Usporiadanie zaťažovacej zostavy a podopretie nosníka
Tento článok je prezentáciou čiastkových výsledkov experimentálneho programu zameraného na výskum v oblasti spriahnutých oceľobetónových doskových mostov. Daný typ nosnej konštrukcie je používaný pre mosty s krátky rozpätím, ktoré sú početne zastúpené v praxi. Cieľom výskumu je optimalizácia tvaru betónového prierezu (vyľahčenie) a spotreby ocele vo forme spriahovacích pásov. Článok prezentuje niektoré výsledky statických skúšok dvoch typov nosníkov.
ÚVOD
Spriahnuté oceľobetónové konštrukcie, podobne ako železobetónové konštrukcie, sú spojením dvoch základných materiálov, homogénnej konštrukčnej ocele a heterogénneho betónu, kde kombinuje priaznivé pôsobenie betónu v tlaku a ocele v ťahu. V neposlednom rade je dôležitým aspektom kompatibilita materiálov s ohľadom na ich podobnú tepelnú rozťažnosť. Rozhodujúcim kritériom spoľahlivosti týchto konštrukčných prvkov je správny návrh geometrie prierezu s ohľadom na jeho tuhosť ale predovšetkým spôsob spriahnutia a prenos šmykových napätí medzi betónom a konštrukčnou oceľou – zabetónovaným oceľovým prierezom. Spôsob spriahnutia a prenos napätí v priečnom smere prvkov, resp. konštrukcií je možné zabezpečiť použitím betonárskej výstuže. Medzi nedostatky tohto systému je patria hlavne nízka odolnosť ocele voči vplyvu korózie a objemové zmeny v betóne vplyvom zmrašťovania a dotvarovania. Riešenie týchto nedostatkov je pomerne dobre zvládnuté, výskum v tejto oblasti prebiehal rádovo v desaťročiach a čo sa týka návrhu je pokrytý v normových podkladoch [1] resp. [2].
Mosty so zabetónovanými oceľovými nosníkmi sa v našich krajinách používajú už viac ako jedno storočie. Pri prvotných návrhoch sa v minulosti využívali ako tuhá výstuž koľajnice, neskôr sa začali používať zvárané alebo valcované oceľové profily. Tento typ mostov pre malé rozpätia má mnoho výhod a je stále požadovaným riešením samotnými správcami mostných objektov. Pre svoju tuhosť sa tento konštrukčný systém v súčasnosti používa najmä pri modernizácii železničných tratí, hlavne vzhľadom na stále prísnejšie požiadavky na deformácie a kmitanie. Z dôvodov rýchlej montáže je tento systém uprednostňovaný na železničných tratiach aj z dôvodov skrátenia výlukových časov. Ďalšou výhodou mostov so zabetónovanými oceľovými nosníkmi je aj ich nízka stavebná výška a nenáročná údržba [3, 4].
Výskum, ktorý aktuálne prebieha na Stavebnej fakulte TU v Košiciach nadväzuje na jeho prvotnú fázu vykonanú v rámci projektu ITMS: 26220220124 Vývoj mostov so zabetónovanými nosníkmi modifikovaných tvarov. Modifikácia tvaru zabetónovaných nosníkov mala za cieľ zefektívniť návrh týchto mostov znížením spotreby ocele pri zachovaní rovnakej únosnosti a tuhosti konštrukcie. Nový návrh prierezov vychádzal z predpokladu lepšieho využitia materiálov, kde všeobecne horná pásnica oceľových zabetónovaných prierezov spadala do úrovne nad neutrálnu os prierezu a teda táto časť ocele nebola efektívne využitá nakoľko v tlačenom betónovom priereze mala zanedbateľný vplyv vzhľadom na kapacitu betónu pri prenos tlakových síl. Tvar experimentálneho betónového prierezu bol konštantnej hrúbky. Boli navrhnuté a overené nosníky s rôznymi tvarmi zabetónovaných oceľových prierezov pri statickom, dynamickom aj dlhodobom zaťažení [5]. V prebiehajúcom výskume, ktorého čiastkové výsledky budú prezentované v tomto článku, bol betónový prierez vyľahčený v ťahanej oblasti prierezu a premennou bol aj tvar spriahovacej lišty (zabetónovaný oceľový prierez) v kombinácii s betonárskou výstužou.
EXPERIMENTÁLNY PROGRAM
Výskum prebieha na Stavenej fakulte TUKE v laboratóriách Centra výskumu a inovácii v stavebníctve. Experimentálny program zahŕňa overenie spoľahlivosti oceľobetónových nosníkov pri statickom, dynamickom a dlhodobom pôsobení zaťaženia. Nosníky boli vyrobené reálnych rozmeroch použiteľných na premostenie s malým rozpätím. Dĺžka nosníkov bola 6,0 m a ich priečny rozmer 0,9 × 0,27 m s vyľahčenou časťou v ťahanej oblasti prierezu (obr. 1). Vyľahčenie predstavuje 117 kg/m, čo predstavuje približne 20 % hmotnosti prvku.
