Content uploaded by Mladen Cosic
Author content
All content in this area was uploaded by Mladen Cosic on Jun 07, 2020
Content may be subject to copyright.
69
Dr Mladen Ćosić1
Mr Kristina Božić-Tomić2
Dr Nenad Šušić3
STANDARDIZACIJA, ISPITIVANJE I ANALIZA NOSIVOSTI
ŠIPOVA
0352-2733, 51 (2019), p. 69-104 UDK: 624.154.046.2
PREGLEDNI RAD
Apstrakt
U radu su prikazani aspekti standardizacije i karakteristični primeri
ispitivanja nosivosti šipova sa određenom analizom rezultata, pri čemu se
metodologija ispitivanja oslanja na postojeće ASTM i sopstvene
standarde, sopstvena znanja i iskustva, ali i na metodologiju ispitivanja
prikazanu u naučnom radu Pile Integrity and Load Testing: Methodology
and Classification. Ispitivanja šipova su sprovedena primenom sopstvene
opreme sa licenciranim hardverima i softverima za test statičkog
opterećenja šipa (SLT - Static Load Test) i test dinamičkog opterećenja
šipa (DLT - Dynamic Load Test). Ukazano je na aspekte primene različitih
oprema i metodologija ispitivanja u različitim situacijama. Takođe,
ukazano je na potrebu izrade plana ispitivanja nosivosti šipova kada su u
pitanju veliki i značajniji objekti.
Ključne reči: šip, ispitivanje, standardi, nosivost, SLT, DLT
1. UVOD
Ispitivanje nosivosti šipova datira iz vremena od kada su se počeli i
korisiti inženjersko-tehnološko-konstruktivni pristupi u analizi šipova
velikih objekata, koji su i izgrađeni na poziciji lokacije gde se gradi
objekat. Vremenom su razvijane različite tehnike ispitivanja šipova, a
razvojem elektronskih instrumenata, hardverskih komponenti i
softverskog inženjerstva omogućena je digitalizacija i monitoring
ponašanja šipova u realnom vremenu i naknadnom obradom podataka.
Međutim, pitanje merodavnosti nosivosti pojedinačnog šipa, dobijeno
1 Institut za ispitivanje materijala IMS, Beograd, Srbija, mladen.cosic@institutims.rs
2 Institut za ispitivanje materijala IMS, Beograd, Srbija, kristina.tomic@institutims.rs
3 Institut za ispitivanje materijala IMS, Beograd, Srbija, nenad.susic@institutims.rs
70
ispitivanjem, za analizu grupe šipova, još uvek ostavlja niz nedoumica i
pitanja. Takođe, u velikom broju slučajeva, geološki uslovi predmetne
lokacije, gde se gradi objekat, mogu biti značajno neuniformni po pitanju
fizičko-mehaničkih karakteristika tla i stratifikacije slojeva tla po dubini.
Sve to povećava nivo nepouzdanosti u analizi nosivosti šipova, čak i
nakon ispitivanja šipova izgrađenih na predmetnoj lokaciji. Posebnu ulogu
ima izrada plana ispitivanja šipova, još u fazi projektovanja konstrukcije i
šipova, pri čemu se posebno vidi računa o tipovima ispitivanja, selekciji i
poziciji šipova za ispitivanje, količini testova koji će se sprovesti na
probnim i/ili radnim šipovima i sl.
Značajniji doprinos u izučavanju analize nosivosti šipova primenom
teorijskih i terenskih metoda prikazan je u radu [17], dok je u radovima [6]
i [10] prikazana detaljna sistematizacija metoda ispitivanja šipova. Analiza
nosivosti šipova izgađenih tehnologijom bušenja u pesku različite
kompaktnosti prikazana je u radovima [20] i [19], dok je u radu [3]
prikazano ispitivanje nosivosti šipova fundiranih u stenskoj masi. Proble-
matika ispitivanja šipova velikog prečnika za mostovsku konstrukciju
prezentovana je u radu [21]. Nakon sprovednog ispitivanja nosivosti šipa
potrebno je odrediti graničnu i dozvoljenu nosivost šipa, pri čemu je bitno
pravilno utvrditi koeficijent sigurnosti [22]. Takođe, u zavisnosti od
procene parametara koju figuriraju u analizi nosivosti šipa, dobijaju se
rešenja sa manjim ili većim stepenom pouzdanosti [23]. Sa druge strane,
paralelno sa ispitivanjem šipova sprovode se i analitičko-numeričke
procedure nosivosti šipova [9], [11], [8]. U radu [24] je prikazano
ocenjivanje metoda za predikciju granične nosivosti pojedinačnih šipova
na bazi rezultata testa statičke penetracije (CPT - Cone Penetration Test) i
na analizama efektivnog i ukupnog naprezanja. Istraživanje je sprovedeno
na MEGA i Franki šipovima različitih dužina. Dobiveni rezultati pokazuju
da se najbolje rešenje dobija primenom Bustamante-Gianeselli (LCPC)
metode. U radu [16] su analizirani nosivost i sleganje šipova izgađenih
tehnologijom bušenja u mekim tlima, pri čemu je pokazano da empirijske
metode procene nosivosti iz geotehničkih parametara tla uvode niz
određenih pojednostavljenja, tako da se izostavljaju pojedini elementi
složene interakcije šip-tlo. Rezultati terenskih ispitivanja šipova su,
zapravo, zbirna posledica složenih ukupnih uslova pri kontaktu tla i šipa.
Tim inženjera i tehničara Centra za puteve i geotehniku Instituta IMS
sproveo je nekoliko stotina ispitivanja testova statičkog opterećenja šipa
(SLT - Static Load Test) i testova dinamičkog opterećenja šipa (DLT -
Dynamic Load Test) za zgrade, industrijske objekte, mostove, vijadukte,
obaloutvrde, vetroparkove i slično. U ovom radu, u skraćenom obimu,
71
prikazani su standardi o ispitivanjima nosivosti šipova i analizirani su neki
rezultati autorskih ispitivanja nosivosti šipova sprovedeni na velikim i
značajnim objektima u Srbiji i u regionu.
2. STANDARDIZACIJA ISPITIVANJA NOSIVOSTI ŠIPOVA -
TEST STATIČKOG OPTEREĆENJA ŠIPA (SLT)
Test statičkog opterećenja šipa (SLT - Static Load Test) pripada grupi
najpouzdanijih visokodilatacionih testova (HST - High Strain Test) za
utvrđivanje nosivosti šipova, ali u pogledu pripreme i toka ispitivanja ovo
je najzahtevniji test [1]. Generalno razmatrajući, postoje dve varijante
prema kojima se može ovaj test izvoditi: test sa kontrateretom i test sa
reaktivnim šipovima. U prvom slučaju je potrebno, pre sprovođenja testa,
dopremiti i geometrijski pravilno složiti kontrateret koji, u zavisnosti od
nosivosti šipa, može biti težine od nekoliko stotina do nekoliko hiljada
tona. U drugom slučaju se koriste reaktivni šipovi, koji su u toku
ispitivanja opterećeni na zatezanje. Na glavu šipa se postavlja hidraulična
presa preko koje se, pod inkrementalnim priraštajem pritiska ulja, istiskuje
klip. Usled istiskivanja klipa i suprostavljanja težine kontratereta ili sila
reaktivnih šipova, ispitivani šip se utiskuje u tlo. Primenom komparatera
prati se sleganje glave šipa. Takođe, primenom geodetskih uređaja prati se
sleganje šipa preko mernih letvi, tako da se komparacijom i naknadnom
korekcijom merenja komparaterima utvrđuju krajnje vrednosti rezultata
sleganja. Na osnovu sprovedenog testa se uspostavlja relacija sila-sleganje
preko krive probnog opterećenja, a zatim se određuje nosivost šipa nekom
od matematičkih metoda. Test statičkog opterećenja šipa (SLT) se može
sprovoditi primenom dva varijantna rešenja:
− test sa kontrateretom (dejstvo pritiska se realizuje usled odupiranja
prese o dejstvo sopstvene težine kontratereta),
− test sa reaktivnim šipovima (dejstvo pritiska se realizuje usled
odupiranja prese o poprečnu čeličnu gredu/traverzu koja je povezana
sa reaktivnim šipovima).
Pod terminom ispitivanje nosivosti šipa se podrazumeva utvrđivanje
intenziteta reaktivnih sila šipa u kumulativnoj formi (po omotaču i bazi).
Testom statičkog opterećenja šipa (SLT) se utvrđuje aksijalna vertikalna
nosivost šipa (bazom i omotačem) na statičku silu pritiska (vertikalno
naniže), a koja se aplicira na glavu šipa, pri čemu postoje dve opcije:
− da se šip ispituje na opterećenje pritiskom do dostizanja granične
nosivosti (probni šip), a koja je prethodno određena u funkciji
72
faktorisane vrednosti zahtevane projektne nosivosti (faktor
sigurnosti je od 2 do 3),
− da se šip ispituje na opterećenje pritiskom do dostizanja projektne
nosivosti (radni šip), a koja je prethodno određena u funkciji
faktorisane vrednosti zahtevane projektne nosivosti i čija je uloga
samo da dokaže nivo projektne nosivosti šipa i ponašanje šipa pri
nivou projektne nosivosti (faktor sigurnosti minimalno 1.1).
