Hodnocení stavu betonových konstrukcí je velice důležitá a aktuální oblast. Navíc lze očekávat, že význam tohoto oboru ještě více poroste s ohledem na historii betonového stavitelství. Nevyhnutným předpokladem hodnověrného hodnocení existující stavby je prověření aktuálního stavu konstrukce a vlastností stavebních materiálů. Na tento účel se používají destruktivní a nedestruktivní zkušební metody. Často je účelná kombinace obou metod. Při hodnocení existujících železobetonových konstrukcí památek je vždy nutné ověřit vlastnosti betonu a rozmístění výztuže.
Hodnocení existujících konstrukcí
Hodnocení existujících konstrukcí objektů zasluhujících památkovou ochranu nebo uměleckých děl ze železobetonu vyžaduje specifický přístup. Jedná se v převážné většině o stavební objekty z počátků betonového stavitelství či meziválečného období, ale v poslední době vystupuje do popředí snaha chránit i objekty výrazně mladší, z období 60. až 70. let 20. století. Značná část zejména průmyslových objektů však byla postavena ryze účelově, úsporně, s omezenou životností. V průběhu doby se rovněž změnily požadavky na kvalitu a trvanlivost materiálů nosných konstrukcí. Při hodnocení starších železobetonových konstrukcí je tedy nezbytné ověřit jejich spolehlivost nejen na základě prohlídky, ale i na základě zkoušek.
Při ověřování spolehlivosti existujících konstrukcí a pro navrhování jejich obnov se postupuje podle zásad ČSN EN 1990 a dalších platných norem. Jelikož některé zásady a údaje zejména pro staré konstrukce v těchto normách chybí, využívá se pro jejich hodnocení norem ČSN ISO 13822 Zásady navrhování konstrukcí - Hodnocení existujících konstrukcí a ČSN 73 0038 Hodnocení a ověřování existujících konstrukcí - Doplňující ustanovení. Podobně se konstrukce zhodnotí i z hlediska provozuschopnosti. Na základě našich zkušeností však lze alespoň minimální ověření vlastností železobetonové konstrukce doporučit v každém případě, i když jsou všechny podmínky splněny. Jen málo laiků si totiž uvědomuje, že např. betony vyráběné určitou technologií před 1. světovou válkou odhadem v 95 % případů nevyhovují dnešním byť minimálním požadavkům na beton pro nosné konstrukce. Situace u betonů meziválečných je jen o málo lepší. Vždyť ještě ve 30. letech 20. století byly nosné železobetonové konstrukce jako desky a průvlaky běžně vyráběny z betonu tříd d, e (ČSN 1090-1931), které odpovídají dnešnímu značení C8/10, C10/13,5. U betonu nižších pevnostních tříd navíc časem dochází k degradaci a pevnost postupně ještě klesá, takže u starých konstrukcí nejsou žádnou výjimkou pevnostní třídy C6/7,5, C4/5 a dokonce C3/3,5, pro něž v současné době není ekvivalent v normě ČSN EN 206.
Vizuální prohlídka a diagnostika
Hodnocení se začíná prohlídkou stavby a studiem dokumentace. Posuzovaná konstrukce se nejprve podrobí důkladné vizuální prohlídce, která umožní kontrolu geometrického tvaru konstrukčních prvků, zjistí se a následně lokalizují poruchy vzniklé na povrchu konstrukce. Jako příznaky průběhu poruchy se identifikují zvyčajně odchylky od původního stavu (porušené nebo odpadnuté vrstvy, stopy koroze výztuže, vlhké místa, vznik i rozvoj trhlin a pod.). Vizuální prohlídka je neodmyslitelnou úvodní částí každého průzkumu, pomocí které lze bez větších nákladů a včas odhalit poruchy i v tom nejranějším stádiu. Vybavení při vizuální prohlídce tvoří osvětlovací pomůcky, fotoaparát, dalekohled a přesné měřící pomůcky. Při podrobnější prohlídce třeba použít zvětšovací sklo, příložné šířkoměry trhlin, sklonoměry a pod. Během vizuální prohlídky se kromě zraku využívají i další smysly, a to sluch, hmat a čich. Například při tzv. akustickém trasování se zjišťuje odezva betonu na poklep (dutiny, porušené vrstvy). Hmatovým pozorováním lze zjistit kvalitu povrchu a jeho nerovnosti, poruchy (křídování), případně vlhkost. Čichem zase lze zachytit účinek chemické koroze (např. síranová), resp.
