Προκαταρκτικές δοκιμές αγκυρίων: υπολογισμός του φορτίου δοκιμής

Η προκαταρκτική δοκιμή είναι μια επιτόπια δοκιμή σε 5 αγκύρια που δείχνει αν ένα αγκύριο μπορεί να φέρει τη χαρακτηριστική δράση N_Ek (το φορτίο χωρίς συντελεστές ασφαλείας) σε υλικό βάσης για το οποίο ο κατασκευαστής δεν διαθέτει δεδομένα. Το BS 8539:2012+A1:2021 την ονομάζει απλοποιημένη μέθοδο δοκιμών για την επιτρεπόμενη αντίσταση, στο Παράρτημα B.2.3.1.

Εφαρμόζεται όταν δεν υπάρχει αγκύριο με σχετική Ευρωπαϊκή Τεχνική Αξιολόγηση (ETA) για το υλικό βάσης, που στην πράξη συνήθως σημαίνει τοιχοποιία, ή όταν η κατάσταση του σκυροδέματος θέτει υπό αμφισβήτηση τα στοιχεία της ETA. Το αγκύριο πρέπει πάντως να είναι τύπος που ο κατασκευαστής του εγκρίνει για τη συγκεκριμένη κατηγορία υλικού βάσης. Τα 5 αγκύρια φορτίζονται μόνο έως το φορτίο δοκιμής, όχι μέχρι αστοχίας, οπότε οι δοκιμές προκαλούν λιγότερη ζημιά από τις δοκιμές έως αστοχία. Δείτε πότε χρειάζεται επιτόπια δοκιμή.

Τα αγκύρια της προκαταρκτικής δοκιμής τοποθετούνται ειδικά γι' αυτήν και δεν χρησιμοποιούνται ποτέ στο έργο. Τοποθετήστε τα σε υλικό βάσης ίδιο με του έργου, σε σημείο όπου τυχόν ζημιά δεν βλάπτει τον φέροντα οργανισμό και μπορεί να επισκευαστεί. Κρατήστε τα σε ικανή απόσταση από τα αγκύρια που θα χρησιμοποιηθούν και ποτέ πιο κοντά από 3 × h_ef όπου ο χώρος είναι περιορισμένος.

Το φορτίο δοκιμής είναι η χαρακτηριστική δράση πολλαπλασιασμένη με έναν συντελεστή δοκιμής και διαιρεμένη με τον μειωτικό συντελεστή α_dist και τον συντελεστή συνθηκών Ω:

N_test = N_Ek × ν_test ÷ (α_dist × Ω) (εξίσωση B.4 του BS 8539)

• N_Ek, η χαρακτηριστική δράση, είναι το φορτίο που ασκεί ο σχεδιασμός σε ένα αγκύριο, χωρίς συντελεστές ασφαλείας. Το δίνει ο μελετητής.
• ν_test, ο συντελεστής δοκιμής, εξαρτάται από το υλικό του αγκυρίου, το υλικό βάσης και από το αν το φορτίο είναι μακροχρόνιο ή βραχυχρόνιο. Δείτε τον παρακάτω πίνακα.
• α_dist, ο μειωτικός συντελεστής, λαμβάνει υπόψη στηρίγματα γέφυρας τόσο κοντά στο αγκύριο που θα μπορούσαν να συγκρατούν το υλικό βάσης και να αυξάνουν το αποτέλεσμα. Είναι 1.0 όταν τα πόδια απέχουν αρκετά. Δείτε επιλογή γέφυρας.
• Ω, ο συντελεστής συνθηκών, λαμβάνει υπόψη διαφορές μεταξύ δοκιμής και πραγματικής χρήσης, π.χ. δοκιμή σε ξηρές συνθήκες για αγκύριο που θα είναι υγρό. Το Ω το καθορίζει ο μελετητής.

Ο υπολογιστής φορτίου δοκιμής μας κάνει αυτά τα βήματα για εσάς.

