Čo sú klzné tŕne v škárach betónových vozoviek?

Definícia

Klzný tŕň je hladká oceľová tyč, ktorá prechádza cez škáru betónovej vozovky a prenáša zaťaženie z jednej dosky na druhú. FAA pre dosku používa pojem panel. AC 150/5320-6G uvádza, že klzné tŕne zabezpečujú prenos zaťaženia cez škáru a bránia relatívnemu zvislému posunu koncov susedných dosiek (3.16.10.2).

Tŕň je hladký, nie rebrovaný. Hladký tŕň sa môže v betóne posúvať, takže sa škára môže otvárať a zatvárať. Položka P-501 požaduje hladké oceľové tyče podľa ASTM A615, bez otrepov, ktoré bránia posunu. Každý tŕň má epoxidový povlak podľa ASTM A1078 Type 1, hrubší ako 10 mil, a od výrobcu aj separačný náter. Puzdrá a vložky pre klzné tŕne nie sú povolené (501-2.7). Inžinier môže po dohode s FAA požiadať o chrómované tyče (ASTM A1035) alebo nehrdzavejúce oceľové tyče (ASTM A955).

Ako klzný tŕň funguje

Keď koleso zaťaží jednu dosku, klzný tŕň časť zaťaženia prenesie na ďalšiu dosku. FHWA uvádza, že klzné tŕne zabezpečujú kladný prenos zaťaženia cez škáru. Výrazne tak znižujú priehyby a napätia v škáre, a teda aj možnosť pumpovania, výškového rozdielu a trhlinovania dosky (FHWA-HIF-07-021, s. 1).

Výskum ukazuje, že hlavným mechanizmom prenosu zaťaženia klzného tŕňa je šmyk. Ohyb tyče má malý význam, najmä tam, kde sa škára otvára menej ako o 1/4 in (Snyder, s. 2). Snyder uvádza, že kritický klzný tŕň v cestnej škáre zvyčajne nesie menej ako 3 000 lb. Šmyk a ohyb preto nerozhodujú o priemere oceľovej tyče. Priemer je dôležitý z iného dôvodu. Tuhší klzný tŕň znižuje kontaktné napätie medzi tyčou a betónom, a to spomaľuje rast výškového rozdielu (Snyder, s. 2 až 3).

Klzný tŕň musí tiež umožniť pohyb škáry. Teplota a zmršťovanie pri vysychaní škáry otvárajú a zatvárajú. Pri doskách dlhých 15 ft (4,6 m) uvádza FHWA typický pohyb škáry 2 až 3 mm (0,08 až 0,12 in). Platí to aj v chladnejších oblastiach (FHWA-HIF-07-021, s. 3). Separačný náter na tyči umožní, aby sa počas tohto pohybu v betóne posúvala. Snyder odporúča separačný náter aspoň na polovicu dĺžky každého tŕňa. Polotuhý povlak musí byť tenký, pretože hrubá vrstva môže vyzerať ako strata prenosu zaťaženia (Snyder, s. 11).

Oceľové klzné tŕne nie sú novinka. Prvá zaznamenaná inštalácia v USA bola v zime 1917 až 1918 a do roku 1930 ich takmer polovica štátov vyžadovala (Snyder, s. 1).

Klzné tŕne a kotvy

Kotva (angl. tie bar) je iná súčasť. Je to rebrovaná tyč, ktorá drží pozdĺžnu škáru zatvorenú. AC 150/5320-6G uvádza, že kotvy nepôsobia ako prvky prenosu zaťaženia. Držia okraje dosiek v tesnom kontakte, takže prenos zaťaženia môže zabezpečiť agregátový zámok (3.16.10.1). Tieto dve súčasti sa líšia takto:

