Při diagnostice stavebních konstrukcí se snažíme najít kompromis mezi destruktivními a nedestruktivními metodami, aby bylo dosaženo co nejpřesnějších výsledků s minimálním zásahem do materiálu. V dnešní době již existují vyspělé technologie, které jsou schopny takovýto záměr uskutečnit.
Definice a princip měření tvrdosti
Kolem roku 1900 navrhl Martens definici pro zkoušení tvrdosti: „Tvrdost je odolnost materiálu proti vtlačení jiného (tvrdšího) tělesa.“ Tato jednoduchá, ale přesná definice je v technických kruzích dodnes platná. Technická tvrdost je mechanická vlastnost, která se používá k popisu materiálu a jeho stavu. Tvrdost nelze měřit přímo, ale je nutné ji odvodit z primárně měřených veličin, například zkušebního zatížení, hloubky vtisku nebo plochy vtisku.
Podle zkušební metody se hodnota tvrdosti určuje podle jednoho z následujících principů:
- Zkušební zatížení a jedna z geometrických hodnot charakterizujících vtisk (např. hloubka vtisku).
- Měření charakteristického rozměru vtisku.
- Odlišná odezva různých materiálů (např. odolnosti proti poškrábání).
Metody zkoušení tvrdosti
Metody zkoušení tvrdosti se v zásadě dělí na metody se statickým a dynamickým působením síly.
- Statické metody: Zkušební zatížení zvolna narůstá, plynule a bez rázů, působí po minimální dobu stanovenou normami. Tyto metody se převážně používají pro zkoušky tvrdosti kovů.
- Dynamické metody: Zkušební zatížení se aplikuje rázem, kterému je vzorek tak vystaven. Používají se převážně pro zkoušky tvrdosti velkých součástí.
V závislosti na výši hlavního zatížení, které působí na vzorek při zkoušce tvrdosti, se v rámci ISO rozlišuje mezi zkouškami mikrotvrdosti, nízké zátěže nebo makrotvrdosti:
Čtěte také: Vlastnosti a využití předpjatého betonu
- Makrotvrdost: Zkoušky se provádějí s použitím velkých zkušebních zatížení ≥ 5 kgf, což vede k odpovídajícím velkým vtiskům tvrdosti. Mezi tyto metody patří Brinell, Vickers a Rockwell.
- Nízká zátěž: Zkušební zatížení spadá do intervalu 0,2 kgf až 5 kgf. Nejčastěji používanou zkouškou je metoda podle Vickerse, která se používá pro zkoušení malých dílů, silných povlaků a materiálů s nízkou tvrdostí.
- Mikrotvrdost: Používají se malá zkušební zatížení < 0,2 kgf, která vytvářejí na zkušebních tělesech malé otisky. Nejčastěji se používá metoda podle Vickerse, pro stanovení tvrdosti tenkých povlaků nebo tvrdosti jednotlivých zrn a fází.
Pro měření tvrdosti jsou k dispozici různé typy tvrdoměrů:
- Přenosné tvrdoměry
- Stacionární tvrdoměry
- Automatické tvrdoměry
- Analyzátory hloubky
- Mikrotvrdoměry
Tvrdoměry nacházejí uplatnění v různých odvětvích, jako automobilový průmysl, stavebnictví, strojírenství nebo výzkum materiálů a diagnostika poruch.
Příprava vzorku a kalibrace
Aby bylo měření tvrdosti korektní, je potřeba dodržovat určité předpisy, doporučení a normy. Tloušťka vzorku musí být minimálně 1,5násobek délky úhlopříčky vtisku. Je nutné připravit vhodnou drsnost povrchu broušením, případným leštěním, aby měřený vtisk byl jasně viditelný a měřitelný. Pro větší zatížení postačí broušení, pro nižší zatížení je nutné leštění.
Tvrdoměr by měl být umístěn ve stálém pracovním prostředí na robustním stole a v místě bez vibrací. Doporučuje se teplota 10-35°C se vzdušnou vlhkostí maximálně 70% (nekondenzující).
Pro ověření tvrdoměru se provádí zkouška tvrdosti na kalibrované tvrdoměrné destičce nejméně dvěma vtisky, které musí být rovnoměrně rozmístěny a splňovat podmínku minimálních rozestupů. Ověření by se mělo provádět na certifikované kalibrační destičce podobné tvrdosti jako se měří. Periodické ověřování by se mělo provádět alespoň jednou za 12 měsíců a po provedeném přímém ověření.
Čtěte také: Izolační kity a jejich princip
Vyhodnocení výsledku se detailně zabývá norma 6507-2, zahrnuje střední hodnoty tvrdostí a úhlopříček, opakovatelnost, systematické chyby a nejistoty kalibrace a ověření.
