Zkušenosti s georadarem při stavebně technických průzkumech

1. Úvod

Georadar (v anglofonní oblasti GPR – ground penetrating radar) je metoda založená na principu vysílání vysokofrekvenčních elektromagnetických pulzů (frekvence řádově stovky MHz až jednotky GHz) do zkoumaného prostředí a na následné registraci jejich odrazů od překážek. Dosah georadaru dle prostředí činí až 15 m. Metoda je dnes již standardně využívaná k lokalizaci nehomogenit v zemním prostředí (archeologické průzkumy, vyhledávání polohy potrubí apod.), dále k lokalizaci dutin za stěnami a ostěním tunelů, chodeb a stok a v poslední době je metoda využívána pro lokalizaci ocelové výztuže a dalších nehomogenit v betonu při diagnostice železobetonových konstrukcí.

Zatímco ve světě, především v USA, patří georadar ke standardně používaným diagnostickým metodám, a na toto téma se pořádají specializované odborné konference, v České republice není metoda GPR ve stavebnictví zatím příliš rozšířená a odbornou veřejností dostatečně akceptovaná. Lze konstatovat, že příčina spočívá nejspíše ve faktu, že donedávna používané aparatury se vyznačovaly komplikovaností, zdlouhavostí měření, a vyhodnocení měření vyžadovalo značnou odbornou erudovanost obsluhy. Přelomem se stal přístroj Hilti PS 1000, určený pro užití řadovými techniky při provádění stavebně technických průzkumů. Následující řádky mají za cíl popsat první zkušenosti pracovníků Ústavu stavebního zkušebnictví, Fakulty stavební VUT v Brně s daným zařízením v rámci provádění stavebně technických průzkumů.

2. Lokalizace ocelové výztuže v železobetonu při stavebně technických průzkumech

Nedílnou součástí stavebně technických průzkumů je stanovení polohy ocelové výztuže v železobetonových prvcích konstrukce, ať již z důvodu možnosti statického přepočtu konstrukce, nebo např. při odběru vzorků betonu jádrovými vývrty, kdy je třeba minimalizovat riziko přerušení výztuže při vrtání. V současnosti lze užít několik metod k dosažení cíle, nicméně každá z nich má své limity a omezení.

2.1 Metoda destruktivní – odstranění krycí vrstvy betonu

Často používanou možností, vyžadující jen minimální vybavení, je destruktivní odstranění krycí vrstvy betonu, s cílem vizuálně vyhodnotit obnaženou výztuž. Pomineme-li fakt, že dochází k vizuálnímu poškození konstrukce, které často bývá více než „kosmetické“, základním omezením je u složitěji vyztužených prvků velké riziko nekompletnosti výsledků, kdy výztuže uložené hlouběji pod povrchem nejsou často zjištěny. Jde o metodu použitelnou pouze pro velmi jednoduché případy vyztužení.

2.2 Metoda elektromagnetických indikátorů výztuže

Magnetická metoda zjišťování polohy výztuže je založena na využití feromagnetického jevu nebo vířivých proudů, které způsobují změnu charakteristik magnetického pole sondy při jejím přiblížení k prutům výztuže.

Zásadní omezení metody spočívá v hloubkovém dosahu přístroje (60–220 mm dle druhu přístroje a použité sondy), v nemožnosti lokalizovat více vrstev výztuží nad sebou a stanovit druh výztuže či míru koroze. Rovněž v případě hustého vyztužení (malá vzdálenost prutů výztuže) tato metoda zčásti, nebo zcela selhává! Předností elektromagnetických indikátorů je rychlost a jednoduchost kontroly polohy výztuže, nevýhodou řada omezení vyplývající z možností přístrojů, jež jsou dána fyzikálními principy této měřící metody.

2.3 Radiografie

Příklad radiogramů, které stanovily polohu výztuže ve vazníku, která neodpovídala projektové dokumentaci.

Radiografická metoda je založena na specifických vlastnostech záření gama (zdrojem je nejčastěji izotop ⁶⁰Co), které je rozptylováno a absorbováno prostředím, kterým prochází. Míra zeslabení při stejné energii záření je závislá na prozařované tloušťce a na objemové hmotnosti materiálu. V technické praxi jde tedy o metodu, umožňující zobrazení vnitřních nehomogenit v materiálech a prvcích konstrukcí zcela bez porušení.

