Роль деформационных швов в обеспечении безопасности мостов

Введение

Воздвижение мостовых сооружений предусматривает необходимость создания прочной и долговечной структуры, которая будет устойчива к различным внешним воздействиям. Одним их элементов уменьшения нагрузок на мостовой сооружение являются деформационные швы, которые устанавливают в места моста, наиболее подверженным повреждениям от погодных условий и ошибкам при возведении. Они являются объединяющим звеном между двумя частями конструкции и образуют некоторое пространство между ними, тем самым скрепляет их и повышает общую прочность моста. Иногда их путают с температурными, однако, основным различием является то, что деформационные швы устанавливают по всей высоте мостового сооружения. Материалом, который служит для создания деформационного шва, является железобетон или металл.

Материалы и методы

Данная работа написана принципом системного анализа, во время которого происходит рассмотрение всех аспектов установки деформационных швов при строительстве моста, подробно рассматриваются общие теоретические данные по этой теме, принцип их предназначения, а также меры, которые необходимо учесть при их монтаже, а также описываются последствия, которые могут произойти в противном случае. Ещё одним методом рассмотрения контекста данного исследования является обзор существующей литературы и источников информации по данной теме, что позволяет углубить тему и привести доказательства к выдвигаемым гипотезам, признаваемые в научном сообществе.

Значение мостовых сооружений

Создание мостов в современном мире обусловлено не только необходимостью перемещения из одного места в другое и высокой мобильностью населения по территории государства, но и для развития экономического благосостояния субъектов страны.

В экономической системе сокращение временного ресурса на транспортировку товаров способствует предотвращению издержек производства, либо отставанию по срокам. Нередко возводят мостовые сооружения через главные реки и городами, в которых сосредотачиваются крупные производства.

В условиях инфляции нередко корпорации вынуждены повышать цены на свои товары, однако сокращение затрат на транспортировку может нивелировать этот аспект и позволить удерживать прибыль стабильной при определенной покупательской способности населения. Также, строительство мостов способствует повышению качества жизни населения, ввиду того что значительно сокращаются расстояния между объектами, что сказывается положительно на многих аспектах. Например, в медицинской отрасли, когда жителю сельского поселения или небольшого города требуется срочная узконаправленная помощью специалиста, который находится в другом городе: бригада дежурных врачей нередко добирается на вертолёте до отдалённых мест, а наличие моста может сократить время на их приезд.

Важность обеспечения безопасности мостов

Ахроров Ш., Овчинников И. И. в своём исследовании «Повышение долговечности железобетонных мостовых сооружений (первичная и вторичная защита)» отмечают следующие факторы, влияющие на прочность и безопасность конструкции: «Качество и долговечность мостовых сооружений зависит как от грамотного проектного решения, так и от правильной антикоррозийной защиты бетонных и железобетонных конструкций, в зависимости от климатических условий эксплуатации мостовых конструкций.» [1, с. 1-14]. Разумеется, строительство моста – сложная архитектурная конструкция, для сооружения которой важно учитывать многие аспекты, чтобы она была устойчивой и надёжной. В свою очередь, деформационные швы являются элементом безопасности и прочности моста, ввиду того уменьшает нагрузку на некоторые части конструкции, склонных к образованию трещин и дефектов. Их установка является обязательным этапом при строительстве моста для обеспечения высокого уровня безопасности. Если не соблюдать необходимый регламент при строительстве моста, то это может привести к ухудшению экономической ситуации в поселениях, неравномерному доступа к социальным благам цивилизации, медицинской помощи, и, даже, к появлению травматических и трагичных случаев. Поэтому необходимо проводить многоступенчатую проверку на каждом этапе строительных работ, а также устанавливать дополнительные способы повышения устойчивости моста и уменьшения нагрузок при воздействии на него. Данные методы способствуют беспрепятственному движению по мосту и долговечности конструкции. Также важной мерой профилактики негативных последствий является мониторинг за состоянием объекта с определенной периодичностью, чтобы своевременно установить возникшие деформации и повреждения.

