VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV STAVEBNÍHO ZKUŠEBNICTVÍ
Ing. Michal Stehlík
Stanovení materiálových a přetvárných charakteristik zdiva metodou plochých lisů v kombinaci s ultrazvukovou impulsní metodou Determination of material and deformability charakteristics of masonry by means of the flat jack method combined with the ultrasonic pulse method Zkrácená verze Ph.D. Thesis
Obor:
Fyzikální a stavebně materiálové inženýrství
Školitel:
Prof. Ing. Jiří Adámek, CSc.
Oponenti:
Doc. Ing. Zdeněk Bažant, CSc. Prof. Ing. Jindřich Cigánek, CSc. Doc. Ing. Miloš Drdácký, DrSc.
Datum obhajoby: 24. 6. 2005
KLÍČOVÁ SLOVA plochý lis, stav napjatosti, modul pružnosti, ultrazvukové měření, složky cihelného zdiva
KEY WORDS flat jack, state of stress, modulus of elasticity, ultrasonic measurement, brick masonry components
Disertační práce je uložena v archivu Ústavu stavebního zkušebnictví Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně, Veveří 95, Brno, 602 00
© Michal Stehlík, 2005 ISBN 80-214-2974-7 ISSN 1213-4198
OBSAH 1 ÚVOD ...................................................................................... 5 2 SHRNUTÍ DOSAVADNÍCH POZNATKŮ ......................... 6 2.1 Metodika použití plochých lisů ................................................. 6 2.2 Kalibrace plochých lisů ............................................................. 8 2.3 Metodika použití ultrazvukové impulsní metody................... 8
3 STANOVENÍ CÍLŮ PRÁCE................................................ 9 4 HLAVNÍ VÝSLEDKY PRÁCE ........................................... 9 4.1 Metodika stanovení lokálního stavu napjatosti a modulu pružnosti zdiva metodou plochých lisů ............................. ..... 9 4.1.1 Materiály ke zdění.......................................................................... 10 4.1.2 Kalibrace plochých lisů pro zjišťování lokální napjatosti cihelného zdiva.............................................................................. 10 4.1.3 Kalibrace plochých lisů pro zjišťování modulů pružnosti cihelného zdiva.............................................................................. 12
4.2 Experimentální upřesnění metodiky stanovení lokálního stavu napjatosti zdiva metodou plochých lisů ...................... 14 4.2.1 Materiály ke zdění.......................................................................... 14 4.2.2 Upřesnění kalibrace plochých lisů pro zjišťování lokální napjatosti cihelného zdiva............................................................ 16 4.2.3 Směrný technologický předpis....................................................... 18
4.3 Korelace mezi výsledky získanými testy dvojicí plochých lisů a měřením ultrazvukových rychlostí .............................. 19 4.3.1 Upřesnění metodiky stanovení modulů pružnosti zdiva konvenčně i dvojicí plochých lisů................................................. 20 4.3.2 Aplikace ultrazvukové impulsní metody při zatěžování plochými lisy................................................................................. 25 4.3.3 Zkoušení vlastností malty a cihel s aplikací ultrazvuku ................ 25
5 ZÁVĚR ................................................................................. 27 6 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ............................... 28 7 AUTOROVO CV ................................................................. 29 8 ABSTRACT ......................................................................... 30
1 ÚVOD Výzkum zděných konstrukcí lze rozdělit do tří oblastí: a) laboratorní výzkum, tj. experimentální ověřování materiálů a konstrukcí, resp. prvků na modelech, b) odvozování teoretických vztahů a výpočtových modelů pro užití při praktickém navrhování a c) sledování a ověřování materiálů a konstrukcí během stavby a především za provozu. Jak vyplývá ze zkušeností a realizovaných laboratorních měření Ústavem stavebního zkušebnictví, výzkum ad a) a počítačové modelování ad b) se často doplňují a prolínají a společně vytvářejí teoretický základ k praktickému ověřování materiálů a konstrukcí ad c). Studium mechanických charakteristik materiálů hraje důležitou roli v návrhu statické rekonstrukce historických staveb. Co se týká zděných cihelných konstrukcí, otázka přetvárných charakteristik je velmi složitá. Zděný materiál je heterogenní, skládá se z pevných vrstev cihelných a naopak ze značně deformovatelných vrstev malty. Ke správným výsledkům mohou vést pouze testy, prováděné na vzorcích velkých rozměrů (nejméně 4-5 maltových vrstev), což je v laboratorních podmínkách někdy velmi složité. Metoda ke zjišťování mechanických charakteristik, založená na použití plochých lisů, se začala používat kolem roku 1980 [13]. První použití této metody jasně ukázalo její význam. Je to vlastně jedna z mála metod k získání odpovídajících mechanických charakteristik (modul pružnosti, stav napjatosti, mez pevnosti) cihelného či kamenného zdiva přímo v zatížené konstrukci. Metoda plochých lisů je technikou semidestruktivní, neboť ploché lisy, vložené do maltové vrstvy, se po dokončení testu odstraní a volná spára se vyplní novou maltou. Spolehlivost zkoušek závisí na správně nastavených okrajových podmínkách při testování daného vzorku zdiva a na velikosti vzorku, který musí reprezentovat chování celé konstrukce. Laboratorně je vždy nutno provést značné množství kalibračních testů s rozdílnými okrajovými podmínkami za účelem získání objektivních výsledků při praktickém použití plochých lisů. Ultrazvuková impulsní metoda průchodová se používá převážně tam, kde chceme zjistit z rychlosti šíření UZ vlnění (impulsů) jakost zkoušeného prostředí, např. stejnoměrnost, popřípadě jeho mechanicko-fyzikální charakteristiky. V této práci je podrobně rozebráno několik etap kalibrace plochých lisů za účelem praktického stanovení stavu napjatosti a modulu pružnosti zdiva včetně popisu deformačního působení plochých lisů na zdivo při současném měření rychlosti šíření impulsů ultrazvukového vlnění.
5
2 SHRNUTÍ DOSAVADNÍCH POZNATKŮ Ploché lisy představují semidestruktivní zkušební techniku, vyvinutou k určení lokálních stavů napjatosti, tlakové pevnosti a deformačních charakteristik cihelného zdiva (obr. 2.1). Hodnoty napjatostí a modulů pružnosti, získané metodou plochých lisů, nutno opravit pomocí konstant, odvozených z kalibračních testů.
Obr. 2.1 Schéma dvou typů plochých lisů – obdélníkový a semioválný
2.1 METODIKA POUŽITÍ PLOCHÝCH LISŮ Zkušební postup je volen s ohledem na charakteristiky, které chceme získat. Jedná se o a) měření stavu napjatosti, b) určení modulů pružnosti, c) odhadnutí meze pevnosti. Při měření lokálního napětí v tlaku (stav napjatosti) zdiva je použit jen jeden plochý lis, pro stanovení lokálních přetvárných vlastností zdiva a k odhadnutí meze pevnosti je nutno do zdiva vložit ještě druhý lis. ad a) Měření stavu napjatosti Měření lokálního stavu napjatosti zdiva je založeno na dorovnání deformace. Tato deformace vzniká rovinným řezem, kolmým k čelní (nebo odvrácené) ploše zdi. Prakticky je tedy plochý lis vložen do vyřízlé spáry, následuje rozšiřování spáry postupným pumpováním oleje mezi desky plochého lisu až do okamžiku návratu deformace spáry na původní hodnotu. Během pumpování oleje je změna šířky spáry průběžně měřena Hollanovým sázecím deformetrem (obr. 2.1.1). Jakmile se šířka
6
spáry vrátí na původní hodnotu (stav před vyříznutím), tlak oleje (p) uvnitř plochého lisu by se teoreticky měl rovnat lokálnímu stavu napjatosti zdiva ve směru kolmém k rovině řezu. Prakticky však získaná
Obr. 2.1.1 Poloha plochého lisu v maltové spáře cihelného zdiva – stav napjatosti hodnota napjatosti (p) musí být upravena násobením konstantami, které závisí jednak na poměru mezi plochou plochého lisu a plochou řezu (Ka), jednak na míře přenosu síly z plochého lisu do okolní zděné konstrukce (Km). Hodnota lokálního stavu napjatosti ve zkoušeném místě konstrukce se tedy spočte ze vztahu: δ = p . Km . Ka
[MPa],
kde p … je tlak oleje v plochém lise [MPa], Km … je konstanta lisu, která musí být určena laboratorní kalibrací, Ka … je poměr mezi plochou plochého lisu a plochou řezu. ad b) Určení modulu pružnosti Určení modulu pružnosti je založeno na zjištění závislosti mezi změnou napjatosti a jí vyvolaným poměrným přetvořením zdiva, sevřeného dvojicí plochých lisů. Za účelem zjištění modulu pružnosti je nutno ve zkoušeném zdivu vyříznout ještě druhý zářez (ve vzdálenosti asi 500 mm od prvního lisu) a vsunout do něj druhý plochý lis. Princip je znázorněn na obr. 2.1.2. Po praktickém stanovení modulu pružnosti reálného zdiva dvojicí plochých lisů je nutno tento modul vynásobit odpovídající kalibrační konstantou, předem stanovenou vhodným kalibračním postupem (viz kap. 2.2).
