ZAŤAŽOVACIA SKÚŠKA SKÚŠOBNEJ LAMELY EXTRADOSOVÉHO MOSTA V POVAŽŠKEJ BYSTRICI

ZAŤAŽOVACIA SKÚŠKA SKÚŠOBNEJ LAMELY EXTRADOSOVÉHO MOSTA V POVAŽŠKEJ BYSTRICI Milan Chandoga 1 Ján Sedlák 2 Andrej Prítula 3 Ján Kucharík 4 ABSTRAKT Článok sa zaoberá overením technológie a kvality realizácie priečneho rezu trámu diaľničného extradosového mosta v Považskej Bystrici na vzorke skúšobnej lamely v merítku 1:1. Nakoľko priečny rez extradosového mosta je značne členený, navyše zostavovaný z monolitických a prefabrikovaných častí, cieľom skúšky bolo aj overenie statického pôsobenia a únosnosti niektorých častí a prvkov lamely a ich tuhostného odporu pri vnášaní predpätia. V príspevku sú uvedené niektoré zaujímavé výsledky z betonáže a zaťažovacej skúšky lamely. 1 ÚVOD Vzhľadom na skutočnosť, že ide o prvú realizáciu estakády extradosového typu s priečnym rezom trámu na celú šírku diaľničnej komunikácie na Slovensku, požadovala NDS, a.s. v tendrovej dokumentácii vykonanie viacero overovacích skúšok. Väčšina z nich bola overená pred výstavbou mosta na tzv. skúšobnej lamele, pozri.obr1. Na skúšobnej lamele boli vykonané dva typy skúšok: - Prvou skúškou bolo preukázanie spoľahlivosti vyhotovenia a betonáže skúšobnej lamely zhodnou technológiou ako bude použitá pri výstavbe mosta. V tomto štádiu sa overovala spracovateľnosť, hydratačná teplota, mechanické a reológicke vlastnosti betónov lamely. - Druhou skúškou bolo overenie statického pôsobenia a únosnosti niektorých častí a prvkov lamely a ich tuhostného odporu pri vnášaní predpätia. Na sledovanie napätosti a pretvorenia lamely boli využité zaťažovacie účinky priečneho predpätia mostovky a vonkajšieho zaťaženia lamely, pozri obr.6. Do celkovej koncepcie tendrových požiadaviek na monitoring mosta treba zaradiť aj sledovanie napätosti vo vybraných častiach a prvkoch mosta počas výstavby a po uvedení mosta do prevádzky. Ide o sledovanie napätosti v betóne pomocou strunových tenzometrov a napätosti v predpínacej výstuži injektovaných kábloch a extradosových závesoch. Tieto výsledky nie sú predmetom tohto príspevku.7 2 VYHOTOVENIE SKÚŠOBNEJ LAMELY Na obrázku č.1 je znázornený tvar priečneho rezu realizovaného mosta ako aj tvar skúšobnej lamely. Skúšobná lamela bola vyhotovená v dvoch etapách. V prvej etape bola vybetónovaná komora s otvorom pre osadenie oceľových prvkov kotvenia závesu a šikmých tiahel komory. V druhej etape, po osadení prechodovej rúry kotvenia závesu a predpínacich tyčí šikmých tiahel, boli tieto prvky zabetónované betónom so špeciálnou receptúrou. Z tohto hľadiska bola výroba skúšobnej lamely vhodným testom pre overenie vystužovania, ukladania a zhutňovania betónov navrhnutých receptúr. 1 Doc. Ing. PhD., Stavebná fakulta STU v Bratislave, Katedra betónových konštrukcií a mostov Radlinského 11, 813 68 Bratislava, tel.: (02)59274-549 e-mail: milan.chandoga@stuba.sk 2 Ing., Stavebná fakulta STU v Bratislave, Katedra betónových konštrukcií a mostov Radlinského 11, 813 68 Bratislava, tel.: (02)59274-285 e-mail: jan.sedlak@stuba.sk 3 Ing., Stavebná fakulta STU v Bratislave, Katedra betónových konštrukcií a mostov Radlinského 11, 813 68 Bratislava, tel.: (02)59274-385 e-mail: andrej.pritula@stuba.sk 4 Ing. PhD., VÚIS- MOSTY,s.r.o., Lamačská cesta 8, 811 04 Bratislava, Slovakia e-mail: kucharik.vuismosty@stonline.sk

