Inženjersko-socio-ekonomski parametri sanacije mostova
Razvoj metodologije analize u sanaciji/ojačanju oštećenih konstrukcija armiranobetonskih mostova usled dejstva zemljotresa, zasniva se na uvažavanju inženjersko-socio-ekonomskih parametara, kao što su: baza podataka armiranobetonskih mostova, baza geotehničkih, geofizičkih i seizmičkih podataka o tlu na kojem su armiranobetonski mostovi izgrađeni, prikupljanje podataka o mostovima u uslovima eksploatacije, merenja i testovi, opis i klasifikacija oštećenja na konstrukcijama mostova, numeričke analize konstrukcija mostova, donošenje odluka o stanju i merama intervencija na konstrukcijama mostova i socio-ekonomski aspekti intevencija na konstrukcijama mostova.
Baza podataka armiranobetonskih mostova za koje se sprovodi monitoring i donose odluke o intervencijama:
- baza podataka kreirana u objektno-orijentisanom softverskom okruženju sa mogućnošću intervencije postojećih i unošenja novih stanja mostova,
- kratak prikaz tehničkih dokumentacija konstrukcija armiranobetonskih mostova sa tehničkim izveštajima,
- vizuelna prezentacija mostova sa detaljima lokacije, GPS koordinatama, Google mapama, lokalnim i globalnim koordinatama putne infrastrukture,
- fotodokumentacija (dispozicije i perspektive) konstrukcija mostova u eksploatacionim uslovima,
- oštećenja konstrukcija mostova prikazana na dispozicionim crtežima mostova,
- detalji oštećenja konstrukcija mostova (fotodokumentacija i tehnički crteži),
- mogućnost razmene podataka sa postojećim bazama podataka mostova.
Baza geotehničkih, geofizičkih i seizmičkih podataka o tlu na kojem su armiranobetonski mostovi izgrađeni:
- podaci iz geotehničkih i geofizičkih elaborata o mikrolokacijama na kojima su mostovi izgrađeni: geotehnički profili terena, mehaničke karakteristike tla po slojevima, geoseizmičke karakteristike tla (brzina propagacije talasa po slojevima tla i sl.),
- podaci o mikroseizmičkoj rejonizaciji,
- karte seizmičkog hazarada za teritorije gde su locirani mostovi,
- podaci iz projektne dokumentacije od važnosti za seizmiku izgrađenih mostova: projektna maksimalna ubrzanja tla na površini i na osnovnoj steni, projektni spektri odgovora, propisi po kojima su projektovani mostovi i sl.
Detaljni vizuelni makroskopski pregledi sa fotodokumentacijom mostova (prikupljanje podataka o mostovima u uslovima eksploatacije):
- detaljni vizuelni makroskopski pregledi: saobraćajne infrastrukture mostova, slivnika i odvodnih cevi, zaštitne ograde, završnih asfaltnih površina kolovoza, izolacije, prilaznih konstrukcija mostova, saobraćajnih profila, dilatacionih sprava, ležišnih ploča i oslonaca,
- detaljani vizuelni pregledi zaštinih slojeva betona i preliminarni in situ testovi,
- detaljni vizuelni makroskopski pregledi: nosećih podužnih konstrukcija (greda, ploča, ukrućenja), nosećih vertikalnih konstrukcija (stubova), lukova, vešaljki, zatega, oporaca, temelja, naglavnih ploča, šipova (ukoliko su vizuelno dostupni).
Merenja i testovi (preliminarna nedestruktivna ispitivanja):
- testovi ambijentalnih vibracija,
- merenja horizontalnih i vertikalnih deformacija mostova: u uslovima eksploatacije i neopterećenih konstrukcija mostova za implementacije u numeričke modele kroz početne imperfekcije mostova i kroz početna pomeranja čvorova,
- testovi integriteta šipova.
Opis i klasifikacija oštećenja na konstrukcijama mostova i eventualno temeljima:
- identifikacija i klasifikacija oštećenja: bez oštećenja, mala oštećenja, značajna oštećenja, velika oštećenja, lokalni/globalni lom/kolaps,
- opis oštećenja: jedva vidljive prsline, vidljive prsline, značajne prsline sa odlamanjem betona, veoma velike prsline/pukotine sa proširenim zonama odlamanja betona, značajno vidljive deformacije konstrukcije mosta.
Numerička modeliranja i analize konstrukcija mostova:
- akcelerogrami baze podataka,
- generisanje i procesiranje veštačkih i/ili sintetičkih akcelerograma,
- skaliranje i kompatibilizacija akcelerograma i spektara odgovora,
- modeliranje konstrukcija mostova na osnovu prikupljenih podataka, uzimajući u obzir i oštećenja na postojećim mostovima,
- numerički testovi ambijentalnih vibracija,
- linearne dinamičke analize sa izdvojenim svojstvenim oblicima konstrukcija mostova (procena oštećenja po svojstvenim oblicima u vremenskom domenu),
- spektralne-modalne analize mostova,
- inkrementalne nelinearne dinamičke analize (procene aktuelnih stanja konstrukcija mostova za uslove dejstva zemljotresa do nivoa kolapsa u vremenskom i kapacitativnom domenu),
- nelinearne statičke pushover analize (procene aktuelnih stanja konstrukcija mostova za uslove dejstva zemljotresa do nivoa kolapsa u kapacitativnom domenu),
- analize performansnih stanja oštećenih elemenata i kompletnih konstrukcija mostova,
- analize povredljivosti i pouzdanosti oštećenih konstrukcija mostova na probabilističkom nivou.