7
ad c) Odhadnutí meze pevnosti Metoda odhadování meze pevnosti cihelného zdiva vychází z měřící sestavy dvou plochých lisů (stejně jako pro modul pružnosti), vložených do vyřezaných spár v cihelném zdivu. K určení pevnosti zdiva v tlaku je nutno vnášet plochými lisy do sevřeného zdiva rovnoměrně se zvyšující zatížení až do okamžiku objevení se trhlin. Hodnota tlaku oleje, odečtená na manometru plochého lisu v okamžiku vzniku prvních trhlinek, je asi o 10 až 15% větší než mez pevnosti v tlaku srovnatelného zdiva, zkoušeného klasicky v hydraulickém lise.
Obr. 2.1.2 Poloha dvou plochých lisů v maltových spárách cihelného zdiva – modul pružnosti
2.2 KALIBRACE PLOCHÝCH LISŮ Metody použití plochých lisů, popsané v předchozím odstavci 2.1, zobrazují ideální stav. Ve skutečnosti však přenos síly ze zatížené zdi do plochého lisu není ideální, zpětně plochý lis při svém rozpínání nepůsobí ideálně celou svou plochou (obvodové sváry ocelových desek). Proto je nutno ploché lisy v laboratoři kalibrovat. To znamená, v případě stavu napjatosti, zjistit konstantu Km, upravující odečtenou hodnotu tlaku oleje v plochém lise na skutečnou hodnotu lokální napjatosti ve zkoušeném zdivu. V případě stanovení modulu pružnosti je nutno zjistit kalibrační konstantu KE, vyjadřující poměr mezi modulem pružnosti zdiva, stanoveným konvenčně v hydraulickém lise, a mezi modulem pružnosti obdobného zdiva, stlačovaného dvojicí plochých lisů.
2.3 METODIKA POUŽITÍ ULTRAZVUKOVÉ IMPULSNÍ METODY Princip UZ metody spočívá v tom, že se opakovanými elektrickými impulsy vytvoří v budiči úzké svazky mechanického tlumeného kmitání. Tyto mechanické 8
impulsy jsou vneseny do zkoušeného prvku a po proběhnutí známé dráhy se sejmou snímačem. Přitom je měřena doba průchodu UZ vlnění materiálem.
3 STANOVENÍ CÍLŮ PRÁCE Práce je zaměřena především na zděné konstrukce namáhané tlakem z cihel plných na maltu rozdílné pevnosti, tj. na takové zdivo, které se vyskytuje běžně ve stávajících i historických objektech. Disertační práce je složena ze tří navazujících částí, které postupně řeší dílčí cíle celého projektu. • Cílem první části je popis prvotní aplikace jednoho a následně dvou plochých lisů za účelem stanovení lokálního stavu napjatosti a modulu pružnosti zdiva na zvolených zkušebních pilířcích. Výsledkem zkušební prvotní aplikace plochých lisů je jejich vlastní kalibrace. Tato je popsána podrobně při zkoušce několika zkušebními postupy. Dále tato část práce obsahuje vyhodnocení základních mechanických vlastností materiálů, potřebných k přípravě zkušebních zdí a pilířků včetně hodnocení úspěšnosti kalibrace plochých lisů s ohledem na možnost použití plochých lisů v praxi. • Cílem druhé části je rozpracování a upřesnění metodiky stanovení lokálního stavu napjatosti zdiva metodou plochých lisů včetně sestavení tzv. „Směrného technologického předpisu“ jakožto všeobecného návodu k užití plochého lisu pro stanovení lokální napjatosti zdiva odbornými stavebními firmami. • Cílem třetí části je a) podrobné rozpracování a upřesnění aplikace dvojice plochých lisů pro měření modulů pružnosti zdiva na vybraných druzích pilířků, b) získání podkladů pro stanovení kalibračních vztahů mezi měřeními prováděnými dvojicí plochých lisů a měřením rychlostí šíření impulsů ultrazvukového vlnění a c) ověření možností aplikace ultrazvukové metody pro zjištění vlastností složek cihelného zdiva.
4 HLAVNÍ VÝSLEDKY PRÁCE 4.1
METODIKA STANOVENÍ LOKÁLNÍHO NAPJATOSTI A MODULU PRUŽNOSTI METODOU PLOCHÝCH LISŮ
STAVU ZDIVA
Obsahem úvodní části disertační práce je prvotní seznámení s plochými lisy a hledání správné technologie jejich použití včetně samotné kalibrace.
9
4.1.1 Materiály ke zdění V laboratořích byly v časovém sledu, daném návazností jednotlivých úvodních měření (stav napjatosti, modul pružnosti), vyzděny tři druhy zkušebních pilířků. První byl vyzděn cihelný pilíř (resp. část zdi) rozměrů 1400x300x1350 mm, určený ke kalibraci plochých lisů při zkoušce napjatosti a modulu pružnosti. Poté byly vyzděny dva srovnávací zkušební pilířky rozměrů 290x290x370 mm, použité pro zjištění konvenčních modulů pružnosti, a nakonec dva pilířky rozměrů 600x300x900 mm, určené opět ke kalibraci plochých lisů při zkoušce napjatosti a modulu pružnosti. Všechny druhy pilířků byly vyzděny ze stejných cihel na maltu stejného druhu i kvality. Vlastnosti zdicí malty CEMIX 11 jsou součástí tab. 4.1.1.1, vlastnosti cihel pak tab. 4.1.1.2. Tab. 4.1.1.1 Pevnosti zdicí malty CEMIX 11 Malta CEMIX 11,
trámečky
trámečky
8 litrů H2O na 40 kg po 28 dnech po 60 dnech
Kučerova
údaj
vrtačka
výrobce
suché směsi Tlak [MPa]
1,8
1,8
1,2
2,5
Tah za ohybu [MPa]
0,4
0,4
-
0,8
Tab. 4.1.1.2 Pevnosti plných pálených cihel Cihly P15 BOŘITOV Destruktivní test
Schmidtův
Schmidtův
290x140x65 mm
tvrdoměr,
tvrdoměr, vzorky
vzorky v lise
součástí zdi
Tlak [MPa]
21,6
20,4
17,5
Tah za ohybu [MPa]
2,2
-
-
4.1.2 Kalibrace plochých lisů pro zjišťování lokální napjatosti cihelného zdiva Jedním z hlavních cílů této disertační práce je kalibrace plochých lisů za účelem praktického stanovení lokálního stavu napjatosti zdiva v konstrukci. Celkem jsou v této práci teoreticky popsány i prakticky otestovány tři rozdílné technologie kalibrace, označené A, B a C . První dvě technologie A a B se zdají být vzhledem k náročnosti procesu kalibrace jednodušší než později popsaná (druhá část práce) technologie C (event. B+C). Základní princip všech tří kalibračních postupů A,B a C 10
lze velmi zjednodušeně vyjádřit takto: kalibrace technologií A i B využívá ke stanovení více kalibračních konstant Kmi pouze jeden zářez do maltového lože zdiva
K m - kalibrační konstanta
Porovná ní ka libra čních křive k se m iová lné ho ploché ho lisu line á rní 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
y = 0,2321x + 0,1853 R 2 = 0,8048
y = 0,1282x + 0,3617 R 2 = 0,5824
y = 0,6064x - 0,6257 R 2 = 0,8561
0
0,5
1
1,5 tlak oleje p [MPa]
2
2,5
3
pevnost malty 3,0 MPa, cihel 19,3 MPa , technologie B+C pevnost malty 1,8 MPa, cihel 21,6 MPa, technologie A pevnost malty 1,8 MPa, pevnost cihel 21,6 MPa, technologie B Lineární (pevnost malty 3,0 MPa, cihel 19,3 MPa , technologie B+C ) Lineární (pevnost malty 1,8 MPa, cihel 21,6 MPa, technologie A) Lineární (pevnost malty 1,8 MPa, pevnost cihel 21,6 MPa, technologie B)
