Sledování dlouhodobého přetvoření předpjatých železobetonových konstrukcí optovláknovými extenzometry

1. Úvod

Během životnosti stavebních konstrukcí dochází vlivem působení vnějšího zatížení ke vzniku napětí v konstrukci. Změny napěťového stavu spolu s vlivy okolního prostředí vedou k iniciaci přetvoření stavebních konstrukcí. U celé řady staveb je nutné tyto objemové změny, s ohledem na požadavky spolehlivosti, sledovat. Pro monitorování přetvoření existuje celá řada standardních metod, jako jsou např. odporové tenzometry, indukční a kapacitní snímače posunutí aj. V posledních letech se ke sledování chování stavebních konstrukcí začínají používat také optovláknové extenzometry, které využívají schopnosti optických vláken přenášet optické záření ve směru své osy [1]. Narozdíl od běžně používaných snímačů vykazují optovláknové technologie řadu výhod, mezi které patří vyšší kvalita měření, spolehlivost, snadnější instalace a údržba, odolnost vůči elektromagnetickým vlivům a korozi, bezpečnost ve výbušném a hořlavém prostředí a možnost dlouhodobého monitorování. V současné době existuje několik druhů optických snímačů pracujících na různých principech. V této práci byly pro dlouhodobé monitorování dvou předem předpjatých betonových pražců B91 S, výrobce ŽPSV a.s. Nové Hrady použity dlouhovláknové optické snímače SOFO. Tento typ snímačů je možné nainstalovat přímo do vnitřní struktury konstrukce a lze s nimi měřit deformace na dlouhé měřící základně, díky čemuž je možné eliminovat vliv nepříznivých jevů (např. trhlin).

2. Experiment

2.1. Měřící systém

Obrázek 1.: Uspořádání měřícího systému SOFO pro měření statických veličin [2].

Pro měření celkových deformací dvou předem předpjatých betonových pražců B91 S byl použit měřící systém SOFO pro měření statických veličin od firmy SMARTEC S.A. Měřící systém SOFO pracuje na principu nízkokoherentní interferometrie. Použitý měřící systém je tvořen dlouhovláknovým extenzometrem SOFO a měřící ústřednou, kterou lze připojit k PC. Dlouhovláknový extenzometr SOFO pracuje na principu Michelsonova interferometru a skládá se z aktivní a pasivní části. Aktivní část snímače je tvořena polyamidovou trubicí, ve které jsou umístěna dvě jednovidová optická vlákna – měřící a referenční vlákno. Délka aktivní části může být až 10 m. Pasivní část dlouhovláknového extenzometru SOFO je tvořena připojovacím kabelem pro připojení k měřící ústředně a může dosahovat délky 50 m. Další částí měřícího systému je měřící ústředna, která obsahuje referenční Michelsonův interferometr a také vnitřní paměť pro ukládání dat. Absolutní hodnoty přetvoření jsou získány porovnáním dat z měřícího Michelsonova interferometru umístěného v dlouhovláknovém extenzometru SOFO a referenčního Michelsonova interferometru. Uspořádání měřícího systému SOFO je pro ilustraci uvedeno na obr. 1.

2.2. Uspořádání experimentu

K dlouhodobému monitorování přetvoření dvou předem předpjatých betonových pražců B91 S výrobce ŽPVS a.s. byl použit měřící systém SOFO pro měření statických veličin. Sledovaný pražec B91 S patří mezi kolejnicové podpory, jejichž funkcí je zajišťovat spolu s kolejovým upevněním přenos sil od provozního zatížení přes kolejnice do pražcového podloží, udržovat stabilitu rozchodu koleje a tuhost kolejového roštu.

Betonáž monitorovaných železobetonových pražců B91 S byla provedena ve společnosti ŽPSV a.s. Nové hrady dne 20. 9. 2010 pracovníky společnosti ŽPSV a.s. a pracovníky Kloknerova ústavu ČVUT v Praze, kteří provedli instalaci optovláknových extenzometrů. Betonová směs byla vyrobena s dávkou cementu 365 kg a vodním součinitelem w/c = 0,32, s frakcí kameniva 0/4 a 8/16 a superplastifikátoru na bázi polykarboxylátů. Beton byl navržen tak, aby nemusel být proteplován a zrál při teplotě 20 °C a relativní vlhkosti více než 90 %. Válcová pevnost betonu ve stáří 28 dní byla 61,5 MPa. V každém pražci bylo umístěno 10 kusů předpínacích výztuží vyrobených z patentované oceli o průměru 6 mm a modulem pružnosti 200 GPa. Před betonáží byla výztuž pomocí předpínacích kotev předepnuta na mez pevnosti 1165 MPa. Ve stáří betonu 1 den byly napínací kotvy odstraněny a do pražce bylo vneseno napětí o velikosti 10 MPa. Fotodokumentace z průběhu instalace extenzometrů je uvedena na obr. 2.