Nedestruktivní zkušební metody (NDT)
Zvyšování bezpečnosti a prodlužování životnosti struktur je jedním ze základních cílů výzkumu a vývoje nedestruktivního zkoušení betonu. Na diagnostiku vlastností materiálů lze použít destruktivní a nedestruktivní metody. Tyto metody pomáhají určit hledané vlastnosti bez rozsáhlejšího poškození stavebního materiálu nebo konstrukčního prvku. Jejich předností je, že umožňují vícero měření na stejném místě, registraci změn v čase a statistické vyhodnocení. Zásadní nedostatek této metody spočívá v skutečnosti, že se měří pomocná charakteristika, která je s požadovanou charakteristikou v určité závislosti. Moderní nedestruktivní metody založené na počítačové technologii výrazně zjednodušují vykonávání zkoušek. Destruktivní metody se uplatňují, pokud použití nedestruktivních metod nevede k požadovanému cíli nebo se žádá přesnější stanovení vyšetřovaných charakteristik. Odebrání vzorků a zkušební metody nesmí výrazněji snížit spolehlivost konstrukce a musí být v souladu s relevantními dokumenty ISO. Pro zjištění pevnosti v tlaku a dalších vlastností betonu je sice metoda jádrových vývrtů referenční, avšak hodnocení historicky či umělecky cenných konstrukcí vyžaduje šetrnější zkoušení.
Čtěte také: Míchání betonu krok za krokem
Z uvedených metod je beze sporu nejpřesnější metoda jádrových vývrtů, která ovšem představuje určitý destruktivní zásah do konstrukce. Minimální průměr jádrových vývrtů z betonu je 50 mm, z důvodu velikosti kameniva však převažují odběry vývrtů o průměru 100 mm. Zvláště u památkově chráněných objektů není takový zásah žádoucí, navíc pro objektivní zhodnocení stavu konstrukce by bylo zapotřebí odebrat značné množství vzorků. Proto je ideální nejprve beton konstrukce na velkém počtu zkušebních míst vyzkoušet nedestruktivně, a teprve po jejich vyhodnocení odebrat potřebné (minimální) množství vývrtů pro upřesnění nedestruktivních zkoušek. Daný postup odpovídá normě ČSN 73 2011, jenž byla v roce 2012 harmonizována s evropskými předpisy a pro zkoušení památkově chráněných a starších konstrukcí se hodí lépe než evropská norma ČSN EN 13791 (určena spíše pro relativně nové betonové konstrukce).
Na diagnostikování existujících konstrukcí se kladou na zkušební metody tyto požadavky: mají být přesné, rychlé, levné a minimálně poškozující nosnou konstrukci. Těmto nárokům nejlépe vyhovují moderní, počítači řízené přístroje nedestruktivních metod. Jejich aplikace umožňuje systematické a plošné vyšetřování vlastností stavebních materiálů. Na jejich kalibraci postačuje zvyčajně pouze několik míst s použitím destruktivní metody. Přesnost metody je pro výsledek diagnózy často rozhodující, najmä při nepřímých metodách, které na interpretaci měření potřebují kalibrační vztah. Používání takovýchto metod bez zpřesněných kalibračních vztahů může vyvolat nedorozumění. Proto je nutné poznat statistické toleranční meze kalibračního vztahu, jeho směrodatnou odchylku a případně další parametry.
Metody zkoušení betonu v konstrukci
Metody určené pro zkoušení betonu v konstrukci jsou v podstatě obsaženy ve čtyřech částech normy ČSN EN 12504.
