Využitie nepriamych metód stanovenia úrovne predpätia v konštrukcii
Ukazuje sa, že viaceré predpäté mosty, ktoré sú v prevádzke viac ako 60 rokov, sú dnes v zlom alebo až havarijnom technickom stave. Na konštrukciách sa zistili zistené viaceré závažné poruchy, ako sú nadmerné deformácie, rozsiahle trhliny, korózia predpínacej výstuže, korózia v kotevnej zóne, a pod. V procese hodnotenia spoľahlivosti existujúcich predpätých konštrukcií býva najdôležitejšou úlohou stanoviť aktuálnu úroveň predpätia, ktorá pôsobí v konštrukcii v danom čase. Za dlhšie obdobie bolo vyvinutých vo svete aj u nás viacero metód, ktorými je možné aktuálnu úroveň predpätia predikovať. Tento príspevok sa zaoberá možnosťami stanovenia úrovne predpätia na existujúcej konštrukcií, využitím nepriamej metódy – Structural response method, alebo tzv. metódy odozvy. Metóda je aplikovaná na príklade podrobnej analýzy prefabrikovaného predpätého nosníka po asi 60 rokoch prevádzky.
1. Úvod
Hodnotenie úrovne spoľahlivosti železobetónových mostov v prevádzke, sa zväčša v našich podmienkach vyjadruje pomocou zaťažiteľnosti. Jej stanovenie je založené na výsledkoch realizovanej diagnostiky, pričom bežne využívame viacero diagnostických metód, ktorých účelom je získanie aktuálnych parametrov nosných materiálov, ako sú betón a oceľ, ktoré vstupujú do výpočtu. Pritom môžeme aplikovať pomerne širokú škálu tradičných metód nedeštruktívnych, ako aj deštruktívnych pre zisťovanie kvality betónu a stavu zabudovanej výstuže. U predpätých konštrukcií je však určiť ďalšiu neznámu, ktorá významne ovplyvňuje výslednú hodnotu zaťažiteľnosti. Ide o racionálne stanovenie hodnoty aktuálnej úrovne predpätia v konštrukcii. Predpätie sa v čase mení, nie len vplyvom obvyklých okamžitých a dlhodobých strát predpätia, ktorých hodnoty vieme pomerne presne predikovať, ale aj ďalšími vplyvmi, ako sú korózia predpínacej výstuže, degradácia kotevnej zóny, absencia injektáže, vplyv stavebných stavov, nevhodne zvolená koncepcia, prípadne podcenenie návrhu alebo zhotovenia konštrukcie a pod.
Metódami zisťovania predpätia v existujúcich konštrukciách sa zaoberalo vo svete aj u nás viacero výskumných tímov a odborníkov. Doposiaľ získané poznatky možno rozdeliť do dvoch základných skupín na tzv. priame a nepriame metódy stanovenia aktuálnej hodnoty predpínacej sily. Tieto metódy rozvíjali u nás napr. Jaroševič, Chandoga, [3] a pod. Priame metódy majú zväčša nedeštruktívny charakter a realizujeme ich na základe priameho získavania hodnôt predpínacej sily napr. pomocou elastomagnetických (EM) snímačov. Tie sú vopred zabudované na predpínacej výstuži a umožňujú aj kontinuálne sledovanie úrovne predpínacej sily.
Na existujúcich konštrukciách, kde je súdržná predpínacia výstuž zabudovaná v nosnej konštrukcií, je využitie priamych metód technicky problematicky realizovateľné, z pohľadu inštalácie EM snímačov. V takýchto prípadoch je možné využiť nepriame metódy, založené na sledovaní vhodne zvolených pretvárnych veličín na konštrukcií (pomerné pretvorenia, deformácie, šírky trhlín a pod.), z ktorých je následne analyticky odvoditeľná hodnota aktuálne pôsobiacej predpínacej sily. Nepriame metódy rozvíjali hlavne v zahraničí napr. Garber, Bagge, Civjan, Halsey, [2] u nás napr. Kucharík, [4] a pod. Tieto metódy môžu mať deštruktívny, ale aj nedeštruktívny charakter. K týmto metódam patria aj tzv. (Structural response methods) alebo inak nazývané aj metódy odozvy. Jedná sa o experimentálno-analytické metódy, kedy v prípade existujúcej konštrukcie s poruchami je možné vytvoriť výpočtový model založený na jej reálnom chovaní a odozve na aplikované zaťaženie.
