Výskumný experimentálny program doskových mostov so zabetónovanými oceľovými nosníkmi

• Foto

Z dôvodov rýchlej montáže ako aj z dôvodov skrátenia výlukových časov je tento systém uprednostňovaný na železničných tratiach. Ďalšou výhodou mostov so zabetónovanými oceľovými nosníkmi je aj ich nízka stavebná výška a nenáročná údržba [10]. Veľmi často sa mosty so zabetónovanými oceľovými nosníkmi používajú nielen u nás, ale aj v ďalších európskych krajinách [4], hlavne vo Francúzsku, príp. Nemecku. Sú spracované viaceré normové dokumenty zaoberajúce sa navrhovaním mostov so zabetónovanými nosníkmi, napr. [13], [2] alebo [3]. V Českej republike sa týmto typom mostov venuje novo vytvorený Mostný vzorový list [8]. Na Slovensku bola situácia ešte donedávna zložitejšia, nakoľko sa pre návrh mostov so zabetónovanými I-nosníkmi používala stará smernica [9], založená na metóde dovolených namáhaní. Dnes sa pri návrhu využívajú ustanovenia Eurokódu 4 zapracované v [11], resp. [12].

EXPERIMENTÁLNY PROGRAM
Snaha o lepšie využitie oceľového prierezu nás viedla k úvahe navrhnúť oceľový prierez, ktorý by pôsobil hlavne v ťahanej oblasti budúceho spriahnutého mosta. Bolo
uvažované s rôznymi typmi oceľových prierezov, a to od T prierezov s rôznymi spôsobmi spriahnutia až po uzavreté prierezy s otvormi (obr. 1).

Pre zistenie odolnosti a spolupôsobenia oceľových zabetónovaných prierezov nových tvarov boli realizované experimentálne merania na nosníkoch s T prierezmi [6, 7], ktoré potvrdili predpoklad, že znížením množstva ocele nedošlo k zníženiu odolnosti a tuhosti prierezu. Výsledky tiež poukázali na to, že zvláštnu pozornosť je potrebné venovať spôsobu spriahnutia, ktoré môže byť pre využitie alternatívnych nosníkov rozhodujúce [5].

Následne bol vypracovaný a postupne realizovaný rozsiahly experimentálny program, v rámci ktorého bolo pripravených 50 nosníkov, ktorých tvar a rozmerové charakteristiky sú v tabuľke č. 1.

Tabuľka 1 – Tvar a rozmery experimentálnych nosníkov



Bolo navrhnutých päť typov nosníkov so zabetónovanými oceľovými prierezmi rôznych tvarov. Z každého typu prierezu boli dva nosníky využité na dlhodobé skúšky, šesť nosníkov na krátkodobé skúšky a dva nosníky na únavové skúšky.

PRÍPRAVA EXPERIMENTÁLNYCH NOSNÍKOV
Experimentálne nosníky boli vybetónované v laboratóriu Ústavu inžinierskeho staviteľstva Stavebnej fakulty Technickej univerzity v Košiciach. Oceľové nosníky a betonársku výstuž dodali špecializované firmy v požadovanom tvare a rozmeroch (obr. 2). Betón bol privezený z centrálnej betonárne. Z každej dodávky boli vyrobené tri kusy nosníkov a vzorky pre skúšky pevnosti betónu. Po vytvrdnutí betónu boli nosníky oddebnené a cyklus výroby sa opakoval až do vybetónovania všetkých experimentálnych nosníkov.

Pred začatím zaťažovacích skúšok boli vykonané materiálové skúšky betónu a ocele. Ťahovými skúškami troch vzoriek ocele bola zistená priemerná medza klzu konštrukčnej ocele f_y = 315,3 MPa. Skúškou pevnosti betónu v tlaku na valcových vzorkách bola zistená pevnosť betónu v tlaku vo veku 28 dní f_c = 25,3 MPa. Medza klzu betonárskej výstuže bola uvažovaná tabuľkovou hodnotou f_sk = 490 MPa. Podobne boli realizované materiálové skúšky všetkých typov nosníkov. Využitím známych materiálových charakteristík bola vypočítaná predpokladaná odolnosť vzoriek v čistom ohybe, ktorá slúžila na orientačné určenie veľkosti zaťaženia a postupu zaťažovania [15].

