„A legszebb dolog amit kutathatunk: a rejtély. Ez a művészet és az igazi tudomány forrása”. Einstein
Beton és vasbeton szerkezetek korai terhelésének problematikája a vasúti hídak gyakorlatában Premature loading of concrete and reinforced concrete in the railways constructions Dr.MIHALIK András Regionális Tudományos Kutató Csoport „Építmények viselkedése és diagnosztikája” (KAB) Nagyváradi Egyetem
1. A probléma felvetése • A terhelések állandó, hosszabb idejű hatása alatt, a határfeszültségnél kisebb, nominalizált feszültségek jelentik a veszélyt, amelyek máskülönben a megszokott, rövid idejű próbálkozásoknál teljesen veszélytelenek; • Ezeknek a kisebb feszültségeknek a használata, amelyek a statikai szilárdság határfeszültsége alatt helyeszkednek el, periódikus terheléseknél nem csak hogy nem veszélyesek, hanem valósággal az anyag „tréningezői”, előidézve a beton konszolidációját az elkövetkező viselkedésénél;
• Ez a technológiai megfigyelés, elemzés, jelenti a beton és vasbetonszerkezetek korai terhelésének tudományos megalapozását; • A beton plasztikus deformációja mint deformációs konszolidáció;
• A korai terhelés, mint általános, tudományos érték, az ismeretek új határmenti régióját eredményezték, létrehozván a fizikai-kémiai mechanikát, a szilárd testek molekuláris fizikai határán, a fizika és kolloid kémia, valamint a mechanika között; • A beton és vasbeton szerkezetek korai terhelésével egy új fejezet kezdődött el a beton modern technológiájában.
2. A beton struktúrájának meghatározó szerepe a beton és vasbeton szerkezetek korai terhelésénél
• A beton mint struktúra szilárd, folyékony és gáz halmazállapotu rendszerből épül fel; • A plasztikus deformáció állapotában a beton struktúráját különböző változásoknak lehet alávetni terhelés alatt és különösen a korai terhelések esetében; • Az anyagok, inert anyagok, polidiszperz kővázat alkotnak, amelyek plasztikusan nem deformálódnak, sőt visszafogják a cementkő szabad deformációját;
• Ugyancsak nem deformálódnak plasztikusan azok a cementszemcsék amelyek nem vettek részt zónálisan a hidratációs folyamatban; • A beton lehetséges, plasztikus deformációját kondicionálja, a szilárduló cementkő, amely szintén egy bonyolult háromfázisu rendszer, időbeli változást szenvedve a cement szilárdulásakor; • A víz, amely „teliti”a betont s amely különböző állapotokban van jelen, ténylegesen, de különösen fontos szerepet játszik a struktúra alakulásában, valamint a plasztikus deformáció folyamatában;
• A cementkő szilárdulásának modern elmélete, amelyek a fizikai-kémiai folyamatokat tükrözik, a vízzel történő reakcióban, kimutatta, hogy az alapterméke a cement hidratációjának a C2S-nek, kristályos struktúrája van, amelynek a méretei rendkívül kicsinyek; • A kölcsönhatás körülményének a változásai a plasztikus deformációnál, az adalékanyagok valamint a cementszemcsék felületén a kötődés megváltozásának a hatására, a cementkő érintkezési pontjainál, az adalékanyagok felületén változhatnak, a korai időszakban s amelyek meghatározó jelleggel bírnak;
• A cementkőben és betonban, különösen a korai fázisban, létezik egy számottevő mennyiségű, különböző nemű, mikro és makro porozitás, amelyek ki vannak töltve vízzel és levegővel. Ezekben a víz mechanikusan van megkötve, visszafogva. Ez a tény arról tanuskodik, hogy van eshetőség a beton mechanikus tömöritésére, a strukturális változtatásokra a kölső erők hatása alatt. Példa erre a beton tömöritése préseléssel és ismétlődő vibrálással, a cement hidratációs folyamatában. Hasonló konszolidáció érhető el a beton fiatal korában nyomással, a plasztikus deformáció alkalmával, korai terheléssel, valamint húzásra és lehajlásra;
• A beton korai terhelésének a hatása annál nagyobb lessz, minél több cementkövet tartalmaz a beton, vagy ha minél fiatalabb a beton, azaz ha kevésbé szilárd. Tehát a beton konszolidációja terhelés hatására kondicionálva van a beton plasztikus deformációjával amely strukturális változásokhoz vezet a beton volumenjében, valamint tömörségében. A különböző terheléseknél (nyomás, húzás, lehajlás) a plasztikus deformáció alkalmával lehetséges a mechanikai modifikáció jelensége, azaz a diszperzitása a cementkő strukturális elemeinek és orientált-irányzott elhelyeszkedése a korai terhelés következtében.
