Dipl. Ing. Robert Veit-Egerer (PhD Candidate) VCE, Vienna Consulting Engineers. Ing. Zdeněk Jeřábek, Csc. INFRAM a.s. 1

NOVÉ SPOJENÍ PRAHA - ŽELEZNIČNÍ ESTAKÁDA SLUNCOVÁ – OVĚŘENÍ VÝCHOZÍHO STAVU PRŮZKUMNÝM MĚŘENÍM DYNAMICKÉHO CHOVÁNÍ METODOU BRIMOS® S OHLEDEM NA ČSN 736209 Dipl. Ing. Robert Veit-Egerer (PhD Candidate) VCE, Vienna Consulting Engineers

Ing. Zdeněk Jeřábek, Csc. INFRAM a.s. Railway Bridge Estakáda Sluncová – Initial bridge assessment based on dynamic monitoring by means of BRIMOS® with regard to czech standard ČSN 736209® The Estakáda Sluncová is a 324 m long railway bridge with 8 spans (26 + 2x36,7+4x47,6+34,0 m). The bridge deck is a 3-cell box girder with a construction height of 2.70 m. The superstructure - which has a total width of 14,50 and comprises 2 tracks - was opened to railway traffic in autumn 2008. In the course of the prevailing investigation a dynamic monitoring campaign was undertaken in order to determine the global condition of maintenance as well as the load bearing capacity. Furthermore a detailed Finite Element Analysis was performed to evaluate the structural response and to compare it to the measured vibration behaviour. The present investigation is to be understood as an initial measurement. Possible upcoming measurements are to be referred to this initial one - possible changes of the structure’s operational integrity can be quantified with this approach.

1. POPIS METODY Metoda BRIMOS® firmy VCE byla vyvinuta s cílem použití bez narušení dopravního provozu. Podněty pro rozkmitání (buzení) konstrukce jsou způsobeny jak dopravou, tak i vlivy prostředí (= ambientní příčiny, například vítr). Z toho plyne výhoda této metody: Na rozdíl od metody vynuceného podnětu jsou menší náklady na provedení měření, protože se obejde bez nákladného budiče kmitání a bez jeho nákladné instalace. Vyhodnocení a posudek měření se opírají především o nejreprezentativnější a dominantní charakteristické zatížení – a sice železničním provozem.

2. ÚČEL DIAGNOSTIKY Předmětem díla bylo ověření výchozího stavu (novostavby) nosné konstrukce mostu „Železniční estakáda Sluncová“ podrobnou dynamickou analýzou pro porovnání s možnými pozdějšími měřeními. Dále porovnání naměřeného stavu s výpočtem. Pro tento úkol je použito nedestruktivní průzkumné měření dynamického chování metodou BRIMOS, které odpovídá dynamické zatěžovací zkoušce, protože splňuje

1

vyhodnocení předepsaných parametrů dle ČSN 73 6209:1996. Poskytuje ale ještě mnoho doplňkových informací o nosné konstrukci. Účelem měření je diagnostické testování jako výchozí podklad pro dynamické monitorování stavu konstrukce v budoucích letech. Cílem budoucího monitorování je ověření celkového stavu konstrukce, odolnosti a funkčnosti se zaměřením na stav předpětí.

Obr. 1: Fotodokumentace – Estakáda Sluncová

3. POPIS PROVEDENÝCH MĚŘENÍ Měření dynamického chování mostu bylo provedeno 15. a 16. října 2008 systémem BRIMOS (verze 10.03) firmami VCE & INFRAM. 3.1 Obecný popis Bylo provedeno měření: • • • •

globálního chování železničního mostu v rastru senzorů zrychlení po 1/8 rozpětí pole, umístěném a přemísťovaném po chodníku u 601. a 602. koleje lokálního chování horní desky (mostovky) lokálního chování dolní desky vertikálních průhybů nosné konstrukce

Vyhodnocování modálních parametrů metodou BRIMOS bylo provedeno globálně i lokálně. To znamená pro celou mostní konstrukci i pro každé měřené místo. Protože do dokončení rekonstrukce navazujícího traťového úseku Libeň – Běchovice je na mostě vedeno jen asi 72 vlaků za den plus několik manipulačních jízd, bylo zatížení mostu během měření - kromě ambientních vlivů (vítr), železničním provozem na mostě a pod mostem – tentokrát provedeno hlavně zkušební vlakovou soupravou, sestavenou z lokomotivy řady 753 OKDD (72 t) a dvou ložených vozů Faccs (2x 72 t). Zkušební vlaková souprava měla celkovou hmotnost 216 tun a koordinovaně a opakovaně přejížděla mostní konstrukci po 601. koleji směrem k nádraží Praha Libeň rychlostí 70-

2

80 km/h (z kopce). Souprava se pak vždy vracela rychlostí 30-40 km/h zpět (do kopce) k hlavnímu nádraží.

