Co jsou kluzné trny ve spárách betonových vozovek?

Definice

Kluzný trn je hladká ocelová tyč, která prochází spárou betonové vozovky a přenáší zatížení z jedné desky na další. FAA označuje desku slovem panel. AC 150/5320-6G uvádí, že trny zajišťují přenos zatížení přes spáru a brání svislému vzájemnému posunu sousedních konců desek (3.16.10.2).

Trn je hladký, ne profilovaný. Hladká tyč může ve betonu klouzat, takže se spára může otevírat a zavírat. Položka P-501 vyžaduje hladké ocelové tyče podle ASTM A615, bez otřepů, které brání skluzu. Každá tyč má epoxidový povlak podle ASTM A1078 typ 1, tlustý více než 10 mils, a separační vrstvu (bond-breaker) od výrobce. Pouzdra a vložky pro trny nejsou povoleny (501-2.7). Inženýr může po konzultaci s FAA požádat o chromované tyče (ASTM A1035) nebo nerezové tyče (ASTM A955).

Jak trn funguje

Když kolo zatíží jednu desku, trn část zatížení předá následující desce. FHWA uvádí, že kluzné trny zajišťují kladný přenos zatížení přes spáru. To výrazně snižuje průhyby a napětí ve spáře, a tím i riziko čerpání, stupňovitého výškového rozdílu (faulting) a trhlin v desce (FHWA-HIF-07-021, s. 1).

Výzkum ukazuje, že hlavním mechanismem přenosu zatížení trnem je smyk. Ohyb tyče hraje malou roli, zvlášť tam, kde se spára otevírá méně než o 1/4 in (Snyder, s. 2). Snyder uvádí, že kritický trn ve silniční spáře obvykle nese méně než 3 000 lb. Smyk a ohyb tedy neurčují průměr ocelové tyče. Průměr je důležitý z jiného důvodu. Tuhější trn snižuje kontaktní napětí mezi tyčí a betonem, a tím zpomaluje růst stupňovitého výškového rozdílu (Snyder, s. 2 až 3).

Trn také musí spáře umožnit pohyb. Teplotní změny a smršťování betonu při vysychání spáry otevírají a zavírají. U desek dlouhých 15 ft (4,6 m) uvádí FHWA typický pohyb spáry 2 až 3 mm (0,08 až 0,12 in). Platí to i v chladnějších oblastech (FHWA-HIF-07-021, s. 3). Separační vrstva (bond-breaker) na trnu umožňuje, aby při tomto pohybu v betonu klouzal. Snyder doporučuje separační vrstvu alespoň na polovině délky každého trnu. Polotuhý povlak musí být tenký, protože silná vrstva může vypadat jako ztráta přenosu zatížení (Snyder, s. 11).

Kluzné trny jsou stará technologie. První zaznamenaná instalace v USA proběhla v zimě 1917 až 1918 a do roku 1930 je vyžadovala téměř polovina států (Snyder, s. 1).

Kluzné trny a kotevní tyče

Kotevní tyč (tie bar) je jiná součást. Je to profilovaná tyč, která drží podélnou spáru zavřenou. AC 150/5320-6G uvádí, že kotevní tyče nefungují jako prvky přenosu zatížení. Udržují lícové plochy desek v těsném kontaktu, takže zatížení může přenášet zámek z kameniva (3.16.10.1). Rozdíly jsou tyto:

• Kluzný trn je z hladké oceli, pokrytý epoxidem a separační vrstvou. Kotevní tyč je z profilované oceli podle ASTM A615 (501-2.7).
• Kluzný trn leží rovnoběžně s povrchem vozovky a ve betonu klouzá (FHWA-HIF-07-021, s. 2). Kotevní tyč se nikdy nenatírá, nemaže ani nedává do pouzdra a drží se uprostřed hloubky desky (501-4.10).
• Kluzný trn přenáší zatížení přes smršťovací nebo pracovní spáru. Kotevní tyč drží podélnou spáru zavřenou. AC 150/5320-6G svazuje podélné smršťovací spáry nejvýše 20 ft (6 m) od volného okraje, pokud je deska tenčí nebo rovna 9 in (225 mm). Deska o tloušťce 6 in (150 mm) nebo menší dostane výztuž č. 4 dlouhou 20 in (510 mm) s roztečí 36 in (900 mm). Silnější deska dostane výztuž č. 5 dlouhou 30 in (762 mm) s roztečí 30 in (3.16.10.1).

