Metodologija SLT i DLT ispitivanja šipova
Test statičkog opterećenja šipa (SLT) pripada grupi visokodilatacionih testova (HST ‒ High Strain Test) i to je najpouzdaniji i najmerodavniji test u analizi ponašanja i određivanju nosivosti šipova. Ovim testom dokazuje se projektna sila kroz mobilisanu statičku nosivost, ali i granična nosivost šipa. Ukoliko se SLT ispitivanje sprovodi na radnom (eksploatacionom) šipu, tada se dokazuje projektna sila, a ukoliko se SLT ispitivanje sprovodi na probnom (testnom) šipu, tada se dokazuje granična nosivost. Postoje dve varijante tehničkih rešenja prema kojima se ovaj test može izvoditi: test sa kontrateretom i test sa reaktivnim šipovima. Kod obe varijante meri se sleganje glave šipa u zavisnosti od inkremenata opterećenja koji se apliciraju po glavi šipa. Sva SLT ispitivanja šipova, čiji rezultati su prikazani u ovom radu, sprovedena su primenom opreme: hidraulične prese različitih kapaciteta, hidraulični sistem (pumpe), motor ‒ agregat, čelične kalote, ploče, distanceri, referentni sistem, analogni i digitalni komparateri, hardverski sistem za konvertovanje i akviziciju podataka, softveri za procesiranje i vizuelizaciju podataka i geodetski sistem (nivelman i bar‒kod letve) za osmatranje deformacija šipa. Sa ovom opremom moguće je sprovoditi ispitivanje, analizirati ponašanje šipa, određivati nosivost šipa i prikupljati podatke u realnom vremenu i/ili u diskretnim intervalima vremena. Komparaterima se očitavaju i/ili memorišu podaci o sleganjima šipa, dok se geodetskim instrumentima sprovodi kontrola sleganja šipa i korekcija sleganja referentnih greda. Ispitivanja šipova, prema SLT, sprovedena su u saglasnosti sa standardom ASTM D1143. Nakon sprovedenog SLT konstruiše se kriva probnog opterećenja. S obzirom da su ispitivanja prikazana u ovom radu, u velikom broju slučajeva, sprovedena na radnim (eksploatacionim) šipovima, to i nisu prikazane ekstrapolacije krivih probnog opterećenja.
Test dinamičkog opterećenja šipa (DLT), takođe, pripada grupi visokodilatacionih testova i sprovodi se sa tegom i autodizalicom ili primenom posebno konstruisane opreme za dinamičko ispitivanje. S obzirom da postoji nekoliko varijanti opreme i načina sprovođenja DLT šipa, u ovom radu prikazana su ispitivanja sprovedena sa nezavisnim sistemom za podizanje modularnog tega. DLT, u najvećem broju slučajeva, utvrđuje se mobilisana statička nosivost šipa kojom se dokazuje projektna sila. Sva DLT ispitivanja šipova, čiji rezultati su prikazani u ovom radu, sprovedena su primenom opreme: modularna noseća čelična konstukcija koja se montira i povezuje na glavu šipa, modularni tegovi, hidraulični sistem za podizanje tegova na određenu visinu, sistem za zaustavljanje tegova (kočioni sistem), motor sa agregatom, podloške od drveta (prigušivači), senzori (integrisani akcelerometri i merači dilatacija), hardverski sistem za konvertovanje i akviziciju podataka, softveri PDA‒DLT i DLT‒WAVE za procesiranje i vizuelizaciju podataka i geodetski sistem (nivelman i bar‒kod letve) za osmatranje deformacija. Za in-situ DLT monitoring i procesiranje podataka korišćen je softver PDA‒DLT, dok je za kompatibilizaciju signala (signal matching), nelinearnog numeričkog modela interakcije šip‒tlo i signala dobijenog iz in-situ DLT ispitivanja šipa, korišćen softver DLT‒WAVE. Sa ovom opremom moguće je sprovoditi ispitivanja nosivosti šipova, prikupljati podatke u realnom vremenu i raditi naknadnu obradu podataka. Ispitivanja nosivosti šipova, prema DLT, sprovedena su u saglasnosti sa standardom ASTM D4945. Matematička formulacija problema DLT zasniva se na teorijama: dinamika kretanja krutog tela (rigid‒body dynamics), talasna teorija (wave theory), metoda karakteristika (method of characteristics), nelinearna teorija (nonlinear theory), dinamika konstrukcija (dynamics of structures), interakcija konstrukcija‒tlo (SSI ‒ soil‒structure interaction) i teorija i obrada signala (theory and signal processing). Prilikom dinamičkog opterećenja šipa koje se aplicira na glavu šipa, usled slobodnog pada tega odgovarajuće mase m i sa odgovarajuće visine h, prenosi se energija udara i dolazi do deformacija (sleganja) šipa. Korišćenjem osnovnih principa mehanike, kroz zakon konzervacije energije, može se izvesti formulacija problema DLT šipa uspostavljajući odnos ekvivalencije potencijalne energije Ep (teg je podignut na visinu h) i kinetičke energije Ek (teg je slobodno pao na glavu šipa). Senzorima, koji se postavljaju na nastavak glave šipa ili glavu šipa, registruju se dilatacije i akceleracije šipa u vremenu.
Određivanje nosivosti šipa, iz rezultata in-situ DLT ispitivanja, sprovodi se primenom indirektne metode. Na indirektan način se nosivost šipa određuje postupkom kompatibilizacije signala (signal matching), koji predstavlja iterativni postupak pronalaženja statičkih i dinamičkih parametara tla sa ciljem da se dobije računski signal koji se najbolje poklapa sa merenim signalom. Tačnije, usklađuje se signal nelinearnog numeričkog modela interakcije šip‒tlo sa merenim signalom iz in-situ DLT. Numerički model šipa u interakciji sa tlom je kontinualni matematički model sa kontinualno raspodeljenim masama i modeliranom krutošću. Pod merenim signalom podrazumeva se dolazni/povratni talas, odnosno talas koji se kreće od baze do glave šipa, jer u osnovi on nosi podatke o otpornosti tla. Na slici 1a prikazani su primeri dijagrama promena sila u vremenu dobijeni in-situ DLT merenjem dilatacija i akceleracija, dok je na slici 1b prikazana sprovedena kompatibilizacija signala (signal matching) povratnog talasa sile (upward traveling wave) nelinearnog numeričkog modela interakcije šip‒tlo sa signalom dobijenim in-situ DLT ispitivanjem šipa na terenu.
Karakteristike sprovedenih SLT i DLT ispitivanja šipova
SLT i DLT ispitivanja sprovedena su na sedam različitih modela šipova izgrađenih na sedam različitih lokacija. Lokacije se razlikuju po pitanju geologije i udaljene su jedna od druge po nekoliko desetina pa i stotina kilometara, a na njima su izgrađeni objekti: poslovna zgrada, mostovi na saobraćajnici, obaloutvrda, vetrogeneratori, industrijska hala i industrijski kompleks. Dakle, selektovani su primeri ispitivanja kod kojih postoji raznovrsnost u pogledu geologije u kojoj su šipovi izgrađeni, tehnologije izgradnje šipova i tipa objekta. U tabeli 1 prikazani su parametri ispitanih šipova, SLT i DLT opreme. Oznake u tabeli 1 su: D prečnik šipa, L dužina šipa, MB marka betona, GSLT težina/reakcija kod SLT, GDLT težina tega kod DLT. Šipovi su izgrađeni tehnologijama bušenja, CFA (continuous flight auger) i pobijanjem. Kod određenih šipova za SLT primenjen je kontrateret, jer se isti nakon sprovedenog ispitivanja demontira i koristi za ispitivanja drugih šipova na drugim lokacijama. U nekim slučajevima primenjeni su reaktivni sistemi formirani od čeličnih nosača, koji, takođe, nakon sprovedenih ispitivanja demontiraju se i koriste za naredna ispitivanja. U situacijama kada nije moguće ni kontrateretom, ni reaktivnim sistemom od čeličnih nosača obezbediti dovoljnu nosivost, primenjivani su reaktivni sistemi formirani od armiranobetonskih nosača. Njihova funkcija je jednokratna ‒ služe samo za jedno SLT ispitivanje šipa, nakon čega se demoliraju.