Στα νάιλον βύσματα δίνονται υψηλότεροι συντελεστές λόγω ερπυσμού. Όταν το νάιλον καταπονείται με φορτίο για μεγάλο χρονικό διάστημα, παραμορφώνεται σιγά σιγά, οπότε ένα βύσμα που αντέχει το φορτίο δοκιμής για σύντομο χρόνο μπορεί παρ' όλα αυτά να αστοχήσει σε χαμηλότερο φορτίο κατά τη λειτουργία.

Ο μελετητής επιλέγει το Ω εξετάζοντας πώς η πραγματική χρήση του βύσματος θα διαφέρει από τη δοκιμή. Κάθε απάντηση δίνει μια τιμή:

• Πόσο χρόνο θα ασκείται το φορτίο; Για βραχυχρόνια φορτία, όπως η αγκύρωση ικριωμάτων ή εργασιών σε ύψος με σχοινιά, Ω = 1.0. Για διαρκές εφελκυστικό φορτίο, Ω = 0.9.
• Θα είναι το βύσμα πιο υγρό ή πιο ζεστό κατά τη χρήση απ' ό,τι στη δοκιμή; Αν θα είναι υγρό κατά τη χρήση αλλά δοκιμάζεται στεγνό, Ω = 0.8. Αν θα λειτουργεί σε θερμοκρασία υψηλότερη από το κανονικό εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας του κατασκευαστή αλλά δοκιμάζεται σε κανονική θερμοκρασία, Ω = 0.8.
• Θα μπορούσαν τα βύσματα λειτουργίας να καταλήξουν σε πιο αδύναμο σημείο από τα βύσματα δοκιμής; Σε σοβατισμένο ή επιχρισμένο τοίχο, όπου οι αρμοί είναι κρυμμένοι ή τα βύσματα δεν μπορούν να τοποθετηθούν με βεβαιότητα μέσα στα τούβλα, και τα βύσματα δοκιμής βρίσκονται σε συμπαγές τούβλο, Ω = 0.75.
• Θα είναι το σκυρόδεμα ρηγματωμένο; Για βύσμα σχεδιασμένο για εφελκυόμενο σκυρόδεμα, Ω = 0.7.

Όταν ισχύουν περισσότερες από μία συνθήκες, ο μελετητής δίνει ένα ενιαίο Ω για την περίπτωση. Ο παρών οδηγός δεν δίνει κανόνα για τον συνδυασμό τους· ρωτήστε τον μελετητή.

Το αdist εξαρτάται από την απόσταση στηρίξεων adist και το ενεργό βάθος αγκύρωσης hef. Το adist μετράται έως τον άξονα των σημειακών στηρίξεων ή ως καθαρό πλάτος μεταξύ συνεχών στηρίξεων. Οι τιμές της Staht, 127 mm για τις τυπικές γέφυρες t25 και t60 και 375 mm και 575 mm για τις φαρδύτερες γέφυρες, είναι η καθαρή απόσταση μεταξύ των ποδιών κατά μήκος της γέφυρας (φύλλα δεδομένων Staht), η βάση στην οποία στηρίζεται ο δημοσιευμένος πίνακας γεφυρών του κλάδου. Αυτό είναι υπέρ της ασφάλειας: τα πόδια μιας τετράποδης γέφυρας βρίσκονται στην πραγματικότητα πιο μακριά από το αγκύριο, οπότε η καθαρή απόσταση δίνει ελαφρώς υψηλότερο φορτίο δοκιμής, ποτέ χαμηλότερο.

Έως h_ef = 150 mm. Αν adist ≥ 3 × hef, τότε αdist = 1.0. Αν το adist είναι μικρότερο από 3 × hef αλλά μεγαλύτερο από 1.5 × hef, τότε αdist = 0.4 + adist ÷ (5 × hef) (εξίσωση B.12 του BS 8539). Το BS 8539 θέτει επίσης ανώτατο όριο 450 mm στην απαιτούμενη απόσταση, αλλά έως hef = 150 mm το 3 × hef δεν υπερβαίνει ποτέ τα 450 mm, οπότε το όριο δεν αλλάζει το αποτέλεσμα. Αν adist ≤ 1.5 × hef, η γέφυρα είναι πολύ στενή για αυτή τη μέθοδο: χρησιμοποιήστε φαρδύτερη. Σε σκυρόδεμα, η προκαταρκτική δοκιμή απαιτεί επίσης η πλησιέστερη στήριξη να απέχει περισσότερο από 1.0 × hef από το αγκύριο, όπως ελέγχεται στο παράδειγμα Β.

