Odporność i trwałość obiektów mostowych w aspekcie ekstremalnych zdarzeń klimatycznych, sejsmicznych i eksploatacyjnych

1. Trwałość obiektów mostowych w infrastrukturze komunikacyjnej

Trwałość obiektów mostowych zyskuje kluczowe znaczenie na etapach ich projektowania i utrzymania. Obejmuje ona zdolność mostu do utrzymania założonej funkcji eksploatacyjnej, wytrzymałość strukturalną oraz minimalizację potrzebnych napraw i modernizacji przez możliwie najdłuższy okres eksploatacji. Szczególnie w kontekście zmieniających się warunków klimatycznych trwałość staje się wyzwaniem dla inżynierów, tak aby w jak największym stopniu zachować niezawodność infrastruktury komunikacyjnej. Postęp techniczny w budownictwie, jaki dokonuje się w ciągu ostatnich lat, dotyczy nie tylko powstawania nowych materiałów i technologii, ale przede wszystkim rozwoju narzędzi cyfrowych w projektowaniu, wykonawstwie, utrzymaniu i zarządzaniu obiektami budowlanymi, w tym obiektami mostowymi. Jednocześnie obserwuje się systematyczne nasilanie takich negatywnych oddziaływań na mosty, jak wzrost obciążeń, zwiększenie intensywności przejazdów ponadnormatywnych oraz zwiększenie zanieczyszczenia środowiska, przejawiające się wzrostem jego agresywności w stosunku do konstrukcji mostowych. Na to nakłada się naturalny proces starzenia się obiektów mostowych.
Według danych statystycznych udostępnionych przez GDDKiA [1] na sieci dróg publicznych o całkowitej długości ok. 420 tys. km znajduje się prawie 36 tys. obiektów mostowych (stan na 2017 r., tab. 1).

Natomiast na sieci dróg krajowych o całkowitej długości 19,3 tys. km usytuowanych jest ponad 7 tys. obiektów mostowych o łącznej długości ponad 400 tys. m.
Na rycinie 1 zestawiono procentowy udział mostów, wiaduktów, kładek dla pieszych, estakad, przejść podziemnych i tuneli w ogólnej liczbie obiektów inżynieryjnych w zasobie GDDKiA w latach 2011 i 2016. Mosty oraz wiadukty stanowiły większość obiektów. Wraz z upływem czasu odnotowano jednak proporcjonalny spadek udziału mostów oraz wzrost udziału wiaduktów w ogólnej liczbie obiektów.

Analizując stan techniczny drogowych obiektów inżynieryjnych, należy stwierdzić, że ulega on poprawie w funkcji czasu. Niemniej jednak wiele z tych obiektów w dalszym ciągu wymaga pilnych zabiegów konserwacyjnych i konieczności przebudowy lub remontu. Na rycinach 2 i 3 zestawiono średnie i główne oceny obiektów mostowych pełnego zakresu obiektów zarządzanych przez GDDKiA.

Należy wziąć pod uwagę, że większość drogowych obiektów mostowych w Polsce stanowią obiekty młodsze niż 20 lat. W przypadku obiektów w ciągu dróg krajowych stanowią one ok. 70% ogólnej liczby (ryc. 4).

Analizując obiekty infrastruktury kolejowej w Polsce, należy podkreślić, że większość linii kolejowych, bo aż 83%, zbudowano przed wybuchem I wojny światowej (tab. 2) [5]. Wieloletnie zaniedbania w utrzymaniu infrastruktury kolejowej, w tym obiektów mostowych, spowodowały degradację kolejnych odcinków tras kolejowych, co wymuszało wprowadzanie ograniczeń eksploatacyjnych, a następnie przyczyniało się do likwidacji linii.

Cieszy fakt, że w ostatnich latach można jednak zauważyć stopniową tendencję wzrostową długości linii kolejowych, w tym budowę nowych obiektów mostowych
Długość eksploatowanych linii kolejowych w Polsce w 2014 r. wynosiła 19 294 km, a w 2020 r. już 19 461  km [6]. Większość z nich, bo aż 96%, zarządzana jest przez PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.
W ciągu linii kolejowych znajduje się ponad 25 tys. obiektów inżynieryjnych, z czego ok. 3,5 tys. stanowią mosty. Nieco mniej, bo 3,2 tys., stanowią wiadukty. W 2020 r. oddano do użytku ok. 150 mostów i 100 wiaduktów – nowych lub zmodernizowanych, co stanowiło kontynuację Krajowego Programu Kolejowego w latach 2016–2019.