Tabela 1. Parametri ispitanih šipova, SLT i DLT opreme
Na slikama 1a‒7a prikazani su formirani kontratereti i reaktivni sistemi sa presama i setovanim opremama za SLT ispitivanja šipova, dok su na slikama 1b‒7b prikazane setovane opreme za DLT ispitivanja šipova. Na slikama 1c‒7c prikazani su dijagrami promena sila u vremenu dobijeni in-situ DLT merenjem dilatacija i akceleracija.
Slika 1. Šip broj 1: a) SLT šipa, b) DLT šipa, c) signali sila dobijeni DLT
Slika 2. Šip broj 2: a) SLT šipa, b) DLT šipa, c) signali sila dobijeni DLT
Slika 3. Šip broj 3: a) SLT šipa, b) DLT šipa, c) signali sila dobijeni DLT
Slika 4. Šip broj 4: a) SLT šipa, b) DLT šipa, c) signali sila dobijeni DLT
Slika 5. Šip broj 5: a) SLT šipa, b) DLT šipa, c) signali sila dobijeni DLT
Slika 6. Šip broj 6: a) SLT šipa, b) DLT šipa, c) signali sila dobijeni DLT
Slika 7. Šip broj 7: a) SLT šipa, b) DLT šipa, c) signali sila dobijeni DLT
Komparativna analiza nosivosti šipova ispitanih DLT prema SLT
Komparacija rezultata DLT prema SLT sprovedena je uzimajući u obzir ekvivalenciju sleganja sDLT dobijenog iz nosivosti DLT i sleganja sSLT dobijenog iz SLT. Na osnovu ovako postavljenog uslova, sprovedene su interpolacije krivih probnog opterećenja iz SLT i dobijene odgovarajuće sile Pint,SLT. U prvom koraku sprovedena je analiza procentualnog odstupanja Δ rešenja DLT od rešenja SLT za pojedinačne šipove, dok je drugom koraku prikazano odstupanje uzimajući u obzir sve šipove. U tabeli 2 prikazani su rezultati SLT i DLT ispitivanja za sedam razmatranih šipova. Oznake u tabeli 2 su: Pmax maksimalna sila do koje je sproveden SLT šipa, smax odgovarajuće maksimalno sleganje dobijeno za Pmax iz SLT, Rc,m,DLT mobilisana statička nosivost dobijena iz DLT šipa, sDLT odgovarajuće sleganje dobijeno za Rc,m,DLT iz DLT. Rtot i Ek su već prethodno definisani. Najveće odstupanje rezultata je dobijeno za šip broj 5, dok je najmanje odstupanje rezultata dobijeno za šip broj 3. Prosečno odstupanje nosivosti iz DLT prema SLT iznosi do Δm=7.29%. Treba napomenuti da nisu SLT i DLT ispitivanja sprovedena na istim šipovima, osim kod šipa broj 4. Takođe, treba napomenuti da su određeni šipovi bili nešto udaljeniji jedan od drugog na istoj lokaciji, a što može dodatno da utiče na rezultate, s obzirom na prostornu varijaciju u geologiji.
Tabela 2. Rezultati SLT i DLT ispitivanja šipova i procentualna odstupanja rezultata SLT/DLT po testovima
Na slici 8 prikazane su krive probnog opterećenja SLT šipova, mobilisane statičke nosivosti Rc,m,DLT dobijene iz DLT šipova, projektne sile Fc,d i interpolirane sile Pint,SLT iz krivih probnog opterećenja iz SLT za Rc,m,DLT iz DLT pri sDLT=sSLT. Analizom svih dijagrama može se konstatovati da se primenom DLT dobijaju nešto više vrednosti nosivosti u odnosu na rezultate SLT, ukoliko se komparacija sprovede ekvivalencijom sleganja sDLT=sSLT.