PRIEČNY REZ MOSTA 30400mm Náliatok pre kotvenie EDS káblov Monolitické tiahlo Prefabrikovaná vzpera 5150mm Monolitický betón 1. etapa betonáže Monolitický betón 2. etapa betonáže TVAR SKÚŠOBNEJ LAMELY Šírka 3300mm Prefabrikované vzpery Monolitické tiahla a náliatok 3. etapa betonáže Náliatok pre kotvenie EDS káblov betónovaný spolu s tiahlami Monolitické tiahlo Prefabrikovaná vzpera 5150mm Obr. 1 Tvar lamely 3 MECHANICKÉ A REOLOGICKÉ VLASTNOSTI BETÓNU 3.1 Meranie hydratačného tepla betónu Z obr. 1 vidieť rozdelenie hmoty v priečnom reze mosta. Spodná doska komory má hrúbku 0,7-0,9m, steny 0,45m, horná doska 0,25-0,5m. Pri dĺžke lamely 3,3m bolo potrebné uložiť do debnenia 60m 3 betónu, čo predstavuje 4 hodiny betonáže. Z uvedeného vyplynula potreba poznania vývoja hydratačnej teploty betónu ešte pred vlastnou realizáciou mosta a v prípade nepriaznivého vývoja urobiť opatrenia pre jej reguláciu. Receptúra betónu triedy C45/55 ušitá na betonáž mosta bola použitá aj pre skúšobnú lamelu. Vývoj hydratačnej teploty je na obr. 2. Maximálna teplota v betóne po 24 hodinách od betonáže dosiahla hodnotu 70 C (26 C vonkajšia), teplota klesala veľmi pozvoľne a ešte po 48 hodinách mala hodnotu 60 C (26 C vonkajšia). Ide o relatívne vysoké teploty, ktoré sa dali pre danú receptúru očakávať. Pri týchto teplotách a štandardnom ošetrení betónu sme na lamele nezaznamenali žiadne povrchové trhliny spôsobené vysokou teplotou (teplotným gradientom) resp. zmrašťovaním betónu. Taktiež nebolo zaznamenané ovplyvnenie mechanických vlastnosti betónov. T8 T7 T4 T5 T6 3.etapa betonáže T1 T2 T3 T9 2. Etapa betonáže 1. Etapa betonáže

80,0 70,0 60,0 50,0 Teplota v st.c 40,0 30,0,0 10,0 0,0 0:00:00 12:00:00 24:00:00 36:00:00 48:00:00 7.9. 14.00 8.9. 02.00 8.9. 14.00 Čas 9.9. 02.00 9.9. 14.00 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T8 T9 Obr. 2 Tvar lamely, vývoj hyrdratačného tepla v čase 3.2 Vývoj pevnosti a modulu pružnosti betónu v čase Vývoj pevnosti použitého betónu v tlaku bol monitorovaný na skúšobných telesách v každom monitorovanom časovom okamihu bola kocková pevnosť vyhodnotená na kockách s rozmermi 150x150x150mm. Podobne aj vývoj modulu pružnosti v čase bol monitorovaný na skúšobných hranoloch s rozmermi 100x100x400mm. Na skúšobných telesách bol monitorovaný aj dynamický modul pružnosti. Výsledky skúšok sú zhodnotené v nasledovnom grafe. Ecm[GPa] fcm[mpa] 100 90 80 70 60 50 40 30 10 0 Ecm,stat[GPa] Log. (Ecm,stat[GPa]) fcm,cube[mpa] Log. (fcm,cube[mpa]) 0 10 30 40 50 60 100 90 80 70 60 50 40 30 10 0 t[dni] Obr. 3 Namerané hodnoty pevností a modulov pružnosti betónu v čase 3.3 Vývoj dotvarovania a zmrašťovania betónu v čase Voľné zmrašťovanie bolo merané na stavbe vo vonkajšom prostredí. Skrátenia boli monitorované na troch skúšobných hranoloch (100x100x400mm) pomocou strunových tenzometrov. Priebeh skrátení spôsobených voľným zmrašťovaním je znázornený v nasledovnom grafe:

ε[-] 5.00E-04 4.50E-04 4.00E-04 3.50E-04 3.00E-04 2.50E-04 2.00E-04 1.50E-04 1.00E-04 5.00E-05 E+00 Priebeh voľného zmrašťovania skúšobných hranolov Skúšobné hranoly C45/55 Normový priebeh zmrašťovania - EC2, C45/55, RH55%, CEM52.5R, deg 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 22 24 26 28 30 Čas[dni] Obr. 4 Vývoj voľného zmrašťovania betónu v čase Objemové zmeny boli stanovené na troch vzorkách (hranoly 100x100x400mm), tieto boli po odformovaní zaťažené silou 70kN (7MPa) a uložené v laboratórnom prostredí (teplota ± 3 C, RH 55±5%). Skrátenia boli merané príložným tisícinovým výchylkomerom so základňou 0mm. ε[-] 8.00E-04 Priebeh voľného dotvarovania skúšobných hranolov 7.00E-04 6.00E-04 5.00E-04 4.00E-04 3.00E-04 2.00E-04 1.00E-04 E+00 Pružné skrátenie Skúšobné hranoly C45/55 Normový priebeh dotvarovania - EC2, C45/55, RH55%, CEM52.5R, deg 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 22 24 26 28 30 Obr. 5 Vývoj dotvarovania betónu v čase Čas[dni] Hranoly mali pri zaťažovaní vek 1deň, odformovanie prebehlo približne po 18 hodinách od betonáže. Pomerné pružné skrátenie pri zaťažovaní predstavovalo hodnotu 2,8.10-4, čo pri napätí 7MPa predstavuje modul pružnosti betónu v čase zaťaženia 25GPa. 4 ZAŤAŽOVACIA SKÚŠKA Hlavným cieľom zaťažovacej skúšky bolo overenie statického pôsobenia a únosnosti niektorých častí a prvkov konštrukcie priečneho rezu. Zo statického hľadiska je najzaujímavejším prvkom priečneho rezu mosta veľké vyloženie konzolovej časti mostovkovej dosky a jej singulárne podoprenie šikmými vzperami. V tejto časti nosnej konštrukcie sú kritickými dva prierezy označené na obr.6 ako Poloha KONZOLA a Poloha STRED. Ich únosnosť je výrazne ovplyvnená tlakovou napätosťou od káblov priečneho

1 predpätia mostovkovej dosky. Preto pri napínaní káblov bola podrobne kontrolovaná sila v predpínacej výstuži pomocou elastomagnetických snímačov sily PSS16 a pretvorenie betónu strunovými tenzometrami. Spôsob zaťažovania a výsledky zaťažovacích skúšok sú v kap.4.2 a 4.3. 4.1 Teoretický model Pre kontrolu meraných hodnôt zo zaťažovacej skúšky lamely bol zostavený výpočtový nelineárny 2D model, zohľadňujúci pracovný diagram betónu, vytvorený z nameraných hodnôt modulov pružnosti a kockových pevnosti betónu. Množstvo mäkkej a predpínacej výstuže je zadané zo vstupných výkresov, podľa ktorých bola lamela zhotovená. 47 49 45 53 3 3031 12 11 3 10 21 22 23 24 52 27 28 54 29 32 35 33 34 1 36 25 26 4 15 16 14 5 8 9 10 7 1112 4 1 14 15 16 19 18 13 17 19 17 21 1 2 3 4 X 5 6 2 3 13 46 58 50 18 57 51 Y 56 53 54 55 6 9 62 2324 5 67 8 48 25 22 17 2 26 28 61 27 59 60 Obr. 6 Teoretický MKP model 4.2 Zaťažovacia skúška poloha KONZOLA 4 Poloha STRED 29 30 37 38 39 31 38 36 55 4544 40 41 51 52 46 47 2 50 48 34 49 4243 32 44 Poloha KONZOLA Veľkosť zaťaženia v polohe KONZOLA bola určená z podmienky dosiahnutia dekompresiu horných vláken v priereze č.1. Dekompresia sa očakávala pri zaťažení 375 kn. Konzola bola zaťažovaná betónovými zvodidlami tiaže 35 kn. Tie boli ukladané na koniec konzoly, pozri obr.7. Zvodidla na opačnej strane slúžili na stabilizáciu lamely proti preklopeniu. Zaťažovanie lamely bolo rozdelené do 6 zaťažovacích stavov (ZS1-6), pričom na konzole bolo naložených postupne 3, 5, 8, 10 a 12 ks betónových zvodidiel. Zostava 12 zvodidiel poskytla spolu zaťaženie 4 kn, čo bolo o 12% viac ako bolo potrebné na vyvodenie dekompresie v sledovanom priereze. 43 33 37 35 39 424140 Stabilizačné bremená Poloha STRED Poloha KONZOLA Obr. 7 Lamela s maximálnym zaťažením konzoly