Donošenje odluka o stanju i merama intervencija na konstrukcijama mostova:
- ukazivanje na greške: u projektovanju mostova, izvedenom stanju mostova, posledicama neadekvatnog održavanja i upotrebe mostova,
- analiza usklađenosti stanja postojećih mostova sa savremenom regulativom iz oblasti projektovanja konstrukcija mostova,
- procene stanja mostova određivanjem kapaciteta nosivosti i deformacija do nivoa kolapsa,
- kreiranje algoritma o stanju i merama intervencija na konstrukcijama armiranobetonskih mostova oštećenih zemljotresom,
- odluke o sanacijama i intervencijama: nije potrebna sanacija, može se sprovesti sanacija na lokalnom nivou, sanacija u manjem obimu, potrebna je značajna sanacija, potrebna je zamena jednog dela konstrukcije ili kompletne konstrukcije,
- odluka o dodatnom ojačavanju ili o promeni statičkih sistema konstrukcija mostova: povećanje preseka, primena FRP traka, prednaprezanje, dodatno armiranje, dodavanje novih elemenata, postavljanje dampera, postavljanje bazne izolacije, ojačanje temelja i zidova, zamena ležišta, sprečavanje pomeranja,
- preporuke za izvođenje radova na revitalizaciji i sanaciji mostova,
- preporuke za monitoring stanja postojećih nesaniranih i naknadno saniranih mostova primenom savremenih informacionih tehnologija.
Socio-ekonomski aspekti intevencija na konstrukcijama mostova:
- socio-ekonomski opis stanja konstrukcija mostova: u potpuno upotrebljivom stanju, generalno upotrebljivo stanje, stanje mosta koje je potrebno dodatno obezbediti da ne nastupi ugrožavanje ljudskih života, stanje blisko kolapsu konstrukcije mosta, stanje kolapsa konstrukcije mosta,
- intervencije oštećenih mostova: izvođenja radova na sanaciji konstrukcija mostova uz minimalno ometanje saobraćaja, kod značajnije oštećenih konstrukcija mostova intervencije se moraju izvesti tako da se obezbedi saobraćaj interventnih vozila (vatrogasna vozila, hitna pomoć, policija i sl.), optimizacija broja dana potrebnih za sanaciju kompletno oštećene konstrukcije mosta ili mosta kod koga je onemogućen saobraćaj,
- ekonomske analize i efekti sanacija mostova.
Konačna ocena o stanju konstrukcije mosta se donosi na osnovu analize stvarnog oštećenja i numeričkih simulacija kojima se može ukazati i na progres u oštećenju, ukoliko se blagovremeno ne sprovde adekvatna sanacija/ojačanje.
Oštećenja mostova usled dejstva zemljotresa
U zavisnosti od kvaliteta stanja konstrukcije, uslova eksploatacije, geoloških karakteristika tla i specifičnosti zemljotresa koji su se događali kroz istoriju razmatrane lokacije, oštećenja mostova mogu varirati u širokim granicama, od veoma ozbiljnih do oštećenja minornog karaktera. Oštećenja se dele na: primarna oštećenja izazvana pokretima tla i velikim deformacijama, i sekundarna oštećenja mosta izazvana preraspodelom sila u presecima za koje konstrukcija nije bila proračunata. U zavisnoti od kompleksnosti konstrukcije mosta, ponekada je veoma teško uočiti razlike između primarnih i sekundarnih oštećenja. Osnovni oblici rušenja/ozbiljnih oštećenja, zbog kojih je nemoguće most koristiti posle zemljotresa su:
- rušenje stubova pri dnu i vrhu, tj. u oblasti veze stuba sa temeljima i gornjom – rasponskom konstrukcijom, gde se očekuje pojava plastičnih zglobova,
- rušenje kratkih stubova koji kao kruti navlače velike sile koje izazivaju krti lom (dijagonalne prsline),
- rušenje oporaca fundiranih plitko ili na šipovima,
- rušenje temelja usled “otkaza” u tlu, loma u temeljima ili velikih sleganja,
- rušenje usled gubitka oslonca rasponske konstrukcije (ispadanje rasponske konstrukcije iz oslonaca ili neadekvatnog uklještenja, naročito kod prosto oslonjenih nosača u polju javlja se usled relativnih pomeranja u odnosu na oslonačke tačke).
