PergolyDiagnostika betonových mostů: Klíč k dlouhé životnosti a bezpečnosti
Kvalitní dopravní infrastruktura je znakem dobře fungujícího národního hospodářství a potažmo vyspělosti celé společnosti. Ačkoliv jsou mosty projektovány na plánovanou životnost 100 let, zdaleka by takto dlouho nemohly fungovat, pokud by pravidelně nebyl kontrolován jejich stav a prováděna pravidelná údržba. Diagnostika mostů představuje nezbytný krok při odpovědné správě dopravní infrastruktury. Za účelem zachování řádného stavu budov, mostů, silnic a dalších staveb je nezbytná jejich pravidelná údržba a kontrola skutečného stavu. Často platí, že pokud se podaří zachytit poruchu na počátku jejího vzniku, jsou náklady na její odstranění daleko nižší než po měsících až letech nekontrolované degradace. Lokalizovat poruchu včas často znamená detekovat ji ještě dříve, než je viditelná pouhým okem.
Cíle a rozsah diagnostiky
Cílem diagnostiky není pouze popis zjevných poruch, ale především identifikace jejich příčin, rozsahu a vlivu na únosnost, použitelnost a životnost mostní konstrukce. Hodnocení stavu mostů je komplexní činnost, při které je potřeba shromáždit maximum informací o konstrukci mostu. Prvním krokem je sběr podkladů a informací o historii konstrukce. Další součástí jsou prohlídky mostů (běžné, hlavní, mimořádné), jež přinášejí základní informace o stavu mostů. Na základě výsledku prohlídky může být doporučena oprava mostu případně diagnostický průzkum pro přesnější stanovení stavu mostu a jednotlivých částí konstrukce.
Součástí diagnostiky je zpravidla stavebně technický průzkum, jehož rozsah je vždy navržen individuálně s ohledem na typ konstrukce, její stáří, provozní zatížení a účel průzkumu. Na rozdíl od běžných prohlídek poskytuje stavebně technický průzkum detailní informace o materiálových vlastnostech, stavu výztuže, degradaci betonu nebo oceli a o chování konstrukce při zatížení. Součástí diagnostického průzkumu může být i zatěžovací zkouška a následný statický výpočet. Klíčovým prostředkem ke zjištění skrytých defektů jsou metody nedestruktivního testování. V článku jsou popsány vybrané nedestruktivní metody, jež lze použít při diagnostice mostních objektů; metody pro diagnostiku betonových mostů lze ale obecně využít i pro většinu ostatních betonových konstrukcí.
Hlavním výstupem je závěrečná zpráva z diagnostiky mostu, která přehledně shrnuje výsledky provedených průzkumů a slouží jako podklad pro další fáze přípravy projektu. Správcům mostů je nabízeno odborné poradenství již ve fázi přípravy diagnostiky. Cílem je získat dostatek kvalitních podkladů pro návrh opatření, aniž by docházelo k nadbytečným nebo neúčelným zkouškám.
Nedestruktivní metody diagnostiky betonových mostů
Díky rozvoji v oblasti měřicí techniky v posledních letech se stále častěji uplatňují další nedestruktivní metody. V posledních letech dochází k velkému rozvoji dronů a spolu s ním se objevují i nové způsoby jejich využití.
Čtěte také: jak probíhá diagnostika stavebních konstrukcí
Indikátory výztuže
Indikátory výztuže využívají metodu, která je založena na elektromagnetickém principu, tvorbě vířivých proudů a magnetických vlastnostech ocelové výztuže. Budící cívky přístroje vytvářejí kolem sondy elektromagnetické pole, které přes beton proniká ke kovové výztuži. Toto primární elektromagnetické pole je hledaným (kovovým) cílem deformováno a vytváří v něm vířivý proud, jež současně snímají přijímací cívky přístroje.
