Projekt okładki: Piotr Paczuski

Ilustracja na okładce: Autorzy

Wydawca: Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Agnieszka Grabarczyk

Produkcja: Mariola Grzywacka

Recenzenci: prof. dr hab. inż. Wojciech Radomski
prof. dr hab. inż. Tomasz Siwowski

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: Angelika Duchnik/Woblink

Publikacja dofinansowana przez Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej

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, rób 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 2020

ISBN: 978-83-01-20791-5

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020 r., (wyd. I)
Warszawa 2020

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

Spis treści

1. Wstęp

2. Klasyfikacja pożarów obiektów mostowych

2.1. Kryteria klasyfikacji

2.2. Przyczyny pożarów

2.3. Okres „życia” konstrukcji

2.4. Źródło ognia i scenariusze przebiegu pożaru

2.5. Materiał konstrukcyjny mostu

2.6. Rodzaj konstrukcji mostu

2.7. Przeznaczenie mostu

3. Procedury postępowania podczas gaszenia pożaru mostu

4. Uszkodzenia mostów spowodowane pożarami

4.1. Wprowadzenie

4.2. Uszkodzenia mostów stalowych i zespolonych

4.3. Uszkodzenia mostów betonowych (żelbetowych i sprężonych)

4.4. Uszkodzenia mostów drewnianych

4.5. Uszkodzenia cięgien w mostach podwieszonych i łukowych

4.6. Uszkodzenia łożysk

4.7. Uszkodzenia urządzeń dylatacyjnych i innych elementów wyposażenia mostów oraz urządzeń obcych na nich zainstalowanych

