ISPITIVANJE POCINČANOG ANKERA
Lejla Huseinspahić
Rezime: U ovom radu opisane su metode ispitivanja pocinčanih
ankera. Sva ispitivanja se vrše prema BAS EN ISO standardima, koji
su prhvaćeni odlukom Instituta za standardizaciju Bosne i
Hercegovine. Od mehaničkih ispitivanja vrši se ispitivanje na
zatezanje prema BAS EN ISO 15630-1 standardu za ispitivanje čelika
za armiranje i prednapregnuti beton- Ispitne metode- Dio 1: Šipke,
užad i žice za armiranje (EN ISO 15630-1: 2010; ITD; ISO 15630-1:
2010, ITD), dok se mjerenje debljine nanosa cinka vrši prema ISO
1463 standardu za mjerenje metalnih i oksidnih prevlaka- Mjerenje
debljine premaza- Mikroskopske metode. Ovaj seminarski rad se
temelji na izvještajima ispitivanja ankera sa Metalurškog instututa
„Kemal Kapetanović“ Zenica, te bih se ovom prilikom zahvalila
osoblju instuta, koje mi je omogućilo korištenje potrebne
literature.
Ključne riječi:
Ankeri, sidra, standard, zatezanje, lom, prevlaka, cink
1. UVOD
Ankeri ili sidra su konstruktivni elementi u obliku čeličnih
štapova ili kablova, koji ima statičku funkciju. Ugrađuju se u
bušotinu. Po pravilu, ankeri preuzimaju opterećenje od stijenske
mase ili tla, ili se putem ankera unose sile i time se postiže
korisno prednaprezanje.
Njegovi dijelovi su:
· Vrh ili matica za usidrenje
· Glava sidra za nalijeganje na slobodnu površinu stijene
· Zaštitna cijev
· Čelično tijelo sidra
· Sidrišno, valjkasto tijelo
· Podložna pločica
Slika 1. Skica dijelova ankera [1]
S obzirom na neke karakteristike, ankeri se mogu podijeliti
na:
· Štapni ankeri – koja predstavljaju čeličnu šipku, koja je
usidrena u stijeni, i to na njenom karaju putem mehaničkog
uklještenja, ili po cijeloj dužini putem adhezije.
· Kablovski ankeri – predstavljaju snop čeličnih žica, koja se
sidre adhezijom u tzv. središnjoj dionici.
Prema načinu aktiviranja sile imamo podjelu na:
· pasivne ankere i
· prednapregnute ankere
Prema načinu prenosa slie, ankere dijelimo na:
· Linijske – sila se prenosi duž čitavog ankera
· Tačkasti – prenos sile na ograničenom donjem dijelu ankera
Osnovni tipovi ankera:
· Ankeri sa klinom
· Ankeri sa ekspanzivnim čahurama
· Perfo ankeri
· Ankeri sa tehničkim smolama
· Ankeri sa cementnim patronama
· Ankeri za nevezane materijale
· Cijevasti ankeri (sistem SWELLEX)
· „SN“ ankeri
· Kablovski ankeri
· Štapni ankeri visoke nosivosti (sistem „Dywidag“)
2. ANKERI- NAČIN PRIJENOSA SILE U TLO
Lom ankera može nastati na jedan ili više od slijedećih
načina:
- lom po spoju injekcijskog (sidrišnog) tijela i tetive
- lom po spoju injekcijskog (sidrišnog) tijela i tla/stijene
- lom unutar mase tla/stijene
- lom čelične tetive ili njenih komponenti
- drobljenje injekcijskog tijela oko tetive
- lom naglavne konstrukcije ankera u grupi
Potrebno je kod dimenzioniranja ankera provjeriti svaki od
navedenih uvjeta. Posebno je potrebno provjeriti i globalnu
stabilnost cijele konstrukcije koja je pridržana ankerima.
2.1 Lom po spoju injekcijskog (sidrišnog) tijela i tetive
Otpor na spoju čeličnog tijela tetive i injekcijskog tijela ima
iskustvene vrijednosti oko 0.23 – 1.10 N/mm2 (za injekcijsko tijelo
od cementa). Ovisi i o vrsti tetive (vrta čelika, način obrade
površine,..).
Prijenos sile preko ploče na kraju ankera stvara u sidrištu
pritisna naprezanja i sprječava stvaranje pukotina u tijelu
sidrišta.
