Reklama

Moderní metody používané nejenom při diagnostice mostů

Ing. Michal Janků, Ph.D., Ing. Jiří Grošek, Ph.D.

Recenzovaný

Za účelem zachování řádného stavu budov, mostů, silnic a dalších staveb je nezbytná jejich pravidelná údržba a kontrola skutečného stavu. Klíčovým prostředkem ke zjištění skrytých defektů jsou metody nedestruktivního testování. V článku jsou popsány vybrané nedestruktivní metody, jež lze použít při diagnostice mostních objektů, metody pro diagnostiku betonových mostů lze ale obecně využít i pro většinu ostatních betonových konstrukcí.

Reklama

1. Úvod

Kvalitní dopravní infrastruktura je znakem dobře fungujícího národního hospodářství a potažmo vyspělosti celé společnosti. Ačkoliv jsou mosty projektovány na plánovanou životnost 100 let, zdaleka by takto dlouho nemohly fungovat, pokud by pravidelně nebyl kontrolován jejich stav a prováděna pravidelná údržba. Často platí, že pokud se podaří zachytit poruchu na počátku jejího vzniku, jsou náklady na její odstranění daleko nižší než po měsících až letech nekontrolované degradace. Lokalizovat poruchu včas často znamená detekovat ji ještě dříve, než je viditelná pouhým okem. Klíčovým prostředkem ke zjištění skrytých defektů představují (v rámci diagnostického průzkumu mostů) metody nedestruktivního testování.

Hodnocení stavu mostů je komplexní činnost, při které je potřeba shromáždit maximum informací o konstrukci mostu. Prvním krokem je sběr podkladů a informací o historii konstrukce. Další součástí jsou prohlídky mostů (běžné, hlavní, mimořádné), jež přinášejí základní informace o stavu mostů. Na základě výsledku prohlídky může být doporučena oprava mostu případně diagnostický průzkum pro přesnější stanovení stavu mostu a jednotlivých částí konstrukce. Součástí diagnostického průzkumu může být i zatěžovací zkouška a následný statický výpočet. Všechny tyto kroky slouží jako podklad pro stanovení následných opatření a/nebo k určení rozsahu opravy/rekonstrukce mostu [1].

Tradiční diagnostický průzkum prováděný na betonových mostech v České republice se v současnosti nejčastěji skládá z:

vizuální prohlídky konstrukce – fotodokumentace a popis poruch, případně zjištění jejich příčin,
stanovení základních chemických vlastností betonu – stanovení pH betonu, hloubky karbonatace a množství chloridových iontů,
zjišťování kvality betonu – sklerometricky s upřesněním na jádrových vývrtech,
stanovení pevnosti v tahu povrchových vrstev – pomocí odtrhové zkoušky,
zjištění množství a polohy výztuže v ŽB konstrukcích – dříve radiograficky, nyní spíše elektromagnetickou indukční metodou a stále častěji též pomocí georadaru, ověření tloušťky výztuže je prováděno pomocí sekaných sond,
zjištění stavu předpínací výztuže – nejčastěji pomocí destruktivního odstranění betonové krycí vrstvy.

Díky rozvoji v oblasti měřicí techniky v posledních letech se stále častěji uplatňují i další nedestruktivní metody [2]. Některé z nich budou popsány v následující kapitole.

2. Diagnostické metody

2.1 Elektromagnetické indikátory výztuže

Indikátory výztuže využívají metodu, která je založena na elektromagnetickém principu, tvorbě vířivých proudů a magnetických vlastnostech ocelové výztuže. Budící cívky přístroje vytvářejí kolem sondy elektromagnetické pole, které přes beton proniká ke kovové výztuži. Toto primární elektromagnetické pole je hledaným (kovovým) cílem deformováno a vytváří v něm vířivý proud, jež současně snímají přijímací cívky přístroje. U nových konstrukcí lze pomocí této metody ověřit, zda je výztuž na správném místě a zda bylo dodrženo předepsané krytí. Při diagnostice starších mostů slouží metoda ke stanovení rozteče výztuže v konstrukci a k vytipování vhodných míst pro odběr jádrových vývrtů tak, aby nedošlo k porušení výztuže a znehodnocení vývrtu. Metoda má bohužel určitá omezení, nelze například rozeznat pruty, pokud jsou příliš blízko vedle sebe nebo nad sebou, nelze určit druh výztuže ani míru koroze.

