Vliv koroze předpínací výztuže na její vlastnosti a možnosti sanace takto vyztužených betonových konstrukcí
Předpínací výztuž byla široce používána k vyztužení předem i dodatečně předpjatých betonových konstrukcí. Nedávné poruchy některých předpínaných mostních konstrukcí, způsobené korozí výztuže, vyvolaly velký zájem inženýrů o problém koroze předpínací výztuže a její protikorozní ochrany. Článek prezentuje naše zkušenosti z diagnostiky zkorodovaných předpjatých konstrukcí v návaznosti na možnosti jejich sanace.
1. Úvod
Předpínací výztuž ze zušlechtěné oceli se již dlouhou dobu široce používá pro vyztužení předem i dodatečně předpínaných betonových konstrukcí. První předpjatá mostní konstrukce byla na našem území provedena v roce 1948 a jednalo se o most u Koberovic cca 9 km od Humpolce [1]. Havárie některých mostních objektů z nedávné doby, spojené s korozí výztuže nasměrovaly pozornost odborné veřejnosti k problematice koroze předpínací výztuže a její protikorozní ochraně. Současně otevírají otázku spolehlivosti a životnosti předpjatých konstrukcí. U starších konstrukcí byla protikorozní ochrana z velké části zajišťována pouze alkalickým působením obetonování a/nebo cementové injektáže předepnutých prvků v kanálcích. V tomto příspěvku bychom chtěli, na velmi omezeném prostoru, prezentovat některé naše poznatky týkají zjištěných vlastností použitých předpínacích drátů a/nebo lan, zasažených korozí získané při zkoumání takových objektů.
2. Poruchy a havárie
Problematika koroze ocelových předpínacích lan, přitáhla pozornost nejen odborné veřejnosti v souvislosti s nešťastným zřícením lávky pro pěší v Praze-Troji, která spojovala vltavské břehy Císařského ostrova a Troji. Došlo zde ke zranění 4 osob a hmotné škodě velkého rozsahu. Elegantní lávka, s převážně prefabrikovanou železobetonovou nosnou konstrukcí ve formě předpjatého visutého pásu, stála od roku 1983 v oblasti napojení ulic Povltavská – Vodácká s křížením na lávku navazující ulice Pod Havránkou, až do soboty 2. 12. 2017, kdy došlo podle informací zveřejněných sdělovacími prostředky, k její havárii cca ve 13:30 z.č. Zásadním problémem tohoto typu konstrukce bylo, že k náhlému kolapsu došlo v řádu desítek vteřin a bez jakéhokoli zjevného varování.
![Obr. 1.: Pohled na neporušenou lávku. Zdroj [4]](/docu/clanky/0194/019417o1.jpg)
Obr. 1.: Pohled na neporušenou lávku. Zdroj [4]
Obr. 2.: Trojská lávka po havárii, prosinec 2017. Zdroj: archiv autora
V souvislosti s touto havárií se rozběhly mimořádné kontroly technického stavu podobných, ale často i konstrukčně zcela odlišných mostních konstrukcí. Jednou z velmi podobných konstrukcí byla i lávka pro pěší přes Labe v Nymburce, jejíž diagnostika ukázala závažné indicie staticky nepredikovatelného stavu, chování a bylo doporučeno její uzavření (včetně lodního provozu pod ní) a bezodkladná oprava nebo snesení. Město Nymburk (vlastník stavby) volilo po úvaze demolici, která proběhla 3. až 8. 8. 2018, a výstavbu lávky nové, na jejíž návrh byla obratem vypsána veřejná soutěž.
Problematiku a nedůvěru v předpjaté mostní konstrukce ještě významně rozvířil a podlomil kolaps Morandiho mostu na frekventované dálnici v Janově na severu Itálie. Objekty lávek a Morandiho mostu jsou konstrukčně zcela rozdílné, avšak mají něco společného. Vysoce problematický přístup k antikorozní ochraně použité předpínací výztuže a problematický návrh z hlediska množství spár (segmentové lávky) či vysoký potenciál vniku spár a trhlin (obetonované závěsy), kterými se mohla voda, případně i s chloridy, dostat k výztuži a iniciovat její korozi.
