V oblasti diagnostiky stavebních konstrukcí se používají nedestruktivní a destruktivní metody hodnocení vybraných vlastností stavebních hmot. Rovněž jsou posuzovány konstrukční prvky, ale i vybrané části. Ultrazvuková metoda, která patří k metodám nedestruktivního testování, se používá již řadu let pro diagnostiku betonových a ocelových konstrukcí.
Vývoj a význam nedestruktivního testování
V posledních letech došlo k velkému rozvoji v oblasti nedestruktivního testování stavebních konstrukcí díky nezadržitelnému vývoji elektrotechniky a elektroniky. Na trhu jsou k dispozici nejrůznější měřicí zařízení a přístroje, pomocí kterých je možné hodnotit vybrané parametry konstrukcí a konstrukčních prvků z různých stavebních materiálů. Ve stavební praxi jsou diagnostické metody založené na nedestruktivním principu zkoušení velmi vítány, jelikož během měření nedochází k porušení konstrukčního prvku a také především pro možnost opakovatelnosti a reprodukovatelnosti zkoušek. Mezi jednu z nejvyužívanějších diagnostických metod patří metoda ultrazvuková, o jejichž počátcích je možné zaslechnout již ve třicátých letech 20. století. Široká nabídka nejrůznějších ultrazvukových přístrojů vyráběných a stále modernizovaných dle potřeb uživatelů umožňuje pracovníkům provádějících diagnostiku konstrukcí výběr vhodného ultrazvukového přístroje. Pomocí ultrazvukové defektoskopie je možné charakterizovat především vnitřní strukturu konstrukčního prvku či konstrukce a na základě vyhodnocení provedených zkoušek lze v poměrně krátké době získat informace o vybraných parametrech zkoušeného materiálu. Tato metoda je vhodná pro hodnocení betonových i ocelových konstrukcí.
Základní ultrazvukové metody měření tloušťky betonu
Ve stavebnictví jsou nejčastěji používány dvě základní ultrazvukové metody:
- Metoda průchodová: Nejstarší a nejjednodušší, jejímž hlavním znakem je měření procházejícího akustického tlaku nebo zjišťování doby průchodu ultrazvukových vln vyšetřovaným prostředím. Dvě sondy, z nichž jedna vysílá a druhá přijímá ultrazvukový impuls, jsou umístěny nejlépe souose na protilehlých stranách vyšetřovaného prostředí. Jejím omezením je nutnost použití dvou sond, což při diagnostice stavebních konstrukcí může být občas problematické.
- Metoda impulsní odrazová (Pulse Echo): Její princip spočívá ve vysílání impulsů, které jsou zachycovány a zobrazeny pomocí tzv. A-skenu. Odražené impulsy se vracejí buď do téhož elektroakustického měniče, nebo do přijímacího měniče. Elektrické signály vzniklé dopadem ultrazvukových impulsů se zesílí v zesilovači a přivedou se na vertikální vychylovací systém obrazovky buď přímo, nebo až po usměrnění a filtraci. Filtrací se získá jasnější a přehlednější zobrazení na stínítku obrazovky, avšak ztrácejí se i některé podrobnosti. Tato metoda dává informaci o velikosti odrazové plochy, a to podle výšky odraženého impulsu (echa). Kromě toho podle doby průchodu echa lze stanovit hloubku odrazové plochy nebo rychlost šíření ultrazvukových vln a podle tvaru přijímaného echa lze usuzovat na charakter odrazové plochy. Metoda je vhodná kupř. pro měření ocelových prvků zabudovaných do betonu, kdy je umožněn přístup pouze z jedné strany.
Ústav stavebního zkušebnictví VUT v Brně disponuje několika ultrazvukovými přístroji a tloušťkoměry. Volba přístroje je velice podstatná a odvíjí se hlavně od parametrů zkoušeného prvku. Pro ověření spolehlivosti měření pomocí zmiňovaných přístrojů musí být provedeny laboratorní zkoušky, na základě kterých se určí maximální rozsah a citlivost měření.
