Projekt okładki i stron tytułowych: Ireneusz Gawliński

Ilustracja na okładce: Shutterstock/PlusONE

Wydawca: Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji: Renata Ziółkowska

Redaktor: Agnieszka Grabarczyk

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: Marcin Kapusta / konwersja.virtualo.pl

Recenzenci: prof. dr hab. inż. Jan Bień prof. dr hab. inż. Kazimierz Furtak

Wydanie publikacji zostało dofinansowane przez Polską Izbę Inżynierów Budownictwa, B4 Sp. z o.o. oraz Mosty Gdańsk Sp. z o.o.

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, rob 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 2017

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2017 r., (wyd. I)

Warszawa 2017

ISBN: 978-83-01-19742-1

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

Przedmowa

1. Wprowadzenie Wojciech Radomski

1.1. Cel i zakres książki

1.2. Infrastruktura mostowa w Polsce

1.3. Przepustowość mostów

1.4. Cele i wymagania stawiane współcześnie mostom

1.5. Modernizacja strukturalna i funkcjonalna obiektów mostowych

1.6. Starzenie konstrukcyjne, komunikacyjne i przestrzenne obiektów mostowych

Bibliografia do rozdziału 1

2. Podstawowe zagadnienia techniczne i estetyczne Wojciech Radomski

2.1. Uwagi wstępne

2.2. Wzrost obciążeń i redystrybucja sił wewnętrznych

2.3. Rodzaje wariantów poszerzania mostów

2.4. Zagadnienia estetyki w poszerzaniu mostów

Bibliografia do rozdziału 2

3. Podstawowe zagadnienia ekonomiczne i społeczne Wojciech Radomski

3.1. Uwagi wstępne

3.2. Podstawy analizy efektywności użytkowej w mostownictwie

3.3. Przebudować czy budować nowy obiekt?

3.4. Nowsze metody analizy ekonomiczno-społecznej w mostownictwie

3.5. Analiza efektywności ekonomicznej w mostownictwie według zasad zrównoważonego rozwoju

3.5.1. Wprowadzenie

3.5.2. Ekonomiczna ocena cyklu życia

3.5.3. Środowiskowa ocena cyklu życia

3.5.4. Społeczna analiza cyklu życia

3.5.5. Zintegrowana analiza cyklu życia

Bibliografia do rozdziału 3

4. Analizy i badania poprzedzające poszerzanie mostów Wojciech Radomski

4.1. Uwagi wstępne

4.2. Oględziny obiektu

4.3. Analizy obliczeniowe

4.3.1. Modele geometrii konstrukcji

4.3.2. Modele materiału

4.3.3. Modelowanie obciążenia

4.3.4. Uwagi dodatkowe

4.4. Cele i rodzaje badań diagnostycznych

4.5. Wnioskowanie o kondycji obiektu

Bibliografia do rozdziału 4

5. Normatywne zasady projektowania mostów Andrzej Kasprzak

5.1. Systemy przepisów normatywnych do projektowania obiektów mostowych

5.2. Obciążenia ruchome

5.3. Metoda naprężeń dopuszczalnych

5.4. Metoda stanów granicznych

5.5. Analiza i wymiarowanie konstrukcji

Bibliografia do rozdziału 5

6. Obliczenia w projektowaniu poszerzenia mostów Andrzej Kasprzak

6.1. Specyfika, cel i zakres obliczeń

6.2. Modelowanie konstrukcji

6.3. Wybrane aspekty obliczeniowe – przykłady

6.3.1. Wpływ sposobu modelowania mostu belkowego na wyniki obliczeń

6.3.2. Wpływ poszerzenia pomostu na pracę ustroju niosącego

6.3.3. Wpływ sposobu łączenia nowych dźwigarów z istniejącą konstrukcją na ich pracę

6.3.4. Ocena nośności zmęczeniowej poszerzanej konstrukcji stalowej

Bibliografia do rozdziału 6

7. Podstawowe zagadnienia technologiczne i organizacyjne Wojciech Radomski

7.1. Uwagi wstępne

7.2. Ogólne kryteria wyboru technologii i organizacji prac

7.3. Technologie poszerzania pomostów betonowych

7.4. Technologie poszerzania pomostów stalowych

7.5. Organizacja prac ze względu na ruch po obiekcie

Bibliografia do rozdziału 7

8. Wzmacnianie obiektów mostowych Wojciech Radomski

8.1. Uwagi wstępne

8.2. Ogólna klasyfikacja metod wzmacniania przęseł mostowych

8.3. Wzmacnianie przęseł betonowych

8.3.1. Klasyfikacja metod wzmacniania

8.3.2. Zwiększenie przekroju poprzecznego elementów

8.3.3. Wbudowanie dodatkowych elementów

8.3.4. Zmniejszenie ciężaru własnego

8.3.5. Sprężanie kablami zewnętrznymi

8.3.6. Przyklejanie i mechaniczne mocowanie stalowych płaskowników

8.3.7. Bierne przyklejanie taśm kompozytowych

8.3.8. Przyklejanie mat kompozytowych

8.3.9. Wklejanie przypowierzchniowe taśm kompozytowych

8.3.10. Sprężanie taśmami kompozytowymi

8.3.11. Zmiana układu statycznego konstrukcji

8.3.12. Wymiana starych elementów na nowe

8.4. Wzmacnianie przęseł stalowych i zespolonych stalowo-betonowych

8.4.1. Klasyfikacja metod wzmacniania

8.4.2. Zwiększenie przekroju elementów

8.4.3. Wbudowywanie dodatkowych elementów wzmacniających

8.4.4. Zmniejszanie ciężaru własnego

8.4.5. Sprężanie kablami zewnętrznymi

8.4.6. Bierne przyklejanie taśm kompozytowych

8.4.7. Wymiana starych elementów na nowe

8.4.8. Sprężanie taśmami kompozytowymi

8.4.9. Zmiana układu statycznego

8.4.10. Zmiana systemu podparcia

8.4.11. Wzmacnianie połączeń

8.5. Uwagi dodatkowe o wzmacnianiu konstrukcji przęseł mostowych

8.6. Wzmacnianie podpór mostowych

8.7. Wzmacnianie fundamentów

Bibliografia do rozdziału 8

9. Poszerzanie mostów zabytkowych Wojciech Radomski

9.1. Ogólna problematyka zabytkowych obiektów mostowych

9.2. Problemy renowacji zabytkowych obiektów mostowych

9.3. Przykłady realizacji poszerzenia zabytkowych obiektów mostowych

9.4. Uwagi końcowe

Bibliografia do rozdziału 9

10. Przykłady poszerzania mostów współczesnych Wojciech Radomski

10.1. Wprowadzenie

10.2. Przykłady realizacji

10.2.1. Stosunkowo niewielkie poszerzenia

Most nad Regą w Resku

Wiadukt San Pietro nad autostradą Wenecja-Mediolan

Most Principe Umberto w Legnano

10.2.2. Stosunkowo duże poszerzenia

Most Auckland Harbour w Nowej Zelandii

Most przez cieśninę Rande (Ponte de Rande) w Hiszpanii

Most przez Ren w Kolonii (Rodenkirchen Brücke)

Most w Chinach

10.3. Uwagi dodatkowe

10.4. Poszerzenie mostu gen. Stefana Grota-Roweckiego przez Wisłę w Warszawie Andrzej Kasprzak

Bibliografia do rozdziału 10

Przypisy

Przedmowa

Poszerzanie obiektów mostowych należy do najważniejszych działań technicznych dotyczących modernizacji funkcjonalnej tych obiektów. Potrzeba takich działań występuje dość często, zwłaszcza w sytuacjach, gdy w ciągu szlaków komunikacyjnych eksploatowane są mosty, które przede wszystkim ze względu na przepustowość nie odpowiadają już warunkom współczesnego ruchu. Jest rzeczą znamienną, że dynamiczny rozwój gospodarczy i społeczny w niektórych krajach świata, w tym także i w Polsce, oraz wzrost potrzeb transportowych powodują, że tzw. starzenie komunikacyjne obiektów mostowych może nastąpić w stosunkowo niedługim czasie od ich wybudowania. Wiele przykładów to potwierdza. Poszerzanie mostów nabrało w ostatnich latach dużego znaczenia ekonomicznego i technicznego. Obecnie na rynku wydawniczym, i to nie tylko krajowym, nie ma publikacji książkowej poświęconej tym zagadnieniom. Temat jest wbrew pozorom bardzo obszerny, wieloaspektowy i dotyczący nie tylko działań technicznych, ale i wielu innych, w tym także zastosowania rozwiązań o dużych konsekwencjach estetycznych.

