PS 5 2017 WWW 1 75PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Trwałość zmęczeniowa najstarszych   spawanych mostów w Polsce w świetle badań  Fatigue life of the oldest welded bridges in Poland in the light of research Dr hab. inż. Bernard Wichtowski, em. prof. ZUT – Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie. Autor korespondencyjny/Corresponding author: marekw@zut.edu.pl Streszczenie Procedura oceny trwałości zmęczeniowej jest jedną z najistotniejszych w kompleksowej ocenie nośności i trwałości mostów spawanych eksploatowanych przez dłu- gi okres czasu. W trakcie badań tych mostów stwierdzono w wielu złączach doczołowych istnienie niezgodności spa- walniczych (karbów) z pęknięciami w spoinach czołowych włącznie. Referat jest próbą rekapitulacji wniosków z wie- loletnich badań tych konstrukcji. Badania dotyczyły tereno- wych badań rentgenograficznych złączy doczołowych tych mostów oraz laboratoryjne badania zmęczeniowe 4 typów spoin czołowych, które w nich występują. Badania te wraz z analizą wytrzymałościową konstrukcji nośnej pozwoliły oszacować żywotność poszczególnych obiektów. Słowa kluczowe: mosty stalowe; złącza spawane; zmęcze- nie stali Abstract The procedure for the assessment of fatigue life is one of the most important in the comprehensive assess- ment of capacity and durability of welded bridges exploited for a long period of time. In the study of these bridges it was found in a number of butt joints the existence of im- perfections (notches) with cracks in welds leading inclusive. The paper is an attempt to recapitulate the conclusions of many years’ research of these structures. The study concerned field studies X-ray butt these bridges and labo- ratory fatigue tests of 4 types butt welds, in which they occur. These studies, together with the strength analysis of the supporting structure made it possible to estimate the lifetime of individual objects. Keywords: steel bridges; welded joints; steel fatigue Wstęp W ostatnich latach w wielu państwach przyjęto nową probabilistyczną ocenę nośności mostów eksploatowa- nych, omówioną w [1]. Jest to metoda rozdzielonych wy- kalibrowanych współczynników bezpieczeństwa o obniżo- nych wymaganiach w stosunku do nowo projektowanych konstrukcji, jak i wymagań w kwestii okresu dalszej eksplo- atacji obiektu. Jednocześnie ukazały się zalecenia europejskiej pro- cedury oceny trwałości zmęczeniowej istniejącej kon- strukcji kompatybilnej z nowymi normami służącymi do projektowania konstrukcji stalowych [2], przedstawione na rysunku 1. Przydatnymi w tej analizie mogą być informacje po- zyskane z badań starych obiektów mostowych na temat parametrów materiałowych oraz odpowiedzi konstrukcji na obciążenia użytkowe. Artykuł jest próbą rekapitulacji wniosków z prowadzonych przez autora badań odnośnie stanu zagrożenia mostów historycznych zmęczeniem. Bernard Wichtowski przeglad Welding Technology Review Rys.  1.  