Co to jest ortotropowy stalowy pomost mostowy?

Stalowe ortotropowe pomosty mostowe

Definicja i znaczenie terminu „Ortotropowy"

Termin ortotropowy jest skrótem od słów ortogonalny i anizotropowy, opisującym system płyt konstrukcyjnych, którego właściwości sprężyste różnią się w dwóch prostopadłych kierunkach. Ortotropowy pomost stalowy (OSD) to system pomostu mostowego składający się z cienkiej blachy stalowej usztywnionej żebrami podłużnymi biegnącymi równolegle do osi mostu oraz poprzecznymi belkami (lub przeponami) rozpiętymi prostopadle do osi mostu. To dwukierunkowe usztywnienie tworzy konstrukcję, w której sztywność zginania i skręcania w kierunku podłużnym, regulowana przez żebra, jest zasadniczo różna od sztywności w kierunku poprzecznym, regulowanej przez belki poprzeczne.

Podstawową zasadą funkcjonalną OSD jest to, że blacha stalowa pomostu służy jako górny pas jednocześnie dla trzech elementów konstrukcyjnych: żeber podłużnych, belek poprzecznych i głównych dźwigarów mostu. Ta integracja eliminuje zbędny materiał, co daje system pomostu ważący około 30% konwencjonalnego zbrojonego pomostu betonowego o równoważnej rozpiętości i wytrzymałości. Koncepcja została po raz pierwszy opracowana i opatentowana w Niemczech w latach 30. i 40. XX wieku, a pierwsze znaczące wdrożenie miało miejsce na moście Severn w Wielkiej Brytanii (1966), który zapoczątkował stosowanie zamkniętych żeber trapezowych w aerodynamicznym dźwigarze skrzynkowym.

Pomosty ortotropowe są klasyfikowane przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO) oraz Amerykańskie Stowarzyszenie Stanowych Urzędników ds. Transportu i Autostrad (AASHTO) jako odrębny system pomostu, różny od pomostów z siatki stalowej wypełnionej betonem, pomostów z polimerów wzmacnianych włóknem (FRP) i konwencjonalnych płyt betonowych. Federalna Administracja Dróg (FHWA) publikuje definitywne wytyczne projektowe i konstrukcyjne w swojej publikacji FHWA-IF-12-027: Manual for Design, Construction, and Maintenance of Orthotropic Steel Bridges.

Klasyfikacja pomostu ortotropowego dotyczy zarówno mostów ortotropowych typu płytowego, gdzie płyta ortotropowa służy jako górny pas dźwigarów blachownicowych lub skrzynkowych, jak i mostów ortotropowych typu przelotowego, gdzie pomost znajduje się na szczycie głównej konstrukcji nośnej. W nowoczesnym projektowaniu mostów o dużych rozpiętościach pomost ortotropowy jest prawie zawsze zintegrowany z zamkniętym stalowym dźwigarem skrzynkowym, który pełni funkcję aerodynamicznej opływowej osłony, zapewniając zarówno nośność konstrukcyjną, jak i odporność na wiatr.

Anatomia pomostu ortotropowego

Anatomia ortotropowego pomostu stalowego składa się z trzech głównych elementów współpracujących jako zintegrowany system konstrukcyjny: blachy pomostu, żeber podłużnych oraz poprzecznych belek. Elementy te są połączone złączami spawanymi, które muszą być zaprojektowane i wykonane z precyzją, aby osiągnąć oczekiwaną trwałość zmęczeniową.

Blacha pomostu

Blacha pomostu to płaska blacha stalowa tworząca górną powierzchnię pomostu ortotropowego. Bezpośrednio podtrzymuje warstwę ścieralną (system nawierzchni) i przenosi obciążenia kół na żebra podłużne poniżej. Blacha pomostu jest zazwyczaj wykonana ze stali AASHTO M270 / ASTM A709 Grade 50 o minimalnej granicy plastyczności 50 ksi (345 MPa). Wyższe gatunki, takie jak Grade 50W lub HPS 70W, mogą być określone dla specjalnych zastosowań wymagających podwyższonej odporności lub wytrzymałości na korozję.

