Št. 3. / 2015 IGRA USTVARJALNOSTI - teorija in praksa urejanja prostora | THE CREATIVITY GAME - Theory and Practice of Spatial Planning Gašper Šmid, Gašper Rus, Samo Saje, Martin Klun, Jernej Nejc Lombar, Jan Ratej: PROJEKT PROGRAMA PKP2: Ocena stanja železniških jeklenih mostov s pregledom metodologij za oceno preostale življenjske dobe PKP2 PROGRAMME PROJECT: ASSESSMENT OF STEEL RAILWAY BRIDGES CONDITION AND REVIEW OF METHODOLOGIES FOR ASSESSMENT OF REMAINING LIFETIME. 110.15292/IU-CG.2015.03.100-105 I UDK: 624.014.2: 625.1 I 1.04 Strokovni članek / Professional Article I SUBMITTED: September 2015 / PUBLISHED: October 2015 Avtorji projekta: Rus Gašper, Saje Samo, Šmid Gašper, Klun Martin, Lombar Jernej Nejc, Ratej Jan, Weiss Simon, Demšar Nejc, Cvenkel Gašper, Cvenkel Anže Pedagoški mentorji: doc. dr. Franc Sinur (FGG), doc. dr. Primož Može (FGG), izr. prof. dr. Jernej Klemene (FS), prof. dr. Marko Nagode (FS) Delovna mentorja: dr. Leon Hladnik (Razpon d.o.o.), Gregor Gruden (IMK) ČLANEK RAZPRAVA DISCUSSION RECENZIJA REVIEW PROJEKT PROJECT DELAVNICA WORKSHOP NATEČAJ IZVLEČEK Obravnavana je problematika slovenskega železniškega infrastrukturnega omrežja, kjer smo se osredotočili na analizo jeklenih železniških mostov in oceno njihove preostale življenjske dobe. Analizo smo opravili na podlagi vhodnih podatkov, pridobljenih s strani podjetja Slovenske železnice d.o.o., ki so zajemali geometrijske podatke mostov in podatke o prometnih obremenitvah. Slednji so nam služili za računsko analizo, saj je pri oceni preostale življenjske dobe jeklenih železniških mostov ključno utrujanje jekla, ki je povezano s cikli obremenjevanja. Vzpostavili smo spletno bazo, v kateri so dostopni osnovni podatki o mostovih ter pri nekaterih fotografije, lokacija in dokumenti v digitalni obliki. Metodologijo za oceno preostale življenjske dobe smo uporabili za most čez Savo pri Litiji. Izkazalo se je, da so rezultati zelo občutljivi na vhodne parametre. Preostalo življenjsko dobo mostov je težko izraziti v časovnih enotah, saj je fenomen utrujanja kompleksen in odvisen predvsem od količine pretovora (število vlakov, masa in število vagonov ter lokomotiv itd.) poleg tega tudi od velikosti obstoječih razpok na jeklenih elementih mostov, ki so zanesljivo prisotne. Rezultati uporabljenih metodologij so pomembni predvsem iz vidika primerjalne ocene varnosti med posameznimi mostovi. KLJUČNE BESEDE utrujanje, preostala življenjska doba, železniška infrastruktura, jeklen železniški most, prometne obremenitve, trajnost in palmgren-minerjevo pravilo ABSTRACT The issues of Slovenian railway infrastructure system are discussed. We focused on analyzing steel railway bridges and evaluation of their life expectancy. We gathered the input data from the company Slovenske železnice d.o.o. They include data like geometry and annual traffic loads. Latter we used in computational analysis. In evaluation of life expectancy of steel railway bridges, the fatigue of construction material has crucial affect. It is connected with loads cycles. We established web data base, where basic bridge data, photographs, location and digitalized documentation can be found. We used the methodology for life expectancy assessment for the bridge over Sava river near Litija. As it turns out, the results are sensitive for input parameters. Life expectancy of bridges is difficult to express in a time unit because the fatigue is a complex phenomenon. It is also dependent from the amount of loading (the number of trains, mass and the number of wagons, locomotives, etc.) and the size of cracks on steel construction elements. The results of used methodology are important for comparison of risk assessment between individual bridges. KEY-WORDS Fatigue, Life expectancy, Railway infrastructure, Steel railway bridge, Traffic load, Durability, Palmgren - miners rule 