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