34. Widok dwóch mostów bliźniaczych o konstrukcji podwieszonej: Hitsushijima i Iwakurojima, każdy o rozpiętości 420,0 m. Widoczny szczegół jednego ze stalowych pylonów o charakterystycznym kształcie z układem olinowania mostu

Nie można tu nie wymienić też mostów powstałych w ostatnim okresie przez Wisłę, tj. mostu łukowego w Puławach (rys. 1.35), a także niedawno oddanego do ruchu mostu stalowego w Toruniu o najdłuższej w Polsce konstrukcji – o dwóch bliźniaczych łukach

a)

b)

Rys. 1.35. Przykłady nowoczesnych stalowych obiektów mostowych charakteryzujących się ciekawymi formami konstrukcyjnymi: most w przez Wisłę w Puławach (po lewej), tzw. Wiadukt Tęcza nad autostradą A2 (po prawej)

2 × 250,0 m. W grupie wymienianych tu obiektów powinny znaleźć się również pokazowe mosty o konstrukcji typu extradosed – przede wszystkim zlokalizowany w Ostródzie (wybudowany w 2017 r.), który jest obecnym rekordzistą Europy w tej klasie obiektów (rozpiętość przęsła 206,0 m). Obiekt ten jest konstrukcją bardziej śmiałą – bo o jednej płaszczyźnie kabli – od mostu w Kwidzynie (który jest drugim w kolejności mostem tego typu w Europie – o rozpiętości przęsła wynoszącej 204,0 m).

Warto wspomnieć także o ciekawych pod względem architektonicznym rozwiązaniach konstrukcji obiektów stalowych, jak chociażby wiadukt nad autostradą A2 – tzw. Wiadukt-Tęcza (rys. 1.35).

W niniejszym rozdziale opisano jedynie skrótowo rozwój mostowego budownictwa stalowego i tylko ważniejsze przykłady, które stanowić mają tło rozwoju tej gałęzi techniki dla przedstawienia tytułowych zagadnień związanych z trwałością mostów wykonanych ze stali. Jeżeli informacje te zainspirowały czytelnika, to temat ten opisano w wielu cennych, często już historycznych pozycjach literaturowych, na przykład [1.7], [1.9], [1.11], [1.19], [1.26], [1.31], [1.32], [1.33], ale również nowo powstających publikacjach, na przykład [1.3], [1.12], [1.14], [1.20], [1.30].

Cenny jest również fakt przedstawiania coraz to nowych, często ważnych i ciekawych szczegółów technicznych oraz fotografii, w tym historycznych z różnych zbiorów, które pojawiają się w wersji cyfrowej na różnych stronach internetowych. Pozwala to na uzyskanie wielu dotychczas nieznanych informacji i szczegółów konstrukcyjnych osobom tym zainteresowanym.

Mosty o konstrukcji stalowej są w dalszym ciągu chętnie budowane z uwagi na ich niezaprzeczalne zalety. Opracowywane są i udoskonalane nowe rozwiązania konstrukcyjne i materiałowe dotyczące zarówno samej konstrukcji, jak i elementów ich wyposażenia. Korzysta się przy tym z najnowszych osiągnięć nauki, a także, co cenne, wykorzystuje się możliwości nowych metod obliczeniowych, co pozwala tworzyć konstrukcje efektywnie wykorzystujące właściwości stali. Szczególnie często konstrukcje stalowe są stosowane w przypadku obiektów o większych rozpiętościach ich przęseł, bądź też o skomplikowanej formie konstrukcyjnej. Na świecie i w Polsce powstaje też dużo kładek dla

a)

b)

Rys. 1.36. Wybrane przykłady kładek dla pieszych i rowerzystów charakteryzujących się ciekawymi formami konstrukcyjnymi: kładka dla pieszych nad autostradą A4 tzw. Krzywy Kij oraz łukowa kładka dla rowerzystów

pieszych często o unikalnych, wcześniej niestosowanych formach architektonicznych [1.13], [1.15], [1.16]. Wybrane przykłady takich obiektów pokazano na rys. 1.36. Właśnie z uwagi na zalety materiałowe stali materiał ten wykorzystuje się do ich budowy.

W celu ilustracji tego ogólnoświatowego trendu coraz większego wykorzystywania stali w mostownictwie, co ma również miejsce w naszym kraju, na rys. 1.37 i 1.38 pokazano statystyczne zestawienie udziału tych konstrukcji. Należy wiedzieć, że w przypadku drogowych obiektów mostowych, z dekady na dekadę, procentowy udział mostów o konstrukcji stalowej sukcesywnie rośnie – szczególnie biorąc pod uwagę statystykę obiektów o większych rozpiętościach.

Rys. 1.37. Statystyczne zestawienie podziału mostowych obiektów drogowych ze względu na materiał konstrukcyjny [1.2]

Rys. 1.38. Statystyczne zestawienie podziału mostowych obiektów kolejowych ze względu na materiał konstrukcyjny [1.2]

W planach światowych są kolejne spektakularne konstrukcje mostowe z zastosowaniem stali do ich budowy. Są to budowle rekordowe, tak pod względem rozpiętości ich przęseł, jak i długości całkowitej obiektów mostowych. Jako przykład można tu wymienić chociażby zaprojektowany, lecz do tej pory niezrealizowany most przez cieśninę Mesyńską, bądź też koncepcję przyszłościowego przekroczenia Gibraltaru – jako połączenia dwóch kontynentów [1.30]. W tych wszystkich przypadkach oprócz właściwie skonstruowanego obiektu, pod względem potrzeb użytkowników, bezpieczeństwa i ich wytrzymałości, równie ważne będzie zapewnienie ich trwałości. Właściwa dbałość o uwzględnienie zagadnień związanych z trwałością przyczyni się do realizacji obiektów pozwalających na ich długą, bezpieczną eksploatację (bez częstych remontów) z korzyścią dla użytkowników, ale też przy niskich kosztach utrzymania. Ponadto właściwa analiza czynników mających wpływ na trwałość umożliwia chociażby częściową eliminację błędnych rozwiązań materiałowych lub konstrukcyjnych [1.37]. Takie podejście wpisuje się w tak ważne dzisiaj zasady zrównoważonego rozwoju oraz wyróżnia się pod względem zalet ekologicznych, co szerzej opisano w dalszej części monografii. Obiekty mostowe – w tym wykonane ze stali – o czym traktuje ta książka, stanowią ogromny majątek narodowy, o który należy pieczołowicie dbać z korzyścią dla nas wszystkich.

Piśmiennictwo do rozdziału 1

[1.1] Bielska A., Bielski M., Przypadek profesora Bryły, Przegląd Techniczny, Dwutygodnik Federacji SNT NOT, 2011.

[1.2] Bień J., Uszkodzenia i diagnostyka obiektów mostowych, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2010.

[1.3] Biliszczuk J., Mosty w dziejach Polski, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2017.

[1.4] Biliszczuk J., Budych L., Rabiega J., Most Grunwaldzki – Kaiserbrücke 1910–2010.Wydawnictwo Mosty Dolnośląskie, Wrocław 2010.

