Enes Curić1, Adrijana Savić
2, Dragoljub Drenić
3
KAPACITET NOSIVOSTI PREDNAPREGNUTOG BETONSKOG
PRAGA NAKON DEJSTVA ZAMORNOG OPTEREĆENJA
Rezime
Cilj ispitivanja prednapregnutog betonskog železničkog praga tipa B70 na zamorno
opterećenje jeste utvrđivanje ispunjenosti kriterijuma za ocenu kvaliteta gotovog
proizvoda. Standard EN13230-2 zahteva laboratorijska ispitivanja ponašanja praga pri
statičkom, dinamičkom i zamornom opterećenju. Radi osiguranja bezbednosti
železničkog saobraćaja, posle laboratorijskog, izvršeno je i eksploataciono ispitivanje
praga u cilju utvrđivanja kapaciteta nosivosti ispitivanog praga nakon dejstva zamornog
opterećenja u realnim ambijentalnim uslovima eksploatacije.
Ključne riječi
Prednapregnuti, železnički, prag, zamorno opterećenje, ispitivanje, ambijentalni, uslovi.
CARRYING CAPACITY OF THE PRESTRESSED CONCRETE RAILWAY
SLEEPER AFTER EFFECTS OF FATIGUE LOAD
Summary
The goal of tests of prestressed concrete railway sleeper type B70 on fatigue load is to
determine compliance of the criteria for assessing the quality of the finished product.
Standard EN13230-2 requires laboratory testing of the railway sleeper behavior of the
static, dynamic and fatigue load. To ensure safety of railway traffic, after the laboratory,
made the exploitation fatigue bending testing to determine the carrying capacity of the
tested concrete railway sleeper after the effects of fatigue load in real ambient
conditions.
Key words
Prestressed, Railway, sleeper, time-consuming load, testing, environmental, conditions.
1 Enes Curić, dipl. inž. građ., PhD student GAF Niš, Generala Živkovića 74, 36300 Novi Pazar, Srbija,
[email protected], tel. +381 63 383 515 2 Adrijana Savić, mr, dipl. inž. građ., JP Direkcija za urbanizam i izgradnju grada Leskovca, ul. Rade Žunića 149,
16000 Leskovac, Srbija, [email protected]
3 Dragoljub Drenić, prof. dr, dipl. inž. građ. , Građevinsko-arhitektonski fakultet Niš, Aleksandra Medvedeva 14,
18000 Niš, [email protected]
GNP 2012
4. INTERNACIONALNI NAUČNO-STRUČNI SKUP
GRAĐEVINARSTVO – NAUKA I PRAKSA
Ţabljak, Crna Gora, februar 2012.
1. UVOD
Prednapregnuti železnički pragovi tipa B70, proizvedeni su na osnovu projektne
dokumentacije[1]
koja predviđa poštovanje strogih zahteva po pitanju oblika i tehnoloških i
eksploatacionih karakteristika, uz ispunjenje uslova za postizanje maksimalne brzine pruge
od 250 km/h i maksimalne nosivosti praga od 250 kN. Konstrukcija praga B70 omogućava
primenu različitih vrsta elastičnog kolosečnog pribora (Pandrol, Vossloh, SKL i dr.).
Dužina praga je 260cm, masa ~300kg, sa površinom oslanjanja od 6804cm2. Prag je
izrađen od betona kvaliteta C50/60 (EC2) i armiran je žicama za prednaprezanje[3]
.
Predviđena podloga ispod praga je tucanički zastor eruptivnog porekla minimalne debljine
30cm. Na staničnim kolosecima donji stroj koloseka sačinjava tamponski sloj debljine 5-10
cm, geotekstil i sloj elastomera od gumeno-sunđerastog materijala kao apsorbera buke,
debljine 4 cm, koji je položen na sloju betona, kao završnom sloju planuma staničnog
platoa. Proces proizvodnje prednapregnutih pragova obuhvata pripremu kalupa,
postavljanje žica za prednaprezanje, prednaprezanje, betoniranje, zaparivanje i montaža
elastičnog pribora sa skladištenjem.
Radi kontrole projekta, za ovu vrstu konstrukcija, neophodna su ispitivanja
definisana standardom EN13230-2. Ova ispitivanja se vrše na ispravno negovanim
pragovima starosti 4-6 nedelja. Ovim standardom se zahteva ispitivanje ponašanja praga pri
statičkom, dinamičkom i zamornom opterećenju. Pomenuti standard predviđa i ispunjenje
preciznih kriterijuma i ostalih parametara za ocenu rezultata ispitivanja i to za svaku vrstu
opterećenja zasebno i sa tačno odredjenim minimalnim brojem ispitivanih pragova.