Slika 2. Mogući načini prijenosa sile iz tetive na tijelo ankera
[2]
2.2 Lom po spoju injekcijskog (sidrišnog) tijela i
tla/stijene
Silu S, čelično tijelo sidra (tetiva) prenosi na sidrišno
tijelo, a ono na tlo (lom po spoju injekcijskog tijela i
tla/stijene). Pri tome je nosivost na plaštu sidrišnog tijela:
Sfc= τ ∙ 2rp∙ Ls[6]
gdje su:
· LS – dužina sidrišnog tijela
· r - polumjer presjeka sidrišnog tijela
· τ - prionjivost
Za koherentno tlo prionjivost se može odrediti kao: τ= α∙c+sn
∙tgf
Gdje su:
α - koeficijent prionjivosti (αc je adhezija)
sn – geostatičko naprezanje normalno (okomito) na površinu
sidrišnog tijela
f- ugao tla
Prionjivost (τ) ovisi o vrsti tla u koje se sidro ugrađuje i o
tlaku prilikom injektiranja.
Slika 3. Nosivost dionice ankera u ovisnosti o vrsti tla i
pritisku injektiranja [1]
Tabela 1. Iskustvene vrijednosti prionjivosti [1]
2.3 Lom unutar mase tla/stijene
Lom unutar mase tla/stijene može nastati samo kod kratkih
ankera. Nosivost s obzirom na ovaj oblik loma se analizira na isti
način kao i vlačni temelj.
Slika 4. Formiranje zone loma ( unutar mase tla/stijene) kod
kratkog ankera [6]
2.4 Lom čelične tetive ili njenih komponenti
Nosivost tijela (tetive) sidra ovisi o vrsti materijala (čelika,
stakloplastike) od kojeg se tetiva izrađuje. Podatak se najčešće
može dobiti od proizvođača ili se izračunava na osnovi svojstava
materijala (dimenzioniranje čelične konstrukcije EC3)
Za proračun se koristi granica popuštanja ("yield load") – ova
vrijednost se prema BAS EN 6892-1 naziva "karakteristična otpornost
tetive".
Slika 5. Primjer podataka iz kataloga za štapni anker [6]
3. PREDNAPREZANJE
U građevinama, u kojima je anker temeljni dio potpore, za
učinkovitost ankera bitno je prednaprezanje. Prilikom naknadnih
pomaka u usidrenom tlu, u ankeru nastaje samonaprezanje, povećanje
sile uslijed novonastalog pomaka u tlu.
Prema BAS EN 16530-1 preporučuje se da sila prednaprezanja bude
do 65% kritične nosivosti tetive ankera.
Kada bi se tlo ispod glave sidra s vremenom moglo pomaknuti baš
za vrijednost Δle (izduženje tetive ankera pri prednaprezanju), u
smjeru prednaprezanja, sila prednaprezanja bi pala na nulu. Prema
tome, proizlazi zaključak da treba težiti da omjer Δle /Δlt
(izduženje tetive/pomak tla ispod glave ankera), bude što veći.
Kako je pomak tla ispod glave sidra funkcija svojstava tla pa se na
to teško može utjecati, preostaje da se djeluje na vrijednost,
Δle.
Ako je tetiva (užad ili štap) glavni dio ankera unutar kojeg se
ostvaruje izduženje Δle, prema Hooke-ovu zakonu može se pisati:
To znači da će izduženje tetive Δle, pri nekoj sili Sp, biti
veće, što je duža slobodna dionica Lf, manja površina presjeka
tetive F, i manji modul elastičnosti E. Prema ISO 16530-1: 2010,
preporučena najmanja duljina slobodne dionice prednapregnutog
ankera treba biti 5 m.
4. ISPITIVANJE ANKERA
Kod ankera vršimo dvije vrste ispitivanja:
· Ispitivanje ankera na zatezanje
· Ispitivanje debljine pocinčanog sloja
4.1 ISPITIVANJE ANKERA NA ZATEZANJE
4.1.1 Opće pripreme ispitivanja na zatezanje
Ispitivanje ankera na azetazanje se vrši prema standardu BAS EN
ISO 15630-1; 2010, ITD; ISO 15630-1:2010, ITD (standard za
mehaničko ispitivanje šipki, užadi i žica za armiranje).
Ukoliko nije drugačije specificirano ili zahtjevano standardom,
uzorak za ispitivanje proizvoda se odsijeca od šipke, užeta ili
žice (u ovom slučaju ankera) u stanju u kojem je proizvod primljen
na ispitivanje.
U slučaju kada je uzorak za ispitivanje savijen, potrebno ga je
ispraviti uz minimalnu pojavu plastične deformacije.
