Betonové konstrukce památek a hodnocení na základě užití NDT metod

1. Úvod

Hodnocení existujících konstrukcí objektů zasluhujících památkovou ochranu nebo uměleckých děl ze železobetonu vyžaduje specifický přístup. Jedná se v převážné většině o stavební objekty z počátků betonového stavitelství či meziválečného období, ale v poslední době vystupuje do popředí snaha chránit i objekty výrazně mladší, z období 60. až 70. let 20. století. Značná část zejména průmyslových objektů však byla postavena ryze účelově, úsporně, s omezenou životností. V průběhu doby se rovněž změnily požadavky na kvalitu a trvanlivost materiálů nosných konstrukcí. Při hodnocení starších železobetonových konstrukcí je tedy nezbytné ověřit jejich spolehlivost nejen na základě prohlídky, ale i na základě zkoušek. Pro zjištění pevnosti v tlaku a dalších vlastností betonu je sice metoda jádrových vývrtů referenční, avšak hodnocení historicky či umělecky cenných konstrukcí vyžaduje šetrnější zkoušení. Jako ideální se tedy jeví použití nedestruktivních či semidestruktivních metod, přičemž pro beton připadají v úvahu v podstatě tři metody – tvrdoměrná, ultrazvuková a metoda mikrovývrtů [1].

2. Hodnocení existujících konstrukcí památek

2.1. Hodnocení existujících konstrukcí podle ČSN ISO 13822

K hodnocení existujících konstrukcí může vést několik důvodů, např.:

• očekávaná změna v používání nebo prodloužení návrhové životnosti,
• ověření spolehlivosti požadované úřady nebo vlastníky,
• poškození konstrukce od mimořádných zatížení,
• degradace konstrukce vlivem časově závislých zatížení nebo vlivů [2].

Při ověřování spolehlivosti existujících konstrukcí a pro navrhování jejich obnov se postupuje podle zásad ČSN EN 1990 a dalších platných norem. Jelikož některé zásady a údaje zejména pro staré konstrukce v těchto normách chybí, využívá se pro jejich hodnocení norem ČSN ISO 13822 Zásady navrhování konstrukcí – Hodnocení existujících konstrukcí [2] a ČSN 73 0038 Hodnocení a ověřování existujících konstrukcí – Doplňující ustanovení [3]. Je bezesporu pozitivní, že v revidovaném vydání těchto norem jsou nově přidány i přílohy týkající se přímo hodnocení konstrukcí objektů kulturních památek.

Pro postup hodnocení konstrukce je klíčové stanovit účel hodnocení z hlediska požadavků na její budoucí funkční způsobilost, která vychází z následujících funkčních úrovní:

• úroveň bezpečnosti, která poskytuje uživatelům konstrukce odpovídající bezpečnost;
• úroveň trvale udržitelných funkčních vlastností, která poskytuje nepřetržitou funkčnost pro speciální konstrukce,
• požadavky objednatelů na speciální funkční vlastnosti, které se týkají ochrany vlastnictví (ekonomických ztrát) nebo použitelnosti [2].

2.2. Hodnocení na základě dřívější uspokojivé způsobilosti

Podle normy ČSN ISO 13822 lze existující konstrukci, navrženou a provedenou podle dřívějších platných norem, anebo na základě osvědčených stavebních postupů, hodnotit „mírněji“ než konstrukci novou, pokud jsou splněny následující podmínky z hlediska bezpečnosti:

• Pečlivá prohlídka neodhalí žádné známky významného poškození, přetížení či degradace;
• Přezkoumá se konstrukční systém, prohlédnou kritické detaily a prověří se z hlediska přenosu napětí;
• Konstrukce vykazuje uspokojivou způsobilost v průběhu dostatečně dlouhého období, ve kterém došlo v důsledku užívání a účinků prostředí k výskytu extrémně nepříznivých zatížení;
• Predikovaná degradace s uvážením současného stavu a plánované údržby nemá vliv na trvanlivost;
• Pro další plánovanou životnost konstrukce nenastanou změny, které by mohly významně zvýšit zatížení působící na konstrukci nebo ovlivnit její trvanlivost, a žádné takové změny nejsou očekávány [2].

