Diagnostické metody pro hodnocení dodatečně instalovaných kotev v železobetonových konstrukcích

1. Úvod

Obrázek 1.: Pohled na sloupek silničního svodidla na mostní konstrukci po čelním nárazu osobního automobilu

Stále více moderních železobetonových konstrukcí je koncipováno tak, že doplňkové konstrukce k nim, nejčastěji ocelové, jsou připojovány pomocí dodatečně umisťovaných kotevních trnů (jedná se např. o sloupky svodidel, kotvení ocelových sloupů k železobetonovým základům, upevnění kolejnic aj.). Výrobní proces se tím zjednodušuje ve srovnání se stavem, kdy kotvící prvky byly umisťovány do bednění ještě před betonáží. Dodatečné umisťování kotev do betonových konstrukcí však vyžaduje dokonalou diagnostiku konstrukcí, aby při vývrtu nebyla narušena důležitá část konstrukce a dále dokonalou vrtací technikou, aby byla dosažena vždy navržená hloubka pro osazení kotev. Na mnoha příkladech z konkrétních staveb jsme však svědky toho, že osazení kotev není provedeno kvalitně – že mnohdy dřík kotev je zkracován, v případech, že předepsaná hloubka pro kotvu při vrtání otvorů není dosažena. Některé vady chybného provedení kotev lze zjistit vizuální prohlídkou. Např. jsou to stopy po odřezání části kotvy, které jsou patrné na vyčnívajícím dříku – nad kotevní maticí. Při chybném mechanickém provedení kotvy pak může dojít i k protáčení kotvy v ukotvení. To všechno jsou vady zjistitelné bez použití speciálního přístrojového vybavení. Výše zmíněné nedostatky pak víceméně ve všech případech výrazně ohrožují stabilitu kotvených konstrukcí, v některých případech pak zásadně ohrožují bezpečnost provozu (např. u kotvení svodidel či kolejnic).

2. Problematika provádění a zkoušení dodatečných kotev

Obrázek 2.: Pohled na kotevní šrouby mostního svodidla po provedení osové zatěžovací zkoušky, v tomto případě nebylo dosaženo požadované únosnosti

Návrh kotev do betonu, zejména pak kotev chemických, musí zajišťovat vždy zodpovědný projektant. Přitom musí brát v úvahu návrhová zatížení a požadovanou únosnost kotev. Ta závisí ve velké míře na hloubce ukotvení. Nezanedbatelnou roli však hrají i ostatní podmínky kotvení, jako je kvalita betonu, do kterého je kotva umisťována a dále kvalita lepícího tmele a v neposlední řadě dodržování technologie při osazovaní. Výsledná únosnost pak závisí i na zkušenostech a odpovědnosti firmy, která kotvení provádí. Ta by měla dohlédnout, aby otvory před kotvením byly náležitě dočištěny, aby byla dostatečná vzdálenost kotevního otvoru od okraje konstrukce i mezi otvory navzájem, aby byla garantována hloubka vývrtu, a aby byly vhodné atmosférické podmínky při osazování kotev. Na kvalitu kotev má samozřejmě vliv i přirozené stárnutí použitých materiálů a zejména pak koroze vlepovaného ocelového prvku.

Obecně lze říci, že při dobře navrženém kotvení by v případě extrémního zatížení vysoko nad navrženou únosností mělo dojít buď k přetržení vlastního vlepovaného ocelového prvku, nebo k vytržení kužele betonu podkladního materiálu.

2.1. Nedestruktivní kontrola kotevní délky zabudovaných kotev

Na základě požadavků praxe byla na Ústavu stavebního zkušebnictví Fakulty stavební VUT v Brně zkoumána ultrazvuková impulsní metoda, využívaná pro kontrolu svarů, kterou se podařilo pro měření délky zabetonovaných kotev vhodně využít. S touto metodou byla uskutečněna celá řada laboratorních měření, která byla zaměřena na nastavení přístroje a na zjištění dosahu této metody. Po laboratorních měřeních byla metoda odzkoušena in-situ, kde prokázala velkou operativnost a přesnost tohoto měření.

Principiálně je měření realizováno pomocí impulsové odrazové metody, tzn., že přístroj vysílá i přijímá impulzy, které se odráží od protější roviny geometrického útvaru. Přístroj měří čas, za který tento odražený impulz (echo) dorazí zpět do vysílače, který se přepne na přijímač. Ze známé rychlosti šíření UZ vln v oceli (cs = 5920 m/s) přístroj vypočítá dráhu, kterou signál urazí, což potom přístroj, dle svého nastavení, vyhodnotí jako tloušťku daného materiálu, či celkovou délku.