• Klzný tŕň je hladká oceľ s epoxidovým povlakom a separačným náterom. Kotva je rebrovaná oceľ podľa ASTM A615 (501-2.7).
• Klzný tŕň leží rovnobežne s povrchom vozovky a v betóne sa posúva (FHWA-HIF-07-021, s. 2). Kotva sa nikdy nenatiera, nemaže ani nedáva do puzdra a drží sa v strede hrúbky dosky (501-4.10).
• Klzný tŕň prenáša zaťaženie cez zmršťovaciu alebo pracovnú škáru. Kotva drží pozdĺžnu škáru zatvorenú. AC 150/5320-6G kotví pozdĺžne zmršťovacie škáry do 20 ft (6 m) od voľného okraja, ak je doska 9 in (225 mm) alebo tenšia. Doska 6 in (150 mm) alebo tenšia dostane kotvy č. 4 dlhé 20 in (510 mm) v osových rozostupoch 36 in (900 mm). Hrubšia doska dostane kotvy č. 5 dlhé 30 in (762 mm) v osových rozostupoch 30 in (3.16.10.1).

Kde letiská používajú klzné tŕne

• Posledné tri priečne zmršťovacie škáry od voľného okraja (3.16.10.2.1). AC uvádza, že stabilizovaný podklad dosku podopiera, takže ďalšie klzné tŕne prinášajú malý prínos.
• Všetky pracovné škáry, pozdĺžne alebo priečne. Zosilnený alebo vystužený okraj môže nahradiť klzné tŕne (3.16.10.2.2). Pre lietadlá s hmotnosťou 30 000 lb (13 610 kg) alebo viac AC používa škáru typu E s klznými tŕňmi. Tupá škára (typ F) nemá klzné tŕne. Môže slúžiť pre vozovky pre lietadlá s hmotnosťou pod 30 000 lb, ktoré sú na stabilizovanom podklade alebo sú betónovým prekrytím flexibilnej vozovky (3.16.9.5).
• Pozdĺžne zmršťovacie škáry 20 ft (6 m) alebo menej od voľného okraja, pri doskách hrubších ako 9 in (tabuľka 3-5, typ škáry C).

Tam, kde sa pozdĺžna a priečna škára stretávajú, AC v prípade potreby odstráni klzný tŕň alebo kotvu z pozdĺžnej škáry. Zostávajúca tyč zostáva 12 in (300 mm) od konca priečnych klzných tŕňov (obrázok 3-5, poznámka 1).

Klzné tŕne v izolačných a dilatačných škárach

Izolačné škáry klzné tŕne nedostávajú. P-501 uvádza, že izolačná škára sa používa hlavne na oddelenie konštrukcií s rôznymi základmi a vozoviek s rôznymi vzormi škár. Nepočíta s rozťažnosťou materiálu pri stlačení. Škára sa posúva, preto je klzný tŕň v nej zriedka potrebný. Na tomto mieste je preferovaným spôsobom prenosu zaťaženia zosilnený okraj (501-4.10).

Cestná prax sa líši. Sprievodca Iowa State odporúča dilatačné čiapky na koncoch klzných tŕňov pri novej výstavbe iba v dilatačných škárach. Čiapka sa nasadzuje na nezvarený koniec každého klzného tŕňa v koši. Uvádza, že čiapky nie sú potrebné v zmršťovacích a pracovných škárach (Snyder, s. 11). Kontrolný zoznam FHWA pre dodatočnú inštaláciu tiež žiada plastové koncové čiapky na každom konci dodatočne osadeného klzného tŕňa, aby sa zohľadnila rozťažnosť vozovky.

Veľkosť a rozostupy

Tabuľka 3-6 AC 150/5320-6G uvádza veľkosť, dĺžku a rozostup oceľových klzných tŕňov podľa hrúbky dosky.

AC uvádza, že klzné tŕne sa majú navrhovať na šmykové a ohybové napätia od zaťaženia. Tiež uvádza, že sa má zvoliť dĺžka a rozostup, ktoré zabránia porušeniu betónu od kontaktného napätia (3.16.10.2.3). Pokynová poznámka v P-501 pridáva obmedzenie pri línii škáry. Klzný tŕň alebo kotva sa nesmie umiestniť bližšie ako 0,6 násobku svojej dĺžky k plánovanej línii škáry. Ak je posledný pravidelný tŕň bližšie, presunie sa na túto vzdialenosť, nie však bližšie ako 6 in (150 mm) k susednému (501-4.10).