3.2 Měření zrychlení na mostovce a dolní desce Měřící rastr 9 trojrozměrně měřících senzorů zrychlení byl rozmístěn po 1/8 pole na chodníku podél 601. koleje v prvním poli od opěry Hlavní nádraží a pak postupně posunován vždy po jednom poli po celé délce konstrukce za použití takzvaného referenčního senzoru, který stál během celého měření na stejném místě v 5. poli v 62,5 % rozpětí. Při každé sestavě 9 senzorů na chodníku u 601. koleje byl zároveň postaven jeden torzní senzor na druhém chodníku (u 602. koleje), vždy proti 4. ze senzorů, tedy v 37,5% rozpětí pole. Tato celistvost měřícího rastru umožňuje jednoznačně určit dynamickou charakteristiku nosné konstrukce v podélném, příčném a svislém směru. Tímto postupem byla podrobně zmonitorována mostovka, nosná konstrukce (se soustředěním na předpětí) a její uložení.

Opěra Hl. Nádraží (západ)

Senzorová osa – torzní namáhání

Senzorová osa – namáhání v ohybu

Obr. 2: Rozmístění senzorového rastru podél obou chodníků (půdorys)

Obr. 3: Dokumentace BRIMOS měření mostovky (vlevo) a dolní desky (vpravo)

3

Opěra Libeň (východ)

Obr. 4: Měření rychlosti projíždějící 216t těžké zkušební vlakové soupravy

3.3 Měření vertikálních průhybů na nosné konstrukci Toto měření proběhlo zároveň s měřením zrychlení na mostovce. V rámci měření vertikálních průhybů byly měřeny statické a dynamické průhyby každého pole mostní konstrukce na chodníku příslušejícím k 601. koleji (směrem na nádraží Libeň). Mimo most, na pevné zemi, na opěře Hl. nádraží pro pole 1 až 6 a na opěře Libeň pro pole 7 a 8, byl umístěn LASERový zářič. Průhyby byly měřeny vždy v polovině rozpětí pole snímačem polohy LASERového paprsku. Provedené měření podává spolehlivě hodnoty průhybů při přejezdech vlakové soupravy se známou hmotností 216 t. Vyladěním stabilizovaných signálů průhybů je podávána kvalitní informace o quasi-statických deformacích Sm, které jsou v korelaci s největší hodnotou dynamické odezvy Smax (=> dynamický součinitel δobs = Smax / Sm) stejně jako se zatížením, které je působí.

Obr. 5: Monitorování vertikálních průhybů - pomocí laserového paprsku - v každém poli mostní konstrukce

4

3.4 Dynamické parametry používané pro analýzu V rámci podrobného diagnostického průzkumu byly z naměřených hodnot vypočítány a hodnoceny následující parametry: Zobrazení a hodnoty spekter vlastních frekvencí

•


dynamicky účinná tuhost a funkčnost nosné konstrukce

Trend (vývoj) dynamické tuhosti (odolnosti)

•


Mapování globální a lokální odolnosti v podélném a příčném směru
lokalizace problematických částí NK (nosné konstrukce)

•


•



•


•


•


Zjištění a zobrazení charakteristických tvarů kmitání mostu podmínky uložení (funkčnost) Přehled tlumení přes celou konstrukci Útlum vnesené energie, lokalizace problematických zon Logaritmický dekrement útlumu θ Diagram, obsahující přehled kmitací intenzity po celé NK lokalizace možné únavy materiálu Statické a dynamické vertikální průhyby (Sm a Smax) každého pole Dynamický součinitel δobs Porovnání výsledků z analytického výpočtu s měřením dle ČSN 73 6209 Koeficienty ∆(j) a MAC(j)

4. POSOUZENÍ VÝSLEDKŮ 4.1 Zrychlení Maximální hodnoty zrychlení mostovky zjištěné v rámci dynamického měření se pohybují v oblasti nejvýše 2,74 m/s2. Splňují tak přípustné maximální zrychlení, které je γb t = 3,5 m/ s2 pro kolej na průběžném štěrkovém loži podle EN 1990/A1 [6]. 4.2 Vlastní frekvence SLUNCOVA_081015A_DECK

vlastní frekvence [Hz]