Obrázek 3.: Příklad činnosti UZ přístroje SONIC 1200HR při měření délky kotvy

Před začátkem zkoušení délky UZ přístrojem je nutné kalibrovat časovou základnu, tak, aby měřená délka vypočítána z rychlosti šíření UZ signálu materiálem byla dostatečně přesná, k čemuž se používají kontrolní měrky.

Obrázek 4.: Kontrolní měrka K 1 podle ČSN 35 6885

Základní měrka pro ultrazvukové impulsové defektoskopy pracující ve frekvenčním pásmu od 0,5 MHz do 15 MHz byla doporučena mezinárodním svářečským ústavem (International Institute of Welding, IIW). Tato měrka byla pro svou univerzálnost převzata s malými obměnami v mnoha evropských státech, také v ČR, kde je označena jako kontrolní měrka K 1, její podrobný popis je v ČSN 35 6885.

Podobný účel plní i další měrka označená K 2 podle ČSN 35 6886. Tato měrka se vyrábí opět z oceli se stejnými akustickými vlastnostmi jako měrka K 1. Pro její menší rozměry i hmotnost se jí dává přednost v montážních podmínkách. Nastavení přístroje se uskutečňuje před vlastním měřením a kontrolní měření na měrkách se provádí pravidelně během měření in situ.

Příklad měření kotevní délky na mostní konstrukci

Obrázek 5.: Pohled na mostní konstrukci přes Voznický potok

Voznický potok na trase rychlostní komunikace R4 je překlenut dvěma souběžnými mosty o sedmi polích a celkové délce přemostění 251,25 m. Nosnou konstrukci tvoří spojitý nosník komůrkového průřezu z podélně předepjatého betonu. Svršek mostu byl v rámci opravy v letech 2000–2001 vyměněn.

U mostu byly zjištěny závady v kotvení svodidel do vnější římsy levého mostu, ke kterému došlo po nárazu projíždějícího vozidla. Tato závada byla zjištěna během výkonu běžné prohlídky mostu a byla rozčleněna do následujících bodů:

• v úseku nárazu došlo k vytržení chemických kotev z betonu římsy
• některé kotvy měly zcela nedostatečnou délku. Po posouzení vlepovaného ocelového prvku bylo zjištěno, že výrobek (šroub) renomované firmy byl na stavbě dodatečně krácen
• patní plech svodidlových sloupků měl nedostatečnou tloušťku

Výše uvedené závady byly podnětem pro provedení diagnostického průzkumu, kterým měl být určen přesný rozsah závad a jejich vliv na provozuschopnost daných konstrukcí.

Cílem nedestruktivní ultrazvukové kontroly kotevních šroubů bylo ověřit jejich celkovou délku a na základě jejich přesahu přes úroveň železobetonové konstrukce římsy, zjistit jejich skutečné zapuštění do železobetonové konstrukce Kotevní šrouby slouží k připevnění sloupků svodidel. Výsledky nedestruktivní kontroly jsou zobrazeny na Obr. 6.

Obrázek 6.: Výsledky měření kotevní délky šroubů mostních svodidel. Požadovaná hloubka kotvení daná projektem byla v rozmezí 180–200 mm

Vyhodnocení měření délky kotev potvrdilo obavy zpracovatele průzkumu. U pravého mostu jsou výsledky celkem uspokojivé, ale u levého mostu jsou zjevně nevyhovující. Celkem 93 % šroubů s nedostatečnou kotevní délkou jednoznačně výrazně negativně ovlivňuje bezpečnost provozu na mostě.

2.2. Zatěžovací zkoušky kotev pro určení osové únosnosti

Obrázek 7.: Příklad závislosti kotevní délky na osové únosnosti osazené kotvy v železobetonu při zatěžovací zkoušce

Evropská směrnice ETAG (Kovové kotvy pro použití do betonu) stanoví požadavky kladené na kotvy, kritéria přijatelnosti, kterým musí vyhovět, a návody pro porozumění těchto dvou ústředních rysů, a dále metody posouzení a zkoušek použitých při provádění posouzení. Navíc jsou zahrnuty obecnější závažné aspekty, včetně informací, požadovaných všemi stranami, a kontroly kvality. Všeobecný přístup k posuzování, přijatý touto Směrnicí, je založen na kombinaci odpovídajících praktických znalostí a zkušeností s chováním kotev získaných zkouškami. Při použití tohoto přístupu se zkouškami ověřuje způsobilost kotev. Kotvy a jejich skutečné chování jsou předmětem zájmu řady skupin, včetně výrobců, projektantů a konstrukčních inženýrů, stavitelů a specializovaných montérů. Chování během použití závisí na mnoha faktorech, včetně návrhu kotvy, betonu, kvality instalace, druhu zatížení, atd. Dílčí a společný vliv různých faktorů uvedených výše není natolik znám, aby umožnil čistě teoretickými metodami určit vlastnosti zakotvení při různých druzích zatížení. Je proto nezbytné provést zkoušky, aby bylo umožněno bezpečné posouzení vlivu různých faktorů na únosnost a dlouhodobou stabilitu zakotvení.

