TA Sanace tunelů - technologie, materiály a metodické postupy Zesilování Optimalizace

Transkript

1 Jaroslav Lacina, Martin Zlámal SANACE TUNELŮ TECHNOLOGIE A MATERIÁLY, SPÁROVACÍ HMOTY PRO OSTĚNÍ TA Sanace tunelů - technologie, materiály a metodické postupy Zesilování Optimalizace Petr ŠTĚPÁNEK, Ivailo TERZIJSKI, Martin ZLÁMAL, Jaroslav KADLEC, Ivana LANÍKOVÁ Ústav betonových a zděných konstrukcí, Fakulta stavební Brno Vlastimil Horák, Jaroslav Lacina Amberg Engineering CZTA TUNELŘSKÉ ODPOLEDNE 2/ ŽELEZNIČNÍ TUNELY, SOUČASNOST A BUDOUCNOST Tunelářské odpoledne 1

2 ÚVOD Cíle projektu Zvýšení životnosti návrh sanační směsi, Zvýšení únosnosti zesílení ostění dodatečná vrstva betonu, Optimalizace zesílení. 2

3 ÚVOD Chování betonu na styku dvou vrstev betonů slabé místo Chování kompozitní (FRP) a betonářské výztuže Je důležité porozumět chování rozhraní mezi vrstvami betonu 3

4 Mechanismus přenosu smyku pro beton Mechanické propojení (Mechanical interlocking) Soudržnost τ a (s) Tření τ sf (s) Hmoždinkový efekt τ sr (s) 4

5 S výztuží Bez výztuže Přehled literatury a norem (předpisů) Proměnné MC2010 MC1990 EC 2 ACI BS 8110 CAN A JSCE c a f ct f c f ct,2 µ σ n Drsnost povrchu τ R,min [MPa] ~ τ R [MPa] c a f ct f c f ct,2 µ σ n Drsnost povrchu ρ ρ min [%] f y θ κ τ R,max [MPa] τ R f ct f c odolnost povrchu ve smyku; pevnost betonu v tahu; pevnost betonu v tlaku; f ct,2 pevnost v tahu dodatečného betonu; c a μ σ n ρ f y θ κ soudržnost; součinitel tření; normálové napětí; stupeň vyztužení smykovou výztuží; mez kluzu výztuže, úhel mezi rovinou smyku a výztuží; součinitel interakce výztuže a betonu. 5

6 Výzkum Sand patch test Hloubka textury 1.5 mm hladký povrch 6

7 Výzkum Vliv drsnosti povrchu Smyková únosnost (model code 2010) τ u =c a f ctd + µσ n Pokud je smyková únosnost vzorků různá, Normálové napětí σ n =0, A soudržnost c a = konstantní/podobná smyková únosnost musí záviset na f ct,2 7

8 Zkoušky smykové únosnosti 8

9 Výzkum Přímý test smykové únosnosti Série A: 800x800x300 mm; 4φ8 (ocel) or 4φ10 (GFRP); 1) špatná/špatná kvalita betonu 2) špatná/dobrá kvalita betonu 3) dobrá/dobrá kvalita betonu Kvalita Pevnost Pevnost v tlaku v tahu 1. Špatná / Špatná 51,5 / 42,5 3,3 / 2,9 2. Špatná / Dobrá 19,5 / 63,9 1,7 / 3,8 3. Dobrá / Dobrá 51,3 / 53,1 3,3 / 3,4 9

10 Výzkum Přímý test smykové únosnosti Série B: 400x400x300 mm; 2,4,8,16φ8 (ocel) or 2,4,8,16φ10 (GFRP); - pouze špatná/dobrá kvalita betonu 10

11 Výzkum Přímý test smykové únosnosti Rozhraní beton-beton Typické chování s malým stupněm vyztužení Série A: 4 trny a Série B: 2 trny (stupeň vyztužení ρ < 0,1 ) 11

12 Výzkum Přímý test smykové únosnosti Rozhraní beton-beton Typické chování s malým stupněm vyztužení Série B: 4 trny (stupeň vyztužení ρ = 0,2 ) 12