Algorytm oceny trwałości zmęczeniowej istniejącej kon- strukcji stalowej według [2] Fig. 1. Algorithm assessment of the fatigue life of the existing steel structure according to [2] 76 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Zagadnienia materiałowe starych  konstrukcji mostów stalowych W wyniku wieloletniej eksploatacji konstrukcja mostu sta- lowego podlega tzw. starzeniu funkcjonalnemu, a sama stal starzeniu strukturalnemu. Mechanizm starzenia wyjaśnia się za pomocą klasycznej teorii wydzieleń lub nowszej teo- rii blokowania dyslokacji [3,4]. Poziomem porównawczym zmian właściwości materiałowych w trakcie eksploatacji jest symulacja wyjściowej budowy materiału za pomocą wy- żarzania normalizującego. Autor artykułu wygrzewał próbki w temperaturze 930 oC przez jedną godzinę i studził na po- wietrzu. Uzyskuje się w tym przypadku najmniejszą możliwą w tej stali wielkość ziarna. Jest to czynnik zwiększający gra- nicę plastyczności i obniżający temperaturę przejścia stali w stan kruchości [5,6]. Te zmiany struktury znajdują swoje odzwierciedlenie przede wszystkim w zmianach udarności materiału – rysunek 2. Na rysunku przedstawiono wyniki badań udarnościowych, w temperaturze -20 oC, 9 gatunków stali z 8 mostów wybu- dowanych w latach 1875-1938. Badano dwa rodzaje pró- bek: próbki starzone samorzutnie i próbki normalizowane. Badana stal wszystkich mostów w stanie poeksploata- cyjnym, starzonym ma bardzo małą wartość pracy łama- nia KV. Aktualnie stwierdzona wartość KV wynosi jedynie od 4 do 12 J. Zależność ta dotyczy wszystkich stali niezależ- nie od zawartości węgla od 0,016 do 0,258%. Rys.  2.  Wartość pracy łamania KV stali mostów w temperaturze -20oC dla próbek starzonych i normalizowanych (słupki zakresko- wane) Fig.  2. The value of breaking work KV of bridge steel at -20oC for samples aged and normalized (hatched bars) structure accord- ing to [2] Stan taki świadczy o kruchości materiału i jest szczegól- nie niebezpieczny, jeżeli występuje w obszarach spiętrzenia naprężeń, na przykład wokół niezgodności spawalniczych w spoinach – rysunek 3. Niezgodności są inicjatorami pękania, gdy obciążenie osiągnie określoną wartość kry- tyczną. Największą koncentrację naprężeń σx wywołują niezgodności spawalnicze (NS) elipsoidalne oraz NS podłuż- ne z eliptycznym przekrojem poprzecznym. Dla tych dwóch grup NS gradient zmiany maksymalnego naprężenia rośnie ze zmniejszaniem się wielkości promienia krzywizny o naj- większej ostrości kształtu NS. Przykładowo dla tych NS o charakterystyce kształtowej t/ρ = 100, wartość współ- czynnika kształtu dla u = 1 wynosi 13,6 i 21,0 (por. rys. 3). Natomiast dla NS kulistych o małym stopniu koncentra- cji – III klasa ostrości, wartość naprężeń jest niezależna od wielkości niezgodności i wynosi σx = 2,04 p. Naprężenia rozciągające w obecności karbu mogą być wynikiem obciążeń zewnętrznych, naprężeń własnych lub obu jednocześnie. Zwykle w spoiwie i jej sąsiedztwie występują znaczne naprężenia własne rozciągające. Ponieważ prawdopodobieństwo powstania pęknięć jest największe właśnie w tej strefie, nie można wykluczyć zapoczątkowania kruchego pękania konstrukcji nawet bez przyłożenia obciążenia zewnętrznego. W Polsce, w wy- niku błędów konstrukcyjnych zniszczeniu uległ w Osobnicy k.Jasła, 8 stycznia 1987 r. przy temperaturze -34 oC, drogowy most zespolony o dźwigarach eksploatowanych przez 17 lat, mimo braku obciążenia zewnętrznego – rysunek 4. Na rysunku 5 według [7], podano zależność wytrzymało- ści doraźnej Rm i wytrzymałości zmęczeniowej Zrj przy cyklu rozciągających naprężeń tętniących oraz przy cyklu waha- dłowym. Z uwagi na fakt, że Zrj < Rm to każda NS zewnętrzna i wewnętrzna spoiny stać się może inicjatorem pęknięcia zmęczeniowego lub kruchego. Rys. 3. Rozkład