Grubość blachy pomostu jest krytycznym parametrem projektowym, ponieważ bezpośrednio kontroluje wielkość lokalnych naprężeń zginających w miejscu spoiny żebro-pomost. Grubsze blachy pomostu zmniejszają amplitudę lokalnych naprężeń zginających pod obciążeniami kół, wydłużając trwałość zmęczeniową połączenia spawanego. Badania FHWA Turner-Fairbank Highway Research Center oraz Japońskiego Instytutu Badań Robót Publicznych (PWRI) wykazały, że grubość blachy pomostu jest najważniejszym pojedynczym parametrem geometrycznym kontrolującym inicjację pęknięć zmęczeniowych w spoinie żebro-pomost. Most San Mateo-Hayward w Kalifornii miał blachę pomostu o grubości 3/4 in. (19 mm), która wytrzymała 47 lat przed koniecznością znaczących napraw zmęczeniowych, podczas gdy Most Danziger z cieńszą blachą 1/2 in. (12,7 mm) doświadczył przyspieszonego pękania nawierzchni i zniszczeń zmęczeniowych.

Żebra podłużne

Żebra podłużne są głównymi elementami usztywniającymi biegnącymi równolegle do osi mostu. Są przyspawane do spodniej strony blachy pomostu i przenoszą obciążenia na poprzeczne belki. Stosowane są dwa typy żeber: żebra zamknięte i żebra otwarte.

Żebra zamknięte, zwane również żebrami korytowymi lub trapezowymi, mają przekrój w kształcie litery U lub trapezowy utworzony przez gięcie płaskiej blachy stalowej. Są dominującym typem żeber w nowoczesnych pomostach ortotropowych ze względu na doskonałą sztywność skrętną, która zapewnia lepszy rozkład obciążeń między sąsiednimi żebrami i pozwala blasze pomostu na większe rozpiętości między belkami poprzecznymi. Kształt trapezowy, z pochylonymi bokami pod kątem około 72 stopni od poziomu, jest preferowany w stosunku do czystego kształtu U, ponieważ upraszcza produkcję, zmniejsza wymagany promień gięcia i zapewnia bardziej efektywny przekrój. Typowe wymiary żeber zamkniętych według opcji projektowych FHWA Level 1 to:

Żebra zamknięte są przyspawane do blachy pomostu za pomocą spoin czołowych z niepełnym przetopem (PJP) wykonanych od zewnętrznej strony żebra. Spoina musi osiągnąć minimum 60% przetopu grubości ścianki żebra zgodnie z AASHTO LRFD 9. edycja (2020), złagodzone z wcześniejszego wymogu 70–80% na podstawie obszernych badań zmęczeniowych. Dostęp do wnętrza żeber zamkniętych w celu kontroli zapewniają otwory rewizyjne, zazwyczaj otwory 4 in. na 24 in. (100 mm na 610 mm) wycięte w dnie żebra przy każdej belce poprzecznej. Otwory te są zamykane przykręcanymi siatkami drucianymi po kontroli, aby zapobiec gromadzeniu się zanieczyszczeń.

Żebra otwarte to prostsze profile, płaskie blachy, ceowniki z odsadzką lub walcowane kątowniki, spawane bezpośrednio do spodniej strony blachy pomostu. Wymagają spoin pachwinowych po obu stronach żebra zamiast spoin czołowych PJP, co upraszcza produkcję i kontrolę. Jednak żebra otwarte nie mają sztywności skrętnej żeber zamkniętych, co wymaga gęstszego rozstawu i ogranicza maksymalny rozstaw belek poprzecznych. Typowy rozstaw żeber otwartych wynosi około 1 ft 3 in. (380 mm), w porównaniu do 2 ft 2 in. dla żeber zamkniętych. Opcje projektowe FHWA Level 1 dla żeber otwartych określają:

Żebra otwarte są łatwiejsze do łączenia montażowego i zapewniają lepszy dostęp do połączeń spawanych. Wymiana górnego pomostu Mostu George’a Washingtona (1978) wykorzystała otwarte żebra typu T, osiągając 46% redukcję masy w porównaniu z oryginalnym pomostem betonowym.

Belki poprzeczne i przepony

Belki poprzeczne (zwane również belkami poprzecznymi lub belkami poziomymi) to poprzeczne elementy usztywniające, które podtrzymują żebra podłużne w regularnych odstępach i przenoszą obciążenia z pomostu na główne dźwigary mostu. Odstęp między belkami poprzecznymi jest równy rozpiętości żebra, odległości, jaką żebra podłużne muszą pokonać bez pośredniego podparcia. Belki poprzeczne są zazwyczaj wykonane z dźwigarów blachownicowych z blachą środnika oraz górną i dolną blachą pasa.