Test statičkog opterećenja šipa (SLT) zasniva se na: nelinearnoj teoriji,
interakciji konstrukcija-tlo i teoriji i obradi signala. Prema nelinearnoj
teoriji uzima se u obzir da je konstitutivni model ponašanja šipa i tla
nelinearno-plastičan. Prema interakciji konstrukcija-tlo razmatra se
spregnut problem statičke interakcije i reakcije dva medijuma (šip i tlo),
bitno različitih fizičko-mehaničkih karakteristika. Prema teoriji i obradi
signala razmatraju se digitalizacija i procesiranje signala u cilju dobijanja
odgovarajućih konačnih rezultata primenljivih u građevinskoj inženjerskoj
praksi, a pomoću kojih se donose odluke o nosivosti šipa. U cilju
pravilnog sprovođenja testa statičkog opterećenja šipa (SLT) potrebno je
ispuniti sledeće kriterijume:
− teren oko šipa, koji se ispituje, opreme za ispitivanje, kontratereta ili
reaktivnih šipova treba da je uređen, tako da bude horizontalan ili
približno horizontalan,
− kompletan prostor oko šipa, koji se ispituje, opreme za ispitivanje,
kontratereta ili reaktivnih šipova treba da je uređen, tako da je
omogućen nesmetan pristup i da je uklonjen građevinski materijal,
oprema i mašine,
− analiziraju se svi relevantni podaci u pasošu šipa i geotehničkom
elaboratu, utvrđuje i proverava verodostojnost podataka sa stanjem
na terenu.
Kontrateret se formira slaganjem betonskih prizmatičnih tela dizalicom,
pri čemu posebno treba voditi računa:
− o pravilnom geometrijskom slaganju, tako da ne nastupi krivljenje
kontratereta,
− prvo se slažu prizmatične (betonske) stope većih dimenzija, a zatim
čelične grede o koje će se odupirati presa, pa nakon toga betonska
prizmatična tela (teret),
− prizmatične (betonske) stope (2 stope) treba da su postavljane na
minimalno 1.5m čiste udaljenosti od ivice šipa koji se ispituje,
− čelične grede treba da su dimenzionisane tako da je razvoj lokalnih
deformacija i izbočavanja čeličnih limova na mestu apliciranja prese
73
onemogućen, a takođe da je i razvoj globalnih deformacija i
globalnog izvijanja (bočnog i celog nosača) onemogućen,
− prostor između donje ivice čeličnih greda i kote terena treba da je
minimalno 1.8m, radi lakšeg pristupa i pregleda prese/a, i
postavljanja i očitavanja komparatera (ukoliko se vrednosti vizuelno
očitavaju),
− ukupna težina kontratereta treba da je veća za minimalno 10% od
maksimalne sile koja je definisana programom ispitivanja,
− prilikom sprovođenja testa potrebno je kontinualno osmatrati
deformacije i eventualnu pojavu zakrivljenja kontratereta, kako bi se
blagovremeno reagovalo na nepredviđene situacije.
Reaktivni šipovi se nalaze u neposrednoj blizini šipa koji se ispituje i
izloženi su sili zatezanja, pri čemu posebno treba voditi računa o:
− kompletnom dimenzionisanju sistema (grupa reaktivnih šipova),
tako da nosivost ovih šipova na aksijalno zatezanje bude uvećana
odgovarajućim faktorom sigurnosti (minimalno 1.2) u odnosu na
nosivost šipa koji se ispituje na aksijalni pritisak, odnosno na
maksimalnu silu koja je definisana programom ispitivanja,
− poprečna čelična greda/traverza koja je povezana sa reaktivnim
šipovima, treba (povoljnije je) da je dimenzionisana uzimajući u
obzir optimizaciju poprečnog preseka sa aspekta apliciranja
koncentrisane sile,
− minimalno (čisto) rastojanje između šipa koji se ispituje i reaktivnih
šipova treba da je jednako 5 vrednosti najveće maksimalne
dimenzije poprečnog preseka svih šipova (šipa koji se ispituje i
reaktivnih), ali ne manje od 2.5m.
Sistem za aplikaciju sile pritiska se sastoji iz: hidraulične pumpe,
motora-agregata, creva za prenos ulja po pritiskom, prese/a, čeličnih ploča
(podmetača), instrumenata za monitoring pritiska. Hidraulična pumpa i
motor-agregat treba da su postavljani na dovoljnoj distanci (minimalno
6m) kako svojim vibracijama ne bi uticali na merenja sleganja koja se
očitavaju na komparaterima i na vibracije referentnih greda. Kompletan
sistem treba da se pre ispitivanja baždari, a izbor prese treba da je
adekvatan sa zahtevima u pogledu maksimalnog pritiska, koji treba da se
realizuje prilikom ispitivanja. Ispod prese (na glavu šipa) i iznad prese (na
kontaktu sa čeličnom gredom) postavljaju se čelične ploče (minimalno po
jedna) radi ravnomernijeg prenošenja koncentrisane sile u glavu šipa i
bolje raspodele napona. Debljine ploča treba da su minimalno 25mm, a
preporučena (optimalna) debljina donje ploče je 50mm. U cilju
kvalitetnijeg prenošenja sile od kontratereta na presu, pa na glavu šipa,
74
potrebno je koristiti čelične kalote (jedna konvenska, a druga konkavna),
čime se dodatno redukuje ekscentričnost dejstva sile. Za ispitivanje se
koristi minimalno jedna presa, a dozvoljava se i veći broj presa kada je
potrebno realizovati veće sile koje se apliciraju na glavu šipa, pri čemu
prese treba da su centrično postavljene u odnosu na težišnu osu šipa.
Instrumenti za monitoring pritiska su standardni analogni manometri ili
digitalizovani manometri, koji imaju veću preciznost i opciju definisanja
fiksne vrednosti pritiska za odgovarajući inkrement opterećenja. Ukoliko
se test sprovodi za opterećenje veće od 1000kN, poželjno je koristiti ćelije
za merenje opterećenja (load cell).
Naglavna kapa se formira nakon izgradnje ili pobijanja betonskih
šipova sidreći i povezujući ispuštenu armaturu iz šipa u prostor naglavne
kape, a koja se dodatno armira i dimenzioniše na uticaje dejstva
koncentrisane sile za trodimenzionalno naponsko stanje, analizirajući
trajektorije glavnih napona i napone smicanja. Naglavna kapa treba da je
kvadratnog ili eventualno kružnog oblika u osnovi, pri čemu je njena
maksimalna dužina stranice nešto veća od dužine stranice šipa (kvadratni
oblik) ili prečnika šipa (kružni oblik). Ova dužina stranice naglavne kape,
između ostalog, uslovljena je prečnikom ploče koja se postavlja ispod
prese i mogućnošću pozicioniranja komparatera, tako da njena dimenzija
ne treba da bude veća od dužine stranice šipa ili prečnika šipa uvećano za
10%, jer bi se usled većih dimenzija stranice naglavne kape stvarao i
dodatni otpor tla prilikom ispitivanja, a što bi moglo da ukaže na veću
nosivost šipa, nego što je ona realno moguća. Preporučena opcija je da se
teren oko naglavne kape otkopa do njene debljine uvećano za minimalno
10%, čime bi se otklonili ovi negativni efekti. U slučaju pobijenih čeličnih
šipova, naglavna kapa se formira nakon pobijanja i dimenzioniše se na
dejstvo lokalne koncentrisane sile koja potiče od dejstva prese. Ova
naglavna kapa (čelična ploča) se zavaruje za glavu čeličnog šipa.
Referentne grede se koriste kao pomoćno sredstvo za pozicioniranje
komparatera i bar-kod letvi za geodetsko osmatranje. One treba da su
oslonjene na tlo nezavisno od šipa koji se ispituje, kontratereta ili
reaktivnih šipova, pri čemu oslonci referentnih greda treba da su na čistoj
udaljenosti jednako 5 vrednosti najveće maksimalne dimenzije poprečnog
preseka svih šipova (šipa koji se ispituje i reaktivnih), ali ne manje od
2.5m. Fundiraju se u dubini od minimalno 60cm. Potrebno je da imaju
dovoljnu krutost i čvrstoću, tako da uticaj njihove deformacije bude
minimalan na merenje sleganja šipa, a takođe, treba da su adekvatno
ukrućene (u poprečnom i podužnom pravcu), kako ne bi postojale dodatne
vibracije i da bi se uticaji temperaturnih promena sveli na minimum.
75
Pre svakog sprovođenja testa statičkog opterećenja šipa (SLT) potrebno
je kalibrisati (baždariti) hidrauličnu pumpu, creva za prenos ulja do prese,
veze i presu. Uslov koji kalibracijom (baždarenjem) treba ispuniti je da
ceo sistem ima odstupanje manje od 5% od maksimalne sile definisane
programom ispitivanja, dok pojedinačni elementi hidraulične opreme za
ispitivanje treba da imaju odstupanje manje od 2% od maksimalne sile
definisane programom ispitivanja. Komparateri treba da su kalibrisani
(najviše) svake 3 godine. Kalibracija ćelija za merenje opterećenja (load
cell) se sprovodi svakih 6 meseci.
Potiskivanjem klipa iz cilindra prese, na glavu šipa, aplicira se sila čiji
se intenzitet inkrementalno povećava i dekrementalno smanjuje kroz:
− ciklus samo jednog opterećenja i jednog rasterećenja,
− veći broj ciklusa opterećenja i rasterećenja, koji mogu biti različitih
maksimalnih intenziteta.