Měření 2008

Detailní popis

1. vertikální průhyb 2. vertikální průhyb

2,76 3,23

1BT pole 5 & 6 1BT pole 4 & 7

3. vertikální průhyb 4. vertikální průhyb 5. vertikální průhyb

3,83 4,53 5,02

1BT pole 3 (pole 4 & 5 a 6 & 7 synchron.) 1BT pole 5 & 6 a pole 4 & 7 synchron. 1BT pole 2

6. vertikální průhyb resp. 1. torzní křivka 2. torzní křivka

5,20 6,19

1 BT pole 8 & 1TL pole 4 1BT F2 & F3 resp. 1 TL F8

Tab. 1: Přehled rozhodujících vlastních frekvencí

Výsledky měření ukazují zřetelnou dynamickou odezvu nosné konstrukce. Frekvenční analýza jasně identifikuje vlastní frekvence nosné konstrukce. Mimořádné jevy, které by indikovaly netypické chování mostu zjistěny nebyly.

5

Mezní frekvence dle EN 1991-2:2003(D) prvního kmitu v ohybu

Pole Pole Pole Pole Pole Pole Pole Pole

1 2 3 4 5 6 7 8

Rozpětí [m]

Dolní limit -0,592 n0 = 23,58*L [Hz]

Měření 2008

Horní limit -0,748 n0 = 94,76*L [Hz]

26,0 36,7 36,7 47,6 47,6 47,6 47,6 34,0

3,43 2,79 2,79 2,40 2,40 2,40 2,40 2,92

6,19 5,02 3,69 3,22 2,76 2,76 3,22 5,20

8,28 6,40 6,40 5,27 5,27 5,27 5,27 6,78

Tab. 2: Porovnání měřených prvních vlastních frekvencí v každém poli s EN 1991-2 [5]

Vlastní frekvence n0 příslušné ke každému poli (podle různého rozpětí L), které byly určeny vyhodnocením měření, splňují požadavky evropské normy EN 1991-2 vzhledem k dolnímu a hornímu limitu pro první vlastní frekvenci od namáhaní v ohybu (viz. Tab. 2). 4.3 Hodnocení dynamické tuhosti – odolnosti (podle BRIMOS)

1BT pole 5 & 6 a pole 4 & 7 synchron. 1BT pole 3 (pole 4 & 5 a 6 & 7 synchron.) 1BT pole 4 & 7

frekvence

1BT pole 5 & 6

čas Obr. 6: Trend dynamické tuhosti ve vertikálním směru během diagnostického měření (časový úsek 9 hodiny), referenční senzor (staničení = 176,75 m); 0-10 Hz

Analýza vývoje frekvenčních spekter během celého měření a podle délky nosné konstrukce (srovnatelné s dynamickou odolností) ukazuje lineární, svislý průběh relevantních vlastních frekvencí. Tento jev indikuje normální charakteristické chování mostu a potvrzuje pozitivní hodnocení z hlediska zatížitelnosti a funkčnosti. Posudek platí jak pro globální provozní stav (dynamické chování hlavních částí nosné konstrukce), tak i pro lokální provozní stav (dynamické chování horní a spodní desky).

6

4.4 Analýza tvarů kmitání Globální, podélně orientované tvary kmitání odpovídají charakteristickým, pro tuto konstrukci předpokládaným tvarům. Z mechanického hlediska to indikuje uspokojivou funkčnost uložení.

Měření 2,76 Hz

Výpočtový model 2,32 Hz Obr. 7: 1. Tvar kmitání – 1. vertikální průhyb polí 5 & 6

Měření 3,83 Hz

Výpočtový model 3,61 Hz

Obr. 8: 3. Tvar kmitání – 1. vertikální průhyb pole 3 (pole 4 & 5 a 6 & 7 synchron.)

4.5 Analýza intenzity kmitání (podle BRIMOS) Intenzita kmitání se vyskytovala během měření za daných podmínek zatěžování výhradně v kategorii I, tzn. že je malá pravděpodobnost poškození dynamickým namáháním z hlediska únavy.

