Partial composite action in prestressed UHPC-NC composite girders: interface characterisation, prestress gain and a conservative assessment of a bond-based check

पुल भारी होते हैं, और वे जितना लंबा खिंचते हैं, उतने ही भारी होते जाते हैं। यह एक निराशाजनक विरोधाभास पैदा करता है: एक बड़ी दूरी को तय करने के लिए, इंजीनियरों को अपने वजन को संभालने के लिए गहरे, विशाल गर्डर बनाने पड़ते हैं, फिर भी वह अतिरिक्त गहराई और भी अधिक वजन जोड़ देती है, जिससे संरचना को और भी बड़ा होना पड़ता है। दशकों तक, इसका समाधान मजबूत सामग्रियों का उपयोग करना था, लेकिन साधारण कंक्रीट में एक घातक दोष है: यह तनाव (tension) के तहत आसानी से टूट जाता है। जब कंक्रीट में दरार आती है, तो पानी अंदर रिस जाता है, भीतर के स्टील में जंग लग जाती है, और पुल का जीवनकाल कम हो जाता है। अल्ट्रा-हाई परफॉर्मेंस कंक्रीट, या UHPC, इस खेल को बदल देता है। यह एक सघन, फाइबर-प्रबलित सामग्री है जो दरारों का प्रतिरोध करती है और बिना टूटे खींची जा सकती है, जिससे इंजीनियर बहुत उथले, हल्के गर्डर बना सकते हैं। सबसे कुशल डिजाइन इस सुपर-स्ट्रॉन्ग UHPC की एक पतली परत को नीचे, जहाँ तनाव सबसे अधिक होता है, साधारण कंक्रीट की एक मोटी परत के साथ जोड़ता है, जो ऊपर की ओर है जहाँ सामग्री संपीड़न (compression) के अधीन होती है।

चुनौती उस जोड़ (seam) में निहित है जहाँ ये दो अलग-अलग कंक्रीट मिलते हैं। यदि वे एक साथ पूरी तरह से नहीं चिपकते हैं, तो वे भार के तहत एक-दूसरे के ऊपर फिसल जाएंगे, और पुल एक एकल, मजबूत इकाई के रूप में कार्य करने में विफल हो जाएगा। इंजीनियरों ने लंबे समय से यह माना है कि यदि वे परतों को सही ढंग से जोड़ते हैं, तो वे एक ठोस ब्लॉक की तरह चलेंगे, जिसे पूर्ण अंतःक्रिया (full interaction) की स्थिति कहा जाता है। हालांकि, इस धारणा को एक वास्तविक पुल में सिद्ध करना कठिन है, और यदि यह गलत है, तो संरचना गणना की तुलना में बहुत कमजोर हो सकती है। प्रश्न केवल यह नहीं है कि सामग्रियां आपस में चिपकती हैं या नहीं, बल्कि यह है कि जब पुल मुड़ता है तो वे कैसे व्यवहार करते हैं, उस मुड़ाव के दौरान आंतरिक स्टील केबल्स कितना खिंचते हैं, और क्या कनेक्शन इतना मजबूत है कि वह तनाव को संभाल सके या पुल के टूटने के बिंदु तक पहुँचने से पहले ही वह फिसल जाएगा।

एक शोधकर्ता ने इन धारणाओं का सीधे परीक्षण करने के लिए, सिद्धांत से आगे बढ़कर, यह मापने के लिए कि जोड़ के भीतर वास्तव में क्या होता है, एक प्रयास किया। उन्होंने तीन अलग-अलग परिदृश्यों का प्रतिनिधित्व करने के लिए छब्बीस भौतिक मॉडल बनाए: बॉन्ड (जुड़ाव) का परीक्षण करने के लिए सरल ब्लॉक, नए प्रीस्ट्रेस्ड गर्डर्स जहाँ परतों को एक साथ ढाला गया था, और पुराने, क्षतिग्रस्त बीम जिन्हें UHPC की एक नई परत के साथ मजबूत किया गया था। लक्ष्य यह देखना था कि क्या सुपर-स्ट्रॉन्ग निचली परत और साधारण ऊपरी परत के बीच का इंटरफेस वास्तव में पुल को एक साथ थामे रख सकता है, या क्या दोनों सामग्रियां पुल के ढहने से बहुत पहले ही अलग होने लगेंगी।

