Aplikace asfaltové kluzné spáry na poddolovaném území

28. srpna 2013

Partneři sekce:

Asfaltové reologické kluzné spáry lze výhodně využít pro snížení tření v základové spáře na poddolovaném území, kde se očekává horizontální deformace terénu. Na stavební fakultě probíhá od roku 2010 laboratorní testování různých typů asfaltových pásů, zkoumá se vliv vertikálního a horizontálního zatížení a také vliv teploty. Výsledky zkoušek se využívají pro matematické modelování interakce základu a podloží. Lze odvodit parametry v horizontálním směru pro modelování jednoparametrického modelu podloží, které je možné využít v komerčním softwaru na bázi MKP.

Myšlenka použití kluzné spáry pochází z ostravsko-karvinského regionu, který je zasažen hlubinnou těžbou černého uhlí. Stavby na poddolovaném území jsou vystaveny zatížení od deformace podloží, která zahrnuje zejména pokles terénu, jeho naklonění a pootočení a horizontální stlačení a roztažení. Nejsložitější a zároveň finančně nejnákladnější je zajištění objektu proti horizontální deformaci terénu. Vlivem tření základu a podloží se do základové konstrukce vnášejí významné vnitřní síly, vyžadující příslušné vyztužení.

Eliminací tření mezi základem a podložím se eliminují také vnitřní síly vnášené do základové konstrukce (obr. 1). Zpočátku se pro kluzné spáry uvažovalo o několika materiálech, např. lepence s popílkem, grafitem apod. Nakonec se ustálilo použití asfaltového pásu. Jedná se o materiál na stavbách běžný a finančně dostupný. Jeho hlavní předností však jsou reologické vlastnosti, které se prokázaly již při prvních experimentech v 80. letech 20. století. Smykový odpor asfaltového pásu je nízký při nízké rychlosti deformace, což je z hlediska pomalého vývoje deformací terénu na poddolovaném území výhodné.

Asfaltové kluzné spáry však mají i další potenciální využití všude tam, kde se očekává horizontální deformace terénu nebo základové konstrukce, např. eliminace smršťovacích trhlin v betonových podlahách, při předpínání nebo při očekávaných teplotních změnách základů apod.

Testování asfaltových pásů
Pro správný návrh kluzné spáry a relevantní stanovení vnitřních sil v konstrukci je nutné znát smykový odpor asfaltového pásu při dané rychlosti deformace. Stanovení smykového odporu při dané rychlosti deformace je problematické, proto se testuje rychlost deformace pro dané smykové napětí. Interpolací se pak stanovuje smykový odpor pro danou rychlost deformace.

Rychlost deformace terénu lze odhadnout na základě údajů od těžební společnosti, rychlost deformace základů lze odhadnout např. pomocí výpočetních modelů pro smršťování a dotvarování betonové konstrukce.
Testování asfaltových pásů probíhá na zařízení navrženém na Stavební fakultě VŠB (obr. 2). Rychlost deformace se stanovuje pro dva čtvercové vzorky o rozměrech 300 mm vložené mezi tři betonové bloky.
Takto sestavený blok je zatížen vertikální silou tak, aby odpovídala očekávanému zatížení v základové spáře.
Po jednom dnu se pak vnáší horizontální zatížení. Velikost horizontálního zatížení je volena tak, aby výsledná rychlost deformace odpovídala řádově očekávané rychlosti deformace terénu na poddolovaném území. Deformace se měří 6 dnů.

Výsledná rychlost deformace je ovlivněna řadou faktorů, především typem asfaltového pásu a velikostí vertikálního a horizontálního zatížení. V současné době se testuje zejména vliv teploty. Měřicí zařízení je umístěno do komory s řízeným teplotním režimem (obr. 3).


Obr. 3a, b Měřicí zařízení v komoře s teplotně řízeným režimem

Výsledky měření
Dosavadní výsledky měření
Výsledky prvního testování asfaltových pásů, které proběhlo již v 80. letech minulého století, jsou okomentovány např. v [4]. Zkoušely se tehdy běžné asfaltové pásy IPATM a SklobitTM a výsledky se staly podkladem pro návrh kluzné spáry dle dosud platné ČSN 73 00 39 Stavby na poddolovaném území. Různé nové typy, ale také tradiční typy asfaltových pásů se na nově navrženém zkušebním zařízení testovaly v letech 2005–2008. Výsledky (např. v článcích [1], [2]) poukazují na rozdílné smykové vlastnosti tradičních oxidovaných asfaltových pásů a nových modifikovaných asfaltových pásů, které převážně vykazují lepší smykové vlastnosti. Na tyto dvě série předchozích měření navazuje současné testování zaměřené na vliv teploty. Testování probíhá od konce roku 2010 a jako první se testoval tradiční asfaltový pás IPATM. Vliv teploty na smykové vlastnosti tohoto oxidovaného asfaltového pásu je popsán v článcích [3], [4].

Pluvitec Tech 1000
Jednou ze staveb, kde byla úspěšně aplikovaná kluzná spára, je dostavba areálu Ostravské Univerzity v Ostravě – Hladnově ve velmi složitých základových podmínkách tektonicky porušeného a nestabilního poddolovaného území Hladnovského kopce s výskytem tekutých písků. Statické řešení založení hybridních železobetonových rámových konstrukcí s lokálně podepřenými deskami je náplní samostatného článku [5].

Dle výsledků zkoušek z let 2005–2008 vykazují lepší smykové vlastnosti asfaltové pásy modifikované. Proto byl pro kluznou spáru při dostavbě Ostravské univerzity vybrán asfaltový pás Pluvitec Tech 1000 tloušťky 3,5 mm, modifikovaný kaučukem, armovaný kompozitním polyesterovým rounem a bez posypu.

