Problematika současných možností diagnostiky předpínací výztuže v konstrukcích

1. Úvod do problematiky

Na území České republiky se dnes nachází značné množství konstrukcí z předpjatého betonu nejrůznějších typů. Asi nejčastěji se vyskytujícími a v současnosti poutajícími pozornost z pohledu diagnostiky s účelem stanovení životnosti, jsou mosty sestavené z prefabrikovaných předpjatých nosníků různých typů, ale i mosty řešené například jako monolitická předpjatá deska, početnou skupinu v centru zájmu tvoří i předpjaté příhradové vazníky v konstrukcích průmyslových hal a další typy prvků a konstrukcí. Zatímco například střešní vazníky hal jsou prvky, které není až takový problém v případě pochybností o jejich funkčnosti v konstrukci nahradit, v případě mostních konstrukcí jde o zásadní problém, komplikovaný obecnou nechutí společnosti i investorů uvažovat o jejich náhradě, ale i problém na úrovni veřejného mínění, které má tendenci přisuzovat konstrukcím charakter „věčnosti“ a nekonečné trvanlivosti.

Vzhledem k nedávným haváriím předpjatých mostních konstrukcí v České republice i v zahraničí je v současnosti věnována mimořádná pozornost stavebně technickým průzkumům předpjatých mostních konstrukcí, s cílem stanovit nejen technický stav ale především odhadnout na jeho základě zbytkovou životnost konstrukce pro zajištění bezpečnosti při jejím využívání. Bezprostředně po havárii lávky pro pěší v Praze-Tróji byla zprvu věnována pozornost obdobným konstrukcím, která místy hraničila až s neuváženou hysterií směřující k preventivní demolici objektů. U ostatních předpjatých mostů naštěstí vedly obavy spíše k uskutečnění podrobných stavebně technických průzkumů a sledování stavu konstrukce.

Je ovšem otázkou, zda současná úroveň diagnostických metod a dostupných přístrojů pro jejich realizaci odpovídá požadavkům na dokonalý průzkum konstrukce, přesněji řečeno průzkum s ideálně relevantními výsledky pro posouzení stavu konstrukce.

2. Diagnostika předpjatých konstrukcí

Lze konstatovat, že pro stanovení celkového stavu, životnosti a užitných vlastností předpjaté konstrukce je stěžejní zejména zjištění stavu předpínací výztuže. Zde nemá smysl hovořit například o kabelech umístěných volně, mimo betonový průřez, kde je určení stavu snadné, ale jde především o předpínací dráty a kabely umístěné v kabelových kanálech. Ochrana výztuže v kabelových kanálech před korozí je do značné míry závislá na včasném a správném zainjektování kabelového kanálu vhodnou injektážní směsí. V rámci stavebně technických průzkumů předpjatých konstrukcí a dílců by tedy měla být věnována mimořádná pozornost nejen již vzniklé korozi předpínací výztuže, ale i samotné existenci správného zainjektování kabelových kanálů, kde absence injektážní směsi je vada, kterou je třeba pro snížení budoucích rizik neprodleně odstranit.

Pochopitelně v rámci diagnostiky předpjatých konstrukcí je věnována pozornost i ostatním parametrům, například vlastnostem betonu, ale stav předpínací výztuže, nebo její ohrožení je základním parametrem.

Samotnou diagnostiku stavu předpínací výztuže lze rozdělit do dvou fází. V první fázi jde o přesné určení polohy, respektive průběhu předpínacích drátů či kabelů, ve druhé fázi pak stanovení jejich stavu a přítomnost injektážní směsi.

3. Využitelné metody pro stanovení polohy předpínací výztuže v konstrukci

Přestože správná poloha předpínací výztuže, respektive kabelových kanálů v předem předpjatých i dodatečně předpjatých konstrukcích a prvcích je dána výrobní dokumentací, je třeba počítat s jistými disproporcemi, vzniklými při výrobě. Určení přesné polohy a průběhu předpínacích kanálů, a tím i výztuže je tedy logicky prvním krokem v jejich diagnostice. Nutno poznamenat, že v řadě případů je kabelový kanál vymezen ocelovou chráničkou (bezešvé trubky, Sandrik).

Vyjděme z premisy, že obecně disponujeme čtyřmi základními metodami pro stanovení polohy výztuže v betonu.