Eksploatowane w naszym kraju kolejowe obiekty mostowe są jednak często zaawansowane wiekowo, co pokazano na rycinie 5. Z przedstawionych danych wynika, że znaczna część obiektów jest w wieku zbliżającym się do okresu trwałości zakładanego w trakcie ich projektowania i wznoszenia.

Szczególną grupę obiektów stanowią kolejowe mosty graniczne. Ich stan techniczny decyduje o jakości i sprawności utrzymania komunikacji międzynarodowej na połączeniu z infrastrukturą kolejową Niemiec, Czech, Ukrainy i Białorusi. Z danych głównego zarządcy infrastruktury kolejowej dotyczących stanu bezpieczeństwa ruchu kolejowego w 2019 r. [7] wynika, że stan 60,3% infrastruktury był dobry, 20,2% dostateczny, a 19,5% niezadowalający, z czego 7,3% infrastruktury było w stanie złym (ryc. 6).

Na podstawie powyższych analiz można stwierdzić, że do głównych przyczyn obniżania stanu technicznego kolejowych obiektów mostowych należy niekorzystna struktura wiekowa utrzymywanych obiektów, która zmienia się stopniowo (głównie w wyniku prowadzenia inwestycji w ciągu międzynarodowych korytarzy transportowych), a także inne niż pierwotne warunki eksploatacji, szczególnie pod kątem zwiększenia oddziaływań dynamicznych przez zmianę prędkości pociągów oraz nacisku na osie.
Należy mieć świadomość, że bezpośrednie oszacowane straty wynikające z korozji konstrukcji stalowych w naszym kraju to 3% PKB, czyli ok. 70 mld zł [8]. Z tego powodu ochrona infrastruktury mostowej, mającej ogromną wartość ekonomiczną, stanowi naczelne zadanie administracji drogowej i kolejowej. Ze względu na ograniczone fundusze pochodzące w znacznej mierze z budżetu państwa stoi ona w obliczu konieczności optymalnego wykorzystywania środków, tak aby w największym możliwym stopniu powstrzymać degradację obiektów mostowych oraz zwiększyć ich trwałość, co wiąże się w sposób bezpośredni z odpowiednim zarządzaniem [9].
Wiele wymagań wynikających ze zrównoważonego rozwoju może dotyczyć budownictwa, w tym w aspekcie poprawy trwałości obiektów budowlanych. Jest oczywiste, że zastąpienie obiektu, który okazał się nietrwały na skutek m.in. ekstremalnych zdarzeń klimatycznych, wymaga zużycia dodatkowych ilości materiałów i energii, podobnie jak zbyt częste i poważne naprawy czy remonty. Obiekt, który spełnia swoje podstawowe funkcje pomimo występowania oddziaływań ponadnormatywnych, okazuje się znacznie oszczędniejszy od podobnego, który trzeba wymienić dwukrotnie w tym samym założonym okresie eksploatacji. Poprawa trwałości prowadzi więc nie tylko do ograniczenia wpływu na środowisko przy wznoszeniu obiektu, ale także zmniejszenia kosztów utrzymania i zwiększenia bezpieczeństwa użytkowania.

2. Obecne wyzwania dla krajowej infrastruktury transportowej

Wyzwania stojące przed krajową infrastrukturą transportową w zakresie trwałości mostów stają się coraz bardziej złożone. Trwałość tych kluczowych elementów infrastruktury komunikacyjnej zależy nie tylko od ich regularnej konserwacji i utrzymania, ale również od odpowiedniego przystosowania do aktualnych wymagań, takich jak rosnące obciążenia transportowe czy też zmiany klimatyczne.
Poniżej zestawiono główne czynniki, które obecnie stanowią wyzwania dla konstruktorów, projektantów i inwestorów oraz zarządców, a które mają duży wpływ na trwałość tych obiektów.

