Možnosti nepriameho určovania predpätia

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021. Byl okomentován spolupracovníky redakce TZB Info.

1. Úvod

V oblasti zameranej na zisťovanie predpätia v existujúcich konštrukciách pôsobia v domácich a zahraničných podmienkach viacerí odborníci. V rámci Slovenska ide predovšetkým o kolektív pozostávajúci z Milana Chandogu, Andreja Jaroševiča a Petra Faba [1]. Im podobnej oblasti sa venujú aj kolegovia napr. z Českej republiky okolo Tomáša Kliera, Tomáša Míčku a Michala Poláka [2], [3]. Zo zahraničia sú v rámci danej oblasti zaujímavé práce a výsledky zo švédskej University of Technology v meste Luleå. Tu pôsobí tím zložený z výskumníkov ako sú Niklas Bagge, Jonny Nilimaa, Lennart Elfgren, Thomas Blanksvärd a ďalší [4], [5]. Ďalej je možné spomenúť práce Briana M. Kukaya, Paula J. Barra, Marvina W. Hallinga a Kevina Womacka pôsobiacich na Utah State University v Spojených štátoch amerických, ktorí tiež pôsobia v oblasti vývoja metód na určenie úrovne reziduálneho predpätia [6], [7]. Vo všeobecnosti môžeme v súčasnosti používané metódy rozdeliť do dvoch základných skupín, a to na priame a nepriame metódy zisťovania úrovne predpätia. Ďalej budú odprezentované základné nedeštruktívne a deštruktívne nepriame metódy, ktoré sú ústredným motívom tohoto príspevku. Avšak, v prípade niektorých metód je pomerne komplikované posúdiť, či ide ešte stále o nedeštruktívnu metódu alebo je nutné ju zaradiť už medzi deštruktívne metódy overovania hodnoty predpínacej sily, pretože mnohí autori sa často v delení metód rozchádzajú.

2. Nedeštruktívne nepriame metódy

Ako nedeštruktívne nepriame metódy sú označené tie, ktoré nemajú žiaden, resp. len veľmi zanedbateľný vplyv na predmetnú konštrukciu. Ujma spôsobená pomerne malým zásahom do konštrukcie sa v prípade týchto metód dá relatívne jednoducho a rýchlo opraviť.

Metóda vychýlenia predpínacej výstuže

Po opatrnom odhalení predpínacej výstuže je možné na základe vzťahu medzi výchylkou predpínacej jednotky a priečnou silou, ktorá túto výchylku vyvolala, určiť skutočnú hodnotu predpínacej sily. Jednou z nevýhod tejto metódy je potreba získania kalibračných údajov, ktoré vystihujú konkrétne podmienky. Nevyhnutnosťou je znalosť dimenzií predpínacej výstuže a rovnako tak dĺžku, na ktorej je táto výstuž odhalená. Potreba opatrného odhalenia predpínacej výstuže je taktiež nevýhodou tejto techniky. V praxi sa pomerne často stretávame s prípadmi, v ktorých nie je možné predpínaciu výstuž odhaliť pri zachovaní prevádzky na predpätej konštrukcii, čo môže v konečnom dôsledku znemožniť aplikáciu tejto metódy [4], [5], [8].

Metóda uvoľnenia napätia v okolí jadrového vývrtu

Pozorovanie zmeny napätia v okolí jadrového vývrtu relatívne malého priemeru je jednou z ďalších možností ako určiť aktuálnu hodnotu predpínacej sily. Radiálne napätie na hrane vývrtu je nulové, a teda sledujeme úplné lokálne uvoľnenie napätia, pričom od hrany vývrtu napätie postupne opäť narastá. Metóda uvoľnenia napätia v okolí vývrtu je teda založená na uvoľnení napätia v betóne vŕtaním a následnom meraní zmeny pomerných pretvorení na jeho povrchu. Na základe merania zmeny pomerných pretvorení vo vzdialenosti asi dvoch priemerov vyvŕtaného otvoru od stredu vývrtu, môžeme určiť pôvodnú hodnotu napätia, ktoré sa v prvku nachádzalo pred samotným vŕtaním. Napätie sa uvoľní vŕtaním diamantovým vrtákom, ktorý vytvorí otvor s priemerom 77 až 79 mm s hĺbkou od 100 do 175 mm [9]. Iná literatúra [10] uvádza, že priemer jadrového vývrtu má mať aspoň 50 mm, ideálne 100 mm. Problémom je, že plytké vývrty spôsobia iba čiastočné uvoľnenie napätia. Preto je nutné splniť podmienku, podľa ktorej má byť hĺbka vývrtu aspoň dvojnásobná v porovnaní s jeho priemerom. Kvôli presnosti merania je nevyhnutné presne stanoviť veľkosť modulu pružnosti betónu, pričom na tento účel je možné použiť odobratý jadrový vývrt. Otázny je vplyv zvýšenej teploty, ktorá súvisí s vŕtaním do betónu.