Ukoliko se standardom ne zahtjeva drugačije, potrebno je
primijeniti sljedeće: uzorak se zagrijava na 100˚C i zadržava na
toj temperaturi (˚C) jedan sat min, a zatim se hladi na mirnom
zraku do sobne temperature.
4.1.2 Proces ispitivanja na zatezanje
Mašina na kojoj vršimo ispitivanje (kidalica) mora biti
kalibrisana i verifikovanau skladu sa ISO 7500-1 i barem klase
1.
Ukoliko je korišten ekstenzometar, on mora biti barem klase 1 u
skladu sa ISO 9513 za određivanje Rp0,2 (granica tečenja
materijala) i barem klase 2 za određivanje Agt (izduženje epruvete
pri maksimanoj sili Fm). Korišteni ekstenzometar mora imati mjerilo
barem 100 mm.
Slika 6. Univerzalna kidalica Inspekt [2]
Epruveta je tijelo standardiziranog oblika i dimenzija, izrađeno
od uzorka (komada metala odabranog za ispitivanje) i pripremljeno
za ispitivanje. Mogu biti:
· tehničke (neobrađene)
· standardne (normalne i proporcionalne)
Slika 7. Standardna epruveta za ispitivanje zatezanjem [1]
Ispitivanje zatezanja se obavlja po standardu ISO 6892-1. Za
određivanje Rp0,2, ukoliko je dijagram sila- izduženje ograničen
ili mu je uspravna osa (F) nejasno definisana, potrebno je
koristiti jednu od sljedećih metoda:
· procedura preporučena standardom ISO 6892-1
· uspravna osa dijagrama sila- izduženje će se smatrati linijom
koja povezuje tačke koje odgovaraju 0,2Fm i 0,5Fm (Fm- maksimalna
sila zatezanja).
U slučaju bilo kakvih nejasnoća, potrebno je izabrati drugu
metodu.
Ispitivanje se može smatrati nevažećim ukoliko se ugao nagiba
razlikuje za više od 10% od teorijske vrijednosti modula
elastičnosti. Za proračun svostava elastičnosti ( ReH or Rp0,2, Rm)
koristi se nominalni poprečni presjek, osim ako je drugačije
naznačeno u standardu.
Ukoliko se lom desi u steznom dijelu epruvete ili na rastojanju
od steznog dijela za manje od 20 mm ili dužine poprečnog presjeka
(ukoliko je ona veća od 20mm), ispitivanje se smatra nevažećim.
Za određivanje procenta izduženja nakon pucanja (A), početna
mjera dužine mjernog dijela epruvete treba biti pet dužina početnog
poprečnog presjeka(d), osim ako je drugačije zahtjevano standardom.
U slučaju bilo kakvih nesigurnosti, A je potrebno izmjeriti
ručno.
Za određivanje procenta krajnjeg izduženja pri maksimalnoj sili
(Ag), primjenjujemo ISO 6892-1 uz sljedeću izmjenu:
· ako se Agt ručno određuje nakon pucanja epruvete, koristimo
sljedeću formulu:
gdje je Ag procentno neporporcionalno izduženje pri maksimalnoj
sili.
Slika 8. Tehnička epruveta (uzorak ankera) prije i poslije
ispitivanja zatezanjem [5]
Ag se mjeri na onom dijelu epruvete koji je duži nakon pucanja,
na mjernoj dužini od 100mm, što je moguće bliže lomu, ali na
rastojanju od r2, dužine barem 50mm ili 2d(uzima se veća
vrijednost), od mjesta pucanja epruvete. Ovo mjerenje se može
smatrati nevažećim ako je razdaljina r1 između steznih dijelova
epruvete i mjerne dužine manja od 20mm ili d (uzima se veća
vrijednost). U slučaju bilo kakvih sigurnosti, primjenjuje se
metoda ručnog mjerenja.
Slika 9. Mjerenje Agt ručnom metodom [3]
4.1.3 Predstavljanje rezultata ispitivanja na zatezanje
Pri ispitivanju ankera na zatezanje mjere se napon tečenja ReH,
zatezna čvrstoća Rm, procentualno ukupno izduženje kod maksimalne
sile za l0=100mm i izduženje za l0=5d. Izmjereni podaci se unose u
tabelu (tabela 2.). Na osnovu podataka o sili koju primjenjujemo i
veličini poprečnog presjeka epruvete, možemo izračunati napon koji
se javlja u epruveti pri zatezanju. Podatke o naponu i izduženju
mjernog dijela epruvete unosimo u dijagram (slika 10.) i to je
najvažniji prikaz rezultata ispitivanja.
