Predbežné skúšky kotiev: výpočet skúšobného zaťaženia

Predbežná skúška je skúška na stavbe na 5 kotvách, ktorá ukáže, či kotva unesie charakteristické zaťaženie N_Ek (zaťaženie bez súčiniteľov) v podkladovom materiáli, pre ktorý výrobca nemá údaje. Norma BS 8539:2012+A1:2021 ju v prílohe B.2.3.1 nazýva zjednodušeným postupom skúšok prípustnej únosnosti.

Používa sa, ak pre daný podkladový materiál nie je k dispozícii kotva s príslušným európskym technickým posúdením (ETA), čo v praxi zvyčajne znamená murivo, alebo ak stav betónu spochybňuje hodnoty uvedené v ETA. Kotva musí byť aj tak typom, ktorý výrobca schvaľuje pre danú kategóriu podkladového materiálu. 5 kotiev sa zaťažuje len do skúšobného zaťaženia, nie do porušenia, takže skúšky spôsobia menšie poškodenie ako skúšky do porušenia. Pozrite si, kedy treba skúšať na stavbe.

Kotvy na predbežnú skúšku sa osádzajú špeciálne na tento účel a nikdy sa nepoužijú na stavbe. Osaďte ich do podkladového materiálu zodpovedajúceho stavbe, na miesto, kde prípadné poškodenie neuškodí konštrukcii a dá sa opraviť. Umiestnite ich dostatočne ďaleko od kotiev, ktoré sa budú používať, a pri nedostatku miesta nikdy bližšie ako 3 × h_ef.

Skúšobné zaťaženie je charakteristické zaťaženie vynásobené skúšobným súčiniteľom a vydelené redukčným súčiniteľom α_dist a súčiniteľom podmienok Ω:

N_test = N_Ek × ν_test ÷ (α_dist × Ω) (rovnica B.4 normy BS 8539)

• N_Ek, charakteristické zaťaženie, je zaťaženie, ktorým návrh pôsobí na jednu kotvu, bez súčiniteľov bezpečnosti. Udáva ho projektant.
• ν_test, skúšobný súčiniteľ, závisí od materiálu kotvy, podkladového materiálu a od toho, či je zaťaženie dlhodobé alebo krátkodobé. Pozrite si tabuľku nižšie.
• α_dist, redukčný súčiniteľ, zohľadňuje podpery mostíka umiestnené tak blízko kotvy, že by mohli podkladový materiál držať pohromade a zvýšiť výsledok. Ak sú nohy mostíka dostatočne ďaleko od seba, rovná sa 1,0. Pozrite si výber mostíka.
• Ω, súčiniteľ podmienok, zohľadňuje rozdiely medzi skúškou a skutočným použitím, napríklad skúšku v suchu pri kotve, ktorá bude vo vlhku. O hodnote Ω rozhoduje projektant.

Naša kalkulačka skúšobného zaťaženia tieto kroky prejde za vás.

Nylonové kotvy majú vyššie súčinitele kvôli dotvarovaniu (creep). Pri dlhodobom zaťažení sa nylon pomaly deformuje, takže kotva, ktorá krátkodobo vydrží skúšobné zaťaženie, môže v prevádzke zlyhať aj pri nižšom zaťažení.

Projektant určí Ω tak, že posúdi, ako sa skutočné použitie kotvy bude líšiť od skúšky. Každá odpoveď dáva hodnotu:

• Ako dlho bude zaťaženie pôsobiť? Pri krátkodobom zaťažení, napríklad pri kotvení lešenia alebo pri výškových prácach, Ω = 1,0. Pri trvalom ťahovom zaťažení Ω = 0,9.
• Bude kotva pri použití vlhšia alebo teplejšia ako pri skúške? Ak bude pri použití vlhká, ale skúša sa za sucha, Ω = 0,8. Ak bude vystavená vyššej teplote, ako je bežný rozsah prevádzkových teplôt výrobcu, ale skúša sa pri bežnej teplote, Ω = 0,8.
• Môžu sa prevádzkové kotvy osadiť do slabšieho miesta ako skúšobné kotvy? Na omietnutej stene, kde sú škáry skryté alebo kotvy nemožno udržať vo vnútri tehál, a skúšobné kotvy sú v plnej tehle, Ω = 0,75.
• Bude betón popraskaný? Pri kotve určenej do betónu v ťahanej zóne Ω = 0,7.

Ak platí viac podmienok, projektant pre daný prípad stanoví jedinú hodnotu Ω. Táto príručka neuvádza pravidlo na ich kombinovanie; obráťte sa na projektanta.