Βάθος μεγαλύτερο από 150 mm. Η εξίσωση B.12 δεν εφαρμόζεται. Σε σκυρόδεμα, διατηρήστε την πλησιέστερη στήριξη σε απόσταση τουλάχιστον 1.5 × hef από το αγκύριο, δηλαδή adist τουλάχιστον 3 × hef. Σε τοιχοποιία ισχύουν οι κανόνες για τούβλα και τσιμεντόλιθους. Το EOTA TR 053 δεν απαιτεί μείωση σε πολύστρωτους τοίχους από μικρά συμπαγή τούβλα, όπως συμπαγή πήλινα τούβλα, εφόσον οι στηρίξεις απέχουν μεταξύ τους περισσότερο από 1.5 × hef και αφήνουν χώρο για να σχηματιστεί η αστοχία. Δείτε επιλογή γέφυρας.

Το hef είναι το βάθος έως το χαμηλότερο σημείο στο οποίο το αγκύριο συγκρατείται στο υλικό βάσης. Για νάιλον αγκύρια, λάβετε το hef ίσο με το 50% του ονομαστικού βάθους αγκύρωσης.

Ένα χημικό αγκύριο σε συμπαγές τούβλο φέρει μόνιμο εφελκυστικό φορτίο. Ο μελετητής δίνει NEk = 0.9 kN, hef = 60 mm και ενιαίο Ω ίσο με 0.9 για το μόνιμο φορτίο. Το ν_test για μη νάιλον αγκύριο σε τοιχοποιία υπό μακροχρόνια φόρτιση είναι 4.

Με την τυπική γέφυρα Staht t25 (απόσταση στηρίξεων a_dist = 127 mm, η καθαρή απόσταση μεταξύ των ποδιών κατά μήκος της γέφυρας (φύλλο δεδομένων Staht)):

• 3 × hef = 180 mm, μεγαλύτερο από 127 mm, οπότε εφαρμόζεται το αdist. Τα 127 mm είναι περισσότερα από 1.5 × h_ef (90 mm), οπότε ισχύει η εξίσωση B.12.
• α_dist = 0.4 + 127 ÷ (5 × 60) = 0.4 + 0.423 = 0.823.
• N_test = 0.9 × 4 ÷ (0.823 × 0.9) = 3.6 ÷ 0.741 = 4.86 kN.

Με τη Staht Bridge 375-25 (a_dist = 375 mm):

• Τα 375 mm είναι περισσότερα από 3 × hef (180 mm), οπότε αdist = 1.0.
• N_test = 3.6 ÷ (1.0 × 0.9) = 4.00 kN.

Η φαρδύτερη γέφυρα καταργεί τη μείωση, οπότε τα αγκύρια δοκιμάζονται στα 4.00 kN αντί για 4.86 kN. Σε τουβλοδομή, τοποθετήστε τα πόδια της γέφυρας στα τούβλα δίπλα σε αυτό που φέρει το αγκύριο. Δείτε δοκιμές σε τοιχοποιία.

Αγκύρια για εργασίες σε ύψος τοποθετούνται σε παλαιό σκυρόδεμα αμφίβολης κατάστασης, οπότε ο μελετητής ζητά προκαταρκτικές δοκιμές. NEk = 3.0 kN, hef = 50 mm, βραχυχρόνια φόρτιση, άρα Ω = 1.0. Το ν_test για μη νάιλον αγκύριο σε σκυρόδεμα υπό βραχυχρόνια φόρτιση είναι 2.