Na výrobu nosníkov bol navrhnutý betón pevnostnej triedy C30/37, ktorý bol dodaný výrobcom. Na výrobu spriahovacích líšt bol použitý valcovaný prierez HEA 200 z ocele pevnostnej triedy S235, ktorý bol pozdĺžnym rezaním po výške prierezu modifikovaný do požadovaného tvaru. Vyrobené boli dve tvarové verzie (obr. 2) , tzv. hrebeňový tvar (typ 1) a tvar s hranatými výrezmi v pozdĺžnom smere s privarenou slučkou na bočných stranách stien oceľového prierezu (typ 2), slučka bola vyrobená ohýbaním betonárskej výstuže prierezu 12 mm (obr. 2 a 3).
Do výrezov v hornej časti spriahovacích líšt bola vkladaná priečna betonárska výstuž priemeru 8 mm vo forme uzavretých strmeňov a v pozdĺžnom smere bola v miestach ohybov strmeňov dopĺňaná priama výstuž priemeru 10 mm (obr. 1 – 3). Všetky typy (priemery) betonárskej výstuže boli vyrobené v pevnostnej triede B500. Celkovo bolo vyrobených 12 nosníkov, ktoré boli vybetónované v 3 etapách po 4 ks. Počet nosníkov bo odvodený na základne plánovaných skúšok. Pre každú betonáž boli vyrobené aj vzorky na stanovenie materiálových charakteristík betónu.
Statické skúšky boli realizované ako štvorbodový ohyb (obr. 4). Podopretie nosníkov bolo vo vzdialenosti 0,1 m od konca prvku, osová vzdialenosť dvojice bremien bola 2 m a vzdialenosť medzi osou podpery a bremena bola 1,8 m. Sila bola vyvodzovaná pomocou hydraulického lisu s kapacitou 600 kN. Prenos bodovej sily na dvojicu bremien (priečnikov – zvarenec 2 × U160) bol realizovaný prostredníctvom zaťažovaného valcovaného prierezu (HEB 320) s celkovou hmotnosťou 6,5 kN. Vlastná tiaž nosníka predstavuje 28,5 kN a vrátane oceľových prvkov 35,0 kN. Priehyb nosníkov od vlastnej tiaže predstavoval 2,75 mm a od vlastnej tiaže vrátane oceľových prvkov 3,37 mm. Tieto priehyby boli vypočítane na základe predpokladu pružného pôsobenia nosníkov v prvotných fázach zaťažovania.
Zaťažovanie prvkov bolo riadené krokovým nárastom sily po 20 kN, pri dosiahnutí sily 210, 350 kN a pri dosiahnutí odolnosti prvku bolo realizované odľahčenie. Za kritérium dosiahnutia odolnosti bol uvažovaný stav, pri ktorom už nebolo možné udržať hladinu zaťaženia, nakoľko sa prvok výrazne pretváral. Priehyb nosníka bol meraný pomocou indukčného snímača v strede jeho rozpätia. Pomerné pretvorenie spriahovacích líšt v strede rozpätia nosníka bolo merané pomocou odporových tenzometrov.
Materiálové charakteristiky oceľového prierezu HEA200, ktorý bol použitý pre spriahovacie lišty boli stanovené ťahovými skúškami na akreditovanom pracovisku s priemernými hodnotami ReH = 397,2 MPa (horná medza klzu) a Rm = 501,5 MPa (medza pevnosti). V deň skúšania prvkov (vek betónu 346 dní) bola určená pevnosť betónu v tlaku, ktorá dosahovala na valcových telesách hodnotu fc = 52,6 MPa. Pôsobenie skúšaných nosníkov je možné charakterizovať ako pružnoplastické. V prípade nosníka NV1 bola jeho odolnosť dosiahnutá pri aplikovaní zaťaženia na hranici 420 kN (celkové zaťaženie 455 kN) pri priehybe v strede rozpätia 79,1 mm.
Na grafickom znázornení pôsobenia nosníka (obr. 5) je možné identifikovať lineárnu fázu pôsobenia do hranice približne 350 kN (celkové zaťaženie 385 kN) pri priehybe 38,16 mm. Pri danej hodnote zaťaženia bolo zaznamenané pomerné pretvorenie na ťahanej pásnici ε = 0,001756, ktoré je blízke pretvoreniu na hornej medzi klzu a teda pri ďalšom zaťažovaní dochádzalo k postupnej plastizácii a poklese tuhosti prierezu. Pretváranie prierezu sa prejavovalo okrem priehybu aj vznikom a rozširovaním trhlín. Výskyt trhlín bol lokalizovaný v zóne medzi zaťažovacími bremenami a v ich blízkosti, jednalo sa o ohybové trhliny, vznikajúce pri prekročení ťahovej pevnosti betónu a ich poloha kopírovala umiestnenie priečnej výstuže (strmeňov).