3. Koroze předpínacích lan
Pracovníci Kloknerova ústavu ČVUT v Praze měli možnost zkoumat stav obou shora uvedených lávek, tj. lávky v Troji po kolapsu a lávky v Nymburce před odstraněním a nyní probíhá ještě šetření i po jejím odstranění. Obě lávky měly téměř shodné konstrukční řešení [6]. Jednalo se o třípolovou lávku tvořenou předpjatým pásem vytvořeným z betonových prefabrikátů délky 3 m, šíře 3,8 m a výšky 0,3 m. V obou případech byla jako předpínací výztuž použita sedmidrátová lana 15,5 mm. Lana byla navržena ve dvou systémech značených A a B. Systém A nosných lan pro montáž prefabrikátů (umístěn do bočních rýh vytvořených v prefabrikátech) a systému předpínacích lan B umístěných do kanálků ve středové desce prefabrikátu, určených k předpětí a konečnému vyrovnání napětí v lanech.
Ze získaných informací jsme dospěli k některým zjištěním o mechanismu korozního napadení nosných předpínacích lan a charakteru jejich koroze.
U obou konstrukcí o třech polích byla zaznamenána velmi rozvinutá lokální koroze předpínacích lan, a to místy včetně úplného překorodování mnoha jejich drátů (Obrázek 3. a 4.).
Obr. 3.: Korozního stavu předpínacích lan systému B v desce visutého pásu lávky, železobetonový prefabrikát poškozený pádem, nezainjektované kanálky. Zdroj: archiv autora
Obr. 4.: Příklad lokálního překorodování drátů, resp. celých předpínacích lan systému B. Zdroj: archiv autora
Obě lávky nesly zřetelné stopy nedostatečného vyplnění kanálků s dodatečně vloženými předpínanými lany v desce prefabrikované mostovky i kaveren mezi nosnými lany, dodatečně zabetonovanými v krajních rýhách prefabrikátů po jejich montáži.
Vedle dutin a kaveren s rozvinutým korozním napadením ocelových lan se zásadně korozně poškozené oblasti vyskytovaly v místech příčných spár mezi prefabrikáty, ale také dokonce až v polovině délky prefabrikátu, tj. cca 1,5–2 m pod netěsnou spárou ve směru podélného sklonu mostovky. Korozně nejhorší stav předpínacích lan byl v obou případech zjištěn přibližně v oblasti údolnicového lomu středního pole, tzn. nejnižší části uprostřed délky nosné konstrukce, resp. nad nejhlubším úsekem kříženého říčního koryta.
V betonu, zbytcích injektážních výplní i v korozních produktech lan byly na mnoha místech zaznamenány vysoké koncentrace chloridových iontů. Vedle průniku agresivních vodných roztoků k předpínacím lanům byla, dle našich zjištění, zdrojem vlhkosti resp. kyslíku pro korozní procesy i kondenzace vodní páry v dutinách a kavernách.
Voda v kapalné fázi migrovala nejen zřetelnými mezerami či trhlinami, ale také působením kapilárních sil ve zdánlivě sevřených spárách. Vnikající voda dále zjevně v některých případech migrovala po povrchu drátů předpínacích lan, gravitačně jimi stékala ve směru podélného sklonu mostovky. Vlhkostní stav v kanálcích a žlabech jistě ovlivnilo i působení záplav na lávku v Troji, která byla během povodně 2× pod vodou.
Vlhkostní stav uvnitř konstrukce kolísal v závislosti na vnějších podmínkách, teplotních cyklech, vlhkosti vzduchu i výškových pohybech samotné mostovky např. od denního chodu teploty. V oblasti údolnice měl vlhkostní stav dominantně akumulační charakter, ve výše položených částech mostovky bez trvalé přítomnosti kapalné fáze, byly korozní procesy lan intenzifikovány transportními jevy v podobě střídavého ovlhčení a vysychání.
Obr. 5.: Příklad výrazně odlišného korozního stavu předpínacích lan, uložených ve svazku těsně vedle sebe (sonda do mostovky shora). Zdroj: archiv autora
Obr. 6.: Endoskopická fotografie stavu výztuže v dutině mezi neprobetonovanými svazky lan systému A s rozvinutou korozí. Zdroj: archiv autora
Z vizuálního korozního průzkumu povrchů předpínací výztuže vyplývá, že korozní poškození má obvyklou elektrochemickou formu. Koroze předpínací výztuže má jak plošný (Obrázek 6.), tak lokalizovaný průběh (Obrázek 5.). Je zřejmé, že korozní poškození drátů lan bylo indukováno a stimulována řadě oblastí (nikoli však všude) chloridovými anionty (Cl−). Přítomnost chloridů v korozních produktech byla prokázána chemickými analýzami. Bylo také zjištěno, že při hodnocení předpínací výztuže je nutno brát v potaz uspořádání drátů v lanech, která mají významné dutiny mezi středovým a obvodovými dráty. V těchto místech nelze vyloučit činnost koncentračních článků, způsobených lokálně omezeným přístupem kyslíku (tzv. diferenční aerace) k povrchu středového drátu lana a případně korozi pod lokálními korozními úsadami. Nelze také vyloučit mechanismus koroze pod napětím indukovaný chloridovými anionty, ačkoli tuto hypotézu se nepodařilo jednoznačně potvrdit.
