Deformatsioonivuugid (1)

Anne Visnapuu
DEFORMATSIOONIVUUGID
REFERAAT Õppeaines: TEERAJATISED I
Ehitusteaduskond Õpperühm: KTEI 62 Juhendaja : Prof . Priit Vilba
Tallinn 2010 SISUKORD
SISUKORD ................................................................................................................................ 2 SISSEJUHATUS ........................................................................................................................ 3 DEFORMATSIOONIVUUKIDE ARVUTAMINE .................................................................. 5 DEFORMATSIOONIVUUKIDE RAJAMINE ......................................................................... 9 KASUTATUD KIRJANDUS .................................................................................................. 16
2 SISSEJUHATUS
Ehitusmaterjalidele on omased välistegurite põhjustatud mahumuutused. Betooni mahumuutused on tingitud temperatuuri kõikumistest, niiskussisalduse muutusest, karboniseerumisest põhjustatud kahanemisest ja teistes konstruktsioonis kasutatud materjalide omadustest.
Iga betooni vaba mahumuutuse piiramine tekitab materjalisiseseid pingeid. Üsna tihti on märgata betoonkonstruktsioonides pragusid, mis on tingitud pingete kuhjumisest. Enneaegsed praod kipuvad kiirendama konstruktsiooni seisundi edasist halvenemist ja lõpuks vähendavad betooni tegelikku töövõimet. Seetõttu on äärmiselt oluline kontrollida sisepingete taset ning edasist pragunemist. Selleks rajatakse konstruktsiooni deformatsioonivuugid (nimetatakse ka temperatuurivuugid).
Deformatsioonivuugid hoiavad ära kahjustused mis võivad tekkida liikumisel temperatuurivahede tõttu.
Eesti esimesel tähelepanuväärsemal raudbetoonsillal (Kasari sild , valmis aastal 1904 ) deformatsioonivuuke teadmatusest ei jäetud. Ekspluatatsiooniaasta detsembris, kui temperatuur oli langenud -16° R, märgati sillal pragusid, millest suurim oli ligi 2 mm lai. Peagi teatati 8 mm laiusest läbi kaarte , lae ja sõidutee ulatuvast praost neljandas avas ja juuspragudest mitmel pool mujal. Kohale sõitis ehitusfirma esindaja Couturier, kes leidis, et midagi ohtlikku juhtunud ei ole. Praod olevat olnud oodata, ja et vaatlused näitasid kaarte ühtlast tõusu ja vajumist temperatuuri muutudes , olevat see tõendiks, et üksikute tarindiosade elastsuspiir pole kaugeltki saavutatud ega ole karta mingit purunemist. Juba tol ajal leiti, et suurim tekkinud pragudest näitavat, et avas moodustus temperatuurivuuk ja ka kõigis teistes avades tugede lähedal tekkinud ja tekkivad praod on igati seaduspärased [ H.Matve, Eesti sillaehitus , lk.31].
Tänapäeval osatakse arvutada ning hinnata veel enne konstruktsiooni ehitamist tekkida võivate pragude suurust, seetõttu jäetakse sillakonstruktsiooni sisse deformatsioonivuugid, mis arvutatakse vastavalt temperatuuri muutustele ning materjali soojuspaisumistegurist lähtuvalt.
3 Jätkuvtala silla puhul on vuugid vaid otstes, lihttala puhul peaksid olema iga riigli kohal, kaldasammastel ei pruugi. Deformatsioonivuuk peab võimaldama sillal piki-, põik-, vertikaal- ja pöördedeformatsioone. Vuugid tulevad asetada selliselt , et oleks tagatud tasane liikluspind ja veetihe ühendus.
Deformatsioonivuuk peab ühest küljest olema võimeline vastu võtma piirneva pinna termilist paisumist ning samal ajal tagama piisava toetuse piirneva pinnaga. Deformatsioonivuugid on problemaatilised suure liikluskoormusega pindadel ning seetõttu ei soovitata neid seal kasutada. Deformatsioonivuugi korral kasutatava materjali rebenemistugevus või nakkumistugevus peab olema väiksem kui külgnevatel vuugitäidetel.