Amplitude

10000 6.4 mm²/s² 64 mm²/s² 2000 mm²/s² 1.EF 6.EF 2.EF 7.EF 3.EF 8.EF 4.EF 9.EF 5.EF 10.EF

1000 III

IV

100 I

II

10 0.1

1

10

100

1000

Frequenz

Obr. 9: Měřená intenzitá kmitání - Estakáda Sluncova

7

4.6 Analýza tlumení (podle BRIMOS)

Obr. 10: Přehled tlumení na mostní konstrukci – namáhání v ohyvu vyvoláno v polích 3 – 5 základní vlastní frekvence = 2.76 Hz (vlevo) & namáhání v ohyvu vyvoláno v polích 1, 2, 8; základní vlastní frekvence = 3.83 Hz

Vyhodnocené podélné globální hodnoty tlumení odpovídají předpokládaným křivkám tlumení. Vyhodnocené křivky tlumení z mechanického hlediska indikují uspokojivou funkčnost uložení. Nízké hodnoty uvnitř mostních polí potvrzují vysokou soudržnost a funkčnost interního předpětí.

soubor

4-1.vce 5-1.vce 6-1.vce 7-1.vce 8-1.vce

čas přejezdu

15.10.2008 15.10.2008 15.10.2008 16.10.2008 16.10.2008

12:45:18 13:22:05 14:05:05 10:13:37 10:59:01

frekvence [Hz]

koeficient tlumení ζ [%]

logaritmický dekrement útlumu θ [%]

2,796 2,797 2,798 2,786 2,788

0,50 0,55 0,58 0,58 0,54

3,14 3,46 3,64 3,64 3,39

Tab. 3: Logaritmický dekrement útlumu nezatžéné mostní konstrukce pro výbrané průjezdy zkušební vlakové soupravy

Zjištěné hodnoty koeficientu tlumení ζ = 0,5 až 0,58 jsou pod předepsanou minimální hodnotou ζmin= 1,0 podle EN 1991-2 [5]. Dolní hranice kritického útlumu pro účely návrhu je zde takto předepsána pro mosty z předpjatého betonu s rozpětím ≥ 20 m . Podle zkušenosti se definitivní chování vzhledem k tlumení ustálí teprve za půl roku normálního zatížení železničním provozem. Potom lze tedy očekávat podstatně vyšší hodnoty tlumení než nyní a lze předpokládat, že tlumení vyhoví EN 1991-2. 4.7 Vertikální průhyby Naměřené dynamické průhyby (t.j. statické průhyby Sm včetně dynamického součinitele δobs) převážně nedosahují mezní hodnoty „dynamické odezvy horního kraje nosné konstrukce vyvolané střídavým zatížením“. Tato mezní hodnota je pro rychlost železničního provozu do 160 km/h stanovená 3 mm (EN 1991-2). Naměřené hodnoty průhybu (v nejkratším poli cca L/26000; v nejdelším poli cca L/15000) jsou hluboko pod maximem (L/600) obsaženým v EN 1990/A1 [6].

8

4.8 Výpočtový model a porovnání s měřením Porovnání měření a výpočtu ukazují dobrou shodu v dynamické charakteristice a potvrzují pozitivní posudek o provozním stavu. Odchylky vlastních frekvencí f(j)obs zjištěných měřením se pohybují proti teoretickým hodnotám f(j)teor převážně pod mezními hranicemi podle ČSN 736209 [4], což je v pořádku. Důvodem je nezapočtení tuhosti některých částí průřezu (štěrkové lože, kolej, chodník). Pouze vypočtená první vlastní frekvence se liší od naměřené frekvence více, než je uvedeno.

Obr. 11: Železniční most, modelován metodou konečných prvků SLUNCOVA_081015A_DECK

výpočet vlastní frekvence [Hz]

odchylka [%]

mezní odchylka [%]

RFEM

měření 2008

∆(j) = (f(j)teor - f(j)obs)/f(j)teor*100

s ohledem na ČSN 736209

1. vertikální průhyb

2,32

2,76

-18,7

+5 až -15

2. vertikální průhyb 3. vertikální průhyb

2,90 3,61

3,23 3,83

-11,4 -6,0

+10 až -16 ± 15

4. vertikální průhyb 5. vertikální průhyb

4,08 4,51

4,53 5,02

-11,1 -11,3

± 20 ± 25

6. vertikální průhyb resp. 1. torzní křivka 2. torzní křivka

5,25 5,77

5,20 6,19

0,9 -7,3

± 25 ± 25

Tab. 4: Porovnání a hodnocení rozhodujících vlastních frekvencí

Vyhodnocením a porovnáním tvarů kmitání byla dosažena numericky (koeficient korelace modální analýzy MAC(j)) vysoká shoda mezi měřením a teoretickým výpočtem.Většina vypočtených koeficientů MAC se blíží ideální hodnotě 1. výpočet RFEM