4. Ilustrace vlivu koroze na chování předpínací výztuže
Následující obrázky s pracovními diagramy tahových zkoušek ilustrujíc negativní vliv koroze předpínací výztuže na mechanickou pevnost lan, ale současně i na tzv. tažnost lan. Na Obrázcích 7. a 8., jsou fotografie ilustrující lano bez viditelného významného korozního napadení a povrchově korozně napadené lano. Průměrnou průřezovou plochu vzorku lana vzdorující působícímu namáhání, lze stanovit z vážení hmotnosti a délky testovaného vzorku. Další způsob stanovení kritické průřezové plochy lana je možný výpočtem vzdorující plochy v okamžiku porušení, z předpokládaného napětí, které má být materiál lana (ocel) schopen přenést.
Obr. 7.: Lano referenční bez koroze
Obr. 8.: Lano s relativně málo rozvinutou povrchovou korozí, lano po tahové zkoušce
Na dalších obrázcích 9. a 10. jsou výsledky tahových zkoušek lana bez koroze tedy lana referenčního s vyhovující pevností i tažností a lana se zdánlivě malou povrchovou korozí jak ukazují předchozí obrázky 7. a 8.
Obr. 9.: Příklad pracovního diagramu lana prakticky bez koroze, vyhovující pevnost a tažnost
Obr. 10.: Příklad pracovního diagramu lana s relativně málo rozvinutou povrchovou korozí, nevyhovující pevnost a tažnost
5. Shrnutí korozních aspektů
Je zcela zřejmé, že za vhodných korozních podmínek předpínací výztuž rychle, snadno a masivně koroduje. Z poslední doby jsou známé konstrukce, kde v průběhu cca 34 let došlo ke kompletnímu překorodování předpínacích sedmidrátových lan průměru 15,5 mm. Koroze probíhá v mnoha formách tj. plošná i lokalizovaná (důlková, štěrbinová…).
Koroze předpínací výztuže s úbytkem průřezové plochy nad 5 % je chápána normou ČSN 73 6221 jako havarijní stav konstrukce. Úbytek průřezové plochy lana do 5 % je hodnocen jako stupeň stavebního stavu VI, do 1 % jako stupeň stavebního stavu V. Pro lano 15,5 mm již zcela nepatrný rovnoměrný korozní úbytek 0,013 mm, tj. 13 mikrometrů po obvodu jednotlivých drátů znamená ztrátu plochy lana 1 %.
Zmenšení průřezové plochy lana již v řádu jednotek procent zásadně ovlivňuje celkovou tažnost lana a nosnost lana vyjádřenou v kN. Nosnost je přímo úměrná průřezové ploše v nejslabším místě lana. Stanovení průřezové plochy lana neboli jeho korozního poškození, v tomto nejslabším místě, není u korozí napadeného lana jednoduché.
Zmenšení plochy lana vlivem koroze zahrnuje nejen plošnou korozi, ale také lokalizovanou formu koroze s případným lokálním narušením mikrostruktury oceli. Vizuálně lze míru tohoto poškození obtížně jednoznačně popsat a hodnotit. V případě koroze s odlupujícími se korozními zplodinami lze doporučit uvažovat přítomnost lokalizované formy koroze. Tato koroze ještě více zmenší skutečnou plochu lana přenášející zatížení. Bez reálných testů nelze prozatím prezentovat realistický vztah mezi plošnou a lokalizovanou korozí.
V současnosti není známá spolehlivá NDT metoda pro věrohodnou a průkaznou detekci korozního stavu předpínací výztuže přímo v konstrukci. Bohužel se stále jako nejúčinnější a průkazné ukazují klasické lokální semidestruktivní bourané sondy. V případě semidestruktivních sond do kanálků pro posuzování stavu výztuže lze analýzou korozních zplodin zjistit, zda koroze je indukována chloridy či nikoli.
6. Možnosti sanací betonových konstrukcí s korodující předpínací výztuží
Betonové konstrukce využívající předpínací výztuž reagují na její oslabení mj. korozí, způsobem, který odpovídá jejich statickému uspořádání. U převážně ohýbaných nosníků lze zaznamenat vznik a rozvoj tahových trhlin v tažené části nosníku, nárůst průhybů atp. V případě tažených konstrukcí, jako jsou visuté pásy, je porušení náhlé a zjevné signály o jeho nebezpečí přicházejí prakticky až ve chvíli kolapsu konstrukce. Zásadním faktorem u tohoto typu konstrukcí je vliv zatížení změnou teploty, který souvisí s jejich deformacemi (průhyby) a velmi významnými změnami napětí předpínacích lan.