[1.5] Bodarski Z., Dawne tworzywa i konstrukcje żelazne, Budowlany Informator Techniczny (BIT), nr 7/8, 2001, s. 19–22.

[1.6] Borucki M., Wielcy zapomniani. Polacy, którzy zmienili świat, Wydawnictwo MUZA S.A., Warszawa 2015.

[1.7] Brown D.J., Mosty – trzy tysiące lat zmagań z naturą, Arkady 2006.

[1.8] Dąbrowiecki K., Magiczny most Golden Gate, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, styczeń–luty 2009.

[1.9] Denison E., Steward I., How to read Bridges, Herbert Press, London 2012.

[1.10] Dominas P., Mosty kolejowe na Śląsku do 1945 roku, Księży Młyn Dom Wydawniczy, Łódź 2019.

[1.11] Dupré J., Bridges. A history of the world ’s most famous and important spans, Könemann Verlagsgesellschaft mbH, Köln 1998.

[1.12] Dzieszyński R., Zawsze wysoko – z życia niepokornego naukowca, Wydawnictwo Towarzystwa Słowaków w Polsce, Kraków 2009.

[1.13] Flaga A., Mosty dla pieszych, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2011.

[1.14] Flaga K., Mosty – obiekty inżynierskie rozpięte ponad czasem i przestrzenią – cz. 1, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne (NBI), wrzesień–październik 2011.

[1.15] Flaga K., Wysokowski A., Kaszewski R., Kordek E., Kubiak Z., III Światowa Wyprawa Mostowa USA – 2010, Obiekty Inżynierskie, nr 4, 2010.

[1.16] Flaga K., Estetyka konstrukcji mostowych, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2005.

[1.17] Furtak K., Wybrane refleksje na temat rozwoju nauki i techniki – wczoraj, dziś i jutro, Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2019 .

[1.18] Głomb J., Człowiek z pogranicza epok, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1981.

[1.19] Głomb J., Pontifex Maximus. Ponad przestrzenią i czasem, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1997.

[1.20] Głomb J., Furtak K., XXI wiek. Nowa rola nauki i techniki, Kraków 2018.

[1.21] Królikowski A., Konstrukcje stalowe wczoraj i dziś. Część I. Konstrukcje metalowe w starożytności, Konstrukcje Stalowe, nr 3 (55), 2002.

[1.22] Królikowski A., Konstrukcje stalowe wczoraj i dziś. Część II. Mosty, Konstrukcje Stalowe, nr 4 (56), 2002.

[1.23] Łagiewski M., Mosty Wrocławia, Ossolineum, Wrocław 1989.

[1.24] Łagoda M., Zalecenia dotyczące stosowania w budownictwie mostowym nowych gatunków i asortymentów stali, GDDKiA-IBDiM, Warszawa 2002.

[1.25] Madaj A., Wołowicki W., Budowa i utrzymanie mostów, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2007.

[1.26] Moy M., Sydney Harbour Bridge. Idea of icon, Alpha Orion Press, Ashgrove 2010.

[1.27] Rabiega J., Pierwsze mosty spawane, Archiwum mostownictwa w Polsce, zeszyt nr 4. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2019.

[1.28] Rabiega J., Rymsza B., Most Kierbedzia na Wiśle w Warszawie – historia i badania gatunku stali, Materiały Budowlane, nr 4, 2016.

[1.29] Radomski W., Symbolika Mostów, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2014.

[1.30] Radomski W., Dokąd zmierza mostownictwo? Świat i Polska. Część 1. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, listopad–grudzień 2019.

[1.31] Roldán-Riejos A., Therapeutic Metaphors in Engineering: How to cure a building structure, s. 173–191 [w:] Johannesson N.L. and Minugh D.C. (2014) ISBN: 978-91-87235-65-8.

[1.32] Shapiro Mary J., A Picture History of the Brooklyn Bridge, Dover Publications, 1983.

[1.33] Szolginia W., Cuda inżynierii, Wydawnictwa Alfa, Warszawa 1987.

[1.34] Wysokowski A., Modernizacja mostu Golden Gate, Inżynier Budownictwa, nr 7, 2011.

[1.35] Wysokowski A., Most na kryzys – Sydney Harbour Bridge, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, lipiec–sierpień 2009.

[1.36] Praca zbiorowa, Międzynarodowe sympozjum „Most Tczewski – Ratowanie technicznego dziedzictwa zjednoczonej Europy”, Bernardinum, Pelplin 2016.

[1.37] Radomski W., Katastrofy mostów, historia i teraźniejszość, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2021.

2

Trwałość mostów stalowych

2.1. Wprowadzenie

2.2. Stan techniczny obiektów mostowych w Polsce

2.3. Trwałość pomostów w mostach stalowych

2.4. Trwałość połączeń w mostach stalowych

2.5. Trwałość obiektów gruntowo-powłokowych ze stalowych blach falistych

2.6. Czynniki wpływające na trwałość mostów stalowych

2.7. Ocena i miary stanu technicznego mostów w ujęciu teoretycznym i praktycznym

2.8. Opis degradacji mostów stalowych

Piśmiennictwo do rozdziału 2

2.1. Wprowadzenie

Przez pojęcie „trwałości budowli”, w tym wypadku mostów stalowych, rozumie się zdolność do spełniania przez określony czas wymagań użytkowych w warunkach oddziaływania określonych czynników, bez wyraźnego obniżenia właściwości użytkowych lub wystąpienia nadmiernych kosztów użytkowych [2.38], [2.133].

Trwałość jest funkcją właściwości użytkowych materiałów, projektu i wykonawstwa oraz oddziaływań na most, jak również sposobu jego użytkowania i poziomów utrzymania. Trzeba zwrócić uwagę na fakt, że utrzymanie mostu wiąże się z określonymi wydatkami.

Trwałość mierzona jest okresem eksploatacji, podczas którego wybrana właściwość użytkowa lub zespół takich właściwości nie ulegnie degradacji poniżej założonego poziomu dopuszczalnego, którego miernikiem są stany graniczne nośności i stany graniczne użytkowania [2.118].

Według Instrukcji Europejskiej dotyczącej Zarządzania Mostami z 1991 roku [2.23] definiowane są następujące rodzaje trwałości:

• funkcjonalna, związana ze skrajnią, nośnością, oznaczająca normatywność,

• ekonomiczna, osiągnięta, gdy koszt remontu przekracza pewną przyjętą wartość,

• strukturalna, związana z cechami materiału konstrukcji,

• użytkowa – eksploatacyjna, wyczerpanie jej to osiągnięcie przez obiekt krytycznie niskiej oceny.

Czas od wykonania konstrukcji mostu do momentu, kiedy właściwości użytkowe osiągną minimalny dopuszczalny poziom, nazywamy okresem użytkowania lub też żywotnością. Okres ten może być osiągnięty albo przez zaprojektowanie i wykonanie bardzo trwałej konstrukcji, albo poprzez odpowiednie utrzymanie i remonty w czasie użytkowania mostu [2.42], [2.88], bądź też przez obie te czynności równocześnie.