Środnik belki poprzecznej jest przebity w każdym miejscu żebra, aby umożliwić ciągłe przejście żebra podłużnego. Połączenie między żebrem a środnikiem belki poprzecznej jest jednym z najbardziej krytycznych ze względu na zmęczenie detali w całym systemie pomostu ortotropowego. Stosowane są dwa typy połączeń: połączenie dopasowane, gdzie środnik belki poprzecznej jest wycinany tak, aby dopasować się do konturu żebra i przyspawany pachwinowo do żebra, oraz połączenie ze szczeliną lub wydłużonym wycięciem, gdzie wycięcie w środniku belki poprzecznej pod dnem żebra zmniejsza koncentrację naprężeń. FHWA zaleca połączenie z wydłużonym wycięciem dla nowych projektów ze względu na lepszą wydajność zmęczeniową.

Grubość środnika belki poprzecznej wynosi zazwyczaj 1/2 in. (13 mm) dla rozpiętości w zakresie 15–18 ft, a grubość dolnego pasa około 3/4 in. (19 mm) . Głębokość środnika poniżej żebra musi być co najmniej równa głębokości żebra, aby zachować odpowiednią elastyczność umożliwiającą różnicowe ugięcia między sąsiednimi żebrami.

Zalety ortotropowych pomostów stalowych

Redukcja masy

Główną zaletą ortotropowych pomostów stalowych jest ich wyjątkowo niski ciężar własny. OSD przenosi około 20–30% obciążenia własnego równoważnego pomostu betonowego. Dla typowego zbrojonego pomostu betonowego o grubości 8 in. (200 mm) przy rozstawie dźwigarów 7 ft (2,1 m), obciążenie własne wynosi około 100 psf (4,8 kPa). Równoważny ortotropowy pomost stalowy z blachą 5/8 in. i żebrami zamkniętymi waży około 20–25 psf (1,0–1,2 kPa) dla samej stali, plus 20–35 psf (1,0–1,7 kPa) dla systemu nawierzchni, co daje całkowite obciążenie własne 40–60 psf. Ta redukcja masy przekłada się bezpośrednio na mniejsze wymagania dla głównych lin, wież, fundamentów i elementów podkonstrukcji w mostach o dużych rozpiętościach.

Przydatność do dużych rozpiętości

Pomosty ortotropowe są systemem pomostów z wyboru dla mostów o rozpiętości głównego przęsła przekraczającej około 500 m (1 640 ft) . W mostach wiszących obciążenie własne pomostu stanowi 60–70% całkowitego naprężenia w głównych linach przy projektowych rozpiętościach 1 000–2 000 m. Każda jednostkowa redukcja masy pomostu zmniejsza tonaż stali lin, rozmiar wież i wymagania fundamentowe o wielokrotność. Most Akashi Kaikyo w Japonii, najdłuższe wiszące przęsło na świecie o długości 1 991 m (6 532 ft), osiągnął rekordową rozpiętość dzięki zastosowaniu ortotropowego pomostu stalowego, który zminimalizował obciążenie własne do poziomów nieosiągalnych dla żadnego innego systemu pomostu.

Prefabrykacja i budowa modułowa

Panele pomostu ortotropowego są produkowane w kontrolowanych warunkach warsztatowych przy użyciu zautomatyzowanego sprzętu spawalniczego, co zapewnia stałą jakość spoin i dokładność wymiarową. Panele są zazwyczaj produkowane w szerokościach 10–16 ft (3–5 m) i długościach 40–60 ft (12–18 m), a następnie transportowane na miejsce budowy mostu do montażu. Wymiana pomostu Mostu Golden Gate (1985–1986) zastąpiła 567 000 stóp kwadratowych pomostu betonowego prefabrykowanymi panelami ortotropowymi w ciągu 401 dni roboczych, przy czym wszystkie prace wykonywano w nocy na połowie szerokości, utrzymując dzienny ruch. Wielka wymiana pomostu Mostu Macdonald w Halifax w Nowej Szkocji zastąpiła 46 sekcji pomostu ortotropowego podczas nocnych i weekendowych zamknięć, podczas gdy most pozostawał otwarty dla ruchu w dni powszednie. Produkcja warsztatowa redukuje spawanie montażowe nawet o 80%, minimalizując ryzyko jakościowe związane z warunkami polowymi.