Tvrdoměrná metoda
Tvrdoměrné metody patřily a stále ještě patří k nejpoužívanějším nedestruktivním metodám ve stavebnictví. Oblíbenost metody spočívá v poměrně jednoduchém postupu, podle něhož je možné na základě zjištěného ukazatele tvrdosti stanovit hodnotu krychelné pevnosti v tlaku betonu. Zkušební místa ovšem musíme zbavit zkarbonatované vrstvy betonu, která je obvykle výrazně tvrdší, a vybrousit je tak, aby byla jasně patrná struktura betonu. Broušení zkušební plochy je samo o sobě výrazným zásahem do vzhledu konstrukce.
Ultrazvuková impulzová metoda
Při ultrazvukové zkoušce se vysílají velmi krátké pulzní vlny do materiálu za účelem identifikace vnitřních chyb, nebo za účelem zjištění charakteristik materiálu. Běžně se tato technika používá i při zjišťování tloušťky materiálů, například kontrola tloušťky materiálu v důsledku koroze. Ultrazvuková zkouška se často používá při kontrole ocelových materiálů, slitin, taktéž se používá při kontrole betonových povrchů, dřeva, plastů a kompozitních materiálů, i když s mnohem menší přesností. Ultrazvuková metoda má proti tvrdoměrům několik výhod. Zejména není nutné brousit povrch na strukturu betonu a dále zjišťujeme vlastnosti betonu v celé tloušťce. Podmínkou je ovšem dobrá přístupnost dvou protilehlých povrchů zkoušeného prvku. Pro neznámý beton je odhad pevnosti pouze na základě rychlosti šíření impulsu problematický. Čím je přitom pevnost betonu vyšší, tím je vzájemný vztah pevnosti a rychlosti šíření UZ impulsu méně přesný. Přesto lze pevnost v tlaku z rychlosti šíření ultrazvuku stanovit, zejména v rozsahu pevností v tlaku od 5 MPa do 30 MPa.
Čtěte také: Beton pro základy
Velmi perspektivní se zdá být rovněž skupina metod založená na hodnocení nelineární ultrazvukové odezvy, tzv. nelineární spektroskopie elastických vln (NEWS). Vykazuje-li materiál nelineární chování, znamená to, že nemá odezvu přímo úměrnou buzení. Odchylka od ideální lineární závislosti se pak označuje jako nelinearita. Na elementární úrovni je nelineární chování materiálu způsobeno superpozicí mikrotrhlin, které se vlivem akustického tlaku zavírají a otvírají. Pokud harmonická vlna přijde do styku s mikrotrhlinou, způsobí změnu její kontaktní plochy - při růstu akustického tlaku kontaktní plocha roste a při poklesu akustického tlaku klesá. Tento jev mění fázi a amplitudu signálu.
Kromě klasické zkoušky ultrazvukem disponujeme i zařízením na metodu PA - Phased Array a TOFD, které umožňují i vizualizaci kontrolovaného objektu se záznamem.
Rádiografie (prozařování)
Rádiografie je nejběžněji známá testovací nedestruktivní metoda na získání trvalého obrazu povrchových a podpovrchových (vnitřních) nespojitostí. Ty samé diskontinuity mohou být kontrolovány opakovaně a radiogramy lze porovnat s měřením změny velikosti a tvaru vady s odstupem času. Zkoušky prozařováním vykonáváme na schváleném defektoskopickém pracovišti v sídle společnosti a na přechodných pracovištích.
Vizuální kontrola
Jedná se o nejstarší a nejpoužívanější nedestruktivní metodu zkoušení. Uplatňuje se na téměř každý výrobek jako základní nástroj na zabezpečení kvality. Všeobecně nejnepřijatelnějšími vadami jsou vady na povrchu materiálů a výrobků. Kromě běžné přímé vizuální kontroly nabízíme i nepřímou metodu. Tímto zařízením dokážeme určit i velikost svarů v nepřístupných prostorách. Výkon kontroly realizujeme u nás ve stálých prostorách laboratoře, ale máme k dispozici i pojízdné laboratoře.