Za probni šip opterećenje se aplicira inkrementalno do maksimalne sile
definisane programom ispitivanja, a koja treba da je jednaka 200%
vrednosti projektne nosivosti šipa. Za radni šip opterećenje se aplicira
inkrementalno do maksimalne sile definisane programom ispitivanja, a
koja treba da je jednaka faktorisanoj vrednosti projektne nosivosti šipa.
Vrednost inkrementa opterećenja treba da je jednaka 25% vrednosti
ukupnog opterećenja. Nakon potpunog apliciranja opterećenja sprovodi se
potpuno rasterećenje. Naredni ciklus opterećenja, takođe, može se
sprovoditi do maksimalne sile definisane programom ispitivanja.
Vrednosti svakog inkrementa aplicirane sile treba održavati na
konstantnim vrednostima uz postizanje uslova da sleganje bude manje od
0.25mm za vreme od 1 sata, ali ne duže od 2 sata. Vrednosti apliciranih
sila koje odgovaraju projektnoj nosivosti i maksimalnoj nosivosti šipa
definisanoj programom ispitivanja treba održavati na konstantnim
vrednostima, uz postizanje uslova da sleganje bude manje od 0.25mm za
vreme od 2 sata, ali ne duže od 4 sata.
Test statičkog opterećenja šipa (SLT), za bušene i bušene/zabušene
(CFA) šipove, sprovodi se nakon dostizanja projektovane čvrstoće betona
(minimalno nakon 28 dana), a za pobijene šipove ispitivanje se može
sprovoditi nakon 2 dana. Posebno treba obratiti pažnju na naknadno
formiranje naglavne kape, tako da se minimalno potrebno vreme
ispitivanja dodatno prolongirava, dok se i za naglavnu kapu ne dostigne
projektovana čvrstoća betona.
U cilju preduzimanja svih potrebnih bezbednosnih mera, kako bi se
nesmetano sproveo test statičkog opterećenja šipa (SLT), potrebno je
poštovati propise o bezbednosti na radu uz dodatno uvažavanje preporuka:
76
− adekvatna primena bezbednosnih mera i tehnologije montaže
opreme i elemenata kontratereta,
− pravilno formiranje kontratereta stroge geometrijske forme bez
inklinacije,
− pravilno održavanje i monitoring hidrauličnog sistema i pritiska,
kako ne bi nastupila znatnija varijacija i fluktuacija u pritiscima po
apliciranim inkrementima opterećenja,
− provera svih čeličnih elemenata i veza, posebno na pojavu korozije,
krivljenje, izbočavanje, izvijanje, uvijanje i savijanje,
− maksimalna redukcija ekscentričnosti svih elemenata koji utiču na
apliciranje sile na glavu šipa, kako bi se uticaj parazitnih momenata
sveo na minimum,
− preporuka je da se očitavanje sleganja sprovodi kontinualnim
monitoringom podataka, koji se zapisuju i prikazuju direktno na
računaru, bezbedno udaljen od pozicije šipa koji se ispituje.
Procedure merenja fizičkih veličina sleganja šipa se zasnivaju na
primeni mernih uređaja:
− komparaterima, kojima se sprovodi merenje sleganja glave šipa,
− geodetskim instrumentima, od kojih se za geodetska osmatranja
najčešće koristi laserski nivelman,
− ugrađenim senzorima ili meračima deformacija u telo šipa (merenje
deformacijskih veličina koje potiču od pritisaka duž stabla šipa),
− mernim naponskim pločama-ćelijama za merenje opterećenja (load
cell) postavljenim ispod ili iznad prese (merenja naponskih veličina
pri apliciranju sile).
Prilikom merenja sleganja glave šipa igla komparatera treba da dodiruje
(da se oslanja) pločicu od čvrstog materijala glatke površine, a koja se
prethodno zalepi za glavu šipa, odnosno naglavnu kapu. Rezolucija
merenja komparatera treba da je manja od 1% adekvatnog pomeranja za
maksimalnu silu definisanu programom ispitivanja. Maksimalan hod
komparatera treba da je minimalno 50mm, a preporuka je da to bude od
100mm do 150mm. Inkrement priraštaja merenja treba da je maksimalno
0.1mm ili finija vrednost. Finalna vrednost sleganja, koja se očitava na
nivelmanu, dobija se kao srednja vrednost iz trostrukog očitavanja podata-
ka za svako merno mesto (bar-kod letve). Koriste se 2 bar-kod letve koje
se fiksiraju za referentne grede i 1 mobilna bar-kod letva kojom se
sprovodi merenje sleganja glave šipa na dve naspramne dijagonalne/ra-
dijalne strane naglavne kape. Prikupljanje (akvizicija) podataka se
sprovodi: očitavanjem komparatera, očitavanjem podataka na geodetskim
77
instrumentima i/ili kontinualnim digitalizovanim zapisom fizičkih veličina
u memoriju računara sa vizuelizacijom u vremenskom domenu (TDA -
Time Domain Analysis). Merenje vremena se sprovodi za 0, 1, 5, 10, 20,
30, 45, 60, 90, 120, 180 i 240 minuta.
Nakon sprovedenog testa statičkog opterećenja šipa (SLT) obrađuju se
podaci merenja i konstruiše finalna kriva sila-sleganje, a zatim se određuje
granična nosivost šipa. Najčešće korišćene metode za određivanje gra-
nične nosivosti šipa, iz testa statičkog opterećenja šipa (SLT), su: metoda
Van der Veen, metoda Mazurkiewicz, metoda Décourt, metoda Chin-
Kondner, metoda Hansen, hiperboličke ekstrapolacije i regresione analize.
U opštem slučaju (preliminarno razmatrajući) granična nosivost se
definiše:
− kao ubrzano ili progresivno sleganje šipa,
− kao pomeranje veće od 10% najveće dimenzije poprečnog preseka
šipa,
− kada tangenta krive sila-sleganje asimptotski se približava ili
poklapa sa ovom krivom.
Dozvoljava se primena koeficijenata korelacije u analizi karakteristične
granične kompresione nosivosti šipa (ekvivalentna graničnoj nosivosti
šipa) na osnovu maksimalne merene kompresione nosivosti šipa, dobijene
testom statičkog opterećenja šipa (SLT). Na slici 1 dat je opšti šematski
prikaz testa statičkog opterećenja šipa (SLT).
a) b)
Slika 1. Opšti šematski prikaz testa statičkog opterećenja šipa (SLT):
a) sa kontrateretom, b) reaktivnim šipovima [6]
78
3. ISPITIVANJE NOSIVOSTI ŠIPOVA - TEST STATIČKOG
OPTEREĆENJA ŠIPA (SLT)
Test statičkog opterećenja šipa (SLT - Static Load Test) je najtačniji,
najpouzdaniji i najmerodavniji u određivanju nosivosti bušenih, CFA i
pobijenih šipova. Centar za puteve i geotehniku Instituta IMS poseduje
licenciranu opremu za test statičkog opterećenja šipa (SLT): prese firmi
Prva petoletka - IMS, softver i digitalne komparatere švajcarske firme
Sylvac. Tačnost komparatera je 0.01mm. Sa ovom opremom moguće je
sprovoditi ispitivanje nosivosti šipa i prikupljati podatke u realnom vreme-
nu i/ili u diskretnim intervalima vremena. Kompletan sistem za test
statičkog opterećenja šipa (SLT) se sastoji iz: hidrauličnih presa kapaciteta
2x600t i 6x250t, hidrauličnog sistema (pumpe) i motora - agregata, čelič-
nih kalota, ploča, distancera, referentnog sistema, analognih i digitalnih
komparatera, hardverskog sistema za konvertovanje i akviziciju podataka,
softverskog sistema za procesiranje i vizuelizaciju podataka i geodetskog
sistema (nivelmana Leica i bar-kod letvi) za osmatranje deformacija. Pre
svakog ispitivanja sprovodi se interaktivno etaloniranje presa i pumpe. Na
slici 2 je prikazana oprema za ispitivanje nosivosti šipova testom statičkog
opterećenja šipa (SLT): prese Prva petoletka - IMS i hidraulični sistemi
(pumpe) - nekoliko verzija.
Na slici 3, takođe, prikazana je oprema za ispitivanje nosivosti šipova
testom statičkog opterećenja šipa (SLT): digitalni komparater Sylvac,
hardversko-softverski sistem za akviziciju i monitoring podataka i
geodetski sistem (nivelman Leica i bar-kod letva). Komparaterima se
očitavaju i/ili memorišu podaci o sleganjima šipa, dok se geodetskim
instrumentima sprovodi kontrola sleganja šipa i korekcija sleganja
referentnih greda.
a) b)
79
c) d) e)
Slika 2. Oprema za ispitivanje nosivosti šipova testom statičkog opterećenja šipa
(SLT): a) prese Prva petoletka - IMS kapaciteta 2x600t, b) prese Prva petoletka -
IMS kapaciteta 6x250t, c) hidraulični sistem (pumpa) - verzija 1, d) hidraulični
sistem (pumpa) - verzija 2, e) hidraulični sistem (pumpa) - verzija 3 [7]
a) b) c) d)
Slika 3. Oprema za ispitivanje nosivosti šipova testom statičkog opterećenja šipa
(SLT): a) digitalni komparater Sylvac, b) digitalni komparater, c) hardversko-
softverski sistem za akviziciju i monitoring podataka, d) geodetski sistem
(nivelman Leica i bar-kod letva) [7]
Ispitivanja nosivosti šipova testom statičkog opterećenja šipa (SLT) sa
kontrateretom prikazana su na slici 4: most Mihajla Pupina u Zemunu-
Borči u Srbiji (kontrateret formiran od armiranobetonskih ploča) i
vetropark Malbunar u Srbiji (kontrateret formiran od armiranobetonskih
blokova). U prvom slučaju kontrateret se slaže na armiranobeotnske
nosače koji su međusobno orotogonalno prednapregnuti, dok se u drugom
slučaju kontrateret slaže na čelične nosače.
