Forprófanir á festingum: útreikningur prófunarálags

Forprófun er prófun á staðnum á 5 festingum sem sýnir hvort festing geti borið kennigildi áraunar N_Ek (óstuðlað álag) í grunnefni sem framleiðandinn hefur engin gögn um. BS 8539:2012+A1:2021 kallar hana einfaldaða aðferð við prófanir á leyfilegu viðnámi, í viðauka B.2.3.1.

Hún er notuð þegar engin festing með viðeigandi evrópsku tæknimati (ETA) er fáanleg fyrir grunnefnið, sem í reynd á yfirleitt við um múr, eða þegar ástand steypunnar vekur efasemdir um gildi ETA. Festingin verður samt að vera af gerð sem framleiðandinn samþykkir fyrir þann flokk grunnefnis. Festingarnar 5 eru aðeins álagðar upp að prófunarálaginu, ekki til brots, svo prófanirnar valda minni skemmdum en brotprófanir. Sjá hvenær prófa þarf á staðnum.

Festingar fyrir forprófun eru settar upp sérstaklega fyrir hana og aldrei notaðar í verkinu. Setjið þær í grunnefni sem samsvarar verkinu, á stað þar sem skemmdir skaða ekki burðarvirkið og hægt er að gera við þær. Hafið þær vel fjarri festingum sem verða notaðar og aldrei nær en 3 × h_ef þar sem pláss er lítið.

Prófunarálagið er kennigildi áraunar margfaldað með prófunarstuðli og síðan deilt með minnkunarstuðlinum α_dist og ástandsstuðlinum Ω:

N_test = N_Ek × ν_test ÷ (α_dist × Ω) (jafna B.4 í BS 8539)

• N_Ek, kennigildi áraunar, er álagið sem hönnunin leggur á eina festingu, án öryggisstuðla. Hönnuður gefur það upp.
• ν_test, prófunarstuðullinn, ræðst af efni festingar, grunnefni og því hvort álagið er langtíma- eða skammtímaálag. Sjá töfluna hér að neðan.
• α_dist, minnkunarstuðullinn, tekur tillit til brúarundirstaðna sem standa svo nálægt festingunni að þær gætu haldið grunnefninu saman og hækkað niðurstöðuna. Hann er 1.0 þegar fæturnir eru nógu langt hvor frá öðrum. Sjá val á brú.
• Ω, ástandsstuðullinn, tekur tillit til munar á prófun og raunverulegri notkun, t.d. prófun við þurrar aðstæður fyrir festingu sem verður blaut. Hönnuður ákveður Ω.

Reiknivél fyrir prófunarálag okkar fer í gegnum þessi skref fyrir þig.

Nælonakkeri fá hærri stuðla vegna skriðs. Þegar nælon er undir álagi í langan tíma aflagast það hægt og rólega, þannig að akkeri sem þolir prófunarálagið í stuttan tíma getur samt bilað við lægra álag í notkun.

Hönnuður velur Ω með því að spyrja hvernig raunveruleg notkun akkerisins muni frábrugðin prófuninni. Hvert svar gefur gildi:

• Hversu lengi mun álagið vara? Fyrir skammtímaálag, svo sem festingar fyrir vinnupalla eða turnvinnu, er Ω = 1,0. Fyrir viðvarandi togálag er Ω = 0,9.
• Verður akkerið blautara eða heitara í notkun en í prófuninni? Ef það verður blautt í notkun en er prófað þurrt er Ω = 0,8. Ef það verður heitara en venjulegt notkunarhitastigsbil framleiðanda en er prófað við venjulegt hitastig er Ω = 0,8.
• Gætu akkeri í notkun lent á veikari stað en prófunarakkerin? Á múrhúðuðum eða pússuðum vegg, þar sem fúgurnar eru faldar eða ekki er hægt að tryggja að akkerin séu inni í múrsteinunum, og prófunarakkerin eru í heilum múrsteini, er Ω = 0,75.
• Verður steypan sprungin? Fyrir akkeri sem hannað er fyrir steinsteypu á togsvæði er Ω = 0,7.

Þegar fleiri en eitt skilyrði á við gefur hönnuður eitt Ω-gildi fyrir tilvikið. Þessar leiðbeiningar gefa enga reglu um hvernig eigi að sameina þau; spyrjið hönnuðinn.

αdist ræðst af bili milli undirstaðna adist og virkri festudýpt hef. adist er mælt að miðás punktundirstaðna, eða sem hreint bil milli samfelldra undirstaðna. Tölur Staht, 127 mm fyrir t25 og t60 staðalbrýrnar og 375 mm og 575 mm fyrir breiðari brýrnar, eru hreint bil milli fótanna eftir brúnni (gagnablöð Staht), sami grunnur og birt brúartafla iðnaðarins notar. Það er öryggismegin: fætur fjögurra fóta brúar standa í raun fjær festingunni, svo hreina bilið gefur aðeins hærra prófunarálag, aldrei lægra.

