Průkazné stanovení vyztužení železobetonové konstrukce a vhodné NDT metody

1. Úvod do problematiky

Je paradoxem dnešní doby, že při provádění železobetonových konstrukcí, navzdory snahám o maximální dodržení jakosti výroby, neustále dochází ke vzniku vad, jejichž příčinou je odchylka reálného vyztužení jednotlivých prvků konstrukce ve srovnání s projektovou dokumentací.

Ve srovnání s dobami dávno i nedávno minulými se můžeme jen domnívat, kde se nachází převládající příčiny.

Při stavebně technických průzkumech se s tímto jevem setkáváme rovněž. V těch vzácných případech, kdy se dochovala projektová dokumentace například u monolitických železobetonových skeletů z 30. let 20. století, je poměrně běžné například využití výztužných prutů jiných průměrů, než je uvedeno ve výkresech. Příčina (zejména na konci 30. let) tkví patrně v nedostatku konkrétní výztuže na trhu. Nicméně tehdejší stavitelé či stavbyvedoucí byli natolik erudovaní, že operativně přepočítali výztuž tak, aby předepsanou nahradili v daném místě alternativou jiných průměrů, ale ze statického hlediska pak např. celkový průřez výztuží v daném místě byl vyšší na stranu bezpečnou. Takovéto odchylky se pak nemohly stát příčinou pozdějších poruch konstrukcí. Pochopitelně i v minulých dobách se vyskytly případy nepřesného uložení výztuže v rámci daného průřezu, ale jsou spíše výjimečné.

Ve srovnání s tím, v dnešní době se setkáváme s problémem odchylky vyztužení od projektovaného relativně častěji. Příčin je řada, ale ve většině případů jde buď o vysloveně technologickou nekázeň při vázání či ukládání armokošů, špatné čtení výkresů, či vysloveně záměr v případech, kdy v reálu není možné, nebo je obtížné dodržet to, co projektant uvedl ve výkresech. Na výsledku se ve finále podepíše nedostatečná kontrola před vybetonováním příslušného prvku konstrukce.

V případě výskytu následných poruch konstrukce ve formě trhlin či nadměrných průhybů a podobně je pozoruhodná víra řady stavebních firem, že daný problém se skrývá v betonu, kde jej již není možné prokázat.

Prokázání daných vad je poté častým úkolem nedestruktivního zkušebnictví. Ústav stavebního zkušebnictví Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně má s těmito úkoly již několik desítek let zkušeností.

2. Výběr vhodných NDT metod pro stanovení polohy výztuže

V současnosti disponuje oblast stavebního zkušebnictví de facto čtyřmi metodami pro stanovení polohy výztuže v železobetonové konstrukci.

• Sekané sondy – metoda založená na mechanickém odstranění krycí vrstvy betonu bouracím kladivem. Je to metoda běžně užívaná při stavebně technických průzkumech starších konstrukcí. Pro užití na nových konstrukcích ve výše uvedených případech je zcela nevhodná, neboť ve většině případů je jakékoli poškození povrchu konstrukce nežádoucí.
• 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. Nicméně u jednoduše vyztužených konstrukcí jde o metodu, díky které je možné jednoduše a rychle kontrolovat například dodržení krytí a podobně. Poslední generace přístrojů již poskytuje jistou možnost vizualizace výstupů (např. Proceq Profometer PM-630 nebo Hilti PS-200 Ferroscan) a zpřesnění stanovení odhadu průměru výztužných prutů.
• Georadar – metoda založená na principu vysílání vysokofrekvenčních elektromagnetických pulzů do materiálu a detekce jejich odrazu na nehomogenitách v prostředí. S příchodem radaru Hilti PS-1000 začala být tato metoda vysoce využitelná i pro výše uvedené problémy, výhodou je hloubkový dosah (až 400 mm), okamžitá vizualizace výsledku a možnost zachycení více vrstev výztuže za sebou. Nevýhodou je naopak nemožnost stanovení průměru a typu výztuže.
• Radiografie – metoda využívající prozáření konstrukce zářením γ ze zdroje Co60, a následně zeslabení záření při průchodu konstrukcí v závislosti na objemové hmotnosti. Vzhledem k zásadnímu rozdílu objemové hmotnosti betonu a hustoty oceli je pak možné na výstupním médiu (radiografický film, paměťová folie apod.) zobrazit veškerou výztuž, a při prozařování z více ohnisek přesně vyhodnotit jak polohu výztuže, tak její průměry.