Principy a použití moderních přístrojů
Ultrazvukový tloušťkoměr Dakota Ultrasonic MMX-6DL
Tento přístroj využívá dvojitou sondu - vysílač UZ signálu a přijímač je jednou součástí. Kalibrace, měření a nastavení známé tloušťky nebo známého materiálu se provádí přes vyhodnocovací přístroj. Principem měření tloušťky je vyslání signálu do prostředí neznámé tloušťky, ale známého materiálu a měření časového úseku mezi vysláním a příjmem. Na základě známého materiálu a rychlosti šíření zvuku přístroj vypočte tloušťku. Jestliže potřebujeme zjistit, o jaký materiál se jedná, změříme jeho tloušťku a kalibrací na známou tloušťku se dozvíme rychlost šíření. Takto zjištěnou rychlost porovnáme s hodnotami pro různé materiály. S tímto přístrojem dokážeme ověřit tloušťky uzavřených profilů, hlavně při přejímce hotové konstrukce na stavbě, ale také i při průzkumu existujících konstrukcí. Dále je možné prokázat zdvojení materiálu u tlustých plechů. Po očištění měřených míst lze změřit zbývající tloušťku částí ocelových profilů - stojin, uzavřených profilů a zjistit tak zůstatkovou plochu průřezu zkorodovaného nosníku.
Čtěte také: Metody měření vlhkosti betonu
Tloušťkoměr PosiTector 200
PosiTector 200 je ultrazvukové měřidlo tloušťky povlaku, které nedestruktivně měří širokou škálu aplikací pomocí osvědčené ultrazvukové technologie. Může měřit tloušťku povlaku na nekovových podkladech, jako je dřevo, beton, plast a dalších.
- Jednoduchost: Připraven k měření bez nutnosti kalibrace pro většinu aplikací.
- Barevný Dotykový Displej: Velký, odolný displej o velikosti 2,8 palce vám umožní pohodlné a přehledné ovládání.
- Odolnost: Voděodolné, prachotěsné a odolné proti povětrnostním vlivům (IP65). Ergonomický design s odolným pogumovaným úchopem a ochranným gumovým pouzdrem pro zvýšenou odolnost proti nárazům.
- Přesnost: Rychlé a přesné odečty díky citlivým snímačům. Certifikát kalibrace s návazností na NIST nebo PTB je součástí balení.
- Konektivita: PosiTector 200 nabízí USB, WiFi a Bluetooth konektivitu, která vám umožní snadnou synchronizaci s počítačem (PC nebo Mac) a smartphonem.
- Univerzálnost: Tělo přístroje PosiTector umožňuje snadnou konverzi mezi různými typy měření.
- Výkonnost: Neustále zobrazuje a aktualizuje průměr, směrodatnou odchylku, min/max a počet odečtů během měření.
PosiTector 200 je nepostradatelným nástrojem pro průmyslové aplikace, kde je důležité zajistit kvalitu a ochranu povrchu. Přístroj je z výroby plně kalibrovaný a připravený k měření většiny polymerových povlaků bez nutnosti kalibrace nebo nastavení. Pro šíření ultrazvuku do povlaku je při každém měření nutné použít gel, který vytváří spojovací most mezi sondou a povlakem.
V případě vícevrstvých aplikací lze spolehlivě změřit celkovou tloušťku nátěrového systému na kovu. Jednotlivé vrstvy lze změřit, pokud je každá vrstva silnější než 125 µm a kovový podklad je silnější než 6 mm.
Laserový potěr betonu
Laserový potěr betonu přesně řídí tloušťku a množství betonu různými způsoby, čímž zlepšuje kvalitu konstrukce a snižuje plýtvání materiálem. Klíčové principy zahrnují:
- Polohování a ovládání laseru: Zařízení vytváří laserový paprsek v oblasti konstrukce a monitoruje a ovládá výšku a úroveň laserového paprsku v reálném čase prostřednictvím senzorů.