5. Postępowanie po ugaszeniu pożaru

6. Właściwości materiałów w wysokich temperaturach

6.1. Wprowadzenie

6.2. Właściwości termomechaniczne stali

6.3. Właściwości termomechaniczne betonu

6.4. Właściwości termomechaniczne drewna

6.5. Właściwości termomechaniczne nawierzchni [44]

6.6. Właściwości termomechaniczne izolacji [44]

7. Analiza obliczeniowa konstrukcji mostu po pożarze

7.1. Wprowadzenie

7.2. Modele obliczeniowe pożaru

7.3. Analiza termiczna pożaru

7.4. Analiza termowytrzymałościowa konstrukcji po ugaszeniu pożaru>

7.5. Symulacja pożaru pod mostem zespolonym [63]

7.6. Symulacja pożaru na moście zespolonym [63]

7.7. Zachowanie się bloku kotwiącego cięgno w moście podwieszonym podczas pożaru na pomoście

7.8. Symulacja pożaru pod mostem betonowym [1, 6, 65, 68]

7.9 Symulacja pożaru na moście betonowym [1, 6, 65, 68]

7.10 Symulacja pożaru na moście stalowym [21]

8. Postępowanie organów decyzyjnych po pożarze

9. Zabezpieczenia przeciwpożarowe obiektów mostowych

10. Opisy pożarów

10.1. Uwagi wprowadzające i sposób opisu pożarów

10.2. Przebieg pożarów

10.2.1. Mosty drewniane (D)

10.2.2. Mosty betonowe i kamienne (B)

10.2.3. Mosty stalowe i zespolone (S)

11. Pożar mostu Łazienkowskiego w Warszawie w dniu 14 lutego 2015 roku

11.1. Konstrukcja spalonego mostu

11.2. Przyczyna pożaru

11.3. Przebieg pożaru i sposób gaszenia

11.4. Proces podejmowania decyzji co do dalszych losów mostu

11.5. Skutki pożaru

11.5.1. Wprowadzenie

11.5.2. Skanowanie powierzchni pomostu

11.5.3. Pomiary deformacji elementów pomostu, niwelet dolnych półek oraz pionowości dźwigarów

11.5.4. Pomiary deformacji środników dźwigarów

11.5.5. Pomiary przemieszczeń przęseł na łożyskach

11.5.6. Uszkodzenia innych elementów mostu

11.5.7. Badania właściwości stali konstrukcyjnej mostu

11.5.8. Pomiary odkształceń lokalnych i twardości dźwigarów w spalonych przęsłach

11.5.9. Pomiar pionowości dźwigarów w przęsłach, które objął pożar

11.5.10. Pomiar niwelety dolnych pasów dźwigarów wszystkich przęseł

11.5.11. Pomiar niwelety buspasów na całej długości obiektu

11.5.12. Pomiar niwelety sfrezowanej części pomostu

11.5.13. Podsumowanie skutków pożaru

11.5.14. Zalecenia dotyczące przyszłości obiektu

11.6. Postępowania przetargowe

11.6.1. Wprowadzenie

11.6.2. Postępowanie dotyczące wybrania Projektanta

11.6.3. Postępowanie dotyczące wyłonienia Wykonawcy

11.6.4. Postępowanie dotyczące wyłonienie Nadzoru Zastępczego

11.7. Prace projektowe

11.7.1. Przebieg projektowania według standardowej procedury administracyjnej

11.7.2. Przebieg projektowania mostu Łazienkowskiego

11.7.3. Wady obowiązujących przepisów w aspekcie sytuacji wymagającej natychmiastowego działania

11.7.4. Dokumentacja projektowa

11.8. Roboty budowlane

11.8.1. Wprowadzenie

11.8.2. Prace rozbiórkowe

11.8.3. Wytworzenie konstrukcji stalowej nowego mostu

11.8.4. Montaż konstrukcji stalowej wraz z urządzeniami obcymi

11.8.5. Wzmocnienie podpór nurtowych

11.8.6. Montaż łożysk

11.8.7. Montaż wyposażenia

11.9. Koszt realizacji oraz źródła finansowania

11.10. Zawarte umowy oraz porozumienia

11.11. Wnioski

12. Podsumowanie

Bibliografia

Książki i artykuły

Strony internetowe

Normy

Projekty

Inne materiały źródłowe

1

Wstęp

Pożary mostów nie zdarzają się często, zatem związane z nimi zagadnienia rzadko są przedmiotem analiz i badań. Normy projektowania konstrukcji budowlanych na oddziaływania pożarowe dotyczą tylko obiektów kubaturowych. Odrębnym zagadnieniem są pożary w tunelach. W związku z tym przepisy regulujące procedury postępowania w przypadku pożarów odnoszą się przede wszystkim do budynków i tuneli. W przypadku mostów istnieją tylko regulacje mówiące o zapobieganiu powstawania pożarów na mostach i pod nimi.

Wiedza dotycząca gaszenia pożaru mostu w dużej mierze ma charakter intuicyjny. Nieczęsto spotyka się opracowania poświęcone przebiegowi gaszenia pożarów mostów, a tym bardziej zachowaniu się konstrukcji mostu w trakcie pożaru i po nim.

W przypadku pożaru mostu – w przeciwieństwie do pożaru budynku, najczęściej nie istnieje zagrożenie życia ludzkiego. Można zatem bardziej skupić się na ratowaniu samej konstrukcji, bowiem najczęściej skutki jej zniszczenia lub choćby wyłączenia na jakiś czas mostu z eksploatacji są daleko poważniejsze niż nie używania budynku. Pożary mostów oddziałują na znacznie większy obszar, większą liczbę ludzi, a nawet na gospodarkę w rejonie katastrofy. Zatem bardzo ważnym zagadnieniem jest – jeśli to możliwe – jak najszybsze przywrócenie obiektu do użytkowania.

Należy wybrać jedną z opcji: naprawę konstrukcji, całkowitą jej wymianę lub wymianę tylko niektórych jej elementów albo po prostu nie podejmowanie działań.

W każdym z tych przypadków konieczne jest zrozumienie pracy konstrukcji w wysokich temperaturach i po ostygnięciu. Wymaga to odtworzenia przebiegu pożaru (stworzenia tzw. scenariusza), w tym procesu gaszenia, oceny uszkodzeń (ich wielkości i lokalizacji), określenia zmian właściwości materiałów konstrukcyjnych, a także przeprowadzenia analizy termowytrzymałościowej zarówno w zakresie plastycznym (w trakcie pożaru), jak i sprężystym (po pożarze).

W tym celu przeprowadzono kwerendę informacji, w wyniku której za najciekawsze uznano publikacje: [17], [19], [20], [42], [49] i [50]. Zdając sobie sprawę z tego, że możliwe jest opisanie tylko wybranych przypadków pożarów skupiono się przede wszystkim na tych, które wydarzyły się w Polsce. Niektóre z nich były przedstawiane na konferencjach i opublikowane. Inne zostały opisane tylko w dokumentacji prowadzonej przez Straż Pożarną, administrację drogową lub kolejową albo organy sprawiedliwości, do której autorom udało się dotrzeć [61, 62]. Pisząc o pożarach za granicą, opierano się tylko na publikacjach, których stopień szczegółowości jest ograniczony. Opisy pożarów starano się zilustrować zdjęciami. Niestety w wielu przypadkach było to niemożliwe. Bardzo rzadko udało się zdobyć zdjęcia pożaru danego obiektu, ale aby ułatwić czytanie tekstu zdecydowano się pokazać sam most czy wiadukt. W sumie opisano kilkadziesiąt pożarów konstrukcji mostowych.

Dokonano klasyfikacji pożarów według następujących kryteriów: przyczyny pożaru, okres „życia” konstrukcji (budowa, eksploatacja, remont), źródło ognia i scenariusze przebiegu pożaru, materiały konstrukcyjne mostu, rodzaj konstrukcji mostu oraz przeznaczenie mostu. Przedstawiono przykłady skutków działania ognia oraz opisano sposób postępowaniu po pożarze.

Do szczególnie interesujących przypadków należy zaliczyć pożar mostu Łazienkowskiego w Warszawie, który wydarzył się dnia 14 lutego 2015 roku. Jego przebieg i skala zniszczeń pokazały, jak znaczące konsekwencje dla dwumilionowego miasta może mieć pożar mostu przez szeroką rzekę położonego w centrum miasta. Skutki mają charakter nie tylko techniczny, ale również społeczny, gospodarczy, a nawet polityczny.