Chociaż o napisaniu monografii na temat poszerzania obiektów mostowych pierwszy z jej współautorów myślał od dość dawna, to jednak bezpośrednim impulsem do przystąpienia do jej opracowania było wyjątkowe ze względu na swą skalę poszerzanie mostu im. generała Stefana Grota-Roweckiego w Warszawie, w czym brał bezpośredni udział drugi ze współautorów.

Jak już zasygnalizowano, monografia, która trafia właśnie do rąk Czytelników, jest pierwszą nie tylko w skali krajowej współczesną pozycją poświęconą poszerzaniu mostów. Decyzja o podjęciu takiego działania powinna być oparta na wynikach wielu różnych analiz. Dlatego układ treści starano się do tego procesu dostosować, przedstawiając w kolejnych rozdziałach zagadnienia najpierw ogólne, a potem bardziej szczegółowe, poparte przykładami realizacyjnymi, krajowymi i światowymi. Wśród zagadnień szczegółowych specjalną uwagę zwrócono na poszerzanie mostowych obiektów zabytkowych, ponieważ zapewnienie ich normalnej eksploatacji wymaga nierutynowych działań, gwarantujących zachowanie wartości historycznej i walorów estetycznych tych budowli.

Poszerzanie obiektów mostowych wymaga na ogół napraw i wzmocnień już istniejących elementów konstrukcji. Naprawom niemostowych konstrukcji betonowych lub stalowych poświecono co najmniej kilka książkowych publikacji krajowych, zacytowanych w odpowiednich miejscach tekstu tej monografii, natomiast na temat wzmacniania obiektów mostowych jest takich pozycji znacznie mniej. Dlatego zdecydowano się na tę tematykę przeznaczyć oddzielny, obszerny rozdział.

Szczególną uwagę zwrócono także na specyfikę obliczeń projektowych dotyczących poszerzania mostów – w książce zamieszczono dwa rozdziały temu poświęcone.

Przedstawiono tu tematykę poszerzania obiektów mostowych o przęsłach betonowych i stalowych, ponieważ one właśnie są modernizowane najczęściej. W ostatnich latach w mostownictwie, także polskim, zaczęto stosować materiały nowej generacji, odmienne od wymienionych, głównie kompozyty polimerowe z różnego rodzaju włóknami (ang. Fibre Reinforced Polymers – FRP). Według wiedzy autorów, poszerzanie obiektów z użyciem tego rodzaju kompozytów dotyczy jak dotychczas pojedynczego przypadku – mostu Wilson-Burt w Niagar County USA, poszerzonego w 2015 roku. Dlatego tematykę tę w niniejszej książce pominięto. Autorzy czują się dodatkowo z tego braku usprawiedliwieni, wobec zapowiadanej monografii autorstwa Pana Profesora Tomasza Siwowskiego pt. Mosty z kompozytów FRP. Kształtowanie, analiza, badania, która ukaże się niebawem również nakładem Wydawnictwa Naukowego PWN. Natomiast zastosowaniu wyrobów kompozytowych do wzmacniania przęseł i podpór mostowych autorzy poświęcili wiele miejsca.

Autorzy świadomi są, że mimo starań, mogli popełnić błędy w przedstawianiu tematyki ujętej w poszczególnych rozdziałach. Dlatego proszą Czytelników o zgłaszanie im na niżej podane adresy e-mailowe zauważonych niedociągnięć i usterek – informacje te posłużą do udoskonalenia następnego wydania monografii.

Jako autorzy czujemy się w miłym obowiązku podziękować firmom B4 Sp. z o.o. i Mosty Gdańsk Sp. z o.o. oraz Polskiej Izbie Inżynierów Budownictwa za wsparcie finansowe wydania książki – umożliwiło ono podniesienie poziomu edytorskiego publikacji.

Szczególnie dziękujemy Panom Recenzentom: prof. dr. hab. inż. Janowi Bieniowi i prof. dr. hab. inż. Kazimierzowi Furtakowi za ich cenne, wnikliwe uwagi, których uwzględnienie pozwoliło na podniesienie wartości merytorycznej i redakcyjnej tej monografii. Dziękują też Wydawnictwu Naukowemu PWN, szczególnie Pani redaktor, mgr Agnieszce Grabarczyk, za czuwanie nad jakością tekstu i ilustracji oraz Panu mgr. Karolowi Zawadzkiemu za służenie autorom pomocą organizacyjną i formalną, a także wszystkim przygotowującym książkę pod względem edycji technicznej.

Na koniec serdecznie dziękujemy też naszej Koleżance, Pani mgr inż. Grażynie Borończyk-Płaska, za zebranie wielu materiałów dotyczących mostów zabytkowych. Wykorzystano je w rozdziale 9, podając w bibliografii do tego rozdziału wiele prac, których była współautorką.

Wojciech Radomski

w.radomski@il.pw.edu.pl

Andrzej Kasprzak

andrzej.kasprzak@mostygdansk.pl

Warszawa, wrzesień 2017 roku

1
Wprowadzenie

1.1. Cel i zakres książki

1.2. Infrastruktura mostowa w Polsce

1.3. Przepustowość mostów

1.4. Cele i wymagania stawiane współcześnie mostom

1.5. Modernizacja strukturalna i funkcjonalna obiektów mostowych

1.6. Starzenie konstrukcyjne, komunikacyjne i przestrzenne obiektów mostowych

Bibliografia do rozdziału 1

1.1. Cel i zakres książki

W mostownictwie, niemal od początku jego istnienia, czyli od bardzo dawna – gdyż historia tego działu budownictwa jest tak długa jak dzieje cywilizacji – można odróżnić dwa główne obszary działania. Jeden to wykonywanie nowych obiektów, drugi zaś – to utrzymywanie już istniejących budowli w takim stanie, aby spełniały one warunki bezpieczeństwa użytkowania i odpowiedniego komfortu pod względem funkcjonalnym. Przez wiele stuleci, aż do początków XX wieku, występował przede wszystkim pierwszy z wymienionych obszarów, a to za sprawą – poczynając od początków XIX wieku – burzliwego rozwoju transportu kolejowego i drogowego. Jednak w ciągu ostatnich kilku dekad wzrosło znaczenie techniczne, ekonomiczne i społeczne drugiego z wymienionych obszarów działania w mostownictwie. Stał się on co najmniej równie ważny jak pierwszy. Wynika to z faktu, że infrastruktura mostowa w wielu krajach, nawet tych najbardziej rozwiniętych, w znacznej części wykazuje niedostatki strukturalne lub jest przestarzała funkcjonalnie (najczęściej zaś ma obie te negatywne cechy). Sytuacja ta, którą można zaobserwować także w Polsce, jest – najkrócej rzecz ujmując – konsekwencją upływu czasu, szkodliwych wpływów środowiska i klimatu, wzrostu poziomu obciążeń i intensywności ruchu oraz zmieniających się wymagań dotyczących funkcjonalności obiektów mostowych. Utrzymanie zatem istniejącej, często od wielu lat eksploatowanej, infrastruktury mostowej w stanie umożliwiającym jej dalsze bezpieczne użytkowanie, dostosowane do bieżących lub przewidywanych wymagań strukturalnych i funkcjonalnych, wymaga wielu różnych działań technicznych o różnej skali. Są to bieżące naprawy, remonty i modernizacje, a także rozbiórki starego obiektu i zastąpienie go nowym, spełniającym wszystkie współczesne wymagania.