80
a) b)
Slika 4. Test statičkog opterećenja šipa (SLT) - kontrateret: a) most Mihajla
Pupina u Zemunu-Borči u Srbiji (kontrateret formiran od armiranobetonskih
ploča), b) vetropark Malbunar u Srbiji (kontrateret formiran od
armiranobetonskih blokova) [7]
Ispitivanja nosivosti šipova testom statičkog opterećenja šipa (SLT) sa
reaktivnim sistemom su prikazana na slici 5: most kod Ostružnice nad
Savom u Srbiji (reaktivni sistem formiran od armiranobetonske grede-
traverze i četiri armiranobetonska šipa) i poslovno-komercijalna zgrada-
kula Ušće u Srbiji (reaktivni sistem formiran od armiranobetonskog XX
nosača i šest armiranobetonskih šipova). U ovom slučaju formirani su
privremeni reaktivni armiranobetonski sistemi koji su nakon sprovedenih
ispitivanja uklonjeni.
a) b)
Slika 5. Test statičkog opterećenja šipa (SLT) - reaktivni sistem: a) most kod
Ostružnice nad Savom u Srbiji (reaktivni sistem formiran od armiranobetonske
grede-traverze i četiri armiranobetonska šipa), b) poslovno-komercijalna
zgrada-kula Ušće u Srbiji (reaktivni sistem formiran od armiranobetonskog XX
nosača i šest armiranobetonskih šipova) [7]
81
Primene čeličnih nosača za formiranje reaktivnog konstruktivnog
sistema za ispitivanje nosivosti šipova testom statičkog opterećenja šipa
(SLT) prikazane su na slici 6: most na koridoru XI (Surčin-Obrenovac) u
Srbiji (reaktivni sistem formiran od zavarenog čeličnog nosača i četiri
armiranobetonska šipa), silos pepela u TE Kostolac B u Srbiji (reaktivni
sistem formiran od dodatno ojačanih udvojenih čeličnih nosača i dva
armiranobetonska šipa) i vijadukti za brze pruge u Čortanovcima u Srbiji
(reaktivni sistem formiran od udvojenih-ukrštenih čeličnih profila i četiri
armiranobetonska šipa). Takođe, ovde su primenjeni privremeni
(montažni) reaktivni čelični sistemi koji se nakon sprovedenih ispitivanja
uklanjaju, ali i koriste za dalja ispitivanja.
a) b)
c)
Slika 6. Test statičkog opterećenja šipa (SLT) - reaktivni sistem: a) most na
koridoru XI (Surčin-Obrenovac) u Srbiji (reaktivni sistem formiran od zavarenog
čeličnog nosača i četiri armiranobetonska šipa), b) silos pepela u TE Kostolac B
u Srbiji (reaktivni sistem formiran od dodatno ojačanih udvojenih čeličnih
nosača i dva armiranobetonska šipa), c) vijadukti za brze pruge u Čortanovcima
u Srbiji (reaktivnim sistem formiran od udvojenih-ukrštenih čeličnih profila i
četiri armiranobetonska šipa) [7]
U odnosu na prethodno prikazane privremene sisteme za ispitivanje
nosivosti šipova (kontrateret i reaktivni sistem), na slici 7 je prikazan
konstruktivni reaktivni sistem: vijadukti za brze pruge u Čortanovcima u
Srbiji (reaktivni sistem formiran od armiranobetonske stope - naglavne
82
temeljne ploče za šipove) i poslovni centar MFC Ušće u Srbiji (reaktivni
sistem formiran odupiranjem presa o noseću konstrukciju). Nakon
sprovedenih ispitivanja konstruktivni reaktivni sistemi se koriste kao deo
fundamenata i noseće konstrukcije.
a) b)
Slika 7. Test statičkog opterećenja šipa (SLT) - reaktivni sistem: a) vijadukti za
brze pruge u Čortanovcima u Srbiji (reaktivni sistem formiran od armirano-
betonske stope - naglavne temeljne ploče za šipove), b) poslovni centar MFC
Ušće u Srbiji (reaktivni sistem formiran odupiranjem presa o noseću
konstrukciju) [7]
Nakon sprovedenog testa statičkog opterećenja šipa (SLT) kriva
probnog opterećenja (opterećenje-sleganje), dobijena merenjem sleganja
komparaterima i apliciranjem opterećenja preko klipova presa, dodatno se
koriguje uzimajući u obzir sleganje referentnih greda. Na slici 8 su
prikazane krive probnog opterećenja za: radni šip objekta u Pančevu u
Srbiji (dva ciklusa opterećenja-sleganja) i probni šip mosta na obilaznici
oko Beograda (tri ciklusa opterećenja-sleganja). Generalno razmatrajući,
mogu se izdvojiti dve grupe ponašanja šipa u interakciji sa tlom:
− kriva probnog opterećenja je takvog karaktera gde postoji linearni i
nelinearni deo, ali se tangentna krutost u nelinearnom delu
značajnije ne smanjuje sa povećanjem deformacija - merodavniji je
kriterijum nosivosti (slika 8a),
− kriva probnog opterećenja je takvog karaktera gde postoji jasno
izražen nelinearni deo i rano se razvija nelinearnost sa značajnim
plastičnim deformacijama - merodavniji je kriterijum upotrebljivosti
(slika 8b).
83
a)
b)
Slika 8. Krive probnog opterećenja - test statičkog opterećenja šipa (SLT):
a) radni šip objekta u Pančevu u Srbiji (dva ciklusa opterećenja-sleganja i
anvelopa), b) probni šip mosta na obilaznici oko Beograda (tri ciklusa
opterećenja-sleganja i anvelopa) [7]
Da bi se utvrdila granična nosivost šipa nakon sprovedenog testa
statičkog opterećenja šipa (SLT), za dobijenu krivu probnog opterećenja,
sprovodi se ekstrapolacija metodom Chin-Kondner [5]:
,
(1)
gde je P sila, u sleganje, C1 i C2 koeficijenti krive, ili primenom metode
Hansen [14]:
,
(2)
84
ili primenom metode Decourt [13]:
.
(3)
Ekstrapolacija krive probnog opterećenja racionalnom funkcijom se
sprovodi primenom Levenberg-Marquardt-ovog algoritma [12].
Racionalna funkcija predstavlja količnik dva polinoma različitog stepena n
i m u formi:
,
(4)
gde su a0,…an, b0,…bn koeficijenti polinoma. Na slici 9 dodatno su
prikazani testovi statičkih opterećenja (SLT) sprovedeni za objekte:
termoelektrana i toplana TE-TO Pančevo, vetropark Alibunar, vetropark
Izbište, vetropark Kovačica i most na autoputu E-763.
a) b) c)
d) e)
Slika 9. Test statičkog opterećenja šipa (SLT): a) termoelektrana i toplana
TE-TO Pančevo, b) vetropark Alibunar, c) vetropark Izbište, d) vetropark
Kovačica, e) most na autoputu E-763
85
4. STANDARDIZACIJA ISPITIVANJA NOSIVOSTI ŠIPOVA -
TEST DINAMIČKOG OPTEREĆENJA ŠIPA (DLT)
Test dinamičkog opterećenja šipa (DLT - Dynamic Load Test) pripada
grupi visokodilatacionih testova (HST) za utvrđivanje nosivosti šipova, pa
je, s obzirom na vreme pripreme i toka ispitivanja, ovo dosta brži test u
poređenju sa testom statičkog opterećenja šipa (SLT) [2]. S obzirom da
postoji nekoliko varijanti opreme i načina ispitivanja testa dinamičkog
opterećenja šipa, ali se ovde razmatraju ispitivanja sprovedena sa
sopstvenim sistemom za podizanje tega. Test dinamičkog opterećenja šipa
(DLT) se zasniva na utvrđivanju statičke nosivosti šipa pri dinamičkom
dejstvu spoljašnje pobude. Teg se izlaže slobodnom padu sa određene
visine, tako da se, usled udara tega o glavu šipa, izazove dinamička
pobuda u šipu. Pod terminom ispitivanje nosivosti šipa se podrazumeva
utvrđivanje intenziteta reaktivnih sila šipa:
− u kumulativnoj formi (po omotaču i bazi),
− u nezavisnoj formi (posebno po omotaču i posebno po bazi).