2. Popis niektorých používaných nepriamych metód
Obr. 1a: Crossbow method
Obr. 1b: Cutting method
Obr. 2a: Saw-cut method
Obr. 2b: Príklad tenzometrickej ružice okolo vývrtu
Obr. 3a: Prvotné otvorenie trhliny
Obr. 3b: Rozširovanie trhliny
Medzi deštruktívne nepriame metódy môžeme zaradiť niekoľko používaných metód. Prvá je tzv. metóda Crossbow method, kde sa sleduje závislosť predpínacej sily od priečnej výchylky predpínacej výstuže, obr. 1a. Ďalej ide o metódy založené na báze uvoľnenia napätia, či už priamo na predpínacej výstuži (napr. Cutting method, obr. 1b) alebo v sledovaných vláknach betónového prierezu, (napr. Saw-cut method, obr. 2a). Uvoľnenie napätosti v materiáloch sa realizuje deštruktívnym zásahom do konštrukcie, či už v podobe rezu alebo vrtu a pod. Zásah sa prejaví zmenou pomerných pretvorení v okolitých vláknach. V našich podmienkach bola táto metóda rozvíjaná hlavne firmou VUIS Mosty [4], ktorá je založená na zázname zmeny pomerných pretvorení, ktorá sa udeje v krajných vláknach betónového prierezu pri realizácii vývrtu, obr. 2b).
Medzi nedeštruktívne nepriame metódy môžeme zaradiť metódy, ktoré sú založené na princípe sledovania odozvy konštrukcie na vonkajšie zaťaženie (Structural response methods). Na konštrukcií sledujeme zmeny pretvárnych veličín, ako sú deformácie, pomerné pretvorenia, šírky trhlín a pod. v závislosti od intenzity zaťažovacieho impulzu. Stanovenie veľkosti skúšobného zaťaženia je do veľkej miery individuálne a závisí od technického stavu skúšanej konštrukcie, ako aj od množstva informácií a realizovaných výpočtov, ktoré o konštrukcii máme k dispozícii. Nakoľko testované konštrukcie sú zväčša, aj niekoľko desiatok rokov v prevádzke, odporúča sa zaťažovať ich v postupných krokoch, aj s prípadným odľahčovaním. V prípade, že je konštrukcia v relatívne dobrom stave bez viditeľných statických trhlín, odporúča sa konštrukciu zaťažiť na úroveň medze vzniku trhliny, obr. 3a a prípadne aj mierne nad túto hranicu, aby bolo možné získať aj časť nelineárnej vetvy pracovného diagramu. V prípade, že sú na konštrukcii už viditeľné statické trhliny odporúča sa pristupovať k zaťaženiu veľmi citlivo približne na úrovni predpokladaného dekompresného momentu, obr. 3b.
3. Overenie úrovne predpätia metódou odozvy in-situ testom
Havarijný stav na moste v Podbieli umožnil v súčinnosti s firmou Doprastav, a.s. Žilina, ako zhotoviteľom rekonštrukčných prác, realizovať in-situ (1:1) overovaciu zaťažovaciu skúšku mostného nosníka dĺžky 27,0 m. Cieľom testu bolo zistiť aktuálnu úroveň predpätia v nosníku, ako aj celkovo overiť jeho chovanie, vrátane dosiahnutia medznej únosnosti. Za týmto účelom bola využitá nepriama metóda na báze Structural response method, ktorá však bola rozšírená priblížením sa k medzi únosnosti nosníka, vzhľadom k možnosti deštruovať nosník.