Mając dostęp do różnego rodzaju dokumentacji oraz uczestnicząc w różnych działaniach, poczynając od dnia wybuchu pożaru i kończąc w dniu oddania nowej konstrukcji mostu do użytku, autorzy zdecydowali się przedstawić cały przebieg zdarzeń. Pokazano przebieg pożaru, proces jego gaszenia, ocenę skutków pożaru oraz przebieg procesu inwestycyjnego począwszy od przygotowania warunków zamówienia, złożenia ofert przez potencjalnych wykonawców, wyboru oferenta, opracowania metody wymiany konstrukcji, przebiegu budowy i skończywszy na pracach odbiorczych. Całość stanowi przykład profesjonalnego postępowania wielu instytucji i osób w sytuacji kryzysowej. Opublikowanie takich materiałów jest bardzo ważne zarówno ze względów poznawczych, jak i historycznych.

Praca powstała zbiorowym wysiłkiem wszystkich autorów.

Rysunki i zdjęcia bez podanego źródła są autorstwa wszystkich twórców książki.

2

Klasyfikacja pożarów obiektów mostowych

2.1. Kryteria klasyfikacji

2.2. Przyczyny pożarów

2.3. Okres „życia” konstrukcji

2.4. Źródło ognia i scenariusze przebiegu pożaru

2.5. Materiał konstrukcyjny mostu

2.6. Rodzaj konstrukcji mostu

2.7. Przeznaczenie mostu

2.1. Kryteria klasyfikacji

Klasyfikacji pożarów mostów trudno jest dokonać, stosując takie same kryteria, jak dla obiektów kubaturowych [61, 62, 75]. Z uwagi na odmienny charakter zarówno samych pożarów, jak i konstrukcji należy to zrobić w inny sposób. Poniżej zaproponowano następujące kryteria:

- przyczyny pożarów,

- okres „życia” konstrukcji,

- źródło ognia i scenariusze przebiegu pożaru,

- materiał konstrukcyjny mostu,

- rodzaj konstrukcji mostu,

- przeznaczenie mostu.

2.2. Przyczyny pożarów

Pożary mostów rzadko spowodowane są klęskami żywiołowymi, przyczynami niezależnymi od ludzi. Najczęstszą przyczyną pożaru mostu jest zapalenie się pojazdu na obiekcie lub pod nim. Najgroźniejszy w skutkach jest wybuch samochodu-cysterny, choć wybuch zbiornika paliwa w każdym typie samochodu jest równie niebezpieczny. Równie niebezpieczny jest wyciek paliwa lub przewożonego materiału palnego i jego zapalenie.

Można zatem stwierdzić, że najczęstszymi przyczynami pożarów mostów są:

- pożary pojazdów i/lub substancji przez nie przewożonych;

- nieostrożne obchodzenie się z ogniem otwartym (zaprószenie ognia);

- umyślne podpalenie;

- niewłaściwe prowadzenie prac niebezpiecznych ze względu na możliwość wywołania pożaru, np. prac spawalniczych prowadzonych w pobliżu elementów łatwopalnych, takich jak np. składy drewna, pomosty drewniane, farby i lakiery;

- zwarcie instalacji elektrycznej lub awaria instalacji technicznych (np. gazowych) podwieszonych do konstrukcji mostu;

- przyczyny nieznane.

W większości przypadków można byłoby zapobiec pożarom, przestrzegając przepisów przeciwpożarowych dotyczących wszystkich obiektów budowlanych, a także zasad ruchu kołowego. Niewątpliwie najlepszym wyjściem jest zachowanie należytej ostrożności i zdrowego rozsądku.

2.3. Okres „życia” konstrukcji

Klasyfikacja pożarów mostów w zależności od okresu „życia” konstrukcji jest stosunkowo jednoznaczna. Dane statystyczne z wielu krajów pokazują, że pożary najczęściej powstają w trakcie eksploatacji obiektu. Na drugim miejscu są pożary wzniecane podczas budowy mostu. Rzadziej zdarzają się podczas remontu czy demontażu konstrukcji.

2.4. Źródło ognia i scenariusze przebiegu pożaru

Najczęstszą przyczyną wybuchu pożarów w czasie budowy czy remontu mostów, bez względu na rodzaj materiału konstrukcyjnego, jest zapalenie się rusztowań, podpór i szalunków wykonanych z drewna lub materiałów drewnopochodnych, przy czym bezpośrednim źródłem ognia są różnego rodzaju materiały łatwopalne znajdujące się na budowie (farby, lakiery, materiały izolacyjne).

W przypadku mostów już eksploatowanych o konstrukcji drewnianej powodem pożaru jest tworzywo mostu, a właściwie brak impregnacji lub jej przeterminowanie.

Mosty użytkowane, których konstrukcja nośna wykonana jest ze stali lub betonu, również ulegają zapaleniu. Spowodowane jest to faktem, że często wyposażone są one w drewniane pomosty techniczne.

Bardzo niebezpieczne są pożary mostów wywołane awarią instalacji technicznych, zwłaszcza gazowych, podwieszonych do konstrukcji mostu. Powstaje wówczas silne i stałe źródło ognia.

Duże niebezpieczeństwo stanowią również składy i magazyny papieru, łatwopalnych materiałów budowlanych, farb czy śmieci zlokalizowane pod mostem lub blisko niego. Te ogromne skupiska tworzyw, które „chętnie” się palą, powodują znaczne zniszczenia konstrukcji niepalnych w wyniku długotrwałego działania bardzo wysokich temperatur.