3. Volba vhodné metody v době nedávno minulé

Z výše uvedených popisů jednotlivých metod je jednoznačně zřejmé, že ideální metodou pro stanovení polohy výztuže je radiografie. Ústav stavebního zkušebnictví FAST VUT v Brně v minulých letech řešil řadu případů závažných poruch novostaveb, kde příčinou bylo špatné vyztužení. Pro řešení těchto úkolů byla prakticky výhradně používaná radiografie pomocí izotopu Co60. Zásadní výhodou byly 100% výsledky stanovení polohy výztuže, při zachování principu nedestruktivity této metody. Zásadním omezením však byl fakt, že metoda využívá gama zářič vysoké aktivity, což s sebou nese řadu omezení vyplývajících z nutnosti vytyčit a zajistit v místě prozařování přechodné kontrolované pásmo se všemi náležitostmi danými předpisy ve smyslu ochrany zdraví před ionizujícím zářením. V praxi to znamená, že pro aplikaci radiografie na konstrukci je nezbytné v okolí konstrukce zcela zamezit pobyt a pohyb osob na dobu prozařování. Nicméně i tak byla metoda mnohokrát úspěšně využita.

Jak ukázaly zkušenosti, radiografická metoda byla díky vizuální vypovídací schopnosti ideálním prostředkem prokázání špatného vyztužení prvků železobetonových konstrukcí. Její výsledky byly při správné aplikaci stoprocentní, a díky vizualizaci velmi dobře dokumentovatelné.

3.1 Radiografie – příklad první – Prefabrikované vazníky v obchodním centru

Typickým příkladem stanovení příčiny vzniku poruch je případ vazníků nesoucích střešní konstrukci supermarketu. Zároveň jde o typický příklad technologické nekázně při výrobě prefabrikátů daný opomenutím či záměrným vynecháním části vyztužení, které se obtížně provádělo. Každý vazník byl opatřen třemi otvory pro případné protažení rozvodu vzduchotechniky. U řady vazníků se brzy po uvedení konstrukce do provozu vyskytly poruchy v podobě trhlin na okraji otvorů. Byla provedena radiografie poškozené oblasti, která jednoznačně odhalila absenci kruhové výztuže, která měla lemovat otvor a stejně tak výztuže, která měla tvořit radiální paprsky kolem otvoru (viz Obrázky 1. a 2.). Radiografie se prováděla v noci, mimo provoz supermarketu, v celé budově byl zamezen pobyt a pohyb osob.

Obrázek 1.: Vazníky střešní konstrukce supermarketu s otvory.

Obrázek 2.: Na levém obrázku část výkresu projektovaného vyztužení vazníku v okolí otvoru s radiogramem v místě pořízeným, napravo detail radiogramu kde je zjevná absence kruhové výztuže s radiálními pruty.

3.2 Radiografie – příklad druhý – Záměrné neprovázání sloupů mezi podlažími

Obrázek 3.: Provádění radiografie vrcholové partie sloupu v 1. PP. Dobře patrný kryt se zářičem Co60, žlutá výsuvná hadice pro zářič a radiografický film na bočním líci sloupu.

Příkladem záměrného vytvoření vady, s důvěrou, že ji nikdo nezjistí, případně neprokáže, je případ stavby multifunkčního centra. Konstrukce byla řešená jako železobetonový skelet, kde na monolitické sloupy jsou nasazeny prefabrikované vazníky. Každý sloup obsahoval 8 prutů hlavní nosné výztuže, z nichž čtyři měly být protaženy otvory v průvlaku a na ně napojen sloup ve vyšším podlaží. Při rozměřování konstrukce došlo k chybě, kdy některé sloupy byly umístěny tak, že jejich výztuž se nacházela mimo otvory v průvlacích. Stavební dozor investora vznesl podezření na fakt, že prováděcí firma vyřešila záležitost tak, že výztuž sloupů zakrátila, průvlaky usadila natupo bez provázání, a o patro výš vytvořila zdání, že je vše v pořádku tak, že do otvorů v průvlacích vsadila krátké kusy výztuže, tvořící kamufláž celého problému. Opět vznikla domněnka, že oprávněnost podezření stavebního dozoru nelze prokázat. Byla provedena radiografie horní partie sloupů v 1. PP, která jednoznačně odhalila, že všechny výztuže sloupu jsou ukončeny pod průvlakem (viz obrázky 3. a 4.)

Obrázek 4.: Na radiogramech bylo jasně prokázáno, že všechny pruty výztuže jsou zakráceny pod úrovní průvlaku.

