В июле 2008 года, в городе Фрейдберг (земля Гессен), был построен первый в Германии автодорожный мост с применением полимеров, усиленных стекловолокном (ПУС или FRP: Fibre-Reinforced Polymer). Сооружение с пролетом 27 метров является эстакадой на федеральной трассе B3. Высокая прочность нового материала и скорость монтажа моста были решающими факторами в пользу ПУС.
В предыдущие годы несколько легких мостов использующих ПУС были построены в США, Японии и Европе. Благодаря этим проектам, был приобретен ценный опыт и продемонстрирована польза и эффективность таких конструкций.
Мост в Фрейдберге расширил этот опыт, приняв во внимание совместную работу настила из ПУС и металлических балок. Это также означает, следовательно, достижения долговечности мостового сооружения исключением опорных частей или температурных швов и доступности данного инновационного материала при осмотре.
Департамент дорог и транспортного управления земли Гессен в Германии позиционирует себя как поставщика современных транспортных услуг. Такой подход закономерно поддерживает развитие новых методов в строительстве для конструкций гражданского назначения, обеспечивая устойчивое развитие и уменьшение эксплуатационных расходов вместе и минимальными перерывами движения на период строительства.
Являясь транспортным узлом Германии по причине своего центрального положения, земля Гессен имеет самый высокий средний объем перевозок в Германии. Долговечность и невысокие затраты на эксплуатацию являются поэтому необходимыми условиями в условиях обеспечения экономической эффективности и снижения затрат граждан путем сведения к минимуму дорожных заторов. Первые шаги были предприняты администрацией через наблюдение за строительством обыкновенного моста. Сегодня, смета на дорожное сооружение содержит примерную стоимость его эксплуатации. В ходе достижения вышеуказанных целей, различные новые строительные технологии были рассмотрены и проанализированы. Легкие конструкции из ПУС, очень прочные и быстрые в монтаже, дали реальное решение. Подобная мостовая технология была недавно создана и реализована к рамках проекта «Гессен без заторов».
Стоимость изделий из ПУС выше, чем аналогичных из традиционных материалов, поэтому благоразумно ограничивать их использование элементами, восприимчивыми к коррозии. Применительно к пролетным строениям мостов это означает, что настил может быть выполен из ПУС, в то время как основные балки сделаны из традиционных материалов таких как сталь или железобетон. Это не только снижает затраты, но также уменьшает деформации пролетного строения из-за большего модуля Юнга у стали и железобетона. Стальные ПУС-композиты активно, особенно в США, применялись с середины 90-х. Федеральное дорожное агентство в США насчитывает теперь примерно 70 мостов построенных с ПУС настилами. ПУС настилы очень часто применяются при реконструкции мостов. Поврежденные настилы на железобетонных или стальных мостах заменяются ПУС панелями, тогда как подкосы и стальные балки сохраняются. Возможность заводского изготовления больших легких панелей и их транспортировки на строительную площадку дает возможность в рекордно сжатые сроки реконструировать и ввести в эксплуатацию объект. Время необходимое для твердения бетона ключевая причина для выбора применения ПУС. В последние годы несколько автодорожных мостов с ПУС-настилами были также построены в Корее, например мост «Нульча Бридж» в провинции Бусан имеет 300 метров длину и 35 метров ширину. Таким образом постепенно был накоплен положительный опыт – никаких существенных повреждений из за длительных нагрузок до сих пор в таких конструкциях замечено не было.
Применяемые ПУС настилы можно условно разделить на два типа: одноосноориентированные (ОР) полые секции и укладываемые вручную сэндвич панели. ОР настил состоит из рядов призматических полос заводского исполнения. Эти полые секции имеют толщину стенок от 5 до 15мм и габаритные размеры 200 х400 мм. Из-за длительного производственного процесса положение фибры в основном продольное. Панели формируются путем клеевого соединения полос вместе. Полосы соединяют в плиты покрытия в процессе монтажа или предварительно на фабрике в транспортные пакеты, удобные для перевозки. ОР-секционные настил обычно имеет пролет между главными балками от 2 до 3 метров.