Pored ispitivanja na statičko i dinamičko opterećenje, prva proizvedena serija
prednapregnutih pragova je podvrgnuta ispitivanju na zamorno opterećenje koje je izvršeno
na Odeljenju za ispitivanje konstrukcija Građevinsko-arhitektonskog fakulteta u Nišu i VTI
u Beogradu{5}
.
2. OPŠTI USLOVI I ZAVRŠNA FAZA ISPITIVANJA NA ZAMOR
Prednapregnuti železnički prag se, pošto je prethodno bio podvrgnut statičkom
ispitivanju, podvrgava dejstvu zamornog opterećenja čime se simulira saobraćajno
opterećenje. U tom postupku se prati uticaj zamora na savijanje praga. Ispitivanje na zamor
se sprovodi tako što se 1(jedan) prag opterećuje zamornim opterećenjem u 2.000.000
ciklusa frekfencije 2-5 Hz, pri čemu se posmatra i ocenjuje presek na mestu oslanjanja šine
i to za pozitivan momenat savijanja. Minimalna dinamička sila kojom se opterećuje prag je
FrU=50kN uz maksimalnu dinamičku silu u ciklusu Fr0=146,50 kN. Kriterijumi za pozitivnu
ocenu ispitivanog uzorka na zamorno opterećenje su:
pri dejstvu početne sile opterećenja na mestu oslanjanja šine na prag (Fro),
širina prsline mora biti manja od 0,1 mm,
pri rasterećenju praga, širina zaostale prsline mora biti manja od 0,05 mm,
odnos sile optrerećenja na mestu oslanjanja šine na prag koja se ne može
više povećavati(FrB) i početne sile opterećenja na mestu oslanjanja šine na
prag (Fro), mora biti veći od zadatog koeficijenta k3: FrB> k3 x Fro
Ispitivanjem ispunjenosti zahtevanih kriterijuma, ustanovljeno je da ispitani uzorci u
potpunosti zadovoljavaju postavljene kriterijume za statičko, dinamičko i ispitivanje na
zamor karakterističnog preseka na mestu oslanjanja šine. Detaljnim pregledom, nakon
sprovedenog ispitivanja na zamor, na ispitivanom opitnom uzorku nisu otkriveni nikakvi
znaci oštećenja koji bi bili posledica predmetnog ispitivanja. Takođe, dobijena srednja
vrednost koeficijenta k3, dobijena pri ispitivanju na zamorno opterećenje, pokazuje da
ispitivani prag B70 u potpunosti zadovoljava kriterijume date u Uputstvu br.349 Železnica
Srbije[4]
.
Nakon 2.000.000 ciklusa zamornog opterećenja, obavezno je sprovesti završnu fazu
ispitivanja odnosno ponovno podvrgavanje istog uzorka statičkom opterećenju (Slika 1.).
Slika 1. Dijagram završne faze ispitivanja na zamor nakon 2 000 000 ciklusa
U toku vršenja statičkog ispitivanja u okviru završne faze ispitivanja na zamor,
dobijeni su rezultati koji su u potpunosti zadovoljili postavljene kriterijume. Dobijeni
globalni koeficijenti sigurnosti dobijeni u laboratoriji se moraju potvrditi poređenjem sa
rezultatima dobijenim u postupku eksploatacionog ispitivanja, koje je u tu svrhu i izvršeno.
3. EKSPLOATACIONO ISPITIVANJE ŢELEZNIČKIH PRAGOVA
S obzirom da je prednapregnuti betonski prag proizvod koji utiče na bezbednost
železničkog saobraćaja, neophodno je, kao napredno, izvršiti i eksploataciono ispitivanje
pragova odnosno utvrđivanje kapaciteta nosivosti prednapregnutog betonskog železničkog
praga u realnim ambijentalnim uslovima eksploatacije. Eksploataciono ispitivanje se vrši po
posebnom, prethodno odobrenom, programu[8]
koji sadrži podatke o dužini i
karakteristikama probne deonice, eksploatacionim i uslovima kontrole i održavanja pruge
na kojoj se ova deonica nalazi, načinu sprovođenja i kontrole rezultata ispitivanja sa jasnim
definisanjem mernih instrumenata, načina evidentiranja rezultata merenja, kao i kriterijuma
za ocenu dobijenih rezultata. Krajnji korisnik je definisao period probne eksploatacije u
trajanju od 12 meseci, posle čega se vrši vizuelni pregled i merenje širine koloseka, kao i
laboratorijsko ispitivanje (statičko, dinamičko i ispitivanje elektrootpornosti) o čemu se
podnosi detaljan izveštaj.