Cestná prax je podobná, ale nie rovnaká. Pravidlo palca od 60. rokov určuje priemer klzného tŕňa v osminách palca, rovný hrúbke dosky v palcoch. Tŕne sú dlhé 18 in s osovým rozostupom 12 in. Výbor ACI 325 odporúčal dĺžku 18 in a rozostup 12 in v roku 1956. Agentúry dnes postupujú rôzne. Pri Snyderovom prieskume z roku 2009 sa priemery, ktoré štáty používajú pre dosku hrubú 10 in, pohybujú medzi 1 1/4 in a 1 1/2 in (Snyder, s. 1 až 3).

Umiestnenie

Zarovnanie a výška určujú, ako sa škára s klznými tŕňmi správa (3.16.10.2.4). AC drží klzné tŕne v drôtenom koši alebo držiaku, ktorý je pevne ukotvený do podkladu. Povoľuje aj finišer s automatickým zakladaním klzných tŕňov.

Položka P-501 stanovuje tieto limity (501-4.10):

• Vodorovný rozostup v rámci 3/4 in (19 mm).
• Zvislá poloha v rámci 1/2 in (12 mm).
• Vodorovné a zvislé zarovnanie najviac 1/4 in na stopu (6 mm na 0,3 m).

Pohyblivá časť každého klzného tŕňa dostane tenký film mazacieho oleja alebo ľahkého maziva skôr, než finišer uloží betón. Zhotoviteľ môže klzné tŕne vložiť do čerstvého betónu. Zástupca projektu na mieste (RPR) tento postup schváli na skúšobnom úseku, kde jadrové vývrty alebo nedeštruktívne prístroje na lokalizáciu výstuže ukážu, že klzné tŕne sú v tolerancii. P-501 ako príklady uvádza skener MIT, pachometer a R-meter. V stvrdnutom betóne sa klzné tŕne vkladajú do vyvŕtaných otvorov a epoxidová živica ich spája s betónom. Otvory sú o 1/8 in (3 mm) väčšie ako klzný tŕň. Betón musí mať 7 dní alebo dosiahnuť pevnosť podľa špecifikácie skôr, než sa začne vŕtanie.

Nesprávne zarovnanie

FHWA uvádza štyri typy nesprávneho zarovnania (FHWA-HIF-07-021, s. 2):

• Vodorovné skosenie: tyč sa otáča vo vodorovnej rovine, takže nie je rovnobežná s pozdĺžnou škárou.
• Zvislé naklonenie: tyč sa nakláňa vo zvislej rovine, takže nie je rovnobežná s povrchom vozovky.
• Pozdĺžne posunutie: tyč je mimo stredu, takže jedna strana má menšie zakotvenie.
• Zvislé posunutie: tyč je nad alebo pod stredom hrúbky, takže na jednej ploche je menšie krytie.

Všeobecne platí, že skosenie a naklonenie ovplyvňujú voľný pohyb škáry. Posunutie ovplyvňuje, ako dobre každý tŕň prenáša zaťaženie. Kritická úroveň skosenia alebo naklonenia je tá, pri ktorej sa škára môže zaseknúť alebo sa betón okolo tyče môže odlupovať. Obvyklý americký limit pre skosenie alebo naklonenie je 6 až 10 mm (0,25 až 0,375 in) na tŕni dlhom 18 in. Obvyklý limit pre posunutie je 25 mm (1 in), pretože rezerva pri posunutí je oveľa väčšia (FHWA-HIF-07-021, s. 2). P-501 obmedzuje zarovnanie na 1/4 in na stopu, čo je pri tŕni dlhom 18 in 3/8 in, a teda spadá do tohto rozsahu.