Slika 8. Krive probnog opterećenja SLT šipova, mobilisane statičke nosivosti Rc,m,DLT dobijene iz DLT šipova, projektne sile Fc,d i interpolirane sile Pint,SLT iz krivih probnog opterećenja iz SLT za Rc,m,DLT iz DLT pri sDLT=sSLT: a) šip broj 1, b) šip broj 2, c) šip broj 3, d) šip broj 4, e) šip broj 5, f) šip broj 6, g) šip broj 7
Komparacija nosivosti Rc,m,DLT iz DLT i interpolirane sile Pint,SLT iz SLT, za isti nivo sleganja sDLT=sSLT, prikazana je na slici 9. Regresiona analiza je sprovedena za linearnu funkciju Rc,m,DLT=1.0968Pint,SLT-40.299 i koeficijent determinacije r²=0.999. Takođe, prikazana je i idealna situacija SLT/DLT=1 kada su vrednosti rezultata SLT i DLT identične. Evidentno je da se za veće vrednosti nosivosti iz DLT dobija nešto veće odstupanje u odnosu na rešenje iz SLT šipa.
Slika 9. Komparacija nosivosti Rc,m,DLT iz DLT i interpolirane sile Pint,SLT iz SLT za isti nivo sleganja sDLT=sSLT
Razvoj procedure za korekciju nosivosti dobijene iz DLT prema rezultatima SLT
S obzirom na prethodno prikazane rezultate sprovedenih SLT i DLT šipova i činjenicu da se primenom DLT dobijaju nešto više vrednosti nosivosti u odnosu na rezultate SLT, razvijena je procedura za korekciju rešenja nosivosti iz DLT. Ova procedura se zasniva na proračunu nosivosti šipova iz sprovedenih SLT i DLT prema standardu EN 1997‒1:2004. Međutim, sam proračun nosivosti šipova prema SLT i DLT nije analiziran, već su analizirane relacije DLT‒SLT preko odgovarajućih faktora iz standarda EN 1997‒1:2004.
Na slici 10 prikazan je opšti slučaj krive probnog opterećenja (opterećenje‒sleganje) dobijena nakon sprovedenog jednog SLT šipa. Ovde su prikazane vrednosti nosivosti Rc,m,SLT, Rc,k,SLT i Rc,d,SLT. Vrednost Rc,m,SLT određena je iz uslova sleganja D/10.Vrednost Rc,k,SLT, u odnosu na Rc,m,SLT, funkcija je faktora korelacije ξ1 i ξ2, dok je vrednost Rc,d,SLT, u odnosu na Rc,k,SLT, funkcija globalnog faktora otpornosti na pritisak γt.
Slika 10. Opšti slučaj krive probnog opterećenja (opterećenje‒sleganje) dobijena nakon sprovedenog jednog SLT šipa
Na slici 11 prikazan je opšti slučaj dobijenih diskretnih vrednosti DLT na osnovu većeg broja udaraca tega o glavu šipa inkrementalno povećavajući visinu pada tega. Na osnovu ovako dobijenih diskretnih vrednosti (sila‒sleganje), sprovodi se regresiona analiza za odgovarajuću funkciju kojom se dobija najbolje fitovanje rezutata DLT i konstruiše regresiona kriva. Konstrukcija regresione krive, iz DLT, služi da bi se mogli uporediti rezultati iz DLT prema SLT od 0 do D/10 vrednosti sleganja šipa. Takođe, i ovde su prikazane vrednosti Rc,m,DLT, Rc,k,DLT i Rc,d,DLT. Vrednost Rc,m,DLT određena je iz uslova sleganja D/10, isto kao i kod rešenja za SLT.Vrednost Rc,k,DLT, u odnosu na Rc,m,DLT, funkcija je faktora korelacije ξ5 i ξ6, dok je vrednost Rc,d,DLT, u odnosu na Rc,k,DLT, funkcija globalnog faktora otpornosti na pritisak γt.