С другой стороны, сэндвич панели воспринимают нагрузку в двух направлениях с одинаковым коэффициентом жесткости и поэтому лучше подходят для восприятия сосредоточенной нагрузки. Однако, из-за ручного производственного процесса возникает больше зазоров чем в ОР-секциях. Кроме того, исследования показывают, что из-за минимальной теплопередачи сэндвич панелей может возникать очень большие температурные перепады. И наконец, сложное устройство соединений и соединительных деталей привело к тому, что на сегодня сэндвич-панели не представлены в Европе.
В отличии от построенных ранее сооружений, целью проектирования нового автодорожного моста в германском Фрейдберге было полностью использовать совместную работу стальных балок и ПУС-настила, проверить её экспериментально а заодно и аналитически. По этой причине, был выбран клеевой метод соединения ПУС-СТАЛЬ: данный метод так редко используетс в гражданских сооружениях, не смотря на соответствующий материал и возможность прямой передачи нагрузки без ослабления сечения отверстиями.
Рамная конструкция была выбрана из расчета длительного срока службы и недорогого обслуживания сооружения, и поэтому, переходные плиты и опорные части не предусматривались. Сооружение было запроектировано в соответствии с ENV 1991-35 принимающее во внимание постановления правительства Германии. Ввиду отсутствия необходимых данных, усталостные испытания не могли быть смоделированы математически. Они были заменены данными испытаний от производителя ПУС настила, которые подтвердили благоприятный усталостный режим. Конструкция моста (рис.2) имеет интегральную схему с 27-и метровым пролетом через двухполосную федеральную дорогу B3a около Фрейдберга в центральной Германии. Пролет выполнен из двух слегка изогнутых стальных балок с вырезами и строительной высотой о 625 до 900 мм. ПУС-настил общей шириной 5 метров был приклеен на две стальные балки. Для монтажа настила на балки был нанесен двухкомпонентный эпоксидный клей. Настил состоит из склеиваемых полых секций и имеет строительную высоту 225 мм. Настил покрывается 45 милимитровым слоем полимербетона с нанесенным полимерным покрытием, которое предварительно смешивается с кварцевым песком для придания поверхности шероховатости.
Прочность на растяжение полимербетона была более чем достаточна для принятия его в расчетах как усиления верхней кромки ПУС-настила. Для достижения достаточной надежности силовых элементов, такая совместная работа была необходима для сопротивления сосредоточенной колесной нагрузке. Колесоотбойные брусья были сделаны из второго слоя ПУС-секций. Колесоотбои совместно со стальной оградой обеспечивают требуемую безопасность для машин на мосту. Расчетная скорость движения на дороге, проходящей через мост составляет не более 50 км/ч. Сами ограждения были установлены на торцах с анкерными площадками, которые были вклеены в полые секции ПУС-профилей настила и колесоотбоя. Поэтому есть возможность замены этих частей в случае повреждения. Торцы ПУС-настила были закрыты тонкостенными пластинками для предотвращения попадания насекомых в полости секций (рис.4). После сборки, все пролетное строение было жестко соединено с бетонными устоями путем омоноличивания присоединительных фиксирующих площадок с приваренными оголовками болтов с большими шляпками. Сделать ПУС –элементы видимыми для прохожих было очень важно, поэтому торцы ПУС-настила оставались незакрытыми, полые части выглядели как следы выемок. Рамный вид моста был подчеркнут формой и размещением опалубки.