Rezová metóda uvoľnenia napätia

Princíp rezovej metódy je podobný tomu, na ktorom je založená aj už uvedená vŕtacia metóda. Malým zásahom do konštrukcie uvoľníme napätie v predpätom prvku. Týmto spôsobom izolujeme betónový blok od vonkajších síl. Príslušnú zmenu pomerných pretvorení meriame medzi zárezmi použitím tenzometrických snímačov. Ak narastajúca hĺbka zárezov už viac nespôsobuje výraznú zmenu pomerných pretvorení v priľahlých miestach, betónový blok je možné považovať za úplne izolovaný. Aj v tomto prípade je potrebné očistiť získané výsledky od vplyvu zvýšenej teploty vyplývajúcej z rezania betónu [4], [9].

Metóda sledovania odozvy konštrukcie na vonkajšie zaťaženie

V niektorých prípadoch je potrebné, pre úplnosť posúdenia stavu predpätej (poprípade inej) konštrukcie, aby sa uskutočnila tzv. skúška odozvy konštrukcie na vonkajšie zaťaženie (zjednodušená zaťažovacia skúška). Na predmetnej konštrukcii sú pozorované zmeny pretvárnych veličín, ako sú deformácie, pomerné pretvorenia, či šírka trhlín vzhľadom na veľkosť aplikovaného vonkajšieho zaťaženia. Inou možnosťou je geodetické sledovanie trvalých deformácií konštrukcie od stálych zložiek zaťažení. Pred skúškou odozvy konštrukcie na vonkajšie zaťaženie je veľmi dôležitá dôkladná obhliadka konštrukcie, na základe ktorej je následne stanovená hodnota skúšobného zaťaženia. Veľkosť zaťažovacieho impulzu je individuálna z dôvodu, že stav predpätých konštrukcií v prevádzke je rôzny. Vhodné je zaťažovať konštrukciu v postupných krokoch, ak je to potrebné aj s prípadným odľahčovaním. Princíp podobný tejto metóde má aj skúška v rámci neskôr uvedených deštruktívnych metód na stanovenie úrovne predpätia – metóda iniciácie trhliny a metóda dekompresného zaťaženia. Tieto metódy sa niekedy uvádzajú ako súčasť práve metódy sledovania odozvy na vonkajšie zaťaženie [8], [13].

3. Deštruktívne nepriame metódy

Medzi deštruktívne metódy sa zaraďujú tie, ktorými je nevyhnutne spôsobený nezanedbateľný zásah do vyšetrovanej konštrukcie. Zásah tohoto rozsahu je už veľmi významný, a teda nie je jednoduché a možné úplne napraviť škody spôsobené v skúmanej konštrukcii. Rozsah a umiestnenie zásahu by sa mali zvoliť s ohľadom na zachovanie integrity konštrukcie.

Metóda iniciácie trhliny

Táto technika je založená na postupnom zaťažovaní predmetnej konštrukcie až do objavenia prvej statickej trhliny. Odolnosť prvku v ťahu a napätie, ktoré sa nachádza v predpínacej výstuži pri skúšaní priamo ovplyvňujú kritickú hodnotu ohybového momentu od vonkajšieho zaťaženia na medzi vzniku prvej trhliny. Po objavení prvej trhliny je možné pozorovať náhly pokles tuhosti, pričom získané výsledky nemusia byť dostatočne presné predovšetkým v prípadoch, v ktorých nie sú známe spoľahlivé hodnoty odolnosti v ťahu overovaného prvku. Z tohoto dôvodu je potrebné zistiť odolnosť betónu v ťahu tesne pred pripravovanou skúškou. Pri skúšaní je nevyhnutné sa snažiť vytvoriť vhodnou zaťažovacou schémou oblasť čistého ohybu. Voľba štvorbodového ohybu je preto z tohto pohľadu veľmi výhodná. Pred testom sa vykoná dôkladná inšpekcia konštrukcie, ktorá má overiť či sa na nej už náhodou nenachádzajú nejaké statické trhliny [4], [8], [13].