4. Volba vhodné metody v současnosti

Současná doba je charakterizovaná obecným zpřísněním veškerých opatření, sloužících k ochraně zdraví pracovníků i obyvatelstva. Logicky se radikálně zpřísňují i veškeré předpisy, sloužící k ochraně osob před účinky ionizujícího záření, mezi které patří i záření gama. K poslední novele platných předpisů došlo k 1. 1. 2017, kdy vstoupil v platnost nový, tzv. Atomový zákon (Zákon č. 263/2016 Sb. a navazující vyhlášky).

Ač je radiografie pomocí Co60 nezpochybnitelně ideální metodou pro detekci výztuže v železobetonové konstrukci, její provádění v terénu je v současnosti spojeno s takovým množstvím bezpečnostních i administrativních opatření, a v neposlední řadě i značnými finančními náklady (spojenými s ověřováním zařízení, obnovou zářiče po uplynutí 2 poločasů rozpadu atd.), že využívání této metody v diagnostice konstrukcí je dnes z praktického i finančního hlediska prakticky obtížně realizovatelné a udržitelné.

Nabízí se použití alternativních nedestruktivních metod popsaných v části 2 tohoto článku. Naštěstí s rozvojem a modernizací přístrojové techniky je v současnosti náhrada radiografie možná, byť s jistými omezeními, danými možnostmi alternativních metod. Využití elektromagnetických indikátorů je dobře známé a osvědčené, pochopitelně s vědomím omezení této metody. Ve větším množství případů dokáže radiografii ve značném rozsahu nahradit radar, případně radar v kombinaci s magnetickými indikátory poslední generace. Vždy je však třeba mít na paměti omezení, daná fyzikálním principem jednotlivých metod. Stejně tak platí ve vysoké míře, že nejde (zejména v případě radaru) o metody a zařízení, se kterými může pracovat každý bez odborné erudice a zejména bez rozsáhlých zkušeností, které nelze získat jinak než v praxi.

4.1 Georadar – příklad první – Vyztužení železobetonové desky rodinného domu

Obrázek 5.: Pohled na budoucí základovou desku po položení sítí Kari. Síť není podložena, prováděcí firma prohlásila, že podložení bylo následně provedeno.

Cílem průzkumu bylo stanovení polohy ocelové výztuže v základové desce rodinného domu. Tloušťka desky byla 150 mm, výztuž je tvořena sítí Kari, a dle projektu má ležet v rovině, v předepsané úrovni, cca 50 mm nad spodním lícem železobetonové základové desky, položená na základové pasy. Majitel objektu vznesl podezření, že sítě nebyly řádně podepřeny, a došlo k jejich prověšení až ke štěrkovému loži pod základovou deskou, což prováděcí firma odmítla.

Vzhledem k tomu, že statik s výztuží počítal v rámci dimenzování konstrukce na průhyb, v případě, že by se prokázalo prověšení desky, trval statik na vytvoření další desky tloušťky 100 mm spřažené se stávající.

Pro stanovení polohy výztuže byl použit radar Hilti PS 1000, jehož dosah a přesnost měření je v tomto případě zcela dostačující. Naopak elektromagnetický indikátor vhodný nebyl vzhledem k velké hloubce pod povrchem a častému předpokládanému překrytí sítí. Byla provedena liniová měření, vždy mezi základovými pasy. Měření jednoznačně prokázala prověšení sítí Kari až na štěrkové lože, v některých místech na štěrku ležela většina sítě, s výjimkou krajních partií, které se zvedaly nad základový pas. Radar Hilti PS 1000 se v tomto případě ukázal jako ideální zařízení, mimo jiné i díky okamžité vizualizaci výsledku měření.

Obrázek 6.: Trojice liniových skenů přístrojem PS 1000, skeny jsou pořízené v jedné linii z horního povrchu železobetonové desky, každý sken začíná a končí nad základovým pasem. Na skenech je v části řezu dobře patrné prověšení sítí Kari, a současně oblast, kde leží výztuž přímo na štěrkovém loži (výztuže jsou zde méně patrné díky tomu, že leží prakticky ve spodním líci desky).

Obrázek 7.: Příklad další měřené linie, zde je kromě prověšení sítě patrné, že radar nemá problémy se záznamem jednotlivých ocelových prutů i v místě přesahu dvou sítí přes sebe.

Na základě výsledků měření byla prováděcí firmou uznána chyba, a bylo přikročeno k vytvoření nové spřažené desky nad deskou stávající.

