Stale nierdzewne do budowy mostów

Brisbane Gateway Bridge - do rozbudowy tego mostu, zlokalizowanego w australijskim Brisbane, wykorzystano pręty ze stali nierdzewnych. Ich dosatwcą było Outokumpu. 

 

Mosty ze stali nierdzewnych to inwestycja w bezpieczeństwo

 

W połowie sierpnia 2018 r. w Genui na północy Włoch runął fragment wiaduktu na autostradzie A10. Przyczyną katastrofy, która pochłonęła kilkadziesiąt ofiar śmiertelnych, zdaniem ekspertów była najprawdopodobniej korozja części konstrukcji mostu. W podobnych przypadkach zawsze rodzi się pytanie: czy tragedii można było uniknąć?

 

Znaczna część konstrukcji mostowych wykonywanych jest obecnie z żelbetu, czyli kompozytu betonu oraz stali. Sztywność i nośność takich konstrukcji uzależniona jest od własności zarówno kompozytu, jak i samego zbrojenia. Mimo że udział stali w żelbecie jest niewielki, to ma ona decydujące znaczenie dla jego wytrzymałości. Trzeba bowiem pamiętać, że konstrukcje żelbetowe narażone są na korozję wywołaną m.in. działaniem chlorków pochodzących z wody morskiej lub z innego źródła (np. sole do odladzania dróg). Rozrost korozji na powierzchni zbrojenia prowadzi do rozsadzania betonu i uszkodzeń mechanicznych (spękania i odszczepienia fragmentów materiału). Dlatego też konstrukcje żelbetowe z czasem wymagają konserwacji i napraw, które niejednokrotnie są związane z bardzo wysokimi kosztami. Tym bardziej że proces korozji przebiega często w miejscach niedostępnych, w nieszczelnościach otuliny betonowej, pęknięciach. Uszkodzenia te mogą obniżać nośność elementów krytycznych budowli, a wręcz prowadzić do jej zniszczenia, czego tragicznym przykładem była katastrofa w Genui. 

 

Jest alternatywa

Wpływ na zawalenie się fragmentu żelbetowego mostu we Włoszech miały wieloletnie zaniedbania w okresowych naprawach. Ignorowanie zaleceń związanych z konserwacją konstrukcji było tym bardziej lekkomyślne, że budowla eksploatowana była w niezwykle wymagającym środowisku (chlorki pochodzące z wody morskiej, spaliny). Nic więc dziwnego, że – zdaniem ekspertów – główną przyczyną katastrofy w Genui była najprawdopodobniej korozja cięgien stalowych mostu. 

Czy sytuacji tej można było uniknąć? Tak. Wystarczyło jeszcze na etapie projektowania konstrukcji wyeliminować wszelkie elementy obniżające bezpieczeństwo jej eksploatacji, w tym ryzyko związane z ludzkimi zaniedbaniami. Doskonałym sposobem na to jest wykorzystanie stali nierdzewnej, która charakteryzuje się większą odpornością na oddziaływanie chlorków niż stal konstrukcyjna. Ponadto wymaga mniejszej częstotliwości konserwacji i co za tym idzie – generuje niższe koszty eksploatacji. 

Zalety stali nierdzewnych coraz częściej dostrzegają inwestorzy odpowiedzialni za budowę nowych przepraw mostowych. W ostatnim czasie pojawiło się wiele spektakularnych realizacji z wykorzystaniem tego materiału. Jedną z nich jest najdłuższy morski most na świecie, który został oddany do użytku pod koniec października 2018 r. Hong Kong – Zhuhai – Macao Bridge, bo o nim mowa, ma 55 km długości i łączy trzy chińskie metropolie. Dzięki tej przeprawie podróż między Hongkongiem a Zhuhai skróciła się z 4 godzin do ok. 30 min. Budowa mostu pochłonęła 20 mld dol. Konstrukcja składa się m.in. z ok. 400 tys. ton stali, w tym kilkunastu tysięcy ton stali nierdzewnych. Most jest zaprojektowany tak, aby służyć przez 120 lat, i ma być odporny na trzęsienia ziemi o sile 8 stopni w skali Richtera.

W konstrukcji wykorzystano m.in. pręty zbrojeniowe ze stali nierdzewnych typu duplex (1.4362) do budowy elementów zbrojenia betonu w najbardziej krytycznych miejscach budowli, gdzie dochodzi do cyklicznego oblewania wodą morską, oraz w platformie nośnej mostu, a także fundamentach pylonów i filarach nabrzeża.