Tematyka tej książki dotyczy drugiego z wymienionych obszarów działania w mostownictwie, głównie zaś modernizacji funkcjonalnej obiektów, polegającej na zwiększaniu ich parametrów geometrycznych, przede wszystkim przez poszerzanie. Modernizacji funkcjonalnej, która często jest nazywana przebudową, towarzyszy zazwyczaj modernizacja strukturalna, polegająca na takim wzmocnieniu obiektu mostowego, aby zapewnić mu albo przywrócenie nośności przewidywanej w projekcie, albo – co stosunkowo częstsze – zwiększenie jego nośności w porównaniu z projektowaną. Ponieważ każde poszerzenie mostu prowadzi do zwiększenia jego obciążenia, więc zagadnieniom metod wzmacniania obiektów poświęcono obszerne fragmenty tej książki.

Wprawdzie poszerzanie obiektów mostowych stosowano od dość dawna, ale były to i są nadal działania raczej sporadyczne, jeśli pominiemy niewielkie zazwyczaj poszerzenia pomostów przez na przykład eliminację lub zwężenie chodników. Stosunkowo częściej jest wykonywane poszerzenie pomostów przez wprowadzenie ścieżek rowerowych lub dobudowanie zewnętrznych wsporników chodnikowych w celu poprawy komfortu ruchu pieszego. Przykłady takich właśnie rozwiązań będą podane w rozdziale 2. Ogólnie można stwierdzić, że obecnie poszerzanie mostów jest częstsze niż w poprzednich okresach.

Ograniczając się do sytuacji w Polsce, trzeba zauważyć, że jedną z głównych przyczyn potrzeby poszerzania obiektów mostowych jest wzrost intensywności ruchu. Aby zorientować Czytelnika w skali tego zjawiska, przytoczymy kilka podstawowych danych z dokumentu [1.1]. Na zlecenie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad (GDDKiA) co pięć lat wykonywane są generalne pomiary ruchu (GPR). Z pomiarów tych wynika, że na sieci dróg krajowych w okresie 2005–2010 zanotowano wzrost ruchu o 22% w stosunku do poprzedniego sześciolecia, natomiast w latach 2010–2015 wzrost ten był wprawdzie wyraźnie mniejszy, ale i tak wyniósł średnio 14% w stosunku do okresu 2005–2010 (trzeba przy tym wziąć również pod uwagę zwiększenie długości sieci dróg krajowych w ostatnim sześcioleciu, co także przyczyniło się do spadku dynamiki wzrostu ruchu). Dynamikę wzrostu ruchu na krajowych drogach pozamiejskich w Polsce w ciągu ostatniego piętnastolecia pokazano na rysunku 1.1. Widać szczególnie duży wzrost ruchu drogowego taboru ciężkiego. Nie ma tu oczywiście miejsca na szczegółową analizę badań intensywności ruchu drogowego w Polsce, ale faktem jest, że nastąpił jego wyraźny wzrost, stąd potrzeba modernizacji dróg i położonych wzdłuż nich obiektów mostowych. Te obiekty w wielu przypadkach stanowią tzw. wąskie gardła ciągów drogowych i dlatego wymagają poszerzenia.

Rys. 1.1. Dynamika wzrostu ruchu na krajowych drogach pozamiejskich w Polsce w latach 2000–2015 [1.1]

Obserwacje wskazują, że zjawisko owych wąskich gardeł jest jeszcze wyraźniejsze w przypadku obiektów mostowych usytuowanych wzdłuż dróg lokalnych, szczególnie zaś wyraźnie występuje w przypadku wielu obiektów miejskich. Temu ostatniemu zagadnieniu poświęcono w książce szczególnie dużo miejsca, gdyż w ostatnich latach w Polsce największe realizacje poszerzeń dotyczyły właśnie mostów miejskich.

Celem monografii jest zatem przybliżenie złożonej i niełatwej problematyki poszerzania mostów projektantom i wykonawcom, organom zarządzającym mostownictwem w naszym kraju oraz studentom specjalizującym się w budownictwie mostowym na politechnikach. Jest to pierwsza nie tylko w skali krajowej współczesna pozycja wydawnicza na ten temat.

Potrzeba opracowania możliwie całościowego ujęcia zagadnień dotyczących poszerzania mostów wynika przede wszystkim z tego, że tematyka ta była dotychczas przedmiotem stosunkowo niewielu i to rozproszonych publikacji krajowych i zagranicznych. Za jedną z pierwszych polskich pozycji można uznać pracę [1.2]. Opisy poszerzania kilku mostów w Wielkiej Brytanii można znaleźć w pozycji książkowej [1.3]. Problematykę tę uznano w USA za na tyle ważną, że opracowano rodzaj przewodnika, w którym zamieszczono procedury działań technicznych dotyczących poszerzania obiektów mostowych [1.4]. Poza tym, dość obszerny rozdział o poszerzaniu mostów w nawiązaniu do warunków panujących w USA można znaleźć w publikacji książkowej [1.5]. Natomiast historyczne już tylko znaczenie ma wydana w Polsce w 1962 roku pozycja [1.6].

Poszerzaniu podlegają niejednokrotnie mosty stare, noszące cechy zabytków. To wymaga pewnych specjalnych metod ich wzmacniania strukturalnego i doboru takiej formy architektoniczno-konstrukcyjnej samego poszerzenia, która nie zniweczy wartości historycznej danego obiektu. Dlatego tej tematyce poświęcono oddzielny rozdział 9.

Najwięcej jednak miejsca przeznaczono na zagadnienia diagnozowania stanu technicznego obiektów przed przystąpieniem do ich poszerzania, następnie na zagadnienia obliczeniowe w stadium projektowania poszerzenia oraz na zagadnienia realizacyjne. Wszystko to zilustrowano licznymi przykładami.

Trzeba wyraźnie stwierdzić, że poszerzanie obiektów mostowych nie należy do rutynowych działań technicznych w mostownictwie. Ingerencja w konstrukcje, w wielu przypadkach eksploatowane już od wielu lat, zawsze powoduje zmiany w istniejącym układzie sił wewnętrznych, czyli prowadzi do ich redystrybucji i zmiany wartości w stosunku do poprzednich. To wymaga wnikliwej analizy opartej obecnie w głównym stopniu na odpowiednim modelowaniu numerycznym, z naciskiem właśnie na słowo odpowiednim, gdyż w doborze modeli łatwo o popełnienie błędów już na wstępnym etapie.

Jest rzeczą oczywistą, że przed podjęciem decyzji o poszerzeniu mostu musi być znany jego stan techniczny. W skrajnych przypadkach drastycznie złego tego stanu rozbiórka istniejącego obiektu i zastąpienie go nowym może być – jak już to sygnalizowano – bardziej opłacalne niż poszerzanie istniejącego, zwłaszcza gdy uwzględni się tzw. koszty społeczne tych działań. Zagadnienie podejmowania decyzji na podstawie zasad analizy ekonomicznej efektywności inwestycji mostowych też jest tu omówione (rozdz. 3).