Metóda dekompresného zaťaženia

Nasledujúci prístup vyžaduje vyvodenie takého zaťaženia, ktoré vyvolá opätovné otvorenie už existujúcej statickej trhliny. Vo všeobecnosti sa považuje za presnejšiu než skôr uvedená metóda iniciácie trhliny – trhlina je jasne lokalizovaná už pred testom. V rámci skúšky je teda pozorovaná vybraná trhlina na povrchu skúmaného prvku, pričom konštrukcia je postupne zaťažovaná. Lineárna závislosť medzi šírkou otvárajúcej sa trhliny a aplikovaným vonkajším zaťažením sa dá pozorovať do istej úrovne zaťaženia, ktoré sa volá dekompresné zaťaženie. Počas testu sú zaznamenávané pomerné pretvorenia na priľahlých miestach, poprípade pretvorenie naprieč trhlinou. Navyše, po prekročení dekompresného zaťaženia dôjde k dramatickej zmene tuhosti. Z nameraných hodnôt a známeho zaťaženia je následne možné určiť hodnotu predpínacej sily výpočtom. Je potrebné spomenúť, že v prípade staticky neurčitých konštrukcií je táto výpočtová metóda iteratívna, keďže je potrebné zohľadniť príspevok sekundárnych účinkov predpätia. Vo výpočte je dekompresné zaťaženie zohľadnené ohybovým momentom od pôsobenia vonkajšieho zaťaženia. Presnosť metódy závisí aj od určenia polohy neutrálnej osi predpätého prvku. Metóda dekompresného zaťaženia je väčšinou považovaná za deštruktívnu z dôvodu, že posudzovaný prvok musí už vopred obsahovať statické trhliny [4], [8], [13].

kde je

σ

napätie na monitorovanom povrchu betónu,

P

hodnota predpínacej sily,

A

plocha prierezu,

e_p

excentricita predpínacej sily,

𝑧

vzdialenosť medzi neutrálnou osou a monitorovaným miestom,

I_y

moment zotrvačnosti prierezu,

M_R

ohybový moment zohľadňujúci sekundárne účinky predpätia,

M_G

ohybový moment od pôsobenia stáleho zaťaženia,

M_Q

ohybový moment od pôsobenia vonkajšieho zaťaženia.

Metóda uvoľnenia napätia na predpínacej výstuži

V prípade využitia metódy uvoľnenia napätia na predpínacej výstuži je nevyhnutné ako prvé predpínaciu výstuž opatrne odhaliť a následne aplikovať tenzometrický snímač na predpínaciu výstuž v blízkosti zamýšľaného rezu. Úlohou tenzometra je zaznamenať zmenu pomerných pretvorení po prerezaní predpínacej jednotky. Zo získaných údajov o zmene pomerných pretvorení po prerezaní predpínacej výstuže, jej ploche a materiálových charakteristikách je možné následne vypočítať aktuálnu hodnotu predpínacej sily. Avšak, uspokojivá aplikácia tenzometra môže byť v niektorých prípadoch pomerne komplikovaná.