Jako znakomicie przedstawiające problem trwałości i wprowadzenie do tej tematyki może służyć fragment referatu prof. Henryka Czudka z Konferencji, która odbyła się w 1983 roku (czyli cztery dekady temu) w Krakowie pt. „Metody oceny stanu technicznego mostów” (zorganizowana przez SITK, IBDiM i Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN), w której autor miał okazję uczestniczyć. Treść merytoryczna i techniczna przytoczonego poniżej fragmentu tego referatu sprzed wielu lat, nie straciła nic na swojej aktualności, cytuję:

Korozja stali jest problemem podstawowym utrzymania mostów stalowych. Na ochronie bezpośredniej przed korozją zagadnienie się nie kończy. Sądzić należy, iż utrzymanie w sprawności systemu odwodnienia mostu oraz ewentualna jego sanacja ma niezmiennie duże znaczenie. Każdy obiekt mostowy musi mieć opracowany system odprowadzenia wód opadowych z mostu, system ten musi być znany utrzymującemu. Na znajomości tego systemu należy oprzeć plan zabiegów okresowych mających na celu utrzymanie pełnej sprawności tego znanego systemu. Plan zabiegów uzupełniony musi być planem kontroli. Zmiany systemu muszą być ewidencjonowane. Dużą rolę w utrzymaniu mostów oraz w zabezpieczeniu właściwych warunków ruchu na moście odgrywają dylatacje. Muszą być one sprawne, szczelne, zapewniać względny komfort przejazdu. Systemów dylatacji jest wiele. Zawsze można dobrać lepszy lub gorszy system, lecz o jego pracy decydować będą warunki, w jakich wbudowano go w obiekt oraz jakość zabiegów utrzymujących ten system. Dylatacje nie wymagające żadnych zabiegów utrzymujących, istnieją jedynie w katalogach firm, które je produkują oraz w świadomości niektórych osób odpowiedzialnych za ich utrzymanie.

Podobną rolę odgrywają łożyska mostów stalowych. W praktyce widziałem liczne mosty uszkodzone, w których winę za taki właśnie stan ponosiły wadliwie wbudowane lub utrzymane łożyska. Podobne obiekty oglądałem również w krajach o wysokiej kulturze utrzymania mostów. Jest to więc, jak widać, problem istotny, w kraju raczej niedoceniany. Warto też uświadomić sobie fakt dużego znaczenia stanu łożysk w mostach wybudowanych na terenach szkód górniczych. Obszarów takich jest w Polsce wiele, zresztą z czasem obszarów takich przybywa. Łożyska winny mieć konstrukcję zabezpieczającą je od wpływów atmosferycznych. Łożyska ruchome muszą być zaopatrzone w specjalne wskaźniki podające parametry ich wbudowania oraz położenie dopuszczalne. Wskaźniki muszą pozwalać na odczytywanie położenia łożysk z brzegu, na przykład za pomocą lornetki. Nowoczesne łożyska sferyczne (kalotowe) oraz neoprenowe powinny mieć wskaźniki ułatwiające odczytywanie maksymalnych kątów obrotu.

Bardzo istotne jest opracowanie schematu organizacyjnego dokonywania oględzin oraz kontroli za pomocą specjalnych przyrządów pomiarowych stanu obiektu lub jego wybranych elementów. Oględziny takie winny między innymi pozwalać na stwierdzenie, czy nie pojawiły się rysy zmęczeniowe. Należy szczególnie starannie obserwować miejsca o silnej koncentracji naprężeń lub o nagłych zmianach przekroju. Są to na przykład nity i śruby skrajne, początki spoin, miejsca krzyżujących się spoin, przewiązki krzyżulców, miejsca, w których przyspawano drobne elementy itp.

Szczególnie starannie należy kontrolować elementy pomostu. Na zakończenie powyższego krótkiego artykułu wypada zwrócić uwagę, iż o skuteczności zabiegów utrzymujących most oraz o nakładach ponoszonych na jego utrzymanie w dużej mierze decyduje już projekt. Winien on być opracowany z myślą o tym, iż most wymagać będzie zabiegów utrzymujących. Wraz z projektem mostu muszą być zaprojektowane ewentualne urządzenia pomocnicze, niezbędne do prac konserwacyjnych. Będą to wózki, przestawne bariery ochronne, wysięgniki itp. Są one integralną częścią obiektu.

O tym, czy utrzymanie obiektu będzie łatwe i tanie, decydują też funkcje dodatkowe, jakie niektóre mosty spełniają. Obiekty nasycone urządzeniami obcymi, rurociągami, gazociągami i wiązkami kabli są trudne do właściwego utrzymania. Z punktu widzenia komunikacyjnego korzystniejsze byłoby budowanie mostów o możliwie małym potencjale urządzeń obcych [2.28].

Muszę szczerze przyznać, że na referat ten natknąłem się w swoim archiwum, już po napisaniu większości tekstu na temat zagadnień dotyczących niniejszej książki i zaskoczyła mnie zgodność oraz zadziwiająca aktualność problematyki, którą prof. Czudek przedstawił przed kilkudziesięcioma laty, pomimo wdrożenia dzisiaj nowych materiałów, nowoczesnych technologii, zaawansowanego technicznie sprzętu, zasad zarządzania, ekonomii i obecnego stanu wiedzy. Dlatego też stwierdzam, że tekst ten i uwagi w nim zawarte stanowią istotę omawianych problemów na temat trwałości mostów stalowych, które przewijają się przez całe moje zawodowe życie związane z obiektami mostowymi.

Dodam z nieskrywaną dumą, że z prof. Czudkiem miałem okazję wiele lat współpracować i był on jednym z moich wspaniałych „nauczycieli” mostownictwa stalowego, bez których z pewnością nie powstałaby ta książka.

Eksploatowane w kraju stalowe obiekty mostowe są już często zaawansowane wiekowo i w związku z tym charakteryzują się m.in. przestarzałymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi, które sprawiają, że są one szczególnie „wrażliwe” na działanie korozji.

Najczęściej mamy również do czynienia z niedostatecznym utrzymaniem obiektów mostowych, a objawia się to m.in. złym stanem powłok antykorozyjnych, co prowadzi do nieuchronnego postępu zjawisk korozyjnych.

W tabeli 2.1 zestawiono ważniejsze czynniki mające bezpośredni wpływ na trwałość konstrukcji mostowych.

Tabela 2.1. Ważniejsze czynniki mające wpływ na trwałość obiektów mostowych

Materiał elementów konstrukcyjnych

Problemy eksploatacyjne

Stal

• zjawiska korozyjne:

– korozja powierzchniowa,

– korozja wżerowa,

– korozja szczelinowa,

– korozja naprężeniowa,

• zmęczenie,

• problemy z połączeniami elementów konstrukcyjnych,

• imperfekcje wykonawcze.

