ZARZĄDZANIE CYKLEM ŻYCIA MOSTÓW

Fundament trwałości nowoczesnej infrastruktury

Mosty od zawsze stanowiły fizyczny i symboliczny zapis rozwoju cywilizacji. Stanowiły świadectwo możliwości technicznych swoich epok, a jednocześnie element, który miał służyć kolejnym pokoleniom. Konstruktorzy projektowali je z myślą o trwałości, lecz nie mogli w pełni przewidzieć tempa rozwoju transportu ani zmieniających się uwarunkowań środowiskowych.

Dziś Europa stoi wobec problemu, który jeszcze kilkadziesiąt lat temu wydawał się odległy. Ogromna część mostów powstałych w drugiej połowie XX wieku przekracza już granice swojej projektowej trwałości. Dotyczy to również całkiem sporej części spektakularnych, ogólnie znanych mostów, które w momencie ich powstawania stawały się pomnikami postępu technicznego. Przykład jednej z najnowocześniejszych obecnie konstrukcji mostów drogowych spełniających aktualne wymagania inżynierii przedstawiono na rysunku 1. W wielu krajach to właśnie te obiekty stają się najsłabszym ogniwem systemu transportowego.
W Polsce obraz ten jest zróżnicowany. Na drogach krajowych i autostradach widzimy nowe konstrukcje powstałe w ostatnich dekadach. Jednak na drogach wojewódzkich, powiatowych i gminnych dominuje infrastruktura znacznie starsza. Podobnie na kolei, gdzie średni wiek obiektu mostowego zbliża się do dziewięćdziesięciu lat. Oznacza to, że mostownictwo przestaje być dziedziną wyłącznie budowy, a zaczyna stanowić przede wszystkim dziedzinę utrzymania i zarządzania.

Starzenie się infrastruktury komunikacyjnej – proces nieunikniony
Starzenie się mostów to proces naturalny, wynikający z pracy konstrukcji w zmiennych warunkach środowiskowych i eksploatacyjnych. Beton traci swoje właściwości na skutek karbonatyzacji i oddziaływania chlorków, korozja zbrojenia prowadzi do spękań i odspojenia otuliny, a stal poddawana wieloletnim obciążeniom eksploatacyjnym i zmęczeniowym ulega stopniowej degradacji.

Mosty stalowe na liniach kolejowych, szczególnie te budowane przed 1945 r., projektowano według zupełnie innych norm obciążeniowych. Wiele analiz teoretycznych wykazuje, że ich nośność dla współczesnego taboru kolejowego często jest niewystarczająca. W wielu przypadkach zdolność konstrukcji do przenoszenia obciążeń normowych według współczesnych norm projektowych, w tym eurokodów, jest znacznie niższa, niż zakładano. Wymaga to indywidualnego podejścia do obliczeń w kontekście ich modernizacji.

Konsekwencją starzenia jest nie tylko obniżenie trwałości eksploatacyjnej, ale także utrata funkcjonalności. Most zaczyna ograniczać rozwój infrastruktury, zamiast go wspierać. W takiej sytuacji pojawia się pytanie: czy inwestować w nowe obiekty, czy ratować istniejące? Odpowiedź przynosi dopiero racjonalne podejście do oceny cyklu życia tych konstrukcji. W tradycyjnym ujęciu proces budowy mostu kończył się w chwili, gdy konstrukcja została oddana do użytkowania. Jednak współczesna inżynieria budowlana, szczególnie w kontekście starzejącej się infrastruktury, pokazuje, że to dopiero początek najważniejszego etapu istnienia obiektu.

Cykl życia mostu nie jest jednorazowym działaniem, lecz ciągiem zdarzeń i decyzji rozciągającym się na całe dekady, a niekiedy nawet ponad sto lat. W tym podejściu obiekt mostowy przestaje być „statycznym” elementem infrastruktury, a zaczyna być postrzegany jako generator kosztów i ryzyka. Nasuwa się tu analogia podobna do cyklu życia samochodu, z którym większość z nas ma do czynienia na co dzień. Po jego wyprodukowaniu wykonywane są sukcesywne przeglądy.

Wykonywane są też kapitalne remonty, przedłużające okres użytkowania. W ten sposób spełnione zostają nasze potrzeby transportowe przy zapewnieniu odpowiedniego komfortu i bezpieczeństwa. Główną koncepcją w tym podejściu jest skupienie uwagi inżynierów nie tylko na minimalizacji kosztów pierwotnych, ale przede wszystkim na optymalizacji kosztów przez cały okres życia obiektu. Analiza kosztów cyklu życia (life cycle cost analysis – LCCA) stanowi narzędzie umożliwiające porównanie różnych strategii utrzymania, remontów i modernizacji, licząc wszystkie wydatki generowane przez obiekt – od fazy projektowania aż po jego „koniec życia”. Dzięki temu decyzje inwestycyjne mogą być podejmowane z pełną świadomością ich długofalowego wpływu na środowisko, budżet i funkcjonalność infrastruktury.