Természetesen meg kell jegyezni, hogy az aktív beavatkozás a struktúra formálásába, a laboratóriumi kísérletek elvégzésével, a gyakorlati kivitelezések valamint a kísérleti részlegek pozitív eredményeivel, a beton korai terhelésének premier felvetésével, még nem jelentik azt, hogy minden probléma megoldódott, ami a beton struktúrájának az alakulását, sajátosságait, karakterét érintik. A problémakör még nincs egyáltalán lezárva, amit ennek az új technológiának (ami nem kerül pénzbe) a szorványosan elterjedt praxisa, frekvenciája is bizonyít.
3. Laboratóriumi kísérletek A kutatások és a laboratóriumi kísérletek a következő problémákra korlátozódtak:
3.1 A cementkő és a beton struktúrája 3.2 A beton és más anyagok plasztikus deformációja 3.3 A cementkő tapadása az adalék, inert anyagok felületéhez 3.4 A korai terhelésnek a befolyása a beton szilárdságára 3.5 A beton korai terhelése nyomásra és húzásra 3.6 A beton korai terhelése lehajlásra és excentrikus nyomásra A fent említett kutatások, következőkre koncentráltunk
kísérletek
közül
a
4. A beton korai terhelése nyomásra és húzásra
1. ábra A próbakockák 10x10x10 cm nyomása, a hidraulikus prés rugós szerkezetével
2. ábra. A beton konszolidációja nyomásnál, különböző koru betonoknál
3. ábra. A statikai terhelésnek az optimális intenzitása a beton szilárdság függvényben
4. ábra. Kükönböző koru betonok konszolidációja a terhelés optimális intenzitásával
4.1 A beton korai terhelése húzásnál
5. Ábra. A beton deformációjának a görbéi huzamos húzásnál. A terhelés 24 óra után, a terhelés intenzitása 50%, a beton szilárdságából, a terhelés pillanatában, azaz 0,50%, σ/R=0,50 n- a kuszás deformáció; y- a zsugorodási deformáció; c- deformáció összege v/c= 0,40; cement 450 kg/m³
5. A beton korai terhelése lehajlásra és excentrikus nyomásra
6. ábra. Egy 60 cm hosszu vasbeton gerenda specifikus törése
7. ábra. Egy kísérleti vasbeton gerenda 1=120 cm vasalása
8. Ábra. A vasbeton gerendák vasalása és terhelési ábrája
A 7, 8 és 9 ábra mutatja az eltört „gerendácska” keresztmetszetét törés után, a 8 és 9 ábra ezeknek a vasbeton gerendáknak a geometriai metszet vasalását és a terhelési modalitását a P erőkkel.