Wydajność sejsmiczna i zmęczeniowa

Niska masa pomostów ortotropowych zmniejsza siły bezwładności sejsmicznej działające na podkonstrukcję, co czyni je korzystnymi w regionach o wysokiej sejsmiczności. Wrodzona nadmiarowość konstrukcyjna systemu z żebrowaną płytą zapewnia wiele ścieżek przenoszenia obciążenia, jeśli jedno żebro rozwinie pęknięcie zmęczeniowe, sąsiednie żebra redystrybuują obciążenie. Ta nadmiarowość jest formalnie uznana w AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, które klasyfikują detale pomostu ortotropowego do kategorii zmęczeniowych w oparciu o liczbę nadmiarowych ścieżek obciążenia.

Detale podatne na zmęczenie

Pękanie zmęczeniowe jest głównym problemem trwałościowym dla ortotropowych pomostów stalowych. FHWA klasyfikuje pęknięcia zmęczeniowe w pomostach ortotropowych na cztery główne typy, każdy związany z określonym detalem połączenia spawanego. FHWA Manual for Repair and Retrofit of Fatigue Cracks in Steel Bridges (FHWA-IF-13-020) zawiera kompleksowe wytyczne dotyczące wykrywania i naprawy.

Typ 1, Pękanie w grani spoiny żebro-pomost (RD)

Typ 1 pęknięcia inicjują się w grani spoiny po stronie blachy pomostu spoiny pachwinowej żebro-pomost. Propagują w dół przez grubość blachy pomostu pod wpływem cyklicznych naprężeń zginających spowodowanych obciążeniami kół przejeżdżających bezpośrednio nad żebrem. Blacha pomostu między żebrami działa jak płyta o krótkiej rozpiętości poddana skupionym obciążeniom kół, tworząc wysokie lokalne naprężenia zginające. Grań spoiny działa jako silny koncentrator naprężeń, ze współczynnikami koncentracji naprężeń zazwyczaj w zakresie od 2,5 do 4,0 w zależności od geometrii profilu spoiny.

Pęknięcia typu 1 są wykrywalne z górnej powierzchni po usunięciu nawierzchni za pomocą badań magnetyczno-proszkowych (MT) lub badań penetracyjnych (PT) , lub od dołu za pomocą badań ultradźwiękowych (UT) . Szybkość wzrostu pęknięć podlega propagacji zgodnie z prawem Parisa przez grubość blachy pomostu, która wynosi zazwyczaj 5/8 in. do 3/4 in. (16–19 mm). Gdy pęknięcie przeniknie przez całą grubość blachy pomostu, może propagować wzdłużnie wzdłuż linii spoiny, potencjalnie powodując uszkodzenie nawierzchni i wnikanie wody.

Typ 2, Pękanie w nasadzie spoiny żebro-pomost (RD)

Typ 2 pęknięcia inicjują się w nasadzie spoiny spoiny czołowej z niepełnym przetopem łączącej żebro z blachą pomostu. Niepełny przetop złącza, który z założenia pozostawia niespawaną szczelinę w nasadzie, działa jak wbudowany wierzchołek pęknięcia. Pod obciążeniem cyklicznym to pęknięcie nasady może propagować dwiema odrębnymi ścieżkami: Typ A1 propaguje w górę przez blachę pomostu w kierunku górnej powierzchni, podczas gdy Typ A3 propaguje przez gardziel spoiny wzdłuż powierzchni wtopienia.

Pęknięcia nasady są szczególnie niebezpieczne, ponieważ mogą propagować niewykryte od spodu, aż do momentu przebicia się przez górną powierzchnię blachy pomostu, po czym następuje wnikanie wody i przyspieszona korozja. Japońskie badania przeprowadzone przez PWRI wykazały, że pęknięcia nasady mogą zatrzymać się przy około 75% grubości blachy pomostu w określonych warunkach naprężeń, ale mogą również propagować do pęknięcia pełnej grubości przy dużym natężeniu ruchu. Specyfikacja AASHTO LRFD wymaga obecnie minimum 60% przetopu spoiny (złagodzone z 80%) w oparciu o badania wykazujące, że umiarkowane redukcje przetopu nie zmniejszają znacząco trwałości zmęczeniowej, podczas gdy związane z tym złagodzenie wymagań spawalniczych poprawia jakość produkcji i zmniejsza częstość występowania defektów przepalenia.