Podobně se konstrukce zhodnotí i z hlediska provozuschopnosti. Pokud jedna nebo více podmínek nejsou splněny, pak není možné hodnocení na základě dřívější uspokojivé způsobilosti použít. V tom případě je nutné prokázat vlastnosti materiálů a konstrukcí dle současně platných norem pro navrhování betonových konstrukcí, tzv. Eurokódů. Na základě našich zkušeností však lze alespoň minimální ověření vlastností železobetonové konstrukce doporučit v každém případě, i když jsou všechny podmínky splněny. Jen málo laiků si totiž uvědomuje, že např. betony vyráběné určitou technologií před 1. světovou válkou odhadem v 95 % případů nevyhovují dnešním byť minimálním požadavkům na beton pro nosné konstrukce [1]. Situace u betonů meziválečných je jen o málo lepší. Vždyť ještě ve 30. letech 20. století byly nosné železobetonové konstrukce jako desky a průvlaky běžně vyráběny z betonu tříd d, e (ČSN 1090-1931), které odpovídají dnešnímu značení C8/10, C10/13,5. U betonu nižších pevnostních tříd navíc časem dochází k degradaci a pevnost postupně ještě klesá, takže u starých konstrukcí nejsou žádnou výjimkou pevnostní třídy C6/7,5, C4/5 a dokonce C3/3,5, pro něž v současné době není ekvivalent v normě ČSN EN 206. Pro srovnání – minimální pevnostní třída betonu pro započítání ocelové výztuže je v současnosti C 12/15 (bez přihlédnutí k agresivitě prostředí).

Často uváděný laický názor „konstrukce tu stála 100 let, a tudíž zde bude stát klidně dalších 100 let“ je založen na absolutní neznalosti dané problematiky. Ve skutečnosti jsou tyto konstrukce (myšleno železobetonové) na hranici nebo za hranicí životnosti a odpovědný majitel či posuzovatel se spíše musí ptát, jaká opatření mu zaručí, že po dobu budoucího využívání nedojde k jejich kolapsu.

3. Metody pro zkoušení pevnosti betonu v konstrukci

Metody určené pro zkoušení betonu v konstrukci jsou v podstatě obsaženy ve čtyřech částech normy ČSN EN 12504. Jedná se o tyto části:

• Část 1: Vývrty – Odběr, vyšetření a zkoušení v tlaku.
• Část 2: Stanovení tvrdosti odrazovým tvrdoměrem.
• Část 3: Stanovení síly na vytržení.
• Část 4: Stanovení rychlosti šíření ultrazvukového impulsu.

Z uvedených metod je beze sporu nejpřesnější metoda jádrových vývrtů, která ovšem představuje určitý destruktivní zásah do konstrukce. Minimální průměr jádrových vývrtů z betonu je 50 mm, z důvodu velikosti kameniva však převažují odběry vývrtů o průměru 100 mm [4]. Zvláště u památkově chráněných objektů není takový zásah žádoucí, navíc pro objektivní zhodnocení stavu konstrukce by bylo zapotřebí odebrat značné množství vzorků. Proto je ideální nejprve beton konstrukce na velkém počtu zkušebních míst vyzkoušet nedestruktivně, a teprve po jejich vyhodnocení odebrat potřebné (minimální) množství vývrtů pro upřesnění nedestruktivních zkoušek. Daný postup odpovídá normě ČSN 73 2011 [5], jenž byla v roce 2012 harmonizována s evropskými předpisy a pro zkoušení památkově chráněných a starších konstrukcí se hodí lépe než evropská norma ČSN EN 13791 [6] (určena spíše pro relativně nové betonové konstrukce). Jakou nedestruktivní metodu pro zkoušení betonu v konstrukci použít? Přímo na konstrukci můžeme aplikovat metodu tvrdoměrnou, ultrazvukovou, anebo metodu mikrovývrtů.