Penetrační (kapilární) zkouška
Penetrační/kapilární zkouška je rychlá, ekonomická a široko používaná nedestruktivní zkušební metoda na detekci povrchových vad ve všech typech neporézních materiálů (kovy, plasty nebo keramika). Vykonává se na důkladně vyčištěném zkušebním povrchu, nanesením barevné, nebo fluorescenční penetrační kapaliny. Po určeném čase působení se nadbytečný penetrant odstraní a aplikuje se vývojka. Po zaschnutí vývojky pronikne penetrant do vývojky a tím vykreslí chybu. Zkouška se používá na kontrolu kovových i nekovových materiálů. Penetrační zkouška se využívá převážně na neferitických materiálech v leteckém a kosmickém průmyslu a při výrobcích z nerezové oceli. Výhodou této zkoušky je nákladová a časová nenáročnost.
Čtěte také: Parametry fréz do betonu
Magnetická prášková metoda
Jedná se o nedestruktivní zkušební metodu na zjišťování povrchových a podpovrchových necelistvostí ve feromagnetických materiálech. Testovací metoda zahrnuje aplikaci magnetického pole externě, nebo použití elektrického proudu přímo přes materiál, který vytvoří magnetické pole v materiálu. Přítomnost povrchových necelistvostí nebo necelistvostí těsně pod povrchem způsobuje deformaci magnetického pole, která zase způsobuje magnetický rozptyl při chybě. Magnetické částice jsou přitahovány rozptýleným polem v oblasti diskontinuity a přilnou k okrajům, kde se vykreslí její tvar. Tato zkouška je velmi citlivá zkušební metoda. Tato metoda se nepoužívá na neželezné materiály a austenitické nerezové oceli.
Zkouška těsnosti
Odhalit a odstranit netěsnost má důležité opodstatnění z hlediska bezpečnosti provozu zařízení, například v chemickém průmyslu při pracích s jedovatými, nebo hořlavými látkami. Neméně důležitá je také ochrana životního prostředí jakož i zabránění znečištění spodních vod z netěsných nádrží a žump. Z fyzikálního hlediska neexistuje absolutně těsná stěna. Každý materiál je tvořen strukturou, kterou mohou pronikat molekuly plynu. Zkouškou těsnosti se snažíme odhalit a určit místo netěsnosti s co největší přesností velikosti úniku. Zkouška těsnosti vodíkovým detektorem Sensistor H2000 představuje několik výhod v porovnání se zkouškou realizovanou pomocí hélia. Sensistor H2000 umožňuje odhalovat netěsnosti pomocí 5 % směsi vodíka 95 % dusíka. Tato směs není výbušná, ani hořlavá.
Zkouška vířivými proudy (ET)
Zkouška vířivými proudy - ET využívá elektromagnetickou indukci na zjištění nedostatků ve vodivých materiálech. Na zkoušený předmět působí střídavé magnetické pole cívky, které v něm indukuje střídavé napětí. Vodivý předmět představuje uzavřený proudovodič a proto v něm vznikají cirkulární, tzv. vířivé proudy. Vířivé proudy vytvářejí své vlastní magnetické pole, které má opačnou fázi jako pole budící. Tím je budící pole zeslabováno a vzniká výsledné pole dané vektorovým součtem obou polí. Necelistvosti v předmětu snižují elektrickou vodivost materiálu a tak i hustotu vířivých proudů. Amplituda a fáze tohoto výsledného póla jsou nositelem informace o stavu předmětu. Metoda testu vířivého proudu dokáže odhalit velmi malé trhliny na povrchu nebo v blízkosti povrchu materiálu, zkoušené povrchy vyžadují minimální přípravu. Největší výhodou metody vířivého proudu je to, že se může použít na určení povrchových chyb na lakovaném, izolovaném, nebo potaženém povrchu. Tento typ zkoušky je užitečný v širokém spektru aplikací, odhalování necelistvostí ve výrobcích, hodnocení tloušťky povlaků, hodnocení geometrických charakteristik, hodnocení metalurgických nebo mechanických vlastností výrobku, hodnocení elektrické vodivosti nebo permeability materiálu a třídění výrobků na základě už uvedených vlastností.