Testom dinamičkog opterećenja šipa (DLT) se utvrđuje aksijalna
vertikalna nosivost šipa na dinamičku silu pritiska (vertikalno naniže), a
koja se aplicira na glavu šipa, pri čemu postoje dve opcije:
− da se šip ispituje na opterećenje do dostizanja granične nosivosti
(probni šip), a koja je prethodno određena u funkciji faktorisane
vrednosti zahtevane projektne nosivosti (faktor sigurnosti je od 2 do
3),
− da se šip ispituje na opterećenje do dostizanja projektne nosivosti
(radni šip), a koja je prethodno određena u funkciji faktorisane
vrednosti zahtevane projektne nosivosti i čija je uloga samo da
dokaže nivo projektne nosivosti šipa i ponašanje šipa pri nivou
projektne nosivosti (faktor sigurnosti minimalno 1.1).
Test dinamičkog opterećenja šipa (DLT) zasniva se na teorijama:
dinamika kretanja krutog tela, talasna teorija, metoda karakteristika,
nelinearna teorija, dinamika konstrukcija, interakcija konstrukcija-tlo i
teorija i obrada signala. Prema dinamici kretanja krutog tela razmatra se
apliciranje spoljašnje pobude udarom idealno krutog tela (tega) o glavu
šipa. Prema talasnoj teoriji razmatraju se aspekti propagacije talasa kroz
šip i tlo. Prema metodi karakteristika razmatraju se aspekti kretanja
odlazećih (downward) i dolazećih (upward) talasa u šipu. Prema
nelinearnoj teoriji uzima se u obzir da je konstitutivni model ponašanja
šipa i tla nelinearno-plastičan. Prema dinamici konstrukcija razmatraju se
oscilacije šipa u interakciji sa tlom u vremenskom domenu. Prema
86
interakciji konstrukcija-tlo razmatraju se spregnut problem statičke i
dinamičke interakcije i reakcije dva medijuma (šip i tlo), bitno različitih
fizičko-mehaničkih karakteristika. Prema teoriji i obradi signala
razmatraju se digitalizacija, procesiranje i kompatibilizacija (signal
matching) signala u cilju dobijanja odgovarajućih konačnih rezultata
primenljivih u građevinskoj inženjerskoj praksi, a pomoću kojih se donose
odluke o nosivosti šipa.
U cilju pravilnog sprovođenja testa dinamičkog opterećenja šipa (DLT)
potrebno je ispuniti sledeće kriterijume:
− teren oko šipa, koji se ispituje, opreme za ispitivanje i tegova treba
da je uređen, tako da bude horizontalan ili približno horizontalan,
− kompletan prostor oko šipa, koji se ispituje, opreme za ispitivanje i
tegova treba da je uređen, tako da je omogućen nesmetan pristup
autodizalici ili mašini za pobijanje šipa i da je uklonjen građevinski
materijal, oprema i mašine,
− analiziraju se svi relevantni podaci u pasošu šipa i geotehničkom
elaboratu, utvrđuje i proverava verodostojnost podataka sa stanjem
na terenu.
Apliciranje dinamičke pobude o glavu šipa se može sprovesti direktnim
udarom tega koji pada sa određene visine (težina tega treba da je
minimalno 1% do 2% maksimalne sile koja se dokazuje ispitivanjem).
Sistem za podizanje tega se sastoji iz elemenata: modularna noseća čelična
konstukcija koja se montira i povezuje na glavu šipa, modularni teg,
hidraulični sistem za podizanje tega na određenu visinu, sistem za
zaustavljanje tega (kočioni sistem) na određenu visinu, pre pada tega,
motor-agregat i podloške od drveta ili plastike. Prilikom sprovođenja
ispitivanja potrebno je kontrolisati:
− geometriju (vertikalnost) modularne noseće čelične konstukcije,
− postaviti motor-agregat na dovoljnoj udaljenosti od šipa koji se
ispituje (minimalno 6m),
− kontinualno osmatrati deformacije i eventualnu pojavu inklinacije
sistema, kako bi se blagovremeno reagovalo na nepredviđene
situacije.
Elektronska oprema (hardverski i softverski sistem) za test dinamičkog
opterećenja šipa (DLT) sastoji se iz:
− senzora sa nezavisnim ili integrisanim akcelerometrima i mernim
dilatometrima (minimalno po 2 akcelerometra i po 2 merača
dilatacija),
− kabl kojim se prenosi signal do uređaja za akviziciju podataka,
87
− uređaj (kondicioner) za akviziciju podataka i digitalizaciju signala,
− laptop računar za upravljanje ispitivanjem,
− softver za monitoring i procesiranje signala prilikom ispitivanja,
− softver za detaljan proračun nosivosti šipa.
Senzori se postavljaju na 2 do 3 vrednosti najveće dimenzije poprečnog
preseka šipa od vrha nastavka šipa ili vrha glave šipa, a kao minimalna
udaljenost se može usvojiti 1.5 vrednosti najveće dimenzije poprečnog
preseka šipa. Merač dilatacija treba da ima minimalan opseg merenja od -
2000 mikrodilatacija do +2000 mikrodilatacija i sopstvene frekvencije
veće od 2kHz. Ukoliko se primenjuje linearni akcelerometar, tada treba da
je opseg akceleracija minimalno 1000g i rezonantna frekvencija
minimalno 1kHz za betonske šipove, dok za čelične šipove opseg
akceleracija treba da je minimalno 2000g i rezonantna frekvencija
minimalno 2kHz. Ukoliko se primenjuje pijezoelektrični akcelerometar,
rezonantna frekvencija treba da je od 10kHz do 30kHz, a ukoliko se
primenjuje pijezootporni akcelerometar, rezonantna frekvencija treba da je
minimalno 2.5kHz.
Ukoliko se ispitivanje sprovodi sa bušenim ili bušenim/zabušenim
(CFA) šipovima, tada je potrebno izgraditi nastavak šipa za dinamički test
nosivosti, a ukoliko se ispitivanje sprovodi sa pobijenim šipovima, u
najvećem broju slučajeva, nije potrebno ovaj nastavak formirati, s obzirom
da se dužina šipa može prethodno projektovati sa integralnim nastavkom.
Postoje dve opcije za izgradnju nastavka šipa: betonira se zajedno sa
šipom i naknadno se izgrađuje. Bolja opcija je da se nastavak šipa betonira
zajedno prilikom izgradnje šipa, s obzirom da su u tom slučaju i rezultati
ispitivanja pouzdaniji. Ukoliko se naknadno izgrađuje nastavak šipa, tada
se sidri i povezujuje (preklapa i zavaruje) ispuštena armatura iz šipa u
prostor nastavka šipa i dodatno povezuje uzengijama ili spiralnom
armaturom. Geometrija i dimenzije poprečnog preseka nastavka šipa treba
da su identični geometriji i dimenzijama poprečnog preseka šipa na mestu
glave. Dužina nastavka šipa treba da je jednaka rastojanju na kojem su
postavljeni senzori plus (približno) 50cm. Kvalitet betona nastavka šipa
treba da je jednak ili veći od kvaliteta betona od koga je izgrađen šip.
Beton nastavka šipa potrebno je negovati kako bi se postigla minimalna
projektovana čvrstoća betona.
U cilju pravilnog sprovođenja testa dinamičkog opterećenja šipa (DLT)
potrebno je ispuniti sledeće kriterijume:
− obezbediti adekvatan pristup šipu koji se ispituje (suva temeljna
jama i prohodnost za opremu, mašine i ispitivača koji nosi sa sobom
opremu za ispitivanje),
88
− efekat dejstva rada građevinskih mašina minimalizovati, s obzirom
da vibracije, koje se generišu njihovim radom, mogu nepovoljno
uticati na ispitivanje.
Pre sprovođenja testa dinamičkog opterećenja šipa (DLT) potrebno je
imati kalibrisane (baždarene) senzore i hidraulični sistem. Uslov koji
kalibracijom (baždarenjem) senzora treba ispuniti je da ceo sistem ima
odstupanje manje od 3%. Senzori treba da su kalibrisani (najviše) svake 2
godine. Ukoliko se prilikom ispitivanja pokaže da pojedini akcelerometar
ili merač dilatacija pokazuje odstupanje od propisanog, potrebno ga je
isključiti iz daljeg monitoringa ispitivanja. Pre sprovođenja testa
dinamičkog opterećenja šipa (DLT) potrebno je:
− očistiti glavu šipa ili nastavak šipa od elemenata ostataka betona i
prašine,
− postaviti (ugraditi) ankere, ukoliko se oprema za ispitivanje
povezuje sa glavom šipa ili nastavkom šipa,
− montirati (fiksirati) senzore za glavu šipa ili nastavak šipa (na
bočnim stranicama),
− ugraditi ankere-nosače za geodetsko osmatranje sleganja šipa (na
bočnim stranicama).