Příklady relevantních norem:
- ČSN EN ISO 6507-1. Kovové materiály - Zkouška tvrdosti podle Vickerse: Část 1: Zkušební metoda.
- ČSN EN ISO 6507-2. Kovové materiály - Zkouška tvrdosti podle Vickerse: Část 2: Ověřování a kalibrace zkušebních strojů.
- ČSN EN ISO 6507-3. Kovové materiály - Zkouška tvrdosti podle Vickerse: Část 3: Kalibrace referenčních destiček.
- ČSN EN ISO 6507-4. Kovové materiály - Zkouška tvrdosti podle Vickerse: Část 4: Tabulky hodnot tvrdosti.
Vrtačka pro zkoušení tvrdosti stavebních materiálů in situ
V rámci stavebně-technických průzkumů je vizuální zhodnocení řešené stavby základním krokem, při kterém mohou být odhaleny choulostivá místa či poruchy. Vizuální prohlídka se provádí od nejvyššího podlaží k nejnižšímu, aby se získala představa o přenosu zatížení. Následně se vyberou oblasti vhodné k ohledání, kde se aplikují nedestruktivní nebo semidestruktivní metody.
Nedestruktivní metody
Schmidtův tvrdoměr
K nedestruktivnímu zjištění pevnosti betonu v tlaku se využívá Schmidtův tvrdoměr typu 225 firmy ADA, který energií rázu odpovídá tvrdoměru typu N. Zkoušky jsou vyhodnoceny dle příslušného kalibračního vztahu udávaného výrobcem a ČSN 731373 - Tvrdoměrné metody zkoušení betonu.
Karbonatace betonu
Karbonatace betonu se zkoumá s cílem identifikovat případné problémy s penetrací oxidu uhličitého do betonové konstrukce. Na vhodné zkušební betonové těleso se aplikuje roztok 1 g fenolftaleinu v 70 ml etylalkoholu zředěný destilovanou vodou do celkového objemu 100 ml, pomocí kterého lze určit přítomnost aktivní karbonatace v betonu. Pokud se zkušební plocha nezbarví do fialova (barva betonu zůstává beze změn), lze konstatovat již proběhlou karbonataci. Pokud se zkušební plocha do fialova zbarví, beton se považuje za nezkarbonatovaný. V průběhu času se do betonu se vzduchem dostává CO2 a reaguje s Ca(OH)2 - portlanditem - obsaženým v betonu. Ca(OH)2 se rozkládá na CaCO3 a vodu. Když pH betonu klesne pod hodnotu 9, rozpadne se vrstvička hutných oxidů železa mezi ocelí a betonem, dojde k takzvané „depasivaci“ výztuže.
Čtěte také: Prozkoumejte výhody transparentních fasád
Stanovení vlhkosti
Ke stanovení vlhkosti nedestruktivní metodou se používá zařízení, jež funguje na principu odporového měření. Tento typ měření umožňuje rychlé a jednoduché určení vlhkosti materiálů. Každý měřený bod je měřen ve 4 výškách: 30 cm, 60 cm, 90 cm a 120 cm.
Ultrazvuková metoda (pro dřevěné konstrukce)
Ultrazvuková metoda je založena na měření času průchodu ultrazvukové vlny materiálem. Budící frekvence mohou být různé, z intervalu 50 až 20 000 Hz. Pokud známe hustotu dřeva v místě zkoušky, můžeme vypočítat dynamický modul pružnosti. Čas přechodu ultrazvukové vlny závisí na druhu dřeva a jeho hustotě. Vlna prochází zónami s vyšší hustotou dřeva. Při přítomnosti defektu se čas přechodu zvukové vlny prodlužuje. Lze detekovat biotické poškození, jako je dřevokazná hniloba a hmyz, i přirozené vady, jako jsou suky a trhliny.
Rychlost šíření je citlivá především na orientaci vláken, což je způsobeno anatomií dřeva. Ultrazvukové vlny jsou třikrát až pětkrát rychlejší ve směru podélném než v příčném. Přenosové rychlosti paralelně s vlákny jsou 3500 -5000 m/s a kolmo na vlákna 1000 - 1500 m/s. Přítomnost dřevokazné hniloby nebo hmyzu výrazně ovlivňuje čas přenosu, tedy rychlost šíření zvuku ve dřevě.