naprężeń σx w pobliżu NS podłużnych – I, elipsoidal- nych – II i kulistych – III Fig. 3. Stress distribution σx near weld imperfections longitudinal – I, ellipsoidal – II and globular – III Rys. 4. Zniszczony most drogowy w Osobnicy k.Jasła Fig. 4. Destroyed road bridge in Osobnica near Jaslo Rys. 5. Wytrzymałości początkowe i zmęczeniowe stali Fig. 5. Initial and fatique strength of steel 77PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Jakość spoin czołowych w najstarszych  mostach w Polsce Każda wada spoiny stać się może przyczyną pęknięcia, a więc utratą nośności konstrukcji. Zagadnienie staje się ważne w świetle wyników badań rentgenograficznych eks- ploatowanych mostów kolejowych [8]. Na ogólną liczbę 155 przebadanych mostów kolejowych w 34 (22%) stwierdzono pęknięcia w spawanych złączach doczołowych, przy czym 33 obiekty to konstrukcje wybudowane w latach 1936-1960. Pęknięcia stwierdzono na 437 rentgenogramach, co sta- nowi 2,8% ogólnej liczby 15875 przebadanych złączy. Wielokrotne badania złączy doczołowych z pęknięciami nie wykazały ich rozwoju ani powstawania nowych pęknięć. W celu wyjaśnienia tej okoliczności w artykule przedsta- wiono stan jakościowy spoin czołowych oraz ich analizę naprężeniową w dziewięciu najstarszych mostach spa- wanych w Polsce. Wykaz tych konstrukcji przedstawiono w tablicy I. Jest to most drogowy przez rzekę Słudwię pod Łowiczem (nr 1 – rys. 6) oraz osiem mostów kolejowych o numerach od I do VIII usytuowanych na 4 liniach. Mosty mają rozpiętości od 9,00 do 32,40 m. Poddawano je badaniom z różną częstością od 1 do 5 badań, w latach 1958-1984. Tylko most nr VIII był pierwotnie badany przez Niemców w roku 1936. Łącznie wykonano 746 zdjęć złączy doczołowych, w tym prawie jednakowa ich liczba przypada na strefę ści- skania i rozciągania, odpowiednio 350 i 396 rtg. Na rysunku 7 przedstawiono graficznie w ujęciu liczbowym, zestawie- nie przebadanych złączy doczołowych w poszczególnym moście z podziałem na poziomy jakości dopuszczalne (histogram górny) i niedopuszczalne (histogram dolny) według wymogów PN-EN ISO 5817:2014. Na histogramie dolnym podano również liczbę rentgenogramów z pęknię- ciami spoin w danym moście. Największa procentowo licz- ba złączy doczołowych poziomu jakości D i >D występuje w moście drogowym 1 na rzece Słudwi i w moście kolejo- wym I przez rzekę Sierpienicę. Procentowa zawartość rent- genogramów spoin poziomu jakości D i >D w tych mostach wynosi odpowiednio 34,7% i 32,0% [8,9]. Rys. 6. Konstrukcja mostu w czasie budowy w 1929 roku Fig. 6. The construction of the bridge during building in 1929 Usytuowanie na linii Nr mostu Rok  budowy Rok badań Liczba badanych Liczba Dźwigarów Złączy Rtg. Pęknięć 1 2 3 4 5 6 7 8 Kutno-Łowicz 1 1929 1958 2 66 76 17 Nasielsk-Toruń I II III IV 1937 1938 1938 1939 1958, 1971 1958, 1971 1958, 1971 1958 4 2 4 6 40 24 48 72 88 48 96 144 8 6 48 39 Łódź-Dębica V 1938 1963, 1970 6 64 128 5 Warszawa-Łowicz VI 1937 1950, 1967, 1979 8 16 32 – Poznań-Szczecin VII VIII 1935 1936 1971, 1984 1936,1958, 1962 1969, 1983 7 4 19 10 54 80 5 36 Razem 20 badań 43 359 746 164* *) – długość pęknięć od 7 do 860 mm Tablica I. Dane badań radiograficznych mostów Table I. Data of X-ray research of bridges Rys. 7.  