В России активно применяются деформационные швы фирмы Maurer, имеющие резиновый ленточный компенсатор, ввиду их особенностей изготовления, которые позволяют выдерживать низкие температурные явления (до -60), а также сделаны из прочных материалов, которым не свойственны ранние повреждения и износ. Использование данных швов помогает защитить поверхность мостового сооружения от попадания влаги и увеличить общую невосприимчивость к раннему изнашиванию. Швы такого типа отличаются долговечностью и не нуждаются в регулярной починке. В строительстве деформационные швы такого типа обычно используются при воздвижении мостов и установке водопроводных конструкций в целом. Такие деформационные швы позволяют продлевать срок общей эксплуатации мостового сооружения ввиду того, что являются барьером в защите стыков и креплений в моменты оказания внешнего давления. Когда его закрепляют, важно предусмотреть выемку в сооружении для крепёжных изделий.

Также показывают на практике высокую эффективность деформационные швы фирмы Thorma Joint, которые принадлежат к категории закрытых швов, устройство которых отличается от первых тем, что во время оказания воздействия на шов, материал, из которого он изготовлен, может распределяться под нагрузкой. Швы такого типа используются для того, чтобы закрыть пространство между составными конструкциями моста. Это необходимо для придания возможности деформирования конструкции. Также закрытые швы Thorma Joint полностью сливаются с дорожной трассой, образуя единое пространство без возможных препятствий при движении транспорта. Так как деформационные швы находятся между частями сооружения, то это может создавать помехи при движении, поэтому применение швов подобного типа их исключает. «Технология устройства конструкции ThormaJoint включает следующие этапы:

• конструкцию шва устраивают после выполнения всех слоев дорожной одежды;
• технология устройства конструкции ThormaJoint предусматривает использование горячего вяжущего, разогреваемого в кохере (термомиксере), и разогретого до такой же температуры щебня (170–190°С);
• штраба прорезает слой гидроизоляции вместе с защитным слоем, шов устанавливается на плиты пролетного строения;
• зазор между торцами пролетных строений перекрывают стальными полосами;
• горячий щебень укладывают послойно (2–4 см), проливают горячим вяжущим, перемешивают;
• верхний слой (25 мм) делают из приготовленной в мешалке смеси и уплотняют» [2, с. 47-54].

Роль деформационных швов в конструкции мостов

Деформационные швы в мостовом сооружении предназначены для общего укрепления конструкции. Мухаметрахимов Р. Х., Алиуллова И. Р. в своём исследовании «Совершенствование системы контроля качества устройства деформационных швов» с резиновым компенсатором при ремонте мостовых сооружений» пишут: «От деформационных швов зависит надежность и долговечность большинства других конструктивных элементов мостового сооружения.

Так при повреждении деформационного шва в зоне воздействия агрессивных вод, протекающих с проезжей части, сквозь него, оказываются и конструкции пролетного строения, опорные части, шкафные стенки, подферменники и др. Большое влияние деформационные швы оказывают и на безопасность дорожного движения».

Данный пример отображает способность деформационных швов снижать нагрузку на опорные части конструкции, что положительно сказывается на ее долговечности [2, с. 47-54]. Сами швы представляют собой специально образованные зазоры между частями мостового сооружения, в области, способствующие безопасному проезду по конструкции.

Конструкция и функции деформационных швов

Деформационные швы имеют собственную типологию, каждый из которых используется в различных сооружениях для выполнения определённых функций [3, с. 957-967]:

Таблица

Типы деформационных швов и их функция

По материалу, из которых изготавливаются деформационные швы для мостовых сооружений:

Рис. 1. Типы деформационных швов по материалу изготовления

Главным предназначением установки деформационных швов является обеспечение возможности безопасного передвижения по мосту, а принцип их работы, в котором компоненты объекта разделяются на зазоры – обеспечение возможности движения между ними. Это необходимо для повышения упругости конструкции. При возникновении повреждения какой-либо части мостового сооружения они снижают нагрузку на него, распределяют равномерно весовую нагрузку, оказываемую на мост. Также учитывая тот факт, что нередко мосты изготавливается из металла, склонного к коррозии, то деформационные швы за счёт образования промежутков способствуют ограничению внешних воздействий на него, в том числе от природных явлений. Сами швы изготавливаются со специальным защитным нанесением, которое продлевает срок их работы.