Test dinamičkog opterećenja šipa (DLT), za bušene i bušene/zabušene
(CFA) šipove, sprovodi se nakon dostizanja projektovane čvrstoće betona
(minimalno nakon 28 dana), a za pobijene šipove ispitivanje se može
sprovoditi nakon 2 dana. Posebno treba obratiti pažnju na naknadno
formiranje nastavka šipa, tako da se minimalno potrebno vreme ispitivanja
dodatno prolongirava, dok se i za nastavak šipa ne dostigne projektovana
čvrstoća betona. Test dinamičkog opterećenja šipa (DLT) sprovodi se u
nekoliko koraka:
− analiziraju se svi relevantni podaci u pasošu šipa i geotehničkom
elaboratu,
− setuje se oprema, podaci i parametri za šip koji se ispituje,
− teg se podiže na odgovarajuću visinu i pušta da slobodno padne,
− postupak se ponavlja nekoliko puta (maksimalno 10 puta ukupno i
maksimalno 2 puta za jednu istu visinu),
− analizira se: količina unete kinetičke energije, nivo napona
zatezanja, nivo napona pritiska, apsolutne maksimalne vrednosti
akceleracija, maksimalne vrednosti elasto-plastičnih deformacija,
pojava negativnih vrednosti u dolazećem (upward) signalu sile u
šipu i sl.,
89
− ukoliko se pokaže potrebnim koriguju se parametri koji su korišćeni
pri inicijalnom setovanju, u cilju dobijanja što tačnijih rezultata
ispitivanja,
− konstruiše se reprezentativni dijagram sila dobijenih proračunom
akceleracija i dilatacija,
− naknadno se sprovodi obrada podataka dobijenih ispitivanja u cilju
utvrđivanja nosivosti šipa.
U cilju preduzimanja svih potrebnih bezbednosnih mera, kako bi se
nesmetano sproveo test dinamičkog opterećenja šipa (DLT), potrebno je
poštovati propise o bezbednosti na radu uz dodatno uvažavanje preporuka:
− adekvatna primena bezbednosnih mera i tehnologije montaže
opreme i elemenata,
− pravilno vertikalno postavljanje opreme bez inklinacije,
− pravilno održavanje i monitoring hidrauličnog sistema i pritiska,
− provera svih čeličnih elemenata i veza, posebno na pojavu korozije,
krivljenje, izbočavanje, izvijanje, uvijanje i savijanje,
− maksimalna redukcija ekscentričnosti svih elemenata, kako bi se
uticaj parazitnih momenata sveo na minimum.
Signal koji se generiše prilikom udarca tega o glavu šipa kontinualno se
beleži u vremenu kao odgovor duž celog šipa. Primenom akcelerometara
sprovodi se merenje promene ubrzanja glave šipa u vremenu, a
naknadnom integracijom ubrzanja dobija se promena brzine glave šipa u
vremenu. Ključan dijagram za analizu globalnog ponašanja šipa je
dijagram na kojem se prikazuju sile u funkciji vremena određene iz
promene:
− brzina integracijom akceleracija (multiplikacija brzine v i impedance
Z),
− dilatacija (multiplikacija dilatacije ε, modula elastičnosti E i
površine poprečnog preseka šipa A).
Monitoring svih ostalih relevantnih parametara ponašanja šipa se
sprovodi primenom dijagrama promene:
− akceleracija u vremenu za svaki senzor posebno a(t),
− brzina u vremenu za svaki senzor posebno v(t),
− pomeranja u vremenu za svaki senzor posebno u(t),
− ukupnih prosečnih akceleracija u vremenu aave(t),
− ukupnih prosečnih brzina u vremenu vave(t),
− ukupnih prosečnih pomeranja u vremenu uave(t),
− napona u vremenu za svaki senzor posebno σ(t),
− ukupnih prosečnih napona u vremenu σave(t),
90
− sila u vremenu (iz akceleracija i dilatacija) za svaki senzor posebno
F(t),
− ukupnih prosečnih sila u vremenu Fave(t),
− sile odlaznog (downward) talasa u šipu Fd(t),
− sile dolaznog/povratnog (upward) talasa u šipu Fu(t),
− kinetičke energije u vremenu Ek(t).
Ukupno vreme, za koje se sprovodi monitoring, treba da je minimalno
4·(2L/c), pri čemu je L dužina šipa, a c brzina propagacije talasa u
materijalu od kojeg je napravljen šip. Optimalno vreme, za koje se
sprovodi monitoring, treba da je u intervalu od 4·(2L/c) do 8·(2L/c). Sa
druge strane, monitoring ponašanja šipa pod dinamičkom pobudom se
sprovodi i preko diskretnih vrednosti:
− maksimalno ubrzanje amax, maksimalna brzina vmax, maksimalno
pomeranje umax, rezidualno pomeranje nakon sprovedenog
ispitivanja ur, maksimalan napon pritiska σc,max, maksimalan napon
zatezanja σt,max, pozicija maksimalnog napona pritiska u šipu lc,max,
pozicija maksimalnog napona zatezanja u šipu lt,max, maksimalna sila
pritiska Fc,max, maksimalna sila zatezanja Ft,max, sila pobijanja Fdr,
preliminarna statička nosivost šipa Fstat, transferisana kinetička
energija Ek,tr i centričnost udarca ec.
Prilikom sprovođenja testa dinamičkog opterećenja šipa (DLT), a i
naknadnom obradom signala moguće je sleganje šipa posmatrati na
nekoliko načina:
− kontinualnim monitoringom elasto-plastičnih deformacija šipa u
vremenu,
− geodetskim sukcesivnim osmatranjem plastičnih deformacija šipa
nakon svakog sprovedenog testa (sleganja treba da su reda veličine
oko 2.5mm, kako bi se omogućila potpuna mobilizacija nosivosti
šipa omotačem i bazom),
− analizom elasto-plastičnih deformacija u domenu kapaciteta (sila-
pomeranje), a što se dobija kao rezultat naknadnih numeričkih
analiza nosivosti šipa, pri čemu treba da su rezidualne deformacije,
dobijene iz numeričkih analiza, ekvivalentne rezidualnim in-situ
DLT deformacijama.
Kompletna obrada (procesiranje) signala se sprovodi primenom teorije
i obrade signala, pri čemu se zapis signala prikazuje u digitalizovanom
formatu, a sam signal prikazuje u vremenskom domenu (TDA - Time
Domain Analysis). Signal se konvertuje iz analognog u digitalni primenom
konvertera sa minimalnom 16-bitnom ili 24-bitnom rezolucijom, pri čemu
91
frekvencija semplovanja mora biti veća od 10kHz, a stepen greške
frekvencije semplovanja signala manji od 0.01%. Generalno razmatrajući,
procesiranje signala se sprovodi direktno u vremenskom domenu i
kompatibilizacijom (signal matching) u vremenskom domenu. U
vremenskom domenu se sprovode selekcija, skaliranje i eliminacija
(filtriranje) jednog dela signala. Selekcija je procedura odabira adekvatnog
signala za kompatibilizaciju (signal matching). S obzirom da se kod DLT
početna ispitivanja sprovode sa manjim visinama sa kojih se teg pušta da
slobodno pada, to će adekvatan signal biti pri višim visinama. Skaliranje je
procedura multipliciranja amplitude signala prema određenim kriteriju-
mima, s tom što nije dozvoljeno skaliranje kojim se simulira nosivost šipa
za veće visine sa kojih se pušta da teg slobodno pada. Ukoliko se pokaže i
dokaže da jedan deo signala predstavalja neverodostojan odgovor šipa u
tlu, postoji mogućnost da se sprovede eliminicija (filtriranje) datog dela
signala za silu, brzinu, energiju, ekscentričnost i sl. Kompatibilizacija
(signal matching) se sprovodi u vremenskom domenu u cilju dobijanja
statičke nosivosti šipa. Ovaj postupak je poznat kao signal matching, gde
se kroz iteracije uspostavlja kompatibilizacija (usklađivanje) odgovora
numeričkog nelinearnog histerezisnog modela interakcije šip-tlo i signala
dobijenog in-situ DLT ispitivanjem šipa.
Proračun nosivosti šipa se sprovodi primenom indirektnih metoda, a
koje se zasnivaju na iterativnoj kompatibilizaciji (signal matching)
numeričkog nelinearnog histerezisnog modela interakcije šip-tlo prema in-
situ merenom signalu dinamičkog testa, tako što se ekstrahuje dinamička
komponenta nosivosti šipa i zadržava statička komponenta nosivosti šipa.
Analiza kvaliteta sprovedenog postupka kompatiblizacije se sprovodi
razmatrajući procentualna odstupanja kompatibilizovanog in-situ signala u
domenima: duž stabla šipa, ulaska talasa u bazu, u samoj bazi, odlaska
talasa iz baze i kumulativno (globalno). Kao finalne vrednosti dobijaju se
ukupna nosivost i parcijalne (komponentalne) nosivosti šipa (bazom i
omotačem). Iteriranje se sprovodi prema fizičko-mehaničkim parametrima
tla, a u izuzetnim slučajevima je dozvoljeno i prema geometrijskim
parametrima šipa. Definisanje (modeliranje) parametara tla za analizu
komaptibilizacije (signal matching) numeričkog nelinearnog histerezisnog
modela se sprovodi primenom in-situ rezultata ispitivanja tla za lokaciju
gde se šip ispituje, i to iz:
− testa statičke penetracije (CPT - Cone Penetration Test): qc otpor
prodiranja konusa i qs trenje omotača,
− testa standardne penetracije (SPT - Standard Penetration Test): N
broj udaraca ili N60 broj udaraca,
92
− testa presiometrom (PMT - Pressuremeter Test): Plm pritisak,
− testa dilatometrom (DMT - Dilatometer Test): p pritisak.
− laboratorijske analize: Cu nedrenirana kohezija.