Tabela 2. Primjer prikaza rezultata ispitivanja ankera na
zatezanja [5]
Oznaka uzorka
Mark of sample
Podaci o epruveti
Specimens data
Napon tečenja
Yield strength
ReH(N/mm2)
Zatezna čvrstoća
Tensile Strength
Rm(N/mm2)
Procentualno ukupno izduženje kod max. sile
za l0=100 mm
Percentage total elongation at max force Agt (%)
Izduženje
za lo=5do
Elongation
(%)
Promjer
Diameter
(mm)
Površina
Area
(mm2)
Uzorak orebrenog betonskog čelika ϕ 14 mm poz. 1
14,00
153,94
551
625
8,5
20,5
0 3 6 9 12 15 18 21
Napon/Stress, N/mm2
Izduženje/Elongation, %
Slika 10. Primjer prikaza rezultata ispitivanja zatezanjem na
dijagramu [5]
4.2 ISPITIVANJE DEBLJINE NANOSA CINKA NA ANKERU
4.2.1 Opće pripreme ispitivanja debljine nanosa cinka
Dio uzorka odsijeca se od tehničke epruvete (ankera) i priprema
za ispitivanje. Poprečni presjek koji se ispituje priprema se
odgovarajućim tehnikama brušenja, poliranja i graviranja, koje su
definisane standardom ISO 1463:2003. Debljina nanosa cinka na
poprečnom presjeku koji ispitujemo mjeri se odgovarajućom
kalibrisanom skalom, a koristi se mikroskopska metoda
ispitivanja.
Slika 11. Prikaz pocinčanog sloja na ankeru [5]
4.2.2 Faktori nesigurnosti mjerenja
Da bismo izmjerili debljinu pocinčanog sloja na ankeru, potrebno
je osigurati da ne dodje do grešaka pri mjerenju, koje su navedene
u nastavku.
1. Hrapavost površine
Ukoliko prevlaka ili njena podloga imaju grubu površinu, jedna
ili obje površine u poprečnom presjeku mogu biti toliko nepravilne
da sprečavaju pouzdano mjerenje.
Slika 12. Površina za ispitivanje i njen poprečni presijek
[5]
2. Koničnost poprečnog presjeka
Ako ravan poprečnog presjeka nije paralelna ravni prevlake,
izmjerena vrijednost će biti veća od stvarne vrijednosti deljine,
na primjer ako je ugao konusa 10˚ greška mjerenja će biti 1,5%.
3. Deformacija prevlake
Štetna deformacija prevlake uzrokovana je primjenom prevelike
temperature ili pritiska pri pripremi poprečnog presjeka kod mekih
prevlaka ili prevlaka koje se tope na visokim temperaturama, ali i
pri prevelikoj abraziji kod pripreme krtih materijala.
4. Zaobljenost rubova prevlake
Ako su rubovi poprečnog presjeka prevlake zaobljeni, stvarna
vrijednost debljine se ne može mjeriti mikroskopskom metodom.
Zaobljenost rubova može biti uzrokovana nepravilnom pripremom
uzorka, brušenjem, poliranjem ili graviranjem.
5. Graviranje
Rezultat optimalnog graviranja je jasno definisana i tanka tamna
linija na dodiru dva metala (osnovnog materijala i prevlake).
Pretjerano graviranje može rezultirati nejasno definisanu široku
liniju, zbog čega može doći do nepravilnog mjerenja.
6. Razmazivanje
Nepravilno poliranje ili zaštita prevlake materijalom male
tvrdoće mogu uzrokovari razmazivanje jednog metala preko drugog,
zbog čega granica između prevlake i supstrata može biti
nejasna.
7. Uvećanje
Za bilo koju debljinu prevlake, mjerna nesigurnost se povećava
sa smanjenjem uvećanja. Uvećanje je potrebno odabrati tako da je
vidno polje između 1,5 i 3 puta debljine prevlake.
8. Kalibracija mikrometra
Bilo kakva greška pri kalibraciji mikrometra pokazat će se pri
mjerenju uzorka. Greška u malim procentima je realna i prihvatljiva
ako je mikrometar kalibrisan i certificiran na pravi način.
9. Kalibracija mikrometra na okularu
Mikrometar na okularu osigurava najveću tačnost mjerenja
izvršenih na uzorku koji se ispituje. Mjerenje će biti onliko
pouzdano koliko i kalibracija okulara. Dozvoljena greška pri
ponavljanoj kalibraciji okulara je svega 1%.
10. Poravnanje
Pri pomijeranju mikrometra na okularu može doći do greške u
mjerenju. Da bi se ova greška izbjegla potrebno je osigurati da se
pomijeranje okulara zbog poravnanja uvijek vrši u istom pravcu.