Главной характеристикой надёжности деформационных швов является возможность движения. Поэтому важно создать их конструкцию таким образом, чтобы они могли растягивать между компонентами системы, во время оказания на них давления во время передвижения и прочих воздействий. За счет их работы происходит смягчение и равномерное распределение нагрузки по всему периметру конструкции. Также установка мостов предполагает большие расходы, поэтому важно продлить срок его эксплуатации как можно дольше, поэтому сами деформационные швы покрываются специальным защитным слоем, который является барьером от проникновения различных жидких структуры и воздействия погодных условий, которые могут привести к потере функциональности шва.

Рис. 2. Основные требования к деформационным швам

Влияние деформационных швов на безопасность моста

Главным определяющим фактором целостности моста является его долговечность и регулярный мониторинг. Чтобы конструкция была надёжная, также необходимо грамотно провести все этапы строительства, начиная от проектирования, в котором учитываются не только необходимые материалы для постройки, но и сейсмические особенности региона, предполагаемые нагрузки, которые допустимы на этом участке проездной полосы. Нередко используется визуализация планируемого объекта в специализированных программах, чтобы наглядно представить, как это будет выглядеть на практике, и, при обнаружении недочётов, устранить их до этапа строительства. Также немаловажным фактором, влияющего на целостность мостовой конструкции являются сами материалы. После составления грамотного плана строительства работы должны проводиться согласно регламенту, чтобы избежать будущих нарушений при эксплуатации.

Температурное воздействия способно ослаблять мостовую конструкцию, поэтому для снижения его воздействия важно учесть этот аспект на этапе проектирования и строительства. Для начала проводят измерительные работы по состоянию температурных колебаний, делают выводы о погодных условиях региона. Например, могут применяться теплоизоляционные швы для равномерного воздействия на мостовую конструкцию. Подобный тип швов может уменьшить появление дефектов от резких температурных колебаний [4, с. 75-80]. Также, в субъектах с влажным климатом, деформационные швы могут изготавливаться со специальным водоотталкивающим покрытием, которое продлевает срок его службы.

Предназначение деформационных швов заключается в возможности деформирования для обеспечения равномерной нагрузки, оказываемой на конструкцию с целью бережной эксплуатации моста. В современное время в архитектуре существует различные методы, которые предусматривают установку сооружений без оказания сильной нагрузки на опору, к примеру, подвесные мосты. Также хорошим способом ограничения сильной нагрузки на мост будет регулировка движения в его области, и введение весового ограничения на этом участке дороги с целью предотвращения раннего изнашивания конструкции.

Проблемы, связанные с деформационными швами

Ввиду постоянного деформирования и принятия на себя части нагрузки, деформационные швы склонны к износу и старению, несвоевременная замена которых может негативно сказаться на безопасности конструкции и представлять угрозу передвижения населению. Некоторые составные элементы деформационных швов может изнашиваться особенно быстро на мостовых сооружениях, на которых происходит повышенное движение, либо регулярно проезжают большая техника, перевозящая тяжёлые грузы. Также нередко участки проезжей части в зимнее время обрабатываются специальными составами, снижающие температуру, при которой вода превращается в лёд, что может вступать в контакт с частями деформационного шва и вызвать его коррозию. Несмотря на то, что при изготовлении швы покрываются защитными материалами для нивелирования вредного воздействия окружающей среды, ему свойственно стираться, что приведёт к снижению барьерной функции.