Konstitutivni model ponašanja tla može biti: TNO model, Smith-ov
model, Randolph-ov model i slično. U procesu donošenja finalne odluke o
nosivosti šipa ne bi trebalo primenjivati metode direktne analize, kao što je
Case, MaxCase, Impedance, MaxImpedance i slične metode. Ove metode
mogu samo poslužiti u fazi monitoringa rezultata in-situ DLT ispitivanja i
u preliminarnoj analizi nosivosti šipa. Dozvoljava se primena koeficijenata
korelacije u analizi karakteristične granične kompresione nosivosti šipa na
osnovu proračunate kompresione nosivosti šipa, dobijene testom
dinamičkog opterećenja šipa (DLT). Na slici 10 dat je opšti šematski
prikaz testa dinamičkog opterećenja šipa (DLT).
Slika 10. Opšti šematski prikaz testa dinamičkog opterećenja šipa (DLT) [6]
5. ISPITIVANJE NOSIVOSTI ŠIPOVA - TEST DINAMIČKOG
OPTEREĆENJA ŠIPA (DLT)
U najvećem broju slučajeva, testom dinamičkog opterećenja šipa
(DLT) utvrđuje se mobilisana statička nosivost šipa, kojom se dokazuje
maksimalna projektna nosivost šipa. Centar za puteve i geotehniku
Instituta IMS poseduje sopstveni originalni sistem i licenciranu opremu za
test dinamičkog opterećenja šipa (DLT): softvere i hardvere holandske
firme Profound. Sa ovom opremom moguće je sprovoditi ispitivanje
nosivosti šipa i prikupljati podatke u realnom vremenu i naknadnom
93
obradom podataka. Kompletan sistem za test dinamičkog opterećenja šipa
(DLT) se sastoji iz: čelične noseće konstukcije koja se montira i povezuje
na nastavak glave šipa, modularnih tegova, hidrauličnog sistema za
podizanje tegova na određenu visinu, sistema za zaustavljanje tegova
(kočioni sistem), motora sa agregatom, senzora (akcelerometri i merači
dilatacija), hardverskog sistema za konvertovanje i akviziciju podataka,
softverskog sistema za procesiranje i vizuelizaciju podataka i geodetskog
sistema (nivelmana Leica i bar-kod letvi) za osmatranje deformacija.
Merač dilatacija ima opseg merenja od -2000 mikrodilatacija do +2000
mikrodilatacija i sopstvene frekvencije veće od 2kHz [15]. Za merenje
akceleracija se koristi pijezootporni akcelerometar čiji je opseg merenja od
-5000g do +5000g i rezonantne frekvencije veće od 8kHz. Na slici 11 su
prikazane opreme za ispitivanje nosivosti šipova testom dinamičkog
opterećenja šipa (DLT) Centra za puteve i geotehniku Instituta IMS i
holandske firme Profound.
a)
Slika 11. Opreme za ispitivanje nosivosti šipova testom dinamičkog opterećenja
šipa Centra za puteve i geotehniku Instituta IMS [7] i oprema holandske firme
Profound [15]
Za analizu nosivosti šipova se koriste dva softvera: softver PDA-DLT
za monitoring prilikom in-situ DLT ispitivanja šipa i softver DLT-WAVE
za procesiranje signala, gde se kompatibilizuje signal (signal matching)
b)
c)
94
nelinearnog numeričkog histerezisnog modela interakcije šip-tlo i signal
dobijen in-situ DLT ispitivanjem.
U zavisnosti od vrednosti maksimalne projektne nosivosti šipa i dozvo-
ljenih sleganja, pre sprovođenja ispitivanja, pravi se plan ispitivanja u
kojem se definišu odgovarajuća težina tega i preliminarne visine pada
tega. S obzirom na opciju modularnosti tega i mogućnost podizanja tega
na zahtevane visine, za svako DLT ispitivanje je moguće kreirati odgova-
rajuće kombinacije tega i visina. Na taj način se dobija spektar vrednosti
nosivosti šipa koje je moguće realizovati ispitivanjem sa prethodnim
setovanjem opreme. Na slici 12 prikazane su opcije setovanja opreme za
Slika 12. Test dinamičkog opterećenja šipa (DLT) - setovana oprema za
ispitivanja: a) Savska promenada, b) vetropark Malibunar, c) Aviv Park u
Beogradu, d) pristupna saobraćajnica za most na Adi, e) poslovno-komercijalna
zgrada-kula Ušće 2, f) mostovi na trasi ekspresnog puta Gradsko-Prilep u Make-
doniji, g) mostovi na koridoru X i XI, h) vijadukti na trasi autoputa E 70/E 75 [7]
95
test dinamičkog opterećenja šipa (DLT): Savska promenada, vetropark
Malibunar, Aviv Park u Beogradu, pristupna saobraćajnica za most na
Adi, poslovno-komercijalna zgrada-kula Ušće 2, mostovi na trasi
ekspresnog puta Gradsko-Prilep u Makedoniji, mostovi na koridoru X i
XI i vijadukti na trasi autoputa E 70/E 75.
Prilikom dinamičkog opterećenja šipa koje se aplicira na nastavak
glave šipa, usled slobodnog pada tega odgovarajuće mase m i sa
odgovarajuće visine h, prenosi se energija udara i dolazi do deformacija
(sleganja) šipa, pri čemu se kontrolišu dozvoljeni kompresioni i tenzioni
naponi u šipu. Na slici 13 je prikazna analiza deformacija šipa pri testu
dinamičkog opterećenja šipa (DLT).
Slika 13. Analiza deformacija šipa pri testu dinamičkog opterećenja šipa
(DLT) [7]
Korišćenjem osnovnih principa mehanike, kroz zakon konzervacije
energije, može se izvesti formulacija problema DLT šipa uspostavljajući
odnos ekvivalencije potencijalne energije Ep (teg je podignut na visinu h) i
kinetičke energije Ek (teg je slobodno pao na nastavak glave šipa). U tom
smislu razmatrane su četiri nezavisne situacije:
96
− 1. teg je podignut na visinu hi i šip je neopterećen,
− 2. teg je slobodno pao sa visine hi na glavu šipa izazivajući
deformacije uu,i,
− 3. teg je podignut na visinu hj i šip je neopterećen, pri čemu je hj>hi,
− 4. teg je slobodno pao sa visine hj na glavu šipa izazuvajući
deformacije uu,j.
U prvoj situaciji potencijalna Ep,0 i kinetička Ek,0 energija glase [4]:
,
(5)
gde je g ubrzanje sile zemljine teže. U drugoj situaciji potencijalna Ep,i i
kinetička Ek,i energija glase:
,
(6)
gde je v brzina tega koji slobodno pada sa visine hi, a određuje se prema:
.
(7)
Deformacija glave šipa je uu, dok je deformacija baze šipa ud. Treća
situacija je slična prvoj, osim što je visina dodatno povećana (hj>hi), ali
postoji i povratna deformacija šipa, tako da se potencijalna i kinetička
energija proračunavaju prema izrazu (5). Četvrta situacija je slična drugoj
situaciji, osim što je kinetična energija veća, jer teg pada sa veće visine.
Ukupna deformacija glave šipa je jednaka sumi svih deformacija od DLT
šipa:
,
(8)
gde su Δuu povratne deformacije glave šipa. Teg ne udara direktno o
armiranobetonski nastavak glave šipa, već se na šip montira čelična ploča i
konstrukcija za ispitivanje, a takođe dodatno se na čeličnu ploču
postavljaju podloške od drveta. Uloga ovih podloški je da se: omogući
ravnomerna raspodela napona od udarca tega po celoj površini poprečnog
preseka šipa, koriguje uneta kinetička energija, produži vreme unosa
energije u šip i dodatno koriguje glatkoća signala koji se beleže.
Senzorima, koji se postavljaju na nastavak glave šipa ili glavu šipa,
registruju se dilatacije i akceleracije šipa u vremenu. Na osnovu izmerenih
dilatacija ε(t), modula elastičnosti betona E i površine poprečnog preseka
97
šipa A proračunava se sila F(t) prema:
.
(9)
Sa druge strane, na osnovu izmerenih akceleracija, prvom numeričkom
integracijom, dobija se brzina v(t) i proračunava sila F(t) prema:
,
(10)
gde je c brzina propagacije talasa u betonu, Z impedanca šipa (zavisi od
karakteristika materijala i geometrije poprečnog preseka šipa). Dijagrami
sila dobijeni merenjem dilatacija i akceleracija u vremenu predstavljaju
osnovu za interpretaciju rezultata DLT ispitivanja. Ukupna vrednost
statičke Rsta i dinamičke Rdyn otpornosti Rtot se određuje iz sume talasa koji
se kreće od glave ka bazi šipa F↓ (downward traveling wave) i talasa koji
se kreće od baze ka glavi šipa F↑ (upward traveling wave) [18]:
,
(11)
gde je L dužina šipa, dok se u opštem slučaju sile dobijene iz talasa
proračunavaju prema:
,
(12)
Dijagrami promena sila u vremenu, dobijeni in-situ DLT merenjem
dilatacija i akceleracija i naknadnim proračunom, prikazani su na slici 14:
radni šip vijadukta na trasi autoputa E 70/E 75, radni šip stambenog
objekta u Beogradu, probni šip poslovnog objekta na Novom Beogradu i
radni šip vetrogeneratora u vetroparku Kovačica.
