Význam kvality zkušebních vzorků a postupů

1. Úvod

S růstem požadavků na stavební konstrukce zákonitě vznikají vyšší nároky na kvalitu postupů stavebního zkušebnictví. Promyšlené systémy ověřování kvality stavebních výrobků je třeba doplnit o postupy ověřování kvality stavebních technologií a výběrových souborů vzorků. K tomu lze využít metody výpočetní techniky, metrologie a automatizace. Není např. dostatečně rozvíjena automatizace zkušebních postupů. Cílem článku je upozornit na současné možnosti zvýšení přínosu stavebního zkušebnictví k navrhování, výstavbě a průzkumu staveb.

2. Nejistoty měření

Měření je definovaný proces tvořený promyšleným souborem experimentálních a výpočetních operací pomocí měřicího přístroje stanovenou metodikou v mezích vnějšího prostředí. Nové postupy v řízení kvality procesu měření nám umožňují stále přesněji odhadnout interval, v kterém leží s pravděpodobností skutečná hodnota měřeného znaku. Nejistota měření je odhad přiřazený k výsledku měření na základě statistického rozboru.

Jednoznačný popis zkušební metody by měl být stanoven normou, případně i s doporučením pro stanovování nejistoty měření. Příkladem je ČSN EN ISO 6892-1:2010 Kovové materiály – Zkoušení tahem – Část 1:Zkušební metoda za pokojové teploty. V informativní příloze je komentován zjednodušený postup odhadu nejistot a preciznost zkoušení kovových materiálů tahem. Zkušební metodiku nedostatečně definuje norma ČSN EN 12390-3:2009 Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles, která připouští úpravu tlačených ploch s pochybnostmi o shodnosti výsledků. Na výsledky experimentů s rozdílnými úpravami tlačných ploch při stanovení pevnosti betonu v tlaku a hodnoty modulu pružnosti upozorňuje článek odborníků z Kloknerova ústavu ČVUT v Praze [1].

Jiným zdrojem nejistoty měření může být změna v opakovaných pozorováních měřené veličiny, které při shodné pevnosti betonu jsou závislé na změnách skladby betonu referenčních těles např. velikost kameniva, uplatnění přísad a podobně. Při porovnání pulsních rychlostí ultrazvukového signálu a pevností v tlaku byl ověřen rozdílný vztah u betonů navržených dle ČSN 73 2400 a u betonů novodobého složení dle ČSN EN 206-1 [2].

Praktický význam znalosti nejistoty měření je při hodnocení požadavku dodržení toleranční meze, kdy výsledek musí vyhovět včetně jeho nejistoty měření [3]. Kvalita technických norem a přesná práce laboratoří včetně mezilaboratorních porovnání mají v tomto případě přímé ekonomické důsledky [4].

3. Hodnocení procesů pomocí variačního součinitele

Variabilita je přirozenou vlastností všech procesů a je vyvolána příčinami náhodnými a vymezitelnými (obvykle systematickými). Statistické řízení procesů má proces udržet ve stavu, kdy je ovlivňován pouze náhodnými příčinami variability. Velikost variability dává informace o velikosti rizika vzniku nekvalitního výrobku, cílem je proto minimalizovat variabilitu znaků kvality procesu [5].

Systematická práce dle zásad managementu spolehlivosti a kvality doporučená ČSN EN 1990 ed. 2.:2011 Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí umožňuje určení variačních součinitelů přímo z rozptylu plně reprezentativních zkušebních souborů (čl. D.8.2.2.6). Rozhodující jsou soubory vzorků odebraných z konstrukcí, při jejichž výstavbě byly uplatněny posuzované technologie. Jako příklad lze uvést pokrok v technologii betonu za posledních padesát let, jehož důsledkem je změna variačního součinitele pevnosti betonu v několika etapách dle zavádění mechanizace a automatizace výroby a zpracování [6].

4. Kvalita podkladů pro navrhování staveb

Důležitým výstupem stavebního zkušebnictví jsou podklady pro navrhování nových staveb a hodnocení existujících staveb. Dle nařízení EP a Rady (EU) č. 305/2011 o harmonizovaných podmínkách uvádění stavebních výrobků na trh je rozhodujícím dokladem prohlášení o vlastnostech každého výrobku. Posiluje se úloha harmonizovaných norem a jsou kladeny vyšší požadavky na výběr výrobků vhodných vlastností. Lze předpokládat, že odpovědnost posoudit vlastnosti bude ležet především na projektantech. Jde o posouzení těch vlastnosti základních charakteristik, které se vztahují k zamýšlenému použití v místních podmínkách. Lze předpokládat, že bude nutno zajistit pro projektanty možnost konzultací v nezávislých institucích.