Obr. 4.1.2 Porovnání výsledných kalibračních křivek plochého lisu – stav napjatosti (rozdíl A a B je pouze v ponechání či uvolnění tlaku oleje v plochém lise při stupňovitém přitěžování), kalibrace technologií B+C (event. C) využívá tolik zářezů do zkoušeného zdiva, kolik je prováděno přitěžovacích stupňů. Na obr. 4.1.2 vykreslené tři kalibrační křivky dobře poslouží k porovnání všech tří technologií. Na základě vzájemného porovnání všech tří křivek z obr. 4.1.2 možno vyslovit domněnku, že nejoptimálnější kalibrační technologií se jeví technologie B+C (event. C, neboť při praktickém určení stavu napjatosti σ na základě dorovnání deformace jednoho zářezu není možné další přitížení zdiva). Menší sklonitost kalibrační křivky (v našem případě přímky) přímo determinuje menší změnu hodnot kalibračních konstant Kmi v závislosti na změně tlaku oleje v plochém lise. Malá změna hodnot kalibračních konstant Kmi v rámci tlakového rozsahu oleje plochého lisu signalizuje dobrý silový kontakt na ploše zdivo-plochý lis, způsobený především malým boulením desek plochého lisu. Tento dobrý silový kontakt však může být způsoben i použitím lepší zdicí malty (3,0 MPa) pro zkoušky technologií B+C a C, popsané ve druhé části práce. Po porovnání 3 kalibračních křivek z obr. 4.1.2 s kalibračními křivkami dle [13] a na základě úvahy o podobnosti kalibračního postupu s reálným
11
měřením, byla vybrána technologie C jako nejvhodnější k sestavení „Směrného technologického předpisu“ – viz následující část práce).
4.1.3
Kalibrace plochých lisů pro zjišťování modulů pružnosti cihelného zdiva
Stanovení modulů pružnosti (v závěrečné části práce budou stanovovány moduly přetvárnosti) cihelného zdiva je druhou z možností užití plochých lisů. V tomto případě je nutno použít dva ploché lisy, propojené navzájem tlakovou hadičkou. V této úvodní části práce je pro stanovení intervalových modulů pružnosti použita metoda stupňovitého (cyklického) přitěžování a odlehčování zkoušeného zdiva, která však bude později nahrazena metodou postupného přitěžování dle ČSN EN 1052-1. Princip úvodní, cyklické metody, je následující: zvyšováním a následně snižováním tlaku oleje v obou lisech je současně stlačována a odlehčována vrstva cihelného zdiva, sevřená mezi deskami lisů. Moduly pružnosti jsou zjištěny z rozdílů zatížení a jim odpovídajících poměrných deformací zdiva mezi dvěma plochými lisy. Před vlastním užitím dvou plochých lisů ke stanovení modulů pružnosti zdiva je nutno oba lisy kalibrovat. Při tomto druhu kalibrace se nevystačí s jedním vyzděným pilířkem, ale je potřeba ještě druhý, srovnávací. Principem kalibrace je srovnání modulů pružnosti zdiva, zjištěných na srovnávacím pilířku konvenčně (tj. mezi tlačnými deskami hydraulického lisu), s moduly pružnosti, zjištěnými z rozdílů zatížení a poměrných deformací zdiva sevřeného mezi dvěma plochými lisy. Rozměry srovnávacího pilířku by měly odpovídat rozměrům zdiva tlačeného deskami plochých lisů. Poměrná pružná (podélná, příčná) deformace na n-tém zatěžovacím intervalu se vypočte ze vztahu podélná : ε v = kde
∆l v l
příčná : εo = ∆l o l
,
∆lv - je zjištěná pružná podélná deformace na n-tém zatěžovacím intervalu v [mm], ∆lo - je zjištěná pružná příčná deformace na n-tém zatěžovacím intervalu v [mm], l - je měřená základna v [mm].
Moduly pružnosti (intervalové) se počítají pro každý zatěžovací interval zdiva ze vztahu: Em =
12
σn , εv
Em = σ n εo
,
Ec =
σn , εv
Ec =
σn εo
[MPa] ,
kde Em - je modul pružnosti na n-tém zatěžovacím intervalu, získaný metodou plochých lisů, v [MPa], Ec - je konvenční modul pružnosti na n-tém zatěžovacím intervalu, získaný metodou stlačování zdiva vnějším hydr. lisem, v [MPa], σn - je nárůst napjatosti na n-tém zatěžovacím intervalu, v [MPa]. Moduly pružnosti (event. přetvárnosti) na n-tém zatěžovacím intervalu se počítají z hodnot změn napětí a odpovídajících poměrných deformací, odečtených z vynesených deformačních diagramů (závislost σ/ε) cyklicky zatěžovaných cihelných pilířků (u obou metod). Vyhodnocení obou metod (ploché lisy + konvenční) spočívá ve výpočtu průměrných intervalových modulů pružnosti pro jednotlivé stupně zatížení jak pro podélnou, tak i příčnou deformaci. Pro všechny pilířky jsou vyneseny deformační diagramy (závislost σ/ε) zdiva. Na obr. 4.1.3 je vynesen vzorový deformační diagram cihelného zdiva sevřeného dvěma plochými lisy, sestavený z rozdílů poměrných deformací mezi terči 1-2(+) a 13-14(-) pilířku o rozměrech 600x300x900 mm, pevnost malty 1,8 MPa.
2,5
2,0
σ [MPa]
1,5
1,0
0,5
-0,1000
-0,0500
0,0 0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
εϖ [%]
Obr. 4.1.3 Vzorový deformační diagram zdiva, sevřeného dvojicí plochých lisů, rozměry zkušebního zděného pilířku 600x300x900 mm Z deformačního diagramu je patrné, že podélná část deformace je až pětinásobná oproti příčné, navíc pružná část z celkové deformace (na každém zatěžovacím stupni) je oproti trvalé velmi malá, čtvrtinová až třetinová. Tento poměr je způsoben pravděpodobně velkou tuhostí vyboulených desek plochých lisů při jejich zpětném
13
vyrovnávání po uvolnění tlaku oleje v lisech a samozřejmě relativně malým modulem pružnosti zdiva. Porovnáním deformačních diagramů zdiva stlačovaného plochými lisy a srovnávacích pilířků zatěžovaných konvenčně je zřejmé, že u metody s plochými lisy je pružná část deformace značně menší než u druhé, konvenční metody. V následující tab. 4.1.3 jsou uvedeny zjištěné intervalové moduly pružnosti zdiva stanovené konvenčně Ec a plochými lisy Em včetně jejich kalibračního poměru Ec/ Em. Hodnoty podélných modulů pružnosti cihelného zdiva, zjištěné plochými lisy, jsou oproti hodnotám, zjištěným konvenční metodou na pilířcích tlačených v hydraulickém lise, pěti až desetinásobné. Z důvodu kompatibility přetvárných charakteristik, zjišťovaných v počátcích řešení disertační práce, s plánovaným stanovováním sečných modulů pružnosti (přetvárnosti) zdiva dle ČSN EN 1052-1, jsou do tab. 4.1.3 doplněny k hodnotám intervalových modulů pružnosti jim odpovídající intervalové moduly přetvárnosti Ed a z nich spočtený nový kalibrační poměr Edk/ Edp. Praktický výsledek této úvodní části práce je tedy následující: intervalové moduly pružnosti zdiva, stanovené metodou plochých lisů, musí být při převodu na reálné hodnoty násobeny kalibračním poměrem Edk/ Edp, který odpovídá danému intervalu přitížení a správné orientaci působící síly. Následný zpřesňující výzkum metody stanovení modulů pružnosti zdiva plochými lisy (3. část disertační práce) bude zaměřen na úpravu metodiky stanovení modulů včetně zahrnutí vlivu pevnosti zdicí malty a kalibračního součinitele Km (ze stanovení lokální napjatosti zdiva) do kalibračního přepočtu modulového.