V případě železobetonu je například záření zeslabováno výrazněji ocelovou výztuží, nežli betonem. Míra zeslabení záření po průchodu materiálem je dosud obvykle zaznamenávána na radiografickém filmu, který po vyvolání zobrazuje vnitřní strukturu kontrolovaného místa. U železobetonu se rozložení výztuže v prozařované části konstrukce projevuje světlejšími stopami nižšího zčernání na vyvolaném filmu, způsobeným centrálním průmětem výztuže na radiografický film. Metoda umožňuje v kompletním rozsahu stanovení polohy, druhu a průměru hledané výztuže, omezujícími faktory jsou časová náročnost a složitost metody, a rovněž nutnost vyloučení pohybu osob v okolí prováděných zkoušek z důvodu ochrany před zářením.

2.4 Georadar

Z popisu výše uvedených metod je zjevné, že každá z metod vykazuje nedostatky či omezení, ať už dané rizikem neúplnosti výsledků, nebo komplikovaností při provádění. Na to, stát se vhodným doplňkem, jakýmsi funkčním mezičlánkem mezi elektromagnetickými indikátory a radiografií, od počátku aspirovaly georadary. Jejich zavedení v širším měřítku donedávna bránila jak cena, tak především velikost zařízení a komplikovanost provádění měření i vyhodnocení georadarového záznamu. Georadarové aparatury rozhodně nebyly určeny pro užití řadovými techniky, navíc, většina aparatur nebyla prvoplánově určena pro průzkumy železobetonových prvků. Z toho důvodu, navzdory snahám řady subjektů, se v České republice nikdy nestal georadar zcela plnohodnotnou, a běžně užívanou metodou v rámci stavebně technických průzkumů.

3. Hilti PS 1000

Přelomem ve využívání principu georadaru při stavebně technických průzkumech se stalo uvedení na trh přístroje PS 1000 firmy Hilti. Jak konstrukce zařízení, tak používaný software, jsou přímo určeny pro diagnostiku železobetonu, s předpokládanou možností určit jak polohu ocelových výztuží, tak dalších případných nehomogenit v prvcích betonových konstrukcí. Na rozdíl od klasických georadarů je sonda, určená k pohybu po povrchu konstrukce relativně malá, a pro dokonalé určení polohy i několika objektů ležících nad sebou je osazena trojicí antén. Vzhledem k tomu, že na volbě vysílací frekvence závisí jednak hloubkový dosah zařízení, jednak minimální velikost detekovatelného objektu zvolil výrobce řešení, umožňující detekci objektů s následující přesností:

• Hloubka detekce do 300 mm
• Přesnost lokalizace ±10 mm
• Přesnost určení hloubky ±10 mm

Sonda přístroje Hilti PS 1000 při liniovém skenování stropní konstrukce.

Pohybem koleček vozíku sondy je detekován a zaznamenáván její pohyb po povrchu konstrukce. Připojený software poté přímo vytváří na monitoru jak sondy, tak později v počítači nebo dodaném monitoru, přímo vykreslení polohy zachycených objektů, a to buď jako 2D zobrazení (půdorys skenované plochy + řezy ve dvou, na sebe kolmých rovinách), nebo přímo 3D zobrazení skladby zjištěných objektů ve zkoumané části konstrukce).

V praxi lze použít buď jednodušší liniový sken (pohyb sondy jen v jednom směru, zde je použití do jisté míry analogické k užívání magnetického indikátoru výztuže), nebo lze užít plošný sken, kdy sondou pohybujeme po povrchu konstrukce v předem nastaveném rastru buď na ploše 600 × 600 mm, nebo 1200 × 1200 mm.

Nevýhodou georadaru je fakt, že v případě lokalizace ocelové výztuže není zařízení schopné stanovit průměr lokalizované výztuže, ten je třeba stanovit užitím některé alternativní zkušební metody.