11. Uniformnost uvećanja
Pošto može doći do greške ukoliko uvećanje nije uniformno u
cijelom vidnom polju, potrebno je osigurati da su i kalibracija i
mjerenje vršeni na istom dijelu polja, gdje su izmjerene granice
centritane zajedno sa optičkim osama.
12. Kvalitet objektiva
Kako manjak oštrine slike može dovesti do nesigurnosti u
mjerenju, potrebno je osigurati korištenje objektiva vrlo dobrog
kvaliteta
13. Orjentacija objektiva
Potrebno je osigurati paralelnost objektiva sa poprečnim
presjekom uzorka koji ispitujemo.
14. Dužina tubusa
Promjena dužine tubusa uzrokuje promjenu uvećanja, a time može
doći do greške u mjerenju. Potrebno je osigurati da ne dolazi do
promjene dužine tubusa za vrijeme mjerenja.
4.2.3 Priprema poprečnog presjeka za ispitivanje
Potrebno je pripremiti, montirati, izbrusiti, ispolirati i
gravirati uzorak tako da:
a.) je poprečni presjek normalan na pravac prevlake
b.) je posmatrana površina potpuno ravna i da je cijeli prikaz
prevlake u fokusu na uvećanju koje će se koristiti pri mjerenju
c.) je sav materijal deformisan rezanjem ili odvajanjem
poprečnog presjeka uklonjen
d.) su granice poprečnog presjeka s prevlakom jasno definisane
prikazom kontrasta ili vrlo tankom, jasno definsanom linijom.
4.2.4 Mjerenje debljine pocinčanog sloja
Mikroskop i popratna oprema koja se koristi, njena kalibracija i
priprema poprečnog presjeka treba biti izabrana tako se da debljina
pocinčanog sloja može odrediti sa maksimalnom greškom od 0,8 mm.
Međutim, uz pažljivu pripremu uzorka i primjenu odgovarajuće
opreme, ova metoda omogućava prosječnu mjernu nesigurnost od 0,4
mm.
Mjerenje debljine pocinčanog sloja na ankeru se vrši tako sto se
na poprečnom presjeku biraju četiri najkritičnija mjerna mjesta na
kojima ćemo mjeriti debljinu prevlake (slika .). Na svakom od ta
četiri mjesta debljina prevlake se mjeri u više tačaka (najčešće
pet), a te vrijednosti se unose u tabelu. Nakon toga je potrebno
izračunati prosječnu debljinu prevlake za svako od četiri mjerna
mjesta, a na osnovu njih se onda računa prosječna debljina
pocinčanog sloja ankera (tabela .)
Slika 13. Određivanje kritičnih mjesta za mjerenje debljine
prevlake [5]
Slika 14. Prikaz debljine prevlake u četiri mjerna mjesta
[5]
Tabela 3. Određivanje prosječne debljine pocinčanog sloja na
ankeru [5]
5. ZAKLJUČAK
U ovom seminarskom radu obrađena je tema ispitivanja pocinčanog
ankera (sidra). Sami ankeri po svojoj konstrukciji izgledaju kao
prilično jednostavni elementi. Međutim, oni moraju zadovoljiti
mnogo uslova kako bi bili sigurno pušteni u rad. Kao što je već
navedeno u radu, pocinčani ankeri se ispituju na zatezanje i vrši
se mjerenje debljine pocinčanog sloja, ali vidjeli smo, da bismo to
ispitali, moramo uzeti mnogo faktora u obzir. Rezultati ispitivanja
se predstavljaju u izvještajima, koje sam ja imala priliku da
koristim kao literaturu za izradu rada. Zbog toga smatram da moj
rad može biti prilično korisno štivo, jer ,pored teorijskih osnova
spomenutih ispitivanja, sadrži i eksperimentalne dokaze i rezultate
u praksi.
6. LITERATURA
1. http://www.gf.unmo.ba/page2038121129.aspx (dostupno
03.01.2016.)
2. http://grading.ba/strucni-dio/52-ankeri-sidra.html (dostupno
03.01.2016.)
3. Bosanskohercegovački standard BAS EN ISO 15630-1:2010
4. Internacionalni standard ISO 1463:2003
5. Izvještaji ispitivanja pocinčanih ankera, Metalurški institut
„Kemal Kapetanović“ Zenica
6. P.J. Sabatini, D.G. Pass and R.C. Bachus; Geotechnical
engineering circular no. 4- Ground Anchors and Anchored Systems;
Office of bridge technology 400 Seventh Street, SW Washington, DC
20590