4.2
EXPERIMENTÁLNÍ UPŘESNĚNÍ STANOVENÍ LOKÁLNÍHO STAVU ZDIVA METODOU PLOCHÝCH LISŮ
METODIKY NAPJATOSTI
Druhá část disertační práce doplňuje a upřesňuje úvodní kalibraci plochých lisů, provedenou v roce 1998 a 1999 [1]. Na základě zkušeností z úvodního měření byl optimalizován postup kalibrace a následně bylo provedeno dostatečné množství pokusů na pilířcích vyzděných z několika druhů malt za účelem sestavení výsledných kalibračních křivek ke správnému stanovení lokální napjatosti cihelného zdiva.
4.2.1 Materiály ke zdění Dříve prováděné (technologie A i B) i plánované (technologie C) kalibrační testy jsou založeny na laboratorním zkoušení pilířků zdiva, u nichž je reálné zatížení v konstrukci nahrazeno silovým účinkem tlačných desek hydraulického lisu. Za účelem testování kombinace technologií B a C byly (rok 2000) v laboratořích Ústavu stavebního zkušebnictví Vysokého učení technického v Brně vyzděny v časovém sledu, daném návazností měření a nutnou dobou pro 14
15
kalibrační poměr
srov. pilířek č.1 zatížení konvenčně srov. pilířek č.2 zatížení konvenčně zdivo zatížení plochými lisy 2010,0
2060,0 2650,0
∅ modul pružnosti Ec2 2450,0 2270,0
2100,0
1295,0
0,2-1,0
2870,0
2220,0
1352,0
0,2-1,4
2720,0
1960,0
1375,0
0,2-1,8
2890,0
2030,0
1274,0
0,2-2,2
∅ modul přetvárnosti 2111,0 6410,0 4291,0 9000,0 3722,0 2925,0 3016,0 Edp ∅ modul pružnosti Em 40000,0 60000,0 16667,0 11869,0 12920,0 13333,0 7478,0 Edk / Edp 0,33 0,25 0,25 0,14 0,33 0,5 0,5 Ec1 / Em 0,05 0,04 0,1 0,2 0,2 0,2 0,25 0,06 0,3 0,1 0,2 0,2 0,2 0,25 Ec2 / Em
2360,0
1184,0
1454,0
0,2-0,6 0,2-0,8
rozdíl zatížení 0,2-0,4 ∅ modul přetvárnosti 807,0 Edk ∅ modul pružnosti Ec1 1950,0
-
-
-
2190,0
1860,0
0,2-3,0
-
-
1830,0
1612,0
0,2-2,6
Srovnání modulů pružnosti konvenčních Ec (ze srovnávacího pilířku č. 1 a 2) a modulů pružnosti Em, získaných stupňovitým zatěžováním zdiva mezi plochými lisy (síla působí ve směru deformace)
Tab. 4.1.3
tvrdnutí malty, tři zkušební pilířky rozměrů 900x450x900 mm. Pro testování technologie C a z důvodu doplnění pevnostního spektra malt o další dvě hodnoty, byly vyzděny (rok 2004) dva pilířky rozměrů 600x450x1010 mm. Souhrnný přehled zkušebních pilířků, pevností zdicích malt a cihel, je uveden v následující tab. 4.2.1. Tab. 4.2.1 Přehled zkušebních pilířků pro upřesněnou kalibraci plochých lisů za účelem praktického stanovení stavu napjatosti zdiva Pilíř
Rozměr
č.
(mm)
Počet
Rok
pilířků testu
Malta
Cihly
Tlak
Tah/
Tlak
Tah/
(MPa)
ohyb
(MPa)
ohyb
(MPa) 1
900x450
3
2000
3,0
0,5
600x450
malty
kužele zářezů (dílky)
19,3
2,7
do zdiva
(MPa)
x900 2
Recep. Sednutí Počet
Cemix
10
7
9
4
9
4
11 2
2004
0,6
0,1
13,9
2,1
x1010
MV 3:1
4,0
0,9
13,9
2,1
MVC 8:3:1
4.2.2 Upřesnění kalibrace plochých lisů pro zjišťování lokální napjatosti cihelného zdiva Tři kalibrační křivky, vynesené na následujícím obr. 4.2.2, byly stanoveny měřením na třech zkušebních pilířcích rozměrů 900x450x900 mm (malta 3,0 MPa) a na dvou zkušebních pilířcích rozměrů 600x450x1010 mm (malty 0,6 a 4,0 MPa). • Na třech zkušebních pilířcích rozměrů 900x450x900 mm, vyzděných z malty o 60 denní pevnosti 3,0 MPa, byla provedena celkem 7x kalibrace plochého lisu. Jeden z pokusů byl ke kalibraci nepoužitelný vzhledem k malé počáteční napjatosti zdiva (0,25 MPa) a následně vysokým kalibračním konstantám Kmi. Z výsledných šesti prvních kalibračních konstant Km1 (stanovených technologií B+C) byla funkcí LINREGRESE sestavena první kalibrační křivka, odpovídající pevnosti malty 3,0 MPa. Kalibračním měřením na pilířcích 900x450x900 mm byly zjištěny tyto skutečnosti: při příliš malé počáteční napjatosti zdiva (pod 0,5 MPa) stačí k dorovnání deformace, vzniklé vyříznutím maltové spáry, doklínování a následný velmi malý tlak oleje mezi plechovými deskami plochého lisu. Kromě spodní limitující hodnoty napjatosti ve zdivu (pro reálné použití plochých lisů) byla pokusy na pilířcích vysledována i horní limitující hodnota napjatosti ve zkoušeném zdivu. Při hodnotě úvodní napjatosti ve zdivu větší než 2,5 MPa je po vyříznutí spáry pro plochý lis deformace zdiva (stlačení) tak veliká, že plochý lis není schopen svým pracovním zdvihem tuto deformaci dorovnat. Obecně lze tedy říci, že plochý lis je
16
možno použít ke stanovení lokálního stavu napjatosti zdiva v rozmezí 0,5 – 2,5 MPa. • Na dvou zkušebních pilířcích rozměrů 600x450x1010 mm (pevnosti malt 0,6 a 4,0 MPa) byly provedeny dvě sady kalibračních měření vždy po 4 zářezech do maltového lože. Dvě výsledné kalibrační křivky byly opět sestaveny funkcí LINREGRESE z množin kalibračních konstant Km1, stanovených vždy po jediném dorovnání deformace zdiva plochým lisem během působení zatížení (technologie C). To proto, že v praxi je možno provést pouze první dorovnání deformace zdiva po vyříznutí spáry tlakem oleje ve vloženém plochém lise, není možné stupňovité přitěžování zdiva. Při praktickém užití plochého lisu ke stanovení lokálního stavu
V ýsl e d n é k a l ib ra č n í k ři v ky se m i o v á l n é h o p lo c h é h o l isu - l in e á rn í (te c h n o l o g i e B + C , C )
1 ,0
Km - kalibrační konstanta
0 ,9 0 ,8 y = 0 ,0 5 8 8 x + 0 ,5 5 0 1
0 ,7
R 2 = 0 ,7 0 8 5
0 ,6
y = 0 ,1 2 8 2 x + 0 ,3 6 1 7
0 ,5
R 2 = 0 ,5 8 2 4
0 ,4 0 ,3
y = 0 ,2 7 0 7 x - 0 ,1 6 3 7
0 ,2
R 2 = 0 ,9 7 1 7
0 ,1 0 ,0 0 ,0
0 ,5
1 ,0
1 ,5 tla k o le je p [MP a ]
2 ,0
2 ,5
3 ,0
p e vn os t m a lt y 4 , 0 M P a , p e vn o s t c ih el 1 3 ,9 M P a , t e c h n o lo g ie C p e vn os t m a lt y 3 , 0 M P a , p e vn o s t c ih el 1 9 ,3 M P a , t e c h n o lo g ie B + C p e vn os t m a lt y 0 , 6 M P a , p e vn o s t c ih el 1 3 ,9 M P a , t e c h n o lo g ie C L in e á rn í (p e vn o s t m a lt y 4, 0 M P a, pe vn o s t c ih e l 1 3, 9 M P a, te c h n olog ie C ) L in e á rn í (p e vn o s t m a lt y 3, 0 M P a, pe vn o s t c ih e l 1 9, 3 M P a, te c h n olog ie B + C ) L in e á rn í (p e vn o s t m a lt y 0, 6 M P a, pe vn o s t c ih e l 1 3, 9 M P a, te c h n olog ie C )
Obr. 4.2.2 Výsledné kalibrační křivky plochého lisu, technologie B+C, C, testováno na pilířcích: 900x450x900 mm – pevnost malty 3,0 MPa, 600x450x1010 mm – pevnost malty 0,6 MPa a 4,0 MPa, kalibrační křivky určeny ke stanovení lokálního stavu napjatosti zdiva metodou plochých lisů