Pro nejpoužívanější konstrukční dřeviny byla vytvořena hodnotící tabulka, kde jsou naměřeným rychlostem ultrazvuku přiřazeny odhadované stupně poškození. Stupnice je čtyřstupňová, kde 1 znamená nejslabší a 4 nejsilnější napadení:
| Stupeň poškození | Popis |
|---|---|
| 1 | Slabě poškozený prvek |
| 2 | Středně poškozený prvek |
| 3 | Silně poškozený prvek |
| 4 | Totální destrukce prvku |
Rychlost šíření zvuku klesá se vzrůstající vlhkostí dřeva, protože voda vyplňuje kapiláry, ve kterých se předtím nacházel vzduch. Měření je v menší míře ovlivňováno teplotou a také ochrannými látkami. Nepřesnost měření se může zvětšovat za použití neadekvátního spojovacího média.
Semidestruktivní metody
Příklepové vrtání („Kučerova vrtačka“)
Ke zjištění pevnosti malty a keramických zdících prvků se využívá nedestruktivní metoda příklepového vrtání dle TZÚS Praha pomocí přístroje známého jako „Kučerova vrtačka“. Metoda je založena na vzájemném statisticky významném vztahu mezi pevností malty (případně zdiva) a odporem proti vnikání vrtáku při příklepovém vrtání touto vrtačkou s danými parametry.
Pilodyn (pro dřevěné konstrukce)
Měření pomocí přístroje Pilodyn 6J Forest patří mezi semidestruktivní diagnostické metody, protože poškození testovaného materiálu je velmi malé a téměř zanedbatelné. Je to jednoduché mechanické zařízení umožňující měřit hloubku průniku trnu s průměrem 2,5 mm, vystřeleného do dřeva při konstantní zarážecí síle 6 J. Hrot penetruje do povrchu materiálu, přičemž je měřena hloubka průniku. Maximální hloubka průniku trnu je konstrukcí přístroje omezena na 40 mm. Pomocí Pilodynu lze určovat hustotu dřeva, což je alternativa pro pomalejší a dražší jádrové vývrty, které jsou i více destruktivní. Na základě zhodnocení hloubky zaražení hrotu může být odhadnut stupeň rozkladu dřeva nebo jeho biotického poškození.
Při použití Pilodynu je nutné dodržení penetrace v čistě radiálním směru, a to z důvodu pravidelného střídání jarních a letních částí letokruhů. Pokud se Pilodyn používá v tangenciálním směru, dochází často k zaražení trnu jenom do jedné části letokruhu, potom jsou výsledky měření značně zkreslené. V případě poškození hmyzem nebo rozkladem způsobeným hnilobou, bude hrot pronikat výrazně hlouběji.
Odporové vrtání (Resistograph)
Odporové vrtání je založené na měření odporu vůči prostupu vrtáku malého průměru zkoumaným materiálem. Používaný přístroj Resistograph nabízí přehled o vnitřním stavu prvku. Vzhledem k minimálnímu poškozování materiálu patří mezi semidestruktivní způsoby zjišťování stavu dřevěných konstrukcí. Odporová mikrovrtačka Resistograph měří energii, která je potřebná k udržení konstantní rychlosti vrtáku při vrtání skrz materiál.
Vrtáky jsou flexibilní, wolframové s ocelovým zakončením hrotu, který má specifickou symetrii a úhlovou geometrii. Délka se mění podle typu a výrobce. Vrták přístroje má průměr dříku 1,5 mm a špičky 3,0 mm. Odpor vrtáku se soustředí ve špičce, jejíž šíře je dvojnásobně větší než dříku, což umožňuje snížit tření vrtáku v řezné spáře v hlubších vrstvách prvku. Princip měření spočívá v zaznamenávání energie při vrtání (RD, Nm.s/rad).
Výstupem Resistographu je grafický záznam (hustotní profil, dendrogram), který odpovídá spotřebované energii potřebné na udržení konstantní vrtné rychlosti. Na ose y je znázorněná spotřebovaná energie, na ose x je znázorněná šířka trámu. Vrcholy v grafickém záznamu odpovídají vyšší energii, tedy vyššímu odporu i vyšší hustotě, zatímco nižší body jsou spojené s nižší energií, nižším odporem a hustotou. Záznam může být uchován na papírové pásce, ve speciálním záznamníku nebo uložen v počítači v elektronické podobě.
Odporové vrtání může být použito na určování mechanických vlastností prvku založené na kvantifikaci poškození nebo jako podklad pro ověření, jestli prvek ještě plní svou statickou funkci. Pomocí Resistographu lze měřit příčný průřez (tam, kde není možné přímo změřit rozměry), zbytkový příčný řez (shnilé dřevo z venku neviditelné), rozložení letokruhů, přítomnost přirozených vad a nebo poškození dřeva. Tato metoda hodnocení poskytuje také informaci o možnosti zachování konstrukčních prvků a (nepřímo) i o jejich konstrukční únosnosti.