Wreszcie, zaprezentowane są też zagadnienia dotyczące technologii realizacji poszerzania mostów (rozdz. 7).

W książce ujęto zatem możliwie kompletnie tematykę poszerzania mostów. Należy jednak wyraźnie podkreślić, że poszerzanie to jest działaniem zindywidualizowanym, gdyż niemal każdy przypadek jest inny. Książka nie przynosi więc gotowych recept, daje tylko uporządkowany materiał, mogący stanowić dobrą podstawę do dokonywania właściwego w danych warunkach wyboru z uwzględnieniem technicznych, ekonomicznych i społecznych skutków przyjęcia określonych rozwiązań konstrukcyjnych i materiałowych poszerzenia obiektu.

Ponadto, przedmiotem tej monografii są głównie obiekty mostowe na drogach pozamiejskich i miejskich, gdyż te właśnie podlegają zwykle poszerzaniu. Poszerzanie obiektów kolejowych polega na ogół na równoległym w stosunku do istniejących obiektów dobudowywaniu nowych, niezależnych konstrukcji, tj. oddylatowanych wzdłużnie od już istniejących. Niemniej to dobudowywanie może być mniej lub bardziej udane nie tylko pod względem konstrukcyjnym, ale także estetycznym.

Zagadnieniom estetyki w poszerzaniu wszelkiego rodzaju obiektów mostowych poświęcimy tu wiele uwagi, wskazując liczne pozytywne, ale także i negatywne przykłady, gdyż takich niestety było i jest dość wiele w naszym kraju. Dotyczy to zwłaszcza poszerzania obiektów starych, noszących często cechy zabytków.

1.2. Infrastruktura mostowa w Polsce

Aby określić skalę potrzeb dotyczących modernizacji strukturalnej i funkcjonalnej obiektów mostowych w Polsce, trzeba mieć informacje o krajowej infrastrukturze mostowej z podziałem na jej podstawowe materiały konstrukcyjne oraz wiek. Podstawowe dane na ten temat wraz z sumarycznym porównaniem sytuacji w krajach Unii Europejskiej (27 krajów) zestawiono w tablicach 1.1 – 1.3.

Tablica 1.1. Orientacyjna ogólna liczba obiektów mostowych w krajach Unii Europejskiej i w Polsce [1.7, 1.8]

Drogowe obiekty mostowe

UE

%

Polska

%

ok. 480 000

100

ok. 35 000

7,3

Kolejowe obiekty mostowe

ok. 250 000

100

ok. 8000

3,2

Tablica 1.2. Procentowy udział obiektów mostowych w zależności od materiału konstrukcji przęseł – według liczby obiektów [1.7]

Materiał

Przęsła obiektów drogowych

Przęsła obiektów kolejowych

UE

Polska

UE

Polska

Beton

71,3%

87,0%

22,7%

36,8%

Metal (niemal wyłącznie stal)

8,9%

8,0%

21,5%

42,0%

Mur (kamień, cegła)

17,5%

2,6%

40,7%

12,0%

Niejednorodne (np. zespolone stal-beton)

2,3%

2,4%

15,1%

9,2%

100%

100%

100%

100%

Tablica 1.3. Wiek obiektów mostowych w Polsce [1.7, 1.8]

Wiek

Mostowe obiekty drogowe

Mostowe obiekty kolejowe

Mniej niż 20 lat

37,6%

3,6%

20 – 50 lat

32,7%

20,1%

Więcej niż 50 lat

29,7%

76,3%

w tym 100 lat i więcej

?

43,4%

Ogólna liczba

ok. 35 000 (100%)

ok. 8000 (100%)

Mostowe obiekty drogowe usytuowane są w ciągu dróg krajowych oraz dróg lokalnych: wojewódzkich, powiatowych i gminnych. Ich długości zestawiono w tablicy 1.4.

Tablica 1.4. Długości dróg publicznych z podziałem na ich kategorie (stan na 2015 rok) [1.9]

Kategoria drogi

Długość, km

%

Drogi krajowe

18 520

5

Drogi wojewódzkie

28 536

7

Drogi powiatowe

126 924

33

Drogi gminne

209 333

65

Łącznie

383 313

100

W nawiązaniu do tablicy 1.4 warto zwrócić uwagę, że chociaż drogi krajowe, administrowane przez GDDKiA, stanowią tylko około 5% długości sieci drogowej w Polsce, to właśnie nimi odbywa się aż 40%–50% ogólnego ruchu drogowego. Długość obiektów mostowych usytuowanych wzdłuż dróg publicznych to ponad 550 km (łączna ich liczba – przypomnijmy – to około 35 000 obiektów).

Na podstawie danych zestawionych w tablicach 1.1 – 1.3 można sformułować następujące spostrzeżenia, które mają swe konsekwencje dotyczące potrzeb modernizacyjnych krajowej infrastruktury mostowej, w tym także poszerzania obiektów:

• w krajowym mostownictwie drogowym zdecydowanie dominują obiekty betonowe (z betonu niezbrojonego lub zbrojonego poniżej tzw. minimalnego procentu zbrojenia, z żelbetu oraz z betonu sprężonego) – stanowią one aż 87% ogólnej liczby obiektów, co odpowiada również sytuacji w innych krajach UE;

• obiekty drogowe o przęsłach metalowych (niemal wyłącznie stalowych) stanowią w Polsce około 8% ogólnej liczby obiektów mostowych, co jest prawie tyle co w innych krajach UE (8,9%) – to samo dotyczy mostów zespolonych (odpowiednio 2,3% i 2,4% – por. tabl. 1.2);

• w krajowym mostownictwie kolejowym występuje niewielka, liczona w procentach, przewaga liczbowa obiektów metalowych, stalowych, ale jest ich wyraźnie więcej niż w innych krajach UE (42% wobec 21,5%);

• w odniesieniu do zarówno krajowych obiektów drogowych, jak i kolejowych uderza bardzo mała liczba budowli murowanych w porównaniu z Europą – odpowiednio 2,6% i 17,5% oraz 12,0% i aż 40,7% (por. tabl. 1.2) – wynika to głównie z opóźnienia rozwoju sieci kolejowych na ziemiach polskich (dopiero od II połowy XIX wieku) – w okresie intensywnego rozwoju kolejnictwa w Europie Zachodniej najbardziej dostępnym rozwiązaniem były łukowe obiekty murowane;

• w ostatnich latach podjęto w Polsce na dużą skalę „odmłodzenie” drogowej infrastruktury mostowej – niemal 38% obiektów ma mniej niż 20 lat, jednak w dalszym ciągu prawie 30% ich ogólnej liczby to obiekty eksploatowane dłużej niż 50 lat (por. tabl. 1.3);

• w odróżnieniu od drogowej, kolejowa infrastruktura mostowa jest wyraźnie starsza – tylko niespełna 4% ogólnej liczby obiektów to obiekty mające mniej niż 20 lat, natomiast ponad 43% to obiekty eksploatowane dłużej niż 100 lat.

W nawiązaniu do ostatniej uwagi warto dodać, że według danych przedstawionych w stosunkowo niedawnej publikacji [1.10], spośród 7430 mostów i wiaduktów utrzymywanych przez PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. prawie 67% to obiekty eksploatowane od ponad 71 lat (w tym 54% od ponad 100 lat). Wnioski co do potrzeby modernizacji tych obiektów nasuwają się same.