Upp að h_ef = 150 mm. Ef adist er a.m.k. 3 × hef er αdist = 1,0. Ef adist er minna en 3 × hef en meira en 1,5 × hef er αdist = 0,4 + adist ÷ (5 × hef) (jafna B.12 í BS 8539). BS 8539 setur líka 450 mm hámark á nauðsynlegt bil, en upp að hef = 150 mm fer 3 × hef aldrei yfir 450 mm, svo hámarkið breytir ekki niðurstöðunni. Ef adist er 1,5 × hef eða minna er brúin of mjó fyrir þessa aðferð: notið breiðari brú. Í steinsteypu þarf forprófun einnig að næsta undirstaða sé meira en 1,0 × hef frá festingunni, eins og reiknidæmi B kannar.

Dýpra en 150 mm. Jafna B.12 gildir ekki. Í steinsteypu skal næsta undirstaða vera a.m.k. 1,5 × hef frá festingunni, þ.e. adist a.m.k. 3 × hef. Í hleðslu gilda reglur um múrsteina og hleðslusteina. EOTA TR 053 krefst engrar lækkunar í marglaga veggjum úr litlum gegnheilum steinum, t.d. gegnheilum leirsteinum, svo framarlega sem undirstöðurnar eru meira en 1,5 × hef í sundur og gefa rými fyrir brotið að myndast. Sjá val á brú.

hef er dýptin að neðsta punkti þar sem festingin grípur í grunnefnið. Fyrir nælonfestingar skal taka hef sem 50% af nafndýpt festingar.

Límfesting í gegnheilum múrsteini ber varanlegt togálag. Hönnuður gefur NEk = 0,9 kN, hef = 60 mm og eitt Ω upp á 0,9 fyrir varanlega álagið. ν_test fyrir festingu sem ekki er úr næloni í hleðslu undir langtímaálagi er 4.

Með Staht t25 staðalbrúnni (bil milli undirstaðna a_dist = 127 mm, hreint bil milli fótanna eftir brúnni (gagnablað Staht)):

• 3 × hef = 180 mm, sem er meira en 127 mm, svo αdist gildir. 127 mm er meira en 1,5 × h_ef (90 mm), svo jafna B.12 gildir.
• 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.

Með Staht Bridge 375-25 (a_dist = 375 mm):

• 375 mm er meira en 3 × hef (180 mm), svo αdist = 1,0.
• N_test = 3,6 ÷ (1,0 × 0,9) = 4,00 kN.

Breiðari brúin fjarlægir lækkunina, svo festingarnar eru prófaðar við 4,00 kN í stað 4,86 kN. Í múrhleðslu skal setja fætur brúarinnar á steinana við hliðina á þeim sem festingin er í. Sjá prófanir í hleðslu.

Festingar fyrir vinnu í hæð fara í eldri steinsteypu sem óvíst er um ástand á, svo hönnuður biður um forprófanir. NEk = 3,0 kN, hef = 50 mm, skammtímaálag, svo Ω = 1,0. ν_test fyrir festingu sem ekki er úr næloni í steinsteypu undir skammtímaálagi er 2.

• Með Staht t60 staðalbrúnni er adist = 127 mm, hreint bil milli fótanna eftir brúnni (gagnablað Staht), sem er minna en 3 × hef (150 mm) og meira en 1,5 × h_ef (75 mm), svo jafna B.12 gildir.
• Næsta undirstaða, í 63,5 mm, er meira en 1,0 × h_ef (50 mm), eins og forprófanir í steinsteypu krefjast við álagningu upp að prófunarálagi.
• 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.

Nælonfestingar eiga að halda tímabundinni girðingu við eldri steinsteypu sem óvíst er um ástand á, svo hönnuður biður um forprófanir. NEk = 0,4 kN, skammtímaálag, svo Ω = 1,0. Nafndýpt er 70 mm, svo hef = 35 mm. ν_test fyrir nælon undir skammtímaálagi er 3,5.

• Með Staht t25 staðalbrúnni er adist = 127 mm, hreint bil milli fótanna eftir brúnni (gagnablað Staht), sem er meira en 3 × hef (105 mm), svo α_dist = 1,0.
• Næsta undirstaða, í 63,5 mm, er meira en 1,0 × h_ef (35 mm).
• N_test = 0,4 × 3,5 ÷ (1,0 × 1,0) = 1,40 kN.