• Με την τυπική γέφυρα Staht t60, adist = 127 mm, η καθαρή απόσταση μεταξύ των ποδιών κατά μήκος της γέφυρας (φύλλο δεδομένων Staht), που είναι μικρότερη από 3 × hef (150 mm) και μεγαλύτερη από 1.5 × h_ef (75 mm), οπότε εφαρμόζεται η εξίσωση B.12.
• Η πλησιέστερη στήριξη, στα 63.5 mm, απέχει περισσότερο από 1.0 × h_ef (50 mm), όπως απαιτούν οι προκαταρκτικές δοκιμές σε σκυρόδεμα κατά τη φόρτιση έως το φορτίο δοκιμής.
• α_dist = 0.4 + 127 ÷ (5 × 50) = 0.4 + 0.508 = 0.908.
• N_test = 3.0 × 2 ÷ (0.908 × 1.0) = 6.0 ÷ 0.908 = 6.61 kN.

Νάιλον αγκύρια θα συγκρατούν προσωρινή περίφραξη εργοταξίου σε παλαιό σκυρόδεμα αμφίβολης κατάστασης, οπότε ο μελετητής ζητά προκαταρκτικές δοκιμές. NEk = 0.4 kN, βραχυχρόνια φόρτιση, άρα Ω = 1.0. Το ονομαστικό βάθος αγκύρωσης είναι 70 mm, άρα hef = 35 mm. Το ν_test για νάιλον υπό βραχυχρόνια φόρτιση είναι 3.5.

• Με την τυπική γέφυρα Staht t25, adist = 127 mm, η καθαρή απόσταση μεταξύ των ποδιών κατά μήκος της γέφυρας (φύλλο δεδομένων Staht), που είναι μεγαλύτερη από 3 × hef (105 mm), οπότε α_dist = 1.0.
• Η πλησιέστερη στήριξη, στα 63.5 mm, απέχει περισσότερο από 1.0 × h_ef (35 mm).
• N_test = 0.4 × 3.5 ÷ (1.0 × 1.0) = 1.40 kN.

Όταν και τα 5 αγκύρια αντέξουν το φορτίο δοκιμής, η χαρακτηριστική δράση μπορεί να ληφθεί ως η επιτρεπόμενη αντοχή στο συγκεκριμένο υλικό βάσης: NR,all = NEk (εξίσωση B.5 του BS 8539). Το αγκύριο μπορεί τότε να χρησιμοποιηθεί σε αυτό το φορτίο.

Αν ένα αγκύριο δεν φτάσει το φορτίο δοκιμής, ο μελετητής αποφασίζει τα επόμενα βήματα, και δύο ερωτήματα το κρίνουν. Μπορεί η εφαρμογή απλώς να δεχτεί περισσότερα αγκύρια, για παράδειγμα τοποθετώντας τα πιο πυκνά; Και αστόχησε το αγκύριο κοντά στο φορτίο δοκιμής, για παράδειγμα πάνω από 0.8 × N_test;

• Ναι και στα δύο: διατηρήστε το αγκύριο και χρησιμοποιήστε περισσότερα, με χαμηλότερη επιτρεπόμενη αντοχή που υπολογίζεται όπως παρακάτω.
• Όχι σε οποιοδήποτε: αλλάξτε την προδιαγραφή, σε μεγαλύτερη διάμετρο, βαθύτερη αγκύρωση ή άλλο τύπο αγκυρίου, και εκτελέστε νέα σειρά προκαταρκτικών δοκιμών.

Υπολογισμός της χαμηλότερης επιτρεπόμενης αντοχής:

1. Φορτίστε και τα 5 αγκύρια δοκιμής έως την αστοχία, αργά, σημειώνοντας για καθένα το φορτίο στην πρώτη μετακίνηση. Για να προστατέψετε την κατασκευή, μπορείτε να σταματήσετε σε μετακίνηση περίπου 1.0 mm και να θεωρήσετε αυτό το φορτίο ως φορτίο αστοχίας.
2. Από το μέσο φορτίο αστοχίας Nu,ave: NR,all = Nu,ave × αdist × Ω ÷ ν_ave (εξίσωση B.6).
3. Από το χαμηλότερο φορτίο αστοχίας Nu,low: NR,all = Nu,low × αdist × Ω ÷ ν_low (εξίσωση B.7).
4. Χρησιμοποιήστε τη χαμηλότερη από τις δύο τιμές, με ανώτατο όριο το μέσο φορτίο πρώτης μετακίνησης N_1st,m.
5. Αυξήστε αναλογικά τον αριθμό αγκυρίων: n' = n0 × NEk ÷ NR,all (εξίσωση B.8), όπου n0 ο αρχικά προβλεπόμενος αριθμός. Στρογγυλοποιήστε προς τα πάνω.