Najlepiej udokumentowana statystycznie jest infrastruktura mostowa pozostająca w gestii GDDKiA. W tablicy 1.5 oraz na rysunku 1.2 zestawiono informacje dotyczące wzrostu liczby obiektów w latach 2011–2015. Z tablicy tej wynika, że w pięcioleciu 2011–2015 liczba obiektów mostowych na drogach krajowych wzrosła z 5095 do 7258, czyli aż o 42%, co dobrze obrazuje dynamizm rozwoju mostownictwa, przy czym liczba obiektów betonowych wzrosła z łącznie 4330 do łącznie 6106, czyli o 41%, a liczba obiektów o przęsłach stalowych – z 684 do 990, czyli o 45%, to znaczy nieco tylko więcej niż liczba obiektów betonowych.

Tablica 1.5. Liczba obiektów mostowych w latach 2011–2015 zarządzanych przez GDDKiA z podziałem na rodzaj materiału konstrukcji [1.9]

Materiał konstrukcji

2011 rok

2012 rok

2013 rok

2014 rok

2015 rok

Stal

684

13,4%

741

13.4%

798

13,0%

944

13,6%

990

13,8%

Beton uzbrojony

2706

53,1%

2825

51,0%

2916

47,3%

3230

46,5%

3261

45,6%

Beton sprężony

1624

31,9%

1902

34,3%

2,383

38,7%

2706

39,0%

2845

39,8%

Kamień, cegła, beton

75

1,5%

70

1,3%

65

1,0%

62

0,9%

62

0,8%

Tymczasowe

6

0,1%

0

0,0%

0

0,0%

0

0,0%

0

0,0%

Ogółem

(w tym tunele oraz przejścia podziemne)

5095

133

100%

2,6%

5538

142

100%

2,6%

6162

210

100%

3,4%

6942

167

100%

2,4%

7258

181

100%

2,5%

Rys. 1.2. Ogólna liczba obiektów mostowych w latach 2011–2015 zarządzanych przez GDDKiA [1.8]

Natomiast mosty betonowe na drogach krajowych zdecydowanie dominują – w 2011 roku było ich łącznie 85,0%, a w 2015 – 85,4% ogólnej liczby obiektów, czyli ich udział był na prawie stałym poziomie. Mosty o przęsłach stalowych stanowiły w 2011 roku 13,4%, w 2015 roku 13,8% ogólnej liczby obiektów, czyli proporcja między obiektami betonowymi i stalowymi była w minionym pięcioleciu niemal stała. Zwraca natomiast uwagę niewielki, ale systematyczny wzrost liczby obiektów z betonu sprężonego (z 31,9% w 2011 roku do 39,8% w roku 2015).

Trzeba też podkreślić, że tylko na drogach krajowych (w tym autostradach) oddawano w Polsce do użytku średnio około 430 obiektów rocznie, co czyniło nasz kraj jednym z największych rynków mostowych w Europie. Warto też wspomnieć, że według danych GDDKiA [1.8] łączna długość obiektów mostowych wzrosła z 243 963 m w 2011 roku, do 398 042 m w roku 2015 (wzrost o 63%), natomiast ich powierzchni – z 3 226 716 m^2 w 2011 roku do 5 563 689 m^2 w 2015 roku (wzrost o 72%).

To, że w pięcioleciu 2011–2015 wybudowano wiele nowych obiektów (nie tylko na drogach krajowych), nie zmienia jednak faktu, że występują duże potrzeby modernizacji istniejącej infrastruktury mostowej – i strukturalnej i funkcjonalnej, jak już to podkreślano. Wynika to głównie z zaawansowanego wieku obiektów, co dobrze zilustrowano na rysunku 1.3 dotyczącym wieku obiektów zarządzanych przez GDDKiA, a także z ich stanu technicznego, o czym nieco dalej. Rysunek ten jasno pokazuje, że w ciągu ostatnich dziesięciu lat wybudowano w Polsce aż 55,7% ogólnego stanu infrastruktury mostowej na drogach krajowych – jest to więc infrastruktura młoda. Z drugiej jednak strony z rysunku 1.3 wynika, że 18,5% obiektów na drogach krajowych jest eksploatowana dłużej niż 50 lat – ta część infrastruktury jest więc stosunkowo stara. Dane dotyczących obiektów na drogach lokalnych nie są tak szeroko rozpowszechniane, jak te dotyczące dróg krajowych, ale są podstawy, aby sądzić, że lokalna infrastruktura mostowa jest starsza od tej krajowej.

Rys. 1.3. Wiek obiektów mostowych na drogach krajowych zarządzanych przez GDDKiA (stan na 30 października 2015 roku) [1.8]

Ze względu na zakres tematyczny tej książki ważny jest nie tylko wiek obiektów, ale – jak już wspomniano i co istotniejsze – ich stan techniczny. Ograniczymy się tu znów tylko do infrastruktury mostowej zarządzanej przez GDDKiA.

Zgodnie z dokumentem [1.11] system kontroli drogowych obiektów inżynierskich (a więc i obiektów mostowych) obejmuje:

• przeglądy bieżące,

• okresowe kontrole roczne – przeglądy podstawowe,

• okresowe kontrole pięcioletnie – przeglądy rozszerzone,

• przeglądy szczegółowe,

• ekspertyzy.

Nie ma potrzeby, aby przedstawiać szczegółowo zakresy i uwarunkowania formalne wymienionych elementów systemu kontroli.

Zaprezentujemy tylko nieco bliżej sposoby oceny stanu obiektów mostowych dokonywanej w ramach przeglądów podstawowych, rozszerzonych i szczegółowych, ponieważ sposoby te wyraźnie wpływają na zakres działań technicznych dotyczących również poszerzania obiektów mostowych.

„Okresowa kontrola roczna – przegląd podstawowy jest to kontrola dokonywana co najmniej raz do roku w celu oceny i rejestracji aktualnego stanu technicznego obiektu, jak również określenia warunków bezpiecznej eksploatacji oraz potrzeb i zakresu niezbędnych robót bieżącego utrzymania i remontów” [1.11].

„Okresowa kontrola pięcioletnia – przegląd rozszerzony jest to kontrola dokonywana co najmniej raz na pięć lat w celu oceny i rejestracji aktualnego stanu technicznego obiektu, przydatności obiektu do użytkowania, estetyki obiektu oraz jego otoczenia, jak również określenia warunków bezpiecznej eksploatacji, potrzeb i zakresu niezbędnych robót bieżącego utrzymania oraz remontów” [1.11].

„Przegląd szczegółowy jest to szczegółowa kontrola wszystkich elementów konstrukcji z podstawowymi pomiarami i badaniami, dokonywana w celu oceny i udokumentowania stanu technicznego obiektu oraz określenia warunków bezpiecznej eksploatacji, rodzaju i zakresu remontu lub przebudowy” [1.11].

Z podanych definicji wynika, że poszerzenie obiektu mostowego, które jest jego przebudową, powinno z mocy prawa być poprzedzone przeglądem szczegółowym. W wielu przypadkach jest to niewystarczające i konieczne jest wykonanie ekspertyzy. O roli ekspertyz w poszerzaniu mostów będzie jeszcze mowa w wielu miejscach tej książki.