Další vývoj požadavků na stavby nutně vyžaduje i vývoj nových materiálů a konstrukcí, včetně návrhu metodiky ověřování jejich kvality a testování degradačních modelů. Příkladem promyšleného postupu je koncepce zkoušení betonů pro uložiště jaderného odpadu s extrémní životností [7].

Tradičním zájmem investorů jsou ekonomické parametry stavby v rámci životního cyklu, pro jejich uplatnění jsou hledány vhodné modely [8]. Zkušenosti z monitorování staveb dokazují rozhodující význam volby materiálů, koncepci údržby, oprav a modernizací. Z tohoto hlediska je třeba budovat systém zkoušek trvanlivosti materiálů v souladu s degradačními modely. Lze předpokládat, že částečná automatizace výroby nebo odběru vzorků zajistí experimenty se statisticky významným počtem vzorků, jak vyplývá z doporučení normy ČSN EN 1990 ed. 2.:2011 čl. D.7.2. Při průzkumech území a staveb je účelné zvolit pracovní hypotézu s odborným odhadem kritických míst a rizik [9].

5. Příklady z praxe

5.1. Selhání hrází v New Orleans, USA

V roce 2006 došlo k selhání protipovodňového systému a následnému tragickému zaplavení města New Orleans v USA během hurikánu Katrina. Město New Orleans leží u řeky Mississippi na jih od jezera Pontchartrainse a v blízkosti Mexickeho zálivu. Proti zaplavení město chrání hráze o celkové délce 560 km, z čehož většina 455 km byla navržena, vybudována a udržována federální agenturou United States Army Corps of Engineers (USACE). Jedná se převážně o zemní hráze, často navýšené štětovými stěnami, které byli postupně budovány a doplňovány od 60. let. Během hurikánu Katrina se hráze prolomily na mnoha místech a příčin selhání byla celá řada, ale jako jedna z prvních se prolomila hráz u 17^th Street kanálu v délce asi 150 metrů i přesto, že hladina byla pod návrhovou maximální výškou.

V tomto úseku je základová půda tvořena měkkým jílem a mokrými náplavovými zeminami (Obr. 1). Hráz selhala vytvořením smykové plochy v měkké vrstvě náplavových zemin, příčinou selhání bylo přecenění smykové pevnosti této vrstvy [10].

Obrázek 1: Řez hrází v místě kanálu 17^th Street.

V projektové fazi byl proveden obvyklý počet průzkumných vrtů a odebrány vzorky ke zkouškám v laboratoři. Naměřené hodnoty pevnosti ve smyku byly zaneseny do grafu (Obr. 2).

Obrázek 2: Graf pevnosti zemin v mistě hráze kanálu 17^th Street.

Při vyhodnocování výsledků došlo k několika chybám:

• Návrhová pevnost, vyznačena silnou čárou, je vyšší než řada naměřených hodnot. Projektanti použili návrhovou pevnost 0,19 tsf (0,018 MPa), zatímco skutečná průměrná hodnota v místě selhání byla 0,13 tsf (0,012 MPa).
• V grafu jsou zahrnuty výsledky vzorků odebraných v úseku 2,4 km, což je nehodné v místech s vyšší geologickou variabilitou jako je New Orleans.
• Všechny vrty byly situovány v ose hráze, kde zemina konsoliduje, zvyšuje pevnost, vlivem zatížení zemní hrází. Při vyšetřování se prokázalo, že v patě hráze byly hodnoty pevnosti ještě nižší.

Celý ochranný protipovodňový systém je velice rozsáhlý a budovaný po částech v rozpětí mnoha let a nedošlo k jeho celkovému zhodnocení z hlediska rizika. Postup na základě analýzy vyžadoval identifikaci kritického místa, analýzu zjištěných hodnot, případné potvrzení opakovaným odběrem vzorků, neboť riziko selhání v kritickém místě je rizikem selhání celého systému – zaplavení města.