Metoda akustické emise
Metoda akustické emise se řadí mezi nedestruktivní metody testování (NDT). Zkoušení akustickou emisí včetně nároků na postupy měření, přístrojové vybavení a všeobecnou metodiku podléhá všeobecně platným mezinárodním standardům. Princip metody akustické emise vychází ze vzniku defektu (iniciace a následná propagace trhliny), při které dochází ke generaci elastických vln, které se šíří tělesem a které je možné zachytit zadanou sítí/rastrem snímačů. Tyto vlny jsou častokrát nazývány jako „akustická emise” i když se o akustiku jako takovou de facto nejedná. Důležitou výhodou této metody je, že se jedná o integrální, objemovou metodiku zkoušení.
Lokalizace výztuže a korozní aktivita
Na diagnostiku polohy výztuže v betonu se používá metoda založená na principu měření změn velikosti magnetického toku, způsobených přítomností feromagnetického materiálu v elektromagnetickém poli. Metodu lze hodnotit jako nenáročnou s rychlým získáním výsledků. Při kvalitních přístrojích a tloušťce krytí 40 mm je přesnost měření ±1 mm. Dosah přístroje je do hloubky přibližně 150 mm. Z hlediska vyhodnocení jsou kritické místa křížení nosných prvků a místa, kde vzdálenost výztuže je menší než tloušťka krytí.
Měření elektrodového potenciálu na povrchu betonu je nedestruktivní metoda na objevení korodující výztuže. Je založena na zjišťování elektrodového potenciálu vytvářeného na stykové ploše kovu s elektrolytem. Změny elektrodového potenciálu oproti referenční elektrodě, nejčastěji kalomelové, lze měřit pomocí přesného vysokoimpedančního voltmetru. Ukazatelem korozní aktivity v betonu je elektrodový potenciál výztuže. Jeho hodnota naznačuje, či je výztuž v termodynamicky aktivním nebo pasivním stavu. Hodnotu elektrodového potenciálu ovlivňuje např. stupeň hydratace, vlhkost, karbonatace betonu a obsah solí. Při velkoplošných měřeních je vhodné betonovou plochu rozdělit na síť a měření uskutečnit v uzlech zvolené sítě. Na zjišťování korodujících ploch s velikostí přibližně 5 mm je maximální vzdálenost měřených bodů 200 mm. Tato metoda se vykonává zejména v místech, kde hrozí koroze (vlhké místa, přístup posypových solí nebo jiných agresivních látek a pod.). Protikorozní ochranu výztuže v betonu zabezpečuje vysoká alkalita betonu (pH = 12,5 až 13,5) tím, že se na jejím povrchu vytvoří stabilní pasivující povlak. Z toho vyplývá, že při vyšetřování podmínek na korozi výztuže se třeba zaměřit na příčiny snížení alkality betonu v okolí výztuže. Nejčastěji dochází ke snížení alkality betonu pod hranici pasivity (pH < 10) v důsledku působení CO2 ze vzduchu. Operativně lze hodnoty pH zjistit acidobazickými indikátory (např. roztokem fenolftaleinu v etylalkoholu), které mění zbarvení v závislosti od pH prostředí.
Praktické aplikace a příklady
Využití ultrazvukové metody pro stanovení pevnosti v tlaku betonu historické konstrukce si ukážeme na příkladu starého továrního objektu, postaveného v roce 1915. Účelem průzkumu bylo zjistit skutečný stav nosné konstrukce z hlediska budoucího využití, přičemž ve hře bylo i prohlášení objektu památkou. Zatímco vnější zdi jsou zděné z cihel, vnitřní nosná konstrukce je železobetonová, tvořená podélnou řadou sloupů spojených podélným průvlakem s náběhy. Z něho vybíhají příčná žebra rovněž s náběhy, mezi nimiž jdou železobetonové desky. Nosná konstrukce na první pohled zaujme štíhlostí tvarů - jedná se o typickou konstrukci z tohoto období, která byla navržena s maximální úsporností a bez přílišných rezerv v únosnosti. Ve 3. NP je jejich profil ještě výrazně zeštíhlen. Zatímco ve stropní konstrukci byly výrazné trhliny, stav sloupů se na první pohled nezdál nikterak špatný. Ze zkušeností s podobnými konstrukcemi však víme, že beton před 100 lety obvykle nebyl příliš kvalitní - jak z hlediska použitého tmelu, tak zejména z hlediska použitého kameniva. Většinou se jednalo o neprané těžené kamenivo s nepravidelnou frakcí a nepříznivým tvarovým indexem zrn.