13 Výzkum Přímý test smykové únosnosti Rozhraní beton-beton Typické chování s vyšším stupněm vyztužení Série B: 8 a 16 trnů (stupeň vyztužení ρ = 0,4, resp. 0,8 ) 13

14 Závěr Přímý test smykové únosnosti Rozhraní beton-beton Série A: 800x800 mm; 4 trny Závislost na kvalitě betonů 1) špatná/špatná kvalita betonu 2) špatná/dobrá kvalita betonu 3) dobrá/dobrá kvalita betonu Kvalita Pevnost Pevnost v tlaku v tahu 1. Špatná / Špatná 51,5 / 42,5 3,3 / 2,9 2. Špatná / Dobrá 19,5 / 63,9 1,7 / 3,8 3. Dobrá / Dobrá 51,3 / 53,1 3,3 / 3,4 14

15 Závěr Přímý test smykové únosnosti Rozhraní beton-beton Série A: 800x800 mm; 4 trny Závislost na tahové pevnosti dodatečného vrstvy betonu f ct Kvalita Pevnost Pevnost v tlaku v tahu 1. Špatná / Špatná 51,5 / 42,5 3,3 / 2,9 2. Špatná / Dobrá 19,5 / 63,9 1,7 / 3,8 3. Dobrá / Dobrá 51,3 / 53,1 3,3 / 3,4 15

16 Závěr Přímý test smykové únosnosti Rozhraní beton-beton Série B: 400x400 mm; 2-16 trnů; porušení spáry/rozhraní Závislost na počtu trnů 16

17 Závěr Přímý test smykové únosnosti Rozhraní beton-beton Série B: 400x400 mm; 2-16 trnů; porušení spáry/rozhraní Závislost na tahové pevnosti dodatečného vrstvy betonu f ct

18 Závěr Přímý test smykové únosnosti Rozhraní beton-beton Série B: 400x400 mm; 2-16 trnů; porušení prvku/výztuže Závislost na počtu trnů 18

19 Závěr Přímý test smykové únosnosti získané výsledky poukazují na relativně dobrý souhlas s návrhovými předpisy, vlastnosti přidané vrstvy betonu jsou rozhodující pro smykovou únosnost rozhraní doplnění norem, bylo prokázáno podobné chování FRP a ocelové výztuže. 19

20 TA Sanace tunelů - technologie, materiály a metodické postupy Praktická aplikace optimalizace zesílení kolektoru Petr ŠTĚPÁNEK, Ivailo TERZIJSKI, Martin ZLÁMAL, Jaroslav KADLEC, Ivana LANÍKOVÁ Ústav betonových a zděných konstrukcí, Fakulta stavební Brno Vlastimil Horák, Jaroslav Lacina Amberg Engineering CZTA TUNELŘSKÉ ODPOLEDNE 2/ ŽELEZNIČNÍ TUNELY, SOUČASNOST A BUDOUCNOST

21 Primární kolektor Svitavské nábřeží mezi šachtami Š6a a Š24 příčný průřez části tunelu 21

22 Výsledky průzkumů z roku 2014 první fáze výstavby druhá fáze výstavby Výron vody a bahna v pracovní spáře mezi podlahou a ostěním chodby Lokální degradace ostění kolektoru 22

23 Detail výronů vody kolem konzol Síť trhlin s výluhy, lokální sanace kolem ocelových konzol Injektáž paty ostění kolektoru proti průniku podzemní vody 23

24 Návrh sanace ostění Tloušťka ostění h =? aby cena výstavby byla minimální Materiál: Stříkaný beton C25/30 Výztuž B 500 B nebo GFRP výztuž Úloha optimalizace s účelovou funkcí C = min a omezujícími podmínkami uvedenými dále 24

25 Diskretizace ostění pro výpočet MKP Konečné prvky e 1,, e 20 Prvky dna e 21,, e 25 nepodléhající optimalizaci 25

26 Optimalizované proměnné Plochy příčné výztuže h i tloušťka ostění A s1,i, A s2,i, plochy hlavní výztuže A sr1,i, A sr2,i plochy příčné výztuže jsou definované pro každý element e i pomocí vektoru optimalizovaných proměnných T x i = h i, A s1,i, A s2,i, A sr1,i, A sr2,i Plochy hlavní výztuže 5 x 20 = 100 optimalizovaných proměnných 26