17
napjatosti zdiva nutno odečtenou hodnotu tlaku oleje z manometru plochého lisu po dorovnání deformace násobit kalibrační konstantou Km. Tuto konstantu je možno odečíst z výsledných kalibračních křivek (obr. 4.2.2), které byly odvozeny pro danou tlakovou pevnost malty a jsou také závislé na tvaru plochého lisu a druhu zdiva. Pevnostní spektrum malt, pro které lze z obr. 4.2.2 stanovit interpolací kalibrační konstantu Km, leží přibližně v mezích 0,5-4,5 MPa. Ze vzájemné polohy tří kalibračních křivek, odpovídajících třem pevnostem zdicích malt, je možno vyvodit, že použití metody plochých lisů bude přesnější u zdiva z malty o vyšší pevnosti, kde se bude kalibrační konstanta Km více blížit hodnotě 1,0. Vyšší kalibrační konstanta totiž indikuje lepší přestup síly na kontaktní ploše zdivo-plochý lis, což právě platí pro pevnější zdivo.
4.2.3 Směrný technologický předpis Základem použití plochého lisu pro stanovení napjatosti zdiva je a) znalost limitujících podmínek měření, b) znalost optimálního postupu měření, c) správná metoda vyhodnocení a posouzení měření. Limitující podmínky měření Použitelnost metody plochých lisů je omezena nejen minimální a maximální měřitelnou napjatostí zdiva, tedy rozmezím 0,5-2,5 MPa, ale i minimální a maximální pevností zdicí malty (rozmezí 0,2 – 5,0 MPa). Napjatostní ohraničení použitelnosti je dáno především konstrukční podstatou plochého lisu, ohraničení pevnostním spektrem zdicích malt (0,2 – 5,0 MPa) není trvalé, může být dle potřeby praxe rozšířeno dalšími kalibračními pokusy. Optimální postup měření Postup zjištění stavu napjatosti zdiva ( v rozmezí 0,5 – 2,5 MPa) je následující: 1. Určení polohy řezné spáry. 2. Nalepení terčů k určení deformace ve směru kolmém k ose řezu a odečtení základního čtení. 3. Vyříznutí maltové spáry. 4. Vložení plochého lisu do vyřízlé spáry a doklínování. 5. Pumpování oleje mezi desky plochého lisu až do okamžiku dorovnání deformace v okolí řezu na původní hodnotu. 6. Odečtení tlaku oleje na manometru plochého lisu. 7. Přepočet tlaku oleje z manometru plochého lisu na skutečnou hodnotu napjatosti zdiva pomocí kalibrační konstanty Km a konstanty ploch Ka . 8. Vytažení plochého lisu ze spáry. 9. Zaplnění vyřízlé spáry. 18
Vyhodnocení a posouzení měření Vyhodnocením měření I. etapy (1999) a realizací etapy současné (kalibrační měření na pěti optimalizovaných pilířcích rozměrů 900x450x900 mm a 600x450x1010 mm) byl vypracován obecný postup kalibrace plochého lisu, určeného pro zjišťování napjatosti zdiva. K jednoduchému stanovení kalibrační konstanty Km pro daný plochý lis a danou pevnost malty byly zkonstruovány tři výsledné kalibrační křivky (obr. 4.2.2). Po odečtení hodnoty tlaku oleje z manometru plochého lisu nutno tuto hodnotu p [MPa] vynásobit kalibračním koeficientem Km, interpolovaným mezi třemi kalibračními křivkami, a koeficientem poměru ploch Ka. Z kalibračních křivek dle obr. 4.2.2 možno odečíst kalibrační součinitele Km v rozmezí hodnot 0,2-0,7 v závislosti na pevnosti zdicí malty a proměnných hodnotách tlaků oleje v plochém lise. Literatura [13] uvádí součinitel Km v závislosti na tlaku oleje v rozmezí hodnot 0,9-1,0. Výsledkem sledování napjatosti cihelného zdiva metodou plochých lisů v letech 1998-2000 je zpracování Směrného technologického předpisu z listopadu 2000, který je součástí této disertační práce. Směrný technologický předpis pro stanovení napjatosti zdiva metodou plochých lisů ( flat jack method ) je určen nejširší technické veřejnosti k seznámení s touto aktuální semidestruktivní metodou pro diagnostickou praxi. Tento předpis obsahuje popis možností použití plochých lisů včetně limitů, popis praktického provedení jednotlivých zkoušek i návod k vyhodnocení a posouzení měření.
4.3
KORELACE MEZI VÝSLEDKY ZÍSKANÝMI TESTY DVOJICÍ PLOCHÝCH LISŮ A MĚŘENÍM ULTRAZVUKOVÝCH RYCHLOSTÍ
Třetí část disertační práce navazuje na obě předchozí dalším experimentálním rozvojem metody plochých lisů, tentokrát s ohledem ke stanovení modulů pružnosti zdiva. Navíc se práce snaží najít závislost mezi stavem napjatosti a rychlostí šíření ultrazvuku ve zdivu i samotných jeho složkách.
19
4.3.1 Upřesnění metodiky stanovení modulů pružnosti zdiva konvenčně i dvojicí plochých lisů 4.3.1.1 Materiály ke zdění Za účelem nalezení korelace plochý lis – ultrazvuk, bylo nutno připravit určitý počet zkušebních zděných pilířků. Pracovníci Ústavu stavebního zkušebnictví Vysokého učení technického v Brně vyzdili v druhé polovině dubna 2003 celkem osm (čtyři dvojice) cihelných pilířků (pevnost malty 0,9 MPa), začátkem roku 2004 pak další tři (pevnost malty 0,2 MPa). Pilířky (obr. 4.3.1.2.1) byly určeny pro kalibraci plochých lisů, používaných ke stanovení modulů pružnosti jimi sevřeného zdiva. Některé z pilířků byly později použity pro srovnávací konvenční stanovení modulů pružnosti zdiva (podle ČSN-EN 1052-1) a některé pak pro alternativní ultrazvuková měření intervalově zatěžovaného zdiva. Laboratorní výzkum, prováděný v roce 2003 a 2004 [3] na Ústavu stavebního zkušebnictví FAST VUT v Brně navazuje na předchozí výzkum z roku 1999 a 2000 [1], [2]. Vlastnosti materiálů, použitých při řešení úkolů této závěrečné části disertační práce, byly záměrně změněny za účelem získání širšího spektra pevnostních a přetvárných charakteristik cihelného zdiva. Tab. 4.3.1.1 Přehled pevností zdicích malt a cihel – zkoušky modulu pružnosti 1999-2004 Cihly Malta Období Výzkum 1999
Tah/ohyb (MPa) 2,2
Tlak (MPa) 21,6
Výzkum 2003
2,1
13,9
Výzkum 2004
2,1
13,9
Receptura MVC CEMIX 11 MV 3:1 písek: Ca(OH)2 MV 4:1 písek: Ca(OH)2
Hustota malty 10 dílků
Tah/ohyb Tlak (MPa) (MPa) 0,4 1,8
9 dílků
0,3
0,9
10 dílků
0,1
0,2
Tab. 4.3.1.1 obsahuje srovnání pevnostních charakteristik cihel a malt (včetně změny receptury maltové směsi), použitých k řešení úkolů předchozí a současné části disertační práce. Pro porovnání jsou v tab. 4.3.1.1 uvedeny pevnosti malt, určené po 60 dnech vlhkého uložení. Z předchozí tabulky je zřejmé, že ke zdění zkušebních pilířků v rámci řešení závěrečné části práce byly použity cihly a malta 20
vápenná velmi nízkých pevností z důvodu podobnosti přetvárných a materiálových charakteristik zkoušeného a napodobovaného historického zdiva.