Elektromagnetické indikátory výztuže jsou při diagnostice betonových konstrukcí využívány již desítky let, postupně však dochází k jejich zdokonalování a zpřesňování. Základní hobby přístroje lze pořídit i za jednotky tisíc, nicméně tyto indikátory kromě samotné indikace výztuže už žádné další funkce nenabízí. O něco pokročilejší přístroje již umí pro předdefinovaný průměr výztuže odhadnout tloušťku krytí. Ty nejdokonalejší indikátory, jako jsou například Profometer PM-650 (obr. 1) od firmy Proceq a Ferroscan PS 300 (obr. 2) od firmy Hilti, lze použít i pro zjištění průměru výztuže. Chyba měření by pak podle výrobců neměla činit více než jednu velikost výztuže, což u menších průměrů odpovídá 2 mm. Pokud je to možné, bývají zpravidla během diagnostických průzkumů mostů prováděny i sekané sondy, pomocí kterých lze potvrdit či upřesnit nedestruktivně získané hodnoty průměrů výztuží.

Obr. 1 Profometer PM-650 [3]

Obr. 2 Ferroscan systém PS 300 [4]

2.2 Georadar

Georadar, někdy též známý pod zkratkou GPR (Ground Penetrating Radar), je měřicí zařízení fungující na principu vysílání vysokofrekvenčních elektromagnetických impulzů do zkoumaného prostředí a následné registraci jejich zpětných odrazů.

V posledních letech se na trh dostávají nové moderní přístroje, které jsou mnohem více uživatelsky přívětivé než předchozí generace georadarů. Tyto kompaktní přístroje jsou určeny především pro jednoduchou a rychlou lokalizaci výztuže v betonu. Lze provádět jak liniové, tak i plošné skeny s automatickým vyhodnocením polohy výztuže. Ke zjednodušení měření se na povrch konstrukce lepí papírové šablony s vyznačeným rastrem pojezdů ve dvou na sebe kolmých směrech. Zjištěnou výztuž si lze následně prohlédnout i ve 3D zobrazení. Pokud nedosahuje hustota vyztužení příliš vysokých hodnot, lze lokalizovat i polohu druhé vrstvy výztuže či kabelových kanálků. Jako příklad lze uvést georadar GP8000 od švýcarské firmy Proceq (obr. 3), který je pomocí Wi-Fi propojený s tabletem iPad. Prostřednictvím tabletu lze nastavovat parametry měření nebo prohlížet naměřená data.

Obr. 3 Měření předpjatého nosníku mostu georadarem Proceq

Georadary bývají vybaveny jednou či více vysílacími anténami. Anténa generuje impulzy a vysílá je do zkoumané konstrukce. Pokud se v prostředí pod povrchem nachází nějaká diskontinuita, dochází k částečnému odražení impulzu zpět k povrchu, kde je tento signál zachycen přijímací anténou. Diskontinuita může být rozhraní mezi dvěma vrstvami s různými dielektrickými vlastnostmi, dutina nebo delaminace. Velmi dobře lze také georadar použít k vyhledání kovové výztuže v betonu.

Výrobci georadarů nabízí přístroje s různými druhy antén pracujících na frekvencích od 10 MHz až po 10 GHz. S pomocí nízkofrekvenčních antén lze provádět měření do větších hloubek, ovšem s nižším rozlišením. Naopak vysokofrekvenční antény umožňují měřit ve vysokém rozlišení, ale s nižším hloubkovým dosahem. Pro inspekce betonových konstrukcí se běžně používají antény s centrální vysílací frekvencí nad 1 GHz.

Při měření georadarem je důležitý pohyb anténou, během něhož anténa opakovaně vysílá signál do zkoumané konstrukce. Podle požadované přesnosti měření lze nastavit počet skenů na jednotku délky, v případě betonových konstrukcí je obvykle používána četnost 1–10 skenů/cm. Intenzita odražené vlny je zaznamenávána v diskrétních časových okamžicích. Výsledný záznam z měření se nazývá radargram (obr. 4). Osa x obvykle odpovídá vzdálenosti, osa y představuje čas průchodu elektromagnetického signálu prostředím. Pro lepší přehlednost se tento čas převádí na hloubku pomocí známé (nebo odhadnuté) rychlosti šíření signálu v materiálu. V případě použití papírové šablony s vyznačeným rastrem pojezdů vytvoří přístroj po změření všech linií automaticky plošný sken (obr. 5).