Typ 3, Pękanie spoiny żebro-belka poprzeczna (RF) przy wycięciach

Typ 3 pęknięcia występują na przecięciu środnika żebra i środnika belki poprzecznej, szczególnie w wycięciu, otworze w środniku belki poprzecznej, przez który przechodzi żebro. Wycięcie tworzy silną geometryczną koncentrację naprężeń, pogarszaną przez pozapłaszczyznowe odkształcenie środnika belki poprzecznej, gdy sąsiednie żebra odkształcają się różnie pod obciążeniem kół pojazdów. To różnicowe ugięcie tworzy efekt ramownicy Vierendeela na przecięciu żebra i belki poprzecznej, generując wysokie naprężenia wtórne.

Pęknięcia typu 3 inicjują się na krawędzi wycięcia i propagują do środnika belki poprzecznej, często wzdłuż grani spoiny pachwinowej żebro-belka poprzeczna. Był to dominujący tryb pękania obserwowany na wczesnych pomostach ortotropowych, w tym na moście Severn (Wielka Brytania, otwarcie 1966) i moście Forth Road (Szkocja, otwarcie 1964), które wymagały obszernych programów wzmacniania w latach 1970–2000. Środki naprawcze dla pęknięć typu 3 obejmują modyfikację geometrii wycięcia (zwiększenie promienia wycięcia w celu zmniejszenia koncentracji naprężeń), instalację wewnętrznych grodzi przy wycięciach oraz sprężenie środnika belki poprzecznej.

Typ 4, Pękanie spoiny żebro-belka poprzeczna (RF) w środniku żebra

Typ 4 pęknięcia propagują w samym środniku żebra w sąsiedztwie spoiny żebro-belka poprzeczna, często w pobliżu zakończenia wycięcia. Są spowodowane połączonym działaniem przenoszenia siły poprzecznej między żebrem a belką poprzeczną oraz pozapłaszczyznowego zginania ścianki żebra w połączeniu. Pęknięcia te propagują pionowo lub pod kątem i mogą urosnąć do długości kilku cali przed wykryciem.

Systemy nawierzchni pomostu

Warstwa ścieralna na ortotropowym pomoście stalowym pełni kilka krytycznych funkcji wykraczających poza zapewnienie antypoślizgowej powierzchni jezdnej. Rozkłada skupione obciążenia kół poprzecznie na blachę pomostu, zmniejszając lokalne zginanie w spoinie żebro-pomost o 30–50% . Zapewnia wodoszczelność blachy stalowej, aby zapobiec korozji, oraz zapewnia gładką powierzchnię jezdną, która chroni stal przed ścieraniem i uderzeniami. Bez nawierzchni blacha pomostu byłaby poddawana bezpośrednio przyłożonym obciążeniom kół, które wytwarzałyby niedopuszczalnie wysokie lokalne naprężenia zginające.

Asfalt lany (Gussasphalt)

Asfalt lany, znany jako Gussasphalt w Niemczech, jest najbardziej ugruntowanym systemem nawierzchni dla pomostów ortotropowych w Europie. Jest to beton asfaltowy o wysokiej zawartości piasku, drobnoziarnisty, z wysoką zawartością lepiszcza (12–14% bitumu wagowo), nakładany na gorąco i samozagęszczalny. Materiał jest rozprowadzany i zacierany do docelowego poziomu bez zagęszczania walcowaniem, tworząc nieprzepuszczalną powierzchnię, która wiąże się bezpośrednio z zagruntowaną blachą stalową.

Asfalt lany nakładany jest w grubości wykończeniowej 1,5–2,5 in. (35–65 mm) i nie wymaga osobnej membrany hydroizolacyjnej w większości zastosowań. System został opracowany w Niemczech w latach 50. XX wieku i został zastosowany na ponad 400 pomostach ortotropowych w Europie, w tym na moście Severn i przęsłach dojazdowych wiaduktu Millau (Francja, 2004). Główne tryby uszkodzeń to koleinowanie w gorącej pogodzie, kruchość w niskich temperaturach prowadząca do pękania oraz utrata przyczepności na granicy stali.