Sekané sondy – metoda založená na mechanickém odstranění krycí vrstvy betonu bouracím kladivem. Je to metoda běžně užívaná při stavebně technických průzkumech starších konstrukcí, s omezeným potenciálem. Pro specifický případ určení polohy předpínací výztuže jde o metodu zcela nevhodnou.

Elektromagnetické indikátory výztuže – přístroje založené na principu elektromagnetického pole, tvorbě vířivých proudů a magnetických vlastnostech ocelové výztuže. Zásadní nevýhodou je omezení dané principem metody, kdy jsme výrazně limitováni hloubkou uložení výztuže pod povrchem konstrukce, vzdáleností jednotlivých prutů a obecně složitostí vyztužení. Pro určení polohy předpínací výztuže jde o metodu velmi problematicky využitelnou, vzhledem k faktu, že je hloubkový dosah sond velmi omezený, a současně je pravděpodobné, že mezi povrchem betonu a předpínací výztuží se nachází měkká konstrukční výztuž, která neumožní lokalizovat další prvky hlouběji v betonu.

Georadar – metoda založená na principu vysílání vysokofrekvenčních elektromagnetických pulzů do materiálu a detekce jejich odrazu na nehomogenitách v prostředí. S příchodem radaru Hilti PS1000 začala být tato metoda vysoce využitelná i pro výše uvedený problém, výhodou je hloubkový dosah (Hilti PS1000 až 400 mm, GPR Proceq až 700 mm), okamžitá vizualizace výsledku a nezávislost na další výztuži blíže povrchu. Pro stanovení polohy předpínací výztuže lze použít způsoby měření v ploše i linii.

Dnes jsou na trhu pouze dva georadary, určené primárně pro diagnostiku železobetonových konstrukcí. Hilti PS1000 X-Scan a Proceq GPR Live. Hilti PS1000 disponuje v jedné sondě trojicí antén s frekvencí 1,5 GHz, s hloubkovým dosahem 300 mm, Proceq s jednou anténou s proměnlivou frekvencí 0,9–3,5 GHz s dosahem až 700 mm. U obou zařízení je možné transformovat výsledky měření do plnohodnotného 3D obrazu.

Naopak nevýhodou je nutnost provádět měření z rovného povrchu konstrukce, nezbytný je jistý minimální rozměr měřené plochy. Proto nelze určit vyztužení například na složitě tvarovaných, či nepřístupných částech konstrukce, to se týká zejména některých typů prefabrikovaných mostních nosníků.

Radiografie – dobře známá tradiční metoda využívající prozáření konstrukce zářením γ ze zdroje Co60, a následně zeslabení záření při průchodu konstrukcí v závislosti na objemové hmotnosti a prozařované tloušťce... Vzhledem k zásadnímu rozdílu objemové hmotnosti betonu a hustoty oceli je pak možné na výstupním médiu (radiografický film, elektronická zobrazovací média apod.) zobrazit veškerou výztuž, a při prozařování z více ohnisek přesně vyhodnotit polohu výztuže. Nevýhodou je naopak relativně malá prozkoumaná plocha, daná velikostí záznamového média (většinou 300 × 400 mm), a v současnosti diskutabilní dostupnost této diagnostické metody.

Z dosavadních rozsáhlých zkušeností pracoviště autora jednoznačně vyplývá volba georadaru, jako ideální metody pro stanovení přesné polohy předpínací výztuže v konstrukci, v případech prvků, kde je výztuž pro radarové měření nedostupná by bylo nezbytné využít radiografii, ta však z obecně známých důvodů není momentálně v České republice k dispozici (radiografie Co60).

3.1 Příklady praktické realizace lokalizace předpínacích kabelů

V následujících příkladech je demonstrováno radarové určení polohy předpínacích kabelů (přístroj Hilti PS1000 X-Scan) u tří běžných typů prefabrikovaných mostních nosníků.

Nosník KA

Obrázek 1.: Typový výkres prvku KA-67, vlevo řez v čele prvku, vpravo uprostřed rozpětí

Prvním příkladem je komorový nosník typu KA-67 délky 12 m, řešený jako uzavřený profil přibližně obdélníkového průřezu, s vnitřní šestibokou komorou. Nosníky KA byly ideově vyvíjeny od druhé poloviny 50. let 20. století a později typizovány Dopravoprojektem Bratislava. Nosník je vyztužen celkem 13 předpínacími kabely, tvořenými 7 až 12 předpínacími dráty Ø 4,5 mm. Uprostřed rozpětí se 9 kabelů nachází u spodního líce nosníku, dva u spodního líce ve druhé vrstvě a dva u horního líce, přičemž krajní dva ze spodní vrstvy a 2 v druhé vrstvě se ke konci nosníku zvedají až k hornímu líci. Pro stanovení polohy kabelů byl použit radar Hilti PS1000 X-Scan.