При возведении конструкции важно не только грамотно ее спроектировать, но и провести строительные работы согласно регламенту. Ошибки, допущенных в ходе работы, могут не только привести к раннему выходу их строя моста, но и стать причиной его разрушения, которое может вызвать трагические случаи. При ненадежном скреплении частей мостового сооружения в щели может проникать вода и грязь, что будет изнутри создавать помехи, а при установке деформационных швов важно учитывать его основную способность деформирования, поэтому необходимо их установить на правильных позициях, чтобы распределение нагрузки происходило равномерно [5, с.204-212]. При монтаже также следует делать выбор в пользу материалов, утверждённых при проектировании и с доказанной эффективностью. В свою очередь, пренебрежение защитными теплоизоляционными и влагостойкими материалами может привести к отрицательным последствиям. Погрешности, допущенные в ходе работы, могут вызвать постоянного ремонта, а мониторинг объектов проводится лишь с определенной периодичностью, поэтому важно, чтобы все элементы оставались в исправном режиме как можно дольше.

Методы обеспечения безопасности мостов с деформационными швами

Регулярный мониторинг состояния объекта является одним из основных факторов долгой его эксплуатации и безопасности в использовании. При мониторинге происходит проверка составляющих мостового сооружения, его прочности, в том числе и состояния деформационных швов. После оценки объекта при необходимости проводятся ремонтные работы. Состояние объекта проводится на технический осмотр на наличие трещин и повреждений, а также с помощью специального оборудования оцениваются различные показатели.

Получение сведений о состоянии объекта поможет составить план о проведении необходимых работ, а также принять временные меры для снижения нагрузки, например введение весового ограничения до решения аварийной ситуации. Современные технологии позволяют установить внутрь объекта специальное оборудование на основе искусственного интеллекта, которое будет реагировать при выходе за референсные значения и присылать уведомления [6, с. 12-15].

В современное время существуют различные инновационные архитектурные решения, способные повысить устойчивость конструкции и создавать их более лёгкими. В последние года одним из которых стало создание мостов с большими пролетами. А для сохранения свойств деформационных швов эффективным решением будет не только грамотная установка, но и проведение очного и дистанционного мониторинга с помощью специального оборудования, чтобы при выходе из строя и признаков износа вовремя принять меры. Для повышения их общей надёжности можно провести анализ имеющихся и установленных швов, а также рассмотреть то, насколько они подвержены температурному и весовому воздействию. Такая практика позволит создавать в будущем швы из более прочных материалов или более устойчивой технологии, которая будет вбирать в себя все положительные аспекты существующих швов. Также эффективной мерой будет предварительное тестирование швов на искусственных объектах, не предназначенных для использования: это позволит оценить его надежность и упругость в прямых условиях.

Заключение

Таким образом, создание мостовых сооружений способствует развитию инфраструктуры в государстве, протяжению короткого маршрута между городами и сельским поселениями, что благоприятно сказывается на экономическом развитии: у населения появляется возможность быстрого передвижения и доступа к товарам и услугам, недоступных в их месте жительства, а в предпринимательской деятельности подобные конструкции помогают избежать возникновения издержек производства. Деформационные швы, являющиеся обязательным элементом мостового сооружения, предназначены для образования зазоров между составными частями для возможности деформации конструкции и равномерного распределение поступающей нагрузки и защиты от вредоносных факторов окружающей среды. Ввиду того, что мосты располагаются на открытой местности, то они склонны к износу от температурного воздействия, которые проникают внутрь, вызывая движение в структуре материалов. Основным фактором долговечности мостовой конструкции являются грамотное проектирование, установка и последующий мониторинг за состоянием объекта. Перспективы полученных результатов в ходе нашего исследования предполагают дальнейшее изучение основных характеристик деформационных швов для повышения их общей производительности.

Актуальные аспекты для дальнейших исследований заключаются в проведении анализа состояния существующих швов, что позволит сделать выводы о недочётах, которые можно устранить с помощью внедрения инноваций и разработать новых архитектурные решения, главная задача которых заключается в повышении упругости материалов и устойчивости к температурным колебаниям.