Deformatsioonivuukide parameetrite arvutamisel tuleb lähtuda minimaalsest temperatuurivahemikust ­20 °C kuni +80 °C. Teine variant on pind nii sillutada või katta, et jätta võimalus pragude tekkeks termilise paisumise või kokkutõmbumise tagajärjel ning kasutada neid hiljem deformatsioonivuukide tegemiseks. Praegusel ajal on kasutusel mitmeid erinevate firmade poolt väljatöötatud vuukidesüsteeme.
4 DEFORMATSIOONIVUUKIDE ARVUTAMINE
Materjali soojuspaisumine
Piirdetarindite ehitusfüüsikaliste karakteristikute ­ sooja- ja tuulepidavuse, mürapidavuse, veeauruläbilaskvuse ­ seisukohalt on olulised ehitusmaterjalide järgmised omadused: Tihedus (mahumass), ühikuks kg/m3; Sooja- erijuhtivus [W/(mK)]; Sooja-erimahtuvus c [J/(kgK), kWh/(kgK)]; Õhutihedus (praktilistes arvutustes kasutatakse õhu eriläbilaskvust m3/(msPa) ehk m2/(sPa)) Veeaurutihedus (difusioontakistus, mida standardi järgi iseloomustatakse ekvivalentse õhukihi paksusega m või difusioonitakistusteguriga ­ suhtarvuga . Praktilistes arvutustes kasutatakse materjali auru-eriläbilaskvust kg/(msPa) ja materjalikihi aurupidavust m2sPa/kg); Niiskusesisaldus (kaalulise suhtarvuna: materjalis sisalduva aurustuva vee mass jagatud materjali kuivmassiga, kg/kg, või mahulise suhtarvuna: m3/m3); Niiskuseimavus (maksimaalne niiskusesisaldus); Mahu muutlikkus (soojuse ja niiskuse muutuste mõjul).
Omaduste arvväärtused sõltuvad konkreetsest materjalist, keskkonnatingimustest (eeskätt niiskusest) ning ka ehituskvaliteedist. Iga konkreetse materjali puhul tuleks kasutada tootja vastavat infot ja ühtlasi tähele panna, kas andmed kehtivad labori või ehitise tingimustes. Meie suhteliselt jahe, niiske ja tuuline kliima või materjalide tehnilisi omadusi ebasoodsas suunas mõjutada.
Temperatuurideformatsioonid ­ paisumine soojenemisel ja kahanemine jahtumisel ­ on vältimatud kõigi jäikade anorgaaniliste ehitusmaterjalide puhul. Ehitise välispindade temperatuur võib kõikuda piires ca -30...+50 °C ja nende deformatsiooniintervall võib olla 0,5...1,0 mm/m.
Katsed ja vaatlused näitavad, et rõhuv enamik kehi paisub temperatuuri tõustes ja tõmbub kokku temperatuuri langedes. See on seletatav asjaoluga, et temperatuuri tõustes suureneb keha
5 molekulide liikumise kiirus ja võnkeamplituud keskmise asendi suhtes. Järelikult eemalduvad molekulid keskmiselt üksteisest ­ keha paisub. Et molekulaarne liikumine on kaootiline , siis paisub keha soojenemisel igas suunas. Keha joonmõõdete suurenemist soojenemisel nimetatakse keha soojuslikuks ehk termiliseks joonpaisumiseks.
Arvestades keha kõigi mõõtmete suurenemist, räägitakse joonpaisumise kõrval ka ruumpaisumisest. Nagu joonpaisumise korral, nii on keha ruumala juurdekasv ka ruumpaisumisel võrdeline temperatuuri kasvuga. Mitte eriti suurtes temperatuurivahemikes on suhteline pikenemine võrdeline temperatuuri muuduga:
, (1)
kus l ­ keha pikkus temperatuuril t; l0 ­ pikkus algtemperatuuril t0; ­ joonpaisumistegur .