1. vertikální průhyb 2.34/2.76 Hz

2. vertikální průhyb 2.90/3.23 Hz

3. vertikální průhyb 3.61/3.83 Hz

4. vertikální průhyb 4.08/4.53 Hz

měření 2008

MAC koeficient

ux 0,117 0,176 -0,004 0,002 -0,026 -0,033 -0,240 0,040 0,055 0,018 0,013 0,003

uy -0,004 0,010 0,004 0,007 -0,007 0,029 0,043 0,036 0,021 0,030 0,242 -0,152

uz -0,871 0,937 0,973 0,960 -0,423 0,891 0,900 -0,800 -0,836 0,566 0,518 0,383

ux 0,085 -0,077 0,162 -0,216 -0,143 -0,145 -0,056 -0,116 -0,088 -0,094 0,089 -0,063

uy -0,083 0,012 -0,265 -0,051 0,050 -0,036 -0,007 0,060 -0,032 -0,013 0,099 0,033

uz -1,170 1,000 -2,375 -2,207 1,000 1,000 1,354 -1,323 -1,093 1,000 0,534 1,125

0,99 0,93 0,98 0,99 0,96 0,98 0,95 0,98 0,98 0,98 0,92 0,84

-0,083

-0,035

-0,935

-1,851

2,659

8,649

0,86

0,020 -0,005

-0,017 -0,045

0,505 0,755

0,210 0,566

0,372 -0,213

3,384 5,176

0,98 0,99

6. vertikální průhyb resp. 1. torzní křivka 5.25/5.20 Hz

2. torzní křivka 5.77/6.20 Hz

Tab. 5: Porovnání a hodnocení rozhodujících tvarů vlastního kmitání (koeficient MAC)

9

5. HODNOCENÍ A KLASIFIKACE Provozní stav určený dynamickým měřením je dobrý. Z výsledků průzkumu vyplývá, že zatížitelnost a funkčnost nosné konstrukce jsou zajištěny v plném rozsahu. Železniční most - Estakáda Sluncová je podle BRIMOSu klasifikován do kategorie A – tj. velmi dobrý provozní stav. Klasifikace podle BRIMOSu obráží dynamické měření, porovnání reálného chovaní mostu s analytickým výpočtem a vizuální inspekci.

Klasifikace: KAT. A: VELMI DOBRÝ STAV KAT. B: DOBRÝ STAV, S LOKÁLNÍMI PORUCHAMI KAT. C: PROBLEMATICKÝ STAV

Obr. 12: Klasifikace – Železniční estakáda Sluncová – Most SO 853

V rámci podrobného diagnostického průzkumu výchozího stavu nosné konstrukce Estakády Sluncová jsou splněny jak požadavky české normy ČSN 736209 [4], tak i relevantní požadavky evropských norem EN 1990/A1 a EN 1991-2 ([6] & [5]).

6. LITERATURA [1] R. Veit-Egerer, M. Hubka: “Silniční most přes trať ČD za obcí Komořany - Dynamické chování vzhledem k provoznímu stavu a zatížitelnosti metodou BRIMOS”, Sborník 13. mezinárodního sympozia MOSTY 2008, Sekurkon, Brno, Česká Republika, Duben 2008, ISBN 978-80-86604-35-0 [2] H. Wenzel, R. Veit.: BRIMOS BRIdge Monitoring System – Diagnostika mostů založená na ambientním měření kmitání; Sborník 10. mezinárodního sympozia MOSTY 2005, Sekurkon, Brno, Česká Republika, Duben 2005, ISBN 80-86604-17-9 [3] R. Veit, H. Wenzel.: Předpjatý železobetonový most na trati Brno – Přerov – nedestruktivní celková diagnostika metodou BRIMOS; Sborník 11. mezinárodního sympozia MOSTY 2006, Sekurkon, Brno, Česká Republika, Duben 2006, ISBN 80-86604-26-8 [4] ČSN 736209:1996 Zatěžovací zkoušky mostů. Únor 1996 [5] EN 1991-2: Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke; Teil 2: Verkehrslasten auf Brücken. 0108-2004 [6] EN 1990/A1: Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung. 01-09-2006 Kontakt: VCE-Vienna Consulting Engineers s.r.o. Hadikgasse 60 A – 1140 Wien www.vce.at [email protected]

INFRAM a.s. Pelušková 1407 CZ-198 00 Praha 9 www.infram.cz [email protected]

10