Asfalt epoksydowy

Asfalt epoksydowy to dwuskładnikowe termoutwardzalne spoiwo mieszane z wyselekcjonowanymi kruszywami, które utwardza się w wyniku reakcji chemicznej, a nie chłodzenia. Zapewnia niezwykle wysoką wytrzymałość, doskonałą przyczepność do stali, odporność na pełzanie w wysokich temperaturach oraz odporność na rozlanie paliw i olejów. Autorska formuła asfaltu epoksydowego ChemCo Systems jest stosowana na pomostach ortotropowych od lat 60. XX wieku, z ponad 40-letnią sprawdzoną wydajnością.

Wymiana pomostu Mostu Golden Gate (1985–1986) wykorzystała dwuwarstwowy system asfaltu epoksydowego: 1/4 in. (6 mm) epoksydową warstwę uszczelniającą nałożoną w warsztacie, a następnie 2 in. (50 mm) epoksydową warstwę ścieralną ułożoną na miejscu. Całkowita masa systemu wynosi około 28 psf (1,34 kPa). Aplikacja wymaga precyzyjnej kontroli temperatury, żywica epoksydowa i utwardzacz są mieszane w podwyższonej temperaturze i nakładane w temperaturze 200–250°F (93–121°C), z czasem utwardzania 24–72 godzin przed dopuszczeniem ruchu.

Powłoki polimerowe i systemy alternatywne

Cienkie powłoki polimerowe, zazwyczaj systemy na bazie polimerowo-metakrylanu metylu (PMMA), poliuretanu lub poliestru, są nakładane w grubościach 0,25–0,5 in. (6–12 mm) i ważą zaledwie 3–8 psf (0,14–0,38 kPa). Utwardzają się szybko (1–4 godzin), umożliwiając montaż w ciągu nocy i ponowne otwarcie dla ruchu tego samego dnia. Jednak zapewniają mniejszy rozkład obciążenia niż grubsze systemy asfaltowe i mają krótszy okres eksploatacji wynoszący 8–15 lat w porównaniu do 20–30+ lat dla asfaltu epoksydowego. Są wrażliwe na przygotowanie powierzchni i warunki aplikacji, wymagając czyszczenia strumieniowo-ściernego do stopnia near-white metal (SSPC-SP10/NACE No. 2) oraz ścisłej kontroli temperatury i wilgotności podczas aplikacji.

Systemy bitumiczne modyfikowane polimerami zawierają polimery SBS (styren-butadien-styren) lub EVA (etylen-octan winylu), które poprawiają odporność na koleinowanie w wysokich temperaturach i elastyczność w niskich temperaturach. Wymagają osobnej nakładanej natryskowo lub w arkuszach membrany hydroizolacyjnej między stalowym pomostem a warstwą ścieralną. Grubość aplikacji wynosi zazwyczaj 1,5–2,5 in. (40–65 mm), podobnie jak w konwencjonalnym asfalcie lanym.

Metody kontroli spoin

Kontrola połączeń spawanych w ortotropowych pomostach stalowych wymaga specjalistycznych metod badań nieniszczących (NDT) regulowanych przez AWS D1.5/D1.5M Bridge Welding Code oraz AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications. Ograniczona geometria wewnątrz zamkniętych żeber trapezowych oraz złożone pola naprężeń na połączeniach żebro-belka poprzeczna wymagają starannie dostosowanych procedur kontrolnych.

Kontrola wizualna (VT)

Kontrola wizualna jest podstawową metodą NDT i jest wymagana w 100% dla wszystkich spoin zgodnie z AWS D1.5. Inspektor musi posiadać certyfikat AWS Certified Welding Inspector (CWI) i używać co najmniej 4-krotnego powiększenia do wykrywania pęknięć, przy czym 10-krotne jest zalecane do wykrywania drobnych pęknięć powierzchniowych. Oświetlenie powierzchni kontrolowanej musi wynosić co najmniej 50 foot-candles (538 luksów). Dla spoin żebro-pomost wewnątrz żeber zamkniętych dostęp jest przez otwory rewizyjne wycięte w dnie żebra przy każdej belce poprzecznej, zazwyczaj otwory 4 in. na 24 in. rozmieszczone w odstępach 15–18 ft. Do oglądania niedostępnych części spoiny stosuje się boreskop lub lusterko kontrolne. Kontrola musi być przeprowadzana przed spawaniem, w trakcie i po spawaniu w celu wykrycia gorących pęknięć, braku wtopienia, podcięcia, porowatości i wtrąceń żużla.