Tvrdoměrné metody patřily a stále ještě patří k nejpoužívanějším nedestruktivním metodám ve stavebnictví. Oblíbenost metody spočívá v poměrně jednoduchém postupu, podle něhož je možné na základě zjištěného ukazatele tvrdosti stanovit hodnotu krychelné pevnosti v tlaku betonu. Zkušební místa ovšem musíme zbavit zkarbonatované vrstvy betonu, která je obvykle výrazně tvrdší, a vybrousit je tak, aby byla jasně patrná struktura betonu [7]. Broušení zkušební plochy je samo o sobě výrazným zásahem do vzhledu konstrukce. U masivní konstrukce může být beton podélně vrstevnatý, což znamená, že vlastnosti betonu v jádře průřezu jsou jiné (často horší), než je tomu u povrchové vrstvy. Zvláštním případem je obetonování původního profilu novou vrstvou betonu, např. při statickém zajištění konstrukce v minulosti (záznamy o tom často neexistují). Povrch betonu také mohl být v minulosti upraven jemnozrnnou sanační omítkou.

Obrázek 1.: Vztah pro stanovení pevnosti v tlaku in situ z rychlosti šíření ultrazvukového vlnění (Beton TKS, číslo 3/2013 [8])

Vztahy mezi rychlostí šíření impulsu a pevností v tlaku se tedy mohou lišit podle konkrétního složení betonu. Pro neznámý beton je odhad pevnosti pouze na základě rychlosti šíření impulsu problematický. Čím je přitom pevnost betonu vyšší, tím je vzájemný vztah pevnosti a rychlosti šíření UZ impulsu méně přesný. Přesto lze pevnost v tlaku z rychlosti šíření ultrazvuku stanovit, zejména v rozsahu pevností v tlaku od 5 MPa do 30 MPa – viz Obrázek 1 [8]. Pro upřesnění tohoto směrného vztahu je však nutné provést jeho upřesnění alespoň na minimálním počtu jádrových vývrtů podle ČSN 73 2011.

Ultrazvuková metoda má proti tvrdoměrům několik výhod. Zejména není nutné brousit povrch na strukturu betonu a dále zjišťujeme vlastnosti betonu v celé tloušťce. Podmínkou je ovšem dobrá přístupnost dvou protilehlých povrchů zkoušeného prvku. Celkové zhodnocení použitelnosti všech metod pro zkoušení pevnosti betonu v konstrukci je uvedeno v Tabulce 1.

4. Příklad průzkumu staré tovární budovy

4.1. Popis konstrukce a metodika zkoušek

Obrázek 2.: Část nosné konstrukce staré tovární budovy, ze sloupu odebrán vývrt o průměru 50 mm

Obrázek 3.: Stanovení rychlosti šíření impulzů ultrazvukového vlnění přístrojem TICO