Joonpaisumistegur näitab kui suure osa algpikkusest moodustab keha pikenemine keha soojenemisel 1 K võrra. Joonpaisumistegur sõltub ainest nagu ruumpaisumistegurgi. Nende vahel kehtib seos = 3. Valemist (1) tuleneb, et keha joonmõõtmed sõltuvad temperatuuri muudust järgmiselt: (2) Kehade joonpaisumistegur on väga väike. Enamikul ainetel on see vahemikus 10-5 ­ 10-6 K-1.
Materjal Soojuspaisumistegur 10-5 1/deg Betoon , betoonkivid 1,0 Teras 1,2 Savitellis 0,6 Silikaattellis 0,9 Looduskivi 0,7 Puit Väike Kipsplaat 2,5 Klaas 0,8 Tabel 1. Materjalide soojuspaisumistegurid.
Mehaanikast on teada Hooke'i seadus: kehale mõjuv jõud ja keha deformatsioon (pikenemine või lühenemine) on võrdelised:
6 (3) kus F ­ kehale mõjuv jõud; l ­ keha deformatsioon; k ­ keha jäikus.
Samas, mehaanikast on teada ka asjaolu, et keha jäikus sõltub keha pikkusest l0, keha ristlõikepindalast S ning elastsusmoodulist ehk Youngi moodulist E: (4)
Kui keha pikkus ja ristlõikepindala (mõõdetud mõjuva jõuga risti) iseloomustavad füüsikalisi mõõtmeid, siis elastsusmoodul iseloomustab vaid keha materjali.
(5)
Seega oleme saanud järgmise tulemuse: keha soojuspaisumisest tingitud pikenemine avaldab teda ümbritsevatele kehadele jõudu.
Deformatsioonivuukide arvutamisel tuleb arvesse võtta temperatuuride vahemikke ning materjali omadustest tingitud soojuspaisumistegurit. Näiteks arvutame deformatsioonivuugi laiuse viaduktile.
= 9 - temperatuuri muutus kõige palavamal päeval tugiosade paigaldamise ajal.
Tnx = -22 - minimaalne temperatuur piirkonnas kuhu viadukti projekteeritakse (0.92 betooni ja raudbetoonkonstruktsioonidel, 0,98 teraskonstruktsioonidel ja komposiitkonstruktsioonidel).
tVII = 20,8 keskmine temperatuur kõige kuumemal kuul; tnt = tVII + T tnt = 29,8; tt = tnt ­ 15 tt = 14,8; tx = tnt + 15 tx = -7.
7 Temperatuuride vahemik:
Tn = tnt - tt Tn = 36,8 - positiivne; To = - (tnt ­ tt) To = -36,8 - negatiivne.
Horisontaalse liikumise arvutused
= 10 - päikesekiirgusest tingitud temperatuurikoormus pindadele, mille katte paksus on 150 mm, sh asfaltkate , deformatsioonivuukide liikumisvaru arvutamiseks.
T = tVII + T ­ tnx + C T = 61,8; Lt = 63000mm temperatuurivahemik; f = 1,2 osavarutegur ; -5 = 1,010 betooni joonpaisumistegur; = Lt*T** f a = 0,047m. Vuugi laiuseks on seega leitud 4,7 cm.
8 DEFORMATSIOONIVUUKIDE RAJAMINE
Praeguseks ajaks on mitmed firmad väljatöötanud erinevaid lahendusi deformatsioonivuukide rajamiseks. Iga firma pakub välja omapoolseid nägemusi koos vuugitäitematerjalidega vastavalt deformatsioonivuugi laiusele (pikenemine rohkem kui 2 cm ning vähem kui 2 cm). Eestis pakuvad oma lahendusi näiteks selliste firmade esindajad nagu Deckproof ja Trelleborg.
Mitte ükski lahendus pole päris hooldevaba. Ilma korraliku hoolduseta võivad vuugid amortiseeruda, ning konstruktsiooni vastupidavus väheneb. On hästi teada, et deformatsioonivuugid on selline silla osa, millele saab omaks kõige tõsisem koormus, sest nendel on rataste otsene mõju (väljaarvatud väga väiksed vuugid). Tihtilugu on vuugid projekteeritud piiratud teadmistega nendele mõjuvatest koormustest ning seetõttu tehtud valesid valikuid ning vuugid ei pea vastu.