Beton

(w mostach o konstrukcji zespolonej, stalowo-betonowej)

• zjawiska korozyjne:

– korozja spowodowana karbonatyzacją,

– korozja spowodowana chlorkami,

• mrozoodporność betonu,

• reaktywność alkaliczna kruszywo/cement,

• agresja chemiczna gruntów lub wody gruntowej (w konstrukcjach fundamentów),

– zjawisko skurczu,

– zjawisko pełzania.

Jak ogólnie wiadomo, obiekty mostowe projektuje się na podstawie norm, wytycznych i zaleceń zatwierdzonych przez władze państwowe, zgodnie z ogólnie przyjętymi zasadami postępowania. Tym samym dokumenty te mają też istotny wpływ na trwałość jak pozostałe elementy tego procesu budowlanego oraz późniejszej eksploatacji. Pokazano to schematycznie poniżej [2.123]:

• WYMAGANIA ↓

• PROJEKTOWANIE ↓

• WYKONAWSTWO ↓

• JAKOŚĆ PRAC ODBIOROWYCH ↓

• CZĘSTOTLIWOŚĆ I JAKOŚĆ PRAC UTRZYMANIOWYCH.

Czyli jak widać z powyższego uproszczonego schematu, trwałość eksploatacyjna obiektu mostowego – w tym o konstrukcji stalowej – jest funkcją, którą tworzą zależnie od siebie:

• dokumentacja projektowa,

• sposób i jakość wykonania obiektu,

• oddziaływania – obciążenia obiektu mostowego (w tym ponadnormatywne),

• warunki środowiskowe,

• poziom utrzymania i częstotliwość wykonywania właściwych przeglądów technicznych,

• jakościowy poziom prac i zabiegów utrzymaniowych, a także rewitalizacyjnych i remontowych oraz właściwy odbiór tych prac przy odpowiednich nakładach finansowych.

Od ponad dwóch dekad w zagadnieniach związanych z trwałością obiektów – w tym również mostów stalowych, zaczęto uwzględniać również zasady związane z cyklem życia konstrukcji (ang. life cycle assesment, LCA).

Postulat zrównoważonego rozwoju stał się powszechny po ogłoszeniu przez ONZ w 1987 roku raportu World Commission on Environment and Development przez Dr Gro Harlem Brundtland, pełniącą funkcję premiera Norwegii. W swobodnym tłumaczeniu ten postulat można wyrazić następująco:

Rozwój mający na celu zaspokojenie aspiracji obecnego pokolenia z zachowaniem możliwości zaspokojenia tych samych aspiracji przez przyszłe pokolenia.

Zawarta w tej definicji wizja rozwoju uwzględnia zarówno populację ludzką, jak i świat zwierząt i roślin, ekosystemy, zasoby naturalne ziemi (wodę, powietrze, surowce energetyczne), a więc w sposób zintegrowany traktuje najważniejsze wyzwania stojące przed naszą cywilizacją [2.20].

Budownictwo jest dziedziną, w której wykorzystywana jest znacząca część energii wytwarzanej na świecie, zarówno przy wznoszeniu budowli, jak i podczas ich eksploatacji. Także poważna ilość zanieczyszczeń powstaje przy produkcji materiałów budowlanych, a zwłaszcza cementu, na przykład przemysł budowlany odpowiada za 7% światowej emisji CO₂ [2.89]. Z drugiej strony, różnego rodzaju odpady przemysłowe mogą być spożytkowane w obiektach budowlanych, aby zmniejszyć zużycie surowców naturalnych, co się powszechnie czyni. Wiele wymagań, wynikających ze zrównoważonego rozwoju może dotyczyć budownictwa, w tym w aspekcie poprawy trwałości obiektów budowlanych. Jest oczywiste, że zastąpienie obiektu, który okazał się nietrwały, wymaga zużycia dodatkowych ilości materiałów i energii, podobnie jak zbyt częste i poważne naprawy czy remonty. Obiekt, który spełnia swoje podstawowe funkcje przez 50 lat okazuje się znacznie oszczędniejszy od podobnego, który trzeba wymienić dwukrotnie w tym samym okresie. Poprawa trwałości prowadzi nie tylko do ograniczenia negatywnego wpływu na środowisko przy wznoszeniu obiektu, ale także do zmniejszenia kosztów utrzymania i zwiększenia bezpieczeństwa użytkowania [2.20].

2.2. Stan techniczny obiektów mostowych w Polsce

2.2.1. Stan techniczny mostów drogowych

Drogowe obiekty mostowe stanowią szczególne punkty na mapie sieci dróg publicznych, które często decydują o ich przydatności eksploatacyjnej. Stan techniczny mostów należy więc do zasadniczych warunków określających możliwość korzystania z dróg zgodnie z ich przeznaczeniem. Poniżej oprócz danych dotyczących stanu technicznego drogowych obiektów mostowych w Polsce przedstawiono również dane opisujące zmianę stanu ilościowego oraz funkcjonalnego mostów w funkcji czasu.

Stan ilościowy

Zgodnie z archiwalnymi danymi o stanie ilościowym mostów na sieci dróg publicznych z 1994 roku [2.110] w Polsce eksploatowanych było 28 765 mostów drogowych o łącznej długości 547 941 m, z czego większość znajdowała się na ówczesnych drogach wojewódzkich. Stan ewidencyjny mostów na drogach publicznych w tym okresie przedstawiono w tabeli 2.2.

Tabela 2.2. Stan ewidencyjny obiektów mostowych w Polsce (dane z roku 1994 r.) [2.110]

Rodzaj dróg

Budżet

Liczba

[szt.]

Długość

konstrukcji

[m]

Powierzchnia

[m²]

Zamiejskie

krajowe

centralny

6710

174941

2012127

wojewódzkie

wojewody

9800

138045

1075254

gminne

gminy

7744

85167

b.d.

Miejskie

krajowe

wojewody

4511

149788

1660172

wojewódzkie

wojewody

lokalne miejskie

gminy

W wyniku analiz dostępnych danych w raporcie [2.110] stwierdzono, że przeciętna długość konstrukcji mostu wynosiła ok. 17 m, a średnia odległość pomiędzy obiektami mostowymi ok. 12 km.

W przypadku obiektów mostowych usytuowanych nad dużymi rzekami, takimi jak Wisła, Odra, Bug, Warta, Narew, Dunajec, San, Pilica oraz Soła, odległości pomiędzy poszczególnymi mostami często przekraczały 50 km. Zaliczały się one do obiektów mostowych o długości większej niż 200 m i stanowiły prawie połowę tej grupy obiektów (90 ze 182 mostów).

Kolejne dane ewidencyjne zestawiono w tabeli 2.3. Dotyczą one obiektów mostowych, z wyłączeniem przepustów, na drogach publicznych w Polsce w 2002 roku.

W 2014 roku na sieci dróg publicznych o długości całkowitej 412,3 tys. km znajdowały się 35 043 obiekty mostowe o łącznej długości 550 tys. metrów [2.164]. Stan ewidencyjny obiektów mostowych w Polsce w 2014 roku przedstawiono w tabeli 2.4. Jednak

Tabela 2.3. Stan ewidencyjny obiektów mostowych (bez przepustów) na drogach publicznych w Polsce w 2002 r. [2.11]

Kategoria dróg

Długość dróg [km]

Obiekty inżynierskie

Liczba jednostek zarządzających

Liczba obiektów

[szt.]