5.2. Analýza podzemních vod v okolí řízených skládek ve státě Wisconsin, USA

Při návrhu, provozu i po uzavření řízených skládek ve státě Wisconsin je nutné sledovat kvalitu podzemní vody v celém obvodu skládky [11]. Před výstavbou skládky je nutné prokázat počáteční koncentraci normou stanovených parametrů, a to odběrem nejméně 8 vzorků ve čtvrtletním intervalu. Pokud je skládka stavěna v místech s předchozí kontaminací tzv. brownfields, kde již počáteční koncentrace přesahují hladiny stanovené normou, je nutno vypočítat místní limity.

Během provozu a po uzavření skládky, což většinou zahrnuje několik desetiletí, je kvalita podzemní voda nadále sledována čtvrtletním vzorkováním. Výsledky jsou porovnávány s limity a statisticky vyhodnoceny, často používaná je metoda Sheward-Cusum kontrolních grafů, která bere v potaz všechny předchozí měření a vyhodnotí, zda potencionální zvýšení je statisticky významné [12]. Vzhledem k velkému objemu dat je pro zpracování, přípravu grafů a statistické vyhodnocení výhodné použít automatizovaných databází.

6. Závěr

Stavební zkušebnictví dosud plně nevyužilo současných možností výpočetní techniky a automatizace pro zvýšení efektivity a kvality svých procesů. Jednou z příčin je nedostatek finančních možností pro zabezpečení zkušebních postupů v rámci celého životního cyklu stavby.Pro zdůvodnění těchto finančních nákladů v rámci výběrových řízení dosud není využíváno doporučení normy ČSN EN 1990 ed. 2.:2011, které stavební konstrukce člení dle následků poruchy nebo funkční nezpůsobilosti.Tomuto začlenění odpovídají nároky na prevenci, tedy především na kontrolu při návrhu a kontrolu při provádění stavby.

Literatura

• [1] HUŇKA, P., KOLÁŘ, K., BOUŠKA, P., ŘEHÁČEK, S.: Vliv způsobu zakoncování tlačných ploch zkušebního tělesa na hodnotu statického modulu pružnosti v tlaku. In Zkoušení a jakost ve stavebnictví 2011. Fakulta stavební VUT v Brně. 2011. p. 103–111. ISBN 978-80-214-4338-9.
• [2] CIKRLE, P., KOCÁB, D., POSPÍCHAL, O.: Možnosti využití ultrazvukové metody pro stanovení pevnosti v tlaku mostního betonu. In Zkoušení a jakost ve stavebnictví 2011. Fakulta stavební VUT v Brně. 2011. p. 53–60. ISBN 978-80-214-4338-9.
• [3] MENCL,V., NOVÁK,J.: Řízení jakosti ve stavebnictví. ČKAIT 2002, p. 154. ISBN 80-86426-12-2.
• [4] VYMAZAL,T., MISÁK,P., KUCHARCZYKOVÁ,B., DANĚK,P.: Programy zkoušení způsobilosti poskytované ÚSZK FAST VUT pro rozvoj zkušebních laboratořích, In Zkoušení a jakost ve stavebnictví Brno 2011, Fakulta stavební VUT v Brně, 2011, p. 473–477, ISBN 978-80-214-4338-9.
• [5] PAVLÍK,A., DOLEŽEL,J.: Nedestruktivní vyšetřování betonových konstrukcí, Praha, 1977, SNTL, p. 276.
• [6]Soubor příspěvků, Seminář Statistika ve stavební kontrole, Svratka, 1972.
• [7] DROCHYTKA,R., BYDŽOVSKÝ,J., DUFKA,A.: Koncepce zkoušení betonů s extrémní dobou exploatace, In Zkoušení a jakost ve stavebnictví Brno 2011, Fakulta stavební VUT v Brně, 2011, p. 65–71, ISBN 978-80-214-4338-9.
• [8] TEPLÝ,B.: Jak lze chápat ekonomickou výhodnost u veřejné zakázky?, čas.Stavebnictví, roč. 6. č. 06-07/2012, p. 48–50, ISSN 1802-2030.
• [9] MENCL,V. Stavebně technické průzkumy, Metodická pomůcka 8.1. ČKAIT, 2011.
• [10] ASCE American Society of Civil Engineers Hurricane Katrina External Review Panel: The New Orleans Hurricane Protection System What Went Wrong and Why. ASCE, 2007. ISBN 978-0-7844-0893-3.
• [11] Wisconsin Administrative Code, Chapter NR 140, Groundwater Quality, Register January 2012.
• [12] GIBBONS, R. D. : Statistical Methods for Groundwater Monitoring, John Wiley & Sons, 1994, ISBN 0-471-58707-9.