Za probnu deonicu eksploatacionog ispitivanja je određena stanica Beograd Centar i
to na 5. koloseku od km 0+317,47 do km 0+551,22 (Novi Beograd) i na 6. koloseku od km
0+315,90 do km 0+459,87 (Novi Beograd) i od km 0+163,80 do km 0+272,69 (Rakovica).
Ukupna dužina probne deonice iznosi 486,61 m. Oba koloseka su u pravcu, bez podužnog
nagiba, širine 1435 mm, sa ugrađenim šinama EN 60E1 koje su prema podužnoj osi
koloseka postavljene u nagibu 1:40. Kolosečni pričvrsni pribor je tipa Pandrol FASTCLIP.
U toku eksploatacionog perioda se vrše kontrole i potrebna merenja koloseka na
dnevnom, nedeljnom, mesečnom i godišnjem nivou. U cilju provere karakteristika
ugrađenih pragova, u eksploatacionom periodu su potrebna samo kontrolna merenja širine
koloseka. Vizuelne kontrole se obavljaju svakodnevno, nedeljno i mesečno a kontinuirana
kontrola širine koloseka se vrši na svakom pragu ručnim mernim instrumentom jednom
mesečno i mernim kolima dva puta godišnje kao i nakon većih radova na koloseku. Ukoliko
se na ugrađenim pragovima ne uočavaju nikakve promene u smislu pojave mikropukotina,
eventualnih naprsnuća, loma ili promena kod koloseka u odnosu na datum početka
kontrole, u zapisnik se unosi konstatacija da su koloseci u dobrom stanju i bez vidnih
promena. U slučaju pojave nedostataka koji utiču na širinu koloseka, nepouzdanost veze
šine za prag čiji uzrok nije primenjeni pričvrsni pribor ili pojave mikroprslina na silueti
praga, ispitivani pragovi se odbijaju kao nedovoljno kvalitetni.
3.1. REZULTATI ISPITIVANJA PRAGOVA POSLE
EKSPLOATACIONOG PERIODA[7]
Posle perioda eksploatacije prednapregnutih betonskih pragova B70, isporučenih i
montiranih od strane proizvođača „Putevi invest“ doo, Betonjerka Stalać, Komisija za
praćenje eksploatacionog ponašanja pragova je odredila repernu grupu od 12 (dvanaest)
pragova ugrađenih na karakterističnim mestima na probnoj deonici, koji će, posle
demontaže, biti podvrgnuti kontrolnom laboratorijskom ispitivanju (statičko, dinamičko i
ispitivanje na elektrootpornost).
Statičko ispitivanje je izvršeno za dva preseka, na mestu oslanjanja šine za pozitivni
moment savijanja i za presek u sredini praga za negativni momenat savijanja. Dinamičko
ispitivanje je izvršeno za presek na mestu oslanjanja šine za pozitivni momenat savijanja.
Pre laboratorijskog ispitivanja, izvršen je detaljni vizuelni pregled reperne grupe pragova
prilikom koga su uočena mehanička oštećenja u vidu imperfekcije koja su skoncentrisana
na mestu oslanjanja šina. Zaključeno je da su ova oštećenja nastala prilikom montaže,
demontaže i podbijanja pragova pa se po tom osnovu pregledani pragovi ne mogu
diskvalifikovati.