4. Praktické testy Hilti PS 1000 při stavebně technických průzkumech

4.1 Lokalizace výztuže ve stropu při odběru jádrových vývrtů

Oblast budoucího vývrtu skenovaná přístrojem PS 1000, v půdorysu skenu zobrazena dvojice trubek v hloubce cca 70 mm od povrchu podlahy (zobrazen je půdorys skenované plochy s objekty v hloubce od 0 do 100 mm, a svislé řezy v navzájem kolmých rovinách).

Při provádění diagnostiky železobetonového stropu, vestavěného do historického objektu, bylo nutno provést několik vrtů stropem, jak pro zjištění jeho skladby, tak pro následné určení vlastností betonu železobetonové desky. Bylo žádoucí nepřerušit žádnou z výztuží v oboustranně armované železobetonové desce (jak ze statických důvodů, tak pro zajištění možnosti z odebraných vzorků vytvořit relevantní zkušební těleso pro stanovení pevnosti betonu v tlaku). Odhadovaná celková tloušťka stropu byla 300 mm včetně skladby podlahových vrstev. Strop byl (z důvodu umístění podhledu) přístupný pouze s horní strany. Pro zjištění polohy výztuže nebyla použitelná žádná z konvenčních metod – pro elektromagnetické indikátory i sekané sondy byla konstrukce nepřístupná, radiografie nebyla zvažována z důvodu rozpočtového omezení průzkumu.

V místech plánovaných vrtů byly provedeny plošné skeny přístrojem Hilti PS 1000. Zařízení spolehlivě zachytilo jak horní, tak dolní výztuž v železobetonové desce, a současně lokalizovalo rozvod vody, vedený ve vrstvách vyrovnávacích betonů. Lze konstatovat, že v tomto případě byl georadar jedinou prakticky použitelnou metodou pro zjištění polohy veškerých výztuží v zájmové oblasti. Radiografie by podala obdobné výsledky (navíc s určením průměru výztuže), nicméně až po vyhodnocení v laboratoři, což by chod průzkumu zpomalilo a zkomplikovalo.

Oblast budoucího vývrtu skenovaná přístrojem PS 1000, v půdorysu skenu zobrazena horní výztuž železobetonové desky v hloubce cca 150–170 mm od povrchu podlahy (zobrazen je půdorys skenované plochy s objekty v hloubce od 130 do 180 mm, a svislé řezy v navzájem kolmých rovinách).

Oblast budoucího vývrtu skenovaná přístrojem PS1000, v půdorysu skenu zobrazena spodní výztuž železobetonové desky v hloubce cca 300–320 mm od povrchu podlahy (zobrazen je půdorys skenované plochy s objekty v hloubce od 270 do 230 mm, a svislé řezy v navzájem kolmých rovinách). Poloha takto hluboko uložené výztuže byla zobrazena vlastně již mimo deklarovaný hloubkový dosah zařízení!

4.2 Lokalizace ocelového I profilu

V objektu byla vytvořena nová příčka, obsahující nový nosný prvek, trám, nacházející se nad stropní deskou. V trámu předpokládáme vložený I profil, předpoklad bylo třeba potvrdit. Vzhledem k šířce trámu byl předpokládaný I profil na samé hranici dosahu elektromagnetických indikátorů, jejich použití komplikovala konstrukční výztuž umístěná blíže povrchu prvku. Sekaná sonda nebyla možná z důvodu požadavku na nepoškození interiéru. Radiografie byla navržena jako poslední možnost při selhání ostatních metod. Na líci vestavěného trámu byly provedeny skeny v ploše 600 × 600 mm, na jejich výsledcích byla patrná jak poloha třmínků a konstrukční výztuže, tak poloha vloženého I profilu.

Poloha I profilu se zobrazila v podobě výrazných bodů v okrajích pásnic a v koutech mezi pásnicemi a stojkou profilu. Zde je již třeba jisté zkušenosti vyhodnocovatele, aby byl schopen identifikovat typ zobrazeného objektu.

Oblast trámu skenovaná přístrojem PS 1000, v půdorysu skenu je jasně patrný ocelový I profil (pro názornost v půdorysu potlačeno zobrazení třmínků a další výztuže). Profil je v řezu zobrazen okraji pásnic a kouty mezi stojkou a pásnicemi).