100 Gašper Šmid, Gašper Rus, Samo Saje, Martin Klun, Jernej Nejc Lombar, Jan Ratej: PROJEKT PROGRAMA PKP2: OCENA STANJA ŽELEZNIŠKIH ..., 100-105(148) IGRA USTVARJALNOSTI - teorija in praksa urejanja prostora | THE CREATIVITY GAME - Theory and Practice of Spatial Planning No. 3. / 2015 1. Predstavitev problematike in namen projekta V Sloveniji je trenutno 1.226 km železniških prog, od tega 896 km enotirnih in 330 km dvotirnih. Vse pogosteje se odpira vprašanje o dejanski varnosti starih jeklenih mostov v Sloveniji. Prvi jekleni kovičeni železniški mostovi so bili zgrajeni konec 19. stoletja ter v začetku 20. stoletja. Najstarejši most je bil zgrajen že davnega leta 1860. Povprečna starost vseh železniških mostov v Sloveniji je 81 let. Nekateri mostovi se torej sedaj že približujejo svojemu stotemu letu obstoja medtem, ko je 60 mostov takšnih, da njihova starost presega 100 let. Mnogi so prestali več faz popravil in preživeli dve svetovni vojni, med katerima so bili verjetno izpostavljeni tudi preobremenitvam. Zahteve za projektiranje so bile v času načrtovanja teh mostov drugačne kot so danes, zato mostovi obratujejo pod ostrejšimi pogoji. Prometna obremenitev in letno število obremenitvenih ciklov se iz leta v leto povečuje, saj količina tovora na železniških progah raste, kar posledično vodi k vedno večjemu številu težkih tovornih vlakov v prometnih tokovih. Ta trend se bo zaradi okoljevarstvene politike nadaljeval. Uredba (EU) št. 1315/2013 navaja, da naj bi bila na jedrnem omrežju do leta 2030 zagotovljena minimalna hitrost tovornih vlakov 100 km/h, osna obremenitev vsaj 22,5 ton in dolžina vlakov 740 m. Tem kriterijem obstoječa železniška infrastruktura v Sloveniji žal ne ustreza. Namen projekta je torej reševanje aktualne infrastrukturne problematike Slovenije, ki ima velik vpliv na gospodarstvo in razvoj države. To smo poskušali doseči z oceno stanja obstoječih jeklenih mostov z oceno preostale življenjske dobe na slovenskem železniškem omrežju. Ta ocena namreč predstavlja prvi in osnovni korak za zagotavljanje primarnih zahtev. Primarne zahteve pri mostovih so varnost, uporabnost in trajnost, vse pa so pogojene z obremenitvami, katerim so izpostavljeni. Povečane obremenitve in večje število tovornih vlakov danes vplivajo na preostalo življenjsko dobo mostov, ki je pogojena predvsem z utrujanjem materiala tj. jeklenih nosilnih elementov. S pomočjo dobljenih podatkov smo tvorili bazo podatkov za izbran nabor mostov, v katero je možno dostopati na spletni strani: http://pokreativnipoti.fgg.uni-lj.si. Spletno stran smo ustvarili tudi z željo osvestiti slovensko javnost in predvsem upravljalca slovenskih železniških prog in lastnike mostov o problemu dotrajanosti železniških jeklenih mostov. Navsezadnje pa ponujamo vsem subjektom, ki načrtujejo, gradijo, vzdržujejo in upravljajo z železniško infrastrukturo, osnovne oziroma izhodiščne podatke za analizo mostov in tudi orodje za identifikacijo najbolj kritičnih mostov oziroma njihovih delov. 2. Teoretično ozadje Utrujanje materiala je pomemben naraven proces pri katerem opazujemo Vrsta poškodbe: - Utrujenostni lom -Trenutni lom tr=rm f Trenutni lo -=> 1 je varnost na mejno stanje utrujanja elementa oziroma detajla zadostna, \i < 1 pa pove le to, da detajl ni varen.Vtem primeru mora biti varnost zaradi utrujanja preverjena z natančnejšo metodo. Na podlagi določitve teh faktorjev varnosti je mogoče narediti seznam prednostnih nalog za nadaljnjo, bolj temeljito preiskavo. Ko imamo znane tiste kritične elemente konstrukcije (tisti deli, ki imajo faktor f manjši od ena), lahko z izračunom ocenimo preostalo življenjsko dobo zaradi utrujanja. Podatek o kritičnih elementih konstrukcije je pomemben za nadaljnje korake v analizi določitve preostale življenjske dobe, kakor tudi za nadaljnjo presojo potrebnih tehničnih, sanacijskih ali drugih ukrepov (omejitev hitrosti vlakov, teže tovora, števila prevozov...). Spodaj (Preglednica 2) so prikazani rezultati za tri najbolj kritične elemente mostne konstrukcije. Pri upoštevanju letnega pretovora 25 milijonov ton ter materialnega varnostnega faktorja 1,35 smo ugotovili, da je življenjska doba na podlagi teh izračunov pri dveh elementih že potekla. Pretovor smo v drugem izračunu reducirali ter ga približali dejanskemu letnemu pretovoru zadnjih nekaj let. Poleg tega pa smo v drugem izračunu zmanjšali materialni varnostni faktor z namenom, da dobimo realnejše rezultate. Ugotovimo, da kljub realnejšem letnem pretovoru in zmanjšanju materialnega faktorja, še vedno nismo dobili pozitivne preostale življenjske dobe, zato smo prešli na naslednjo fazo. _ 103 Gasper Smid, Gasper Rus, Samo Saje, Martin Klun, Jernej Nejc Lombar, Jan Ratej: PKP2 PROGRAMME PROJECT: ASSESSMENT OF STEEL RAILWAY ..., 100-105(148) Št. 3. / 2015 Preglednica 2: Rezultati zračuna preostale življenjske dobe v prvi fazi z UIC71. UIC71 po EC Upoštevanje 25 Mton/leto, materialni varnostni faktor 1.35 (nov most), referenčna trdnost utrujanja pri 2 milijonih ciklov je 71 Mpa Al A2 A3 A4 A |iv ELEM ENT VZ5 N A D P O DP O RO cp = 1,196 1,03 1 1,04 1 1,0712 1,10 | Prostata živ. doba 69,0 let ELEMENT VZ3 V POLJU cp = 1,196 1,03 1 0,S7 1 0,3961 0,44 | P róstala živ. doba Potekla let ELEMENT P3 V PODU *P— 1,306 0,85 1 0,87 1 0,7395 0,67 | Prostala živ. doba Potekla let Upoštevanje 15 Mton/leto, materialni varnostni faktor 1.00 (obstoječi most), referenčna trdnost utrujanja pri 2 milijonih ciklov je 71 Mpa Al A2 A3 A4 A M-v ELEMENT VZ5 NAD PODPORO tf = 1,196 1,03 0,90 1,04 1,00 0,96 1,66 | Prostala živ. doba 69,0 let ELEMENTVZ3 V POUU cp = 1,196 1,03 0,9 0,87 1 0,80649 0,66 | Prostala živ. doba ^otekla let ELEMENT P3 V PODU «P- 1,306 0,85 0,9 0,87 1 0,66555 1,01 | Prostala živ. doba 0,0 let 5.2 Druga faza: Podrobna preiskava EDITORIAL ČLANEK RAZPRAVA DISCUSSION RECENZIJA REVIEW PROJEKT PROJECT DELAVNICA WORKSHOP NATEČAJ V drugi fazi smo most podrobneje analizirali. Izračunali smo kopičenje oziroma akumulacijo poškodb. Za določitev ocene življenjske dobe smo uporabili linearni Palmgren-Miner-jev zakon, ki ga opišemo s spodnjim izrazom. ~Et < i ^:^nibakkvJ hi sesgadjonadifio^irBZinH iid]ii liili. Ilir ~^irtfra iHpdmti Nf 5tEv3a i iiicjv, kiustiEzadcAx«i IiiAniiIiutru^d |ai razponi mi'lrr li ir rinrtrjn Aof V prvem koraku druge faze smo poskušali upoštevati dejanske obremenitve v življenjski dobi mostu. Obtežba predstavlja največjo negotovost ' v primerjavi z drugimi dejavniki. Sheme prometnih obtežb za železniške mostove po SIST EN 1991-2, ki smo jih uporabili v prvi fazi, temeljijo na pričakovanem obsegu prometa v prihodnosti ter na težah in hitrostih sodobnih lokomotiv in vagonov (tovornih in potniških). Na žalost smo uspeli pridobiti podatke le za preteklih nekaj let. Na te podatke smo se oprli tudi pri napovedi prometnih obremenitev v prihodnosti. Pri drugem koraku druge faze računski modeli običajno vsebujejo določene poenostavitve glede na dejansko konstrukcijo. Te poenostavitve običajno nimajo bistvenega vpliva na izračun globalnega odziva konstrukcije in na izračun napetosti v prerezih. Pri analizi lokalnega obnašanja detajlov (npr. spojev) pa imajo velik vpliv koncentracije napetosti, začetna poškodova-nost in rast razpok, ki v izračunu niso zajeti. Prav tako se lahko velik vpliv pokaže pri lokalni prerazporeditvi obtežbe. Poleg tega v konstrukciji nastajajo napetosti zaradi nihanja (sekundarne napetosti), vibracije, deformacije iz ravnine. Ti učinki se pri statični analizi upoštevajo preko različnih faktorjev na obtežbo. Analize mostu na treh različnih modelih so pokazale odstopanja med rezultati posameznih računskih modelov, ki pomembno vplivajo na pojav utrujanja, na globalen odziv konstrukcije pa praktično nimajo vpliva. V