Využití ultrazvukové metody pro stanovení pevnosti v tlaku betonu historické konstrukce si ukážeme na příkladu starého továrního objektu, postaveného v roce 1915. Účelem průzkumu bylo zjistit skutečný stav nosné konstrukce z hlediska budoucího využití, přičemž ve hře bylo i prohlášení objektu památkou. Zatímco vnější zdi jsou zděné z cihel, vnitřní nosná konstrukce je železobetonová, tvořená podélnou řadou sloupů spojených podélným průvlakem s náběhy. Z něho vybíhají příčná žebra rovněž s náběhy, mezi nimiž jdou železobetonové desky – viz Obrázek 2. Nosná konstrukce na první pohled zaujme štíhlostí tvarů – jedná se o typickou konstrukci z tohoto období, která byla navržena s maximální úsporností a bez přílišných rezerv v únosnosti. Ve 3. NP je jejich profil ještě výrazně zeštíhlen. Zatímco ve stropní konstrukci byly výrazné trhliny, stav sloupů se na první pohled nezdál nikterak špatný. Ze zkušeností s podobnými konstrukcemi však víme, že beton před 100 lety obvykle nebyl příliš kvalitní – jak z hlediska použitého tmelu, tak zejména z hlediska použitého kameniva. Většinou se jednalo o neprané těžené kamenivo s nepravidelnou frakcí a nepříznivým tvarovým indexem zrn. Proto bylo přikročeno k ověření materiálových vlastností, nejprve čistě nedestruktivně pomocí ultrazvukové průchodové metody – viz Obrázek 3.

Obrázek 4.: Jádrový vývrt P-S1 o průměru 50 mm, při odběru se rozpadl vlivem velkého zrna kameniva a jeho nízké soudržnosti s tmelem

Výsledky nedestruktivních měření byly vyhodnoceny na základě směrného kalibračního vztahu, uvedeného na Obrázku 1 (převzato z [8]). Výsledky NDT zkoušek bylo samozřejmě nutné upřesnit dle zásad ČSN 73 2011, z toho důvodu byly odebrány 3 jádrové vývrty z míst, kde vycházely minimální, průměrné a maximální hodnoty rychlosti šíření impulzů ultrazvukového vlnění. Jak je patrné z dokumentace jednoho z vývrtů (Obrázek 4), kvalita betonu byla ovlivněna nevhodným složením kameniva – nerovnoměrně rozmístěnými velkými zrny těženého kameniva, dále pak špatnou soudržností mezi kamenivem a tmelem.

Hodnoty pevnosti v tlaku betonu stanovené na třech vývrtech byly použity k upřesnění všech hodnot pevností získaných z ultrazvukového měření. Součinitel upřesnění α je uveden v tabulce 2, pevnosti v tlaku vypočtené z rychlosti šíření ultrazvukového vlnění a upřesněné součinitelem α jsou uvedeny v tabulce 3.

Tabulka 2.: Součinitel upřesnění a pro přepočet NDT pevností v tlaku

Pevnost v tlaku betonu sloupů vyšla velmi nízká, což úplně neodpovídá vizuálnímu dojmu, kterým beton působí. Výsledky však do značné míry korespondují se zkušenostmi zpracovatele s betonem odebraným z podobných konstrukcí.

Výsledky ultrazvukových měření dle [9] s výpočtem pevnosti v tlaku (podle kalibračního vztahu uvedeného na Obrázku 1) jsou uvedeny v tabulce 3.

Tabulka 3.: Rychlost šíření ultrazvuku a pevnost v tlaku na sloupech

Charakteristická pevnost betonu v tlaku konstrukce nebo její části fck,is pro rovnoměrný betonu se podle ČSN 73 2011 vypočte ze vztahu

kde je

β_n

součinitel odhadu 5% kvantilu dle ČSN 73 2011;

f_m(n),is

aritmetický průměr pevností betonu vypočtený z pevností získaných na jednotlivých zkušebních místech;

s_r

výběrová směrodatná odchylka upravená podle ČSN 73 2011.

Pro daný případ vychází charakteristická krychelná pevnost v tlaku in situ f_ck,is :

Betonu nelze přiřadit žádnou pevnostní třídu dle současně platné ČSN EN 206, v ČSN 73 0038 je uvedena jako pevnostní třída C 4/5.