PEVNOSŤ BETÓNU V TLAKU
Betón bol vyrobený v centrálnej betonárke. Pri betóne bolo nutné overiť skutočnú pevnosť betónu v tlaku. Skúšobné telesá pre účely zistenia materiálových charakteristík boli vybetónované súčasne s veľkými vzorkami pre zisťovanie ohybovej odolnosti. Na skúšky pevnosti v tlaku boli použité kocky s hranou 150 mm a valce o výške 300 mm. Z povrchu telies boli pred vložením do skúšobného lisu očistené zvyšky materiálu a povrch bol vyrovnaný nanesením vyrovnávacieho materiálu. Na hornú hranu telesa bola centricky pripevnená oceľová manžeta (obr. 3). Medzi telesami a tlačnou plochou lisu neboli použité žiadne medzikusy. Smer zaťažovania bol kolmo na vrstvenie betónu. Zaťažovanie prebiehalo rovnomerne, bez nárazov. Plynulo sa zvyšovalo od 0,2 MPa/s do 1,0 MPa/s. Skúšky pevnosti betónu v tlaku boli realizované v časovom horizonte t = 28 dní. Pri skončení skúšky došlo k bežnému porušeniu skúšobných telies (obr. 2). Vybrané namerané hodnoty sú uvedené v tabuľke č. 2.

Tabuľka 2 – Pevnosti betónu v tlaku



Pevnosť betónu v centrickom tlaku je daná vzťahom [6]:
 (1)
kde:
f_c – je kocková pevnosť betónu v tlaku v MPa,
F – je maximálna sila dosiahnutá pri porušení skúšobných telies v N,
A_c – je plocha prierezu telesa, na ktorú pôsobí tlakové namáhanie, zistená meraním telesa v mm².

Podobným spôsobom boli zrealizované valcové skúšky pevnosti betónu v tlaku (obr. 4).

Skúškou pevnosti betónu v tlaku na valcových vzorkách bola zistená pevnosť f_c = 32,17 MPa, v čase 28 dní od betonáže. Medza klzu betonárskej výstuže bola uvažovaná tabuľkovou hodnotou f_sk = 490 MPa [18].

SKÚŠKA PEVNOSTI BETÓNU V ŤAHU ZA OHYBU
Na skúšky pevnosti v ťahu za ohybu boli použité hranoly s rozmermi 100 × 100 × 400 mm vo veku 28 dní. Princípom skúšky je, že sa skúšobné telesá vystavia zaťaženiu, ktoré vyvodí ohybové namáhanie. Najväčšie dosiahnuté zaťaženie sa zaznamenalo a z neho sa vypočítala pevnosť v ťahu za ohybu. Ako zariadenie na zaťažovanie bol použitý Lis ADR ELE 2000, ktorý pozostával z dvoch podperných valčekov a dvoch horných zaťažovacích valčekov. Horné valčeky boli kĺbovo pripojené k priečnemu závesu, ktorý rovnomerne rozdeľoval zaťaženie z lisu na oba valčeky. Všetky valčeky boli vyrobené z ocele a mali kruhový prierez. Oba horné a jeden dolný valček boli otočné a výkyvné v rovine kolmej na pozdĺžnu os skúšobného telesa. Vzdialenosť medzi podpernými valčekmi bola 300 mm. Vzdialenosť medzi zaťažovacími valčekmi bola 100 mm (obr. 26). Zaťažovacie valčeky boli umiestnené v strede medzi podpernými valčekmi. Skúšobné telesá boli pred skúšaním očistené, zbavené zvyšného piesku a bola odsatá prebytočná voda. Telesá sa do lisu vložili tak, aby boli umiestnené centricky a aby tlak bol kolmý na ukladanie betónu. Rýchlosť zaťažovania bola konštantná a bez nárazov [19] (obr. 5).

Pevnosť betónu v ťahu za ohybu je daná [7]:
 (2)
kde:
f_cf – je pevnosť betónu v ťahu za ohybu v MPa,
F – je maximálna sila dosiahnutá pri porušení skúšobných telies v N,
l₀ – je vzdialenosť medzi podpernými valčekmi v mm,
d₁, d₂ – sú rozmery priečneho rezu telesa v mm.