Uzroci navedenih oštećenja mogu biti pojedinačni ili kombinacija više uzroka, kao što su: netačne seizmološke procene, osobenosti projektno konstrukcijskih rešenja i greški u građenju. Usled slabljenja svojstava kolovozne ploče i gornje konstrukcije, deformacije ležišta i donje konstrukcije se superponiraju pa dodatno utiču na ponašanje konstrukcije mosta u zemljotresima. Naknadne intervencije takođe utiču na performanse mosta pa se one procenjuju u svakom konkretnom slučaju. Zemljotresi izazivaju povratna ili nepovratna pomeranja tla koja dovode do pomeranja rasponske konstrukcije, a u slučaju prosto oslonjenih nosača i do rušenja naročito kod starijih mostova zbog male dužine naleganja.
U cilju sprećavanja oštećenja mostova potrebno je obezbediti da se disipacija energije unete zemljotresom obavlja u plastičnim zglobovima stubova koji moraju realizovati adekvatnu duktilnost. Kod starih mostova česti su slučajevi smičućeg loma stubova, pre pojave velikih deformacija u podužnoj armaturi, zbog deficita poprečne armature, tj. neadekvatno oblikovanih detalja. To izaziva i lom na mestima nastavaka armature, lom sidrenja ili smičući lom. Razlog je što je po starim propisima predviđena mala količina poprečne armature. Za sprečavanje ove vrste loma u novijim propisima se zahteva gusto postavljanje poprečne armature. Stariji mostovi na šipovima oštećeni su zbog nedovoljnog utezanja šipova, a i druge vrste temelja zbog neadekvatnog armiranja za prijem savijanja i smicanja. Kod mostova sistema proste grede, najopasnija su oštećenja temelja izazvana velikim sleganjima reda veličine 30 cm i više, prouzrokovana nepovoljnim karakteristikama tla.
Pri pregledu i oceni stanja postojećih mostova od interesa su i uslovi okruženja i klimatski uslovi. Vreme građenja je jedan od važnih indikatora performansi konstrukcije mosta. Zbog toga se između oštećenja mosta i vremena gradnje može uspostaviti korelacija. Smatra se da se noviji objekti projektovani prema inoviranim tehničkim propisima povoljnije ponašaju. Kod nas je to teško uzeti u obzir jer su prvi tehnički propisi iz 1964. godine predviđali veoma grube analize, a Pravilnik za inženjerske objekte je kasno inoviran. Savremeni propisi za projektovanje mostova, kao što su EUROCODE, AASHTO i CALTRANS, omogućavaju sveobuhvatniju analizu, redukciju nivoa povredljivosti i kontrolisano ponašanje konstrukcija mostova u uslovima dejstva zemljotresa. Međutim, čak i pri primeni savremenih propisa postoje određena ograničenja u cilju analize konstruktivnog sistema na višema nivou, kao što je pozicija konstrukcija mostova u savremenom zemljotresnom inženjerstvu, pa se zahteva angažovanje eksperata i specijalista za ovu vrlo osetljivu problematiku. Tu se, između ostalog, postavljaju ključna pitanja, kao što su: koliki su nivoi globalne duktilnosti mosta za određene pravce, koliki su očekivani nivoi nelinearnih deformacija mosta za dati projektni nivo seizmičkog hazarda, gde i kada se može očekivati kolaps na lokalnom i globalnom nivou konstrukcije, koliki nivo oštećenja se može očekivati za različite nivoe seizmičkog hazarda? Odgovore na ova pitanja treba tražiti u integralnom pristupu računarske mehanike, metode konačnih elemenata, dinamike konstrukcija, nelinearnih analiza, teorije armiranobetonskih konstrukcija, teorije plastičnosti, mehanike loma, interakcije konstrukcija-tlo, zemljotresnog inženjerstva, inženjerske seizmologije, savremenih propisa za projektovanje konstrukcija, statistike i verovatnoće u inženjerstvu. Interakcija i integracija prethodno nabrojanih disciplina koncipirane su u savremenoj metodologiji za analizu konstrukcija prema performansama (PBEE – Performance-Based Earthquake Engineering). U okviru PBEE metodologije razmatranje nelinearnog ponašanja mostova bazira se, između ostalog, na primeni nelinearne statičke pushover analize (NSPA – Nonlinear Static Pushover Analysis). Kao rezultat proračuna NSPA analizom dobija se pushover kriva, koja je reprezent nelinearnog ponašanja mosta u određenom pravcu, od linerano elastičnog, preko nelinearnog domena, pa sve do kolapsnog stanja. Funkcionalna zavisnost rešenja predstavljenog pushover krivom i oštećenja mosta, u formi kvalitativnih pokazatelja, prikazana je na slici 1. Nivoi oštećenja DL su razmatrani u intervalu od niskog do visokog, a sve u funkciji promene duktilnosti sistema, odnosno globalnog drifta. Stanje temelja mosta je razmatrano u funkciji polja napona i deformacija, od elastičnog, pa sve do pojave velikih rezidualnih deformacija. Odluke o upotrebljivosti i sanaciji mosta definisane su u intervalu od potpuno upotrebljivog stanja, gde nema potrebne za sanacijom, do stanja neupotrebljivosti, gde je potrebna ozbiljna sanacija.
Slika 1. Funkcionalna zavisnost rešenja predstavljenog pushover krivom i oštećenja mosta u formi kvalitativnih pokazatelja