Uvod

Od osnutka, studenog 1920. godine, u laboratoriju Zavoda za tehničku mehaniku permanentno se provodi ispitivanje konstrukcija i materijala,istraživanja na modelima, provjera ponašanja i kontrola sigurnosti gotovih konstrukcija tijekom eksploatacije. Ta su istraživanja neophodna u modernoj tehnologiji građenja, a daju podatke potrebne za održavanje u eksploataciji, za razvoj i projektiranje modernih konstrukcija te posebice za unapređenje tehničkih normi i propisa,kao i za pravodobno otkrivanje defekata.

Primjenom suvremenih eksperimentalnih metoda za praćenje ponašanja konstruktivnih sistema izloženih utjecaju statičkih i dinamičkih opterećenja i reoloških promjena, moguća su takva istraživanja konstrukcija koja daju stvarni uvid u stanje sigurnosti. Iskazivanje parametara stanja složenih konstrukcija proračunom ne jamči cjelovit i potpuno pouzdan pristup, što ukazuje na potrebu eksperimentalnih istraživanja.

Uvođenjem novih vrsta materijala i kompozitnih materijala u tehnologiju građenja, osim standardnih ispitivanja mehaničkih karakteristika materijala, javlja se potreba za nestandardnim ispitivanjima njihova ponašanja, osobito reoloških svojstava i parametara mehanike loma.

Za provođenje eksperimentalnih istraživanja laboratorij Zavoda opremljen je strojevima, instrumentarijem, senzorima i potrebnim elektronskim sustavima za skupljanje podataka, njihovu registraciju i obradu. Dio opreme dobavljan je od specijaliziranih svjetskih proizvođača, a dijelom je oprema razvijana po vlastitim spoznajama u suradnji s domaćim proizvođačima. Započelo se s vrlo skromnom opremom, a u novije vrijeme Zavod raspolaže s modernom opremom za nedestruktivna ispitivanja konstrukcija, zatim vrlomodernom opremom za registraciju pomaka i deformacija te digitalno sakupljanje i obradu podataka pri ispitivanjima realnih konstrukcija.

Djelatnost laboratorija Zavoda za tehniku mehaniku

Djelatnost laboratorija povezana je s aktivnim znanstvenoistraživačkim i nastavnim radom, te suradnjom s privredom u izradi čitavog niza visokostručnih zadataka.

U sklopu tih djelatnosti neprekidno se obavljaju radovi na ispitivanju i istraživanju materijala, konstrukcija i njihovih elemenata kao i modela konstrukcija.

Tako se provode istraživanja mehaničkih karakteristika materijala koji se upotrebljavaju a graditeljstvu: čvrstoća (tlak, vlak, savijanje, posmik), modul elastičnosti, modul smika, Poissonov koeficijent, itd.

Rade se ispitivanja tehnoloških proba žilavosti i tvrdoće materijala,ispitivanja umora materijala te istraživanja na materijalima izloženim višesmjernim stanjima naprezanja. Eksperimentalno se određuju ugrađena i zaostala naprezanja i deformacije u materijalima i elementima konstrukcija to reološke promjene pri puzanju i skupljanju materijala.

Veći dio djelatnosti laboratorija pripada istraživanjima:

• mostova, tornjeva, kranskih staza, tribina, zadanih objekata itd.
•  elemenata konstrukcija s određivanjem stanja sigurnosti, stabilnosti te stanja naprezanja, deformacija i pomaka,
•  modela konstrukcija i pojedinih elemenata.

Osim razornih metoda ispitivanja u laboratoriju se razvija niz bezazornih metoda za određivanje mehaničkih karakteristika materijala i konstrukcija (posebno se to odnosi na betonske konstrukcije uz upotrebu ultrazvuka i sklerometra).

U modelskim ispitivanjima i ispitivanjima konstruktivnih detalja posebno treba istaknuti primjenu metode fotoelastičnosti i metode fotoelastične obloge, te ispitivanja vezana uz primjenu elektrootpornih mjernih traka i minijaturnih akcelerometara.

Najveći dio djelatnosti Laboratorija u znanstvenoistraživačkom radu i suradnji s privredom pripada ispitivanju konstrukcija.

Laboratorij je ekipiran i opremljen za ispitivanje konstrukcija u naravi pri utjecaju statičkih i dinamičkih opterećenja različite naravi, reoloških i atmosferskih promjena.

Također su sakupljena velika iskustva u ispitivanju konstrukcija oštećenih u elementarnim nepogodama, požaru i ratnim djelovanjima.

U svrhu dokazivanja sigurnosti i stabilnosti konstrukcija, realnog ponašanja konstrukcija u eksploataciji te verifikaciji novih konstruktivnih rješenja, provode se ispitivanja svih vrsta čeličnih, drvenih, armiranobetonskih konstrukcija te konstrukcija od prednapetoga betona i od kompozitnih materijala.