2.1. Wpływ czynników środowiskowych i korozyjnych

Zwiększone stosowanie środków odladzających w warunkach zimowych stanowi istotny czynnik wpływający na występowanie procesów korozyjnych, zwłaszcza w kontekście obiektów wykonanych z stali lub betonu zbrojonego stalą. Konieczne jest przyjęcie nowego podejścia do strategii odprowadzania wody (opadowej i roztopowej) z konstrukcji mostowych, aby jak najbardziej ograniczyć czas ekspozycji tych obiektów na działanie czynników korozyjnych.
Chcąc skutecznie przeciwdziałać korozyjnemu działaniu substancji odladzających, niezbędne jest zastosowanie innowacyjnych metod odprowadzania wody z konstrukcji. Może to obejmować lepszą izolację elementów konstrukcyjnych, zastosowanie specjalnych powłok ochronnych, a także regularne przeglądy i zabiegi utrzymaniowe mające na celu monitorowanie stanu powierzchni oraz usuwanie nagromadzonych substancji korozyjnych.
Ponadto ważne jest także ograniczenie samego stosowania substancji odladzających przez poszukiwanie alternatywnych rozwiązań, m.in. stosowanie środków chemicznych o ograniczonym oddziaływaniu korozyjnym lub zmniejszenie ilości potrzebnych środków odladzających, co w konsekwencji ograniczy wpływ korozji na infrastrukturę komunikacyjną. Innowacyjne podejście do odprowadzania wody oraz poszukiwanie alternatywnych rozwiązań mogą odegrać kluczową rolę w utrzymaniu trwałości i bezpieczeństwa infrastruktury komunikacyjnej w warunkach zimowych.
Innym, nie mniej ważnym czynnikiem mającym wpływ na trwałość obiektów infrastrukturalnych jest wartość graniczna wskaźnika pH betonu konstrukcyjnego. Jego obniżenie inicjuje procesy degradacji betonu na skutek karbonatyzacji (ryc. 7).

Jest to przemiana tlenku wapnia (CaO) lub jego wodorotlenku (CaOH) w węglan wapnia (CaCO3) na skutek obecności w powietrzu dwutlenku węgla (CO2). Rozpuszczony w wodzie obecnej w betonie wodorotlenek wapnia reaguje z dwutlenkiem węgla obecnym w powietrzu, tworząc węglan wapnia. Szybkość postępu karbonatyzacji jest zależna od stopnia szczelności betonu. Przykład wpływu tych czynników na obiekt mostowy przedstawiono na rycinie 8.

Należy mieć świadomość, że porowaty, nieszczelny lub spękany beton umożliwia przyspieszenie negatywnego procesu karbonatyzacji. Można więc kolokwialnie stwierdzić, że im lepszy jakościowo i szczelniejszy beton, tym problem karbonatyzacji jest bardziej ograniczony, co podnosi trwałość betonu, którego utrzymanie nie wymaga specjalistycznych zabiegów

2.2. Ekstremalne zdarzenia klimatyczne

Wzrost liczby oraz skali powodzi, susz i innych zjawisk pogodowych stanowi obecnie realne zagrożenie dla istniejących oraz nowo budowanych mostów i dróg. Ekstremalne opady deszczu często prowadzą do powodzi, a co za tym idzie – do niekontrolowanych przepływów wód, co w efekcie powoduje degradację dróg, erozję podpór mostowych, podmycie fundamentów oraz deformacje geometryczne, osłabiając konstrukcję nośną tych obiektów (ryc. 9 i 10).

Kolejnym istotnym czynnikiem jest wpływ pożarów na obiekty mostowe. Pożary w pobliżu obiektów infrastrukturalnych często prowadzą do ich wyłączenia z użytkowania, niekiedy całkowicie paraliżując ruch drogowy na danym obszarze. Z tego powodu konieczne staje się podejmowanie środków zaradczych
i prewencyjnych w celu zabezpieczenia tych konstrukcji przed wpływem ekstremalnych zjawisk pogodowych oraz pożarów. Przede wszystkim należy zwiększyć odporność mostów i dróg na erozję oraz podmycie przez stosowanie innowacyjnych technologii, m.in. materiałów syntetycznych, oraz regularne monitorowanie stanu infrastruktury. Dodatkowo konieczne jest opracowanie i wdrożenie skutecznych planów zarządzania kryzysowego, które umożliwią szybką reakcję w przypadku wystąpienia realnych zagrożeń.
Wreszcie, należy pamiętać o edukacji społecznej co do znaczenia ochrony infrastruktury przed zagrożeniami związanymi ze zmianami klimatycznymi i pożarami. Informowanie społeczności lokalnych o konieczności dbania o infrastrukturę oraz o środkach zapobiegawczych może przyczynić się do zwiększenia świadomości i współpracy w dziedzinie ochrony infrastruktury przed klęskami żywiołowymi.