Obr. 4: Schéma káblov nosníka
Most bol v prevádzke asi 60 rokov a nachádza sa na dopravne veľmi zaťaženej ceste I/59. Nosník bol tvaru T s konštrukčnou výškou 1,35 m, s prevažne parabolicky vedenými predpínacími káblami kotvenými ako v čele, tak aj v hornej prírube. Nosník bol súčasťou ortotropnej mostovky s priečnym predpätím. Skúška bola realizovaná priamo na odhalenej mostovke, pričom bol uvoľnený od pôsobenia priečneho predpätia štvrtý nosník od kraja. Dôvod výberu nosníka bolo zaistenie celkovej bezpečnosti pri skúške, keďže tento nosník bol relatívne najlepšom technickom stave a zároveň bolo možné využiť susedné nosníky ako protizáťaž. Na mostovke bola vytvorená improvizovaná lámacia stolica za pomoci roznášacích oceľových prvkov a hydraulického lisu s kapacitou 100 ton, obr. 5.
Obr. 5a: In-situ skúška nosníka
Obr. 5b: Pohľad zospodu po vzniku prvej trhliny
Všetky vstupné údaje k nosníku boli zistené pred testovaním diagnosticky. Získaná priemerná pevnosť betónu v tlaku bola okolo 51 MPa. Modul pružnosti, ako aj ťahová pevnosť betónu boli následne odvodené podľa príslušných vzťahov v tab. 3.1, normy STN EN 1992-1-1. Pozdĺžnu predpínaciu výstuž nosníka tvorilo 22 ks káblov z 12 patentovaných drôtov Ø 4,5 mm / kábel. Z toho 14 káblov bolo priebežných a 8 nepriebežných. Káble boli kotvené do doskových kotiev cez klasické plné kotevné kuželíky.
Do stredového prierezu boli pre kontrolu osadené 3 potenciometrické snímače zvislej deformácie (S1–S3), ďalej na horný tlačený okraj nosníka bol osadený lepený odporový tenzometer (T1), rovnako aj na betonársku výstuž k spodnému ťahanému okraju, tenzometer (T2). Tento tenzometer sa však počas skúšky pri vzniku prvej trhliny porušil. Závislosť zaťažovacej sily v lise a deformácie je znázornená na, obr. 6. Vidíme, že pri teoreticky predpokladanej úrovni predpätia so zohľadnením všetkých obvyklých strát predpätia, krátkodobých aj dlhodobých za čas 60 rokov dosahujeme rozdielny tvar pracovného diagramu s posunutou úrovňou medze vzniku trhliny pre silu Fcr, ako aj medze únosnosti FR. Prakticky všetky 3 snímače vykazovali identické deformácie, pričom na úrovni asi 580 kN bol nosník odľahčený a znovu priťažený.
Obr. 6: Pracovný diagram nosníka s predpokladaným predpätím vs. namerané hodnoty
Prvá trhlina bola evidovaná na úrovni sily v lise asi 402 kN oproti teoreticky predpokladanej hodnote Fcr = 471 kN. Z toho je možné dedukovať po prepočítaní v prvom kroku, že na nosník pôsobí v priemere asi o 18 % nižšia hodnota predpínacej sily, ako by bola teoreticky predpokladaná. Nakoľko je ťahová pevnosť betónu štatisticky veľmi nespoľahlivá veličina, ako aj samotná registrácia prvej trhliny býva často problematicky detekovateľná, bolo potrebné overiť chovanie nosníka pre zníženú úroveň predpätia stanovenú cez hodnotu Fcr, aj v druhom kroku, teda za medzou vzniku trhliny. Preto bol pre charakteristické body pracovného diagramu „poškodeného“ nosníka aplikovaný nelineárny výpočet deformácie. Výpočet potvrdil veľmi dobrú zhodu z experimentom a potvrdil správnosť predpokladu o zníženej úrovni predpätia aj za medzou vzniku trhlín, obr. 7.