Kde letiště používají trny

• Poslední tři příčné smršťovací spáry od volného okraje (3.16.10.2.1). AC uvádí, že stabilizovaný podklad poskytuje oporu desce, takže více trnů přináší malý přínos.
• Všechny pracovní spáry, podélné nebo příčné. Ztluštělý nebo vyztužený okraj může trny nahradit (3.16.10.2.2). Pro letadla o hmotnosti 30 000 lb (13 610 kg) nebo více používá AC spáru typu E s trny. Tupá spára (typ F) trny nemá. Smí se použít u vozovek pro letadla lehčí než 30 000 lb, která leží na stabilizovaném podkladu nebo jsou betonovým přesahem přes ohebnou vozovku (3.16.9.5).
• Podélné smršťovací spáry nejvýše 20 ft (6 m) od volného okraje v deskách silnějších než 9 in (tabulka 3-5, typ spáry C).

Kde se podélná a příčná spára střetnou, AC v případě potřeby odstraní trn nebo kotevní tyč z podélné spáry. Zbylá tyč zůstává 12 in (300 mm) od konce příčných trnů (obrázek 3-5, poznámka 1).

Trny v izolačních a dilatačních spárách

Izolační spáry trny nedostávají. P-501 uvádí, že izolační spára slouží hlavně k oddělení konstrukcí s různým základem a vozovek s různým spárovým vzorem. Nepočítá s roztažností materiálu stlačením. Umožňuje sklouznutí spáry, takže by se na ni trn dávat neměl. V takovém případě je upřednostněnou metodou přenosu zatížení ztluštělý okraj (501-4.10).

Silniční praxe se liší. Průvodce Iowa State uvádí, že dilatační krytky na koncích trnů se u nové výstavby používají jen v dilatačních spárách. Krytka se nasazuje na nesvařený konec každého trnu v koši. Krytky nejsou nutné u smršťovacích a pracovních spár (Snyder, s. 11). Kontrolní seznam FHWA u dodatečně osazeného trnu požaduje plastové krytky na obou koncích, aby se počítalo s roztažností vozovky.

Velikost a rozestup

AC 150/5320-6G, tabulka 3-6, uvádí velikost, délku a rozestup ocelových trnů podle tloušťky desky.

AC požaduje, aby se trny dimenzovaly na smykové a ohybové napětí od zatížení. Dále požaduje takovou délku a rozestup, aby beton nepraskl od kontaktního napětí (3.16.10.2.3). Poznámka v P-501 přidává omezení u čáry spáry. Trn nebo kotevní tyč se nesmí osadit blíž než 0,6 násobek své délky k plánované čáře spáry. Pokud je poslední běžný trn blíž, přesune se na tuto vzdálenost, nejblíž však 6 in (150 mm) od sousedního trnu (501-4.10).

Silniční praxe je podobná, ale ne stejná. Od 60. let platí zhruba pravidlo, že průměr trnu v osminách palce se rovná tloušťce desky v palcích. Trny jsou dlouhé 18 in s roztečí 12 in. Výbor ACI 325 doporučil délku 18 in a rozteč 12 in v roce 1956. Státy se dnes liší. Podle Snyderova průzkumu z roku 2009 leží průměry, které státy používají u desky tloušťky 10 in, mezi 1 1/4 in a 1 1/2 in (Snyder, s. 1 až 3).

Osazení

Osová poloha a výška rozhodují o tom, jak se spára se trny chová (3.16.10.2.4). AC drží trny v drátěném koši nebo košíku, který je pevně ukotven k podkladu. Povoluje také finišer s automatickým vkladačem trnů.

Položka P-501 stanoví tyto limity (501-4.10):

• Vodorovný rozestup v toleranci 3/4 in (19 mm).
• Svislá poloha v toleranci 1/2 in (12 mm).
• Vodorovné a svislé vyosení nejvýše 1/4 in na stopu (6 mm na 0,3 m).

Pohyblivá část každého trnu dostane tenký film mazacího oleje nebo lehké mazivo, než finišer uloží beton. Dodavatel může trny vkládat do čerstvého betonu. Tuto metodu schvaluje RPR na základě zkušebního úseku, kde jádrové vývrty nebo nedestruktivní přístroje pro lokalizaci výztuže ukážou, že trny jsou v toleranci. P-501 jako příklady uvádí přístroj MIT scanner, pachometr a R-metr. Ve ztvrdlém betonu se trny ukládají do vyvrtaných otvorů a epoxidová pryskyřice je ukotví. Otvory jsou o 1/8 in (3 mm) větší než trn. Vrtání začne nejdříve, až je beton 7 dní starý nebo dosáhne pevnosti stanovené ve specifikaci.