Podczas przeglądów, zwłaszcza podstawowego i rozszerzonego, dokonywana jest ocena stanu technicznego obiektu w skali punktowej od 0 do 5. Kryteria tej oceny są przedstawione w tablicy 1.6. Ocenie punktowej podlegają elementy konstrukcji i jej wyposażenia (stan izolacji przeciwwodnych jest oceniany według nieco innej skali i nieco innych kryteriów [1.11]). Stan techniczny obiektu scharakteryzowany jest oceną średnią, która jest średnią arytmetyczną ocen wszystkich jego elementów kontrolowanych podczas przeglądów. Ocena całego obiektu jest najmniejszą z czterech następujących [1.11]:

• średniej arytmetycznej oceny wszystkich elementów ocenianych podczas przeglądu;

• oceny konstrukcji pomostu;

• oceny konstrukcji dźwigarów głównych;

• średniej arytmetycznej oceny przyczółków i filarów, tzw. połowy sumy najniższej oceny przyczółków i najniższej oceny filarów (w przypadku obiektu jednoprzęsłowego jest to najniższa ocena przyczółków).

Tablica 1.6. Skala i kryteria oceny elementów konstrukcji [1.11]

Ocena

Stan

Opis stanu elementu

5

Odpowiedni

Bez uszkodzeń i zanieczyszczeń możliwych do stwierdzenia podczas przeglądu

4

Zadowalający

Wykazuje zanieczyszczenia lub pierwsze objawy uszkodzeń pogarszających wygląd estetyczny

3

Niepokojący

Wykazuje uszkodzenia, których nienaprawienie spowoduje skrócenie okresu bezpiecznej eksploatacji

2

Niedostateczny

Wykazuje uszkodzenia obniżające przydatność użytkową, ale możliwe do naprawy

1

Przedawaryjny

Wykazuje nieodwracalne uszkodzenia dyskwalifikujące przydatność użytkową

0

Awaryjny

Uległ zniszczeniu lub przestał istnieć

Otóż w ostatnim dziesięcioleciu średnia ocena całego obiektu w skali całej Polski i dotycząca obiektów zarządzanych przez GDDKiA wahała się od 2,96 (co odpowiada niemal dolnej granicy stanu niepokojącego – por. tabl. 1.6) do 3,39 (co odpowiada stanowi niepokojącemu – por. tabl. 1.6). Oceny całego obiektu w latach 2006–2015 przedstawiono na rysunku 1.4. Warto zauważyć, że ta ocena całego obiektu mostowego systematycznie, choć niezbyt dynamicznie wzrasta. Świadczy to o stałym dążeniu do poprawy stanu technicznego obiektów na drogach krajowych. W dalszym ciągu ogólna ocena nie osiąga jednak stanu zadowalającego, tj. odpowiadającego ocenie 4 (por. tabl. 1.6).

Rys. 1.4. Ocena całego obiektu mostowego (ocena główna) na drogach krajowych zarządzanych przez GDDKiA w latach 2006–2015 [1.12]

Jak już wspomniano poprzednio, stan techniczny obiektów na drogach lokalnych jest mniej lub bardziej, ale gorszy od stanu obiektów zarządzanych przez GDDKiA.

Niezadowalający stan techniczny i funkcjonalny istniejącej infrastruktury mostowej występuje w wielu krajach, nawet tych najbardziej rozwiniętych. O ile w naszym kraju liczbę obiektów drogowych wymagających szybkiej modernizacji strukturalnej lub funkcjonalnej można ocenić na około 20% ich ogólnej liczby, to w USA procent ten sięga około 40%, a we Francji 50% [1.13]. Sprawa utrzymania i modernizacji istniejących obiektów mostowych jest zatem wielkim wyzwaniem technicznym, ekonomicznym i społecznym w skali światowej. Poszerzanie tych obiektów jest jednym z elementów tej sytuacji, bardzo specyficznym i ważnym.

Z syntetycznie ujętego przedstawienia stanu technicznego obiektów mostowych na drogach krajowych wynika ważny wniosek dotyczący ich poszerzania. Otóż w wielu przypadkach poszerzanie to wymaga wzmocnienia konstrukcji oraz jej napraw lub remontów. Te ostatnie będą tu przedstawione tylko fragmentarycznie, natomiast zagadnieniom dotyczącym wzmocnień strukturalnych będzie tu poświęcone wiele miejsca, a to z uwagi na ich znaczenie. Potrzeba wzmocnienia może bowiem wynikać ze wzrostu poziomu obciążeń będących konsekwencją poszerzenia nawet wtedy, gdy stan techniczny obiektu jest dobry, lub może wynikać po prostu z nieodpowiedniego lub wręcz złego stanu technicznego konstrukcji. Obie te przyczyny występują często łącznie.

1.3. Przepustowość mostów

Szerokość pomostów (jezdni i chodników oraz pasów bezpieczeństwa) drogowych obiektów mostowych (mostów, wiaduktów, estakad) była i jest projektowana na podstawie danych dotyczących bieżącego lub prognozowanego natężenia ruchu. Nieco inaczej rzecz ujmując, obiekty te muszą mieć odpowiednią przepustowość. Przepustowość jest definiowana jako [1.14]: „…największa liczba jednostek (pojazdów lub pieszych), którą może przepuścić przekrój drogi (ulica, wlot na skrzyżowanie, przejście dla pieszych, ścieżka rowerowa itp.) w jednostce czasu”. Dalej autorzy podręcznika [1.14] zauważają, że podana definicja pomija sprawę warunków i bezpieczeństwa ruchu na ciągu komunikacyjnym obciążonym ruchem o natężeniu równym przepustowości. Dlatego do projektowania wprowadzane są między innymi pojęcia przepustowości projektowej i przepustowości praktycznej, związane z wymaganiami dotyczącymi warunków ruchu. Szczegółowe przedstawienie metod obliczania przepustowości dróg przekracza zakres niniejszej książki. Obszerne informacje na ten temat można znaleźć w cytowanym już podręczniku [1.14], natomiast oficjalne instrukcje obliczania przepustowości zawierają instrukcje [1.15] i [1.16], przy czym pierwsza dotyczy dróg zamiejskich klas technicznych niższych od I i II, druga zaś – dróg klas technicznych I i II, czyli autostrad i dróg ekspresowych.

Mimo wielu różnych metod obliczania przepustowości dróg, w powszechnym użyciu w wielu krajach, w tym także w Polsce, jest metoda oparta na amerykańskiej metodzie HCM-85 (od ang. Highway Capacity Manual) z jej modyfikacjami dokonanymi w latach 1992–1994 [1.14]. W przywołanych instrukcjach tę właśnie metodę przyjęto za podstawę.

W odniesieniu do obiektów mostowych oraz drogowych węzłów przedmostowych nie ma żadnych odrębnych przepisów ani zaleceń – obowiązują tu instrukcje dotyczące obliczania przepustowości dróg danej klasy technicznej. Innymi słowy, szerokość jezdni (i ewentualnie chodników) powinna odpowiadać szerokości jezdni (i chodników) drogi dostosowanej do klasy technicznej drogi, wzdłuż której zlokalizowany jest obiekt. Jeszcze inaczej – liczba i szerokości pasów ruchu na obiekcie mostowym powinny być takie, jak na drodze doprowadzającej i sprowadzającej ruch pojazdów.

Jest rzeczą oczywistą, że wskutek wzrostu natężenia ruchu zaprojektowana szerokość jezdni mostowej może okazać się niewystarczająca, podobnie jak i szerokość samej drogi – jej przepustowość wraz z mostem może być zbyt mała. Dlatego prowadzone są prace modernizacyjne, polegające na poszerzeniu ciągów drogowych i usytuowanych na nich obiektów. Celem tego jest usprawnienie ruchu przez likwidację źródeł powstawania zatorów (korków) drogowych, czyli zbyt wąskich jezdni na drogach i obiektach.