4.3.1.2
Metodika semidestruktivního stanovení modulů pružnosti zdiva metodou plochých lisů
Cílem třetí části disertační práce je porovnání intervalových modulů pružnosti zděných pilířků a změn rychlostí průchodu ultrazvuku během postupného přitěžování. Splnění tohoto cíle předchází důkladné studium stanovení modulů pružnosti zdiva jednak konvenčně, jednak progresivní semidestruktivní metodou plochých lisů.
4.1c), 4.2c), 4.3c)
4.1a), 4.2a), 4.3a) 600x450x1010 mm
1.1, 1.2, 600x140x620 mm
2.1, 2.2, 2.3 290x290x380 mm
4.1b), 4.2b), 4.3b)
3.1, 3.2 , 3.3 290x290x540 mm
Obr. 4.3.1.2.1 Přehled zkušebních pilířků, určených ke stanovení modulů pružnosti zdiva konvenčně a dvojicí plochých lisů, označena poloha sond při měření doby průchodu impulsu UZ vlnění Konvenční metoda stanovení modulů pružnosti zdiva (dle ČSN-EN 1052-1) byla použita při testování jedenácti zkušebních pilířků pod označením 4.1, 2, 3 a), 1.1, 2,
21
Tab. 4.3.1.2
Přehled sečnových modulů pružnosti zdiva, kalibrační konstanty KE pevnost malty v tlaku (MPa)
pilířek číslo
rozměry (mm)
datum zkoušky
(60 denní)
pevnost cihel v tlaku (MPa)
sečnový modul ve směru zatěž. Evi (MPa)
sečnový modul kolmo ke směru zatěž. Eoi (MPa)
receptura
1.1 1.2 2.1 2.2 3.1 3.2
600x620x140 290x380x290 0,9 290x540x290
2003
MV 3:1
13,9
4.1a)
kalibrační konstanta KE směr zatěž.
kolný směr
stlačovaná vrstva cihel
počet vrstev
118,8
-
8
109,9
-
8
219,3
1350,2
5
158,3
1649,3
5
162,2
1165,1
7
165,6
1041,7
7
164,5
1086,5
13
510,4
404,6
0,32
2,7
7
0,53
8,4
5
4.1b) P.L 600x1010x450 4.1c) P.L 4.2a)
351,1
178,5
254,1
1112,6
4.2b) 600x1010x450
349,0
343,1
0,47
3,2
7
4.2c)
354,7
181,9
0,53
8,3
5
301,3
5384,6
5
362,7
3733,3
7
348,1
2250,6
13
650,8
1029,4
0,56
3,6
7
400,6
790,1
0,75
6,8
5
1357,0
-
4496,4
-
2.3
290x380x290
3.3
290x540x290
4.3a) 4.3b) F.J. 600x1010x450 4.3c) F.J. 1 290x370x290 2 P.L
600x900x300
0,2 2004
1999
MV 4:1
1,8 MVC CEMIX11
P.L. – použití plochého lisu
22
13,9
21,6
13
5 0,3
5
2.1, 2, 3 a 3.1, 2, 3. Zjištěné konvenční moduly pružnosti zdiva slouží jednak k porovnání modulů pružnosti pilířků různých rozměrů, jednak k určení kalibrační konstanty KE, nezbytné pro aplikaci metody plochých lisů. Semidestruktivní metoda plochých lisů byla použita pro stanovení modulů pružnosti šesti větších pilířků pod označením 4.1, 2, 3 b) a 4.1, 2, 3 c). U každého z pilířků se jednalo o dva rozdílné pokusy na pěti a sedmi vrstvách cihelného zdiva. U všech pilířků byly stanoveny intervalové moduly samostatně pro každý zatěžovací stupeň a následně i jeden sečnový modul pro daný zkoušený pilířek. Stanovení intervalových modulů pružnosti bylo provedeno klasickým odečítáním podélných a příčných deformací zdiva při intervalově se zvyšujícím zatížení (∆σ = 0,2 MPa). Ke stanovení sečnových modulů pružnosti byl použit vztah z ČSN EN 1052-1: Ei =
Fi max 3ε i Ai
kde Ei Fi max εi
[MPa],
je sečnový modul pružnosti jednotlivého zděného tělesa, v [MPa], je největší dosažená hodnota zatěžovací síly jednotlivého zděného zkušebního tělesa, v [N] a je průměrné poměrné přetvoření jednotlivého zděného zkušebního tělesa při dosažení jedné třetiny pevnosti v tlaku.
Sečnový modul Ei zdiva každého zkušebního tělesa se vypočítá z průměrné hodnoty poměrných přetvoření ve čtyřech měřených místech tělesa pro napětí rovné jedné třetině pevnosti v tlaku. Předchozí tab. 4.3.1.2 obsahuje přehled sečnových modulů pilířků srovnávacích i sečnových modulů zdiva sevřeného plochými lisy. Je zřejmé, že hodnoty modulů pružnosti zdiva stanovené plochými lisy jsou větší než hodnoty modulů konvenčních. Pro praktické užití plochých lisů to znamená, že jimi stanovené moduly pružnosti zdiva je nutno násobit kalibračními konstantami KEi. Tyto kalibrační konstanty KEi se spočtou dle vztahu: K Ei =
φ Ei srov. Ei ploch.lis
kde φ Ei srov. je průměrný sečnový modul odpovídajících srovnávacích pilířků a Ei plochý lis je sečnový modul plochými lisy sevřeného zdiva. Obojí v [MPa]. Kalibrační konstanty KEi byly stanoveny pro vápenné a vápenocementové malty pevností 0,2, 0,9 a 1,8 MPa v tlaku a nabývají hodnot od 0,3 do 0,75 v případě stanovení modulu pružnosti ve směru zatěžování a od 2,7 do 8,4 v případě stanovení modulu pružnosti kolmo na směr zatěžování. Na základě již naměřených hodnot modulů byly sestaveny dvě praktické dvojice kalibračních křivek (obr. 4.3.1.2.2 a obr. 4.3.1.2.3), sloužící k rychlému odečtu hledaných kalibračních konstant KE. 23
KE - kalibrační konstanta
ploché lisy svírají 5 vrstev cihel 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
ploché lisy svírají 7 vrstev cihel Lineární (ploché lisy svírají 5 vrstev cihel)
y = -0,2801x + 0,7974 y = -0,2286x + 0,6057
0,0
0,5
Lineární (ploché lisy svírají 7 vrstev cihel)
1,0
1,5
2,0
pevnost malty v tlaku 60 - denní [MPa]
Výsledné kalibrační křivky semioválných plochých lisů - lineární (modul pružnosti - deformace ve směru zatížení)
Obr. 4.3.1.2.2
Výsledné kalibrační křivky (přímky) dvojice plochých lisů, deformace ve směru zatížení, stanovení modulu pružnosti
KE - kalibrační konstanta
ploché lisy svírají 5 vrstev cihel 10,0
ploché lisy svírají 7 vrstev cihel
y = -1,7668x + 8,1746
8,0
Lineární (ploché lisy svírají 5 vrstev cihel)
6,0
Lineární (ploché lisy svírají 7 vrstev cihel)
y = -0,8571x + 3,7714
4,0 2,0 0,0 0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
pevnost malty v tlaku 60 - denní [MPa]
Výsledné kalibrační křivky semioválných plochých lisů - lineární (modul pružnosti - deformace kolmo na směr zatížení)
Obr. 4.3.1.2.3
Výsledné kalibrační křivky (přímky) dvojice plochých lisů, deformace kolmo na směr zatížení, stanovení modulů pružnosti
Na obr. 4.3.1.2.2 jsou vyneseny dvě kalibrační křivky (každá pro jinou plochými lisy sevřenou vrstvu zdiva), platné pro stanovení modulů pružnosti (intervalových i sečnových) ve směru zatěžování, a na obr. 4.3.1.2.3 jsou vyneseny opět dvě kalibrační křivky, platné pro stanovení modulů pružnosti kolmo na směr zatěžování. Ze vzájemné polohy obou kalibračních křivek, platných pro 5 a 7 vrstev zdiva, vyplývá upřednostnění sevření slabší vrstvy zkoušeného zdiva (5 vrstev) z důvodu 24
vyšších hodnot kalibračních konstant KE. Pro správné použití kalibračních křivek je podstatná znalost pevnosti zdicí malty a výška sevřené vrstvy zkoušeného zdiva.