αdist závisí od rozstupu podpier adist a od účinnej hĺbky ukotvenia hef. adist sa meria k osi bodových podpier, alebo ako svetlá šírka medzi spojitými podperami. Údaje Staht, 127 mm pre štandardné mostíky t25 a t60 a 375 mm a 575 mm pre širšie mostíky, predstavujú svetlú vzdialenosť medzi pätkami pozdĺž mostíka (technické listy Staht), z čoho vychádza aj tabuľka mostíkov publikovaná v odvetví. Ide o riešenie na strane bezpečnosti: pätky štvornohého mostíka sú v skutočnosti od kotvy ďalej, takže svetlý rozstup dáva mierne vyššie skúšobné zaťaženie, nikdy nie nižšie.

Do h_ef = 150 mm. Ak je adist aspoň 3 × hef, αdist = 1,0. Ak je adist menší ako 3 × hef, ale väčší ako 1,5 × hef, αdist = 0,4 + adist ÷ (5 × hef) (rovnica B.12 normy BS 8539). BS 8539 tiež obmedzuje potrebný rozstup na 450 mm, ale do hef = 150 mm hodnota 3 × hef nikdy neprekročí 450 mm, takže toto obmedzenie výsledok nemení. Ak je adist 1,5 × hef alebo menej, mostík je pre túto metódu príliš úzky: použite širší. V betóne vyžaduje predbežná skúška aj to, aby bola najbližšia podpera od kotvy vzdialená viac ako 1,0 × hef, ako overuje riešený príklad B.

Hlbšie ako 150 mm. Rovnica B.12 neplatí. V betóne držte najbližšiu podperu aspoň 1,5 × hef od kotvy, čo znamená adist aspoň 3 × hef. V murive platia pravidlá pre tehly a tvárnice. EOTA TR 053 nevyžaduje žiadnu redukciu vo viacvrstvových stenách z malých plných tehál, napríklad plných pálených tehál, ak sú podpery od seba vzdialené viac ako 1,5 × hef a ponechávajú priestor na vytvorenie porušenia. Pozrite si výber mostíka.

hef je hĺbka k najnižšiemu bodu, v ktorom kotva drží v podklade. Pri nylonových kotvách berte hef ako 50 % nominálnej hĺbky ukotvenia.

Chemická kotva v plnej tehle prenáša trvalé ťahové zaťaženie. Projektant zadáva NEk = 0,9 kN, hef = 60 mm a jedno Ω = 0,9 pre trvalé zaťaženie. ν_test pre nenylonovú kotvu v murive pri dlhodobom zaťažení je 4.

So štandardným mostíkom Staht t25 (rozstup podpier a_dist = 127 mm, svetlá vzdialenosť medzi pätkami pozdĺž mostíka (technický list Staht)):

• 3 × hef = 180 mm, čo je viac ako 127 mm, takže sa uplatní αdist. 127 mm je viac ako 1,5 × h_ef (90 mm), takže platí rovnica 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.

S mostíkom Staht Bridge 375-25 (a_dist = 375 mm):

• 375 mm je viac ako 3 × hef (180 mm), takže αdist = 1,0.
• N_test = 3,6 ÷ (1,0 × 0,9) = 4,00 kN.

Širší mostík redukciu odstráni, takže kotvy sa skúšajú na 4,00 kN namiesto 4,86 kN. V tehlovom murive postavte pätky mostíka na tehly susediace s tehlou, v ktorej je kotva. Pozrite si skúšanie v murive.

Kotvy pre výškové práce sa osadzujú do staršieho betónu s neistým stavom, preto projektant požaduje predbežné skúšky. NEk = 3,0 kN, hef = 50 mm, krátkodobé zaťaženie, teda Ω = 1,0. ν_test pre nenylonovú kotvu v betóne pri krátkodobom zaťažení je 2.

• So štandardným mostíkom Staht t60 je adist = 127 mm, svetlá vzdialenosť medzi pätkami pozdĺž mostíka (technický list Staht), čo je menej ako 3 × hef (150 mm) a viac ako 1,5 × h_ef (75 mm), takže platí rovnica B.12.
• Najbližšia podpera vo vzdialenosti 63,5 mm je ďalej ako 1,0 × h_ef (50 mm), ako to vyžadujú predbežné skúšky v betóne pri zaťažovaní na skúšobné zaťaženie.
• 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.

Nylonové kotvy budú držať dočasné oplotenie na staršom betóne s neistým stavom, preto projektant požaduje predbežné skúšky. NEk = 0,4 kN, krátkodobé zaťaženie, teda Ω = 1,0. Nominálna hĺbka ukotvenia je 70 mm, takže hef = 35 mm. ν_test pre nylon pri krátkodobom zaťažení je 3,5.

• So štandardným mostíkom Staht t25 je adist = 127 mm, svetlá vzdialenosť medzi pätkami pozdĺž mostíka (technický list Staht), čo je viac ako 3 × hef (105 mm), takže α_dist = 1,0.
• Najbližšia podpera vo vzdialenosti 63,5 mm je ďalej ako 1,0 × h_ef (35 mm).
• N_test = 0,4 × 3,5 ÷ (1,0 × 1,0) = 1,40 kN.

