Utvärdering PC-bult G4/kamstålsbult Ø25

Transkript

1 Utvärdering PC-bult G4/kamstålsbult Ø25 Av: Knut Garshol K. Garshol Rock Engineering Ltd. 17mars 2017

2 Jämförelse mellan Ø25 kamstålsbultar och PC Bolt R27/12 G4 1. Inledning Pretec AB i Kungälv har begärt en utvärdering av den (i Sverige) normalt använda fullt injekterade bergbulten baserad på Ø25 K500B armeringsjärn och en alternativ bergbult som kombinerar omedelbar och permanent säkring i en enda bult (PC Bolt R27/12). Armeringsjärnbulten ger endast permanent säkring eftersom den inte är effektiv förrän bruket har härdat tillräckligt. PC Bolt R27/12 består av helgängat rörformigt stål med en expansionshylsa som ger omedelbar säkring och hålet kan användas för att injektera bruk för fullständig ingjutning. (Bulten är tillverkad av stålrör Ø25,5 mm med Ø12 mm centralt hål). Båda bult typerna har mutter, vinkelbricka och platta i den yttre änden och alla delar är korrosionsskyddade på samma sätt (förutom expansionshylsan som efter ingjutning inte längre har någon betydelse). I huvudsak är det tre aspekter som jämförs och utvärderas i detta memorandum: 1. De mekaniska egenskaperna för stålet och aktuella hållfasthetsparametrar hos de två producerade bult typerna. 2. Betydelsen av data som framkommer i 1 med avseende på permanent säkring. 3. Andra aspekter såsom arbetsvillkor, säkerhet och ekonomi. Bedömningarna är baserade på teknisk detaljinformation om stål, bultar och testdata som mottagits från Pretec och undertecknad har inte kontrollerat dessa. Slutsatserna nedan är därför beroende av att mottagen information är riktig. 2. Mekaniska egenskaper. I tabell 1 nedan är värdena för armeringsjärnbultar baserade på K500B stål enligt SS : 2014 Tabell C.2. Data för PC Bolt är baserade på certifikat 20725, 20929, och variationer hittade vid testning. Siffror inom parantes visar Pretecs interna specifikationer. Parameter K500B Ø25 PC-Bolt R27/12 Sträckgräns, Re [Mpa] (min 660) Brottgräns, Rm [Mpa] (min 830) Rm/Re Gränstöjning Agt [%] (min 5.0) Sträcklast, Fyk [kn] (min 246) Brottlast, Fuk [kn] (min 270) Tabellen visar värdena för bultstänger utan beaktande av effekten av gängorna, muttern eller ankaret.

3 Tabell 1 visar att alla parametrar för PC Bolt är minst lika bra eller bättre än för armeringsjärnbultar, med undantag av förhållandet Rm och Re, i vilket det lägsta testresultatet är mindre än 1% lägre än K500B medan högsta testvärdet är 16% högre. Här bör det noteras indikationer på att högre sträcklast och högre gränstöjning Agt för PC Bolt anses betydligt viktigare för bergförstärkning än förhållandet Rm/Re. Så länge som detta förhållande förblir rimligt mycket över 1,0, det är liten risk för plötsligt och oväntat bultbrott (vid kortare sträckning än förväntat). Det är klart viktigare att det med största sannolikhet kommer att kräva en högre belastning innan förlängning inträffar när du använder PC-Bolt. Armeringsjärnbultar Ø25 förses med gängor, muttrar och vinkelbrickor i ytteränden. Genom kallvalsning av gängor måste kammarna först avlägsnas. Gängorna blir därvid M24 och nettotvärsnittet minskas från 491 till 353 mm2, så att den sträcklasten i den gängade delen går ner till 177 kn. För PC-bult finns ingen sådan reduktion i vare sig änden där expansionshylsan påskruvas eller i den yttre änden där muttern och plattan monteras. För den yttre änden av armeringsjärnbultar och PC Bolt jämför vi därför 177 kn med minst 246 kn. PC Bolt kan därför ge mer än 39% högre sträcklast vid den yttre änden av bulten. 3 Funktion vid permanent säkring. De två bult typerna skiljer sig inte från varandra i väsentlig grad när funktionen värderas ifråga om permanent säkring. För omedelbar säkring kan ingen jämförelse göras då endast PC-bult täcker detta ändamål. I fullt injekterat tillstånd fungerar båda bult typerna på samma sätt, från ca cm in i hålet tills den inre änden. Det vill säga som armering installerad i berget där armeringen kommer att ta upp både drag- och skjuvbelastning om sprickor korsande bulten tenderar att öppnas eller förskjutas. På grund av kammarna (i båda fallen) och förutsatt injekteringsbruk av god kvalitet kommer stålet typiskt endast att belastas några få dm på varje sida om en spricka. Resterande av den bultlängd kommer att vara opåverkad av belastningen över en enda spricka. Om belastningen av en spricka blir tillräckligt hög för att skapa sträckning i stålet finns två parametrar som är viktiga: 1. Faktisk sträcklast för aktuell bult. 2. Om sträckningen inte stoppar mycket snabbt på grund av minskad belastning som skapats av spänningsomlagring i berget blir gränstöjningen Agt viktig. Möjligheten att undvika bultbrott förbättras genom ett högre värde för en eller båda av dessa parametrar. Tendensen som framgår av tillgängliga data är att PC-bult här klarar sig bättre, även om skillnaden kan vara marginell. Fullt injekterade bultar kan i princip installeras utan mutter, vinkelstycke och platta och fortfarande vara nära 100% effektiva. I de flesta fall kommer mutter och plåt inte att utsättas för någon belastning. Detta hindrar inte några bultar kommer att belastas i den gängade delen (yttre änden där plattan belastar vinkelbricka och mutter) när relativt tunna bergflagor nära konturen frigörs av spricknätverk, deformationer och vibrationer och fyllningen av injekteringsbruk i borrhålet inte är perfekt. Det senare är typiskt fallet för de yttersta decimetrarna av hålet avhängigt av bruk konsistens och kvalitet på utförande. Betydelsen av platta och mutter varierar med situationen, till exempel om det finns tendenser till sprickbildning på grund av högt bergtryck eller att ett flak parallellt med bergkonturen spricker i tunnare flak. Säkerhetsmässigt är det då bättre med ett hög sträckningsmotstånd, jämfört med ett lägre. Återigen är det PC-bult med indikerade 39% högre sträcklast som är bäst.