U nových konstrukcí lze pomocí této metody ověřit, zda je výztuž na správném místě a zda bylo dodrženo předepsané krytí. Při diagnostice starších mostů slouží metoda ke stanovení rozteče výztuže v konstrukci a k vytipování vhodných míst pro odběr jádrových vývrtů tak, aby nedošlo k porušení výztuže a znehodnocení vývrtu. Elektromagnetické indikátory výztuže jsou při diagnostice betonových konstrukcí využívány již desítky let, postupně však dochází k jejich zdokonalování a zpřesňování. Základní hobby přístroje lze pořídit i za jednotky tisíc, nicméně tyto indikátory kromě samotné indikace výztuže už žádné další funkce nenabízí. O něco pokročilejší přístroje již umí pro předdefinovaný průměr výztuže odhadnout tloušťku krytí. Ty nejdokonalejší indikátory, jako jsou například Profometer PM-650 od firmy Proceq a Ferroscan PS 300 od firmy Hilti, lze použít i pro zjištění průměru výztuže. Chyba měření by pak podle výrobců neměla činit více než jednu velikost výztuže, což u menších průměrů odpovídá 2 mm.
Georadary
V posledních letech se na trh dostávají nové moderní přístroje, které jsou mnohem více uživatelsky přívětivé než předchozí generace georadarů. Tyto kompaktní přístroje jsou určeny především pro jednoduchou a rychlou lokalizaci výztuže v betonu. Lze provádět jak liniové, tak i plošné skeny s automatickým vyhodnocením polohy výztuže. Ke zjednodušení měření se na povrch konstrukce lepí papírové šablony s vyznačeným rastrem pojezdů ve dvou na sebe kolmých směrech. Zjištěnou výztuž si lze následně prohlédnout i ve 3D zobrazení. Pokud nedosahuje hustota vyztužení příliš vysokých hodnot, lze lokalizovat i polohu druhé vrstvy výztuže či kabelových kanálků. Jako příklad lze uvést georadar GP8000 od švýcarské firmy Proceq, který je pomocí Wi-Fi propojený s tabletem iPad.
Georadary bývají vybaveny jednou či více vysílacími anténami. Anténa generuje impulzy a vysílá je do zkoumané konstrukce. Pokud se v prostředí pod povrchem nachází nějaká diskontinuita, dochází k částečnému odražení impulzu zpět k povrchu, kde je tento signál zachycen přijímací anténou. Diskontinuita může být rozhraní mezi dvěma vrstvami s různými dielektrickými vlastnostmi, dutina nebo delaminace. Výrobci georadarů nabízí přístroje s různými druhy antén pracujících na frekvencích od 10 MHz až po 10 GHz. S pomocí nízkofrekvenčních antén lze provádět měření do větších hloubek, ovšem s nižším rozlišením. Naopak vysokofrekvenční antény umožňují měřit ve vysokém rozlišení, ale s nižším hloubkovým dosahem.
Při měření georadarem je důležitý pohyb anténou, během něhož anténa opakovaně vysílá signál do zkoumané konstrukce. Podle požadované přesnosti měření lze nastavit počet skenů na jednotku délky, v případě betonových konstrukcí je obvykle používána četnost 1-10 skenů/cm. Intenzita odražené vlny je zaznamenávána v diskrétních časových okamžicích. Výsledný záznam z měření se nazývá radargram. Osa x obvykle odpovídá vzdálenosti, osa y představuje čas průchodu elektromagnetického signálu prostředím. Pro lepší přehlednost se tento čas převádí na hloubku pomocí známé (nebo odhadnuté) rychlosti šíření signálu v materiálu.
Čtěte také: Zkoušení a diagnostika staveb
Ultrazvuková metoda Pulse-Echo
Základem metody pulse-echo je vysílání mechanických impulzů do zkoumaného prvku. Na rozdíl od georadaru je však nutný přímý kontakt mezi měřicí sondou a povrchem zkoumané konstrukce. UZ sondu je tedy nutné postupně k povrchu přikládat, na rozdíl od georadaru, kterým se po konstrukci pohybuje. Metoda pulse-echo je určena především k lokalizaci vnitřních vad či rozhraní materiálů.