2.3. Wpływ sejsmiki i semi-sejsmiki

Obszary podatne na oddziaływania sejsmiczne i parasejsmiczne wymagają szczególnej uwagi przy projektowaniu obiektów infrastrukturalnych. Zjawiska te mogą prowadzić do deformacji, a nawet całkowitego zniszczenia tych obiektów. Przykład oddziaływań semi-sejsmicznych na nowo wybudowany obiekt mostowy, w tym przypadku wiadukt drogowy na terenie Zagłębia Miedziowego, przedstawiono na rycinie 11.

Krajowa praktyka inżynieryjna niejednokrotnie pokazała, że w przypadku gruntów słabych, wykazujących się dużą podatnością na osiadania i niekontrolowane deformacje, występują efekty zbliżone do semi-sejsmicznych, co wymaga stosowania dodatkowych elementów i technologii ograniczających te zjawiska.
Wymaga to starannego planowania oraz odpowiedniego projektowania obiektów, uwzględniających specyficzne warunki terenowe i możliwe zagrożenia sejsmiczne. Dodatkowe elementy i technologie, takie jak systemy izolacji sejsmicznej czy wzmacnianie konstrukcji, są kluczowe dla zwiększenia odporności obiektów infrastrukturalnych na skutki sejsmicznych oraz parasejsmicznych oddziaływań.

2.4. Wpływ warunków eksploatacji

Eksploatacja obiektów, w tym ruch pojazdów ponadnormatywnych, zwiększone obciążenia dynamiczne oraz wpływ czynników korozyjnych na stal i beton prowadzą do stopniowego pogarszania się stanu technicznego infrastruktury transportowej. Tym samym istniejące obiekty często nie są dostosowane do wymagań współczesnego ruchu drogowego i kolejowego. W wyniku tego procesu istniejące obiekty infrastruktury transportowej, takie jak mosty, wiadukty czy tunele, niejednokrotnie nie spełniają obecnych standardów bezpieczeństwa i wydajności, ustalonych z uwagi na współczesne wymagania ruchu drogowego i kolejowego.
Brak adaptacji do nowych potrzeb oraz rosnące obciążenia mogą prowadzić do zwiększenia ryzyka awarii, ograniczenia przepustowości oraz pogorszenia komfortu dla użytkowników. Dotyczy to również obciążeń wyjątkowych, m.in. związanych z kolizjami i wypadkami komunikacyjnymi na obiektach mostowych. Na rycinie 12 przedstawiono przykład uderzenia pojazdu kołowego w elementy konstrukcyjne mostu, a co za tym idzie – wynikające z tego ograniczenia w ruchu lądowym.

W związku z tym konieczne staje się podejmowanie działań mających na celu modernizację i naprawę istniejącej infrastruktury oraz projektowanie nowych obiektów zgodnie z najnowszymi standardami i technologiami, aby zapewnić bezpieczny i efektywny transport.