Długość obiektów

[m]

Krajowe

18 120

3517

144 685

1

Wojewódzkie

28 465

3491

65 235

16

Powiatowe

127 793

9167

130 611

308

Gminne

197 351

7744

95 726

2489

Miejskie

5090

127 883

65

Razem

371 729

29009

564 140

2876

ze względu na stwierdzone nieprawidłowości w przekazywaniu danych o zasobie drogowych obiektów mostowych przez zarządców dane te mogą być zaniżone. Wynika to z faktu, że Zarządy Dróg nie przestrzegały obowiązku przekazywania corocznych raportów o stanie sieci dróg publicznych do Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad. W skali kraju ponad 400 z ok. 2800 zarządców dróg w ogóle nie złożyło informacji o stanie sieci drogowej i znajdujących się na niej obiektach mostowych [2.164].

Według danych statystycznych udostępnionych przez GDDKiA [2.79] na sieci dróg publicznych o długości całkowitej równej ok. 420 tys. km znajduje się prawie 36 tys. obiektów mostowych (stan na 2017 r.). Natomiast na sieci dróg krajowych o całkowitej długości równej 19,3 tys. km usytuowanych jest ponad 7 tys. obiektów mostowych o łącznej długości ponad 400 tys. metrów.

Tabela 2.4. Stan ewidencyjny obiektów mostowych w Polsce w 2014 r. [2.164]

Rodzaj dróg

Liczba [szt.]

Krajowe

7609

Wojewódzkie

3862

Powiatowe

11739

Gminne

11833

Razem

35043

Na rysunku 2.1 pokazano wykres utworzony na podstawie danych statystycznych dotyczących wzrostu liczby obiektów mostowych na drogach krajowych w latach 2002–2017. Wśród ogólnej liczby obiektów zarządzanych przez GDDKiA ponad 250 to obiekty o długości większej niż 200 m.

Rys. 2.1. Zmiana liczby obiektów mostowych w ciągu dróg krajowych w latach 2002–2017 [2.109]

Na rysunku 2.2 zestawiono procentowy udział mostów, wiaduktów, kładek dla pieszych, estakad, przejść podziemnych i tuneli w ogólnej liczbie obiektów inżynierskich w zasobie GDDKiA w 2011 roku i 2016 roku. Mosty oraz wiadukty stanowiły większość obiektów. Wraz z upływem czasu odnotowano jednak proporcjonalny spadek udziału mostów oraz wzrost udziału wiaduktów w ogólnej liczbie obiektów.

Rys. 2.2. Udział poszczególnych rodzajów obiektów inżynierskich w ogólnej liczbie obiektów zarządzanych przez GDDKiA w 2011 roku i 2016 roku [2.79]

Na rysunku 2.3 pokazano wykres ilustrujący zmianę liczby obiektów mostowych o określonym głównym materiale konstrukcyjnym ustroju nośnego w latach 2008–2017. Z wykresu wynika, że udział obiektów stalowych w ogólnej licznie obiektów mostowych na drogach krajowych jest stały w podanym okresie, ale bezwzględna ich liczba sukcesywnie rośnie. Zaobserwowano również wzrost udziału konstrukcji z betonu sprężonego i spadek udziału konstrukcji z betonu zbrojonego.

Rys. 2.3. Zmiana liczby obiektów mostowych o określonym głównym materiale konstrukcyjnym ustroju nośnego w latach 2008–2017 [2.109]

Stan techniczny

Na stan techniczny drogowych obiektów mostowych wpływa szereg uwarunkowań, wśród których można wyróżnić trzy podstawowe grupy zagrożeń.

Pierwszą z nich stanowią zagrożenia wynikające z oddziaływania ruchu drogowego. Przejazdy pojazdów ciężkich, z ponadnormatywnymi obciążeniami na osie lub o zwiększonych gabarytach, a także pojazdów rozwijających duże prędkości, destrukcyjnie wpływają na obiekty mostowe, powodując zwiększone oddziaływania dynamiczne na konstrukcje oraz wzrost naprężeń w ich elementach. Każdorazowy przejazd obciążenia ponadnormatywnego może powodować powstawanie trwałych odkształceń konstrukcji, początkowo niewidocznych, ale sumujących się w czasie. Ruch takich pojazdów w konsekwencji przyspiesza więc proces niszczenia konstrukcji mostowych i skraca ich przydatność użytkową, szczególnie przy ich dużej liczbie [2.137].

Następną grupę stanowią zagrożenia wynikające ze zmian warunków atmosferycznych oraz zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Szczególnie niekorzystny i destrukcyjny wpływ na konstrukcje mostowe wywiera używanie zimą środków chemicznych do zwalczania oblodzenia nawierzchni jezdni, które przyspieszają procesy korozyjne na powierzchni elementów konstrukcji, a także częste wahania temperatury w okolicach 0°C, powodujące w ciągu roku wielokrotne zamarzanie i rozmarzanie wody znajdującej się w szczelinach konstrukcji obiektu. Na obiekty mostowe negatywnie oddziałują również zanieczyszczenia powietrza, zwłaszcza związki siarki, których zawartość w atmosferze wzrasta wraz z rozwojem przemysłu. Podpory mostów narażone są na szkodliwe działanie zanieczyszczeń występujących w ciekach wodnych, do których należą chemiczne zanieczyszczenia przemysłowe, czy też związki amonu, występujące ze względu na stosowanie nawozów sztucznych w rolnictwie. Uszkodzenia powodują także powodzie i erozje dna, występujące zwłaszcza na nieuregulowanych rzekach, spływy lodów oraz szkody spowodowane eksploatacją górniczą.

Istotne są również uwarunkowania wynikające z naturalnego zużycia konstrukcji, przyjętych rozwiązań konstrukcyjnych oraz jakości zastosowanych materiałów, w tym zjawisko starzenia oraz niejednorodność parametrów wytrzymałościowych użytych materiałów.

W rezultacie nakładania się różnych destrukcyjnych czynników może nastąpić zbyt szybkie powstawanie uszkodzeń konstrukcji oraz utrata pierwotnych parametrów technicznych obiektu. Wiąże się to ze wzrostem kosztów utrzymania oraz koniecznością zwiększenia częstotliwości wykonywania zabiegów utrzymaniowych, prac remontowych i przebudów obiektów mostowych.