Výsledky skúšok sú uvedené v tabuľke 3.

Tabuľka 3 – Pevnosti betónu v ťahu za ohybu

STANOVENIE STATICKÉHO MODULU PRUŽNOSTI BETÓNU V TLAKU
Pre stanovenie statického modulu pružnosti betónu v tlaku boli použité skúšobné vzorky z vytvrdnutého betónu s rozmerom 100 × 100 × 400 mm (obr. 4a).

Na zaťažovanie skúšobných vzoriek bol použitý hydraulický lis DrMB 300, ktorý spĺňa požiadavky STN EN 12390-4 (obr. 6b). Zariadenie dokáže meniť zaťaženie v priebehu času a udržiavať ho na požadovanej hodnote. Pri požiadavke na získanie reziduálnej vetvy pracovného diagramu je potrebné, aby zariadenie bolo schopné regulovať zaťaženie v závislosti na deformácii vzorky.

Na meranie dĺžkových zmien bol použitý Deformeter EDA 250 Hugenberger AG s dĺžkou meracej základne 250 mm (obr. 6c). Zmeny dĺžky boli merané na dvoch opačných stranách vzorky.

Tabuľka 4 – Modul pružnosti betónu


POSTUP EXPERIMENTÁLNEHO STANOVENIA STATICKÉHO MODULU PRUŽNOSTI
Skúšobné teleso sa centrálne umiestnilo v skúšobnom zariadení. Vnieslo sa základné napätie σ_b = 5 kN. Namerané hodnoty sily a deformácií boli priebežne zaznamenávané. Rovnomerne sa zvyšovalo napätie rýchlosťou 5 kN za sekundu až po hodnotu σ_a = 100 kN, čo je 1/3 očakávanej hodnoty pevnosti v tlaku. Toto napätie sa potom udržiavalo po dobu 60 sekúnd pri rovnakom zaťažení [20].

Následne sa vykonali ďalšie dva zaťažovacie cykly so zaťažením σ_a a σ_b. Na každej zaťažovacej úrovni sa udržiavalo konštantné napätie po dobu 60 sekúnd. Počas celého priebehu skúšky bolo potrebné kontrolovať, aby sa jednotlivé pretvorenia nelíšili od priemernej hodnoty viac než 20 %. Ak by táto podmienka nebola splnená, potom je potrebné skúšku prerušiť, vzorku vycentrovať a skúšku zopakovať.

Po skompletizovaní posledného zaťažovacieho cyklu a ukončení čakacej doby 60 sekúnd sa zvýšilo zaťaženie na skúšobnej vzorke špecifikovaným spôsobom až do porušenia. Grafický priebeh cyklovania zaťaženia je uvedený na obr. 7.

Priemerné pomerné pretvorenia ε_a a ε_b sú vypočítané z jednotlivých meraní na strane A a strane B skúšobnej vzorky, v každej žaťažovacej úrovni pri napätí σ_a a σ_b.

Statický modul pružnosti v tlaku E_c (N / mm²) je daný nasledujúcou rovnicou:
 (3)
kde:
σ_a – je horné zaťažovacie napätie v N/mm² (1/3 z maximálneho napätia f_c),
σ_b – je základné napätie (0,5 N/mm2),
ε_a – je priemerné pomerné pretvorenia pri hornom zaťažovacom napätí,
ε_b – je priemerné pomerné pretvorenia pri základnom napätí.