Histogram poziomów jakości złączy doczołowych i liczba rentgenogramów z pęknięciami spoin w danym moście (wartość w liczniku) Fig.  7. Histogram of butt joints quality levels and the number of radiograms with weld cracks in the bridge (the value in the numerator) 78 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Stan naprężeniowy spoin W celu oszacowania trwałości użytkowej mostów prze- prowadzono analizę naprężeń w złączach doczołowych z pęknięciami, które stwierdzono w 8 mostach. Wyniki anali- zy podano w tablicy II. Dokonano obliczenia wartości naprę- żeń charakterystycznych występujących w spoinach czoło- wych (w osi nakładek i przykładek) oraz poza nakładkami w blasze pasowej lub środnikach (wartości w mianowniku). Obliczenia wykonano zgodnie z PN-82/S-10052 i PN- 85/S-10030 – jak przy sprawdzaniu na zmęczenie, tj. przy obciążeniach charakterystycznych ze współczynnikiem dynamicznym. W kolumnie 3 podano wartość naprężeń nominalnych od stałego obciążenia mostu, a w kolumnie 4 od obciążenia stałego i obciążeń normowych taborem, z uwzględnieniem wpływów dynamicznych. Naprężenia te wyznaczono od podstawowego układu obciążeń, przyj- mując klasę obciążenia k+2. W kolumnie 5 zestawiono wartości naprężeń od obciążenia stałego i ruchomego loko- motywą ET-21, z uwzględnieniem wpływów dynamicznych. Natomiast dla mostu VIII były to dwa parowozy Pt 31. W kolumnie 6 podano pomierzone tensometrycznie warto- ści naprężeń: – w moście nr 1, od dwóch samochodów, o naciskach kół – oś przednia 5,3 i 4,7 ton, a oś tylna 13,3 i 14,1 ton; – w moście nr VIII od 2 parowozów Pt 31 z tendrami 32D29 Natomiast w kolumnie 7 podano wartości ilorazów naprężeń σekspl/σnorm. Tablica II. Schematy dźwigarów i naprężenia normalne od obciążeń charakterystycznych w spoinach czołowych (wartości w liczniku) oraz poza nakładkami (wartości w mianowniku) i λ = σekspl / σnorm Table II. Schemes of carrying girders and normal stresses of characteristic loads in the butt welds (value in the numerator) and off overlays (values in the denominator) and λ = σekspl / σnorm σa= 17,3 (8,0)* σb= 9,8 10,0 σc= 11,3 — 4,0 8,2 7,1 11,4 8,0 11,8 σa= 14,3 16,8 σb= 15,1 17,1 σc= 15,4 17,0 σa= 10,3 13,8 σb= 12,0 14,3 σc= 12,8 14,7 σa= 5,7 7,3 σa= 6,8 σb= 11,6 68,4 80,4 74,4 84,2 72,4 79,9 116,1 136,5 122,1 138,1 123,7 136,6 80,8 108,3 93,6 111,1 99,0 113,9 47,0 63,1 53,9 63,9 56,8 65,3 96,0 123,2 51,1 65,5 σa= 24,0 Nr mostu Schemat dźwigara  i usytuowanie złącza z pęknięciami Naprężenia w MPa λ =  σekspl / σnorm obciążenia  stałe układ obciążeń pomierzone P – norm. P – eksp.1) 1 2 3 4 5 6 7 1 — — — — — — — — — I II III IV — — — 0,589 0,609 0,583 V — — — 0,583 0,576 0,574 VI — 0,532 VII 44,2 67,2 27,3 42,3 — — 0,618 0,624 VIII 89,8 62,32) 22,33) 28,44) 29,65) 0,694 *) uwzględniono współpracę pomostu jezdni 1) lokomotywa ET21 + obciążenie stałe 2) 2 parowozy Pt31 z tendrami 32D29 + obc. stałe 3) obciążenie statyczne 2´Pt31 z tendrami 4) obciążenie dynamiczne - v = 20 km/h 5) obciążenie dynamiczne - v = 80 km/h 79PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Badania zmęczeniowe spoin czołowych W ramach kompleksowej oceny żywotności złączy doczo- łowych występujących w starych konstrukcjach przeprowa- dzono laboratoryjne badania zmęczeniowe czterech grup złą- czy przedstawionych na rysunku 8. Proste regresji dotyczą: – badań próbek „a” – ze spoinami czołowymi poziomu ja- kości > D i starzonymi w sposób naturalny przez 45 lat, dla