Zapewnienie użytkownikom dróg publicznych bezpieczeństwa ruchu wymaga od zarządców dróg stałego zaangażowania w dbanie o stan techniczny podległej infrastruktury. Podstawą bieżącego utrzymania powinno być w pierwszej kolejności zbieranie, gromadzenie i przetwarzanie informacji o aktualnym stanie technicznym wszystkich zarządzanych obiektów, co jest możliwe dzięki regularnemu przeprowadzaniu przeglądów (por. p. 2.7.4) [2.24]. Prowadzenie okresowych kontroli stanu obiektów inżynierskich jest obowiązkiem ustawowym [2.138], [2.139]. Od 1991 roku obiekty mostowe poddawane są regularnym przeglądom, a ich wyniki ewidencjonuje się w odpowiednim module Systemu Gospodarki Mostowej (por. podrozdz. 8.2), który stanowi system wspomagający zarządzanie drogowymi obiektami inżynierskimi. Dane uzyskiwane corocznie z kontrolowanych obiektów mostowych stanowią bazę statystyczną pozwalającą na rejestrację procesów postępującej degradacji stanu technicznego poszczególnych obiektów, ocenę skuteczności wykonanych zabiegów utrzymaniowych, a w efekcie celowości i efektywności wydatkowania środków budżetowych na utrzymanie infrastruktury mostowej [2.24], [2.50].

W tabeli 2.5 zestawiono średnie oceny stanu technicznego obiektów mostowych w Polsce w 1994 roku w zależności od rodzaju dróg. Oceny te nie przekraczają wartości 3,0, a najlepszy stan techniczny wykazywały obiekty mostowe usytuowane na drogach krajowych poza terenem miast.

Tabela 2.6. zawiera z kolei zestawienie średnich ocen elementów statystycznej bazy obiektów mostowych zarządzanych przez GDDKiA w latach 2011–2016. Można zauważyć ogólną tendencję wzrostową ocen przyznawanych poszczególnym elementom konstrukcyjnym oraz wyposażenia obiektów (np. dotyczy to ocen stanu konstrukcji pomostu oraz dźwigarów głównych). Najniższe oceny odnotowano dla takich elementów jak przeguby (2,778), urządzenia dylatacyjne (3,113), czy też izolacja pomostu (3,256). Średnie oceny obiektów mostowych zarządzanych przez GDDKiA zestawiono także na rys. 2.4. Na wykresie pokazano średnie oceny obiektów odnotowane w trakcie przeglądów stanu technicznego mostów drogowych w latach 2006–2016.

Tabela 2.5. Średnie oceny stanu technicznego obiektów mostowych w Polsce w 1994 roku [2.110]

Rodzaj dróg

Ocena stanu technicznego

Zamiejskie

krajowe

2,913

wojewódzkie

2,725

gminne

b.d.

Miejskie

krajowe

2,619

wojewódzkie

lokalne miejskie

Tabela 2.6. Zestawienie średnich ocen elementów statystycznej bazy obiektów mostowych według inspekcji GDDKiA w latach 2011–2016 [2.80]

Element

Średnia ocena elementu w poszczególnych latach

2011

2012

2013

2014

2015

2016

Nasypy i skarpy

3,299

3,394

3,370

3,426

3,537

3,599

Dojazdy w obrębie skrzydeł

3,634

3,711

3,636

3,518

3,642

3,607

Nawierzchnia jezdni

3,659

3,746

3,673

3,548

3,762

3,695

Nawierzchnia chodników

3,132

3,257

3,252

3,216

3,308

3,421

Balustrady, bariery ochronne

3,495

3,555

3,539

3,532

3,621

3,728

Belki podporęczowe, gzymsy

3,209

3,225

3,200

3,274

3,415

3,461

Urządzenia odwadniające

3,126

3,173

3,228

3,297

3,414

3,560

Element

Średnia ocena elementu w poszczególnych latach

2011

2012

2013

2014

2015

2016

Izolacja pomostu

2,720

2,768

2,742

3,160

3,066

3,256

Konstrukcja pomostu

3,421

3,453

3,456

3,544

3,587

3,709

Konstrukcja dźwigarów

3,333

3,382

3,413

3,545

3,579

3,639

Łożyska

3,348

3,437

3,405

3,536

3,659

3,771

Urządzenia dylatacyjne

2,750

3,039

3,029

2,946

3,124

3,113

Przyczółki i ich fundamenty

3,345

3,348

3,390

3,417

3,549

3,553

Filary i ich fundamenty

3,518

3,456

3,558

3,597

3,615

3,594

Koryto cieku wodnego

3,432

3,460

3,451

3,489

3,657

3,767

Przeguby

2,964

2,905

2,952

2,857

2,810

2,778

Konstrukcje oporowe

3,307

3,260

3,430

3,359

3,238

3,351

Urządzenia ochrony środowiska

3,500

3,333

3,750

3,600

3,667

3,667

Zakotwienie cięgien

3,700

3,700

3,500

3,400

3,667

4,000

Cięgna

3,667

3,600

3,600

3,750

4,300

4,250

Urządzenia obce

3,023

3,123

3,281

3,351

3,231

3,292

Schody

3,750

3,813

3,500

3,500

3,242

3,317

Wózki rewizyjne

3,500

3,500

3,500

3,667

3,833

3,500

Średnia ocena elementów

3,341

3,376

3,385

3,414

3,501

3,549

Rys. 2.4. Zestawienie średnich ocen obiektów mostowych w ciągu dróg krajowych w latach 2006–2016 [2.80]

W kolejnej tabeli 2.7 przedstawiono zestawienie średnich ocen elementów obiektów mostowych zarządzanych przez GDDKiA, będących wynikiem inspekcji przeprowadzonych w 2017 roku. Wyraźna różnica ocen elementów w porównaniu z wynikami zestawionymi w tabeli 2.6 wiąże się z zakresem analizowanych obiektów. Dane do 2016 roku obejmowały oceny stanu technicznego „statystycznej bazy obiektów mostowych GDDKiA”, czyli wybranej grupy obiektów w liczbie ok. 3% wszystkich obiektów mostowych zarządzanych przez GDDKiA [2.80]. Znaczna część elementów obiektów mostowych w 2017 roku uzyskała średnią ocenę wyższą niż 4,0, a średnia ocena wszystkich elementów wynosi 4,23. Wiąże się to prawdopodobnie z inwestycjami infrastrukturalnymi, w wyniku których powstają nowe obiekty mostowe oraz ze stopniowym zwiększaniem poziomu utrzymania obiektów na drogach krajowych. Najgorzej w tej statystyce wypadły urządzenia dylatacyjne i przeguby, które uzyskały ocenę poniżej 4,0.