Ak všetkých 5 kotiev vydrží skúšobné zaťaženie, charakteristické zaťaženie možno považovať za prípustnú únosnosť v danom podklade: NR,all = NEk (rovnica B.5 normy BS 8539). Kotvu potom možno použiť pri tomto zaťažení.

Ak kotva nedosiahne skúšobné zaťaženie, o ďalšom postupe rozhoduje projektant a rozhodnú dve otázky. Dá sa na zákazke jednoducho použiť viac kotiev, napríklad s menšími rozstupmi? A zlyhala kotva blízko skúšobného zaťaženia, napríklad nad 0,8 × N_test?

• Áno na obe: ponechajte kotvu a použite ich viac, pri nižšej prípustnej únosnosti určenej podľa postupu nižšie.
• Nie na ktorúkoľvek: zmeňte špecifikáciu na väčší priemer, hlbšie ukotvenie alebo iný typ kotvy a vykonajte s ňou novú sériu predbežných skúšok.

Určenie nižšej prípustnej únosnosti:

1. Zaťažte všetkých 5 skúšobných kotiev pomaly až do porušenia a pri každej zaznamenajte zaťaženie pri prvom posune. Na šetrenie konštrukcie môžete skončiť pri posune asi 1,0 mm a toto zaťaženie považovať za zaťaženie pri porušení.
2. Z priemerného zaťaženia pri porušení Nu,ave: NR,all = Nu,ave × αdist × Ω ÷ ν_ave (rovnica B.6).
3. Z najnižšieho zaťaženia pri porušení Nu,low: NR,all = Nu,low × αdist × Ω ÷ ν_low (rovnica B.7).
4. Použite nižšiu z oboch hodnôt, obmedzenú priemerným zaťažením pri prvom posune N_1st,m.
5. Prepočítajte počet kotiev: n' = n0 × NEk ÷ NR,all (rovnica B.8), kde n0 je pôvodne plánovaný počet. Zaokrúhlite nahor.

V príklade A s mostíkom t25 bolo skúšobné zaťaženie 4,86 kN. Jedna kotva zlyhá pri 4,2 kN, čo je nad 0,8 × 4,86 = 3,89 kN, a na zákazke možno použiť viac kotiev. Všetkých 5 sa zaťaží do porušenia: 4,2, 5,6, 6,1, 5,3 a 6,4 kN. Priemerné zaťaženie pri prvom posune je 2,3 kN.

• Nu,ave = 27,6 ÷ 5 = 5,52 kN a Nu,low = 4,2 kN.
• α_dist × Ω = 0,823 × 0,9 = 0,741.
• Z priemeru: 5,52 × 0,741 ÷ 5 = 0,818 kN.
• Z najnižšej hodnoty: 4,2 × 0,741 ÷ 4 = 0,778 kN.
• NR,all = 0,778 kN, nižšia hodnota. Je pod N1st,m (2,3 kN), takže platí.
• Na zákazke sa plánovalo 24 kotiev: n' = 24 × 0,9 ÷ 0,778 = 27,8, takže je potrebných 28 kotiev.

BS 8539 uvádza tri ďalšie postupy, každý založený na skúškach do porušenia.

• Bez ETA, štatistický prístup (príloha B.2.3.2): 5 až 15 kotiev sa zaťaží do porušenia. NRk1 = αdist × NRu,m × (1 − K × v) × Ω, kde NRu,m je priemerné zaťaženie pri porušení, v variačný koeficient (najviac 30 %) a K štatistický súčiniteľ: 3,40 pre 5 skúšok, 2,57 pre 10 a 2,33 pre 15. NR,all = NRk1 ÷ ν, najviac N_1st,m. Projektant volí ν, napríklad 3 až 4 pre statické zaťaženia alebo 5 pre nylonové kotvy.
• Kotva s ETA v murive mimo rozsahu ETA, 5 až 15 skúšok (príloha B.2.2.1): NRk1 = αdist × NRu,m × (1 − K × v) × β, pričom β je z ETA (1, ak nie je uvedené), najviac charakteristická únosnosť podľa ETA. Tu β nahrádza Ω. Potom NR,all = NRk1 ÷ γM ÷ γF, kde γM je z ETA a γF je 1,35 pre stále zaťaženia, 1,5 pre premenné zaťaženia alebo 1,4, ak sú neznáme alebo kombinované, a najviac N1st,m.
• Kotva s ETA, 15 a viac skúšok (príloha B.2.2): metóda skúšania na stavbe podľa príslušného Európskeho hodnotiaceho dokumentu (EAD) a jeho Technickej správy EOTA.

Čím viac kotiev sa skúša do porušenia, tým vyššia bude pravdepodobne prípustná únosnosť, ale skúšky do porušenia spôsobujú väčšie poškodenie.