- Funkce automatického vyrovnávání: Dokáže automaticky upravit výšku zařízení podle přednastavené elevace a tím ovládat tloušťku betonové dlažby.
- Monitorování tloušťky v reálném čase: Systém sledování tloušťky v reálném čase monitoruje tloušťku betonové dlažby a provádí úpravy.
- Výpočet a kontrola spotřeby materiálu: Systém řízení spotřeby materiálu vypočítává požadovanou spotřebu materiálu a umožňuje operátorům řídit množství míchaného a dodávaného betonu.
- Automatické ovládání a nastavení: Automatizovaný řídicí systém automaticky upravuje provozní stav zařízení podle předem nastavených parametrů, například dobu a rychlost vibrací.
- Spolupráce s ruční kontrolou a seřízením: I přes vysoký stupeň automatizace je vyžadována ruční kontrola a seřizování pro pravidelné testování tloušťky, rovinnosti a kompaktnosti betonu.
- Údržba a kalibrace zařízení: Pro zachování přesnosti je nutná pravidelná údržba a kalibrace.
- Školení a shromažďování zkušeností: Práce s laserovým potěrem vyžaduje odborné školení a akumulaci zkušeností pro optimalizaci kvality a efektivity výstavby.
Schmidtovo kladívko a tvrdoměrné metody
Schmidtovo kladívko (originál SCHMIDT) je mechanický měřicí přístroj, jehož princip vychází z měření pružné reakce od vyvozeného úderu na povrch betonu. Vnitřní rázový člen přístroje - „kladivo“ narazí definovanou energií na povrch betonu a odrazí se zpět. Velikost odrazu je závislá na tvrdosti betonu. Pomocí přepočtového diagramu, sestávajícího ze tří křivek (odpovídajících směrům rázu - nahoru, dolů, vodorovně), se určuje pevnost v tlaku v N/mm2. Tato zkouška patří mezi nedestruktivní metody, protože beton se vůbec neporuší, nebo jen minimálně.
Čtěte také: Metody měření vlhkosti betonu
Modely Schmidtova kladívka:
- Model N: Základní typ používaný v rozsahu krychelné pevnosti 10 až 70 MPa v normálním pozemním a mostním stavitelství.
- Model L: Typ se sníženou rázovou energií (cca 1/3) oproti modelu N, používaný v rozsahu krychelné pevnosti 10 až 70 MPa. Tímto modelem se zkouší tenkovrstvé stavební prvky a konstrukce s tloušťkou pod 100 mm. Vhodný pro měření tenkovrstvých betonových potěrů.
- Model P: Typová řada určená pro zkoušení stavebních materiálů s nízkou tvrdostí a pevností a pro zkoušení počátečních pevností malt.
Modely N a L se dodávají i v modifikaci s registračním zařízením, které zaznamenává naměřené hodnoty na registrační pásce, čímž se eliminuje nutnost ručního záznamu a snižuje riziko chyb. Pro větší četnosti měření se vyplatí zvážit pořízení tvrdoměru DIGI-SCHMIDT, který obsahuje převodní křivky a zobrazuje výsledky na displeji.
Příprava měření a provedení:
Beton se zkouší na vybraných zkušebních místech, která se volí tak, aby svým rozložením a počtem reprezentovala zkoušenou plochu betonu. Rozložení zkušebních míst je uvedeno v ČSN EN 12504-2. Před vlastním měřením se vybroušením za sucha pomocí brusného kamene odstraní zkarbonatovaná vrstva betonu. Před každým měřením se mají provést alespoň 3 rázy nanečisto a před každou sérií zkoušek na povrchu betonu a po jejím ukončení se musí tvrdoměr ověřit na kalibrační kovadlině. Na každém zkušebním místě se provede nejméně devět čtení. Z platných měření se vypočte medián (dle ČSN EN 12504-2). Pevnost betonu se zjistí odečtením z převodního diagramu nebo tabulky.