Tabela 2.7. Zestawienie średnich ocen elementów obiektów mostowych zarządzanych przez GDDKiA w roku 2017 [109]

Element

Średnia ocena elementu w 2017 roku

Nasypy i skarpy

4,11

Dojazdy w obrębie skrzydeł

4,26

Nawierzchnia jezdni

4,30

Nawierzchnia chodników

4,06

Balustrady, bariery ochronne

4,21

Belki podporęczowe, gzymsy

4,06

Urządzenia odwadniające

4,08

Izolacja pomostu

4,60

Konstrukcja pomostu

4,42

Konstrukcja dźwigarów

4,24

Łożyska

4,31

Urządzenia dylatacyjne

3,85

Przyczółki

4,06

Filary

4,28

Koryto cieku wodnego i przestrzeń podmostowa

4,24

Przeguby

3,89

Konstrukcje oporowe i skrzydełka

4,38

Urządzenia ochrony środowiska

4,51

Zakotwienie cięgien

4,35

Cięgna

4,45

Urządzenia obce

4,12

Drogi krajowe stanowią ok. 4,6% wszystkich dróg publicznych i tworzą sieć systemu transportowego Polski. Jednocześnie szacuje się, że na tych drogach odbywa się ponad 40% ruchu drogowego w Polsce [2.24]. W wyniku przeprowadzonej kontroli poziomu zarządzania obiektami mostowymi przez administrację drogową Najwyższa Izba Kontroli wykazała, że najlepiej zarządzane obiekty znajdują się na drogach krajowych [2.164]. Częściowo z obowiązku wywiązywali się również zarządcy dróg wojewódzkich. Natomiast zarządcy pozostałych kategorii dróg często nie realizowali nałożonych na nich zadań dotyczących bezpieczeństwa i sprawności ruchu. Kontrola NIK wskazuje, że im niższa kategoria drogi, tym gorszy stan techniczny mostów i innych obiektów inżynierskich. W każdej skontrolowanej gminie od 35% do 90% mostów było w złym stanie technicznym. Dodatkowo na 339 obiektów skontrolowanych przez NIK w co trzecim nie były usuwane nawet uszkodzenia zagrażające bezpieczeństwu ruchu lub grożące katastrofą budowlaną.

Kontrola wykazała również, że w 2014 roku aż 404 zarządców dróg samorządowych nie złożyło pełnego sprawozdania na temat liczby i stanu technicznego zarządzanych obiektów mostowych, co zniekształciło dane na temat rzeczywistej liczby eksploatowanych mostów na drogach publicznych. Stąd też najwięcej dostępnych danych statystycznych dotyczy dróg krajowych, będących pod zarządem GDDKiA.

Na rysunkach 2.5–2.12 pokazano kolejne zestawienia danych dotyczących obiektów mostowych w ciągu dróg krajowych. Wykres na rys. 2.5 ilustruje oceny główne, dotyczące całego obiektu mostowego, „statystycznej bazy obiektów mostowych GDDKiA” w latach 2006–2016. Na rysunkach 2.6 i 2.7 zestawiono natomiast średnie i główne oceny obiektów mostowych pełnego zakresu obiektów zarządzanych przez GDDKiA.

Na rysunku 2.8 pokazano liczbę obiektów mostowych zarządzanych przez GDDKiA o określonej ocenie średniej stanu technicznego w ujęciu procentowym w 2017 roku, a na rys. 2.9 liczbę obiektów o określonej ocenie głównej. Obiektom stanowiącym prawie 96% całej badanej populacji w trakcie przeprowadzonych przeglądów w 2017 roku przyznano oceny mieszczące się w dwóch górnych przedziałach oceny głównej stanu technicznego, z czego ok. 68% z nich mieści się w najwyższym przedziale ocen od 4 do 5 [2.109]. Niewiele ponad 4% obiektów mostowych otrzymało oceny główne z dwóch kolejnych przedziałów, przy czym tylko 0,3% z przedziału od 1 do 1,99. Żaden z obiektów mostowych GDDKiA nie został oceniony w 2017 roku na najniższym poziomie ocen od 0 do 0,99.

Rys. 2.5. Zestawienie ocen całego obiektu mostowego (ocen głównych), dla obiektów w ciągu dróg krajowych w latach 2006–2016 [2.80]

Rys. 2.6. Zmiana oceny średniej stanu technicznego obiektów mostowych zarządzanych przez GDDKiA w czasie (lata 2006–2017) [2.109]

Rys. 2.7. Zmiana oceny głównej stanu technicznego obiektów mostowych zarządzanych przez GDDKiA w czasie (lata 2006–2017) [2.109]

Rys. 2.8. Liczba obiektów mostowych zarządzanych przez GDDKiA o określonej ocenie średniej stanu technicznego w ujęciu procentowym w 2017 roku [2.109]

Rys. 2.9. Liczba obiektów mostowych zarządzanych przez GDDKiA o określonej ocenie głównej stanu technicznego w ujęciu procentowym w 2017 roku [2.109]

W tabeli 2.8 porównano liczbę obiektów mostowych zarządzanych przez GDDKiA o określonej ocenie głównej w ujęciu procentowym w 2016 roku i 2017 roku. Stwierdzono niewielki spadek oceny głównej w stosunku do 2016 roku (ocena 3,90 wobec 3,92), spowodowany zmniejszeniem procentowej liczby obiektów w najlepszym stanie technicznym (przedział ocen od 4 do 5) i zwiększeniem procentowej liczby obiektów w niższych przedziałach ocen stanu technicznego (głównie w przedziale ocen od 3 do 3,99). Przyczyn niewielkiego spadku oceny stanu technicznego obiektów mostowych GDDKiA w 2017 roku w stosunku do 2016 roku można upatrywać w relatywnie mniejszej liczbie nowych obiektów mostowych oddanych do użytkowania w latach poprzedzających, przy naturalnym wzroście poziomu wyeksploatowania pozostałych obiektów [2.109].

Tabela 2.8. Zmiana rok do roku liczby obiektów mostowych o określonej ocenie głównej stanu technicznego w ujęciu procentowym [2.109]

Ocena główna

Liczba obiektów o określonej ocenie głównej [%]

Różnica w liczbie obiektów o określonej ocenie głównej [%]

2016

2017

4–5

68,9

67,8

–1,1

3–3,99

27,3

28,0

0,7

2–2,99

3,7

3,9

0,2

1–1,99

0,1

0,3

0,2

0–0,99

0,0

0,0

0,0

Biorąc pod uwagę dane statystyczne poszczególnych Oddziałów GDDKiA (rys. 2.10), w 2017 roku najlepiej utrzymane obiekty znajdowały się w województwie zachodnio-pomorskim i podkarpackim (oceny główne 4,19). Najniższe oceny główne przyznano obiektom w województwach: śląskim (3,56), opolskim (3,74) i dolnośląskim (3,75).

Rys. 2.10. Ocena główna stanu technicznego obiektów mostowych w poszczególnych oddziałach GDDKiA w 2017 roku [2.109]

Oceny główne stanu technicznego obiektów mostowych w poszczególnych Oddziałach GDDKiA zestawiono także w tab. 2.9. Zestawione dane dotyczą ocen z lat 2005–2012. W większości przypadków czynnikiem decydującym o ocenie głównej była ocena stanu technicznego dźwigarów głównych.