Pri utjecaju prirodnih fenomena, korisnog uporabnog opterećenja te umjetno izazvanih pobuda ispituju se: konstrukcije mostova, nova rješenja montažnih konstrukcija, visoki tornjevi i dimnjaci, športska gledališta, dalekovodni stupovi, hidrotehničke građevine, silosi te ostale konstrukcije.

Uz ta ispitivanja vežu se istraživanja karaktera opterećenja, posebice se to odnosi na određivanje dinamičkih karakteristika opterećenja visokih objekata vjetrom, pritisaka uskladištenih materijala u visokim silosima te karakteristika pobude konstrukcija gledateljstvom.

U novije vrijeme provodi se monitoring na više značajnih objekata izloženih raznim utjecajima osnovnih i dopunskih opterećenja u svrhu određivanja realnog ponašanja konstrukcija u eksploataciji.

Laboratorijska oprema

Laboratorijska oprema namijenjena ispitivanjima mehaničkih karakteristika materijala i elemenata konstrukcija u laboratoriju te oprema namijenjena terenskim ispitivanjima na konstrukcijama značajan su faktor u razvoju djelatnosti laboratorija. Premda je dio nepokretne opreme star i datira iz dana osnutka laboratorija, uglavnom je još uvijek u upotrebi te se rabi za dio laboratorijskih ispitivanja. Osim tog dijela opreme koji čine preše, kidalice i uređaji za tehnološke probe, u ispitivanjima mehaničkih karakteristika gradiva u upotrebi su još i mehanički instrumenti za mjerenja deformacija i pomaka.

U izradi mjerne opreme sudjelovali su znanstvenici i djelatnici laboratorija. Valja istaknuti da su već 1953. u laboratoriju izrađivani prvi elektrootporni tenzometri za mjerenje deformacija te indikatorske ploče za mjerenje pomaka. Poslije su izrađeni i instrumenti za mjerenje velikih pomaka na principu matematičkog njihala, induktivni primači deformacija te uređaji za mjerenje i unošenje sila.

U novije vrijeme laboratorij je opremljen specijaliziranom mobilnom opremom za mjerenje, registraciju i analizu podataka mjerenja, što omogućava moderan pristup eksperimentalnom istraživanju konstrukcija. Svi senzori, registratori, analizatori i ostala elektronička oprema prilagođeni su potrebama ispitivanja građevinskih konstrukcija i elemenata.

Mobilnu opremu čine komponente za mjerenje pomaka i deformacija kao što su induktivni primači pomaka veličine mjernog područja od 1 - 200 mm, induktivni primači deformacija različitih osjetljivosti, niskofrekventni primači deformacija (akceleracija, brzina i pomak), elektrootporni tenzometri raznih veličina mjernih baza, induktivni ekstenzometri različitih izvedbi, primači brzine vjetra te razni senzori za mjerenje sile, tlaka, temperature, vlage itd.

Opremu sustava za mjerenje i registraciju čine višekanalni W-mostovi za statička i dinamička mjerenja mjernim trakama te razni oscilografi, xy-pisači, osciloskopi, printeri, automatski digitalni mjerni sustavi i spektralni analizatori.

Posebno treba još istaknuti najmodernije mjerne sklopove za digitalno skupljanje podataka velikog kapaciteta za simultana mjerenja s raznim vrstama senzora. Uz taj mjerni sustav upotrebljavaju se razni programski paketi za mjerenje, skupljanje, prikaz i analizu podataka u realnom vremenu. Ti sustavi bazirani na PC-u mogu prikupljati podatke vrlo velikom brzinom i slati ih na daljinu putem telefonske linije ili interneta.

Pregled značajnijih eksperimentalnih istraživanja i ispitivanja

Tijekom svog djelovanja kroz 80-godišnje razdoblje stvaranja i razvoja naše građevinske industrije, ali i ostalih grana privrede, laboratorij Zavoda je neprekidno sudjelovao svojim aktivnostima u razvoju i primjeni novih materijala i konstrukcija. Istraživačkim radom i ispitivanjima u svrhu dokaza kvalitete materijala te dokaza sigurnosti i stabilnosti konstrukcija laboratorij Zavoda za tehničku mehaniku stekao je povjerenje sudionika u projektiranju i izvođenju svih vrsta građevinskih objekata. U ovom pregledu prikazat će se neki od radova na istraživanjima materijala i konstrukcija.