Příklad zatěžovací zkoušky kotev svodidel na mostní konstrukci

Obrázek 8.: Provádění osové zatěžovací zkoušky soudržné kotvy mostního svodidla odbornou osobou

Ověřovací metoda, která byla použita na mostním objektu přes Voznický potok je modifikací ověřovací metody dle ETAG 001 pro neomezenou tahovou zkoušku. Neomezená tahová zkouška umožňuje neomezenou tvorbu porušení materiálu kuželu betonu, u omezených zkoušek je zabráněno selhání kuželu betonu vnesením reakce do betonu bezprostředně u kotvy. Výsledky při neomezené zkoušce jsou tedy na stranu bezpečnou. Modifikace metody spočívá ve skutečnosti, že při tahových zkouškách byla měřena pouze síla (požadavek investora) při zatěžování kotevního prvku hydraulickým dutým lisem (Obr. 8).

Obrázek 9.: Příklad průběhu zatěžovaní v čase při provádění tahové zatěžovací zkoušky kotevního prvku mostního svodidla

Pro vlastní měření tahové reakce kotevního šroubu byl použit tenzometrický dutinový siloměr HBM typ C6A 200 (zatížitelnost 200 kN, citlivost 1 kN), zatížení bylo vyvozeno dutinovým hydraulickým válcem KGF H50-75 o celkové zatížitelnosti 500 kN při zdvihu válce 75 mm. Elektricky měřené veličiny byly snímány spojitě měřící ústřednou HBM SPIDER 8 při frekvenci ukládání 1 Hz, průběh zatěžování je uveden na Obr. 9.

Výsledky tahové zkoušky provedené u kotevních šroubů levého mostu potvrdily výsledky ostatních zkoušek a lze jednoznačně konstatovat, že kotvení sloupků svodidla do levé římsy levého mostu je zcela nedostatečné –

• Počet šroubů s nedostatečnou max. sílou *  14 ks, tj. cca 88 % zkoušených šroubů
• Počet šroubů s nedostatečnou max. sílou ** 15 ks, tj. cca 94 % zkoušených šroubů
• Počet šroubů se samovolným uvolněním 8 ks, tj. cca 50 % zkoušených šroubů

Pozn.: * – v porovnání s hodnotou požadovanou TP 128 (70 kN)
          ** – v porovnání s hodnotou garantovanou výrobcem (90 kN)

S ohledem na výrazně nižší stupeň zadržení svodidel levého mostu bylo nezbytné okamžitě omezit maximální rychlost vozidel v úseku mostu.

Následně musí být provedena kompletní oprava záchytného systému tak, aby odpovídal stávajícím předpisům, které jsou platné v oboru PK.

3. Závěr

Kontroly uskutečněné v průběhu roku 2015 na konstrukcích, osazených chemickými kotvami, prokázaly výhodnost jejich použití a dobrou únosnost za předpokladu jejich kvalitního zhotovení. Bohužel také prokázaly, že v případě nekvalitní práce se tyto kotvy mohou stát zdrojem vážných havárií (vytržení svodidel při nárazu, apod.). Je tedy nutno se ve zvýšené míře zabývat kontrolní činností během zhotovování kotev a při přejímce staveb s kotvami.

V praxi se velmi osvědčila ultrazvuková kontrola délky zabudovaných kotev. Ukázala se jako velmi operativní a dostatečně přesná, lze ji spolehlivě uplatnit v praxi, např. při přejímce staveb s dodatečně osazovanými kotevními šrouby.

Poděkování

Příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

Literatura

1. HOBST, L.; VÍTEK, L., Ověřování délky kotevních šroubů v masivních konstrukcích ultrazvukovou metodou, článek v Soudní inženýrství, ISSN 1211-443X, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., Brno, 2007
2. HOBST, L.; VÍTEK, L., Další využití ultrazvukové metody pro ověřování délky dodatečných kotevních šroubů v masivních konstrukcích, kapitola v Technické a kvalitativní podmínky staveb pozemních komunikací – Kapitola 19, Ministerstvo dopravy ČR, Praha, 2008