Vplyv nesprávneho zarovnania je skutočný, ale menší, než naznačuje mnoho špecifikácií. FHWA uvádza, že mnohé vozovky v prevádzke majú niekoľko silne nesprávne zarovnaných tyčí a žiadne viditeľné poruchy. V laboratóriu sa odlupovanie a trhliny objavili až pri posunoch, ktoré boli niekoľkonásobne väčšie ako pohyb škáry v teréne. Jedna zaseknutá škára nepoškodí vozovku, ale viac za sebou idúcich zaseknutých škár nie je žiaduce, pretože narastá napätie od obmedzenia (FHWA-HIF-07-021, s. 3). Silné nesprávne zarovnanie môže sústrediť napätie, čo vedie k vytváraniu jamiek okolo tyče (socketing, funneling) a k strate prenosu zaťaženia.

Štúdia FHWA z roku 2020 použila skenovanie MIT na skúšobných úsekoch programu Long-Term Pavement Performance. Zistila, že väčšina klzných tŕňov bola dobre zarovnaná. Zistila, že nesprávne zarovnanie malo najväčší vplyv na prenos zaťaženia v priečnych škárach a že vplyv na výškový rozdiel závisí od ďalších faktorov. Nezistila jednoznačný vzťah medzi nesprávnym zarovnaním a trhlinami alebo odlupovaním, okrem istého vplyvu v troch štátoch. FHWA zároveň uvádza, že to neznamená, že silne nesprávne zarovnané klzné tŕne nemajú žiadny vplyv, najmä na lokalizované poruchy (FHWA-HRT-20-070). Ide o zistenia pre cesty. Dokumenty FAA stanovujú vlastné tolerancie pre letiská.

Korózia a uvoľnenie

Klzné tŕne z uhlíkovej ocele ľahko korodujú, najmä tam, kde sa k škáre dostanú chemikálie na odmrazovanie. Snyder opisuje dve škody. Keď korózia začne v škáre a prenikne do dosiek, medzera medzi klzným tŕňom a betónom sa zväčšuje. Priehyby a napätia sa zvyšujú, prenos zaťaženia klesá a nasleduje pumpovanie a výškový rozdiel. Produkty korózie sa tiež rozpínajú okolo tyče, čo môže spôsobiť silné odlupovanie v škáre alebo trhliny v strede dosky (Snyder, s. 6).

Epoxidový povlak je najrozšírenejšia ochrana. Pôsobí ako bariéra. Jeho dlhodobý výkon sa líšil. Tam, kde sa používajú soli na odmrazovanie, môže malá chyba z výroby, prepravy alebo manipulácie spustiť koróziu (Snyder, s. 6 až 7). Alternatívou sú klzné tŕne z nehrdzavejúcej ocele. P-501 umožňuje inžinierovi požiadať po dohode s FAA o chrómované alebo nehrdzavejúce tyče (501-2.7).

Účinnosť prenosu zaťaženia

Účinnosť prenosu zaťaženia (LTE) ukazuje, aký podiel zaťaženia škára prenesie na ďalšiu dosku. AC definuje LTE podľa priehybu ako priehyb nezaťaženej dosky delený priehybom zaťaženej dosky, vynásobený 100 % (rovnica C-3). Meria sa testami FWD a HWD na škárach (C.8.3). Veľkosť prenosu zaťaženia závisí od konfigurácie podvozku, kontaktnej plochy pneumatík, teploty vozovky, klzných tŕňov a stabilizovaného podkladu (C.15.3).

Návrh FAA predpokladá, že prenos zaťaženia zníži napätie na voľnom okraji dosky o 25 %. Vzťah medzi LTE podľa priehybu a LTE podľa napätia nie je lineárny, preto AC požaduje dodatočnú analýzu (C.15.5). AC tiež uvádza, že zhoršenie škáry a klesajúca LTE zvyšujú priehyby v rohoch dosiek, čo môže vytvárať dutiny pod doskou (C.5.3).

Cestné agentúry často konajú podľa limitu. Snyder uvádza typické hranice zásahu 50 až 70 % LTE pre obnovu prenosu zaťaženia, podlievanie alebo výmenu škáry. Varuje aj, že samotná LTE nepovie celý príbeh. Dobre podopretá vozovka môže ukázať 40 % LTE pri veľmi malých priehyboch. Slabšia môže ukázať 70 % pri veľkých priehyboch a veľkom rozdiele na oboch stranách škáry. LTE merajte, keď má doska 70 °F (21 °C) alebo menej. Teplá doska škáru zavrie a dáva vysoké hodnoty LTE (Snyder, s. 20).