Radi dokaza sigurnosti provedeni su istraživački radovi i ispitivanja pri djelovanju statičkog opterećenja na nizu konstrukcija različitih namjena. Provedena su ispitivanja pri statičkom djelovanju pokusnog opterećenja na čitavom nizu mostovskih  konstrukcija izvedenih u čeliku, armiranom i prednapetom betonu, kao što su veliki most Erdut-Bogojevo na Dunavu, čuveni (stari) Maslenički most, mostovi na Savi kraj Jasenovca, na Zrmanji, Uni kraj Ripača, Most mladosti u Zagrebu, most Riječina, most preko Pazinske jame, most preko Drave kod Belišća, most preko Rijeke Dubrovačke, most preko Krke kod Skradina, most preko Dobre kod Ogulina, viadukt Drežnik, most K??????? te čitav niz drugih mostova, cestovnih i željezničkih nadvožnjaka i vijadukata.

Provedena su ispitivanja pri pokusnom opterećenju paviljona posebne konstrukcije na starom i novom Zagrebačkom velesajmu.

Statička i dinamička ispitivanja kranskih staza provedena su u čitavom nizu industrijskih postrojenja: u TLM u Šibeniku, u Željezari Sisak, Rade Končaru" i Janku Gredelju u Zagrebu, brodogradilištima u Splitu, Rijeci, Trogiru, strojarnicama elektrana i na drugim objektima.

Provedena su istraživanja na nizu sportskih objekata pokusnim zamjenjujućim opterećenjem: na stadionima Poljud u Splitu, HNK Dinamo i Zagreb u Zagrebu, kompleksu bazena u Splitu te sportske dvorane Cibona i Mladost, u sportskom domu u Zagrebu, dvorani Gripe, sportskoj dvorani Trogir itd.

Statička ispitivanja pri zamjenjujućim opterećenjima djelovanja pritiska vjetra provedena su na nizu dalekovodnih stupova proizvodnje Dalekovod (Zagreb), Senec (Slovačka), Tehnobeton (Varaždin), TBS (Jastrebarsko) itd.

U svrhu verifikacije novih montažnih i polumontažnih nosivih konstrukcija provedena su ispitivanja do loma na armiranobetonskim i prednapetim elementima proizvodnje Jugomont (Zagreb), Vegrad (Velenje), Stavbar i Gradis (Maribor), Viadukt, Tehnika i Industrogradnja (Zagreb) itd.

Destruktivna i nedestruktivna istraživanja na konstrukcijama stradalima u požarima rađena su na više objekata radi ocjene stupnja oštećenosti te načina sanacije konstrukcije: u hali Tomo Vinković u Slavonskom Brodu, na čeličnoj konstrukciji Soko u Mostaru, Nama u Kumrovcu, u dvorcu u Belišću, silosima Koka u Varaždinu itd.

S istom svrhom provedena su ispitivanja na nizu objekata oštećenih u potresu: u tvornici celuloze i viskoze, tvornici namještaja Vrbas, halama gradske mljekare i Autoprijevoza u Banjoj Luci, vodovodnom rezervoaru u Lepoglavi, školskom centar Gacko i drugima. 

Posebna pažnja u istraživanjima posvećena je objektima kulturne baštine. Monitoring promjena, stanja deformacija i pomaka, pojava pukotina i diferencijalnih slijeganja provodi se na više objekata, kao što su crkva Sv. Jurja u Belcu, crkva Sv. Marije Snježne u Kamenskom, Knežev dvor i crkva Sv. Jakova u Dubrovniku, niz sakralnih objekata u Istri i sl.

Ocjena stanja hidrotehničkih tunela nedestruktivnim postupcima ispitivanja rađena je na cijelom potezu tlačenoga cjevovoda hidrocentrale Nikola Tesla. Teorijska i modelska istraživanja te ispitivanja do loma pri višeosnim stanjima naprezanja cjevovoda velikih profila rađena su na vodovodima od PVC cijevi preko Limskoga kanala, azbestnocementnom cjevovodu Riječkoga vodovoda i drugdje.

Uz ta ispitivanja provode se istraživanja značaja statičkog opterećenja vjetrom, utjecaja gledateljstva na konstrukcijama gledališta, pritisaka žitnih masa u silosima sa svrhom određivanja realnih utjecaja, uspoređivanja s propisima o osnovnim i dopunskim opterećenjima, kao i stvaranja baza podataka potrebnih za modifikaciju postojećih propisa.

Ispitivanja stanja naprezanja i deformacija rađena su i na strukturama, koje ne pripadaju građevinskim konstrukcijama. Tako su ispitane konstrukcije vagona Janko Gredelj te niz plovila za potrebe ratne brodogradnje.