Obr. 4 Radargram (liniový sken) bočního líce nosníku: měkká výztuž v horní vrstvě a kabelové kanálky pod ní

Obr. 5 Radargram (plošný sken) bočního líce nosníku: měkká výztuž a kabelový kanálek

2.3 Ultrazvuková pulse-echo metoda

Základem metody pulse-echo je vysílání mechanických impulzů do zkoumaného prvku. Na rozdíl od georadaru, je však nutný přímý kontakt mezi měřicí sondou a povrchem zkoumané konstrukce. UZ sondu je tedy nutné postupně k povrchu přikládat na rozdíl od georadaru, kterým se po konstrukci pohybuje. Metoda pulse-echo je určena především k lokalizaci vnitřních vad či rozhraní materiálů. Pulse-echo sonda vysílá prostřednictvím budiče impulsy do zkoumané konstrukce, narazí-li impuls při svém prostupu materiálem na hranici mezi dvěma prostředími s různou akustickou impedancí, dochází k jeho částečnému odrazu zpět. Na povrchu je pak odražený impuls zaznamenán prostřednictvím snímače. Z naměřeného času průchodu signálu a rychlosti šíření impulzu v materiálu stanovené při kalibračním měření lze určit hloubky vnitřních rozhraní. Akustické vlny mohou, na rozdíl od elektromagnetických, prostupovat kovem. Díky tomu lze do určité míry kontrolovat i zainjektování kabelových kanálků.

Jako příklad lze uvést přístroj Pundit PD8050 (obr. 6) od firmy Proceq. Měřicí zařízení se skládá z tabletu a z osmikanálové sondy. Při měření vždy jeden kanál vysílá impulzy, zatímco ostatní kanály slouží jako přijímače (obr. 7 vlevo). Takto se postupně během chvíle vystřídají všechny kanály (obr. 7 vpravo). Výsledkem je krátký liniový sken. Sondu lze postupně přikládat ke konstrukci, přičemž UZ přístroj automaticky spojuje jednotlivé skeny za sebou a vykresluje řez konstrukcí na obrazovku tabletu.

Obr. 6a Ultrazvukový pulse-echo přístroj Pundit PD8050 [5]

Obr. 6b Ultrazvukový pulse-echo přístroj Pundit PD8050 [5]

Obr. 6 Ultrazvukový pulse-echo přístroj Pundit PD8050 [5]

Obr. 7a Schéma funkce ultrazvukové pulse-echo sondy přístroje Pundit PD8000 [5]

Obr. 7b Schéma funkce ultrazvukové pulse-echo sondy přístroje Pundit PD8000 [5]

Obr. 7 Schéma funkce ultrazvukové pulse-echo sondy přístroje Pundit PD8000 [5]

Každý jednotlivý budič/snímač má vlastní nezávislý přítlak, díky čemuž je zaručen dokonalý kontakt s měřeným povrchem, lze tak provádět měření i na hrubém betonu. Hlavní aplikace této metody je lokalizace trhlin, dutin či poruch a měření tloušťky betonových prvků. Na obrázku 8 je ukázka z měření na zkušebním betonovém bloku. Nejblíže povrchu se podařilo lokalizovat ocelovou výztuž. Pod ní se nachází kabelový kanálek, který byl ovšem zainjektován jen v jedné polovině zkušebního bloku. UZ pulse-echo přístroj dokázal správně identifikovat nezainjektovanou část kanálku. Ve spodní části záznamu je odraz od zadní stěny zkušebního bloku.

Obr. 8b Záznam z ultrazvukového pulse-echo měření [5]

Obr. 8 Zkušební blok a záznam z ultrazvukového pulse-echo měření [5]

2.4 Infračervená termografie

Infračervená termografie je založená na detekci záření objektů v infračerveném spektru vlnových délek. Zařízení, které detekuje a skládá 2D obraz infračerveného záření se obecně nazývá infračervená kamera, nebo infračervená termografická kamera, zkráceně termokamera. Výsledkem záznamu termokamery je obraz odpovídající intenzitě tepelného vyzařování snímaného objektu. Tento záznam se nazývá termogram a je obrazem rozložení povrchové teploty tělesa.

Povrchová teplota zkoumaných objektů, v našem případě mostů, se mění v závislosti na okolní teplotě, intenzitě slunečního záření a na materiálových vlastnostech. Tři hlavní faktory, které ovlivňují šíření tepla v materiálu, jsou tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita a hustota. Za běžných podmínek lze beton pro účely určení teplotních vlastností považovat za homogenní materiál. Pokud se však pod povrchem nachází nějaká dutina, dochází k přerušení kontinuity materiálu, čímž se mění charakteristiky přenosu tepla. Je-li defekt dostatečně velký a blízký povrchu, ovlivňuje i přenos tepla, což se projeví jako lokální změna povrchové teploty, kterou lze zaznamenat pomocí termokamery.