Tyto okolnosti je třeba při návrhu sanace správně zohlednit. Významné korozní oslabení předpínací výztuže je zpravidla spojeno i s obvykle nevratnou ztrátou předpětí a konstrukce může přejít do staticky nepredikovatelného stavu; havarijní situace, kdy nastává vysoká pravděpodobnost vzniku havárie.
Havarijní situace je dle definice souhrn podmínek a okolností, které představují bezprostřední ohrožení zdraví, života, majetku nebo životního prostředí. Většina havarijních událostí vyžaduje naléhavý zásah, aby se zabránilo zhoršení situace, i když v některých situacích zmírnění není možné a příslušné složky mohou pouze reagovat až na následky. Některé události mohou být neovlivnitelné (např. přírodní katastrofa), jiné události vyžadují subjektivní stanovisko pozorovatele (nebo dotčené strany) s cílem rozhodnout, zda stav je způsobilý k označení jako nouzový [7].
Vedle předpínacích lan, obsahují betonové konstrukce zpravidla i běžnou betonářskou výztuž, především měkkou, která ovšem v těchto případech nebývá součástí hlavního nosného systému. I tato výztuž však může být korozí napadena, zpravidla lokálně a druhotně také přispívat k degradaci konstrukce poškozováním krycí vrstvy atp. Tento stav je do jisté míry možno sanovat obvyklými sanačními technologiemi, i když tu může být významným problémem vysoký obsah Cl− v materiálu konstrukce, typicky u mostů pozemních komunikací nebo lávek, na nichž se v zimním období užívají k provozní údržbě CHRL.
Z technického hlediska je korozní oslabení předpínací výztuže sanovatelné pouze zesílením konstrukce, resp. náhradou oslabeného nosného systému. Druhou variantou jej její snesení; demolice a náhrada novou konstrukcí. Obě varianty mají mj. svá technologická, časová, provozní, cenová i bezpečnostní specifika, která je nutno v individuálních případech konkrétně a komplexně zvažovat.
7. Závěr
Podle našich dosavadních zkušeností je evidentní, že v oblasti detekce, popisu charakteru, příčin a hodnocení koroze předpínacích lan je potřeba aktualizovat stávající postupy a na základě vyhodnocení nových poznatků vytvořit nové podklady pro využití v praxi.
Pouze relevantní diagnostické výstupy mohou být podkladem k odpovídajícímu posouzení stavu stávající betonové konstrukce.
Rozhodování o možnosti a způsobu sanace konstrukce s korodujícími předpínacími lany provází v současnosti množství rizik a nejistot, která není snadné technicky správně zhodnotit, zejména z pohledu bezpečnosti již existujících konstrukcí.
Kontrolovatelnost, udržovatelnost a opravitelnost nově navrhovaných betonových konstrukcí s předpínacími lany, by podle našeho názoru měla být, odpovídajícím způsobem promítnuta do hodnocení jejich životního cyklu mj. z hlediska zajištění bezpečnosti a celkových nákladů.
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného projektu TAČR - TH02020373 Zvýšení životnosti a urychlení výstavby infrastrukturních dopravních staveb využitím moderního vysokohodnotného materiálu UHPC.
Literatura
- Vítek J.: Historie předpjatého betonu. Informační centrum ČKAIT 2016, ISBN 978-80-87438-84-8
- Voves B.: Trvanlivost konstrukcí z předpjatého betonu, SNTL Nakladatelství technické literatury 1988, 04-706-88
- Voves B.: Technologie předpjatého betonu, SNTL Nakladatelství technické literatury 1976, 04-710-86
- https://www.metro.cz/trojska-lavka-slavi-narozeniny-stoji-uz-30-let-fom-/praha.aspx?c=A140706_095752_co-se-deje_jbs
- www.idnes.cz/zpravy/zahranicni/italie-most-zriceni-janov
- Stráský J.: The stress-ribbon footbridge across the river Vltava in Prague, In: L´Industria Italiana del Cemento 10/1987
- http://ebozp.vubp.cz/wiki/index.php/Havarijn%C3%AD_situace
The prestressing reinforcement has been widely used to reinforce pre-stressed and posttensioned concrete structures. The recent failures of some prestressed bridge structures, caused by corrosion of the prestressing reinforcement, had generated strong interest from engineers in the problem of reinforcement corrosion and its corrosion protection. The paper presents our experience in the diagnostics of corroded prestressed structures in connection with the possibilities restoration of them.