Vliv teploty a velikosti svislého zatížení na smykové vlastnosti asfaltového pásu Pluvitec je patrný z grafů na obr. 4 a 5. Uvedeny jsou výsledky pro teplotu 20 °C, která reprezentuje běžnou teplotu prostředí, a 10 °C, která reprezentuje teplotu v základové spáře a pro svislé zatížení V = 100 kPa a 500 kPa, horizontální zatížení H = 0,95 kN.

Obr. 4 Pluvitec – vliv teploty, vertikální zatížení 100 kPa

Obr. 5 Pluvitec – vliv teploty, vertikální zatížení 500 kPa

Aplikace výsledků měření
Stanovení smykového odporu
Z uvedených grafů je patrné, že se zpravidla po jednom dni rychlost deformace ustaluje. Pro danou teplotu a dané svislé zatížení je pak možné pomocí proměnného horizontálního zatížení stanovit pro dané smykové napětí rychlost deformace (obr. 6 a tab. 1). Interpolací se pak stanoví smykový odpor pro očekávanou rychlost deformace terénu (obr. 7).

Obr. 6 Pluvitec – teplota 10 °C, vertikální zatížení 500 kPa, vliv horizontálního zatížení

Obr. 7 Pluvitec – teplota 10 °C, vertikální zatížení 500 kPa, vliv horizontálního zatížení

Stanovení parametrů podloží pro využití v komerčním softwaru
Výsledky měření je možné využít také v komerčním softwaru na bázi MKP. Parametry Cx, Cy jsou definovány obdobně jako parametr Cz v jednoparametrickém Winklerově modelu podloží (1), (2), (obr. 8).
σ_z = c_z . w (1)
τ_x = c_x . u, c_y . v (2)

Zjednodušeně lze uvažovat konstantní hodnotu parametrů Cx a Cy po celé délce základu, lze ale také přesněji definovat parametry v závislosti na souřadnici základu [5], [6].

Závěr
V úvodu článku je zmíněno použití reologických asfaltových kluzných spár a testování jejich smykových vlastností. Uvedeny jsou výsledky testování smykových vlastností asfaltového pásu Pluvitec Tech 1000 v závislosti na vertikálním a horizontálním zatížení a na teplotě. Tento asfaltový pás byl použit jako kluzná spára při založení dostavby areálu Ostravské univerzity ve složitých základových podmínkách tektonicky porušeného území s doznívajícími účinky poddolování a výskytem tekutých písků. Kluzné spáry lze použít pro eliminaci tření v základové spáře, pokud se očekává zatížení horizontální deformací terénu nebo základové konstrukce.

TEXT: Ing. Pavlína Matečková, Ing. Martina Janulíková a Ing. Marie Stará
Foto a obrázky: autorky

Autorky působí na Katedře konstrukcí Stavební fakulty VŠB – TU v Ostravě.

Poděkování
Příspěvek byl realizován za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu, program TIP, projekt číslo FR-TI2/746 – Reologická kluzná spára s teplotně řízenými viskoelastickými vlastnostmi – a částečně projektu Tvorba a internacionalizace špičkových vědeckých týmů a zvyšování jejich excelence na Fakultě stavební VŠB – TU v Ostravě, reg. No. CZ.1.07/2.3.00/20.0013.

Literatura
[1]    CAJKA, R., MANASEK, P., Finite Element Analysis of a Structure with a Sliding Joint Affected by Deformation Loading, in B.H.V. Topping, (Editor), Proceedings of the Eleventh International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK, Paper 18, 2007. doi:10.4203/ccp.86.18.
[2]    CAJKA, R., MANASEK, P., Physical and Finite Element Shear Load Response Modelling of Viscoelasticity Materials, in B.H.V. Topping, G. Montero, R. Montenegro, (Editors), Proceedings of the Eighth International Conference on Computational Structures Technology, Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK, Paper 240, 2006. doi:10.4203/ccp.83.240.
[3]    CAJKA, R., MATECKOVA, P., JANULIKOVA, M., STARA, M.: Laboratory Testing of Asphalt Belts with the Influence of Temperature. Transactions of the VSB – Technical University of Ostrava, Construction Series, Volume XI, Number 2/2011, VSB – TU Ostrava, 2011, ISSN 1804-4824 (Online). doi 10.2478/v10160-011-0020-0.
[4]    CAJKA, R., JANULIKOVA, M., MATECKOVA, P., STARA, M., Modelling of Foundation Structures with Slide Joints of Temperature Dependant Characteristics, in B.H.V. Topping, Y. Tsompanakis, (Editors), Proceedings of the Thirteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK, Paper 208, 2011. doi:10.4203/ccp.96.208.
[5]    ČAJKA, R., BURKOVIČ, K., GŘUNDĚL, V.: Založení železobetonové konstrukce budovy Ostravské Univerzity ve složitých základových podmínkách. Betonárske dni 2012, Bratislava.
[6]    CAJKA, R.: Determination of Friction Parameters for Soil – Structure Interaction Tasks. Recent Researches in Environmental & Geological Sciences. Energy, Environmental and Structural Engineering Series No. 4, pp. 435-440. Proceedings of the 7th WSEAS International Conference on Continuum Mechanics (CM ´12). Kos Island, Greece, July 14-17, 2012, ISSN 2227-4359, ISBN 978-1-61804-110-4.

Článek byl uveřejněn v Realizace staveb.