Moderní metody pro měření osových sil v prvcích stavebních konstrukcí
V technické praxi se poměrně často vyskytuje potřeba stanovení aktuální osové síly v prvcích stavebních konstrukcí. V tomto příspěvku jsou shrnuty hlavní závěry z experimentů provedených v rámci verifikačního procesu a aplikace in situ na stávající konstrukci nové metody určené pro nedestruktivní stanovování velikosti osových sil. Tato metoda je použitelná nejen pro nové, ale i pro stávající konstrukce.
1. Úvod
Tento příspěvek referuje o motivaci a postupu řešení grantového projektu Technologické agentury ČR – ALFA TA04030307. Základním cílem projektu je výzkum, vývoj a validace nové metody, která je založena na „magnetoelastickém“ fyzikálním principu a která je určena pro měření osových sil v konstrukčních prvcích zhotovených z feromagnetických materiálů (v předpínacích tyčích, drátech a lanech) stávajících či nově budovaných stavebních konstrukcí.
Předpínací výztuž mostů z předpjatého betonu, závěsy zavěšených mostů, táhla visutých a obloukových mostů, táhla visutých lanových střech, zemní a horninové kotvy apod., které jsou namáhány velkou tahovou silou, jsou obvykle důležitým statickým prvkem stavby, který zpravidla rozhoduje o únosnosti celé konstrukce. Znalost okamžité velikosti osové síly v těchto prvcích je důležitá informace pro posouzení spolehlivosti nosné konstrukce stavby v jakémkoliv cyklu její životnosti (při výstavbě, při uvádění do provozu, při monitorování jejího stavebního stavu za provozu, při přípravě rekonstrukce apod.).
Výzkumný úkol řešený naším týmem se snaží orientovat především na řešení úlohy „stanovení aktuální velikosti síly v konkrétním předpínacím prvku na stávající konstrukci“, která je v technické praxi velmi častá, ale často není řešitelná žádnou jinou dosud používanou metodou.
2. Elastomagnetická metoda
2.1 Fyzikální princip
Elastomagnetický resp. magnetoelastický princip popisuje vzájemné ovlivňování mechanického stavu a magnetických vlastností materiálu. Elastomagnetická metoda, která je na těchto principech založena, využívá měření magnetické odezvy prvků stavebních konstrukcí na vnější magnetické pole. Metoda je omezena pouze na vyšetřování prvků vyrobených z feromagnetických materiálů, např. ocelí používaných pro výrobu prvků pro předpínání.
Mezi základní veličiny popisující uspořádání magnetického pole patří intenzita magnetického pole H a magnetická indukce B. Magnetická indukce na rozdíl od intenzity magnetického pole popisuje silové účinky magnetismu. Veličinou nazvanou permeabilita prostředí μ je popsán vztah mezi H a B.
Obrázek 1.: Tvar majoritní hysterezní smyčky feromagnetického materiálu a její změna při namáhání tahovou osovou silou
V látkovém prostředí hodnota permeability závisí na vlastnostech daného materiálu a jeho aktuálním stavu. V obecném případě její hodnota závisí mimo jiné na velikosti působícího magnetického pole (a to nejen na jeho aktuální hodnotě, ale i na historii a rychlosti změny), na teplotě materiálu, na úrovni mechanického namáhání materiálu. Typickým příkladem materiálů, které mají tuto obecnější závislost, jsou feromagnetické látky.
Praktický důsledek výše popsaných skutečností je, že permeabilita oceli je mimo jiné funkcí osové síly vnesené do sledovaného ocelového konstrukčního prvku. Tento fakt je využíván elastomagnetickou metodou při měření síly. Změna permeability oceli v závislosti na změně jejího namáhání je schematicky naznačena v obr. 1.
2.2 Typické uspořádání snímače
Obrázek 2.: Schéma uspořádání elastomagnetického snímače (EM snímače)
Na obr. 2 je znázorněn princip nově navrženého uspořádání elastomagnetického snímače (dále EM snímače). Součásti snímače jsou řízený zdroj magnetického pole (např. primární cívka, pohyblivý permanentní magnet), snímač intenzity magnetického pole H v měřeném řezu (soustava Hallových sond) a do třetice snímač indukčního toku, který úzce souvisí s magnetickou indukcí B v měřeném řezu (sekundární cívka).
Hallova sonda je elektronická součástka, která se používá k měření intenzity magnetického pole. Moderní Hallovy sondy mají malé rozměry a dostatečnou citlivost, a proto umožňují měřit tangenciální složku magnetického pole těsně u prvku z feromagnetického materiálu.
Vzhledem k tomu, že výrobní tolerance citlivosti běžně dostupných Hallových sond se dle katalogových listů pohybují na úrovni +/−5 %, jsou před použitím každého exempláře Hallovy sondy stanoveny hodnoty jeho pracovních součinitelů pomocí speciální kalibrační cívky.