Šírky trhlín boli merané opticky pomocou príložného meradla. Všeobecne sa prvé objavovali trhliny v strede rozpätia nosníka, postupne s ich roztváraním sa vytvárali nové trhliny v poli smerom k podperám. Vývoj šírky rozhodujúcej trhliny (trhlina s maximálnou šírkou pri porušení nosníka) je zdokumentovaný na nasledujúcich obrázkoch (obr. 5 a 6). Šírka 0,01 mm popisuje vlasovú trhlinu, ktorej šírku nebolo možné zmerať, ale jej viditeľnosť bola považovaná za kritérium vzniku trhliny.
Nosník NV2 (obr. 6) dosahoval vyššiu odolnosť aj tuhosť v porovnaní s nosníkom NV1 (obr. 7). Jeho odolnosť dosiahnutá pri zaťažení na hranici 440 kN (celkové zaťaženie 475 kN) pri priehybe v strede rozpätia 85,11 mm. Lineárna fáza pôsobenia bola do hranice približne 370 kN (celkové zaťaženie 405 kN) pri priehybe 38,46 mm a pomernom pretvorení na ťahanej pásnici ε = 0,00189, ktoré zodpovedá pretvoreniu na hornej medzi klzu.
ZÁVER
Tento článok je zameraný na problematiku spriahnutých oceľobetónových doskových mostov, a je prezentáciou čiastkových výsledkov experimentálnych skúšok dvoch typov vyľahčených spriahnutých doskových nosníkov pri statickom zaťažení. Vyľahčenie predstavovalo úsporu približne 20 % hmotnosti doskového nosníka. Pôsobenie nosníkov je možné na základe vykonaných statických skúšok charakterizovať ako pružnoplastické s vysokou počiatočnou tuhosťou. Pružné pôsobenie nosníkov bolo limitované hladinou zaťaženia, pri ktorej dochádzalo k plastizácii ťahaných pásnic zabetónovaných oceľových prierezov. Vyššia odolnosť bola zaznamenaná pri nosníku NV2 pri celkovom zaťažení 475 kN a priehybe v strede rozpätia 85,11 mm, nosník NV1 bol schopný vzdorovať zaťaženiu 455 kN pri priehybe v strede rozpätia 79,1 mm. Šírka trhlín pri zaťažení na hranici pružného pôsobenia neprekročila pri žiadnom nosníku hodnotu 0,3 mm. Spoľahlivosť nosníkov je v rámci experimentálneho výskumu v súčasnosti overovaná pri dynamickom namáhaní ako aj pri dlhodobom zaťažení s ohľadom na pretvorenia vplyvom dotvarovania, kde tieto komplexné výstupy budú slúžiť ako podklad pre implementáciu daných konštrukčných prvkov do praxe.
POĎAKOVANIE
Táto publikácia vznikla vďaka podpore v rámci operačného programu Výskum a inovácie, ITMS 2014+: pre projekt 313011T594 „Výskum novej generácie materiálov, konštrukcií a technológií pre priemysel 21. storočia“, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja“.
prof. Ing. Vincent Kvočák, CSc.
Ing. Daniel Dubecký, PhD.
Ing. Peter Sabol, PhD.
Technická Univerzita v Košiciach,
Stavebná fakulta
LITERATÚRA:
[1] STN EN 1994‑1‑1: Eurokód 4: Navrhovanie spriahnutých oceľobetónových konštrukcií. Časť 1‑1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy. SUTN Bratislava 2006
[2] STN EN 1994‑2: Eurokód 4: Navrhovanie spriahnutých oceľobetónových konštrukcií. Časť 2: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre mosty. SUTN Bratislava 2008
[3] Odrobiňák, J. – Bujňák, J. – Žilka, J.: Study on short span deck bridges with encased steel beams. 23rd Czech and Slovak International Conference „Steel structures and bridges 2012“. Elsevier, e‑Journal Procedia Engineering, vol. 40/2012, p. 333 – 338.
[4] Vičan, J. – Odrobiňák, J. – Gocál, J. – Hlinka, R.: Remarks from diagnostics and load carrying capacity estimation of existing railway bridges. 8th International Conference on Short and Medium Span Bridges. Niagara Falls, Canada, 2010, paper #GC‑150.
[5] Kvočák, V. – Dubecký, D.: Results of Static, Dynamic and Long – Term Tests on Composite. ICCSTE 15. – Canada: U‑Ottawa,2015, p. 325‑1‑325‑8