Podczas eksploatacji mostów często powstaje pożar w rezultacie zapalenia się taboru poruszającego się po moście lub pod nim, bądź przewożonego ładunku (benzyny, oleju, parafiny lub innych łatwopalnych substancji chemicznych). Ciecz o wysokiej temperaturze rozlewa się po powierzchni topiąc asfaltową nawierzchnię lub paląc drewniane pomosty. Rozległość tego obszaru często decyduje o przyszłości mostu, tj. jego naprawie bądź wymianie.

2.5. Materiał konstrukcyjny mostu

Materiał, z jakiego zbudowano most, jest najbardziej jednoznacznym kryterium klasyfikacyjnym. Z zamieszczonych opisów wynika, że pożar mostu drewnianego kończy się zazwyczaj jego zniszczeniem, a konstrukcja wymaga całkowitej odbudowy.

W przypadku mostów o konstrukcji stalowej sytuacja jest znacznie korzystniejsza ze względu na możliwość dalszej eksploatacji obiektu pod warunkiem, że nagrzewanie nie spowodowało pogorszenia właściwości fizycznych i mechanicznych (temperatura nie przekroczyła 723°C), a powstałe deformacje nie uniemożliwiają dalszego użytkowania ze względów wytrzymałościowych i eksploatacyjnych. Niestety, długie utrzymywanie się wysokiej temperatury na znacznym obszarze konstrukcji powoduje najczęściej tworzenie się dużych deformacji trwałych, których usunięcie jest niemożliwe bądź nieopłacalne.

Inaczej przedstawia się sytuacja podczas pożarów mostów betonowych. Grubość otuliny zbrojenia decyduje o odporności konstrukcji, jednak po pewnym czasie beton otuliny również ulega zniszczeniu i wysoka temperatura zaczyna działać bezpośrednio na zbrojenie lub kable sprężające. Powoduje to odpowiednio spadek ich wytrzymałości, a także zmniejszenie wartości siły sprężającej. Ważnym kryterium oceny ewentualnej dalszej przydatności mostu jest także rozległość obszaru, w którym otulina uległa zniszczeniu, oraz stref zarysowanych poza tym obszarem. Generalnie można powiedzieć, że konstrukcja betonowa jest bardziej odporna na długotrwałe działanie wysokich temperatur niż konstrukcja stalowa.

2.6. Rodzaj konstrukcji mostu

Kolejnym kryterium jest rodzaj konstrukcji. Kluczowym czynnikiem wpływającym na rozwój pożaru mostu są typ dźwigara i pomostu. Na podstawie danych statystycznych można wyciągnąć wniosek, że pożary wywołują najgroźniejsze skutki w dźwigarach pełnościennych, w szczególności skrzynkowych. Płonąca substancja (lub inne źródło ognia), wnikając do ich środka, może być długo niezauważona, a i gaszenie takich konstrukcji jest bardzo utrudnione, ze względu na ograniczony dostęp. Mniej narażone są dźwigary ażurowe – łuki, kraty czy mosty podwieszone.

Skutki pożaru pomostu zamkniętego są bardziej niebezpieczne niż pomostu otwartego. Oczywiście z uwagi na rodzaj materiału konstrukcyjnego, częściej uszkadzane są stalowe pomosty ortotropowe, a rzadziej pomosty betonowe.

2.7. Przeznaczenie mostu

W zależności od rodzaju taboru poruszającego się po moście, można stwierdzić następujące fakty. W mostach drogowych palenie się substancji na nawierzchni asfaltowej (lub inna przyczyna długotrwałego działania wysokiej temperatury) zdecydowanie wydłuża czas trwania pożaru, bowiem substancje bitumiczne podtrzymują wysoką temperaturę. Z tego powodu wydaje się, że niewątpliwie lepsza jest nawierzchnia czysto betonowa.

Podobny skutek może wywołać pożar różnego rodzaju instalacji. Szczególnie groźny jest pożar gazociągu, gdyż może spowodować wybuch. Zainstalowane wodociągi czy ciepłociągi raczej nie mogą być przyczyną pożaru mostu, ale ich izolacja może skutecznie podtrzymywać wysoką temperaturę konstrukcji i w konsekwencji prowadzić do trwałego i rozległego zdeformowania konstrukcji, a w najgorszym przypadku do jej zawalenia.

Osobnym przypadkiem jest zapalenie się mostownic drewnianych na kolejowych obiektach mostowych. Zdarzają się one stosunkowo często i to z różnych przyczyn. Mimo to nie zastępuje się drewnianych mostownic innymi ze względu na ich oczywiste zalety, takie jak amortyzowanie nierównomiernie rozłożonej masy pojazdu, tłumienie drgań konstrukcji i hałasu oraz ten sam sposób mocowania szyn na moście i poza mostem. Zastosowanie innego materiału na mostownice, np. stali, nie przyniosło oczekiwanych efektów przede wszystkim z uwagi na generowanie nadmiernego hałasu. Problemem jest też duża odkształcalność konstrukcji w wysokiej temperaturze w stosunkowo krótkim czasie.

Ostatnio rozpoczęto używanie mostownic wykonanych z kompozytów polimerowych. Rezultaty badań są zachęcające do stosowania ich na szerszą skalę. Właściwości fizyczne i mechaniczne elementów kompozytowych są porównywalne z drewnianymi.