a)
98
b)
c)
d)
Slika 14. Dijagrami promena sila u vremenu dobijeni in-situ DLT merenjem
dilatacija i akceleracija i naknadnim proračunom: a) radni šip vijadukta na trasi
autoputa E 70/E 75, b) radni šip stambenog objekta u Beogradu, c) probni šip
poslovnog objekta na Novom Beogradu, d) radni šip vetrogeneratora u
vetroparku Kovačica [7]
99
Dijagrami promena povratnih talasa sile (upward traveling wave) u
vremenu, dobijeni in-situ DLT merenjem dilatacija i akceleracija i
naknadnim proračunom, prikazani su na slici 15: radni šip vijadukta na
trasi autoputa E 70/E 75, radni šip stambenog objekta u Beogradu, probni
šip poslovnog objekta na Novom Beogradu i radni šip vetrogeneratora u
vetroparku Kovačica.
a)
b)
100
c)
d)
Slika 15. Dijagrami promena povratnih talasa sile (upward traveling wave) u
vremenu dobijeni in-situ DLT merenjem dilatacija i akceleracija i naknadnim
proračunom za objekte u Srbiji: a) radni šip vijadukta na trasi autoputa E 70/E
75, b) radni šip stambenog objekta u Beogradu, c) probni šip poslovnog objekta
na Novom Beogradu, d) radni šip vetrogeneratora u vetroparku Kovačica [7]
Na slici 16 dodatno su prikazani testovi dinamičkih opterećenja (DLT)
sprovedeni za objekte: most na Koridoru XI, hotel Mona plaza u
Beogradu, poslovna zgrada Ušće 2 u Beogradu, vetropark Kovačica,
termoelektrana i toplana TE-TO Pančevo, Lidl Novi Beograd i vijadukt
Donja Gračanica u Bosni i Hercegovini.
101
Slika 16. Test dinamičkog opterećenja šipa (DLT): a) most na Koridoru XI,
b) hotel Mona plaza u Beogradu, c) poslovna zgrada Ušće 2 u Beogradu,
d) vetropark Kovačica, e) termoelektrana i toplana TE-TO Pančevo,
f) Lidl Novi Beograd, g) vijadukt Donja Gračanica u Bosni i Hercegovini
6. ZAVRŠNE NAPOMENE I ZAKLJUČCI
Ispitivanje nosivosti šipova metodološki se može prikazati u nekoliko
faza: priprema ispitivanja, kontrola opreme za ispitivanje, in-situ
ispitivanje šipova na gradilištu, analiza i odlučivanje tokom ispitivanja,
analiza, interpretacija i prezentacija rezultata ispitivanja, analiza granične
nosivosti, dodatne numeričke analize nosivosti, donošenje odluke o
nosivosti šipa i pisanje izveštaja nosivosti šipa. S obzirom na troškove
ispitivanja, u poslednje vreme se najčešće, za ispitivanje vertikalne
nosivosti šipova, koristi test dinamičkog opterećenja šipa (DLT). Takođe,
u velikoj meri se ispitivanja sprovode na radnim (eksploatacionim)
šipovima, a sve manje na probnim (testnim) šipovima. Pored svega toga,
102
primenjuje se princip minimizacije količine ispitivanja, čime se direktno
smanjuju nivoi pouzdanosti nosivosti, stabilnosti i upotrebljivosti
određenih celina ili kompletnog sistema fundiranja objekta. Kada je u
pitanju veliki broj šipova objekta pouzdanije je napraviti plan ispitivanja
pre izgradnje šipova. Kvalitetnim planom ispitivanja mogu se predefinisati
probni šipovi na kojima će se sprovesti test statičkog opterećenja šipa
(SLT) i/ili test dinamičkog opterećenja šipa (DLT), i time uticati na
korekciju tehnologije izgradnje i/ili dispozicije i/ili broja šipova.
Naknadno se određeni radni šipovi mogu ispitati testom dinamičkog
opterećenja šipa (DLT). Najveći problem se pojavljuje kada se izgrade svi
šipovi objekta, pa se nakon toga zahteva sprovođenje ispitivanja nosivosti
šipova, jer se na taj način stvara ograničen prostor za korekcije, kako na
konstruktivnom nivou, tako i na nivou dinamčkog plana izgradnje objekta.
Zahvalnica
Ovaj rad je deo istraživanja u okviru projekta TR 36014 koje finansira
Ministarstvo prosvete, nauke i tehnološkog razvoja Republike Srbije.
7. LITERATURA
[1] ASTM D1143, Standard Test Methods for Deep Foundations Under
Static Axial Compressive Load, ASTM International, West
Conshohocken, USA, 2013.
[2] ASTM D4945, Standard Test Method for High-Strain Dynamic
Testing of Deep Foundations, ASTM International, West
Conshohocken, USA, 2017.
[3] Barbalić I., Galjan B., Bandić M., Ivandić K.: Ispitivanje probnih
pilota na gradilištu putničke luke Dubrovnik, Građevinar, Vol. 59,
No. 8, 2007, pp. 693-703.
[4] Barger V., Olsson M.: Classical Mechanics, A Modern Perspective,
McGraw-Hill, 1973.
[5] Chin K.: Estimation of the Ultimate Load of Piles not Carried to
Failure, 2nd Southeast Asian Conference on Soil Engineering, 1970,
pp. 81-90.
[6] Ćosić M., Božić-Tomić K., Šušić N.: Pile Integrity and Load
Testing: Methodology and Classification, Building Materials and
Structures, Vol. 62, No. 1, 2019, pp. 43-68.
103
[7] Ćosić M., Božić-Tomić K., Šušić N.: Pile Load Testing: Testing and
Results Analysis, Journal of the Croatian Association of Civil
Engineers, 2020, (sent for publishing)
[8] Ćosić M., Folić R., Folić B.: Fragility and Reliability Analyses of
Soil - Pile - Bridge Pier Interaction, Facta Universitatis, Series:
Architecture and Civil Engineering, Vol. 16, No. 1, 2018, pp. 93-
111.
[9] Ćosić M., Folić B., Sedmak S.: Buckling Analysis of 3D Model of
Slender Pile in Interaction with Soil Using Finite Element Method,
Structural Integrity and Life, Vol. 12, No. 3, 2012, pp. 221-232.
[10] Ćosić M., Folić R., Šušić N.: Review of Scientific Insights and a
Critical Analysis of Pile Capacity and Pile Integrity Tests (plenary
lecture), The 9th International Conference on Civil Engineering
Design and Construction (Science and Practice), Varna, Bulgaria,
2016, pp. 1-13.
[11] Ćosić M., Šušić N., Folić R., Bancila R.: Probabilistic Analysis of
Bearing Capacity of Piles with Variable Parameters in CPT Test
and Calculation According to the Requirements of Eurocode 7 (EN
1997-1: 2004) Regulations, Structural Integrity and Life, Vol. 16,
No. 1, 2016, pp. 25-34.
[12] Ćosić M., Šušić N., Folić R., Folić B.: Model of Probabilistic
Analysis of Pile Capacity Based on the Extrapolation of Force-
Settlement Curves, Soil Mechanics and Foundation Engineering,
2020. (accepted for publication)
[13] Decourt L.: A Ruptura de Fundações Avaliada com Base no
Conceito de Rigidez, SEFE lll, São Paulo, Brasil, Vol. 1, 1996, pp.
215-224.
[14] Hansen B.: A General Formula for Bearing Capacity, Danish
geotechnical institute, Copenhagen, Denmark, 1961.
[15] https://profound.nl/downloads/Profound_PDA_DLT_leaflet_en.pdf
[16] Ivšić T., Bačić M., Librić L.: Estimation of Bored Pile Capacity and
Settlement in Soft Soils, Građevinar, Vol. 65, No. 10, 2013, pp. 901-
918.
[17] Milović D.: Bearing Capacity of Piles: Theory and field Tests,
Building Materials and Structures, Vol. 61, No. 1, 2018, pp. 15-26.
[18] PDA-DLT software help theory
[19] Rakić D., Ćorić S., Šušić N.: Bearing Capacity Analysis of
Vertically Loaded Piles in Sandy Soil in New Belgrade, Serbia, 3th
Symposium Macedonian Association for Geotechnics, Ohrid,
Macedonia, 2010.
104
[20] Rakić D., Šušić N.: Bearing Capacity Analysis of Bored Piles in
Sandy Soil with Different Compactness, 12th Danube European
Conference of Geotechnical Engineering, Passau, Germany, 2002,
pp. 103-106.
[21] Rakić D., Šušić N., Basarić I., Đoković K., Berisavljević D.: Load
Test of Large Diameter Piles for the Bridge Across Danube River in
Belgrade, XV Danube - European Conference on Geotechnical
Engineering (DECGE 2014), Vienna, Austria, 2014.
[22] Šušić N.: Recommendations for Choice of Coefficients in Pile
Bearing Capacity, International Deep Foundations Congress,
Orlando, Florida, USA, 2002.
[23] Šušić N., Hadži-Niković G., Đoković K.: Bearing Capacity of Piles
Estimate Differences, International Conference of Contemporary
Achievements in Civil Engineering, pp. 259-264, 2014.
[24] Vukićević M., Marjanović M., Pujević V., Obradović N.: Evaluation
of Methods for Predicting Axial Capacity of Jacked-in and Driven
Piles in Cohesive Soils, Građevinar, Vol. 70, No. 8, 2018, pp. 685-
693.