Mujal maailmas tekitavad vuukidele kahjustusi maavärinad. Erinevad uuringud on näidanud, et väga raske on teha üldiseid järeldusi, kuidas sillakonstruktsioon käitub maavärina korral, leitakse, et kõige nõrgemaks kohaks sillal on siiski vuugid.
Deckproof Transflex deformatsioonivuugi süsteem Silla deformatsioonivuugi süsteem Transflex koosneb kuuest standardmudelist, mis on projekteeritud kuni 330 mm liikumismaa vastuvõtmiseks ainult deformatsiooni terasplaatide vahelise elastomeeri kaudu.
Iga mudel koosneb terasest nurkadest, mis kinnitatakse poltidega silla konstruktsiooni betoon- või metallplaadi külge.
Joonis 1. Deckproof Transflex deformatsioonivuugi süsteemi profiil .
9 Korrosioonikindel elastomeerkate on suure vastupidavusega õlidele ja lahustitele ning ohutuse tagamiseks on mooduli pealispinnale moodustatud libisemise vastane muster. Iga mudel on projekteeritud spetsiaalselt vastu võtma horisontaalset liikumist ja deformatsiooni väändele, samuti võtma vastu vertikaalset liikumist kuni ülespöördele 6 mm.
Transflex deformatsioonivuuk on mõeldud kasutamiseks kõrgendatud konstruktsioonides, liikuvate vuukide deformatsioonivuugina, kaasa arvatud: - sildadel - rampidel - viaduktidel.
Transflex deformatsioonivuuk on lihtsasti paigaldatav ja ekspluateeritav, hinna kokkuhoidu võimaldav deformatsioonivuugi süsteem. Võimaldab töid teostada ka poole sõidutee ulatuses. Selle lahenduse juures on ääretult oluline, et süsteem tarnitakse komplekselt koos kõigi abimaterjalidega ja et see paigaldataks rangelt vastavalt tootja tehase paigaldustehnoloogiale. Transflex deformatsioonivuugi ekspluatatsiooni puhul on oluline, et mooduli deformatsiooni avad saaksid puhastatud üks kord aastas, kevadeti . Vuuki tuleks kontrollida jooksvalt, minimaalselt iga kahe aasta tagant. Visuaalse inspekteerimise käigus kontrollitakse Transflex moodulite seisundit, kas moodulid on kinni, moodulite ankurkinnituste pesade olukorda (peavad olema täidetud hermeetikuga), üleminekuribade seisundit, nende kulumist, kas nad on aluspinnaga kontaktis jne. Samuti kontrollitakse deformatsioonivuugi vettpidavust. Transflex vuuk võib vajada pisiremonti 5-10 aasta möödudes. Asfalt katendi renoveerimisel võivad üleminekuribad vajada remonti või asendamist. Kui hooldust teostatakse süstemaatiliselt võib öelda, et vuugi kasutusiga on 20-30 aastat. Garantii tootele 5 aastat, garantii paigaldusele kuni 3 aastat.
FlexJoint FlamLine deformatsioonivuugi süsteem Veekindel vuugisüsteem FlexJoint FlamLine sobib vuukidele 20 ­ 75 mm. Veekindlaks muudab süsteemi membraan . Samuti on konstruktsioon happekindel, st et sobib ka soolatavatele sildadele.
10 Joonis 2. FlexJoint FlamLine deformatsioonivuugi lõige.
Trelleborg Transflex deformatsioonivuugisüsteem Trelleborgi Transflex deformatsioonivuugisüsteem ületab silladeki ja alustoe vahelist ruumi nii sildadel kui ka viaduktidel. Nad leevendavad liikumist, mis on põhjustatud suurest liikluskoormusest, tuulest ning temperatuuri tagajärjel tekkivast mahumuutusest.
Igal vuugil on kaks osa. Esimene on sillamoodul ­ tugev kummiplaat, mis ühendab silladeki ja alumise toe vahelist ehituslikku ava. Teine on liikumismoodul, mis leevendab silladeki liikumist. Horisontaalne turvaankurdus tugevdab kogu seadet ning ennetab läbipainet.