शोधकर्ता ने पहले L-आकार के ब्लॉकों का उपयोग करके बॉन्ड की प्रकृति की जांच की। उन्होंने पाया कि सतह की तैयारी सामग्रियों की मजबूती से अधिक महत्वपूर्ण है। जब सतह को केवल एक तार वाले ब्रश से खुरदरा किया गया था, तो जोड़ ने एक तरह से व्यवहार किया: इसने तब तक अच्छी तरह से पकड़ बनाए रखी जब तक कि इसमें दरार नहीं आई, और फिर यह बिना किसी चेतावनी के लगभग तुरंत विफल हो गया। लेकिन जब शोधकर्ता ने छोटे धातु के पिन, या डॉवेल्स (dowels), जोड़े जो सीम को पार करते थे, तो व्यवहार पूरी तरह से बदल गया। जोड़ अभी भी टूट सकता था, लेकिन पिनों ने टुकड़ों को एक साथ थामे रखा, जिससे पुल दरार आने से पहले की तुलना में पांच गुना अधिक भार उठाने में सक्षम हुआ। इसने एक महत्वपूर्ण सत्य प्रकट किया: पिनों वाला जोड़ केवल एक खुरदरे जोड़ का मजबूत संस्करण नहीं है; यह एक मौलिक रूप से भिन्न तंत्र है जो नुकसान को सोख सकता है और काम करना जारी रख सकता है, जबकि बिना पिन वाला खुरदरा जोड़ दरार आने के बाद कोई आरक्षित शक्ति (reserve strength) प्रदान नहीं करता है।

इसके बाद, शोधकर्ता ने यह देखने के लिए पूर्ण-पैमाने के प्रीस्ट्रेस्ड गर्डर्स का परीक्षण किया कि उनके आंतरिक स्टील केबल्स कैसे व्यवहार करते हैं। एक प्रीस्ट्रेस्ड पुल में, स्टील केबल्स को पुल द्वारा किसी भी यातायात को उठाने से पहले कसकर खींचा जाता है, जो दोनों कंक्रीट परतों को एक साथ बांध देता है। जैसे ही पुल लोड होता है और मुड़ने लगता है, स्टील केबल्स खिंचते हैं, और उनका तनाव बढ़ जाता है। शोधकर्ता ने इसे सीधे एंकर पॉइंट्स पर मापा और पाया कि पुल अपनी सीमा तक पहुँचने तक केबल्स में लगभग तेरह प्रतिशत अधिक तनाव आ गया। इसने पुष्टि की कि केबल्स काफी अधिक खिंच रहे थे, लेकिन इसने एक प्रश्न भी खड़ा किया: क्या जोड़ इतना फिसला कि इस खिंचाव को रोक सके? उत्तर था नहीं। हर परीक्षण में, दोनों परतें पूरी तरह से एक साथ चलीं। जोड़ मजबूती से टिका रहा, और स्टील केबल्स ठीक वैसे ही खिंचे जैसे कि एक ठोस, मोनोलिथिक बीम में होते हैं।

अध्ययन ने एक पुराने, क्षतिग्रस्त पुल को मजबूत करने के अधिक कठिन मामले को भी देखा। यहाँ, मूल पुल की निचली परत नए UHPC को जोड़ने से पहले ही टूट चुकी थी, जिसका अर्थ था कि दोनों परतें मूल तनाव द्वारा एक साथ नहीं बंधी थीं। इसके बावजूद, सुदृढ़ किए गए बीम उल्लेखनीय रूप से अच्छा प्रदर्शन करते रहे। वे इसलिए विफल नहीं हुए क्योंकि परतें अलग हो गईं। इसके बजाय, वे इसलिए विफल हुए क्योंकि कंक्रीट या स्टील अपनी टूटने की सीमा तक पहुँच गया, ठीक वैसे ही जैसे एक ठोस बीम होता है। पुराने और नए कंक्रीट के बीच का इंटरफेस इतनी प्रभावी ढंग से एक साथ जुड़ा रहा कि पुल एक एकल इकाई के रूप में कार्य करता रहा, भले ही कनेक्शन प्रीस्ट्रेस द्वारा क्लैंप (बांधा) नहीं गया था।