Magnetická indukce se v měřeném řezu stanovuje pomocí analogové integrace napětí indukovaného na sekundárním vinutí.
3. Verifikace metody
3.1 Popis experimentu
V rámci verifikace nového přístupu v používání EM metody byla provedena celá řada laboratorních experimentů, která byla završená systematickým vyšetřováním změny magnetického chování vybraných předpínacích prvků v závislosti na teplotě a úrovni mechanického namáhání, které se uskutečnilo v listopadu 2016 v laboratořích Kloknerova ústavu ČVUT.
Při experimentech bylo zjišťováno chování následujících prvků:
Obrázek 3.: Vnější pohled na použitou klimatickou komoru (vlevo) a pohled do vnitřku komory na předepnuté předpínací lano „L1“ s instalovaným magnetoelastickým snímačem- lana Lp15,7/1860 MPa (současný materiál – dále v textu značen „L1“ až „L2“),
- předpínacích tyčí 15/17, výrobky Dywidag a Mikusol, celkem 3 ks (současné materiály – dále v textu značeny „T1“ až „T3“),
- patentového drátu P4,5, celkem 3 ks různého stáří (historický materiál získaný z demolic – dále v textu značen „T1“ až „T3“).
Magnetické chování bylo zjišťováno ve čtyřech teplotních krocích, a to −20 °C, +/−0 °C, +20 °C a +40 °C. Při každém teplotním kroku byla tahová síla ve zkoumaných prvcích pomocí lisu měněna v devíti resp. sedmi zatěžovacích stupních. Velikost silových zatěžovacích stupňů byla volena v závislosti na návrhové únosnosti konkrétního zkoumaného předpínacího prvku.
![Obrázek 4.: Statistické vyhodnocení verifikačního experimentu pro dráty D1, D2 a D3, který pro teplotní úroveň +20 °C popisuje závislost výsledného bezrozměrného parametru P [–] na aktuální napjatosti předpínacího prvku [MPa] a jeho rozptyl](/docu/clanky/0166/016685o9.png)
Obrázek 4.: Statistické vyhodnocení verifikačního experimentu pro dráty D1, D2 a D3, který pro teplotní úroveň +20 °C popisuje závislost výsledného bezrozměrného parametru P [–] na aktuální napjatosti předpínacího prvku [MPa] a jeho rozptyl
3.2 Zpracování naměřených dat
S ohledem na množství a složitost průběhů naměřených veličin nebylo efektivní vyhodnocovat tato data v celém jejich rozsahu. Pro vyhodnocování byl proto zvolen dvoufázový postup.
V první fázi bylo sestaveno několik definic testovaného bezrozměrného parametru, které nadále reprezentovaly tvar každé naměřené hysterezní smyčky. V druhé fázi byla závislost hodnot jednotlivých definovaných bezrozměrných parametrů P v závislosti na teplotě T a úrovni mechanického zatížení F statisticky vyhodnocena ve tvaru P = f (F, T), viz obr. 4.
Získané závislosti jednotlivých parametrů P byly následně kriticky zhodnoceny. Na základě tohoto zhodnocení byl vybrán jeden výsledný bezrozměrný parametr, který je od té doby používán při zpracování veškerých ostatních měření.
Další problematikou, kterou je nutno v rámci vyhodnocování naměřených dat řešit, je transformace intenzity magnetického pole naměřené v diskrétních polohách (soustava Hallových sond) na souvislé pole intenzit v rámci celého vyšetřovaného řezu. Z hlediska vyhodnocení je totiž důležité znát rozdělení pole intenzit i v oblastech, kam fyzicky Hallovu sondu ani vložit nejde, např. přímo do materiálu předpínací výztuže.
K provedení této operace je zapotřebí užít vhodný výpočetní nástroj. V rámci řešení tohoto výzkumného úkolu jsou používány počítačové komerční i nekomerční SW založené na metodě konečných prvků. Řešeny byly rotačně symetrické (viz obr. 5), ale i zcela obecné úlohy.
Obrázek 5.: Modelování EM snímače pomocí SW FEMM. Ukázka grafického znázornění uspořádání magnetického pole – vlevo intenzity magnetického pole, vpravo magnetická indukce. Jedná se rotačně symetrickou úlohu – osa symetrie se nachází v levé části obou obrázků.3.3 Závěry z vyhodnocených výsledků zkoušek
- Měření drátů: V případě tří vzorků patentovaných drátů, které vzhledem k velké podobnosti jejich vzhledu od sebe nelze v reálné aplikaci metody na stávající konstrukci jednoznačně odlišit, byl sestaven kalibrační vztah „průměrného drátu P4,5“ (viz obr. 4) pomocí zprůměrování jednotlivých kalibračních křivek tří vzorků drátů různého původu. Magnetoelastické vlastnosti jednotlivých zkoumaných drátů se dle očekávání vzájemně mírně lišily. Jejich neshoda ale dosahovala nízké úrovně, hodnoty sil vyhodnocené na základě sestaveného „průměrného“ kalibračního vztahu pro dráty se odchylovaly od skutečně působících sil maximálně o +/−3,5 % maximální síly.