Obecnie rozpowszechniło się stosowanie jako pomostów tzw. koryt balastowych, czyli odpowiednio ukształtowanych płyt betonowych wypełnionych tłuczniem, co w przypadku nawierzchni kolejowej z podkładami drewnianymi skutecznie podniosło poziom bezpieczeństwa przeciwpożarowego mostów. Także nawierzchnie bezpodsypkowe są bardziej odporne na skutki działania wysokich temperatur z uwagi na fakt mocowania szyn bezpośrednio do podłoża betonowego.

3

Procedury postępowania podczas gaszenia pożaru mostu

Gaszenie pożarów mostów jest trudne dla Straży Pożarnej. W praktyce każdy pożar jest inny. Można je usystematyzować tak jak to zaproponowano w rozdziale 2 książki, jednak nie sposób przewidzieć przyczyny pożaru i momentu jego powstania. Bardzo duży wpływ ma także lokalizacja mostu i warunki meteorologiczne. Dodatkowym, bardzo ważnym zagadnieniem jest znajomość rodzajów konstrukcji mostów oraz zrozumienie zasad ich pracy, szczególnie w warunkach ekstremalnych, a do takich należy zaliczyć pożary.

W praktyce gaszenie każdego pożaru nosi znamiona improwizacji. Stąd procedury gaszenia mostów są bardzo ogólne, a obowiązujące przepisy dotyczą głównie zabezpieczeń przeciwpożarowych, które należy wykonać jeszcze przed wybudowaniem konstrukcji i w trakcie jej eksploatacji.

Jak już wspomniano w rozdziale 1 praktycznie nigdzie na świecie nie projektuje się mostów z uwzględnieniem „obciążenia pożarem”. Dzieje się tak dlatego, że pożary mostów występują rzadko i najczęściej nie są związane z zagrożeniem życia ludzkiego. Inną przyczyną jest brak należycie zweryfikowanych w rzeczywistości modeli obliczeniowych pożarów mostów. Uwzględnienie czynników opisanych w rozdziale 2 oraz dodatkowo oddziaływań meteorologicznych jest trudne do modelowania, a otrzymane wyniki niekoniecznie odzwierciedlają prawdziwy przebieg i skutki pożaru.

Analiza przebiegu wielu pożarów i ich gaszenia pokazuje, z jakimi trudnościami może spotkać się Straż Pożarna, zwłaszcza przy gaszeniu pożarów dużych mostów. Można tu wymienić:

- brak możliwości prowadzenia działań gaśniczych z poziomu wody,

- brak możliwości dojazdu na brzeg rzeki lub jeziora,

- brak możliwości prowadzenia działań gaśniczych jednocześnie z obu brzegów akwenu,

- brak możliwości wjechania na most,

- brak sprzętu pływającego w rejonie mostu,

- ścielący się i gęstniejący dym uniemożliwiający określenie rozległości pożaru,

- powstawanie ogni lotnych.

Zapewne nie wyczerpuje to wszystkich potencjalnych problemów związanych z gaszeniem pożarów mostów, gdyż, jak to już wyżej powiedziano, każdy pożar jest inny, choćby ze względu na warunki pogodowe. Reasumując, można stwierdzić, że nie ma procedur specyficznych dla pożarów mostów – dlatego adaptuje się procedury stosowane przy gaszeniu pożarów obiektów kubaturowych.

4

Uszkodzenia mostów spowodowane pożarami

4.1. Wprowadzenie

4.2. Uszkodzenia mostów stalowych i zespolonych

4.3. Uszkodzenia mostów betonowych (żelbetowych i sprężonych)

4.4. Uszkodzenia mostów drewnianych

4.5. Uszkodzenia cięgien w mostach podwieszonych i łukowych

4.6. Uszkodzenia łożysk

4.7. Uszkodzenia urządzeń dylatacyjnych i innych elementów wyposażenia mostów oraz urządzeń obcych na nich zainstalowanych

4.1. Wprowadzenie

Uszkodzenia spowodowane pożarami mostów można sklasyfikować przede wszystkim w zależności od rodzaju materiału konstrukcyjnego. Osobną kategorię stanowią uszkodzenia łożysk i innych elementów wyposażenia mostów, a także zainstalowanych na nich urządzeń obcych oraz izolacji i nawierzchni. O dalszych, popożarowych losach obiektu najczęściej decydują uszkodzenia konstrukcji nośnej. Należy dodać, że uszkodzenia konstrukcji stalowej czy drewnianej powstają szybko, nawet w ciągu kilkunastu minut, natomiast zniszczenie konstrukcji betonowej wymaga godzin. Z tej klasyfikacji należy wyodrębnić konstrukcje cięgnowe. Wysoka temperatura niszczy je w krótkim czasie bezpowrotnie i może szybko doprowadzić most do katastrofy.