Během dne dochází obvykle ke kolísání mezi denní a noční teplotou. Na tyto změny reaguje i konstrukce. Vlivem dopadajícího slunečního záření a/nebo vzrůstající okolní teploty se nejprve ohřívá povrch objektu, od kterého se teplo dále šíří vedením hlouběji do konstrukce. Pokud naopak dojde ke snížení okolní teploty (v noci), konstrukce se ochlazuje a teplo je vedeno opačným směrem. V případě, že se pod povrchem konstrukce nachází nějaká dutina (např. delaminace), působí vzduch, který se v ní nachází jako „izolace“, jež omezuje přenos tepla. Tato porucha způsobuje, že se při změně teploty povrch nad ní zahřívá více než okolí bez závad. Při oteplování konstrukce lze proto očekávat, že oblasti nad dutinou budou teplejší než okolní nepoškozený beton – vzniká tzv. pozitivní teplotní kontrast (obr. 9). Při ochlazování konstrukce nastává opak, kdy v těchto místech dochází k rychlejšímu odvodu tepla, a proto se budou tyto oblasti na pořízených termogramech jevit jako chladnější – negativní teplotní kontrast (obr. 10).

Obr. 9 Termogram betonového mostu

Obr. 10 Termogram betonového mostu

Infračervenou termografii lze za vhodných podmínek použít pro zjišťování plošných poruch na betonových konstrukcích. Tyto poruchy bývají způsobeny například korozí ocelové výztuže. Vznikající korozní produkty mají totiž podstatně větší objem než původní kov. Jejich tvorba má za následek zvýšený tlak na betonovou krycí vrstvu. S přibýváním korozních produktů se tento tlak zvyšuje až do vzniku trhlin a delaminací betonové krycí vrstvy nebo odlupování menších částí pouze nad pruty výztuží. Následně může dojít až k úplnému odtržení částí betonu. Čím je menší hloubka uložení výztuže pod povrchem, nižší kvalita krycí vrstvy a nepříznivější prostředí, tím dříve hrozí vznik koroze. Tento problém se týká především starších mostů postavených za minulého režimu.

Další možnost využití infračervené termografie nastává při kontrole sanačních vrstev nejen betonových mostů. Pokud dojde k oddělení sanační vrstvy od podkladu, dutina způsobuje z hlediska termografického zkoušení stejný efekt jako v případě delaminace od korodující výztuže a lze ji tedy za vhodných podmínek lokalizovat pomocí termokamery (obr. 11).

Obr. 11 Porucha sanace na opěře mostu

Obr. 12 Zatékání po povrchu úložného prahu

Termografickou metodu lze také použít ke zjišťování přítomnosti vody v betonové konstrukci mostu. Při měření se vychází ze skutečnosti, že kapalina při vypařování odebírá teplo svému okolí a vlhké povrchy se na termogramech jeví jako chladnější. Pomocí termokamery tak lze odhalit oblasti s přítomností vlhkosti, která nemusí být pouhým okem na první pohled zřejmá. Na obr. 12 je patrné zatékání po povrchu úložného prahu pravděpodobně od poškozeného mostního závěru.

Použití infračervené termografie se doporučuje provádět podle certifikované metodiky Ministerstva dopravy ČR z roku 2018 [6].

3. Použití dronů pro průzkum mostů

V posledních letech dochází k velkému rozvoji dronů a spolu s ním se objevují i nové způsoby jejich využití. Jednou z řady možností jsou i prohlídky mostních konstrukcí. Dříve bylo pro kontrolu stavu vyšších mostů nutné použít vysokozdvižnou plošinu nebo tzv. mostní prohlížečku. Tato zařízení lze v mnoha případech nahradit drony. S jejich pomocí lze efektivně prozkoumat špatně přístupné části mostů. Navíc vychází použití dronů cenově i časově výhodněji ve srovnání s pronájmem mostní prohlížečky. Některé typy dronů jsou dokonce vybaveny „klecí“, která je chrání proti poškození při střetu s překážkou (kritické jsou především listy vrtulí). Dron Flyability Elios 2 (obr. 13) je navržen pro létání ve vnitřních prostorech, kromě digitální kamery je vybaven i termokamerou, výkonným přisvícením a různými senzory, které usnadňují ovládání dronu při letu.