- Měření lana: Magnetoelastické vlastnosti lana byly vyšetřovány na jediném druhu materiálu, který je v současné stavební praxi používán. Při řešení výzkumného úkolu jsme při experimentech použili několik vzorků tohoto materiálu. Velikosti sil, které byly vyhodnoceny na základě sestaveného kalibračního vztahu pro lano, se odchylovaly od skutečně působících sil maximálně o +/−2,0 % maximální síly.
- Měření tyčí: Byly vyhodnoceny velké rozdíly u magnetoelastických vlastností jednotlivých zkoumaných tyčí vyrobených z různých materiálů. Navíc bylo zjištěno, že závity tyčí negativně ovlivňují výsledky experimentu. Pro použití magnetoelastické metody je bezpodmínečně nutné v okolí měřeného řezu odstranit z tyče závit, což by bylo u tyčí zabudovaných v konstrukci neproveditelné. Citlivost vybraného bezrozměrného parametru P na změnu mechanického namáhání je při měření na tyčích významně nižší než při měření drátů či lan, a to v důsledku nižší pevnosti materiálů tyčí i jejich odlišného chemického složení.
4. Použití metody při měření in-situ
4.1 Popis experimentu
Použitelnost nové metody pro použití v běžné technické praxi byla ověřena zkouškami in-situ na konstrukci z předpjatého betonu, konkrétně na lávce pro pěší přes Vltavu v Praze Troji. Důvodem pro realizaci experimentu na této konstrukci byla pochybnost o skutečné aktuální velikosti předpětí v přepínací výztuži ovlivněné mimo jiné korozními úbytky předpínací výztuže a zasažením nosné konstrukce lávky dvěma velkými povodněmi na Vltavě v srpnu 2002 a v červnu 2013.
Nosnou konstrukci lávky tvoří visutý pás složený ze železobetonových prefabrikátů s příčnými spárami. Rozpětí polí jsou 85 + 96 + 68 m. Popis postupu montáže, použitých nosných prvků a geometrie konstrukce lávky byl čerpán z archivované dokumentace lávky. Konstrukce je v podélném řezu podepřena kabely typu A (nosné kabely visutého pásu) a předepnuta kabely typu B (zabránění otvírání příčných spár).
Obrázek 6.: Pohled na částečně navinutou primární cívku snímače a navíjecí zařízení (vlevo) a na dokončený snímač opatřený stíněním (vpravo)U této konstrukce byl na náhodně zvolený předpínací kabel typu B instalován magnetoelastický snímač určený pro dodatečnou montáž. Vzhledem k tomu, že mezi jednotlivými lany (6 lan) tvořícími předpínací kabel nebyly dostatečně velké mezery, byl předpínací kabel zkoumán jako celek.
Kolem zkoumaného předpínacího kabelu byla nejprve citlivě vybourána dostatečně velká kapsa, v rámci které mohlo dojít k aplikaci magnetoelastického snímače. Poté byla na předpínací kabel instalována plastová kostra magnetoelastického snímače. Pomocí navíjecího zařízení, které otáčelo kostrou snímače, byla nejprve navinuta sekundární cívka a následně pak i cívka primární. Následovala instalace Hallových senzorů do volného prostoru uvnitř zkoumaného předpínacího kabelu a jejich geometrické zaměření vůči cívkám magnetoelastického snímače. Na závěr byl vytvořený snímač opatřen dostatečně masivním elektromagnetickým stíněním (viz obr. 6).
4.2 Závěry z vyhodnocení zkoušek
Na data naměřená během experimentů byly aplikovány postupy popsané v kapitole 3.2. Jednalo se zejména o transformaci diskrétních hodnot na spojité pole intenzit magnetického pole a o výpočet hodnoty bezrozměrného parametru P.
Pro vyhodnocený parametr P, pro teplotu materiálu a pro typ materiálu byla interpolována obdobná vyhodnocovací křivka, jaká je pro dráty vykreslena v obr. 4. Ve vyhodnocovací křivce byla následně dohledána hodnota mechanického normálového napětí v měřeném kabelu cca 825 MPa.