Конструкция моста была запроектирована как бесшарнирная рама с линейными конструктивными элементами. Общее поперечное сечение пролетного строения было из-за этого принято как идеальное стальное поперечное сечение. Это было уже понятно из имеющихся результатов опытов, которые допускали полностью совместную работу из-за клеевого слоя и настил в сечении условно остается однородным. Из-за фактических размеров фрейдберговского пролетного строения, ПУС-настил в центре пролета находится в сжатом состоянии по всей ширине. Из-за расположения волокон усиления плита, в основном, работает в одном направлении, перпендикулярному мостовому пролету. Предположения о распространении усилий были подтверждены в ходе исследований.
Особые значения характеристик материала, необходимые для расчета ПУС-конструкций как, с одной стороны, различных слоистых структур применяемых в верхних кромках и перемычках настила и, с другой стороны, чья жесткость в продольном направлении отличается от значений в поперечном направлении. Поэтому расчет слоистого материала был выполнен в качестве подготовки к реальному исследованию, определяющему существующие модули Юнга и предельных напряжений элементов основываясь на исходных данных о волокнах соответствующей структуры (Таблица 1).
Для ввода значения воздействий на мост, в дополнение к ENV 1991-3, должны быть сделаны допущения, касающиеся следующих предметов:
— в дополнение к максимальному пределу состояния разрушения при ползучести, 100% собственного веса, 20% временной нагрузки и 50% тепловой нагрузки было принято в расчет и противопоставлено сопротивлению материала.
— разрушение адгезионно-связанного узла было принято в расчет как случайное воздействие.
— изучение циклических нагрузок было пропущено из-за существующего подтверждения испытанием усталостных напряжений производителем
— климатические температурные изменения на сталь-ПУС комбинированное пролетное строение было принято Te= -20 до 41 K (по всему сечению) и ∆TM = -18/+25K (температурный момент).
С точки зрения материалов все еще имеется пробел в строительных нормах для ПУС конструкций. В Германии, рекомендации BUV («BUV-советы») дают полезные инженерные основания. Проектирование Конструкций из Полимерных Композитов – EUROCOMP проектные нормы и руководство также полезное руководство для инженеров. Кроме того, дополнительные допущения и исправления должны рассматриваться при изучении Фрейдбергского моста:
— совмещение равнодействующих нагрузок в соответствии с зависимостью о взаимодействии Puck/Knaust
— зависимость взаимодействия клееных соединении.
-местный прогиб настила под нагрузкой, перпендикулярной к направлению пултрузии («протяжки»).
Испытания для технического контроля
ПУС-настил ASSET используемый в Фрейдбергском мосту был разработан в рамках исследовательской программы Европейского Союза и уже одобрялись для малых мостов в 2002 году. Начиная с этого проекта, свойства материала в одноосном нагруженном состоянии в направлении пултрузии были уже известны и приемлемы. Несколько дополнительных особых значений, таких как сопротивление на срез ПУС элементов и, кроме того, предельные усилия в клеевом узле при растяжении и срезе, характеристики полимер бетона, совместная работа между сталью и ПУС и нагруженное состояние под сосредоточенной колесной нагрузкой должны быть установлены.
Совместная работа стали и ПУС
Два основных значения являются решающими в обеспечении совместной работы: сопротивление клеевого слоя между стальными балками и ПУС настилом и сопротивление плит настила осевому сжатию в направлении пултрузии. Для клеевых узлов, испытания на растяжение и срез были проведены на небольших образцах. Разрушения ьыли в ПУС элементах, но не в клеевом или промежуточном слое. Все тестируемые образцы расслоились в верхней кромке ПУС настила. Поэтому, это было не важно для предельного напряжения были ли поверхности загрунтованы и обезжирены. Зафиксированные предельные напряжения были гораздо больше чем требования установленные в исследовании. Состояние настила под нагрузкой перпендикулярной к направлению пултрузии уже были описаны в материалах других исследовательских работ. Подобные эксперименты проводились для подтверждения значений и обеспечения более обширных баз данных. Поэтому секция настила 750х600мм тестировалась в вертикальном положении под нормальной нагрузкой, приложенной к точке соединения секций (рис.5). Из-за местного прогиба, сопротивление было значительно ниже чем можно было бы ожидать от слоистой структуры. Изгиб появился в пределах армированных слоев узла нахлеста между отдельными элементами. Характер деформаций убедительно соответствовал проекту моста. Оптимизация поперечного сечения, особенно в месте соединения может увеличить сопротивление, нормального к направлению пултрузии.