4.2 Georadar – příklad druhý – Vyztužení prefabrikovaných železobetonových vazníků

Obrázek 8.: Příklad stanovení polohy výztuže ve vazníku v okolí otvoru, získané dvojicí plošných skenů 600 × 600 mm přístrojem PS 1000 z bočního líce vazníku. Projektovaná poloha výztuže je znázorněna bíle, jsou zjevné jisté odchylky reálného vyztužení od projektu.

Obrázek 9.: Příklad stanovení průměru a zpřesnění krytí výztuže profometrem PM-630. Krajní dvě výztuže vlevo jsou dle projektu Ø 16 mm, dvě výztuže vpravo Ø 12 mm. Profometer určil průměry s přesností ± 1 mm. V řadě případů, díky blízkosti dalších prutů výztuže, není tak přesné určení průměru možné.

Případ je velmi podobný případu prezentovanému v části 3.1. Prefabrikované železobetonové vazníky průmyslové haly zde vykazovaly řadu trhlin a značný průhyb. Průzkum měl ověřit správnost vyztužení, projektová dokumentace byla v plném rozsahu k dispozici. Pro řešení byl opět použit radar Hilti PS 1000 pro rychlou vizualizaci polohy výztuží, a pro ověření průměrů výztuží byl užit elektromagnetický indikátor Profometer PM-630.

Na základě výsledků měření byly konstatovány pouze drobné nepřesnosti ve vyztužení, hlavní příčina poruch konstrukce byla jiná.

5. Závěr

Závěrem lze říci, že situace, kdy se bude muset v budoucnu obor diagnostiky konstrukcí pravděpodobně ve většině případů obejít bez radiografie je sice do jisté míry nepříjemná, ale nikoli neřešitelná. Z hlediska bezpečnosti sice pravděpodobně nebude v terénu prováděna radiografie pomocí izotopu Co60, ale v řadě případů je možno radiografii téměř plnohodnotně nahradit kombinací alternativních nedestruktivních metod, které v posledních letech doznaly značného rozvoje. Současně ale pro využití metod jako je georadar a elektromagnetický indikátor platí více než kdykoli dříve fakt (ověřený dlouhodobými zkušenostmi pracoviště), že jde sice o metody se širokými možnostmi, které ale současně vyžadují značnou erudici obsluhy, a kvůli nezkušenosti v jejich používání by mohlo snadněji dojít k chybné interpretaci výsledku, či nemožnosti interpretovat naměřené hodnoty. Toto se ve výsledku projevuje u jejich provozovatelů často jistým rozčarováním a zklamáním. Je prostě vždy nebytné správně zvážit možnosti jednotlivých metod, dané jejich fyzikálními principy, a správně je využít. V případě opravdu hustě a komplikovaně vyztužených prvků je při nemožnosti provést sekanou sondu radiografie stále v plném rozsahu nenahraditelná.

Do budoucna bude jistou možností provádění radiografie pomocí technických rentgenů, které nevyžadují bezpečnostní opatření takového rozsahu, jako při použití izotopu, ale zde je kvůli rozměru a výkonu rentgenu v případě železobetonu radiografie omezena na použití u dobře oboustranně přístupných subtilních konstrukčních prvků.

Poděkování

Článek 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. ANTON, O.; BAŽANT, Z.; CIKRLE, P., PRŮZKUM MONTOVANÉHO OBYTNÉHO DOMU PŘED JEHO REKONSTRUKCÍ, příspěvek na konferenci Sborník recenzovaných příspěvků konference ZKOUŠENÍ A JAKOST VE STAVEBNICTVÍ 2016, ISBN 978-80-214-5341-8, Vysoké učení technické v Brně, Brno, 2016.
2. CIKRLE, P.; ANTON, O., Vývoj nedestruktivních metod pro zkoušení betonu za posledních 25 let, článek v Beton TKS, ISSN 1213-3116, Beton TKS, s.r.o., Praha, 2015.
3. CIKRLE, P.; ANTON, O.; HEŘMÁNKOVÁ, V., Indikátory výztuže – oživení tradiční metody, příspěvek na konferenci Zkoušení a jakost ve stavebnictví, ISBN 978-80-214-5032-5, VUT Brno, Brno, 2014.
4. ANTON, O.; CIKRLE, P.; HEŘMÁNKOVÁ, V., Zkušenosti s georadarem při stavebně technických průzkumech, článek v TZB-info, ISSN 1801-4399, TZB-info, Praha, 2014.