Pulse-echo sonda vysílá prostřednictvím budiče impulsy do zkoumané konstrukce. Narazí-li impuls při svém prostupu materiálem na hranici mezi dvěma prostředími s různou akustickou impedancí, dochází k jeho částečnému odrazu zpět. Na povrchu je pak odražený impuls zaznamenán prostřednictvím snímače. Z naměřeného času průchodu signálu a rychlosti šíření impulzu v materiálu stanovené při kalibračním měření lze určit hloubky vnitřních rozhraní. Akustické vlny mohou, na rozdíl od elektromagnetických, prostupovat kovem. Jako příklad lze uvést přístroj Pundit PD8050 od firmy Proceq.
Měřicí zařízení se skládá z tabletu a z osmikanálové sondy. Při měření vždy jeden kanál vysílá impulzy, zatímco ostatní kanály slouží jako přijímače. Takto se postupně během chvíle vystřídají všechny kanály. Výsledkem je krátký liniový sken. Každý jednotlivý budič/snímač má vlastní nezávislý přítlak, díky čemuž je zaručen dokonalý kontakt s měřeným povrchem, lze tak provádět měření i na hrubém betonu. Hlavní aplikace této metody je lokalizace trhlin, dutin či poruch a měření tloušťky betonových prvků. Na obrázku 8 je ukázka z měření na zkušebním betonovém bloku. Nejblíže povrchu se podařilo lokalizovat ocelovou výztuž. Pod ní se nachází kabelový kanálek, který byl ovšem zainjektován jen v jedné polovině zkušebního bloku. UZ pulse-echo přístroj dokázal správně identifikovat nezainjektovanou část kanálku.
Infračervená termografie
Infračervená termografie je založená na detekci záření objektů v infračerveném spektru vlnových délek. Zařízení, které detekuje a skládá 2D obraz infračerveného záření se obecně nazývá infračervená kamera, nebo infračervená termografická kamera, zkráceně termokamera. Výsledkem záznamu termokamery je obraz odpovídající intenzitě tepelného vyzařování snímaného objektu.
Povrchová teplota zkoumaných objektů, v našem případě mostů, se mění v závislosti na okolní teplotě, intenzitě slunečního záření a na materiálových vlastnostech. Tři hlavní faktory, které ovlivňují šíření tepla v materiálu, jsou tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita a hustota. Za běžných podmínek lze beton pro účely určení teplotních vlastností považovat za homogenní materiál. Pokud se však pod povrchem nachází nějaká dutina, dochází k přerušení kontinuity materiálu, čímž se mění charakteristiky přenosu tepla.
Čtěte také: Průvodce diagnostikou nemovitostí před nákupem.
Během dne dochází obvykle ke kolísání mezi denní a noční teplotou. Na tyto změny reaguje i konstrukce. Vlivem dopadajícího slunečního záření a/nebo vzrůstající okolní teploty se nejprve ohřívá povrch objektu, od kterého se teplo dále šíří vedením hlouběji do konstrukce. Pokud naopak dojde ke snížení okolní teploty (v noci), konstrukce se ochlazuje a teplo je vedeno opačným směrem. V případě, že se pod povrchem konstrukce nachází nějaká dutina (např. delaminace), působí vzduch, který se v ní nachází jako „izolace“, jež omezuje přenos tepla. Tato porucha způsobuje, že se při změně teploty povrch nad ní zahřívá více než okolí bez závad. Při oteplování konstrukce lze proto očekávat, že oblasti nad dutinou budou teplejší než okolní nepoškozený beton - vzniká tzv. pozitivní teplotní kontrast.
Infračervenou termografii lze za vhodných podmínek použít pro zjišťování plošných poruch na betonových konstrukcích. Tyto poruchy bývají způsobeny například korozí ocelové výztuže. Vznikající korozní produkty mají totiž podstatně větší objem než původní kov. Jejich tvorba má za následek zvýšený tlak na betonovou krycí vrstvu. S přibýváním korozních produktů se tento tlak zvyšuje až do vzniku trhlin a delaminací betonové krycí vrstvy nebo odlupování menších částí pouze nad pruty výztuží. Následně může dojít až k úplnému odtržení částí betonu. Čím je menší hloubka uložení výztuže pod povrchem, nižší kvalita krycí vrstvy a nepříznivější prostředí, tím dříve hrozí vznik koroze.