Slika 11. Opšti slučaj dobijenih diskretnih vrednosti DLT na osnovu većeg broja udaraca tega o glavu šipa inkrementalno povećavajući visinu pada tega
Na slici 12 prikazane su kriva probnog opterećenja iz SLT, regresiona kriva iz DLT i Rc,m,DLT, Rc,m,SLT, Rc,k,DLT, Rc,k,SLT, Rc,d,DLT i Rc,d,SLT nosivosti. Nosivost Rc,m,DLT iz DLT i nosivost Rc,m,SLT iz SLT dobijene su za isti nivo sleganja sDLT,D/10=sSLT,D/10, pri čemu je, u opštem slučaju, Rc,m,DLT>Rc,m,SLT. Na ovu činjenicu je ukazano u prethodnom poglavlju, pa se shodno tome i javlja potreba za korekcijom rešenja iz DLT prema rešenju iz SLT. S obzirom da su prema standardu EN 1997‒1:2004, za jedan SLT i jedan DLT šipa, faktori korelacije ξ5 i ξ6 za DLT veći od faktora korelacije ξ1 i ξ2 za SLT, to je i veći nivo pouzdanosti rešenja dat SLT u odnosu na DLT. U tom smislu prema standardu EN 1997‒1:2004 može se uslovno tumačiti da je nosivost Rc,k,DLT jednaka ili približno jednaka nosivosti Rc,k,SLT, s obzirom da se za Rc,m,DLT i Rc,m,SLT primenjuju različite vrednosti faktora korelacije kako bi se i dobila jednaka ili približno jednaka rešenja za Rc,k,DLT i Rc,k,SLT. U ovom slučaju može se, kao što je rečeno, uslovno tumačiti da su nosivosti Rc,k,DLT=Rc,k,SLT (jednake) ili Rc,k,DLT≈Rc,k,SLT (približno jednake), ali su odgovarajuća pomeranja različita za ove nosivosti, kao što se može videti sa slike 14. Sa druge strane, nosivosti Rc,d,DLT i Rc,d,SLT su samo redukovane istim globalni faktorom otpornosti na pritisak γt, tako da i za njih važi da su Rc,d,DLT=Rc,d,SLT (jednake) ili Rc,d,DLT≈Rc,d,SLT (približno jednake). Odgovarajuća pomeranja za ove nosivosti su različita, kao što se može videti sa slike 12.
Slika 12. Kriva probnog opterećenja iz SLT i regresiona kriva iz DLT; Rc,m,DLT, Rc,m,SLT, Rc,k,DLT, Rc,k,SLT, Rc,d,DLT i Rc,d,SLT nosivosti
Primena procedure za korekciju nosivosti dobijene iz DLT prema rezultatima SLT
Na osnovu prethodno razvijene procedure sprovedene su korekcije nosivosti dobijene iz DLT prema rezultatima SLT za sedam razmatranih ispitivanja. Proračun korekcije nosivosti Rc,m,DLT/SLT iz DLT prema SLT sproveden je prema izrazima (13) i (14), uzimajući u obzir izraz (16). Prosečno odstupanje nosivosti iz DLT prema SLT, kada se proračun sprovodi primenom koeficijenta korekcije cmean (ξ5=1.633), iznosi do Δm=8.04%. Prosečno odstupanje nosivosti iz DLT prema SLT, kada se proračun sprovodi primenom koeficijenta korekcije cmin (ξ6=1.55), iznosi do Δm=3.1%. Može se zaključiti da je merodavan koeficijent korekcije cmin za korekciju nosivosti Rc,m,DLT/SLT iz DLT prema SLT. Vrednosti faktora korelacije ξ5 i ξ6, kao što je već objašnjeno, određene su ekstrapolacijama vrednosti faktora korelacije za veći broj šipova prema standardu EN 1997‒1:2004.