4.3.2
Aplikace ultrazvukové impulsní metody při zatěžování plochými lisy
Obr. 4.3.1.2.1 na str. 21 obsahuje třírozměrná schémata pilířků včetně označení místa přiložení a vzájemné orientace dvojic ultrazvukových sond pro stanovení doby a rychlosti průchodu ultrazvuku v zatěžovaném zdivu. Výsledky jednotlivých měření přístrojem TICO byly zaznamenány do tabulek, zkontrolovány a případně zkorigovány na základě záznamu z osciloskopu na přístroji BETONOSKOP pro danou měřící základnu a daný zatěžovací stupeň. Z naměřených časů a délek měřících základen byly stanoveny rychlosti šíření ultrazvukového impulsu konstrukcí pro každý zatěžovací stav. Tabelárně zpracované výsledky byly následně převedeny do grafické podoby formou spojnicových grafů, z nichž je nejlépe patrné, jak se mění rychlosti šíření ultrazvukového impulsu v závislosti na napětí a stavu konstrukce. Obr. 4.3.2.1 zobrazuje rychlost a čas šíření ultrazvukového impulsu v závislosti na zatěžovacím stupni na měřící základně 1 – 1´. Jedná se o vertikální povrchové (nepřímé) měření. Z grafu je patrné výrazné zvýšení rychlosti šíření ultrazvukového impulsu během prvních třech zatěžovacích stavů, kdy dochází k uzavírání a dotlačování spár v konstrukci. Obr. 4.3.2.2 zobrazuje rychlost a čas šíření ultrazvukového impulsu v závislosti na zatěžovacím stupni na měřící základně 2 – 2´. Jedná, se o horizontální povrchové (nepřímé) měření. Body A) a B) jsou téměř shodné jako u základny 1 – 1´. Dalším zajímavým bodem tohoto grafu je bod C), za nímž dochází k poklesu rychlostí indikujícímu porušení konstrukce. Při kombinovaném experimentálním měření na velkých cihelných pilířích se ukázalo, že existují závislosti mezi stavem napjatosti a rychlostí šíření ultrazvuku ve zdivu. Výsledky ultrazvukových měření poměrně dobře korespondují s výsledky naměřenými plochými lisy, zejména pokud se týče napjatosti v konstrukci a napjatostí v plochých lisech. Zároveň ultrazvukové měření citlivě reaguje na vznik a rozvoj trhlin ve svislém směru.
4.3.3 Zkoušení vlastností malty a cihel s aplikací ultrazvuku Cílem této části práce bylo ověřit možnosti nedestruktivního zkoušení malty a cihel na tělesech vyrobených ve formách i na tělesech přímo odebraných z cihelného zdiva. Pro nedestruktivní zkoušení malty byla použita ultrazvuková impulsní metoda, běžnými normovými postupy pak byly stanoveny následující vlastnosti malty: objemová hmotnost, pevnost v tlaku, pevnost v tahu za ohybu a statický modul pružnosti. 25
Na základě výsledků zkoušek různých vzorků malty s pevností přibližně od 0,4 MPa do 2,5 lze konstatovat, že existuje závislost mezi rychlostí šíření impulsů ultrazvukového vlnění a fyzikálně mechanickými vlastnostmi malty – pevností v tlaku, pevností v tahu za ohybu, statickým modulem pružnosti. Druhým výstupem experimentu je prokázání vlivu odsátí přebytečné vody z malty, které se nejvíce projevilo u malty uložené přímo ve spárách zdiva. Ultrazvuková měření ukázala velký nárůst hodnot pevností i modulů pružnosti ve spárách zdiva proti tělesům vyráběným ve formách, byť s odsátím vody pomocí gázy a filtračního papíru. Tento poznatek je důležitý zejména pro experimentální práce a modelování chování zděných konstrukcí. Nepřímé vertikální měření
1500 vuz [m/s]
600
B
1300
400
1100 900
200
A
700
1 - 1` t
4 1,
2
4/
1,
0 0,
0,
4/
1,
8 0,
4/
0,
6 0,
4/
0,
4 0,
4/
0,
2 0,
4/
0,
0
4/
0,
0,
4/
0,
0,
0/ 0,
1-1`v
0 0
500
tuz [µs]
1700
hydraulický lis / plochý lis [MPa]
Obr. 4.3.2.1 Rychlost a čas šíření UZ impulsu v závislosti na zatěžovacím stupni, základny 1 – 1` Nepřímé horizontální měření 1000
800
800
600
600
A)
2 - 2` v 2 - 2` t
4
0,
4/
1,
2
0,
4/
1,
0
0,
4/
1,
8 0,
6
4/ 0,
0,
4/
0,
4 0, 4/
0,
4/
0,
2
400
0 0, 4/
0,
0,
0/
0,
0
400
0,
vuz [m/s]
C)
tuz [ms]
B)
1000
hydraulický lis / plochý lis [MPa]
Obr. 4.3.2.2 Rychlost a čas šíření UZ impulsu v závislosti na zatěžovacím stupni, základny 2 – 2`
26
5
ZÁVĚR
Disertační práce představuje dlouhou dobu opomíjenou semidestruktivní metodu plochých lisů. Její velký význam byl prokázán jednak při ukázkových testech lokálního stavu napjatosti a modulu pružnosti cihelného zdiva, jednak v kombinaci s již déle používanou ultrazvukovou impulsní metodou. K popisu činnosti a vlastní kalibraci plochých lisů byly použity dostatečně velké neporušené vzorky zdiva zkoušené v laboratorních podmínkách. Teoretické i praktické výsledky výzkumu, popsané a představené v této práci, přímo determinují metodu plochých lisů k jejímu praktickému použití (určení stavu napjatosti, modulu pružnosti a pevnosti) na historické či současné zděné konstrukci. Souhrn tří dílčích výzkumných částí, představených v této disertační práci, sleduje dosažení vytčeného cíle, tedy získání dostatku podkladů pro zkoušky zdiva samotnými plochými lisy či s využitím kombinace plochých lisů a ultrazvukové impulsní metody. Na základě rekapitulace závěrů všech dílčích měření je možno konstatovat, že disertační práce jako celek přispěla k rozvoji teorie metodiky použití plochých lisů, obzvláště pak rozšířila pole kalibračních technologií s nezbytným teoretickým popisem a následným laboratorním ověřením limitujících okrajových podmínek použitelnosti metody. Dále práce přispěla svými teoretickými úvahami a prvními praktickými měřeními k dlouhodobému obtížnému hledání korelační závislosti mezi měřeními plochými lisy a rychlostí šíření UZ vln. Nejdůležitějším praktickým přínosem většiny dílčích projektů, popsaných v této práci, je bezesporu návrh jednotného metodického postupu pro praktické použití samotné metody plochých lisů jak pro stanovení lokálního stavu napjatosti, tak i pro stanovení modulu pružnosti cihelného zdiva. Ačkoliv se jedná u metody plochých lisů (i v kombinaci ultrazvukovou metodou) o velmi specializovanou činnost, předložené teoretické i praktické výsledky výzkumu technologií aplikace plochých lisů snad přispějí k širšímu a hlavně bezproblémovému používání metody odbornou stavební veřejností.