Badania ultradźwiękowe (UT)

Konwencjonalne badania ultradźwiękowe wykorzystują przetworniki jednoelementowe pracujące przy częstotliwości 2,25–10 MHz do wprowadzania fal dźwiękowych do spoiny i wykrywania odbić od nieciągłości wewnętrznych. Kalibracja zgodnie z AWS D1.5 Załącznik VII wykorzystuje wzorce referencyjne typu IIW (International Institute of Welding) . Wiązki kątowe pod kątem 45°, 60° i 70° są używane do kontroli falą poprzeczną spoin czołowych. W przypadku spoin pomostów ortotropowych konwencjonalne UT jest ograniczone przez ograniczenia dostępu wewnątrz żeber zamkniętych oraz trudność w rozróżnieniu między geometrią nasady spoiny a rzeczywistymi wskazaniami pęknięć.

Ultradźwiękowe badania fazowe (PAUT) są preferowaną metodą kontroli spoiny żebro-pomost i zostały formalnie uznane przez AWS D1.5 w edycji 2015. PAUT wykorzystuje sondę wieloelementową (zazwyczaj 16–128 elementów), która elektronicznie steruje wiązką ultradźwiękową w zakresie kątów (35°–75°) z pojedynczej pozycji sondy. Wynikający z tego skan sektorowy (S-scan) pokazuje pełny przekrój spoiny w czasie rzeczywistym, umożliwiając operatorowi wizualizację geometrii spoiny, głębokości przetopu i wszelkich nieciągłości wewnętrznych. PAUT wykazał wyższą prawdopodobieństwo wykrycia zarówno pęknięć w grani, jak i w nasadzie spoiny w połączeniach żebro-pomost w porównaniu z konwencjonalnym UT.

FHWA opracowała dostosowane procedury PAUT do kontroli pomostów ortotropowych (Raport FHWA-HRT-24-010) określające macierz 5 MHz, 32-elementową z rozstawem elementów 0,6 mm, przy użyciu niestandardowego klina zaprojektowanego tak, aby pasował do geometrii żebra trapezowego. Kalibracja jest przeprowadzana z użyciem karbów w reprezentatywnych próbkach produkcyjnych, a system może niezawodnie wykrywać pęknięcia nasady o wielkości 1 mm lub większej. Operatorzy PAUT muszą mieć minimum 100 udokumentowanych godzin specyficznego dla mostów doświadczenia w PAUT zgodnie z wymaganiami AASHTO.

Badania magnetyczno-proszkowe (MT)

Badania magnetyczno-proszkowe są podstawową metodą wykrywania powierzchniowych i podpowierzchniowych pęknięć zmęczeniowych na połączeniach żebro-belka poprzeczna oraz w obszarach wycięć. Elektromagnetyczny jarzmo prądu przemiennego (AC) jest preferowaną metodą magnesowania, indukuje pole magnetyczne między dwoma biegunami umieszczonymi po obu stronach spoiny, a drobne cząstki żelaza (suchy proszek widzialny lub mokra fluorescencyjna zawiesina) są nakładane w celu ujawnienia wycieku strumienia magnetycznego w miejscach pęknięć. Kontrola jarzmem AC koncentruje strumień magnetyczny na powierzchni (efekt naskórkowości), optymalizując czułość na drobne powierzchniowe pęknięcia zmęczeniowe z granicą wykrywalności tak małą jak 0,001 in. (0,025 mm) szerokości pęknięcia.

Wszystkie spoiny pachwinowe żebro-belka poprzeczna są zazwyczaj kontrolowane w 100% przez MT podczas wstępnej produkcji oraz podczas kontroli eksploatacyjnej. Jarzmo jest ustawiane w dwóch prostopadłych orientacjach w celu wykrycia pęknięć we wszystkich kierunkach, pęknięć prostopadłych do linii spoiny i pęknięć równoległych do niej. Jarzma DC są czasami używane do głębszej penetracji, gdy podejrzewa się defekty podpowierzchniowe, ale jarzma AC są preferowane do wykrywania pęknięć powierzchniowych na eksploatowanych pomostach ortotropowych.