Obrázek 2.: Radarové skeny (radarogramy) pořízené ze spodní strany nosníku KA-67 přibližně uprostřed rozpětí. Vlevo liniový sken napříč nosníkem, zachycuje všech 11 předpínacích kabelů u spodního líce včetně těch ve druhé vrstvě. Na pravém obrázku je plošný sken 600 × 600 mm v témže místě, zachycující totožné kabely a třmínky.

U tohoto typu nosníku lze tedy přesně určit polohu kabelů, dokud se nacházejí u spodního líce nosníku, včetně druhé vrstvy. Kabely na horním líci nelze detekovat díky dutině prvku. Kabely, které se zvedají, není možné detekovat v důsledku hloubkového omezení přístroje. V případě použití radaru s větším hloubkovým dosahem by to patrně možné bylo.

Nosník I

Druhým typem předpjatého nosníku vyvíjeným současně s KA je je tzv. I nosník. I nosníky byly spojované tzv. petlicovým spojem přečnívající příčnou výztuží, výsledek byla deska s podélnými dutinami. Varianta nosníku I použitá jako příklad je vyztužena šesticí předpínacích kabelů v patě svislého dříku a v dříku samotném. (varianta s výškou 1100 mm). Pro stanovení polohy kabelů byl použit radar Hilti PS1000 X-Scan.

Obrázek 3.: Vlevo typový výkres nosníku I (řez uprostřed rozpětí), vpravo liniový radarový sken ze spodního líce, zachycující spodní trojici předpínacích kabelů a všechnu podélnou měkkou výztuž v prvku

Obrázek 4.: Plošný radarový sken formátu 600 × 600 mm provedený v totožném místě, pro názornost v provedení 2D a uprostřed a vpravo ve 3D v různém naklopení. Veškerá výztuž je jasně patrná.

I u tohoto typu nosníku lze přesně určit polohu kabelů, ovšem pouze spodní trojice. Zbylé 3 kabely umístěné v dříku se díky malé šířce dříku a zákrytu za spodním kabelem určit nedají. Bylo by to do jisté míry možné z vnitřku komory, která ale není přístupná. Výjimku tvoří v mostu krajní nosníky s přístupným bočním povrchem.

Nosník DS-A konstrukce vzpěradlového rámu se středním polem

Posledním příkladem je nosník DS-A konstrukce vzpěradlového rámu se středním polem dálničního mostu. Nosník je řešený jako komorový, s přepínací výztuží v bočních stěnách nosníku.

Obrázek 5.: Typový výkres nosníku DS-A, vlevo řez na konci nosníku, uprostřed nad mezilehlou podpěrou (vzpěrou) a vpravo uprostřed středního pole

Obrázek 6.: Radarové skeny (radarogramy) pořízené z bočního líce nosníku DS-A cca 3 m od kraje nosníku. Skeny zachytily kromě měkké výztuže 4 a 3 předpínací kabely. Zbývající dva kabely nebylo možné detekovat kvůli rozšířené horní partii nosníku. V partiích nosníku nad mezilehlými podpěrami ze stejného důvodu bylo reálné zachytit vždy na každé straně jen jeden až dva spodní kabely.

I u tohoto typu nosníku lze přesně určit polohu kabelů, ovšem pouze pokud se nachází pod rovným bokem nosníku, kde je možný pojezd sondy.

Závěrem této části je možné konstatovat, že pomocí radaru je možné určit přesnou polohu kabelů, ale dle typu nosníku je vždy část předpínacích kabelů, která není detekovatelná (cca 30–50 % z celkového počtu, či délky kabelů).

4. Následné metody stanovení zainjektování kabelových kanálů a stavu kabelů (koroze)

Obrázek 7.: Návrt k ocelové chráničce, vylomení vývrtu a průraz chráničky až ke kabelu. Současná běžná praxe kontroly.

4.1 Vizuální kontrola

Bohužel, standardní metodou pro stanovení zainjektování kabelových kanálů je v současnosti destruktivní přístup, kdy po stanovení polohy kabelů je proveden návrt jádrovým vrtáním až k okraji kabelového kanálu (ideálně krytému ocelovou chráničkou), po vylomení vývrtu následně příklepové dovrtání na kontakt s předpínacím kabelem, a konstatování zainjektování, koroze, příp. karbonatace injektážní směsi.