Metoda odporového vrtání je vhodná pouze pro radiální směr, protože při jiném než čistě radiálním směru se vrták stáčí do zóny měkčího jarního dřeva. Toto způsobuje odchylku ve vrtací dráze a nepřesnosti v profilech. Poškozený materiál ukazuje odpor, který je výrazně nižší než u zdravého dřeva. Z grafického výstupu lze jednoduše zjistit přítomnost defektů a biotického anebo abiotického poškození. Při absolutní degradaci dřeva hnilobou nevzniká žádný odpor proti vrtání.
Radiální vývrty
Zkoušení radiálních vývrtů patří mezi semidestruktivní metody, protože samotné poškození je minimální. Vzorky jsou zkoušeny destruktivně v laboratoři, kde jsou ve speciálním zkušebním zařízení zatěžovány tlakem ve směru vláken až do okamžiku porušení. Mezera mezi čelistmi se pomalu zmenšuje a deformuje vzorky. Dva lineárně proměnné snímače (LVDT) jsou použity na monitorování vzdálenosti mezi čelistmi a k měření deformace vývrtu.
Tlakovou pevnost a deformační charakteristiky můžeme odvodit ze zkoušky radiálních vývrtů, jejímž výsledkem je napěťovo-deformační diagram. Modul pružnosti nemůže být určen přímo z deformačního zatížení z důvodu víceosového zatížení, pro povrchová omezení a geometrii vývrtů. Odklon deformace při zatížení odpovídá přímo modulu pružnosti. Tato rovnice označuje základní mechanický vztah, kde se napětí rovná síle dělené plochou.
Radiální vývrty lze použít na zjištění fyzikálních, mechanických a pevnostních charakteristik dřeva. Pro získání modulů pružnosti je potřeba v průběhu zkoušky radiální vývrt částečně odtížit, aby došlo k plnému kontaktu vývrtu s čelistmi zatěžovací hlavy. Radiální vývrty jsou vhodné rovněž pro určování hustoty.
Vzorek pro zkoušku je odebírán speciálním vrtákem, který je upnutý do elektrické nebo ruční vrtačky. Vnější průměr vrtáku je 9,5 mm. V průběhu vrtání je sledována rychlost, tak aby nedošlo k poškození vzorků. Ze stejného důvodu musí být hrot vrtáku udržován stále ostrý a čistý. Odběr vývrtu by měl probíhat z nepoškozených míst prvku a zároveň v čistě radiálním směru, protože orientace letokruhů je základním předpokladem pro správné provedení zatěžovací zkoušky.
Průměr vývrtů je 5 mm, délka by měla být minimálně 20 mm, hlavně kvůli střídání jarní a letní části letokruhu, které ovlivňuje hustotu. Takovéto vzorky odpovídají i evropským normám pro zkušební tělíska testovaná na tlak. Radiální vývrty mohou být využity současně pro zjišťování více vlastností dřeva, jako např. hustoty, vlhkosti, pevnosti, modulu pružnosti, a zároveň umožňují spolehlivé určení druhu dřeva, mikroskopické analýzy či vizuální hodnocení degradace. Vzorky s dostatečným počtem letokruhů lze použít i k dendrochronologickému datování.
Další metody diagnostiky
Zjišťování salinity zdiva
Zjišťováním salinity zdiva se rozumí stanovení obsahu škodlivých minerálních látek - solí. Mezi nejvíce stavebně škodlivé minerální látky patří tři druhy solí: sírany, chloridy a dusičnany. Rozpuštěné soli se usazují v kapilární struktuře zdiva, zmenšují průměr kapilár a tím umožňují vzlínání vlhkosti do výšky. V důsledku vypařování vody ze zdiva dochází k usazování solí a jejich následné krystalizaci.
Mykologický průzkum (dřevěné konstrukce)
Mykologický průzkum probíhá formou prvotní vizuální prohlídky dotčených dřevěných konstrukcí, během které dojde k vytipování potenciálních míst napadených dřevokaznými škůdci. Mezi taková místa mohou patřit například přilehlé oblasti místností s vlhkým provozem, střešní plášť ve špatném technickém stavu, či náročné stavební detaily, kde může docházet ke kondenzaci vodních par (balkony, zhlaví trámů apod.). V dalším kroku se provede odběr dřevěných vzorků společně s označením místa odběru.
Destruktivní stanovení materiálových charakteristik oceli
Pro destruktivní stanovení materiálových charakteristik oceli se z konstrukce odebere celkem 5(10) zkušebních těles, které se dále předávají na potřebné mechanické obrobení do požadované velikosti a tvaru.
tags: #princip #vrtacky #na #zkouseni #tvrdosti #stavebnich