U novije vrijeme provode se istraživanja konstrukcija pri dinamičkim pobudama determinističkog ili stohastičkog karaktera generiranih umjetnim putem ili prirodnim utjecajima. Tako se eksperimentalnim metodama određuju dinamički parametri konstrukcija: frekvencije, odnosno periodi osnovnih modalnih oblika titranja, dinamički inkrementi pri različitim utjecajima korisnih i dopunskih opterećenja te logaritamski dekrementi prigušenja.

Eksperimentalna istraživanja pri dinamičkim utjecajima korisnoga prometnog opterećenja provedena su na više mostovnih konstrukcija: most kopno - otok Pag, Maslenički most, Morinski most kraj Śibenika, viseći pješački i željeznički most u Osijeku, Most mladosti i Most slobode u Zagrebu i drugi.

Istraživanja pri utjecaju tranzijentnih pobuda kod miniranja rađena su na konstrukcijama silosa u Solinu, termoelektrani Urinj, koksari u Bakru, tunelu kod Grabovice, više stambenih objekata u blizini kamenoloma i sl.

Pri dinamičkim utjecajima opterećenja vjetrom izvršena su istraživanja na više mostovskih konstrukcija i visokih građevina, osobito u priobalnom pojasu: televizijski tornjevi Učka,Ćelavac, Biokovo i drugi, te dimnjak TE Plomin II.

Također su rađena ispitivanja utjecaja vibracija agregata velikih energetskih postrojenja na temelje postrojenja: hidroelektrane Peruča, Manojlovac, Jablanica i Varaždin, turbogeneratorski stolovi TE Zagreb, TE Sisak i TE Tuzla, cementare Našice i Koromačno itd.

Glede djelatnosti laboratorija ne može se zaobići čitav niz istraživanja obavljenih laboratorijskim ispitivanjima koja su poslužila za izradu tehničkih propisa i normi te u razvoju novih materijala i konstrukcija. Tako su šezdesetih godina rađena opsežna istraživanja hidrotehničkih betona koja su bila baza za izradu tehničkih propisa za hidrotehnički beton.

Razvojna eksperimentalna istraživanja rađena su za primjenu Bi-čelika i rebrastog čelika u armiranom betonu, za primjenu istegnutih čeličnih ploča te za potrebe opekarske industrije. Obavljena su i ispitivanja Fert stropova i zidova od opeke za čitav niz proizvođača.

Za potrebe željeznice rađena su istraživanja za izbor najpovoljnijeg sustava kolosiječnih veza, prednapetih, armiranobetonskih i drvenih pragova, tračnica i spojeva tračnica, a za potrebe ZET-a ispitivanja utjecaja tramvaja na kolosijeke u Zagrebu.

Za više proizvođača u zemlji rađena je permanentna kontrola kvalitete betonskih proizvoda i elemenata konstrukcija.

Ispitivanja zavarenih spojeva čeličnih rešetki od cijevi i prostornih rešetki sustava Mero za potrebe željezare Sisak poslužila su pri izradi propisa za takve konstrukcije, ali također i kao kontrola pri izvođenju najvećih konstrukcija toga tipa i u svjetskim okvirima, primjerice stadion na Poljudu. Detalji i spojevi montažnih armiranobetonskih i prednapregnutih konstrukcija ispitivani su u laboratoriju kao prototipovi u pravoj veličini, ali i na modelima (detalji oslanjanja i spojeva montažnih sustava Vemont, Stavbar,Jugomont).

U znanstvenoistraživačkom i nastavnom radu često se provode eksperimentalna istraživanja na modelima konstrukcija i elementima konstrukcija pri čemu se stanja deformacija, naprezanja i sigurnosti prevode na prave veličine konstrukcija primjenom dimenzionalne analize. Za izradu modela rabe se različiti materijali s radnim dijagramima sličnim onima kod stvarnih konstrukcija koje se istražuju. Na taj su način provedena ispitivanja pri djelovanju statičkih i dinamičkih opterećenja čitavog niza konstruktivnih elemenata i konstrukcija: rešetkastih nosača, Vierendeelovih nosača, stupova, stubišta, ploča, ljuski, ortotropnih ploča, zidova s otvorima i sl.

Ovdje se navode istraživanja na modelima gradskog stadiona i nosačima tribina kompleksa bazena u Splitu, konstrukcije kolone za tvornicu lijekova Pliva, okvirne konstrukcije ispunjene ziđem te šatorasta rotacijska ljuska krovne konstrukcije.

Eksperimentalne analize složenih stanja naprezanja upotrebljavaju se na modelima i elementima konstrukcija primjenom metode fotoelastičnosti i refleksijske polaroskopije pri metodi fotoelastične obloge. Tom metodom provedena su istraživanja na više desetaka modela konstrukcijskih detalja u sklopu izrade diplomskih, magistarskih i doktorskih radova.