ŤAHOVÁ SKÚŠKA OCELE
Ťahové skúšky ocele, použitej na výrobu nosníkov, boli realizované Katedrou náuky o materiáloch Hutníckej fakulty TUKE. Statické skúšky v ťahu boli uskutočnené na trhacom stroji ZWICK 387 s použitím prieťahomera ZWICK WNo. 52497 podľa normy STN EN 10002-1. Princíp skúšky tkvie v statickom zaťažení skúšobnej vzorky predpísaných tvarov a rozmerov až do roztrhnutia. Vzorka bola upnutá do čeľustí skúšobného (trhacieho) stroja tak, aby sa os vzorky zhodovala s osou pôsobiacej sily. Vyhodnotením nameraných veličín zo statickej skúšky ťahom boli vypočítané: medza sklzu, medza pevnosti a ťažnosť. Skúšobné tyče boli navrhnuté tak, aby začiatočná meraná dĺžka tyče L₀ spĺňala vzťah L₀ = 10 d₀. Pre presné stanovenie ťažnosti sa na tyči pred skúškou vyznačila čiarami začiatočná meraná dĺžka L₀ a rozdelila sa na 10 dielikov V priebehu skúšky sa zaznamenávala grafická závislosť predĺženia od zaťažujúcej sily [17]. Pre daný typ oceľového nosníka sa uskutočnili 3 rovnocenné ťahové skúšky. Následne sa stanovili ich priemerné hodnoty, ktoré sa považujú za nominálne pre výpočet teoretických medzných zaťažení a hodnotenie výsledkov. Zistené hodnoty sú uvedené v tabuľke 5. Ťahovými skúškami troch vzoriek ocele bola zistená priemerná medza klzu konštrukčnej ocele f_y = 315,3 MPa [18]. Pracovné diagramy jednotlivých vzoriek sú na obrázku 9.

Tabuľka 5 – Výsledky ťahových skúšok ocele

DLHODOBÉ SKÚŠKY
Za účelom zistenia reologických vlastností materiálov bolo navrhnutých 10 experimentálnych nosníkov pre dlhodobé merania. Dlhodobému zaťažovaniu v trvaní min. 6 mesiacov boli podrobené vždy dva nosníky z každého typu konštrukcie. Počas zaťažovania bola meraná veľkosť tlaku, ktorý predstavoval rovnomerné zaťaženie, a jemu odpovedajúce hodnoty celkových a pomerných deformácií. Výsledky boli zaznamenávané pri každom zaťažovacom cykle. Získané výsledky budú vyhodnotené a budú slúžiť ako porovnávacie hodnoty pre teoretické modelovanie.

Počas dlhodobých skúšok boli nosníky uložené na bočných stranách. Vždy dva nosníky tvoria dvojicu, ktorá je podopretá a zaťažovaná súčasne. Nosníky sú otočené hornými stranami k sebe tak, že medzi nimi je medzera 50 mm, v ktorej je umiestnený pneumatický vankúš. Podpernú konštrukciu tvoria rámy, ktoré v miestach teoretických podpier stláčajú nosníky proti sebe. Zaťaženie je vyvolané tlakom pneumatického vankúša, v ktorom je tlak spôsobujúci rovnomerné zaťaženie po celej ploche obidvoch panelov. Stály tlak vo vankúši zabezpečuje vzduchový kompresor, napojený cez ventily s manometrami. V každom vankúši bolo možné nastaviť rozdielny tlak.

Vzorky boli zaťažované postupne po krokoch v hodnote 5 kPa až po hodnotu 30 kPa pri nosníkoch typu N1 a po hodnotu 25 kPa pri ostatných typoch nosníkov. Tlak, ktorým boli vzorky zaťažené dlhodobo, zodpovedá hodnote 40% ich ohybovej odolnosti. Priehyby boli merané prostredníctvom indukčných snímačov, a to vždy v strede rozpätia a v mieste podopretia (obr. 11).

KRÁTKODOBÉ SKÚŠKY
Krátkodobé skúšky experimentálnych nosníkov boli realizované na lámacej dráhe. Pretože počas betonáže a počas tvrdnutia betónu boli experimentálne nosníky uložené na podložke, nulový stav po uložení nosníka na podpery lámacej dráhy zodpovedal zaťaženiu vlastnou tiažou. Veľkosť momentu od vlastnej tiaže bola M_g = 27,33 kNm. Zaťaženie skúšobnej vzorky bolo dvoma zvislými silami vzdialenými od okraja 2 000 mm, osová vzdialenosť medzi jednotlivými silami bola 1 800 mm a voľný koniec bol vysunutý za podperu o 100 mm. Zaťažovacie sily boli vyvodené dvoma 160 kN hydraulickými lismi. Zaťaženie sa zvyšovalo postupne po 5 kN až do porušenia nosníka. V priebehu zaťažovania bol nosník pri zaťažení 60 kN odľahčený na hodnotu 15 kN v každom hydraulickom valci. Druhýkrát bol nosník odľahčený pri hodnote zaťaženia 75 kN znovu na hodnotu 15 kN. Pri každom zaťažovacom kroku po ustálení deformácií bolo vykonané meranie priehybov prostredníctvom indukčných snímačov a merania pomerných deformácií prostredníctvom tenzometrov. Tenzometre boli umiestnené v miestach najviac namáhaných ohybom na zabetónovaných oceľových nosníkoch. Indukčné snímače zachytávali priehyb v strede rozpätia a pokles v podperách [16].