Vybrané výsledky zaťažovacej skúšky poloha konzola, sú znázornené v nasledujúcich grafoch: [mm] 0-2 -4-6 -8-10 -12-14 -16 -TEOR. 0 2 4 6 8 10 Obr. 8 Priehyby poloha konzola [m] Zmeny polohy uzlových bodov lamely boli merané VP geodéziou z dvoch miest. Zvislé priehyby vybraných bodov boli merané aj elektronickými priehybomermi. Na obr.8 je vykreslený priehyb konzolovej časti lamely od jednotlivých zaťažovacích stavov. Ako vidieť konzolová časť lamely sa deformovala veľmi zhodne s očakávaným teoretickými hodnotami. Pomerné pretvorenia prierezov mostovkovej dosky a šikmých vzpier boli merané zabudovanými strunovými resp. lepenými odporovými tenzometrami. Namerané hodnoty boli očistené o účinky teploty a pomocou modulov pružnosti získaných skúškami prepočítané na napätia v betóne. Na obr. 9 sú znázornené vybrané výsledky monitoringu napätosti v betóne. 0.50-0.50-0.50-1.50-1.50-2.50 OT7-EXPER. OT8-EXPER. OT7-THEOR OT8-THEOR. OT5-EXPER. OT6-EXPER. OT5-THEOR OT6-THEOR. OT7 OT5 OT3 OT1 OT8 OT6 OT4 OT2 1.00 OT3-EXPER. OT4-EXPER. OT3-THEOR OT4-THEOR. OT1-EXPER. OT2-EXPER. OT1-THEOR OT2-THEOR. Obr. 9 Napätosť v betóne poloha konzola

Tlaková rezerva v horných vláknach späsobená priečnym predpätím dosahovala hodnoty - 3,2MPa. S plne zaťaženou konzolou sme dosiahli zníženie napätia v horných vláknach prierezu konzola na -1,0MPa ( 12 zvodidiel). Dekompresia horných vláken teda nebola dosiahnutá. Počas zaťažovacej skúšky boli monitorované aj pretvorenia v šikmých tiahlach a vzpere, tieto boli prepočítané na napätia a porovnané s teoretickým modelom. Opäť je zrejmá dobrá zhoda medzi teoretickými a nameranými hodnotami. ST8 ST7 OT9 OT10-8.00-1 -12.00-14.00-7.00-16.00-8.00 ST7-EXPER. ST7-THEOR OT9-EXPER. ST8-EXPER. ST8-THEOR. OT10-EXPER. Obr. 10 Napätosť v betóne (vzpera a tiahla) poloha konzola OT9-THEOR OT10-THEOR. 4.3 Zaťažovacia skúška poloha STRED Stred dosky bol postupne zaťažovaný pomocou hydraulických lisov a predpínacích tyčí zakotvených do masívnych oceľových nosníkov, ktoré tvorili podlahu lamely, pozri obr.1 a 7. Limit zaťaženia bol daný maximálnou kapacitou lisov 1000kN. Podľa teoretického výpočtu mali pri sile 300kN vzniknúť prvé trhliny a pri sile 840kN mal prierez stratiť únosnosť. 10 2 0 5 9 0 0-TEOR [mm] 0-10 - -30-40 0 2 4 6 8 10 [m] Obr. 11 Vývoj priehybov pri zaťažovaní poloha stred Na obr.11 je vykreslený priehyb konzolovej časti lamely od jednotlivých zaťažovacích stavov. Ako vidieť konzolová časť lamely sa deformovala veľmi zhodne s očakávaným