Oblast trámu skenovaná přístrojem PS 1000, poloha ocelového I profilu zde pro názornost vyznačena červeně.

4.3 Lokalizace ohybů smykové výztuže v trámech silničního mostu

Poloha ohybů smykové výztuže v trámu mostu tak, jak byla v minulosti určena radiografickým průzkumem.

Při provádění diagnostiky silničního mostu v obci Ivančice, byla v minulosti využita radiografie pro stanovení polohy ohybů smykové výztuže v trámech mostu. Radiografie byla provedena formou bočních expozic, kdy zdroj záření byl umístěn na jednom bočním líci trámu, radiografický film na druhé, a takto byla provedena řada expozic. Vzhledem k šířce trámu 600 mm byla tato radiografie komplikovaná, zejména extrémně dlouhými expozicemi, nutnými k prozáření této tloušťky betonu. Radiografie nicméně zcela přesně stanovila polohu ohybů smykové výztuže.

Na téže konstrukci byl ke stejnému účelu v současnosti otestován přístroj Hilti PS 1000. Byla provedena řada plošných skenů z obou stran trámu mostu, ve shodných místech, kde byla provedena radiografie. Lze konstatovat, že georadar zobrazil všechny hledané ohyby smykové výztuže. Na rozdíl od radiografie nebylo pochopitelně možné ze záznamu určit profily výztuží, nicméně v současné praxi by bylo vhodné k tomuto účelu kombinovat řadu měření georadarem a dílčí měření radiografií.

Poloha ohybů smykové výztuže v trámu mostu zobrazená na části skenů přístrojem PS 1000.

5. Závěr

Na základě dosavadních testů přístroje Hilti PS 1000, je možno konstatovat, že pro stanovení polohy ocelové výztuže v železobetonu při stavebně technických průzkumech toto zařízení tvoří dlouho postrádaný mezistupeň mezi elektromagnetickými indikátory a radiografií. V řadě případů dokáže ostatní metody vhodně doplnit, v některých případech částečně nahradit. Mezi zásadní klady patří relativně vysoký hloubkový dosah, možnost přehledného zobrazení více objektů nad sebou a okamžité vyhodnocení. Nedostatky plynou z fyzikální podstaty metody, a jsou to jednak nemožnost určení profilu výztuže, a v některých případech nejednoznačnost druhu lokalizovaného objektu. Při dalších měřeních bylo například zjištěno, že zcela selhává v případě použití drátkobetonu.

Přístroj je schopen do jisté míry identifikovat i jiné objekty a materiály, než ocel, včetně dutin, ale to je již téma mimo rozsah tohoto článku a bude zpracováno v dalších publikacích.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory centra kompetence TAČR TE01020168, a nesl název „Centrum pro efektivní a udržitelnou dopravní infrastrukturu (CESTI)“.

Literatura

• [1] ANTON, O.; ŠTAINBRUCH, J.; KORDINA, T., Rozvoj a použití georadaru při diagnostice železobetonových konstrukcí, článek v Beton TKS, ISSN 1213-3116, Beton TKS s.r.o., Praha, 2011
• [2] ANTON, O.; KORDINA, T.; ŠTAINBRUCH, J., Influence of GPR scanning method for measuring the quality of raw and processed data, příspěvek na konferenci 8^th Workshop NDT 2010 Non Destructive Testing in Engineering Practice, ISBN 978-80-7204-723-9, FAST, VUT v Brně, Brno, 2010
• [3] CIKRLE, P.; ANTON, O.; DANĚK, P.; KUCHARCZYKOVÁ, B.; MISÁK, P., NDT Zkoušení ve stavebnictví. Příručka kurzu CŽV., ISBN 978-80-214-4198-9, Ústav stavebního zkušebnictví, VUT v Brně FAST, Brno, 2010
• [4] KORDINA, T.; KADLECOVÁ, Z.; ANTON, O., Evaluation of the Influence of a Scanning Method on the Resulting Quality of the GPR Images, příspěvek na konferenci Proceedings of the XIII International Conference on Ground penetrating Radar Lecce (Italy), 21–25 June 2010, ISBN 978-1-4244-4605-6, 2010