To podejście oznacza poniekąd także zmianę mentalności zarządców infrastruktury z reaktywnej („naprawimy, gdy pojawi się problem”) na proaktywną („monitorujemy, przewidujemy i planujemy działania”).

Świadomość ryzyka – konsekwencje opóźniania decyzji utrzymaniowych
W systemach infrastrukturalnych klasy BMS (bridge management system) ryzyko jest postrzegane jako integralny element decyzji o utrzymaniu mostów, a nie tylko jako potencjalne zagrożenie. Wszystkie obiekty mostowe, niezależnie od wieku i kategorii, mają określony poziom „ryzyka awarii”, który zależy od stanu technicznego, historycznych danych diagnostycznych i prognoz degradacji. Gdy zarządca przeciąga decyzję o naprawie lub modernizacji, ryzyko to narasta wykładniczo, ponieważ degradacja materiałowa może osiągać punkt krytyczny w sposób nieliniowy. Miałem okazję pełnić funkcję Głównego Koordynatora Systemu SGM – Systemu Gospodarki Mostowej przez 15 lat, do momentu pełnego uruchomienia i wdrożenia systemu, tj. do początku lat 2000. Ogólny schemat wykorzystania informacji o stanie technicznym obiektów mostowych w drogownictwie na przykładzie SGM widać na rysunku 2.

Konsekwencje zaniechania lub opóźniania decyzji utrzymaniowych mają charakter nie tylko techniczny, ale także ekonomiczny i społeczny. Wpływają one na wzrost kosztów eksploatacji, zmianę nośności konstrukcji, ograniczenia prędkości ruchu i ryzyko awarii czy też nawet katastrofy obiektu mostowego. Systemowe podejście do pojęcia ryzyka oznacza, że analiza ta musi być zintegrowana z decyzjami finansowymi i technicznymi. Nie wystarczy ocenić, że most „wymaga modernizacji/remontu”. Należy oszacować, jaka jest wartość ryzyka wynikającego z jego utrzymania w obecnym stanie, jakie będą koszty opóźnienia decyzji oraz jaki wpływ ma to na ciągłość funkcjonowania systemu transportowego.
Takie podejście prowadzi do tworzenia strategii utrzymaniowych, które uwzględniają nie tylko stan techniczny, ale także ocenę wpływu na użytkowników i gospodarkę w skali kraju. Co więcej, ryzyko nie ogranicza się do samej degradacji materiałowej. Zmiany klimatyczne, powodzie, ekstremalne zjawiska pogodowe i ich wpływ na fundamenty oraz podpory konstrukcji stają się coraz istotniejszym czynnikiem ryzyka infrastrukturalnego. Most, który nie jest monitorowany pod kątem hydrologicznym czy geotechnicznym, narażony zostaje na uszkodzenia spowodowane zdarzeniami, których nie można przewidzieć bez odpowiednich danych i analiz.

Zbieranie danych i diagnostyka – fundament zarządzania cyklem życia
Mosty nie są już traktowane jako „stare” lub „nowe” konstrukcje o stanie subiektywnie ocenianym raz do roku. W perspektywie cyklu życia nacisk przesuwa się na ciągłe monitorowanie i gromadzenie danych wysokiej jakości, które stanowią podstawę do podejmowania decyzji technicznych i ekonomicznych.
Inspekcje i przeglądy okresowe stanowiły przez dziesięciolecia fundament utrzymania. Należy jednak uznać, że tradycyjne metody stają się niewystarczające wobec dynamicznie zmieniających się obciążeń eksploatacyjnych i środowiskowych. Regularna ocena stanu technicznego mostów jest niezbędna do prognozowania trwałości eksploatacyjnej mostów drogowych i kolejowych (rysunek 3).

Monitoring konstrukcji, zwłaszcza w ramach structural health monitoring (SHM), staje się coraz powszechniejszy. Czujniki tensometryczne, akcelerometry, systemy pomiaru przemieszczeń i kąta obrotu oraz sensory środowiskowe umożliwiają śledzenie kluczowych parametrów konstrukcji w czasie rzeczywistym. Nie tylko ułatwia to wykrywanie anomalii przed ich eskalacją, ale także pozwala śledzić trend ich rozwoju. Musimy też gromadzić i przetwarzać dane o przejazdach ładunków ponadnormatywnych z uwagi na fakt, że coraz częściej pojawiają się one zarówno na mostach drogowych, jak i kolejowych.