Stale nierdzewne wykorzystywane są nie tylko do budowy przepraw drogowych, ale również kolejowych, jak most Anorga w Hiszpanii. Jest to pierwsza tego typu konstrukcja w pełni wykonana ze stali nierdzewnej. Na wybór materiału typu lean duplex (1.4162) miała zapewne wpływ trwałość, którą on gwarantuje. Most Anorga ma służyć, z zachowaniem jedynie ograniczonych nakładów na konserwację, przez ok. 130 lat.

 

Wsparcie dla konstruktorów

O tym, że stale nierdzewne stają się coraz bardziej popularnym materiałem konstrukcyjnym, świadczy fakt, że kolejne ich gatunki są uwzględniane w normach projektowych, jak np. Eurokod 3 (EN 1993-1-4). W normie tej wprowadzono także system doboru stali oparty na analizie oddziaływania środowiska zewnętrznego. Ocenia się je ze względu na takie czynniki, jak ekspozycja na chlorki, zanieczyszczenie powietrza dwutlenkiem siarki, a także częstotliwość czyszczenia konstrukcji w sposób naturalny lub sztucznie wymuszony okresowym zmywaniem. Na tej podstawie w łatwy sposób można dokonać klasyfikacji środowiska eksploatacji i dobrać stal o odpowiedniej klasie odporności korozyjnej. Zwłaszcza że w normie wymieniono wiele gatunków duplex, które charakteryzują się wyższą wytrzymałością i odpornością korozyjną niż klasyczne austenityczne stale nierdzewne. Do wyboru są gatunki 1.4162 (LDX2101), 1.4362 (DX2304), 1.4662 (LDX2404), o tej samej klasie odporności korozyjnej co stal austenityczna 1.4401/1.4404, a także znacznie bardziej odporne korozyjnie stale duplex 1.4462 (DX2205) i superduplex 1.4410 (SDX2507). 

Dzięki zmianom w normach projektowych, które ułatwiają dobór stali nierdzewnych, konstruktorzy zyskują narzędzia pomagające im w projektowaniu bardziej trwałych i bezpiecznych konstrukcji. W ten sposób być może w przyszłości nie powtórzą się już takie tragedie jak ta w Genui.

Zbigniew Brytan

 

 

INFORMACJE DODATKOWE

Liczą się koszty

Zastosowanie stali nierdzewnych w miejsce klasycznych stali konstrukcyjnych daje wymierne korzyści. Policzono je np. przy okazji modernizacji czterech mostów w Sztokholmie. Założono, że nowe konstrukcje będą eksploatowane przez 120 lat. W tym czasie koszty owej eksploatacji dla budowli z malowanej stali konstrukcyjnej wyniosłyby ok. 60 mln euro. Tymczasem konstrukcja wykonana ze stali nierdzewnej typu duplex 1.4662 (LDX 2404), która finalnie została zastosowana, wymagać będzie jedynie ok. 2 mln euro. 

Jakie stale

Stale nierdzewne stanowią obecnie integralną część konstrukcji nośnej wielu przepraw mostowych na świecie. Początkowo do tego typu aplikacji wybierano klasyczny gatunek stali duplex 1.4462. Charakteryzują się one znacznie lepszymi właściwościami mechanicznymi niż tradycyjne stale austenityczne. Pod względem wytrzymałościowym są porównywalne ze stalami konstrukcyjnymi gatunku S690. 

Obecnie na znaczeniu zyskują gatunki lean duplex o obniżonym stężeniu niklu, co wpływa na ich niższą cenę przy zachowaniu wysokich własności mechanicznych i znacznej odporności korozyjnej. Przykłady nowych konstrukcji – oddawanych do użytku w 2018 r. – wykorzystujących gatunki lean duplex (np. 1.4362), to: most Sheikh Jaber Al Ahmed Al Sabah (Kuweit), New Champlain Bridge (Kanada)oraz Hong Kong – Zhuhai – Macau Bridge (Hongkong).

Narzędzia dla projektantów

Na bazie zmian wprowadzonych do europejskich norm projektowych (Eurokod 3) opracowano pomoce dla projektantów konstrukcji stalowych, np. „Podręcznik projektowania konstrukcji ze stali nierdzewnych” (dostępny na http://www.steel-stainless.org/designmanual/pl/) oraz oprogramowanie i aplikacje mobilne do projektowania (http://www. steel-stainless. org/designmanual/pl/). 

 

Most Stonecutters Bridge 2009 (Hongkong), gdzie element konstrukcyjne oraz poszycie pylonów wykonano ze stali duplex 1.4462.

 

Most Hong Kong – Zhuhai – Macao Bridge, w którym obszary krytyczne konstrukcji uzbrojono prętami ze stali duplex 1.4362.

 

Most kolejowy Anorga 2011 (Hiszpania) wykonany w całości ze stali lean duplex 1.4162 (LDX 2101).