Tato metoda má zásadní nedostatky – když pomineme riziko poškození kabelu při neopatrném postupu, hlavním nedostatkem je pouze lokální (bodové) zjištění stavu, které nemůže postihnout opravdu zásadní část konstrukce.

4.2 Radiografie

Obrázek 8.: Příklad gamagramu modelu předpjaté konstrukce se dvěma předpínacími kabely, díky rozdílů zčernání lze jednoznačně stanovit zainjektované a nezainjektované partie (vzorek dole je nezainjektovaný)

Alternativní metodou je použití radiografie izotopem Co60 (gamagrafie). Zde při vhodné konfiguraci prozařování je možné zjistit zainjektování (či jeho absenci) bez narušení kabelového kanálu, či jeho chráničky. Problém je, že v současnosti se daným typem radiografie v České republice nikdo nezabývá, ale to se může časem změnit. Nicméně vzhledem ke komplikované realizaci gamagrafie jde opět o omezené, a lokální měření, nepostihující celou konstrukci.

4.3 Vývoj nových metod

Současnost lze charakterizovat dynamickým rozvojem nových diagnostických metod a přístrojů. I pro diagnostiku předpínací výztuže se snad najdou alternativní postupy. Na základě experimentů prováděných ve spolupráci s Firmou Proceq se zdají být jednou z cest nové radarové a ultrazvukové přístroje. Na modelových blocích v areálu Fakulty stavební VUT v Brně, které obsahují i model zainjektovaného a nezainjektovaného kabelového kanálu s výztuží byly testovány radar Proceq GPR Live a ultrazvukový odrazový přístroj Proceq Pundit PL-200 PE. Předběžné výsledky na modelu naznačily možnost dalšího vývoje a vhodnost dalších experimentů v tomto směru.

Obrázek 9.: Vlevo záznam lokalizace dvojice kabelových kanálů UZ sondou Proceq Pundit PL-200 PE, uprostřed a vpravo záznam plošného skenu radarem Proceq GPR Live. Výstupy naznačují patrný rozdíl mezi zainjektovaným a nezainjektovaným kanálem (nahoře) a pravděpodobnou možnost využití modifikace těchto metod a zařízení (samozřejmě s ohledem např. na přítomnost ocelové chráničky a podobně).

5. Závěr

Na základě dlouholetých zkušeností pracoviště v oblasti stavebně technických průzkumů a na základě řady experimentů lze konstatovat, že v případě zde předložených příkladů konstrukcí z předpjatého betonu konstrukční systémy značně předběhly úroveň a možnosti diagnostických metod. Na současné úrovni poznání je možné provádět diagnostiku stavu předpínací výztuže jen ve značně omezeném rozsahu, daném přístupností kabelů, a pouze bodově ověřovat stav výztuže. Jen rozvoj nových metod může umožnit alespoň rozšíření této diagnostiky na zásadnější rozsah objemu výztuží v konstrukci, a tím poskytnout relevantnější obraz o stavu a zbytkové životnosti konstrukce.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za finanční podpory projektu LO1408 AdMaS UP – Pokročilé materiály, konstrukce a technologie, podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky v rámci Národního programu udržitelnosti I.

Literatura

1. Vítek J. 2016. Historie předpjatého betonu. Praha: ČKAIT (Betonové stavitelství).
2. Cikrle P., Anton O. 2015. Vývoj nedestruktivních metod pro zkoušení betonu za posledních 25 let. Beton TKS 15:5.
3. Hobst L. 2007. Important Role of Radiography for determination of Conditions in Reinforced Concrete Structures. Engenharia Estudo e Pesquisa 9:7.
4. Downloads: Pundit Live Array Presentation. 2018. Proceq. [accessed 2018Aug.14].
5. Anton O., Komárková T., Heřmánková V. 2018. Conclusive Determination of Compliance with the Prescribed Reinforcement Elements of Concrete Structures – The Appropriate Methods and their Capabilities. Key Engineering Materials 776:76-80. [accessed 2019Apr.10]. https://www.scientific.net/KEM.776.76
6. Anton O., Komárková T., Heřmánková V. 2018. Methods Appropriate for Determination of the Prescribed Reinforcement of the Elements of Reinforced Concrete Structures – Nowadays Used Methods. Key Engineering Materials 776:41-45. [accessed 2019Apr.10]. https://www.scientific.net/KEM.776.41