W literaturze technicznej podkreśla się, że proces diagnostyczny jest integralny z zarządzaniem informacją – wszystkie wyniki badań muszą być cyfrowo przechowywane, klasyfikowane i analizowane w zintegrowanych systemach, co eliminuje tradycyjną archiwizację dokumentów i pozwala na analizę wielowymiarową. W zakresie prac B+R w ramach programów UE Horizon 2020 (obecnie Horizon Europa) opracowano wiele nowoczesnych systemów związanych z gromadzeniem i przetwarzaniem danych. Powinniśmy do nich sięgać. Dane z inspekcji, wyniki badań materiałowych, pomiary dynamiczne i środowiskowe – wszystkie te informacje są podstawą modelowania stanu mostu i prognozowania jego dalszej degradacji. Coraz częściej wykorzystywane są również nowoczesne techniki zdalne, takie jak skanowanie laserowe (LiDAR) czy inspekcje z UAV (dronów), co szczególnie przydaje się w trudno dostępnych konstrukcjach mostowych.

Gromadzenie danych to jednak dopiero początek. Bez systemu zarządzania opartego na tych danych informacje są jedynie zasobem – nie narzędziem. Wiodące systemy zarządzania mostami umożliwiają symulowanie różnych scenariuszy utrzymania, porównywanie strategii interwencji, a nawet uwzględnianie kosztów społecznych i ekonomicznych związanych z ograniczeniami ruchu czy wyłączenia obiektu.

W kontekście przetwarzania tych danych szczególne miejsce zajmuje odmiana znanego już systemu BIM dla mostów – bridge information modelling. BrIM rozciąga możliwości BIM na cały cykl życia obiektu mostowego. Model ten jest dynamiczny i ewoluuje wraz z obiektem w aspekcie zmian geometrycznych, stanu technicznego czy danych pochodzących z monitoringu. W praktyce cyfrowy model mostu działa jak cyfrowy bliźniak, dlatego jednym z największych wyzwań technicznych jest cyfryzacja istniejących mostów, szczególnie starszych, których dane są niekompletne względem możliwości systemu. W takich przypadkach należy stosować nadal metody tradycyjne, oparte na doświadczeniu i czasochłonnej kwerendzie uzyskiwanych danych historycznych.

Podsumowanie
Sukcesywnie starzejąca się infrastruktura mostowa staje się jednym z kluczowych wyzwań współczesnego mostownictwa. W warunkach ograniczonych środków finansowych i rosnących obciążeń eksploatacyjnych i środowiskowych konieczne jest odejście od tradycyjnego paradygmatu skupionego na budowie nowych obiektów na rzecz systemowego, długofalowego zarządzania istniejącym zasobem. Most staje się strategicznym aktywem infrastrukturalnym, którego trwałość i bezpieczeństwo zależą od jakości danych, diagnostyki oraz trafności decyzji utrzymaniowych.

Przyszłość mostownictwa nie leży wyłącznie w projektowaniu nowych konstrukcji, lecz przede wszystkim w inteligentnym zarządzaniu konstrukcjami istniejącymi. To właśnie wiedza o stanie obiektu stanowi obecnie fundament trwałości infrastruktury.

---

Prof. dr hab. inż. Adam Wysokowski
Specjalista w dziedzinie zmęczenia, trwałości, utrzymania i przeglądów mostów oraz przepustów komunikacyjnych. Wieloletni Koordynator Systemu Gospodarki Mostowej. Od ponad 20 lat związany z Uniwersytetem Zielonogórskim, Kierownik Zakładu Inżynierii Drogowej, Kolejowej, Mostów i Tuneli. Zajmuje się wdrażaniem nowoczesnych materiałów i technologii w budownictwie drogowo-mostowym, w tym metod bezwykopowych, badań betonu oraz rozwiązań proekologicznych w zakresie przejść dla zwierząt. Autor kilkunastu praktycznych zaleceń, specyfikacji branżowych oraz kilkuset publikacji naukowych. Ekspert UE ds. transportu powierzchniowego (Horizon 2020/Horizon Europe), NCBR i PARP. Aktywny członek krajowych i międzynarodowych organizacji naukowo-technicznych: PZITB, PSTB, PSK, IABSE, ASCE, SEI, DEI. Obecnie Przewodniczący Związku Mostowców RP.