4. Záver

V našich aj medzinárodných podmienkach je množstvo predpätých mostov v zlom či až havarijnom stavebnotechnickom stave. Je známy celý rad metód na určenie aktuálnej úrovne predpätia v skúmanom čase. Vo svetle mimoriadnych situácií, ktoré sa v poslednej dobe odohrávajú na existujúcich predpätých mostoch je jasné, že je potrebné vytvoriť spoľahlivé postupy na stanovenie aktuálnej hodnoty predpätia v overovaných konštrukciách. Mnohé zo spomínaných metód zatiaľ neboli dostatočne overené na reálnych konštrukciách v prevádzke. Pre niektoré sú zase k dispozícii iba výsledky laboratórnych skúšok vykonaných na jednoduchých prvkoch. Z tohto dôvodu je nevyhnutné pre stanovenie ich presnosti a spoľahlivosti pokračovať v ich overovaní v laboratóriu, ale hlavne na reálnych konštrukciách v praxi. Iba takýmto spôsobom je možné vytvoriť použiteľné odporúčania pre ich praktickú a bezpečnú aplikáciu. Predovšetkým je potrebné sa zamerať na výskum pomerne jednoducho realizovateľných metód, ktoré majú nedeštruktívny alebo len veľmi málo deštruktívny charakter. V praktickom využívaní je potrebné mať možnosť použiť danú metódu čo najrýchlejšie, najlacnejšie a najjednoduchšie pri zachovaní požadovanej presnosti.

Poďakovanie

Tento príspevok vznikol za podpory grantovej agentúry VEGA číslo 1/0045/19 a Grantového systému UNIZA číslo 7957.

Použité zdroje

1. Chandoga, M. – Jaroševič, A. – Fabo, P.: Skutočná napätosť viaclanových káblov napínaných po jednotlivých lanách. Dostupné na: https://projstar.sk/_files/200000070-2ed4f2fcfd/JarChanFab.pdf
2. Klier, T. – Míčka, T. – Polák, M. – Plachý, T. – Hedbávný, M. – Jelínek, M. – Bláha, F.: Application of the Modified Magnetoelastic Method and an Analysis of the Magnetic Field. Acta Polytechnica CTU Proceedings 15:46-50; 2018.
3. Klier, T. – Míčka, T. – Polák, M. – Plachý, T. – Hedbávný, M. – Krejčíková, L.: New Information About Practical Application of the Modified Magnetoelastic Method. MATEC Web of Conferences 310, 00026 (2020); Space 2019.
4. Bagge, N. – Nilimaa, J. – Blanksvärd, T. – Elfgren L.: Instrumentation and Full-Scale Test of a Post-Tensioned Concrete Bridge. Nordic Concrete Research 2014; 51:63-83.
5. Bagge, N. – Nilimaa, J. – Elfgren, L.: In-situ Methods to Determine Residual Prestress Forces in Concrete Bridges. Engineering Structures; 2017.
6. Kukay, B. M.: Bridge Instrumentation and the Development of Non-Destructive and Destructive Techniques Used to Estimate Residual Tendon Stress in Prestressed Girders. Utah State University, Logan, Utah, United States; 2008.
7. Kukay, B. M. – Barr, P. J. – Halling, M. W. – Womack, K.: Determination of the Residual Prestress Force of In-Service Girders Using Non-Destructive Testing. Structures Congress 2010. Orlando, Florida, United States: American Society of Civil Engineers; 2010.
8. Moravčík, M. – Bahleda, F. – Jošt, J.: Využitie nepriamych metód stanovenia úrovne predpätia v konštrukcii. Betonárske dni 2018, Zborník príspevkov; November 8-9, 2018.
9. fib, Comité Euro – International du Béton: Strategies for Testing and Assessment of Concrete Structures. Guidance Report. fib Bulletin No. 243; May 1998.
10. TP 059: Zadávanie a výkon diagnostiky mostov. SSC Bratislava 2012. Dostupné na:
    https://www.ssc.sk/files/documents/technicke-predpisy/tp/tp_059.pdf
11. Kucharík, J., 2008. Diagnostika účinku predpätia na betónových mostoch v prevádzke. Betonárske dni 2008, Bratislava.
12. Moravčík, M. – Bujňáková, P.: Analysis of Brittle Failure of Prestressed Bridge in the North of Slovakia. ROCZNIKI INŻYNIERII BUDOWLANEJ – ZESZYT 17/2017.
13. Moravčík, M. – Bujňáková, P. – Bahleda, F.: Conceptual Problems of First Generation of Precast Bridges. International fib Symposium on Conceptual Design of Structures, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, Madrid, Spain; September 26-28, 2019.
14. Moravčík, M. – Bujňáková, P. – Bahleda, F.: Príčiny havárie a rekonštrukcia predpätého mosta v Podbieli. BETON; 4/2017.