Rovnako výstupy z tenzometra T1 korešpondovali s teoreticky stanovenou krivkou pre zníženú úroveň predpätia a potvrdili dobrú zhodu, podobne ako zvislé deformácie, obr. 8.
Obr. 7: Pracovný diagram nosníka so zníženou úrovňou predpätia vs. namerané hodnoty
Obr. 8: Priebeh nameraných pretvorení v tlačenom betóne vs. teoretické pretvorenia na nosníku so zníženou úrovňou predpätia
Vzhľadom k postupnému nakláňaniu oceľového skúšobného rámu bola dosiahnutá sila v lise max. okolo 660 kN. Z dôvodu zachovania bezpečnosti sa v skúške ďalej už nepokračovalo. Z tohto pohľadu nebol dosiahnutý predpoklad medznej únosnosti, ktorá bola stanovená na úrovni Fu = 764 kN. Avšak už na úrovni okolo 630–650 kN dochádzalo k viditeľnému „tečeniu“ resp. nekontrolovateľnému nárastu deformácie a šírok trhlín bez adekvátnych prírastkov na zaťažovacej sile. To znamená, že znížená úroveň predpätia v nosníku sa prejavila rovnako aj na úrovni jeho medznej únosnosti.
4. Záver
Článok poukázal na široké možnosti využitia nepriamych metód pre stanovovanie aktuálnej úrovne predpätia v existujúcich konštrukciách. V tomto prípade bola využitá tzv. metóda odozvy v rozšírenom prevedení, nakoľko to umožnila situácia následnej demolácie objektu. Prezentované výsledky meraní a výpočtového modelu potvrdili dobrú zhodu. Skúsenosti z tejto skúšky, ale aj z následných meraní na stávajúcich mostoch poukazujú na aplikovateľnosť experimentálno-analytických metód v praxi. Ich rozsah a použitie je treba zvážiť v závislosti od závažnosti riešenej problematiky, typu konštrukcie a pod. V ďalšej práci bude publikovaná aplikácia metódy odozvy aj na moste, ktorý je v plnej prevádzke. Je samozrejme treba poznamenať, že aplikácia týchto metód, je do veľkej miery závislá od presnosti a rozsahu merania, ako aj kvality vstupných údajov do analytických alebo numerických modelov konštrukcie.
Poďakovanie
Tento príspevok vznikol za finančnej podpory grantovej agentúry VEGA, číslo 1/0045/19.
Literatúra
- MORAVČÍK, M.: Navrhovanie predpätých konštrukcií podľa európskych noriem, Edis ŽU, Žilina, 2017.
- BAGGE, M. – NILIMAA, J. – ELFGREN, L.: In-situ methods to determine residual prestress forces in concrete bridges, Engineering Structures 2017.
- CHANDOGA, M. – JAROŠEVIČ, A. – FABO, P.: Skutočná napätosť viaclanových káblov napínaných po jednotlivých lanách, https://www.projstar.sk.
- KUCHARÍK, J.: Diagnostika účinku predpätia na betónových mostoch v prevádzke, Betonárske dni 2008, Bratislava.
We can observe a bad or even a state of emergency condition of the several bridges which are today in service for more than 60 years. There were find out on the structures any serious failures such as excessive deformations, extensive cracks, corrosion of prestressing wires and the anchors, etc. One of the most important thing in the process of the existing prestressed structures reliability evaluation is to determine the current level of prestressing in concrete structure. There have been developed in the world and in our country several methods that enable predict the current level of prestressing in a structure. This paper discusses the possibilities of determining the prestressing level on an existing structure using the indirect method as (Structural response method) founded on the theoretical-experimental base. This method was applied on an example of the precast prestressed bridge girder analysis after its 60 years in service.