Omezení a chyby měření Schmidtovým kladívkem:
- Nevhodné materiály: Schmidtovo kladívko je určeno pouze k měření obyčejného hutného betonu. Nevhodné pro betonové podlahy s finální úpravou, např. s povlaky.
- Nedostatečná příprava povrchu: U betonů se silnou vrstvou cementového mléka je měření zcela znehodnoceno.
- Měření na štěrkovitém betonu: Měření na kamenivu zaznamená vysokou hodnotu, která neodpovídá pevnosti betonu.
- Měření na extrémně tenkých plovoucích potěrech: Tenká vrstva potěru pruží a zjištěná hodnota neodpovídá skutečnosti.
- Nekvalifikovaná obsluha: Důležitá je kvalifikace pracovníka provádějícího zkoušku, který musí umět posoudit vhodné místo a správně provést měření.
- Nekalibrovaný nebo znečištěný přístroj: Pravidelné čištění a seřizování v autorizovaném servisu je nezbytné. Použití olejů nebo tuků je zakázáno, neboť může vést k zadření přístroje.
Praktické aplikace a příklady měření
Diagnostika ocelových šroubů
Příkladem provedené inspekce je provedení laboratorních zkoušek ocelových šroubů, které byly nainstalovány jako spojovací prvky ocelového zásobníku. Dodané vzorky těchto spojovacích prvků byly použity pro kalibraci UZ přístroje SONIC 1200 HR od firmy STAVELEY INSTRUMENTS INC - USA a zároveň jako měřítko pro případné odchylky či změny ultrazvukového signálu v případě vnitřních nehomogenit zjišťovaných in-situ. V laboratoři byly zaznamenány echogramy pro dva druhy šroubů. Tyto výstupní laboratorní echogramy byly vzaty jako průchodová echa neporušených šroubů. Měření bylo realizováno pomocí impulsní odrazové metody. Během měření byla věnována pozornost poruchám v oblasti závitu, kde je oslaben průřez spojovacího šroubu. V případě poruchy se na A-skenu UZ přístroje zobrazí odrazové echo, které vzniká při přechodu ultrazvukového signálu přes dvě odlišná rozhraní (ocel/vzduch). Celkem bylo testováno 50 spojovacích šroubů. Ultrazvuková kontrola neprokázala výrazné poškození předmětných šroubů, neboť byly porovnány laboratorní kalibrační echogramy a echogramy získané přímo na místě měřením na spojovacích šroubech a nebyla prokázána žádná vnitřní vada či trhlina.
Ověření tloušťky patních plechů ocelových zásobníků
Další ukázkou diagnostického měření pomocí ultrazvukového přístroje SONIC 1200 HR je ověření tloušťky základových patních plechů ocelových zásobníků na tekutá hnojiva. Podezření ze zmenšení tloušťky plechu bylo vysloveno kvůli působení korozivních účinků okolního prostředí. Ultrazvukový přístroj byl z důvodu zvýšení přesnosti měření před hodnocením patních plechů kalibrován a nastaven v úzkém rozsahu měření tloušťky od 4 mm do 6 mm. Pečlivě byla zvolena zkušební místa, která musela být obroušena pro lepší akustickou vazbu ultrazvukového signálu. Byl zvolen trojúhelníkový systém měření tloušťky, aby se průměrnou hodnotou vypočtenou z těchto tří měření postihla tloušťka materiálu ve zvolené rovině. Výsledky měření neprokázaly výrazné snížení tloušťky. UZ přístroj SONIC 1200 HR umožňuje ve svém nastavení měřit tloušťku patního plechu s přesností na 0,001 mm, což je dostačující citlivost pro spolehlivé určení i malého úbytku materiálu vlivem koroze.