Klzné tŕne pri kontrole

Klzné tŕne sú vo vnútri dosky, takže kontrolór vidí príznaky. AC 150/5380-6C ich uvádza (3.2.2):

• Odlupovanie hrán škár, ktoré vzniká aj pri posune klzných tŕňov zo správnej polohy.
• Lomy v rohoch, pri ktorých môže strata podpory vzniknúť pumpovaním alebo stratou prenosu zaťaženia v škáre.
• Sadanie alebo výškový rozdiel na škáre alebo trhline.
• Pumpovanie, teda vyvrhovanie vody a podložného materiálu cez škáry alebo trhliny. Pumpovanie pri škárach ukazuje na slabý prenos zaťaženia v škáre, zlé tesnenie škáry alebo podzemnú vodu.

Manuál PAVER hodnotí výškový rozdiel podľa rozdielu výšok na oboch stranách škáry. Na dráhach a rolovacích dráhach je rozdiel menší ako 6 mm (1/4 in) nízka závažnosť. Rozdiel 6 až 13 mm (1/4 až 1/2 in) je stredná a viac ako 13 mm (1/2 in) je vysoká. Na plochách stojísk je nízka závažnosť 3 až 13 mm (1/8 až 1/2 in) a stredná 13 až 25 mm (1/2 až 1 in). Viac ako 25 mm (1 in) je vysoká. Rozdiel sa meria latou alebo vodováhou.

Aby kontrolór videl samotné klzné tŕne, potrebuje nástroj, ktorý vidí do dosky:

• Jadrové vývrty ukážu tyč, jej povlak a medzeru okolo nej, ale poškodia dosku.
• Nedeštruktívne lokátory výstuže, napríklad skener MIT, pachometer a R-meter. P-501 ich používa na kontrolu osadenia (501-4.10). FHWA uvádza, že skenovanie MIT meria zarovnanie klzných tŕňov bez poškodenia. V roku 2007 uviedla, že dvojčlenná posádka dokáže so zariadením MIT Scan-2 otestovať 400 alebo viac škár za 8-hodinový pracovný deň (FHWA-HIF-07-021, s. 1).
• Georadar (GPR) dokáže nájsť výstuž v betóne a vysoké frekvencie dávajú najlepšie rozlíšenie v malej hĺbke (AC 150/5320-6G, E.1).

Dodatočná inštalácia klzných tŕňov

AC 150/5320-6G uvádza, že ak veľké plochy pumpujú alebo sa kývajú, môže byť potrebná dodatočná inštalácia klzných tŕňov alebo rekonštrukcia (4.10.2). Pri dodatočnej inštalácii pracovníci vyrežú cez škáru rovnobežné drážky a do nich osadia povlakované klzné tŕne. Potom drážky vyplnia opravnou hmotou a škáru znovu vytvoria. Kontrolný zoznam FHWA uvádza tieto body pre kontrolu:

• Drážky sú rovnobežné medzi sebou aj s osou vozovky, zvyčajne do 1/4 in na 12 in dĺžky tyče.
• Zvyčajne sú tri alebo štyri drážky na jednu koľaj kolies.
• Na oboch koncoch klzného tŕňa sú plastové čiapky a látka uvoľňujúca väzbu zabraňuje, aby sa oprava spojila s tyčou.
• Podpery držia klzný tŕň v drážke, zvyčajne s medzerou 1/2 in pod ním, aby opravná hmota obklopila tyč.

Úplná hĺbková oprava lomu v rohu je iná práca. AC 150/5380-6C uvádza dve možnosti (príloha A). Pracovníci môžu odkryté klzné tŕne zachovať tak, že pília rezajú tesne za ich koncami. Môžu tiež prerezať škáru a osadiť nové klzné tŕne rovnakého typu a veľkosti do vyvŕtaných a epoxidom spojených otvorov.