फिर शोधकर्ता ने बॉन्ड की जाँच करने की एक नई विधि लागू की, जो इस बात पर ध्यान देती है कि जोड़ अपनी पकड़ खोने से पहले कितना फिसल सकता है, न कि केवल यह कि वह कितना मजबूत है। उन्होंने पाया कि प्रत्येक पुल और बीम के लिए, कनेक्शन इतना मजबूत था कि उसे 'परफेक्ट' माना जा सके। जोड़ कभी भी इतना नहीं फिसला कि संरचना को कमजोर कर सके। वास्तव में, सुरक्षा मार्जिन इतना बड़ा था कि शोधकर्ता ने निष्कर्ष निकाला कि जोड़ कभी भी कमजोर कड़ी नहीं था। सीमित कारक हमेशा कंक्रीट या स्टील की मजबूती थी, उनके बीच का गोंद नहीं। इसका अर्थ है कि परीक्षण किए गए प्रकार के पुलों के लिए, यह धारणा कि परतें एक साथ काम करती हैं, सही है।

हालाँकि, अध्ययन ने यह भी उजागर किया कि इंजीनियर वर्तमान में इन संरचनाओं को कैसे डिजाइन करते हैं, इसमें एक कमी है। नई जाँच पद्धति ने दिखाया कि सबसे महत्वपूर्ण कारक केवल बॉन्ड की मजबूती नहीं है, बल्कि कनेक्शन की कठोरता (stiffness) और यह कितना फिसल सकता है, यह है। शोधकर्ता ने पाया कि वर्तमान डिजाइन नियम, जो केवल बॉन्ड स्ट्रेंथ पर ध्यान केंद्रित करते हैं, इस सूक्ष्म अंतर को छोड़ देते हैं। हालाँकि उनके द्वारा परीक्षण किए गए पुल सुरक्षित थे, लेकिन उनके द्वारा विकसित विधि बताती है कि अलग आकार या भार वाले पुलों के लिए, यदि डिजाइन में यह ध्यान नहीं रखा गया कि परतों को कितना फिसलने की अनुमति है, तो जोड़ कमजोर बिंदु बन सकता है। अध्ययन में ऐसा कोई पुल नहीं मिला जो बॉन्ड टूटने के कारण विफल हुआ हो, लेकिन इसने भविष्य में ऐसा कब हो सकता है, इसकी भविष्यवाणी करने का एक सटीक तरीका प्रदान किया।

परिणाम अत्याधुनिक स्थिति की एक स्पष्ट तस्वीर पेश करते हैं। अल्ट्रा-हाई परफॉर्मेंस कंक्रीट और साधारण कंक्रीट के बीच का बॉन्ड मजबूत है, विशेष रूप से जब इसे धातु के पिनों के साथ सुदृढ़ किया जाता है। आंतरिक स्टील केबल्स पुल के मुड़ने के साथ काफी खिंचते हैं, लेकिन परतें लॉक रहती हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि पुल एक एकल, कुशल इकाई के रूप में कार्य करे। अनुसंधान पुष्टि करता है कि परीक्षण किए गए कॉन्फ़िगरेशन के लिए, इंटरफेस समस्या नहीं है। इस कार्य का वास्तविक मूल्य देखने के नए तरीके में निहित है: यह ध्यान को केवल मजबूती के माप से हटाकर, इस बात के माप पर ले जाता है कि जोड़ कैसे चलता है और फिसलने का विरोध करता है। यह इंजीनियरों को ऐसे पुलों को डिजाइन करने के लिए एक अधिक सटीक उपकरण प्रदान करता है जो न केवल मजबूत हैं, बल्कि कुशल भी हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि सुपर-स्ट्रॉन्ग सामग्रियों का उपयोग बिल्कुल वहीं किया जाए जहाँ उनकी आवश्यकता है, बिना अनावश्यक सुरक्षा मार्जिन पर संसाधन बर्बाद किए। पुल मजबूती से खड़ा है, इसलिए नहीं कि गोंद जादुई है, बल्कि इसलिए क्योंकि कनेक्शन की मैकेनिक्स को समझा और सत्यापित किया गया है।