Slika 2. Karakteristična oštećenja po obimu poprečnog preseka posle perioda eksploatacije
3.1.1. Statičko ispitivanje. Presek na mestu oslanjanja šine–pozitivni momenat
savijanja
Fr0 = 146,5 kN - max sila kojom je opterećen prag u toku eksploatacionog perioda
(dinamičkog opterećenja) odnosno početna sila kojom se
opterećuje prag pri statičkom ispitivanju na mestu oslanjanja šine
na prag za pozitivni moment savijanja
k1s =
k2s =
Slika 3. Karakteristične prsline pri statičkom ispitivanju na mestu oslanjanja šine posle
perioda eksploatacije
Prethodnim laboratorijskim ispitivanjem[5]
ponašanja prednapregnutoog praga posle
zamornog opterećenja, dobijeni su sledeći rezultati:
330/146,50 = 2,25
403/146,5 = 2,75
Tabela 1. Rezultati ispitivanja za pozitivni moment savijanja posle perioda eksploatacije
Na osnovu rezultata ispitivanja datih u tabeli, zaključujemo da su merene vrednosti
sila Fr0,05 i FrB u granicama dozvoljenih vrednosti za slučaj statičkog opterećenja što
Oznaka prag
VI-P BL-2 268 370 1,829 2,525
V-SK1 269 372 1,836 2,539
VI-P BL1 310 460 2,11 3,13
VI-P BL1 280 460 1,911 3,13
V-SK-1 269 410 1,836 2,79
VI-P 264 369 1,803 2,52
pokazuju vrednosti globalnih statičkih koeficijenata sigurnosti koje su veće od zahtevanih
vrednosti:
k1s,sr = 1,887 > 1,80
k2s,sr = 2,772 > 2,50
3.1.2. Statičko ispitivanje. Presek u sredini praga – negativni momenat
savijanja
Slika 4. Karakteristične prsline pri statičkom ispitivanju u sredini praga posle perioda
eksploatacije
Tabela 2. Rezultati ispitivanja za pozitivni moment savijanja posle perioda eksploatacije
3.1.3. Dinamičko ispitivanje. Presek na mestu oslanjanja šine – pozitivni
momenat savijanja
Slika 5. Dinamičko ispitivanje preseka na mestu oslanjanja šine posle perioda eksploatacije
Oznaka Prag
VI-P S33 BL2 90 55 130
Tabela 3. Rezultati dinamičkog ispitivanja za poz.moment sav. posle perioda eksploatacije
Rezultati ispitivanja dati u tabeli nam govore da su merene vrednosti sila Fr0,05 i FrB
u granicama dozvoljenih vrednosti za slučaj dinamičkog opterećenja što pokazuju vrednosti
globalnih dinamičkih koeficijenata sigurnosti koje su veće od zahtevanih vrednosti:
k1d,sr = 1,69 > 1,50
k2d,sr = 2,616 > 2,20
4. ZAKLJUČAK
Posle sprovedenih laboratorijskih i zahtevanih ambijentalnih odn. ispitivanja
pragova posle isteka eksploatacionog perioda, izvršeno je upoređivanje dobijenih rezultata
pri čemu je ustanovljen visok stepen poklapanja istih. Pri tome, svi dobijeni rezultati[7]
su
zadovoljili postavljene kriterijume, čime su stvoreni uslovi da predmetni prag, proizvođača
„Putevi invest“ Užice - Betonjerka u Stalaću, dobije dozvolu za korišćenje na prugama
Železnice Srbije. Sprovedenim ispitivanjem je ustanovljen i kapacitet nosivosti
prednapregnutog betonskog železničkog praga nakon dejstva zamornog opterećenja u
realnim ambijentalnim uslovima eksploatacije. Pokazano je da postoji značajna rezerva u
kapacitetu nosivosti prednapregnutih betonskih pragova jer su globalni statički i dinamički
koeficijenti znatno iznad zahtevanih vrednosti.
LITERATURA
[1] Glavni projekat prednapregnutog praga za brze pruge tipa B70, Gradjevinsko-arhitektonski
fakultet u Nišu, Niš, 2010.
[2] J. C. McCormac: "Structural Steel Design", HarperCollins College Publishers, New York,
1995, 253p
[3] Pravilnik o tehničkim normativima za čelične žice, šipke i užad za prednaprezanje
konstrukcija (SL SFRJ 41/85 i 21/88)
[4] ZJŽ–334 Uputstvo 349 o proizvodnji, kontroli i prijemu prednapregnutih betonskih pragova
na mreži pruga JŽ (01.03.05.)
[5] Izveštaj o ispitivanju prednapregnutog betonskog praga B70, 06 br. 29/10 od 08.04.2010.,
Gradjevinsko-arhitektonski fakultet u Nišu, Odeljenje za ispitivanje konstrukcija, 2010.
[6] Curić E., Drenić D., Vacev T.: Uticaj krutosti podloge na distribuciju naponskog stanja kod
prednapregnutog betonskog železničkog praga tip B70, Niš, Sinarg2010.
[7] Kontrolni izveštaj o ispitivanju pragova B70 nakon eksploatacije, Gradjevinsko-arhitektonski
fakultet u Nišu, Odeljenje za ispitivanje konstrukcija, 2011.
[8] Program eksploatacionog ispitivanja prethodnonapregnutih betonskih pragova B70,
Železnice Srbije, Direkcija za infrastrukturu, februar 2011.
[9] Konačan izveštaj komisije za praćenje eksploatacionog ponašanja betonskih pragova B70,
br.25/11.310/21 od 01.08.2011., Železnice Srbije,Direkcija za infrastrukturu, 2011.
Oznaka prag
VI-P BL-2 239 386 1,63 2,63
V-SK6 258 380 1,76 2,59
VI-SK6 L1 246 386 1,68 2,63