27 Omezující podmínky: MSU průřez 1 MSP podmínky rovnováhy (MKP) K ULS u ULS = F ULS podmínky spolehlivosti ε se ε sr and ε ce ε cr podmínky rovnováhy (MKP) K SLS u SLS = F SLS posun, pootočení v uzlu u min u SLS u max průřez 2 Winkler s constant k matice ohybových tuhostí K j = K B,j + K k,j pro j = ULS, SLS matice tuhosti podloží Winkler model průřez pro výpočet tuhosti B s vlivem trhlin 27

28 Omezující podmínky: konstrukční zásady: plocha hlavní výztuže A s1, A s2 A s,min A s1 + A s2 A s,max plocha příčné výztuže A sr1, A sr2 A sr,min A sri 0,25A s,i, i = 1, 2 tloušťka tunelu (požadavky uživatele) h min h h max 28

29 Omezující podmínky: další omezující podmínky zadané uživatelem Stejné vyztužení (plochy výztuží) A s1,i, A s2,i, vybraných konečných prvků - výztužné typy možnost zohlednit i kotevní délky těchto výztužných typů v účelové funkci Konstantní tloušťka celého ostění, nebo jen vybraných prvků 29

30 Poloha tunelu, zatížení a zatěžovací stavy Kombinace zatěžovacích stavů CL1 1) CL2 1) CL3 1) CL4 1) CL5 1) CL6 1) CL13 CL14 Vlastní tíha tunelového ostění ,35 1,35 1,35 1 1,35 Zemní tlak ,35 1,35 1, Tlak vody 0,8 1 1,27 0,8 1 1,27 1,27 1,27 1) pro koeficient zemního tlaku K 0 = 0,593, kombinace CL7 až CL12 pro K 0 = 1,25 30

31 Cena výztuže za kg [Kč/kg] Použité materiály a jejich ceny Stříkaný beton C25/30 standardní cena cca ,- Kč/m 3 minimální cena cca 7 000,- Kč/m 3 Betonářská výztuž B500B Kompozitní výztuž GFRP charakteristická hodnota pevnosti v tahu 609 MPa, střední hodnota modulu pružnosti 36 GPa, charakteristická hodnota mezního poměrného přetvoření 1,73%, objemová hmotnost 2100 kg/m 3. 30,- Kč/kg výztuže Průměr [mm] Cena [Kč/m] ,00 y = /As R² = ,00 600,00 400,00 200,00 0,00 Aproximace ceny /As [mm -2 ] na metr šířky Cena Lineární (Cena)

32 Varianty s konstantní výztuží po obvodě Tloušťka ostění a plochy výztuží Varianta řešení Ocel_10 Ocel_7 GFRP_10 GFRP_7 Tloušťka ostění [mm] A s1 [mm 2 ] A s2 [mm 2 ] Ceny Varianta řešení Ocel_10 Ocel_7 GFRP_10 GFRP_7 Cena za beton Kč Kč Kč Kč Cena za výztuž Kč Kč Kč Kč Cena celkem Kč Kč Kč Kč Poznámka: tloušťka ostění je konstantní 32

33 Varianty s více výztužnými typy - ocelová výztuž Varianta Ocel_10 Varianta Ocel_7 Poznámka: tloušťka ostění je konstantní Obr. 1 Návrh ploch výztuže pro varianty s ocelovou výztuží 33

34 Varianty s více výztužnými typy - GFRP výztuž Varianta GFRP_10 Varianta GFRP_7 Poznámka: tloušťka ostění je konstantní Obr. 1 Návrh ploch výztuže pro varianty s GFRP výztuží 34

35 Porovnání cen Varianty s konstantní výztuží po obvodě Varianty s více výztužnými typy Varianty způsobu vyztužení GFRP výztuž +49% +51% -14 % -18% -15% -15% +49% +55% 35

36 PODĚKOVÁNÍ Poděkování Příspěvek vznikl za podpory TA ČR, projekt č. TA Sanace tunelů - technologie, materiály a metodické postupy. Kontakt Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Veveří 331/ Brno Česká republika zlamal.m@fce.vutbr.cz 36