9. ábra A teherbíró képesség növekedése a vasbeton gerendáknál lehajlás esetében, a beton korai terhelésének a hatására
10. ábra A vasbeton gerendák teherbíró képességének változása a beton korai terhelésének hatása alatt (nyomás a lehajlásnál)
11. ábra A vasbeton gerendák dinamikus- vibrációs terhelése
5.1 A beton korai terhelése excentikus nyomásra σ- feszültség N- az erő nagysága e- az erő excentricitása F- a keresztmetszet területe W- szilárdsági modulus
12. Ábra. Oldalnézet és felülnézet az 1,70 m-es négyzetes keresztmetszetü kísérleti gerendának
13. Ábra 1,70 m hosszúságu kísérleti gerenda Próbaterhelésének ábrája T- tenzométerek
14. Ábra A kísérleti gerenda T- keresztmetszettel ( első tipus)
15. Ábra Kísérleti gerenda T- keresztmetszettel (második tipus)
6. Gyorsított terhelése a hídak hídfő és pillér szerkezeteinek
16. Ábra. A kísérleti 42,51 m-es hídszerkezet
17. ábra A híd statikai és dinamikai próbaterhelése
18. Ábra Kísérleti masszív hídpillér
19. Ábra Kísérleti oszolopos könnyűszerkezetü hídpillér
20. Ábra Kísérleti masszív hídpillér
21. Ábra. Függőleges deformálása a beton felső rétegének, a völgy felőli gerendáknál a- a híd felső része b- a hídfő középső része c- a hídfő alsó része
22. Ábra Egy 6 nyílásu gerendahíd és a hídfőre támaszkodása a gerendának
23. ábra A műszerek elhelyezése a balparti hídfőnél
24. ábra A műszerek elhelyezése a jobbparti hídfőnél
25. ábra A balparti hídfő felső betonrétegének a deformációja (a tenzométerek szerint lásd a 23. és 24 ábrákat)
26. ábra Az előnézete és hosszanti metszete a Gambri folyó hídjának
27. Ábra A keresztmetszete egy monolitikus hídnak
28. ábra Előnézet és hosszanti metszete egy szárazmedrü völgyhídnak
7. A hidak nyílászáró elemeinek a korai terhelése
29. Ábra Egy 4 nyílásu híd ábrája
31. Ábra A mérőműszerek elhelyezése a 30. Ábra felépitmény (gerendák) hosszában A híd keresztmetszete a kavicsággyal a- lehajlás mérők és indikátorok (előregyártott vasbeton elemek) b- tenzométerek elhelyezése és számozása
32. Ábra A gerenda szerelése, látható a különös befogással a nyilás közepén
33. ábra A kisérleti híd statikus korai terhelésének próbája
34. ábra a) a beton szilárdságának a növekedése b) a napi középhőmérséklet ingadozása, mérése 1,2,3- három külömböző helyen történő korai terhelése a betonnak
8. Korai terhelése az utófeszitett hidak vasalásánál
35. ábra A kisérleti gerenda konstrukciója feszitett szerkezetű 22,12 m hosszú közúti hídnál
36. ábra A lehajlások változásai a kisérleti gerendáknál, l =22,12 m a gerenda töréséig 1 gerenda lépcsőzetes feszitése a vasalás kötegeinek a beton korai terhelésénél 2-ik gerenda a kötegek húzása csak egy alkalommal
9. Leonhardt-Bauer rendszerű utófeszitett vasbeton-monolit építmény
37. Ábra Egy egynyílású kétgerendás híd utófeszitése
38. Ábra A feszítő betonblokkok lépcsőzetes elhelyezése egy ferde irányú hídon
39. Ábra Lépcsőzetes feszítőblokkok egy vasúti hídnál
40. Ábra A befogó és húzó blokkok
42. Ábra „Legyezőszerüen” kialakított vasalás a befogásnál
41. Ábra A vasalás beskatujázása vaslemezekkel (16 sor, 16 kötél vas, Ø9 mm)
44. Ábra 1951-ben kivitelezett híd a Nkker folyón (43 m hosszú, h= 1,8 m) Az általános feszítő erő 3400 tonna (arhitektúrája hasonló a Kuttyfalv-i hídhoz ) 43. Ábra A vasalás egyidejű húzása minden gerendának
10. Előfeszitett vasbeton szerkezetekkel végrehajtott kísérletek a Nagyvárad-i vasbeton műveknél
45. Ábra A csúszás diagramja egy 12,0 m tetőelem esetében Nagyváradi vasbetonművek
46. Ábra A csúszásmérő műszer elhelyezése az erőátadás pillanatában
47. Ábra A mérőmószer rögzítése a feszített huzalon
A megengedett csúszás
A beton szilárdsága a feszítő erő átadásakor
A csúszások nagysága a betonszilárdság függvényében (technológiai mérések )
A „gyilkos” utófeszitett vasbeton gerenda
48. Ábra Korai terhelés három fázisban egy 18 méteres utófeszitett gerendánál
Köszönöm, megtisztelő figyelmüket!!!