Disertační práce vznikla na základě řešení výzkumného úkolu GA ČR č. 103/97/S051 „Historické konstrukce a materiály při opakovaném namáhání“ část DSP 02/1 „Probabilitní modely chování historického zdiva“, mezinárodního výzkumného grantu „ONSITEFORMASONRY“ EVK-2002-00546 a výzkumného záměru VVZ MSM č. 261100007 „Teorie, spolehlivost a mechanismus porušování staticky a dynamicky namáhaných stavebních konstrukcí“.
27
6 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] Adámek, J., Stehlík, M.: Průběžná zpráva o řešení grantového úkolu GA ČR č. 103/97/S051 “Historické konstrukce a materiály při opakovaném namáhání”, část: DSP 02/1 “Probabilitní modely chování historického zdiva”, Brno, srpen 1999 [2] Adámek, J., Stehlík, M.: Výroční zpráva o řešení grantového úkolu GA ČR č. 103/97/S051 “Historické konstrukce a materiály při opakovaném namáhání”, část: DSP 02/1 “Probabilitní modely chování historického zdiva”, Brno, listopad 2000 [3] Adámek, J., Cikrle, P., Stehlík, M.: Correlation Between Data Double Flat-Jack Test and Sonic Velocities, průběžná zpráva mezinárodního úkolu „ONSITEFORMASONRY“ č.EVK4-2002-00546, řešeno v rámci výzkumného záměru VVZ MSM č. 261100007, leden 2004 [4] Bouška, P., Klečka, T., Pume, D.: Experimentální vyšetřování základních mechanických vlastností cihelného zdiva, Stavebné materiály a skúšobnictvo, Podbánské, 1998 [5] Derucher, K., N., Korfiatis, G., P.: Materials for Civil and Highway Engineers, Prentice Hall, Division of Simon and Schuster Englewoods Cliffs, New Jersey, 1988, ISBN 0-13-560509-1 025 [6] Gartner, O., Procházka, M.: Navrhování zděných konstrukcí, Ediční středisko VUT Brno, 1971, 55-631-71 [7] Hönig, A., Zapletal, V.: Nedestruktivní zkušebnictví, neprodejná skripta vydaná roku 1982 pro potřeby výuky v PGS na USI VUT v Brně [8] Kučera, V.: Zjišťování pevnosti malty ve stávající zděné konstrukci pomocí upravené ruční vrtačky, Praha, únor 1989 [9] Obraz, J.: Ultrazvuk v měřicí technice, SNTL – Nakladatelství technické literatury, Praha 1976 [10] Obraz, J.: Zkoušení materiálu ultrazvukem, SNTL – Nakladatelství technické literatury, Praha 1989 [11] Pume, D., Čermák, F. a kol.: Průzkumy a opravy stavebních konstrukcí, ABF nadace pro rozvoj architektury a stavitelství, Nakladatelství ARCH, Praha 1993 [12] Pume, D., Košatka, P.: Betonové konstrukce 20, část Zděné konstrukce, Navrhování podle Eurokódu 6, I. + II. díl, vydavatelství ČVUT, 1998, ISBN 80-01-01884-9 [13] Rossi, P.P.: Analysis of Mechanical Characteristic of Brick Masonry Tested by Means of Non-Destructive in Situ Tests, 6th International Brick Masonry Conference, Rome, May 1982, ISMES Bergamo [14] Witzany, J., Čejka,T., Zigler, R.: Únosnost tlačených zděných pilířů, Stavební obzor, ročník 12, číslo 5/2003
28
7 AUTOROVO CURRICULUM VITAE Osobní data: Jméno: Michal Stehlík Narozen 23. 4. 1967 v Brně adresa: Náhoní 15, Brno, 616 00, tel.: 543241046, E-mail:
[email protected] Vzdělání: 1981-1985 Gymnázium 1985-1990 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, obor studia: Vodní hospodářství a vodní stavby 2001- dosud Doktorský studijní program, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavebního zkušebnictví, distanční forma studia 2004- Vykonána státní doktorská zkouška Praxe: 1991-1994 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav podzemních vod, výzkumný pracovník; řešení problémů: hydrotechnický výzkum, kuličkové, štěrbinové, analogové a počítačové modelování proudění podzemních vod, základní výzkum 1994 - dosud Ústav stavebního zkušebnictví, asistent-akad. pracovník; řešení problémů: nové stavební materiály, snížení pevnosti dřeva stárnutím a b iologickými vlivy, materiálové a přetvárné vlastnosti zděných konstrukcí, ploché lisy,ultrazvuk Výuka: Vedení předmětů Hydraulika, Vodní hospodářství a Vodní stavby, 19911994; vedení předmětu Stavební látky (česky a anglicky), 1994-dosud; Nedestruktivní zkušebnictví, 1994-1996; vedení předmětu Nové konstrukční materiály a dílce (česky,anglicky), 1996-dosud; vedení předmětu Základy stavebního zkušebnictví, 2001-dosud; přednášky předmětu Properties and Testing of Materials (anglicky), 1998-dosud; přednášky předmětu Construction Materials and Segments (anglicky), 1998-dosud; vybrané přednášky předmětu Stavební látky, 2000-dosud Odborná vědecko-výzkumná činnost: 1998-2000 spoluřešitel grantového úkolu GA ČR č. 103/97/S051 „Historické konstrukce a materiály při opakovaném namáhání”, část: DSP 02/1 “Probabilitní modely chování historického zdiva“ 2002-2004 spoluřešitel mezinárodního grantového úkolu „ONSITEFORMASONRY“ EVK – 2002 – 00546 v rámci výzkumného záměru VVZ MSM č. 261100007
29
8 ABSTRACT The important objective of this doctoral thesis is both theoretical and practical extension of the semidestructive testing methods with an innovative flat-jack method. Also significant is the attempt at a common measurement by both the flatjack method and the ultrasonic pulse method. The first sectional research project of the thesis concentrated on the search for the calibration procedures, enabling the later practical use of the flat-jack method for the determination of the state of stress and the elasticity modulus of brick masonry. In the case of the state of stress, three calibration procedures were suggested, marked A, B and C. The calibration procedure C was chosen as the most suitable one, because it reflected most of all the real procedure of determination of the local state of stress of brick masonry. The second sectional research project extended both theoretical and practical knowledge of the chosen calibration procedure C, which is used for the detrmination of the local state of stress of the construction. The output of this part of the thesis are three resulting calibration curves. From these we can read the value of calibration coefficient, required for the correction of the masonry strength, determined by a flatjack on a real construction. The end of this project deals with compiling the „Guiding technological regulation“, as guidelines for the determination of the masonry state of stress for the technical general public. The third and last research project completes, both theoretically and practically, the knowledge of the calibration of a couple of flat-jacks meant for the determination of the elasticity modulus of masonry. The most important output are two calibration curves, necessary for the determination of the corrective calibration constant. It is necessary to multiply this constant by the elasticity modulus of the clamped part of the real masonry determined practically by a couple of flat- jacks. Another part of the final research project deals with obtaining sufficient data for masonry tests with the use of a combination of flat jacks and the ultrasonic pulse method. By combined measurements on great brick piers it turned out that there exists a dependence of the state of stress and the speed of ultrasonic velocity spread in masonry. The last part of the project determines the properties of brick masonry components, and it predominantly compares the physical-mechanical properties with the time of passage of ultrasonic waves. Very interesting appears to be the fact that there exists a dependence of the speed of ultrasonic pulse spread and the compression strength, tensile strength in bending and the static elasticity modulus of the mortar or brick tested. The doctoral thesis as a whole contributed to the development of the theory of the methodology of the use of flat-jacks, it especially extended the field of calibration technologies with the necessary definition of the limiting border conditions. The published results of the research will perhaps contribute to a wider and mainly smooth use of the flat-jack method by the technical building public.
30