Tabela 2.9. Zestawienie ocen głównych stanu technicznego obiektów mostowych w poszczególnych Oddziałach GDDKiA w latach 2005–2012 [2.24]

Oddział

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

Ocena decydująca

Białystok

2,89

2,97

2,97

2,88

3,00

2,96

3,14

3,29

dźwigary główne

Bydgoszcz

2,98

2,96

3,02

2,50

2,83

3,33

3,24

3,17

dźwigary główne

Gdańsk

3,17

3,40

3,49

3,25

3,25

3,33

3,33

3,33

pomost

Katowice

2,61

2,75

2,93

3,00

3,04

3,08

3,18

3,25

pomost

Kielce

2,99

2,99

3,16

3,33

3,49

3,60

3,54

3,40

średnia

Kraków

2,75

2,83

2,83

2,91

2,83

3,12

3,16

3,38

średnia

Lublin

2,67

2,91

3,11

2,83

3,14

3,14

3,29

3,29

dźwigary główne

Łódź

2,98

2,91

3,15

3,38

3,38

3,10

3,10

3,20

dźwigary główne

Olsztyn

3,00

3,14

3,29

3,14

3,00

3,00

3,00

3,00

dźwigary główne

Opole

2,89

2,99

2,99

3,13

3,00

3,00

3,00

3,11

dźwigary główne

Poznań

3,00

2,75

3,14

3,19

3,00

3,17

3,17

3,00

pomost

Rzeszów

2,80

2,76

2,89

2,80

2,88

3,12

3,11

2,75

podpory

Szczecin

2,95

2,95

3,00

2,92

3,17

3,00

3,23

3,46

średnia

Warszawa

2,88

3,09

3,15

3,12

3,09

3,23

3,31

3,46

dźwigary główne

Wrocław

2,82

2,90

2,91

2,91

3,00

3,06

3,02

3,09

pomost

Zielona Góra

3,00

3,00

3,30

3,42

3,49

3,52

3,53

3,51

średnia

Razem

2,90

2,96

3,09

3,04

3,10

3,17

3,21

3,23

Większość drogowych obiektów mostowych w Polsce stanowią obiekty młodsze niż 20 lat (rys. 2.11 i 2.12). W przypadku obiektów w ciągu dróg krajowych stanowią one ok. 70% ogólnej liczby. W najlepszym stanie technicznym jest „najmłodsza” grupa obiektów mostowych (rys. 2.13). Wraz z wiekiem stan techniczny obiektów ulega pogorszeniu, ale uśredniona ocena główna najstarszych obiektów utrzymuje się na poziomie od 3,20 do 3,40. Najniższą średnią ocenę główną stwierdzono dla obiektów wybudowanych w latach 1970–1979.

Porównując oceny średnie oraz główne obiektów mostowych w ciągu dróg krajowych w 2017 roku (rys. 2.14 i 2.15), można również stwierdzić, że najwyższą ocenę główną stanu technicznego otrzymały obiekty mostowe, których głównym materiałem konstrukcyjnym ustroju nośnego jest beton sprężony [2.109]. Wiąże się z to faktem, że beton sprężony jest najczęściej stosowanym materiałem konstrukcyjnym do budowy ustrojów nośnych obiektów mostowych budowanych w ostatnich latach. Średnia ocena główna mostów stalowych wyniosła 3,85. Najniższą ocenę główną stanu technicznego otrzymały obiekty o konstrukcji nośnej z betonu niezbrojonego, kamienia lub cegły. Są to

Rys. 2.11. Struktura wieku drogowych obiektów mostowych w Polsce w ujęciu procentowym (stan na 2010 r.) [2.13]

Rys. 2.12. Liczba obiektów mostowych w ciągu dróg krajowych o określonej dacie budowy w ujęciu procentowym (stan na 2017 r.) [2.109]

Rys. 2.13. Ocena główna stanu technicznego obiektów mostowych w ciągu dróg krajowych w zależności od daty budowy obiektu (stan na 2017 r.) [2.109]

materiały, które praktycznie przestały być wykorzystywane do budowy ustrojów nośnych obiektów mostowych. Obiekty o ustrojach nośnych wykonanych z tych materiałów stanowią jednak nieliczną grupę, relatywnie najstarszych obiektów, które sukcesywnie poddawane są przebudowie.

Rys. 2.14. Ocena średnia stanu technicznego obiektów mostowych na drogach krajowych w 2017 roku, w zależności od głównego materiału konstrukcyjnego [2.109]

Rys. 2.15. Ocena główna stanu technicznego obiektów mostowych na drogach krajowych w 2017 roku, w zależności od głównego materiału konstrukcyjnego [2.109]

W tabeli 2.10 zestawiono średnie oceny przydatności do użytkowania drogowych obiektów mostowych w ciągu dróg krajowych w latach 2011–2016. Oceny te są w większości na zbliżonym poziomie w kolejnych analizowanych latach. W przypadku parametru „bezpieczeństwo ruchu” nastąpiło wyraźne obniżenie oceny z 4,13 w 2012 roku na ocenę 3,77 w 2013 roku. Związane jest to z przyjęciem do oceny faktu wyposażenia obiektu w energochłonne bariery ochronne. Jeśli obiekt nie jest wyposażony w bariery ochronne, to najwyższą oceną, jaką można przyznać w rubryce „bezpieczeństwo ruchu”, jest ocena 2 (tj. przydatność ograniczona).

Tabela 2.10. Zestawienie średnich ocen przydatności do użytkowania drogowych obiektów mostowych na drogach krajowych w latach od 2011 do 2016 [2.80]

Oceniany parametr

Średnia ocena w poszczególnych latach

2011

2012

2013

2014

2015

2016

Bezpieczeństwo ruchu

4,13

4,13

3,77

3,56

3,56

3,66

Aktualna nośność

4,98

4,98

4,98

4,97

4,99

4,97

Dopuszczalna prędkość

4,94

4,93

4,93

4,97

4,96

4,99

Szerokość skrajni na obiekcie

4,71

4,66

4,66

4,74

4,78

4,75

Wysokość skrajni na obiekcie

5,00

5,00

5,00

5,00

4,99

4,99

Skrajnia/światło pod obiektem

5,00

4,97

4,97

5,00

4,95

4,99

Stan funkcjonalny

Utrudnienia w ruchu drogowym powodują nie tylko mosty w złym stanie technicznym, ale także mosty nienormatywne (tj. niespełniające kryteriów technicznych dla tego typu budowli), tymczasowe oraz brak odpowiednich przepraw. Według raportu [2.110] w 1994 roku w ciągu wszystkich kategorii dróg publicznych występowało łącznie 5435 obiektów nienormatywnych. Mimo upływu lat istnienie tego problemu wykazała także NIK w raporcie z przeprowadzonej kontroli zarządzania obiektami mostowymi i przepustami przez administrację drogową w latach 2014–2015 (I kwartał) [2.164]. Nienormatywne obiekty mostowe w 21 na 42 skontrolowane jednostki administracji drogowej stanowiły ponad połowę wszystkich obiektów. W skrajnych przypadkach obejmowały nawet całość zasobu zarządzanego przez daną jednostkę. Kontrola wykazała, że sytuacja ta była spowodowana niepodejmowaniem odpowiednich działań przez zarządców, polegających na przebudowie obiektów, które tego wymagały. Na trudności wynikające z nienormatywności obiektów mostowych wpływa często także ich zły stan techniczny (np. na skutek starzenia się i niepodejmowania prac remontowych) oraz ich nieprawidłowe oznakowanie.