Obrázek 2.: Instalace optovláknových extenzometrů SOFO do monitorovaných předem předpjatých betonových pražců B91 S, ŽPSV a.s.

Obrázek 3.: Umístění optovláknových extenzometrů SOFO s aktivní délkou LA 0,5 metrů a odporových snímačů teploty s čidlem Ni1000 na železobetonovém pražci B91 S.

Před vlastní betonáží byly ve středu rozpětí každého monitorovaného pražce nainstalovány na předepnutou výztuž dva optovláknové extenzometry SOFO pro měření deformací s aktivní délkou LA 0,5 m a označeny sériovým číslem extenzometru (SN 9088, SN 9089, SN 9090, SN 9091). Umístění jednotlivých extenzometrů je uvedeno na obr. 3. Kromě optovláknových extenzometrů byly nainstalovány také dva odporové snímače teploty s čidlem Ni1000 označené sériovým číslem 0301 a 0302. Teploměry v pražcích byly umístěny na předpínacím drátu v rohu, který je při zabudování v koleji nahoře.

Takto připravené železobetonové pražce byly umístěny v laboratořích Kloknerova ústavu, kde probíhalo vlastní měření přetvoření po dobu 15 měsíců ode dne betonáže. Relativní vlhkost v laboratoři byla po celou dobu experimentu (50 ± 2) % a teplota prostředí (18 ± 3) °C.

3. Výsledky experimentů

Celkové poměrné přetvoření bylo sledováno na dvou předem předpjatých železobetonových pražcích B91 S vyrobených dne 20. 9. 2010 ve společnosti ŽPSV a.s. Nové Hrady. Celkové poměrné přetvoření bylo snímáno optovláknovými snímači SOFO pro měření deformací s aktivní délkou 0,5 metru a s přesností měření 0,2 % z naměřené deformace.

V každém předem předpjatém železobetonovém pražci B91 S byly po diagonále nainstalovány na výztuž dva optovláknové extenzometry (obr. 3). Data z optovláknových snímačů deformací SOFO byla zaznamenána měřicí jednotkou pro statická měření SOFO. Z měřící ústředny byla data posléze přenesena do počítače a vyhodnocena. Na obr. 4 jsou zobrazeny časové průběhy celkového poměrného přetvoření naměřené jednotlivými SOFO optovláknovými extenzometry během 15 měsíců. Kromě optovláknových extenzometrů SOFO byly v monitorovaných pražcích sledovány změny teploty. Pro monitorování teploty byly použity dva odporové snímače teploty s čidlem teploty Ni1000 (viz obr. 3). Snímání teploty probíhalo v prvních 90 dnech monitorování železobetonového pražce B91 S – viz obr. 5.

Obrázek 4.: Celkové poměrné přetvoření dvou předem předpjatých železobetonových pražců B91 S výrobce ŽPSV a.s. naměřené optovláknovými extenzometry SOFO s aktivní délkou LA 0,5 metru.

Obrázek 5.: Průběh teplot dvou železobetonových pražců B91 S výrobce ŽPSV a.s. naměřené odporovými snímači teploty s čidlem Ni1000.

4. Závěr

Dlouhodobé celkové poměrné přetvoření dvou předem předpjatých betonových pražců B91 S výrobce ŽPSV a.s. Nové Hrady bylo monitorováno pomocí dlouhovláknových extenzometrů SOFO s aktivní délkou 0,5 m. Během experimentální práce bylo prokázáno, že zvolená optovláknová metoda měření umožňuje dlouhodobé měření absolutních hodnot poměrného přetvoření během celé životnosti konstrukce, a to i bez nutnosti kontinuálního snímání této veličiny. Mezi další výhody této metody patří i možnost instalace dlouhovláknových extenzometrů SOFO přímo do vnitřní struktury konstrukce a měření deformací na dlouhé měřicí základně.

Poděkování

Tento příspěvek byl vytvořen za podpory projektu GAČR P104/10/2359.

Literatura

• [1] MARTINEK, R.: Senzory v průmyslové praxi. BEN – technická literatura, Praha, 2004. 200 s.
• [2] INAUDI, D: SOFO Sensors for Static and Dynamic Measurements. In Proceedings of the 1st FIG International Symposium on Engineering Surveys for Construction Works and Structural Engineering. Nottingham, 2004, s. 1–10.