których wartość nieograniczonej wytrzymałości zmę- czeniowej (NWZ) wynosi Zrj = 101 MPa; – badań próbek „b” – ze spoinami czołowymi poziomu jako- ści B+, B i C, dla których NWZ ma wartość Zrj = 125 MPa; – badań próbek „c” – ze spoinami czołowymi obarczonymi pęknięciami wewnętrznymi o uzyskanej z badań wartości NWZ Zrj = 90 MPa; – badań próbek „d” – ze spoinami przykrytymi jednostron- nymi nakładkami rombowymi o wartości Zrj = 79 MPa. Nieograniczona wytrzymałość zmęczeniowa spoin czo- łowych z pęknięciami wewnętrznymi i spoin z jednostron- nymi nakładkami rombowymi stanowi odpowiednio 71,7 i 63,2% wytrzymałości zmęczeniowej spoin „zdrowych” [8]. Po liczbie cykli obciążenia powyżej 1,1•106 nakładki na spoinach w większym stopniu osłabiają ich wytrzyma- łość niż pęknięcia w spoinach (por. rys. 5 i 8). Rys. 8. Zestawienie prostych regresji 4 rodzajów złączy ze spoinami czołowymi Fig. 8. Collection of regression lines for 4 types of joints with butt welds Literatura [1] Wiśniewski D., Majka M., Bień J.: Ocena nośności mostów w okresie ich eksploatacji – doświadczenia krajowe i zagraniczne. Inżynieria i Budow- nictwo, nr 7-8/2013. [2] Kühn B., et al.: Assesment of existing steel structures: recommendations for estimation of remaining fatigue life. JRC Scientific and technical Report no. 43401. European Commision, Joint Research Centre, Luxemburg 2008. [3] Butnicki S.: Spawalność i kruchość stali. WNT, Warszawa 1975. [4] Rykaluk K.: Pęknięcia w konstrukcjach stalowych. DWE, Wrocław 1999. [5] Wichtowski B., Hołowaty J.: Właściwości stali w najstarszych spa- wanych mostach kolejowych w Polsce w świetlne badań. Inżynieria i Budownictwo, nr 5/2009. Podsumowanie W badaniach rentgenograficznych, 9 najstarszych mostów spawanych w Polsce, stwierdzono bardzo niską jakość spoin złączy doczołowych. 71,8% badanych odcinków złączy doczołowych ma niezgodności spawalnicze poziomu jakości D i większe, a na 141 rentgenogramach stwierdzono pęknięcia spoin. Wielokrotne badania nie stwierdziły rozwoju tych pęknięć. Według S. Kocandy [10]: „naprężenie inicjujące pęknięcie jest mniejsze od naprężenia koniecznego do rozwoju pęknięcia”. Praktycznie we wszystkich złączach doczołowych analizowanych mostów, obliczone i pomierzone naprężenia eksplo- atacyjne nie przekraczają określonej doświadczalnie nieograniczonej wytrzymałości zmęczeniowej Zrj spoin tych złączy. Wyjątek stanowi styk pasowy „b” mostów I÷IV na linii Nasielsk-Toruń, w których przekroczenie wartości Zrj od naprężeń eks- ploatacyjnych jest nieznaczne i wynosi 3,2%. Przedstawione w artykule zachowanie się złączy doczołowych z pęknięciami w omawianych mostach oraz ich analiza obliczeniowa i wyniki badań zmęczeniowych, potwierdziły fakt braku rozwoju tych pęknięć. Omawiane mosty kolejowe nr I÷VIII mogą być dalej bezpiecznie eksploatowane. [6] Wichtowski B., Hołowaty J.: Badania udarnościowe stali zlewnej mostów kolejowych, Inżynieria i Budownictwo, nr 1/2014. [7] Newmann A.: Schweisstechnisches Handbuch für Konstrukteure Teil 1. VEB Verlag Technik, Berlin 1990. [8] Wichtowski B.: Wytrzymałość zmęczeniowa spawanych złączy doczo- łowych w stalowych mostach kolejowych. Prace naukowe PS nr 572, Szczecin 2002. [9] Bogucki W.: Badania pracy mostu na rzece Słudwi. Inżynieria i Budownic- two, nr 10/1962. [10] Kocanda S.: Zmęczeniowe pękanie metali. WNT, Warszawa 1985.