Skúšky boli ukončené, keď došlo k výraznému zväčšovaniu priehybu bez toho, aby bolo možné ďalej zvyšovať zaťaženie (obr. 12).

V tabuľke č. 6 sú ako príklad uvedené maximálne sily v lisoch F_exp, pre nosník typu N1, ktorými boli vzorky zaťažené pri ukončení skúšok, momenty M_exp zodpovedajúce maximálnemu zaťaženiu a výsledný priemerný moment odolnosti na medzi pevnosti M_exp,priem, zistený experimentálnou skúškou. Výsledný moment je percentuálne porovnaný s numerickým výpočtom.

Tabuľka 6 – Porovnanie experimentálnych a normových únosnosti

ÚNAVOVÉ SKÚŠKY
Usporiadanie únavových skúšok je obdobné ako pri skúškach krátkodobých, s kvazistatickým zaťažením. Vzorky sú zaťažované symetricky rozmiestnenými hydraulickými valcami tak, aby v úseku medzi nimi vznikal čistý ohyb. Osová vzdialenosť zaťažovacích valcov je 1 800 mm a od podpier sú vo vzdialenosti 2 000 mm. Usporiadanie skúšky je zrejmé z obrázku 13. 

Únavové skúšky sú realizované na desiatich nosníkoch. Polovica nosníkov bola namáhaná premenným zaťažením s rozkmitom zaťaženia v jednom hydraulickom valci od –10 kN do –90 kN, čo zodpovedá približne 66 % teoretickej únosnosti. Druhá polovica nosníkov bola zaťažovaná rozkmitom zaťaženia od –10 kN do –50 kN, čo zodpovedá približne 33 % teoretickej únosnosti experimentálneho nosníka.

ZÁVER
Po vyhodnotení experimentálnych meraní budú namerané výsledky porovnávané s výsledkami získanými prostredníctvom počítačových modelov, vytvorených programom ABAQUS. Na základe porovnania experimentálnych a teoretických výsledkov bude možné aplikovať teoretické modely na zovšeobecnenie výpočtových postupov pre rôzne rozpätia nosníkov.

Príspevok vznikol s podporou projektu ITMS: 26220220124 „Vývoj mostov so zabetónovaným oceľovými nosníkmi modifikovaných tvarov“.