Сосредоточенная колесная нагрузка
Концентрация напряжений от колесной нагрузки на тонкие стенки ПУС-настила является критической. Полимер бетон, используемый для покрытия может выдерживать растяжения и касательные нагрузки. Предполагается, что конструкция покрытия и верхняя кромка ПУС-настила будут работать совместно. Таким образом, усилия будут передаваться набольшую площадь. Также покрытие из полимер бетона укрепляет кромку ПУС настила (рис.6). Этот подход похож к методу проектирования ортотропной стального пролетного строения. Данная конструкция устойчива к колесной нагрузке в соответствии с ENV 1991-3.
Сооружение и монтаж пролетного строения
Предварительная сборка на заводе.
Все пролетное строение было предварительно собрано на складе, находящемся в 20км от строительной площадки. Это позволяет защитится от атмосферных воздействий и обеспечить оптимальные условия для работы. Стальные балки уже были сварены когда поставлялись и покрыты антикоррозийным составом в помещении. ПУС-настил был уже частично склеен производителем и поставлен в пакетах размером 5х1,5 м. Крепление панелей настила к стальным балкам могло занять примерно неделю. ПУС был прогрунтован и очищен прямо перед монтажом; клеевая площадка стальных балок уже была отпескоструена. В конце, крание секции были дополнены вторым слоем ПУС секций и после этого были закрыты торцы. После этого, 45мм слой полимер бетона был нанесен на ПУС. Во влажном состоянии выбранное покрытие было очень жестким и осколко-подобной и требовала выравнивания специальными инструментами до требуемой толщины. Обработка покрытия за один цикл без стыков уверенно даёт лучший результат. В последнюю очередь монтируются перила, крайние секции на переходах от пролетного строения к устою и нанесения 5мм слоя полимерного покрытия на колесоотбои.
Перевозка, подъем и установка пролетного строения.
Доставка моста к строительной площадке должна быть сделана за одну ночь, так как дорога ведущая к сборочному цеху может быть перекрыта только на этот период. Мост был доставлен на строительную площадку на низкорамной платформе с максимальной скоростью 50 км/ч. Общий все пролетного строения составлял примерно 60 тонн. Общая ширина груза была 5 м; машины сопровождения не были нужны и дорога не перекрывалась. Пролетное строение было поднято следующим утром на устои в течение двух часов (рис.7) двумя автомобильными кранами, после чего подготовленные углубления были залиты. Как только это было закончено, оставались только финишные работы на устоях до того момента, как мост мог быть пущен в эксплуатацию.
Вывод
Использование волоконных композитов имеет большой потенциал в мостовом строительстве. Возможность предварительного монтажа в заводских условиях способствует быстрому монтажу в проектное положение. В этом проекте, ответственная процедура склейки ПУС панелей, так же как поднятие и установка в проектное положение пролетного строения была проведена без каких либо проблем. Сборные элементы относительно не требовательны к условиям хранения. Подробная регистрация и контроль качества важных ингридиентов и производственного процесса в тендерной документации оказался стоящим. Мониторинг моста в последующие несколько лет должны способствовать накоплению опыта и оптимизации строительных методов для ПУС-настилов. Уделение пристального внимания подробному перечню технических моментов в тендерной документации и во время строительства оказалось полезным. Таким образом, необходимое мастерство выполнения может быть получено и риски основных конструкций могут быть уменьшены. С хорошим сотрудничеством между консультантами и общественными организациями и большой ответственности всех вовлеченных сторон, этот проект может быть успешно завершен.