Iteriranjem faktora korelacije ξ5 i ξ6, s obzirom da isti participiraju u koeficijentima korekcije cmean i cmin, određene su vrednosti pri kojima se dobija najmanje odstupanje korigovanih nosivosti Rc,m,DLT/SLT iz DLT u odnosu na rešenje prema SLT. Iterirana vrednost faktora korelacije iznosi ξ5=ξ6=1.51, dok prosečno odstupanje nosivosti iz DLT prema SLT iznosi Δm=1.57%. Iteracijama se nije moglo postići još manje odstupanje. Na slici 13 prikazana je promena faktora korelacije ξ5 i ξ6 u funkciji procentualnog odstupanja rešenja DLT u odnosu na rešenja SLT. Optimalno rešenje odgovara minimumu procentualnog odstupanja rešenja DLT u odnosu na rešenja SLT.
Slika 13. Promena faktora korelacije ξ5 i ξ6 u funkciji procentualnog odstupanja rešenja DLT u odnosu na rešenja SLT
Komparacija korigovanih nosivosti Rc,m,DLT/SLT iz DLT, prema prethodno razvijenoj proceduri za koeficijent korekcije cmin (ξ6=1.55) i uzimajući u obzir iteraciju faktora korelacije ξ5=ξ6=1.51, sa interpoliranim silama Pint,SLT iz SLT, za isti nivo sleganja sDLT=sSLT, prikazana je na slici 14. U prvom slučaju, za koeficijent korekcije cmin (ξ6=1.55), regresiona analiza je sprovedena za linearnu funkciju Rc,m,DLT/SLT=0.9907Pint,SLT-36.399 i koeficijent determinacije r²=0.9998. U drugom slučaju, uzimajući u obzir iteraciju faktora korelacije ξ5=ξ6=1.51, regresiona analiza je sprovedena za linearnu funkciju Rc,m,DLT/SLT=1.0169Pint,SLT-37.363 i koeficijent determinacije r²=0.9998. Evidentno je izuzetno dobro poklapanje korigovanog rešenja (ξ5=ξ6=1.51) sa idealnom situacijom SLT/DLT=1.
Slika 14. Komparacija korigovanih nosivosti Rc,m,DLT/SLT iz DLT sa interpoliranim silama Pint,SLT iz SLT za isti nivo sleganja sDLT=sSLT: a) prema prethodno razvijenoj proceduri za koeficijent korekcije cmin (ξ6=1.55), b) uzimajući u obzir iteraciju faktora korelacije ξ5=ξ6=1.51
Na slici 15 prikazane su krive probnog opterećenja SLT šipova, mobilisane statičke nosivosti Rc,m,DLT dobijene iz DLT šipova, korigovane mobilisane statičke nosivosti šipova Rc,m,DLT/SLT iz DLT prema prethodno razvijenoj proceduri i uzimajući u obzir iteraciju faktora korelacije ξ5=ξ6=1.51. Analizom svih dijagrama može se konstatovati da su sada znatnije korigovane vrednosti nosivosti Rc,m,DLT dobijene DLT, tako da su i generalno manja odstupanja rešenja DLT u odnosu na rešenja dobijena iz SLT.
Slika 15. Krive probnog opterećenja SLT šipova, mobilisane statičke nosivosti Rc,m,DLT dobijene iz DLT šipova, korigovane mobilisane statičke nosivosti šipova Rc,m,DLT/SLT iz DLT prema prethodno razvijenoj proceduri i uzimajući u obzir iteraciju faktora korelacije ξ5=ξ6=1.51: a) šip broj 1, b) šip broj 2, c) šip broj 3, d) šip broj 4, e) šip broj 5, f) šip broj 6, g) šip broj 7
Link za više informacija:
Ćosić M., Šušić N., Prica M., Đoković K.: Procedure for Correction of Bearing Capacity of Piles Examined by the Dynamic Load Test (DLT) According to the Static Load Test (SLT), Structural Integrity and Life, Vol. 23, Special issue, 2023, pp. 53-68.