4.2. Uszkodzenia mostów stalowych i zespolonych

Podstawowym rodzajem uszkodzenia, któremu może ulec stalowa konstrukcja mostowa, są odkształcenia (deformacje) jej elementów składowych, tzn. dźwigarów głównych, pomostu i elementów drugorzędnych. Są to:

- zmiana geometrii całej konstrukcji (skręcenie całego przekroju poprzecznego, różne ugięcia poszczególnych dźwigarów) (rys. 11.46–11.53);

- odkształcenia pomostu ortotropowego, tj. blachy pomostu, poprzecznic i podłużnic (rys. 11.6, 11.7, 11.14, 11.15, 11.18, 11.19);

- odkształcenia środnika dźwigarów pełnościennych (najczęściej pól pomiędzy żebrami pionowymi i poziomymi) (rys. 11.13, 11.36–11.45);

- „falowanie” żeber poziomych usztywniających środniki dźwigarów pełnościennych oraz podłużnic pomostu ortotropowego (rys. 11.16, 11.20 i 11.21);

- przekraczające wartości dopuszczalne przemieszczenia całej konstrukcji nośnej na łożyskach i urządzeniach dylatacyjnych (rys. 11.23–11.26);

- pęknięcia spoin łączących dźwigary, poprzecznice i/lub podłużnice (rys. 11.22) oraz materiału konstrukcyjnego w rejonie połączeń (rys. 11.12);

- ścięcie nitów lub śrub w połączeniach różnych elementów konstrukcyjnych (rys. 11.9 i 11.11);

- zniszczenie powłok antykorozyjnych (rys. 11.8–11.20).

Wszystkie te rodzaje uszkodzeń są najczęściej rozległe, rzadko mają charakter lokalny.

Należy dodać, że uszkodzenia konstrukcji stalowej wpływają także na ewentualny charakter uszkodzeń pomostów zespolonych (stal-beton), te z kolei nie różnią się niczym od uszkodzeń konstrukcji betonowych. Ich dokładniejszy opis zamieszczono w punkcie 4.3. Pozytywnym aspektem zastosowania tego typu pomostów jest fakt, że chronią one most przed awarią dłużej niż pomosty ortotropowe.

4.3. Uszkodzenia mostów betonowych (żelbetowych i sprężonych)

Konstrukcje betonowe dłużej opierają się działaniu wysokiej temperatury. Gdy jednak utrzymuje się ona przez dłuższy czas, powstające wtedy uszkodzenia mają charakter nieodwracalny (inaczej niż w konstrukcji stalowej). Do najczęściej występujących zaliczamy:

- odspojenie betonowej otuliny zbrojenia lub cięgien sprężających,

- zarysowania elementów konstrukcyjnych,

- uplastycznienie zbrojenia miękkiego,

- uplastycznienie i/lub całkowite zerwanie kabli sprężających,

- rozpad betonu w wyniku wyparowania wody i wypalenia cementu.

4.4. Uszkodzenia mostów drewnianych

Mała odporność ogniowa drewna jest faktem. Pod wpływem wysokiej temperatury następuje zmniejszenie wytrzymałości drewna. Ze względu na małą przewodność cieplną i izolacyjność warstwy zwęglonej, powstającej w czasie pożaru jako otulina, spadek wytrzymałości drewna w czasie jest wolniejszy niż wytrzymałości stali.

Warstwa zwęglona stanowi naturalną termoizolację opóźniającą osiągnięcie przez drewno położone głębiej w elemencie temperatury zapłonu wynoszącej około 700°C. Obecnie dzięki możliwości dokonywania modyfikacji chemicznej drewna uzyskuje się znacznie wyższą temperaturę jego zapłonu. Dlatego, w przeciwieństwie do drewna tradycyjnego, drewno klejone można zaliczyć do materiałów trudno palnych.

Ogólnie, uszkodzenia drewna konstrukcyjnego w mostach zależą od czasu trwania pożaru i w konsekwencji grubości wytworzonej warstwy zwęglonej. Grubość warstwy nienaruszonej przez ogień decyduje o tym, czy konstrukcja ulegnie zniszczeniu.

4.5. Uszkodzenia cięgien w mostach podwieszonych i łukowych

Pożary pojazdów na mostach wymienionych w tytule czasami powodują przeniesienie się ognia na cięgna i ich zamocowania. Wysoka temperatura powoduje zniszczenie osłon wykonanych z tworzywa sztucznego, uszkodzenie zabezpieczeń antykorozyjnych, a także nieodwracalne wydłużenie drutów cięgna, a w skrajnym przypadku ich pęknięcie. Nagrzane stalowe bloki kotwiące rozszerzają się, co w konsekwencji powoduje zmniejszenie siły naciągu, a nawet w skrajnych przypadkach wysunięcie się splotów z zakotwienia.

4.6. Uszkodzenia łożysk

Uszkodzenia łożysk mogą uszkodzić konstrukcję nośną, a w skrajnym przypadku doprowadzić do zniszczeniu obiektu mostowego. Możemy do nich zaliczyć:

- przekroczenie dopuszczalnych wartości przemieszczeń konstrukcji nośnej, co może uszkodzić same łożyska oraz ich zamocowania, a nawet doprowadzić do spadnięcia konstrukcji nośnej z podpór (rys. 11.25 i 11.26); dodatkowym efektem może być „zaklinowanie się” urządzeń dylatacyjnych;

- dekompozycję materiału konstrukcyjnego łożysk neoprenowych, czyli nieodwracalne ich zniszczenie.