Výsledky nedestruktivních měření byly vyhodnoceny na základě směrného kalibračního vztahu. Výsledky NDT zkoušek bylo samozřejmě nutné upřesnit dle zásad ČSN 73 2011, z toho důvodu byly odebrány 3 jádrové vývrty z míst, kde vycházely minimální, průměrné a maximální hodnoty rychlosti šíření impulzů ultrazvukového vlnění. Hodnoty pevnosti v tlaku betonu stanovené na třech vývrtech byly použity k upřesnění všech hodnot pevností získaných z ultrazvukového měření. Pevnost v tlaku betonu sloupů vyšla velmi nízká, což úplně neodpovídá vizuálnímu dojmu, kterým beton působí. Výsledky zkoušek jádrových vývrtů z betonu sloupů staré průmyslové haly jednoznačně potvrdily to, co naznačilo již nedestruktivní ultrazvukové měření - totiž pokud rychlost šíření ultrazvukového vlnění klesne pod 3000 m/s, pak s jistotou nejde o konstrukční beton. Beton nosné konstrukce nesplnil ani minimální požadavky na beton pro nosné železobetonové konstrukce, což je pevnostní třída C 12/15 (při nižší pevnostní třídě není zajištěna ani minimální soudržnost betonu s výztuží). Ve skutečnosti odpovídá pouze pevnostní třídě C 4/5, která není v současné normě pro beton ČSN EN 206 vůbec uvedena. Protože se v konstrukci vyskytují i závažné statické poruchy těchto konstrukcí (liniové průběžné trhliny v deskách i žebrech ve vzdálenosti cca 1 m od středové linie sloupů), pak lze konstatovat, že konstrukce není bezpečná a pro případné další využití ji bude nutné zesílit.
Staré železobetonové konstrukce se v poslední době dostávají do popředí zájmu skupin nadšenců i orgánů památkové péče. Při hodnocení těchto objektů je často hrubým způsobem podceněno objektivní zjištění jejich stavu. Norma ČSN ISO 13822 ve svém novém vydání platném od 1. 1. 2015 obsahuje i kapitolu týkající se hodnocení nosných konstrukcí památek, kde umožňuje při splnění určitých podmínek mírnější hodnocení těchto starších objektů. Z uvedeného příkladu posouzení betonu staré výrobní haly původně navržené na památku však vyplývá, že skutečný stav konstrukce může být často výrazně horší, než na první pohled vypadá. Doporučuje se proto vždy provést průzkum konstrukce alespoň v nezbytně nutném rozsahu. Velký význam zde mají zejména nedestruktivní metody, které dokáží bez invazivního zásahu do konstrukce odhalit její slabá místa, kde lze následně provést doplňkové zkoušky na vývrtech.
Zkušební metody pro vyšetřování betonu, výztuže a betonových konstrukcí
| Oblast vyšetřování | Metoda | Typ metody |
|---|---|---|
| Vlastnosti betonu | Tvrdoměrná metoda | Nedestruktivní |
| Ultrazvuková impulzová metoda | Nedestruktivní | |
| Jádrové vývrty | Destruktivní | |
| Nelineární spektroskopie elastických vln (NEWS) | Nedestruktivní | |
| Lokalizace výztuže | Měření změn magnetického toku | Nedestruktivní |
| Korozní aktivita | Měření elektrodového potenciálu | Nedestruktivní |
| Acidobazické indikátory (pH) | Nedestruktivní | |
| Vady materiálu/konstrukce | Vizuální kontrola | Nedestruktivní |
| Rádiografie (prozařování) | Nedestruktivní | |
| Penetrační (kapilární) zkouška | Nedestruktivní | |
| Magnetická prášková metoda | Nedestruktivní | |
| Zkouška těsnosti | Nedestruktivní | |
| Zkouška vířivými proudy (ET) | Nedestruktivní | |
| Detekce vzniku defektů | Metoda akustické emise | Nedestruktivní |
tags: #nedestrukcne #skusky #betonu #principy #a #metody