Warto podkreślić, że w projektowaniu dróg i obiektów mostowych należy uwzględniać nie tylko bieżące potrzeby komunikacyjne, ale także prognozowany wzrost natężenia ruchu w ciągu określonego przyszłego okresu. Dzięki stosunkowo niewielkiemu wzrostowi kosztów inwestycji, wynikającemu z zaprojektowania szerokości jezdni z zapasem, zyskuje się długi okres użytkowania bez potrzeby modernizowania danego ciągu drogowego po stosunkowo krótkim czasie jego użytkowania.

Zagadnienie obliczania przepustowości linii kolejowych jest bardzo specyficzne i z podanych poprzednio przyczyn nie będzie tu przedstawiane w aspekcie poszerzania kolejowych obiektów mostowych. Pewne informacje na temat tej przepustowości można znaleźć w instrukcji [1.17].

1.4. Cele i wymagania stawiane współcześnie mostom

Ze względu na potrzeby komunikacyjne obiekty mostowe wykonywane są w dwóch podstawowych celach:

a) umożliwienia wszelkiego rodzaju ruchu (drogowego, kolejowego, pieszego itd.) przez różne przeszkody terenowe: wodne (rzeki, zatoki, cieśniny itd.) i lądowe (doliny, wąwozy itd.);

b) poprawienia warunków bezpieczeństwa i płynności wszelkiego rodzaju ruchu, a często i ochrona terenu, szczególnie przyrodniczo cennego.

Pierwszy z wymienionych celów jest oczywisty i potrzeba jego realizacji jest tak stara jak historia cywilizacji (dlatego cel ten można nazwać klasycznym) – ludzie zawsze musieli lub chcieli się przemieszczać. Historia wiedzie więc tu od przepraw prymitywnych (często i obecnie będących w użyciu) po współczesne obiekty autostradowe (rys. 1.5). Bez tego rodzaju mostów zapewnienie stałego ruchu nad przeszkodami terenowymi byłoby niemożliwe.

Potrzeba realizacji drugiego z wymienionych celów jest o wiele nowsza, chociaż licząca co najmniej 150 lat. Wyniknęła ona ze wzrostu natężenia ruchu, głównie drogowego. Tę potrzebę najlepiej można przedstawić na prostym przykładzie skrzyżowania drogi z torami kolejowymi. Oczywiście, jeżeli skrzyżowanie to jest jednopoziomowe, kolizyjne, zabezpieczone lub nie barierami zamykanymi na czas przejazdu pociągu, to tory te nie stanowią przeszkody uniemożlwiającej ruch drogowy, ale ruch ten znacznie utrudniają i stanowią potencjalne zagrożenie bezpieczeństwa. Wybudowanie wiaduktu drogowego nad torami usuwa obie te wady i przez to płynność i bezpieczeństwo ruchu znacznie się poprawiają. Podobne przykłady można oczywiście mnożyć. Jednym z najbardziej współczesnych są wielopoziomowe, bezkolizyjne węzły drogowe, na przykład w skrzyżowaniach autostrad lub dróg miejskich (rys. 1.6).

Rys. 1.5. Od mostów a) prymitywnych (Can Tho, Wietnam, Shutterstock 581535649/Renato Seiji Kawasaki) do b) współczesnych (Most Rędziński, Wrocław, Shutterstock 99182552/Mariusz Szczygiel)

Rys. 1.6. Przykłady wielopoziomowych węzłów drogowych (Houston, Texas, Shutterstock 645139225/Trong Nguyen; Zurych, Szwajcaria, Shutterstock 625471676/Mario Nowak)

Bezkolizyjne węzły drogowe byłyby praktycznie niemożliwe do realizacji bez obiektów mostowych – wiaduktów i estakad, często o dość skomplikowanej geometrii (obiekty w skosie, w łukach poziomych i pionowych). Natomiast w projektowaniu dojazdów do głównych przepraw mostowych lub wiaduktów można w zasadzie stosować dwa rozwiązania – nasyp lub estakadę (rys. 1.7).

Najogólniej rzecz ujmując, estakada jest konstrukcją mostową służącą do podniesienia poziomu drogi ponad otaczający teren. Estakady występują zwykle wzdłuż tras dojazdowych do zasadniczych mostów lub wiaduktów nad przeszkodami wodnymi lub lądowymi, bądź też w węzłach drogowych (np. przedmostowych). Mają na ogół dość znaczne długości, mogą być położone w łuku poziomym lub w łuku nachylonym do poziomu, mogą też mieć relatywnie duże pochylenia wzdłużne (np. w przypadku tzw. ramp dojazdowych) i poprzeczne.

a)

b)

Rys. 1.7. Dojazd do mostu a) po nasypie (Most Marii Skłodowskiej-Curie, Warszawa) i b) po estakadzie (Most Siekierkowski, Warszawa) (fot. Andrzej Kasprzak)

W nowszych rozwiązaniach, zwłaszcza na terenach zurbanizowanych preferowane jest rozwiązanie estakadowe. Wynika to głównie z tego, że budowa nasypów jest o wiele bardziej terenochłonna od estakad, co schematycznie pokazano na rysunku 1.8.

Rys. 1.8. Teren zajęty w zależności od wysokości nasypu i wzniesienia estakady

Nawet, jeżeli w nowszych rozwiązaniach nasypów boczne pochylenia skarp nasypów są znacznie mniejsze od tradycyjnych, pokazanych na rysunku 1.8 (np. przez zastosowanie gruntu zbrojonego, pozwalającego na niemal pionowe powierzchnie boczne nasypów, lub likwidację bocznych skarp przez pionowe ściany oporowe), to pozostają jeszcze inne argumenty przemawiające za estakadami, zwłaszcza gdy wzniesienie drogi nad terenem jest stosunkowo duże. Otóż nasypy stanowią zawsze przegrodę terenową, wyraźnie oddzielającą teren z obu ich stron. Uniemożliwia to lub w dużym stopniu utrudnia komunikację w kierunku prostopadłym do nasypów. Ponadto, nie można użytkować terenu przez nie zajętego. Natomiast w przypadku estakad, komunikacja w kierunku prostopadłym do trasy mostowej może funkcjonować, a przestrzeń pod estakadą może być w różny sposób użytkowana, na przykład jako miejsca parkingowe lub galerie handlowe. Czym wyższe są podpory estakady, tym ich wpływ na użytkowanie terenu jest mniej znaczący. Oznacza to, że planowanie przestrzeni w otoczeniu estakad jest o wiele mniej ograniczone niż w przypadku nasypów. Jak wspomniano, wszystko to nabiera szczególnie dużego znaczenia na terenach zurbanizowanych. Poza miastami, na terenach otwartych, budowa estakady stanowi mniejszą ingerencję w środowisko niż budowa nasypu. W analizie ekonomicznej, mającej dać odpowiedź na pytanie: czy nasyp, czy estakada, należy uwzględniać i koszt zajętego terenu i te wszystkie aspekty, które tu w koniecznym skrócie podano. Wartość terenu zajętego przez drogi szacować można w przedziale 15 – 20% sumarycznej wartości inwestycji drogowej [1.18].