4 4 Andra aspekter 4.1Praktisk jämförelse Vid användande av vanliga armeringsjärnbultar för permanent säkring, som inte kan användas för omedelbar säkring, måste användas en annan typ av bult när detta är nödvändigt. Det kan vara ändförankrad bult med expansionshylsa eller polyesterpatroner, eller friktionsbultar som split-set eller Swellex. Oavsett innebär detta att det måste sättas in ett antal bultar till, vilket orsakar ytterligare borrning, installation och ytterligare tidsåtgång, utan dessa extra bultar kan beaktas när permanentsäkring dimensioneras och utförs. Arbetsvolym, tidsåtgång och totalkostnad blir därför högre. 4.2 Säkerhet Det är inte automatiskt någon skillnad på arbetssäkerheten i tunneln om först tillfälliga och sedan permanenta bultar används, men tendensen är att den utförande entreprenören vill använda så få tillfälliga bultar så mycket som möjligt. Häri ligger en risk för felbedömning som kan leda till olyckor och skador. Naturligtvis påverkas detta också av hur entreprenören får betalt för insatta bultar och vem som enligt avtalet avgör behovet av temporär säkring. Även vid betalning per styck tillfälliga bultar, är tiden av stor betydelse för entreprenörens totalkostnad och motivet för minimal bultning är därmed svårt att undvika. 4.3 Kvalitet på permanentsäkring De två bult typerna har i praktiken ungefär samma mekaniska egenskaper (se ovan) och korrosionsskyddet är också detsamma, därför finns det ingen anledning att förvänta sig någon signifikant skillnad i kvaliteten hos den färdiga bultsäkringen beroende på vilken typ som används. Detta under förutsättning att arbetet med installationen av bultar utförs på rätt sätt i båda fallen. För permanentsäkring skapas förankringen av kopplingen mellan injekteringsbruk och ytformat stål (kammar eller gängor). Borrhålet måste fyllas till 100% med ett bruk av hög kvalitet. Om detta krav endast delvis är uppfyllt, representerar expansionshylsan på PC Bolt ett skydd mot utdragning. Det skulle också kunna hävdas att det är lättare att uppnå god fyllning runt bulten när injektering sker efter det att bulten är på plats (PC Bolt), men dålig fyllning är fullt möjlig i båda fallen och är mer en fråga om kontroll av arbetet än vilken bult som installeras. Kapaciteten hos den gängade delen är klart bättre hos PC Bolt, men detta kan knappast sägas vara en viktig parameter när bultlösning ska väljas. 4.4 Ekonomi Om alla andra aspekter vid en jämförelse mellan de två bultalternativen är ungefär lika, är det de ekonomiska övervägandena som sticker ut. Det har inte utförts några detaljerade studier av materialpriser eller tidsåtgång vid permanentsäkring via tillfälliga bultar plus permanenta armeringsjärnbultar eller vid användning av PC Bolt som kombinerar tillfällig och permanent säkring. Det är klart nog att materialkostnaden för en PC Bolt är högre än för liknande armeringsjärnbult rakt av, men lägger man till ett antal tillfälliga bultar som behöver sättas extra, blir den totala materialkostnaden i de flesta fall störst för armeringsjärnsalternativet. I ett extremfall kan man tänka sig noll behov av tillfälliga bultar, men det skulle vara mycket ovanligt och kan i praktiken uteslutas.

5 Mycket viktigare är att det krävs mer tid för installation av två bult typer när PC Bolt ensam kan lösa uppgiften. Utan att gå in på detaljer kan lugnt hävdas att det totala värdet av den tid som sparas, normalt är många gånger mer än skillnaden i materialkostnad mellan de två bultvalen. Det finns knappast någon tvekan om att i ett typiskt projekt kommer traditionell användning av omedelbart verkande tillfälliga bultar följt av permanenta armeringsjärnbultar totalt att kosta projektet mer än om en anbudsgivare kan erbjuda PC Bolt som en kombinerad lösning. När denna lösning även kan sägas vara tekniskt och säkerhetsmässigt lika bra eller bättre, bör valet vara enkelt. Särskilt i Norge och delvis i Finland är kombinationsbultar numera en väletablerad lösning av de skäl som nämnts ovan. 5. Slutsats Sammanfattningsvis verkar det tillräckligt att betona två huvudpunkter: 1. Totalekonomiskt för slutförandet av ett tunnelprojekt, måste det påvisas att inte såväl tid som pengar sparas genom användning av kombinationsbult. 2. Praktiskt, tekniskt, säkerhetsmässigt och när det gäller kvalitet och livslängd finns det inte någon enskild punkt som utesluter eller ger stark preferens för den ena eller andra lösningen. Skall en preferens väljas måste det vara att kombinationsbult sammantaget ger en bättre lösning. Med vänlig hälsning K. Garshol Rock Engineering Ltd. Knut Garshol Engineering Geologist Ljungskile, Sverige, 17 mars 2017