3. Metody zwiększania trwałości i odporności obiektów infrastrukturalnych – podsumowanie

Zdaniem autora wykorzystanie nowoczesnych, trwałych i odpornych na warunki atmosferyczne oraz sejsmiczne materiałów, takich jak wysoko wytrzymałe betony, stopy metali odpornych na korozję i włókna węglowe, może znacząco zwiększyć trwałość mostów. Wykorzystanie tych zaawansowanych materiałów w obiektach infrastruktury komunikacyjnej powoduje, że obiekty te stają się bezpieczniejsze dla użytkowników, co bezpośrednio przekłada się na wyższy poziom niezawodności systemów transportowych. Ponadto zwiększona trwałość tych nowoczesnych materiałów przyczynia się do zmniejszenia kosztów utrzymania, co jest istotnym aspektem w kontekście odpowiedniego zarządzania infrastrukturą drogowo-mostową. W rezultacie inwestycje w takie innowacyjne materiały przynoszą korzyści zarówno w kwestii bezpieczeństwa, jak i efektywności ekonomicznej.
Ponadto szersze wdrożenie spójnych systemów monitorowania stanu technicznego mostów, takich jak czujniki naprężeń i ich zmian, monitorowanie korozji, analiza drgań czy systemy oparte na skanowaniu laserowym, stanowi kluczowy krok w zapewnieniu bezpieczeństwa infrastruktury mostowej. Dzięki tym systemom możliwe jest wczesne wykrywanie potencjalnych uszkodzeń oraz konieczności napraw. Analiza danych gromadzonych przez te systemy przez wykwalifikowanych specjalistów umożliwia szybkie podejmowanie właściwych działań zapobiegawczych. Dzięki temu można reagować na problemy z dużym wyprzedzeniem, co znacząco przyczynia się do ograniczenia kosztów związanych z niezbędnymi naprawami i utrzymaniem mostów w odpowiednim stanie technicznym. Dzięki temu inżynierowie i specjaliści ds. utrzymania infrastruktury mogą podejmować świadome decyzje, oparte na solidnych danych, co w efekcie przekłada się na zwiększenie trwałości i niezawodności mostów oraz ograniczenie kosztów eksploatacyjnych.
Biorąc pod uwagę aspekty związane z utrzymaniem obiektów mostowych przez zarządców infrastruktury, celowe byłoby wdrożenie w przyszłości nowatorskich metod utrzymania bazujących na zaawansowanych systemach baz wiedzy, w tym m.in. elementach BIM. Systematyczne prace konserwacyjne, w tym czyszczenie, malowanie, naprawa uszkodzeń powierzchniowych i wymiana zużytych elementów, jest kluczowa dla przedłużenia trwałości mostów. Dotyczy to również obiektów zabytkowych.
Liczne doświadczenia krajowe wykazały, że należy interdyscyplinarnie podejść do zagadnień wpływu zjawisk sejsmicznych lub deformacji konstrukcji, np. spowodowanych nierównomiernym osiadaniem podpór lub błędami na etapie wykonawstwa. Projektowanie obiektów z wykorzystaniem konstrukcji umożliwiających absorpcję oddziaływań dynamicznych wywołanych tymi czynnikami eksploatacyjnymi może ograniczyć ryzyko uszkodzeń lub awarii. Warunki wyjściowe dotyczące obiektów powinny również uwzględniać dodatkowe czynniki eksploatacyjne, m.in. efekty dynamiczne, uderzenia pojazdów w elementy konstrukcyjne czy też ryzyko wystąpienia pożaru lub powodzi na danym terenie, co nie zawsze jest brane pod uwagę.
Podsumowując, zapewnienie odpowiedniej trwałości obiektów mostowych nie powinno ograniczać się głównie do zabiegów utrzymaniowych i remontowych. Trwałość ta w kontekście obecnie często notowanych niekontrolowanych zdarzeń ekstremalnych powinna uwzględniać te negatywne czynniki już na wstępnym etapie projektowania konstrukcji mostowych jako elementów krytycznych infrastruktury komunikacyjnej. Cieszy fakt, że niektóre elementy są już podstawą analiz mających na celu aktualizację norm w budownictwie, w tym budownictwie mostowym.

Literatura

[1] Materiały GDDKiA, https://www.gddkia.gov.pl.
[2] Zarządzanie obiektami mostowymi i przepustami przez administrację drogową. Informacja o wynikach kontroli. Najwyższa Izba Kontroli, Departament Infrastruktury. Warszawa 2016.
[3] Raport o stanie technicznym obiektów mostowych GDDKiA na koniec 2017 r. GDDKiA. Warszawa 2018, www.gddkia.gov.pl, 2021).
[4] Bień J: Uszkodzenia i diagnostyka obiektów mostowych. WKŁ. Warszawa 2010.
[5] Barcik J., Czech P.: Sytuacja transportu kolejowego w Polsce na przełomie ostatnich lat – część 1. „Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Transport” 2010, z. 67, s. 5–12.
[6] Sprawozdanie z funkcjonowania rynku transportu kolejowego w 2020 r. Urząd Transportu Kolejowego. Warszawa 2021.
[7] Ocena funkcjonowania rynku transportu kolejowego i stanu bezpieczeństwa ruchu kolejowego w 2019 r. Urząd Transportu Kolejowego. Warszawa 2020.
[8] Królikowska A.: Bezpośrednie straty korozyjne to 3% PKB, czyli 69,7 mld zł. Warto je odzyskać. „Konstrukcje Stalowe” 2022, nr 3, s. 31–33.
[9] Wysokowski A.: Trwałość mostów stalowych. PWN. Warszawa 2022.