Στο παράδειγμα Α με τη γέφυρα t25, το φορτίο δοκιμής ήταν 4.86 kN. Ένα αγκύριο αστοχεί στα 4.2 kN, που είναι πάνω από 0.8 × 4.86 = 3.89 kN, και η εφαρμογή μπορεί να δεχτεί περισσότερα αγκύρια. Και τα 5 φορτίζονται έως την αστοχία: 4.2, 5.6, 6.1, 5.3 και 6.4 kN. Το μέσο φορτίο στην πρώτη μετακίνηση είναι 2.3 kN.

• Nu,ave = 27.6 ÷ 5 = 5.52 kN και Nu,low = 4.2 kN.
• α_dist × Ω = 0.823 × 0.9 = 0.741.
• Από τη μέση τιμή: 5.52 × 0.741 ÷ 5 = 0.818 kN.
• Από τη χαμηλότερη: 4.2 × 0.741 ÷ 4 = 0.778 kN.
• NR,all = 0.778 kN, η χαμηλότερη τιμή. Είναι κάτω από το N1st,m (2.3 kN), οπότε ισχύει.
• Η εφαρμογή προέβλεπε 24 αγκύρια: n' = 24 × 0.9 ÷ 0.778 = 27.8, οπότε απαιτούνται 28 αγκύρια.

Το BS 8539 προβλέπει τρεις ακόμη μεθόδους, καθεμία βασισμένη σε δοκιμές έως την αστοχία.

• Χωρίς ETA, στατιστική προσέγγιση (Παράρτημα B.2.3.2): 5 έως 15 αγκύρια φορτίζονται έως την αστοχία. NRk1 = αdist × NRu,m × (1 − K × v) × Ω, όπου NRu,m το μέσο φορτίο αστοχίας, v ο συντελεστής μεταβλητότητας (έως 30%) και K στατιστικός συντελεστής: 3.40 για 5 δοκιμές, 2.57 για 10 και 2.33 για 15. NR,all = NRk1 ÷ ν, όχι μεγαλύτερο από N_1st,m. Ο μελετητής επιλέγει το ν, για παράδειγμα 3 έως 4 για στατικά φορτία ή 5 για νάιλον αγκύρια.
• Αγκύριο με ETA σε τοιχοποιία εκτός πεδίου του ETA, 5 έως 15 δοκιμές (Παράρτημα B.2.2.1): NRk1 = αdist × NRu,m × (1 − K × v) × β, με β από το ETA (1 αν δεν δίνεται), όχι μεγαλύτερο από τη χαρακτηριστική αντοχή του ETA. Εδώ το β αντικαθιστά το Ω. Στη συνέχεια NR,all = NRk1 ÷ γM ÷ γF, με γM από το ETA και γF 1.35 για μόνιμες δράσεις, 1.5 για μεταβλητές δράσεις ή 1.4 όταν είναι άγνωστες ή μικτές, και όχι μεγαλύτερο από N1st,m.
• Αγκύριο με ETA, 15 ή περισσότερες δοκιμές (Παράρτημα B.2.2): η μέθοδος επιτόπιας δοκιμής του σχετικού Ευρωπαϊκού Εγγράφου Αξιολόγησης (EAD) και της αντίστοιχης Τεχνικής Έκθεσης EOTA.

Όσο περισσότερα αγκύρια δοκιμάζονται έως την αστοχία, τόσο υψηλότερη είναι πιθανώς η επιτρεπόμενη αντοχή, όμως οι δοκιμές έως την αστοχία προκαλούν μεγαλύτερη φθορά.