Vyosení

FHWA rozlišuje čtyři druhy vyosení (FHWA-HIF-07-021, s. 2):

• Vodorovné zešikmení: trn se stáčí ve vodorovné rovině, takže není rovnoběžný s podélnou spárou.
• Svislý sklon: trn se naklání ve svislé rovině, takže není rovnoběžný s povrchem vozovky.
• Podélný posun: trn sedí mimo střed, takže na jedné straně je menší zapuštění.
• Svislý posun: trn sedí nad nebo pod polovinou hloubky, takže na jedné ploše je menší krytí.

Obecně zešikmení a sklon ovlivňují volný pohyb spáry. Posun ovlivňuje, jak dobře každý trn přenáší zatížení. Kritická úroveň zešikmení nebo sklonu je ta, při které se spára může zaseknout nebo se beton kolem trnu může odprýskávat. Obvyklý americký limit pro zešikmení nebo sklon je 6 až 10 mm (0,25 až 0,375 in) u trnu dlouhého 18 in. Obvyklý limit pro posun je 25 mm (1 in), protože rezerva u posunu je mnohem větší (FHWA-HIF-07-021, s. 2). P-501 omezuje vyosení na 1/4 in na stopu. U trnu dlouhého 18 in je to 3/8 in, a leží tedy uvnitř tohoto rozmezí.

Účinek vyosení je skutečný, ale menší, než naznačuje mnoho specifikací. FHWA uvádí, že mnoho provozovaných vozovek má několik špatně vyosených trnů a žádnou viditelnou poruchu. V laboratoři se odprýskávání a trhliny objevily jen při posunech několikanásobně větších, než je pohyb spáry v terénu. Jedna zaseknutá spára vozovce neublíží, ale mnoho za sebou jdoucích zaseknutých spár není žádoucí, protože se hromadí napětí od omezení (FHWA-HIF-07-021, s. 3). Silné vyosení může soustředit napětí, což vede ke vzniku kapsy kolem trnu (socketing) a ke ztrátě přenosu zatížení.

Studie FHWA z roku 2020 použila skenování MIT na zkušebních úsecích Long-Term Pavement Performance. Většina trnů byla dobře vyosena. Vyosení mělo největší vliv na přenos zatížení u příčných spár, zatímco vliv na stupňovitý výškový rozdíl závisí na dalších faktorech. Nenašla jednoznačný vztah mezi vyosením a trhlinami nebo odprýskáváním, s výjimkou určitého vlivu ve třech státech. FHWA také uvádí, že to neznamená, že silně vyosené trny nemají žádný vliv, zvlášť na lokální poruchy (FHWA-HRT-20-070). Jde o zjištění pro silnice. Letiště mají vlastní tolerance v dokumentech FAA.

Koroze a uvolnění

Uhlíkové ocelové trny snadno korodují, zvlášť tam, kde se do spáry dostanou rozmrazovací chemikálie. Snyder popisuje dva druhy škod. Když koroze začne ve spáře a přejde do desek, mezera mezi trnem a betonem se zvětšuje. Průhyby a napětí rostou, přenos zatížení klesá a následuje čerpání a stupňovitý výškový rozdíl. Produkty koroze se také rozpínají kolem tyče, což může způsobit silné odprýskávání spáry nebo trhliny uprostřed desky (Snyder, s. 6).

Epoxidový povlak je nejrozšířenější ochrana. Působí jako bariéra. Jeho dlouhodobý výkon se lišil. Tam, kde se používají rozmrazovací soli, může malá vada z výroby, dopravy nebo manipulace spustit korozi (Snyder, s. 6 až 7). Alternativou jsou nerezové trny. P-501 umožňuje inženýrovi po koordinaci s FAA požádat o chromované nebo nerezové tyče (501-2.7).

Účinnost přenosu zatížení

Účinnost přenosu zatížení (LTE) ukazuje, kolik zatížení spára předá další desce. AC definuje účinnost podle průhybu jako průhyb nezatížené desky dělený průhybem zatížené desky, krát 100 % (rovnice C-3). Měření FWD a HWD na spárách ji zjišťují (C.8.3). Míra přenosu zatížení závisí na konfiguraci podvozku, ploše styku pneumatiky, teplotě vozovky, trnech a stabilizovaném podkladu (C.15.3).