Transflex vuugisüsteem sobib vuukidele, mille maksimaalne ava on 190 ­ 1080 mm.
Joonis 3. Trelleborg Transflex deformatsioonivuugi süsteemi profiil.
11 Joonis 4. Transflex 150-300 deformatsioonivuuk.
Joonis 5. Transflex deformatsioonivuuk.
Joonis 6. Transflex deformatsioonivuuk.
12 Stirling Lloyd deformatsioonivuukide süsteemid Stirling Lloyd on Suurbritannia firma, mis pakub erinevaid lahendusi deformatsioonivuukidele. Tooted on jagatud vuugi liikumise suuruse järgi:
Tabel 2. StirlingLloyd deformatsioonivuugi süsteemid.
Liikumine kuni 20 mm Kaetud vuuk, mida kasutatakse katkematu pealmise osa puhul. Liikumisruum 0-20 mm. Sisaldab eraldavat veekindlat membraani. Terasest katteplaat suurematele avadele. Moodustab püsiva veekindla pinna asfaldi all.
Joonis 7. StirlingLloyd kaetud vuugi lõige.
13 Liikumine kuni 40 mm Asfaltkinnisega vuuk. Sobib nii uutele kui ka rekonstrueeritavatele ehitistele. Liikumisruum 5-40 mm.
Joonis 8. StirlingLloyd asfaltkinnisega vuugi lõige.
Joonis 9. Asfalttäitega vuuk.
Lisaks pakub Stirling Lloyd veel mitmeid erinevaid lahendusi deformatsioonivuukidele.
Deformatsioonivuukide paiknemine sõidutee suhtes
Kõige tavalisem vuukide paiknemisviis on sõiduteega risti. See pole kindlasti kõige parem lahendus, sest niimoodi põrutab autoga ülesõites päris tugevalt.
14 Joonis 10. Vuugi paiknemini risti sõidusuunaga.
Tänapäeval on otsitud erinevaid lahendusi, et põrutusi vähendada. Selleks on vuuke rajatud teega väikse nurga all. Samuti on otsitud lahendusi, kus on muudetud vuugi kuju.
Joonis 11. Vuugivariant.
Eestis pole muudetud kujuga deformatsioonivuuke veel kasutatud, küll aga on rajatud deformatsioonivuuke teega nurga all nagu Tartu Vabadussillal.
Joonis 12. Tartu Vabadussilla deformatsioonivuuk.
15 KASUTATUD KIRJANDUS
1. Columbia-Kivi Deformatsioonivuugid. 2008. 2. Seungwook Lim, Jin- Hoon Jeong, Dan G. Zollinger. (2009). Moisture profiles and shrinkage in early-age concrete pavements. - International Journal of Pavement Engineering Vol 10. No 1. 3. Töökirjelduste infosüsteem. [WWW] http://www.eesti.ee/portaal/!this.query_view_tookirjeldus?tookirjeldusId=1292 4. Matve, H. (2004). Eesti sillaehitus, Tln: Tallinna Tehnikaülikool 170 lk. 5. Masso, T. Ehitusfüüsika. Ehituskonstruktori käsiraamat. Tallinn 2010 6. Soojusõpetus. Tahke keha soojuspaisumise uurimine . Laboratoorne töö nr. 2. Tallinna Ülikool. 7. Laas , T. (2009).Soojusõpetuse lühikonspekt. Tallinna Ülikool. 8. Roberto Crocetti, Bo Edlund (2003). Fatigue Performance of Modular Bridge Expansion Joints . - Journal of Performance of Consructed Facilities . 9. Sang -Hoon Kim, Masanobu Shinozuka (2003). Effects of Seismically Induced Pounding at Expansion Joints of Concrete Bridges. - Journal of Engineering Mechanics. 10. Trelleborg Bridge Expansion Joints. [WWW] http://www.trelleborg.com/en/Products-and-Solutions/Infrastructure - Construction /Bridge-Expansion-Joints/ 11. Riveseal OÜ info 12. StirlingLloyd Expansion Joint Systems. [WWW] http://www.stirlinglloyd.com/joints/Default.ht m
16