Posouzení věrohodnosti naměřeného normálového napětí při experimentu in-situ bylo provedeno na základě porovnání s hodnotou očekávaného napětí ve výztuži, které bylo stanoveno z dostupných informací. Z analýzy statického výpočtu lze předpokládat normálové napětí v předpínacích kabelech typu B v intervalu 680 až 1000 MPa. Velký rozptyl intervalu souvisí se ztrátami předpětí způsobenými postupným napínáním této subtilní konstrukce pomocí 14 ks kabelů typu B. Záznam o skutečném postupu předpínání kabelů typu B během realizace lávky, který by umožnil zpřesnění očekávané hodnoty napětí ve zkoumaném kabelu, se bohužel nepodařilo dohledat.
Experimentem stanovená hodnota normálového napětí leží prakticky ve středu výše uvedeného intervalu předpokládaného napětí dle statického výpočtu lávky. Experimentem stanovenou hodnotu napětí je tedy možné označit jako velmi věrohodnou.
5. Chemická a mikroskopická analýza vzorků
V rámci řešení výzkumného úkolu byla provedena chemická analýza hmotnostního zastoupení vybraných chemických prvků v materiálu vzorků. Sestava zkoumaných vzorků byla totožná se sestavou popsanou v kapitole 3.1. Zjištěné hodnoty jsou přehledně uspořádané v tab. 1.
Na shodné sestavě vzorků předpínacích prvků byla též provedena mikroskopická analýza. U všech vzorků, kromě tyče T1, byla zjištěna stejná charakteristika struktury materiálu: rovnoměrná struktura, martenzitická, výrazně popuštěná. U tyče T1 byla zjištěna struktura v příčném řezu silně nehomogenní.
Tabulka 1.: Přehled zastoupení vybraných chemických prvků ve vzorcích předpínacích prvků
6. Shrnutí výsledků
- Výsledkem výzkumného projektu je návrh a validace nové metody, která umožňuje „stanovení aktuální velikosti síly v konkrétním předpínacím prvku na stávající konstrukci“.
- Doposud provedené experimenty realizované v laboratoři a na reálných konstrukcích in-situ potvrzují použitelnost této metody. Metoda je velmi vhodná pro průzkum napjatosti předpínacích prvků sestavených z drátů a lan, kde ve většině reálných případů z praxe jinou nedestruktivní metodu měření bez nadměrné destrukce měřené konstrukce použít ani nelze.
- Naproti tomu k průzkumu předpínacích tyčí se tato metoda nejeví jako vhodná. Tyče jsou však obvykle používány ve stavebních konstrukcích jako prvky dočasného předpětí, kde není problém v případě potřeby nasadit jiné metody měření, např. použití dynamometrů.
- Metoda popsaná v tomto příspěvku nabízí i možnost výrazné eliminace rizik nepřesného stanovení předpínací síly u konstrukcí, které jsou monitorovány již od aktivace předpětí. Tato rizika, která jsou svázaná s využitím dosud používaných metod založených na magnetoelastickém principu, souvisí zejména s možnou změnou charakteristik snímače v důsledku změny magnetického okolí snímače v období mezi jeho kalibrací a odečtem síly. Změny magnetického okolí nejsou na stavbách ničím neobvyklým, jejich příčinou může být např. betonáž drátkobetonové konstrukce, přemístění masivních ocelových skruží nacházejících se v těsné blízkosti snímače, apod.
- Na základě provedené chemické analýzy, viz kap. 5, lze očekávat, že chemickými prvky, které pravděpodobně modifikují magnetické chování zkoumaných materiálů používaných pro výrobu předpínacích prvků, jsou kromě železa (Fe) i nikl (Ni) a chrom (Cr).
Poděkování
Tato práce byla podpořena Technologickou agenturou České republiky v rámci projektu číslo TA04030307.
Literatura
- WICHMANN, H. J.; HOLST, A.; BUDELMANN, H.: Magnetoelastic stress measurement and material defect detection in prestressed tendons using coil sensors. Proceedings of 7th International Symposium on Non-Destructive Testing in Civil Engineering NDTCE’09. Nantes, France, 2009.
- CHANDOGA, M.; FABO, P.; JAROŠEVIČ, A.: Measurement of Forces in the Cable Stays of the Apollo Bridge, Proceedings of the 2nd fib Congress, Naples, Italy, 5–8 June, 674–675, 2006.
- KLIER, T.; MÍČKA, T.; POLÁK, M.; ŠIMLER, M.; SMETÁK, T.: Moderní metoda pro měření osových sil v prvcích stavebních konstrukcí, 23. Betonářské dny 2016, Praha, Česká republika, 2016.
In many practical cases it is important to know the actual value of tensile forces in prestressed elements of civil engineering structures. Main conclusions from experiments which were carried out within verification process and in situ application of the new method for an experimental estimation of the tensile force are described in the paper. The method is suitable for new structures and especially for existing ones.