Þegar allar 5 festingarnar halda prófunarálaginu má taka kennigildi áraunar sem leyfilegt viðnám í því grunnefni: NR,all = NEk (jafna B.5 í BS 8539). Þá má nota festinguna við það álag.

Ef festing nær ekki prófunarálaginu ákveður hönnuður framhaldið og tvær spurningar ráða því. Getur verkið einfaldlega tekið fleiri festingar, t.d. með því að setja þær þéttar? Og gaf festingin sig nálægt prófunarálaginu, t.d. yfir 0,8 × N_test?

• Já við báðum: haldið festingunni og notið fleiri, við lægra leyfilegt viðnám reiknað eins og hér að neðan.
• Nei við annarri hvorri: breytið forskriftinni, í stærra þvermál, meiri festudýpt eða aðra gerð festingar, og gerið nýja röð forprófana á henni.

Útreikningur á lægra leyfilegu viðnámi:

1. Álagið allar 5 prófunarfestingarnar hægt upp að broti og skráið álagið við fyrstu hreyfingu á hverri. Til að hlífa burðarvirkinu má stöðva við um 1,0 mm hreyfingu og telja það álag sem brotálag.
2. Út frá meðalbrotálagi Nu,ave: NR,all = Nu,ave × αdist × Ω ÷ ν_ave (jafna B.6).
3. Út frá lægsta brotálagi Nu,low: NR,all = Nu,low × αdist × Ω ÷ ν_low (jafna B.7).
4. Notið lægra gildið af þessum tveimur, þó ekki hærra en meðalálag við fyrstu hreyfingu N_1st,m.
5. Fjölgið festingum: n' = n0 × NEk ÷ NR,all (jafna B.8), þar sem n0 er upphaflega áætlaður fjöldi. Námundið upp.

Í dæmi A með t25 brúnni var prófunarálagið 4,86 kN. Ein festing gefur sig við 4,2 kN, sem er yfir 0,8 × 4,86 = 3,89 kN, og verkið getur tekið fleiri festingar. Allar 5 eru álagðar upp að broti: 4,2, 5,6, 6,1, 5,3 og 6,4 kN. Meðalálag við fyrstu hreyfingu er 2,3 kN.

• Nu,ave = 27,6 ÷ 5 = 5,52 kN og Nu,low = 4,2 kN.
• α_dist × Ω = 0,823 × 0,9 = 0,741.
• Út frá meðaltali: 5,52 × 0,741 ÷ 5 = 0,818 kN.
• Út frá lægsta gildi: 4,2 × 0,741 ÷ 4 = 0,778 kN.
• NR,all = 0,778 kN, lægra gildið. Það er undir N1st,m (2,3 kN), svo það stendur.
• Verkið gerði ráð fyrir 24 festingum: n' = 24 × 0,9 ÷ 0,778 = 27,8, svo 28 festingar þarf.

BS 8539 býður upp á þrjár aðrar leiðir, sem allar byggja á brotprófunum.

• Ekkert ETA, tölfræðileg aðferð (viðauki B.2.3.2): 5 til 15 festingar eru álagðar upp að broti. NRk1 = αdist × NRu,m × (1 − K × v) × Ω, þar sem NRu,m er meðalbrotálag, v breytileikastuðull (ekki meira en 30%) og K tölfræðistuðull: 3,40 fyrir 5 prófanir, 2,57 fyrir 10 og 2,33 fyrir 15. NR,all = NRk1 ÷ ν, þó ekki meira en N_1st,m. Hönnuður velur ν, t.d. 3 til 4 fyrir stöðugt álag eða 5 fyrir nælonfestingar.
• ETA-festing í hleðslu utan gildissviðs ETA, 5 til 15 prófanir (viðauki B.2.2.1): NRk1 = αdist × NRu,m × (1 − K × v) × β, með β úr ETA (1 ef ekkert er gefið), þó ekki meira en kennigildi viðnáms í ETA. Hér kemur β í stað Ω. Síðan NR,all = NRk1 ÷ γM ÷ γF, með γM úr ETA og γF 1,35 fyrir varanlegar áraunir, 1,5 fyrir breytilegar áraunir eða 1,4 þar sem þær eru óþekktar eða blandaðar, og ekki meira en N1st,m.
• ETA-festing, 15 eða fleiri prófanir (viðauki B.2.2): prófunaraðferð á verkstað samkvæmt viðeigandi evrópsku matsskjali (EAD) og tækniskýrslu EOTA.

Því fleiri festingar sem prófaðar eru upp að broti, því hærra verður leyfilegt viðnám líklega, en brotprófanir valda meiri skemmdum.