Wykrywanie i naprawa pęknięć zmęczeniowych

Wykrywanie podczas kontroli eksploatacyjnej

Eksploatacyjne wykrywanie pęknięć zmęczeniowych w pomostach ortotropowych wymaga systematycznego podejścia łączącego kontrolę wizualną dostępnych spoin, ukierunkowane NDT znanych detali podatnych na zmęczenie oraz monitorowanie stanu nawierzchni jako wskaźnika pęknięć pomostu. Pęknięcia propagujące do górnej powierzchni blachy pomostu mogą być wskazywane przez pęknięcia nawierzchni pojawiające się bezpośrednio nad liniami spoin żebro-pomost, te pęknięcia odbiciowe są często pierwszym widocznym objawem pękania blachy pomostu.

Do kontroli wewnątrz żeber zamkniętych stosuje się specjalistyczne miniaturowe sondy UT i boreskopy. Niektórzy zarządcy mostów wdrożyli robotyczne pojazdy gąsienicowe z kamerami i czujnikami NDT, które poruszają się wewnątrz zamkniętych żeber trapezowych, zapewniając zdalne możliwości kontroli bez konieczności wchodzenia personelu do przestrzeni zamkniętych. Klasyfikacja zamkniętych żeber jako przestrzeni zamkniętych (typowa wysokość wolna poniżej 24 in.) wymaga badania atmosfery, wentylacji i planowania ratowniczego zgodnie z OSHA 29 CFR 1910.146.

Metody napraw

Podręcznik FHWA Manual for Repair and Retrofit of Fatigue Cracks in Steel Bridges kategoryzuje metody napraw według ciężkości i lokalizacji pęknięcia.

Obróbki powierzchniowe dla pęknięć w grani spoiny (Typ 1) bez propagacji pełnej grubości obejmują szlifowanie tarczowe w celu usunięcia defektów powierzchniowych do głębokości 0,5 mm, szlifowanie pilnikowe do głębszego usuwania (1–2 mm) oraz obróbkę udarową ultradźwiękową (UIT), obecnie najskuteczniejszą metodę zapobiegawczą i naprawczą dla pęknięć w grani spoiny. UIT wykorzystuje narzędzie udarowe wysokiej częstotliwości (20–40 kHz), które plastycznie deformuje powierzchnię grani spoiny, wprowadzając korzystne ściskające naprężenia szczątkowe, które opóźniają inicjację i propagację pęknięć.

Metody naprawy pęknięć pełnej grubości obejmują wiercenie otworów (otwory stopujące) na każdym wierzchołku pęknięcia, wiercenie otworu o średnicy 3/4–1 in. (19–25 mm) przy użyciu koronek wiertniczych, z weryfikacją całkowitego usunięcia wierzchołka pęknięcia za pomocą MT lub PT. W przypadku dłuższych pęknięć metoda wycinania i spawania wykorzystuje żłobienie łukowo-powietrzne do usunięcia pękniętego metalu, a następnie szlifowanie i ponowne spawanie z użyciem procesów spawania niskowodorowego. W miejscach, gdzie ponowne spawanie jest niepraktyczne, można zainstalować przykładki lub nakładki łączące na śruby z wykorzystaniem śrub o wysokiej wytrzymałości, aby przywrócić ścieżkę obciążenia przez pęknięty przekrój. Łaty z polimerów wzmacnianych włóknem węglowym (CFRP) przyklejane przez strefy pęknięć są coraz częściej stosowane, szczególnie do napraw zmęczeniowych spoin żebro-pomost, zapewniając przywrócenie sztywności bez wprowadzania nowych detali spawanych.

Pomosty ortotropowe w głównych mostach

Ortotropowe pomosty stalowe są stosowane w wielu najbardziej znanych mostach o dużych rozpiętościach na świecie. Poniższa tabela podsumowuje kluczowe instalacje:

Most Severn był pierwszym na świecie głównym ortotropowym dźwigarem skrzynkowym, pionierskim aerodynamicznym przekrojem poprzecznym pomostu, który stał się standardem dla kolejnych mostów wiszących o dużych rozpiętościach. Most Akashi Kaikyo osiąga najdłuższe wiszące przęsło na świecie dzięki zastosowaniu pomostu ortotropowego, którego niski ciężar własny był niezbędny do osiągnięcia 1 991 m między wieżami, w tej skali każda tona masy pomostu wymaga około 3–4 ton stali lin. Wiadukt Millau zawiera największą powierzchnię pomostu ortotropowego spośród wszystkich pojedynczych mostów, 1 989 168 stóp kwadratowych (184 800 m²), rozpiętą na ośmiu segmentach wantowych w dolinie Tarn we Francji.