Innym współcześnie stawianym warunkiem w mostownictwie jest to, aby obiekt był płynnie wpisany w geometrię drogi. Jest to pośrednie odniesienie do drugiego z wymienionych poprzednio celów budowania obiektów mostowych (celu b)). Dawniej geometrię tę podporządkowywano często wymaganiu, aby most był jak najkrótszy i usytuowany prostopadle do głównego nurtu rzeki. Taki historyczny przykład, dziś już nie do zaakceptowania właśnie ze względu na bezpieczeństwo i płynność ruchu, pokazano na rysunku 1.9. Dotyczy on mostu przez Pilicę w Białobrzegach, ukończonego w 1936 roku, jednego z największych obiektów żelbetowych w tamtym okresie (długość około 250 m, rozpiętości przęseł około 62,50 m). Most, odbudowany po częściowym zniszczeniu wojennym, intensywnie eksploatowano przez wiele lat, ponieważ był usytuowany w ciągu drogi E7, ważnej arterii komunikacyjnej, łączącej między innymi Warszawę z Krakowem. Stanowił on jednak jej wąskie gardło ze względu na zbyt małą szerokość jezdni, która kiedyś wystarczała, a na której w ostatnich dekadach z trudem mijały się duże pojazdy. Intensywny i odbywający się z częstymi dużymi zatorami ruch przez centrum miasta wymusił potrzebę budowy obwodnicy Białobrzegów z nowym mostem przez Pilicę. Obwodnica ta jest częścią trasy S7. Jej otwarcie nastąpiło dopiero 25 lipca 2003 roku. Szerokość nowego mostu to około 30 m, a jego długość między skrajnymi miejscami podparcia – 225 m (przęsła 3 × 75 m). Most ten pokazano na rysunku 1.10. Jest to ciągła konstrukcja belkowa, zespolona, ze stalowymi dźwigarami i żelbetową płytą jezdni.

a)

b)

c)

Rys. 1.9. Most przez Pilicę w Białobrzegach: a) geometria trasy drogowo-mostowej w planie [1.18] b) i c) widok boczny i widok przy wjeździe (fot. Andrzej Kasprzak)

a)

b)

c)

Rys. 1.10. Most im. bp Jana Chrapka przez Pilicę w ciągu drogi S7, na odcinku obwodnicy Białobrzegów: a) widok boczny mostu, b) przebieg trasy – most na dalszym planie, c) fragment konstrukcji opartej na filarze (fot. Andrzej Kasprzak)

Zwraca uwagę łagodne wpisanie obiektu w geometrię drogi (rys. 1.10b) oraz jego zharmonizowanie z krajobrazem (rys. 1.10a). Stary most łukowy, będący nadal w dobrym stanie technicznym, stał się mostem lokalnym i jest nadal używany. Ze względu na jego konstrukcję (tzw. jazda dołem) i usytuowanie, nie można było przez poszerzenie wyeliminować na dojeździe do miasta wąskiego gardła, które stanowił. Przykład tego mostu pokazuje, że w skrajnym przypadku stary obiekt, spełniający wymogi strukturalne, ale nie spełniający funkcjonalnych (ruchowych), może nadal być eksploatowany, ale już w innej roli (zwykle lokalnej). Przykład ten pokazuje też, że starzenie przestrzenne i komunikacyjne mostów następuje często szybciej od starzenia konstrukcyjnego. Pojęcia te zostaną bliżej przedstawione w podrozdziale 1.6. Opisany most jest także dobrą ilustracją skrajnego wariantu poszerzania trasy mostowej przez wybudowanie nowego obiektu o innej lokalizacji od istniejącego (przypadek E, w tablicy 2.1, p. 2.3).

Innymi wymaganiami dotyczącymi mostów jest ich trwałość, ekonomiczność rozwiązań z uwzględnieniem całego okresu przewidywanej eksploatacji, estetyka, łatwość utrzymania oraz – coraz częściej – zgodność ze strategią zrównoważonego rozwoju, której bardzo ważnym elementem jest tzw. zrównoważone budownictwo, w tym budownictwo komunikacyjne. Wszystkie te wymagania będą szczegółowo opisane w dalszych rozdziałach tej książki.

1.5. Modernizacja strukturalna i funkcjonalna obiektów mostowych

Termin modernizacja, według Słownika Języka Polskiego [1.19], oznacza „unowocześnienie, uwspółcześnienie czegoś”. Jako przykłady tego terminu w wymienionym słowniku podano: „modernizacja maszyn, modernizacja transportu”, a więc odniesiono go bezpośrednio do techniki. Modernizacji mogą także podlegać (i rzeczywiście podlegają) obiekty mostowe. W anglojęzycznym piśmiennictwie technicznym oprócz terminu bridge modernization, stosowany też bywa zamiennie termin bridge modification. W zacytowanym poprzednio słowniku [1.19] modyfikacja zdefiniowana jest jako „zmiana, przeróbka lub poprawka czegoś, nie naruszające zasadniczego charakteru rzeczy…”. I znów słownikowymi przykładami z zakresu techniki są: „modyfikacja technologii, systemu organizacyjnego, samochodu, samolotu, przyrządu”. Tak więc i mosty mogą podlegać modyfikacji, gdyż podana definicja dobrze ją w odniesieniu do mostów definiuje. W Polsce powszechniejszy jest jednak termin modernizacja mostów i dlatego jego właśnie będziemy tu dalej używać, nadając mu specjalne znaczenie.

Otóż przez modernizację obiektu mostowego będziemy tu rozumieć nadanie mu nowych, lepszych cech strukturalnych (konstrukcyjnych) i funkcjonalnych w porównaniu ze stanem poprzednim, będącym wynikiem wykonania obiektu zgodnie z wszystkimi wymaganiami technicznymi zawartymi w jego projekcie. Na przykład, jeśli wskutek różnych czynników destrukcyjnych (por. rozdz. 4) stan techniczny obiektu uległ takiemu pogorszeniu, że jego przewidziana w projekcie nośność zmalała i trzeba konstrukcję tak wzmocnić, aby przywrócić jej pierwotną nośność, to wszystkich działań technicznych prowadzących do tego celu nie można traktować jako służących modernizacji strukturalnej, lecz przywracaniu obiektowi jego początkowych cech (w tym przypadku pierwotnej nośności). Inaczej jest, jeżeli konstrukcji mostowej, niezależnie od jej stanu technicznego, stawiany jest warunek, aby jej nośność była większa od przewidywanej w pierwotnym projekcie. Wtedy ta jej cecha ma ulec zmianie, polepszeniu i wszystkie działania techniczne służące do spełnienia tego warunku zmierzają do modernizacji strukturalnej obiektu. Odróżnienie to jest o tyle ważne, że jeżeli chodzi o wzmocnienie konstrukcji, to w obu przypadkach mogą być stosowane te same metody (patrz rozdział 8).

Poszerzanie obiektów mostowych z reguły służy poprawie warunków ruchu. Jest więc zawsze działaniem modernizacyjnym, zmieniającym i polepszającym pierwotne cechy tych obiektów. Zmiany polegające na zwiększeniu parametrów geometrycznych obiektu przez jego poszerzanie lub podnoszenie (gdy skrajnia ruchu pod obiektem ma zbyt małą wysokość) albo na łagodzeniu pochyleń wzdłużnych niwelety drogi na obiekcie są jego modernizacją funkcjonalną. Ta monografia, zgodnie z zapowiedzią, dotyczyć będzie tylko poszerzania obiektów. Ich podnoszeniu, przede wszystkim w aspekcie zwiększania wysokości skrajni ruchu kolejowego pod wiaduktami drogowymi, poświęcona jest stosunkowo już dawna publikacja [1.20].

Modernizacja strukturalna, jak wynika z poprzedniego opisu, to zespół działań technicznych, polegających przede wszystkim na podniesieniu poziomu nośności konstrukcji ponad przewidywany w pierwotnym jej projekcie.

Najbardziej ogólne ujęcie różnicy między przywracaniem obiektowi jego początkowych cech i jego modernizacją, z uwzględnieniem czynnika czasu, przedstawiono na rysunku 1.11.

Rys. 1.11. Przywracanie początkowych cech mostu a jego modernizacja, z uwzględnieniem roli czasu