Další možnost využití infračervené termografie nastává při kontrole sanačních vrstev nejen betonových mostů. Termografickou metodu lze také použít ke zjišťování přítomnosti vody v betonové konstrukci mostu. Při měření se vychází ze skutečnosti, že kapalina při vypařování odebírá teplo svému okolí a vlhké povrchy se na termogramech jeví jako chladnější. Pomocí termokamery tak lze odhalit oblasti s přítomností vlhkosti, která nemusí být pouhým okem na první pohled zřejmá.
Využití dronů při diagnostice mostů
Jednou z řady možností využití dronů jsou i prohlídky mostních konstrukcí. Dříve bylo pro kontrolu stavu vyšších mostů nutné použít vysokozdvižnou plošinu nebo tzv. mostní prohlížečku. Tato zařízení lze v mnoha případech nahradit drony. S jejich pomocí lze efektivně prozkoumat špatně přístupné části mostů. Navíc vychází použití dronů cenově i časově výhodněji ve srovnání s pronájmem mostní prohlížečky. Některé typy dronů jsou dokonce vybaveny „klecí“, která je chrání proti poškození při střetu s překážkou (kritické jsou především listy vrtulí).
Pokud ovšem člověk létá s jakýmkoliv dronem venku, i když je to pod mostem, stává se automaticky účastníkem leteckého provozu a musí dodržovat určitá pravidla. Od 31. prosince 2020 začala platit nová evropská legislativa regulující provoz bezpilotních letadel (dronů). Asi největší změnou oproti předchozímu stavu je povinnost registrace. Neregistruje se dron, ale jeho provozovatel (zpravidla je jím vlastník dronu). Dále byla zavedena povinnost registrace pilota bezpilotního systému včetně online testu z teoretických znalostí.
Při letu v blízkosti silničních nebo železničních mostů se pilot navíc dostává s dronem do ochranných pásem daných dopravních staveb (silnice či železniční trati) a v některých případech i vodních zdrojů či nadzemních inženýrských sítí. Pokaždé, když se chce pilot s dronem v těchto ochranných pásmech pohybovat, potřebuje k tomu další oprávnění (vydané pro konkrétní činnost) potvrzené ÚCL s předchozím souhlasem příslušného správního orgánu či oprávněné osoby. Při každém letu je potřeba provozovat dron v bezpečné vzdálenosti od nezúčastněných osob. Nelze také létat v zakázaném leteckém prostoru neboli bezletové zóně.
Statické a dynamické zatěžovací zkoušky
Diagnostický průzkum, jehož součástí je statická a dynamická zkouška stavební konstrukce, začíná být v dnešní době samozřejmou součástí rozhodovacího procesu o budoucnosti konstrukce. Kromě klasického diagnostického průzkumu je žádoucí využít experimentálního ověření konstrukce pomocí její statické a dynamické odezvy při extrémním statickém zatížení v kombinaci s dynamickými účinky na úrovni běžného provozu. V mnoha případech je žádoucí, aby zkoušky měly především diagnostický charakter, což prakticky znamená, že důraz není primárně kladen na splnění kritérií ČSN 73 6209 („Zatěžovací zkoušky mostů“), ale na získání podkladů pro ověření skutečného stavu mostu teoreticko-experimentální cestou (ověření pružného působení, globálních materiálových charakteristik, vlivu geometrických parametrů, okrajových podmínek, lokálních účinků atd.).
V této souvislosti je nutné upozornit na důležitý fakt, že tyto teoretické výpočty se vztahují výhradně a pouze k pružným složkám přetvoření, které získáme z měření statické odezvy konstrukce na zatížení. Model je následně vyladěn tak, aby výstupy výpočtu co nejlépe odpovídaly výsledkům experimentálního měření. Diagnostický průzkum, statické a zejména dynamické zatěžovací zkoušky jsou nedílnou součástí hodnocení stavu stavebních a mostních konstrukcí. V některých případech dokonce hrají signifikantní úlohu.
Závěr
I přesto, že jsou tradiční diagnostické postupy stále hojně používány, vzrůstá postupně důvěra v nové nedestruktivní metody. Autoři příspěvku věří, že jejich hojnější využití je jen otázkou času.
tags: #diagnostika #betonu #mostu