nekaterih primerih smo opazili tudi do 40% razlike pri izračunu sprememb napetosti, kar pomeni za faktor 2,7 nižjo preostalo življenjsko dobo. Če preko izraza za Palmgren-Miner-jev zakon škode dobimo vrednost večjo kot 1, je potrebno upoštevati resne posledice okvare oziroma porušitve. Lahko se izvede tudi strokovni pregled konstrukcije na terenu. Na koncu te faze je zelo pomembno, da napišemo poročilo, ki vsebuje identifikacijo kritičnih elementov oziroma delov konstrukcije, povzetek izračunov ter končne sklepe. Podobno kot v prvi fazi smo sprva v izračunu upoštevali 25 milijonov ton letnega pretovora, kot določa standard EC3 1.9. Rezultati izračuna kažejo, da je življenjska doba mostu že potekla. V drugem izračunu pa smo upoštevali 15 milijonov ton letnega pretovora, kar je realnejši vhodni podatek in ugotovili, da ocenjena preostala življenjske doba znaša še dobrih 30 let (Preglednica 3). 6. Zaključek Življenjsko dobo smo računali najprej z grobimi, nato pa z vedno realnejšimi ocenami. Najprej smo življenjsko dobo v grobem izračunali po standardu UIC 71 za vse elemente, kasneje pa smo preverjali le tri najbolj kritične elemente po Palmgren-Minerjevem pravilu. Če se z uporabo grobih metod izkaže, da je življenjska doba mostu že potekla, potem sledi še natančnejša analiza mostu. V kolikor se izkaže, da je tudi po natančnejših metodah ocenjena življenjska doba nekega elementa že potekla, je potrebno opraviti pregled mostu oziroma kritičnega elementa na terenu. 104 Gašper Šmid, Gašper Rus, Samo Saje, Martin Klun, Jernej Nejc Lombar, Jan Ratej: PROJEKT PROGRAMA PKP2: OCENA STANJA ŽELEZNIŠKIH ..., 100-105(148) No. 3. / 2015 Preglednica 3: Rezultati izračuna preostale življenjske dobe v drugi fazi. Račune smo pri vsaki metodi vodili tako, da smo najprej vzeli zelo konservativne vhodne podatke, nato pa smo za izračun skušali pridobiti čim realnejše vhodne podatke. Najprej smo za oceno utrujanja uporabili metodo UIC 71, ki je nekoliko enostavnejša in smo z njo na varni strani. V vseh izračunih smo upoštevali konstanten letni pretovor za vsa leta uporabe mostu. Da bi lahko naredili realnejšo in bolj zanesljivo oceno preostale življenjske dobe, bi morali imeti podatke o letnem pretovoru za vsa pretekla leta. Tako bi lahko pravilno upoštevali vso zgodovino obremenjevanja mostu, ki nam bi pripomogla k zanesljivejši oceni preostale življenjske dobe. Prav tako, pa bi na podlagi teh podatkov lažje ocenili trend povečevanja letnega pretovora v prihodnje, ki je prav tako ključen pri izračunu preostale življenjske dobe. Ugotovili smo, da nam predpostavka, ki v izračunu preostale življenjske dobe upošteva en cikel spremembe napetosti pri prevozu enega vlaka ne poda natančnih rezultatov oziroma poda različne rezultate kot pri primerih kjer smo v izračunu upoštevali vse cikle pri prevozu vlaka. Predpostavka, ki upošteva vse cikle realnejše opisuje napetostno stanje v prerezu. V našem primeru torej ugotovimo, da je neprimerno upoštevati samo en cikel v izračunu, saj so rezultati zelo različni od rezultatov po metodi, ki upošteva vse cikle. Na podlagi rezultatov, ki smo jih dobili z izračuni ne moremo točno napovedati, koliko znaša dejanska preostala življenjska doba. So pa dober pokazatelj najbolj kritičnih elementov, ki jim je pri pregledu na terenu potrebno posvetiti večjo pozornost. Življenjsko dobo se lahko natančnejše napove le s pregledom na terenu, ko je znana razpokanost nekega elementa. Kot smo že omenili je v Sloveniji ogromno število starih mostov, katerih življenjska doba se počasi izteka. Zaradi vse večjih obremenitev železniške infrastrukture se bo stanje mostov še poslabšalo, evropskih smernic na tem področju pa bo postale še bolj nedosegljive. _ 105 Gasper Smid, Gasper Rus, Samo Saje, Martin Klun, Jernej Nejc Lombar, Jan Ratej: PKP2 PROGRAMME PROJECT: ASSESSMENT OF STEEL RAILWAY ..., 100-105(148)