Obr. 13 Dron Flyability Elios 2

Obr. 14 Dron při průzkumu betonového mostu

Pokud ovšem člověk létá s jakýmkoliv dronem venku, i když je to pod mostem (obr. 14), stává se automaticky účastníkem leteckého provozu a musí dodržovat určitá pravidla. Od 31. prosince 2020 začala platit nová evropská legislativa regulující provoz bezpilotních letadel (dronů). Asi největší změnou oproti předchozímu stavu je povinnost registrace. Neregistruje se dron, ale jeho provozovatel (zpravidla je jím vlastník dronu). Dále byla zavedena povinnost registrace pilota bezpilotního systému včetně online testu z teoretických znalostí. Při letu v blízkosti silničních nebo železničních mostů se pilot navíc dostává s dronem do ochranných pásem daných dopravních staveb (silnice či železniční trati) a v některých případech i vodních zdrojů či nadzemních inženýrských sítí. Pokaždé, když se chce pilot s dronem v těchto ochranných pásmech pohybovat, potřebuje k tomu další oprávnění (vydané pro konkrétní činnost) potvrzené ÚCL s předchozím souhlasem příslušného správního orgánu či oprávněné osoby. Při každém letu je potřeba provozovat dron v bezpečné vzdálenosti od nezúčastněných osob. Nelze také létat v zakázaném leteckém prostoru neboli bezletové zóně. Při létání s drony je nezbytné, aby měl pilot dronu stroj vždy na dohled očí.

4. Závěr

I přesto, že jsou tradiční diagnostické postupy stále hojně používány, vzrůstá postupně důvěra v nové nedestruktivní metody. Autoři příspěvku věří, že jejich hojnější využití je jen otázkou času. Výše popsané metody pro diagnostiku betonových mostů lze obecně využít i pro většinu ostatních betonových konstrukcí.

5. Poděkování

Tento článek je financován se státní podporou Technologické agentury ČR a Ministerstva dopravy v rámci Programu DOPRAVA 2020+, v rámci řešení projektu CK01000108 Nové přístupy při diagnostice stavu výztuže předpjatých mostních nosníků.

6. Literatura

TP 72. Diagnostický průzkum mostů PK. Praha: Ministerstvo dopravy České republiky, 2009.
JANKŮ, Michal, Petr CIKRLE, Jiří GROŠEK, Ondřej ANTON a Josef STRYK. Comparison of infrared thermography, ground-penetrating radar and ultrasonic pulse echo for detecting delaminations in concrete bridges. Construction and Building Materials. 2019, 225, 1098-1111. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.07.320. ISSN 0950-0618. Dostupné také z: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0950061819319944
SCREENING EAGLE: Profometer 650 AI [online]. [cit. 2021-09-11]. Dostupné z:
https://www.screeningeagle.com/en/products/profometer-650ai
HILTI: Ferroscan systém PS 300 [online]. [cit. 2021-09-11]. Dostupné z:
https://www.hilti.cz/c/CLS_MEA_TOOL_INSERT_7127/CLS_CONCRETE_SCANNERS_7127/r9374764
SCREENING EAGLE: Pundit ultrasonic pulse and pulse echo technologies [online]. [cit. 2021-09-11]. Dostupné z: https://www.screeningeagle.com/en/product-family/pundit
JANKŮ, Michal a Josef STRYK, Uplatnění termografie při diagnostice objektů dopravní infrastruktury: Certifikovaná metodika. Brno: Centrum dopravního výzkumu, v. v. i., 2018. ISBN 978-80-88074-34-2. Dostupné z:
https://www.cdv.cz/metodiky/
Diagnostický průzkum a prohlídky mostů: CDV [online]. [cit. 2021-09-11]. Dostupné z:
https://www.cdv.cz/diagnostika-a-prohlidky-mostu/
JANKŮ, Michal a Jiří GROŠEK. Moderní metody používané při diagnostice mostů. In: Sborník příspěvků konference Expert Forensic Science Brno 2020. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Ústav soudního inženýrství, 2020, s. 276–283. ISBN 978-80-214-5829-1.
JANKŮ, Michal a Jiří GROŠEK. Moderní metody používané při diagnostice mostů. Soudní inženýrství. 2020, 31(2), 31-36. ISSN 1211-443x.

English Synopsis

Modern Methods Used in Bridge Diagnostics

Good, well-functioning infrastructure signifies a well-run national economy and the overall state of development of the whole society. Buildings, bridges, roads, and other structures need to be regularly maintained if they are to last. In general, if a defect is detected early, the cost of its remediation is typically much lower than if it the structure is allowed to degrade for months or years. Early defect detection often means detecting one before it is visible to the naked eye. A key means of locating hidden defects are non-destructive testing methods. The article describes selected non-destructive methods that can be used in the diagnosis of bridge structures.