Měření tloušťky průmyslové podlahy metodou Pulse Echo
Ultrazvuková odrazová metoda (pulse echo) je velmi perspektivní metodou určenou zejména pro diagnostiku masivních konstrukcí a konstrukcí přístupných pouze z jedné strany. Příspěvek se zaměřil zejména na zjišťování tloušťky betonových konstrukcí a průmyslových podlah. Příkladem praktické aplikace je měření tloušťky průmyslové podlahy z drátkobetonu, kde projektová dokumentace požadovala tloušťku 240 mm. Pomocí přístroje Pundit 250 Array byla zjištěna tloušťka od 167 mm do 190 mm. Jádrové vývrty následně potvrdily tyto hodnoty.
Čtěte také: Komplexní průvodce měřením vibrací
Tabulka 1: Porovnání výsledků měření tloušťky podlahy ultrazvukem a jádrovými vývrty
| Měřicí místo | Tloušťka ultrazvukem (mm) | Délka jádrového vývrtu (mm) | Rozdíl (mm) |
|---|---|---|---|
| Místo A | 170 | 172 | -2 |
| Místo B | 185 | 183 | +2 |
| Místo C | 175 | 178 | -3 |
| Místo D | 190 | 188 | +2 |
Tato metoda umožňuje "nahlédnutí" do zkoumané konstrukce a na základě doby průchodu signálu lze stanovit tloušťku konstrukce nebo hloubku vady. Moderní přístroje zobrazují tuto dobu jako graf A-scan, který zachycuje výchylky impulsu v závislosti na čase. Pundit 250 Array, který využívá 24 snímačů, dokáže měřit do hloubky až jednoho metru.
Měření tloušťky betonu polostěn sondou Pundit 250 Array
Při měření sondou Pundit 250 Array byly zjištěny určité odchylky v naměřené tloušťce betonu. Na každé stěně byla nejprve stanovena průměrná rychlost šíření příčných ultrazvukových vln (s-wave) ze šesti měření v různé výšce. Takto stanovená rychlost pak spolu s dobou průchodu (rovněž stanovenou na 6 místech v různé výšce) sloužila k výpočtu tloušťky prvků. Průměrná hodnota tloušťky betonu polostěn stanovená sondou Pundit 250 Array vyšla 288,4 mm, což je přibližně o 3,9 % méně, než byla skutečná tloušťka. To znamená, že například při měření podlahy o tloušťce 240 mm je odchylka cca 10 mm, což lze považovat za velmi dobré hodnoty. Rozhodujícím faktorem odchylky naměřené tloušťky je stanovená rychlost šíření ultrazvukového vlnění. Současně se ukázalo, že měření může být ovlivněno vlastnostmi povrchu betonové konstrukce.
Shrnutí a doporučení
V prezentovaných příkladech inspekce kontroly kvality vybraných částí ocelových konstrukcí nebyly prokázány vady vzniklé při realizace staveb či během životnosti konstrukcí působením okolních vlivů. Byla prokázána vhodnost využití zvoleného ultrazvukového přístroje a to s více než dostatečnou přesností měření. Ultrazvuková odrazová metoda, známá ve světě pod názvem pulse echo, je velmi perspektivní metodou určenou zejména pro diagnostiku masivních konstrukcí a konstrukcí přístupných pouze z jedné strany. Dosah použité sondy Pundit 250 Array je cca 1,0 m. V prvním případě byla nedostatečná tloušťka drátkobetonové podlahy zjištěná ultrazvukem následně potvrzena pomocí jádrových vývrtů. Ve druhém případě šlo o porovnání přesnosti měření prováděného. Zde se ukázalo, že sonda Pundit 250 Array je pro stanovení tloušťky konstrukce velmi vhodná - odchylka od skutečné tloušťky činila v průměru jen −3,9 %.
tags: #pristroj #na #mereni #tloustky #betonu #princip