Návrh FAA počítá s tím, že přenos zatížení sníží napětí na volném okraji desky o 25 %. Vztah mezi účinností podle průhybu a účinností podle napětí není lineární, proto AC vyžaduje dodatečnou analýzu (C.15.5). AC také uvádí, že zhoršení spáry a pokles účinnosti zvyšují průhyby v rozích desek, což může vytvořit dutiny pod deskou (C.5.3).

Silniční agentury často jednají podle limitu. Snyder uvádí obvyklé mezní hodnoty 50 až 70 % účinnosti přenosu zatížení, při kterých se přenos obnovuje, spára se podbetonovává nebo vymění. Upozorňuje také, že samotná účinnost neříká celý příběh. Dobře podložená vozovka může mít účinnost 40 % s velmi malými průhyby. Slabá může mít 70 % s velkými průhyby a velkým rozdílem přes spáru. Účinnost měřte, když má deska 70 °F (21 °C) nebo méně. Teplá deska spáru uzavírá a dává vysoké hodnoty účinnosti (Snyder, s. 20).

Trny při kontrole

Trny jsou uvnitř desky, takže inspektor vidí jen jejich projevy. AC 150/5380-6C je uvádí (3.2.2):

• Odprýskávání spár, které vzniká i tehdy, když se trny vychýlí z polohy.
• Lomy v rozích, kde může ztráta podpory vzniknout čerpáním nebo ztrátou přenosu zatížení ve spáře.
• Sedání nebo faulting, tedy rozdíl výšek v místě spáry nebo trhliny.
• Čerpání (pumping), vyhazování vody a podkladního materiálu spárami nebo trhlinami. Čerpání u spár ukazuje na slabý přenos zatížení ve spáře, špatné utěsnění nebo podzemní vodu.

PAVER manuál hodnotí stupňovitý výškový rozdíl podle rozdílu výšek přes spáru. Na dráhách a ruležných drahách je rozdíl menší než 6 mm (1/4 in) nízká závažnost. Rozdíl 6 až 13 mm (1/4 až 1/2 in) je střední a více než 13 mm (1/2 in) vysoká. Na odbavovacích plochách je nízká závažnost 3 až 13 mm (1/8 až 1/2 in) a střední 13 až 25 mm (1/2 až 1 in). Více než 25 mm (1 in) je vysoká. Rozdíl změří latka nebo vodováha.

Abyste viděli samotné trny, potřebujete nástroj, který nahlédne do desky:

• Jádrové vývrty ukážou tyč, její povlak a mezeru kolem ní, ale poškodí desku.
• Nedestruktivní lokalizátory výztuže, jako MIT scanner, pachometr a R-metr. P-501 je používá ke kontrole osazení (501-4.10). FHWA uvádí, že skenování MIT měří vyosení trnů bez poškození. V roce 2007 uvedla, že dvoučlenná parta může za osmihodinový den prověřit 400 nebo více spár přístrojem MIT Scan-2 (FHWA-HIF-07-021, s. 1).
• Georadar (GPR) dokáže lokalizovat výztuž v betonu a vysoké frekvence dávají nejlepší rozlišení v malé hloubce (AC 150/5320-6G, E.1).

Dodatečná instalace kluzných trnů

AC 150/5320-6G uvádí, že dodatečná instalace trnů nebo rekonstrukce může být potřeba, pokud rozsáhlé úseky čerpají vodu nebo se houpají (4.10.2). Při dodatečné instalaci pracovníci vyřežou rovnoběžné drážky napříč spárou a do drážek osadí povlečené trny. Drážky pak vyplní opravnou hmotou a spáru znovu vytvarují. Kontrolní seznam FHWA uvádí pro kontrolu tyto body:

• Drážky jsou navzájem rovnoběžné a rovnoběžné s osou vozovky, obvykle v toleranci 1/4 in na 12 in délky trnu.
• Na jednu jízdní stopu jsou obvykle tři nebo čtyři drážky.
• Na každém konci trnu sedí plastová krytka a separační prostředek brání tomu, aby se opravná hmota s trnem spojila.
• Podpěrky (chairs) drží trn v drážce, obvykle s vůlí 1/2 in pod ním, takže opravná hmota obklopí trn.

Úplná oprava vrstvy v místě poškození rohu je jiná práce. AC 150/5380-6C nabízí dvě možnosti (příloha A). Pracovníci mohou zachovat odkryté trny tím, že řežou těsně za jejich konci. Mohou také spáru přeříznout a osadit nové trny stejného typu a velikosti do vyvrtaných a epoxidem zalepených otvorů.