teoretickými hodnotami. Na obr. 12 sú znázornené vybrané výsledky monitoringu napätosti v betóne. 2.00 5.00 1.00 2 0 5 9 0-1 -15.00 2 0 5 9 0-2 OT7-EXPER. OT8-EXPER. OT7-THEOR OT8-THEOR. OT7 OT5-25.00 OT5-EXPER. OT6-EXPER. OT3 OT5-THEOR OT6-THEOR. OT8 OT6 OT4 5.00 2 0 5 9 0-1 -15.00-2 -25.00 OT3-EXPER. OT4-EXPER. OT3-THEOR OT4-THEOR. Obr. 12 Napätosť v betóne poloha stred Počas zaťažovacej skúšky bolo pri dekompresnej sile 190 kn tlakové napätie v spodných vláknach prierezu dosky -1,5 MPa. Dekompresia tlakovej napätosti v spodných vláknach prierezu nastala až pri sile 302,3 kn očakávaný stav nastal pri 1,5 násobne väčšom zaťažení. Druhá rozhodujúca sila 300 kn mala vyvodiť trhliny v spodných vláknach, napätie v príslušnom mieste však dosiahlo hodnotu +0,1 MPa, kedy nastala iba dekompresné štádium. Napätie +4,6 MPa, presahujúce ťahovú pevnosť betónu bolo dosiahnuté až pri sile 600 kn, očakávaný stav nastal pri 2 násobne väčšom zaťažení. Posledná rozhodujúca sila 840 kn mala pre prierez dosky znamenať dosiahnutie únosnosti prierezu, ale vzhľadom k tomu, že nenastal požadovaný stav, v zaťažovaní sa pokračovalo ďalej. Postupne sa dosiahla maximálna sila zaťažovacej hydraulickej zostavy 1000 kn, kedy bol zreteľne viditeľný rozvoj trhlín na povrchu dosky v mieste jej pripojenia do trámu a na spodnom povrchu v strede dosky pod lismi. Maximálna šírka trhlín dosiahla hodnotu 0,3mm. Po oľahčení sa viaceré trhliny uzavreli. Systém trhlín pri maximálnej sile a meranie ich šírky je znázornené na obr. 14. Pretvorenia v šikmých tiahlach a vzpere počas zaťažovacej skúšky poloha stred boli monitorovaná pomocou strunových tenzometrov, vybrané výsledky sú znázornené na nasledovných obrázkoch. Podobne ako pri predchádzajúcich meraniach vidíme dobrú zhodu medzi teoretickými a nameranými hodnotami.

ST8 ST7 OT9 OT10 1.00 2 0 5 9 0 2 0 5 9 0-8.00-1 -12.00-14.00 ST7-EXPER. ST7-THEOR OT9-EXPER. OT9-THEOR ST8-EXPER. ST8-THEOR. OT10-EXPER. OT10-THEOR. Obr. 13 Napätosť v betóne (vzpera a tiahla) poloha stred Obr.14 Trhliny v spodnej časti dosky poloha stred 5 ZÁVERY Monitoring výroby skúšobnej lamely dokázal vysokú mieru spoľahlivosti výrobných postupov ako aj vysokú kvalitu prác. Monitorované parametre počas výroby lamely dosiahli očakávané hodnoty. Výroba skúšobného segmentu rovnakých rozmerov ako skutočný priečny rez mosta bola vhodným a cenným testom ukladania výstuže, betonáže a zhutňovania čerstvej betónovej zmesi navrhnutej receptúry. Zaťažovacia skúška oboch prierezov preukázala vyššiu kapacitu prierezov v porovnaní s očakávanými hodnotami získanými na základe teoretického modelu. Oba prierezy preukázali svoju vysokú únosnosť pri zaťažení. Väčšina sledovaných parametrov bola v dobrej zhode s teoretickým MKP modelom. LITERATÚRA 1. Chandoga, M. a kolektív. : Zaťažovacia skúška skúšobnej lamely. Záverečná správa a projekt vyhotovenia zaťažovacej skúšky. Projstar-PK, s.r.o, Bratislava, Máj-Jún 09 2. Kucharík, J. a kolektív. : Zaťažovacia skúška skúšobnej lamely merania napätí a pomerných pretvorení v betóne. Záverečná správa. VÚIS- Mosty, s.r.o, Bratislava, Jún 09