4.7. Uszkodzenia urządzeń dylatacyjnych i innych elementów wyposażenia mostów oraz urządzeń obcych na nich zainstalowanych

Uszkodzenia tych elementów są najczęściej wtórne względem uszkodzeń konstrukcji nośnej. Są to:

- uplastycznienie i w konsekwencji trwałe odkształcenie bitumicznych „przekryć” dylatacyjnych;

- dekompozycja materiału konstrukcyjnego wkładek uszczelniających urządzenia dylatacyjne;

- uszkodzenie i/lub zablokowanie systemu odwodnienia pomostu;

- odkształcenia barier ochronnych i poręczy spowodowane odkształceniami pomostu (rys. 11.6 i 11.7);

- uszkodzenia nawierzchni asfaltowej i izolacji – te elementy najczęściej jako pierwsze ulegają uszkodzeniu i/lub zniszczeniu w wyniku pożaru, ich relatywnie niska temperatura „upłynnienia” powoduje, że oba te elementy bardzo szybko pękają, wybrzuszają się i „rozpływają się”; w przypadku ułożenia na pomoście ortotropowym, jego wybrzuszenia są dodatkowym czynnikiem niszczącym (rys. 11.6 i 11.7);

- odkształcenia i/lub zniszczenie elementów pomostów roboczych (rys. 11.8, 11.10, 11.15, 11.17);

- uszkodzenia izolacji rurociągów (rys. 11.15–11.18);

- odkształcenia rurociągów i powiązane z tym niebezpieczeństwo rozszczelnienia;

- wyboczenia rurociągów (odchylenia od pierwotnej gometrii) o niewielkiej średnicy rur (rys. 11.15 i 11.16);

- uszkodzenia urządzeń kompensacyjnych;

- uszkodzenia lub spalenie się różnego rodzaju kabli.

5

Postępowanie po ugaszeniu pożaru

Prawidłowa ocena stanu konstrukcji mostu po ugaszeniu pożaru jest kluczowa dla podjęcia decyzji o jego przyszłości. Zawsze istnieją cztery możliwości postępowania:

- nie podejmować działań,

- naprawić uszkodzone elementy,

- wymienić tylko uszkodzone elementy,

- przeznaczyć konstrukcję do rozbiórki i zbudować nowy obiekt.

Jest sprawą oczywistą, że po ugaszeniu pożaru konieczne jest przeprowadzenie przeglądu konstrukcji mostu czy wiaduktu. W jego wyniku pojawia się najczęściej konieczność wykonania ekspertyzy obiektu polegającej na:

- opisie i ewentualnych pomiarach uszkodzeń;

- wykonaniu pomiarów zmian geometrii całej konstrukcji;

- ustaleniu przyczyn pożaru;

- próbie odtworzenia przebiegu pożaru (scenariusza) i stworzeniu jak najbardziej zbliżonego do rzeczywistości modelu do celów obliczeniowych;

- badaniach właściwości materiałów konstrukcyjnych z części objętej i nieobjętej pożarem – obejmują one: − statyczną próbę rozciągania,
− pomiary twardości, np. sposobem Brinnela,
− próby udarności w temperaturze pokojowej oraz w temperaturach obniżonych;

- badaniach struktury mikrokrystalicznej materiałów konstrukcyjnych (określenie wielkości, kształtu ziaren itp.);

- badaniach składu chemicznego materiałów konstrukcyjnych; część badań można przeprowadzać w warunkach polowych metodami nieniszczącymi, ale większość wymaga działania w laboratoriach; próbki można pobrać w postaci proszku do rentgenowskiej analizy fazowej oraz wycinków do badań metalograficznych; badania rentgenograficzne preparatów proszkowych pozwalają na identyfikację faz występujących w obszarach działania podwyższonej temperatury; badania metalograficzne przeprowadza się na przygotowanych z próbek metalograficznych zgładach nietrawionych w celu określenia wielkości i rozmieszczenia wtrąceń niemetalicznych oraz na zgładach trawionych za pomocą nitalu w celu określenia struktury stopu, jej charakteru i wymiarów ziarna;

- przeprowadzeniu analiz termicznej i termowytrzymałościowej konstrukcji mostu po ugaszeniu pożaru uwzgledniających rzeczywiste właściwości materiałowe oraz rzeczywiste wartości deformacji elementów konstrukcyjnych (patrz rozdział 7).

Końcowym efektem takiej ekspertyzy jest podjęcie decyzji co do dalszych losów konstrukcji. Mając do wyboru wymienione na początku tego rozdziału możliwości, oprócz aspektów czysto technicznych należy uwzględnić takie czynniki, jak długość okresu wyłączenia mostu z użytkowania i wiążące się z tym koszty społeczne. Wynikają one przede wszystkim z utrudnień w ruchu na moście i pod nim w trakcie wykonywania naprawy czy wymiany. Doświadczenia pokazują, że w przypadku pożarów mostów koszt naprawy bądź wymiany całej konstrukcji najczęściej jest sprawą drugorzędną.