LITERATURA:
[1] Bujňák, J. – Valový, R.: Research on Structures with Encased Girders. Steel Structures and Bridges‚ 97, proceedings of Czech and Slovak International Conference, 1997, pp. 1/17–1/20.
[2] Design Tables for Filler Beam Railway Bridges. International Union for Railways, 1999.
[3] DS 804 – Vorschrift für Eisenbahnbrücken und sonstige Ingenieurbauwerke. Anlage 8 – Eisenbahnbrücken aus Walzträgern in Beton. Regelungen zur Bemessung und baulichen Durchbildung. Deuchte Bahn, Berlin, Germany, 2000.
[4] European Railway Bridge Demography. Document D1.2 of Project TIP3-CT-2003-001653 „Sustainable Bridges – Assessment for Future Traffic Demands and Longer Lives“. Doc. No.: WP1-02-T-040601-F-Deliverable D 1.2. Author/s: WP1, Brian Bell, Network Rail. 2004 (http://www.sustainablebridges.net) 
[5] Kvočák, V. – Kožlejová, V – Dubecký, D.: Analysis of Encased Steel Beams with Hollow Cross-Sections. 23rd Czech and Slovak International Conference „Steel structures and bridges 2012“. Elsevier, e-Journal Procedia Engineering, vol. 40/2012, p. 223–228.
[6] Kožlejová V.: Experimentálne overenie odolnosti doskového mostu so zabetónovanými nosníkmi . In: Juniorstav 2010: 12. odborná konference doktorského studia: sborník anotací: Brno, 24. 2. 2010. – Brno : VUT, 2010 P. 1–6, ISBN 978-80- 214-4042-5
[7] Kvočák, V. – Kožlejová, V.: Research into Filler-Beam Deck Bridges With Encased Beams of Various Sections. 2011. In: Technical Gazette. Vol. 18, no. 3 (2011), p. 385 – 392, ISSN 1330-3651
[8] MVL 511 – Mostní vzorový list: Nosné konstrukce železničních mostů se zabetonovanými ocelovými nosníky. Pre České dráhy SUDOP Praha, a.s., 2005, p. 206.
[9] Ocelobetonové nosné konstrukce železničních mostů. Směrnice pro návrh a provádění. SUDOP, 1981.
[10] 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.
[11] STN EN 1994-1-1: Eurokód 4: Navrhovanie spriahnutých oceľobetónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy. SUTN Bratislava 2006
[12] STN EN 1994-2: Eurokód 4: Navrhovanie spriahnutých oceľobetónových konštrukcií. Časť 2: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre mosty. SUTN Bratislava 2008
[13] UIC Code 773 R – Recommendations for the Design of Joist-in-concrete Railway Bridges, 4th edition. International Union for Railways, 1997.
[14] 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.
[15] Dubecký, D.:Preparation and Performance of Long-Term Tests on Composite Beams 2013. In: Young Scientist 2013: The 5th PhD. Student Conference of Civil Engineering and Architecture : Herľany, April 10 – 12, 2013. – Košice: TU, 2013 S. 1–6, ISBN 978-80-553-1305-4
[16] VARGOVÁ, R. – BEKE, P. – CHUPAYEVA, K.: Čiastkové vyhodnotenie experimentálneho programu mostov so zabetónovanými oceľovými nosníkmi modifikovaných tvarov In: Vedecko-výskumná činnosť ÚIS: Prezentácia vedeckých výsledkov projektov ÚIS za rok 2012: 5. ročník: zborník príspevkov: Herľany, 4. – 5. december 2012 S. 133-138 ISBN: 978-80-553-1300-9
[17] Kvočák, V. – Kožlejová, V. – Chupayeva, K.: State of the Art in the Utilization of Deck Bridges with Encased Filler-Beams in the Standard Construction Practice. 2013. In: Selected Scientific Papers – Journal of Civil Engineering. Roč. 8, č. 1 (2013), s. 107 – 114, ISSN 1338-7278
[18] Vargová, R., Beke, P., Chupayeva, K.: Príprava experimentálneho programu mostov so zabetónovanými oceľovými nosníkmi modifikovaných tvarov. 2013. In: Vedecko-výskumná činnosť ÚIS: Prezentácia vedeckých výsledkov projektov ÚIS za rok 2012: 5. ročník : zborník príspevkov: Herľany, 4. – 5. december 2012. – Košice: TU, 2013 S. 19–24, ISBN 978-80-553-1300-9
[19] Kvočák, V., Dubecký, D., Spišák, M.: The composite section analysis of steel encased beams with closed shape – 2013. In: Gazette building theory and practice: Ľviv, 3. – 5. September 2013, Ukraine
[20] http://www.betonracio.sk/betonracio

Research Experimental Programme of Slab Bridges with Embedded Steel Bearers
Deck bridges with encased filler beams are suitable for bridge structures over short and middle spans. They offer a number of advantages, such as little headroom, quite clear static action of forces and a short period of construction with no falsework required. Among some disadvantages is the economic inefficiency of steel I-sections, which are employed in the majority of bridge structures of this type. Therefore, there is an urgent need for the development of more economical design approaches and more purposeful arrangement and employment of steel beams. The article presented brings some results of experimental testing on elements with concrete-encased steel filler-beams acting compositely under both short-term static and dynamic loads, and long-term loads.

Autoři

• Doc. Ing. Kvočák Vincent PhD.
• Ing. Dubecký Daniel