Výsledky zkoušek jádrových vývrtů z betonu sloupů staré průmyslové haly jednoznačně potvrdily to, co naznačilo již nedestruktivní ultrazvukové měření – totiž pokud rychlost šíření ultrazvukového vlnění klesne pod 3000 m/s, pak s jistotou nejde o konstrukční beton [8]. Beton nosné konstrukce nesplnil ani minimální požadavky na beton pro nosné železobetonové konstrukce, což je pevnostní třída C 12/15 (při nižší pevnostní třídě není zajištěna ani minimální soudržnost betonu s výztuží) [3]. Ve skutečnosti odpovídá pouze pevnostní třídě C 4/5, která není v současné normě pro beton ČSN EN 206 vůbec uvedena. Protože se v konstrukci vyskytují i závažné statické poruchy těchto konstrukcí (liniové průběžné trhliny v deskách i žebrech ve vzdálenosti cca 1 m od středové linie sloupů), pak lze konstatovat, že konstrukce není bezpečná a pro případné další využití ji bude nutné zesílit. Vzhledem k velmi nízké pevnosti v tlaku a předpokládané nízké soudržnosti s výztuží se jeví jako možné tyto způsoby řešení:

1. Zesílení nosné konstrukce obetonováním (s přidáním nové výztuže);
2. Zesílení nosné konstrukce ocelovou bandáží sloupů;
3. Vestavění nové ocelové konstrukce;
4. Demolice.

5. Závěr

Staré železobetonové konstrukce se v poslední době dostávají do popředí zájmu skupin nadšenců i orgánů památkové péče. Při hodnocení těchto objektů je často hrubým způsobem podceněno objektivní zjištění jejich stavu. Norma ČSN ISO 13822 ve svém novém vydání platném od 1. 1. 2015 obsahuje i kapitolu týkající se hodnocení nosných konstrukcí památek, kde umožňuje při splnění určitých podmínek mírnější hodnocení těchto starších objektů. Z uvedeného příkladu posouzení betonu staré výrobní haly původně navržené na památku však vyplývá, že skutečný stav konstrukce může být často výrazně horší, než na první pohled vypadá. Doporučuje se proto vždy provést průzkum konstrukce alespoň v nezbytně nutném rozsahu. Velký význam zde mají zejména nedestruktivní metody, které dokáží bez invazivního zásahu do konstrukce odhalit její slabá místa, kde lze následně provést doplňkové zkoušky na vývrtech. Z hlediska starých konstrukcí se jako nejvhodnější jeví metoda ultrazvuková, neboť je dostatečně citlivá zejména v oblasti nízkých pevnostních tříd betonu, je zcela nedestruktivní a s její pomocí dokážeme odhadnout vlastnosti betonu v celé tloušťce konstrukce.

Poděkování

Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu MŠMT AdMaS UP, LO1408.

Literatura

1. CIKRLE, P.; ANTON, O.; DANĚK, P.; KUCHARCZYKOVÁ, B.; MISÁK, P., NDT Zkoušení ve stavebnictví. Příručka kurzu CŽV., ISBN 978-80-214-4198-9, VUT v Brně FAST, Brno, 2010
2. ČSN ISO 13822 Zásady navrhování konstrukcí – Hodnocení existujících konstrukcí
3. ČSN 73 0038 Hodnocení a ověřování existujících konstrukcí – Doplňující ustanovení
4. ČSN EN 12504-1 Zkoušení betonu v konstrukcích – Část 1: Vývrty – Odběr, vyšetření a zkoušení v tlaku
5. ČSN 73 2011 Nedestruktivní zkoušení betonových konstrukcí
6. ČSN EN 13791 Stanovení pevnosti betonu v tlaku v konstrukcích a v prefabrikovaných dílcích
7. ČSN 73 1373 Tvrdoměrné metody zkoušení betonu
8. CIKRLE, P.; KOCÁB, D.; POSPÍCHAL, O., Zkoušení betonu ultrazvukovou impulsovou metodou, článek v Beton TKS, ISSN 1213-3116, Beton TKS, s.r.o., Praha, 2013
9. ČSN 73 1371 Nedestruktivní zkoušení betonu – Ultrazvuková impulzová metoda zkoušení betonu