6

Właściwości materiałów w wysokich temperaturach

6.1. Wprowadzenie

6.2. Właściwości termomechaniczne stali

6.3. Właściwości termomechaniczne betonu

6.4. Właściwości termomechaniczne drewna

6.5. Właściwości termomechaniczne nawierzchni

6.6. Właściwości termomechaniczne izolacji [44]

6.1. Wprowadzenie

Właściwości fizyczne i mechaniczne stali, betonu, drewna i innych materiałów zależą od temperatury. Z kolei wartość temperatury jaką osiągnie konstrukcja mostu podczas pożaru determinuje jego nośność i określa warunki ewentualnego dalszego użytkowania. W związku z powyższym kluczowym staje się jak najbardziej precyzyjne sformułowanie modeli obliczeniowych materiałów, które są wykorzystywane w analizie termowytrzymałościowej. W celach porównawczych wskazane jest również posiadanie informacji na temat tych właściwości w temperaturze otoczenia. Zazwyczaj przyjmuje się ją na poziomie 20°C.

Należy jednak pamiętać, że o ewentualnym, dalszym wykorzystaniu elementu konstrukcji stalowej po pożarze często decyduje nie pogorszenie charakterystyk stali, a wielkość trwałego odkształcenia konstrukcji stalowej. Wniosku tego nie należy jednak uogólniać. Przebieg każdego pożaru jest inny. Inny jest rodzaj konstrukcji mostu, inne jest źródło ognia i inny jest przebieg pożaru i sposób jego gaszenia.

6.2. Właściwości termomechaniczne stali

Powszechnie panuje przekonanie, że stal po pożarze nie nadaje się do użytku. Jednakże wyniki badań autorskich [64, 67] i opisywanych w literaturze [4, 31 i 41] pokazują, że w zdecydowanej większości przypadków stal miała właściwości, skład i strukturę zgodną z normami odpowiadającymi danemu rodzajowi. Ogólnie można stwierdzić, że właściwości stali i jej struktura mikrokrystaliczna nie ulegają dużym zmianom w wyniku nagrzewania do temperatury 723°C. Zaobserwowane odchylenia od wartości normowych mieszczą się w przedziale ±10%. Spowodowane to jest najprawdopodobniej lokalnymi zahartowaniami materiału. Mogą natomiast wystąpić niewielkie zmiany wartości wydłużenia i udarności.

Można stwierdzić, że ciepło powstałe w czasie pożaru, które nagrzało materiał do temperatury niższej od 723°C, powoduje odprężenie i częściowo wyżarzenie rekrystalizujące, natomiast rozrost ziarna zaobserwowany w stali objętej pożarem może być efektem rekrystalizacji stali wcześniej walcowanej w zbyt niskiej temperaturze.

Poniżej opisano wzorami i przedstawiono na wykresach (rys. 6.1–6.7) następujące właściwości stali:

- przewodność termiczną ks [W ⋅ m–1 ⋅ K–1] – wzór (6.1) i rysunek 6.1 [31]

(6.1)

- ciepło właściwe cs [J ⋅ kg–1 ⋅ K–1] – wzór (6.2) i rysunek 6.2 [31]

(6.2)

gdzie ρs – gęstość równa 7850 kg/m^3.

Rys. 6.1. Przewodność termiczna stali w funkcji temperatury [31]

Rys. 6.2. Ciepło właściwe stali w funkcji temperatury [31]

Rys. 6.3. Spadek granicy plastyczności stali odpowiadającej gatunkowi S355 pod wpływem temperatury [31]

Rys. 6.4. Związek odkształcenie-naprężenie dla stali odpowiadającej gatunkowi S355 w funkcji temperatury [31]

Rys. 6.5. Zmienność granicy plastyczności w zależności od temperatury [22]

Rys. 6.6. Zmienność modułu Younga w zależności od temperatury [22]

Z kolei na rysunku 6.3 przedstawiono spadek granicy plastyczności stali opisanej zależnością [31]:

(6.3)

gdzie: fy_0 – granica plastyczności stali w temperaturze pokojowej, fyT – granica plastyczności stali w temperaturze T w °C.

Ogólnie w miarę przyrostu temperatury następuje spadek wartości współczynnika sprężystości podłużnej i granicy plastyczności. Maleje także przewodność termiczna, ale rośnie ciepło właściwe stali. Istotnym kryterium oceny odporności przeciwpożarowej konstrukcji stalowej jest ciągliwość stali. Znaczące zmniejszenie wartości tej właściwości następuje już w stosunkowo wysokiej temperaturze, tj. w 600°C. Grozi to utratą stateczności elementów ściskanych, przy czym ściskanie następuje podczas pożaru w rezultacie braku możliwości swobodnego odkształcania się konstrukcji.

Rys. 6.7. Wykres żelazo-węgiel z naniesionymi kolorami stali w zależności od jej temperatury [22]

Należy także dodać, że zmiana właściwości mechanicznych stali pod wpływem przyrostu temperatury zależy od technologii jej wytwarzania. Elementy walcowane na gorąco wolniej tracą swoje właściwości w miarę przyrostu temperatury niż elementy wykonywane na zimno.

Po określeniu temperatury elementów stalowych w trakcie pożaru może okazać się przydatna znajomość kolorów, które przybiera stal w określonych temperaturach. Wykres żelazo-węgiel przedstawiony na rysunku 6.7 pokazuje ich zmienność. Należy dodać, że dotyczy to stali niepokrytej jakąkolwiek warstwą ochrony antykorozyjnej.