Diagnostika betónových konštrukcií po požiaru – metódy a skúsenosti

Úvod

Častou úlohou v znaleckej praxi v odbore stavebníctvo je stanovenie miery poškodenia železobetónových konštrukcií vplyvom požiaru. Na stanovenie tejto miery existuje celý rad diagnostickým metód a postupov, z ktorých niektoré sú náročné z hľadiska finančného aj časového. Preto je nevyhnutné vybrať správnu metodiku diagnostiky tak, aby výstupy z nej čo najvernejšie vystihovali stav konštrukcie, ale aby zároveň bolo dodržané aj hľadisko hospodárnosti, účelnosti a časovej náročnosti.

Aplikácia diagnostických metód v prípade konštrukcií poškodených požiarom je v porovnaní s bežnou diagnostikou omnoho náročnejšia. Oproti bežným diagnostikám betónových konštrukcií sa v prípade požiarom poškodených konštrukcií musíme zaoberať ďaleko širším spektrom faktorov, ktoré na ne pôsobili. Aj na prvý pohľad nepoškodená konštrukcia môže vo vykazovať vizuálne nepozorované vážne poruchy, ktoré ju neumožňujú naďalej bezpečne využívať.

V zahraničí vyskytuje veľké množstvo prameňov, ktoré sa zaoberajú touto problematikou, praktických návodov ako postupovať v týchto prípadoch pri znaleckej činnosti je na Slovensku pomerne málo. Od výsledkov diagnostiky pritom závisia ďalšie dôležité rozhodnutia – či je možné konštrukciu zachovať, v akom rozsahu je potrebné ju sanovať, alebo je nutné ju odstrániť.

Metodika diagnostiky a posudzovania betónových konštrukcií poškodených požiarom

Pri požiadavkách na vykonanie znaleckých posudkov pri železobetónových konštrukciách poškodených požiarom je možné postupovať podľa nasledovných bodov:

1. Podanie žiadosti o vykonanie znaleckého posudku

V žiadosti žiadateľ zadefinuje otázky, na ktoré sa má v posudku odpovedať a účel podania posudku. Je účelné, ak zadávateľ svoje otázky konzultuje vopred so znalcom hlavne z hľadiska ich technickej relevantnosti (v jednoduchších prípadoch sa môže vypracovať iba odborné stanovisko znalca). Najčastejšími otázkami sú v týchto prípadoch: zhodnotenie miery poškodenia konštrukcie požiarom, posúdenie možného zníženia únosnosti, podanie ideového návrhu opravy alebo návrhu na odstránenie ťažko poškodených častí. V tomto prípade ide o podrobné posúdenie miery degradácie založené na diagnostických prácach s využitím poznatkov materiálového inžinierstva a statiky konštrukcií.

Zadávateľom však môže byť tiež vyšetrovateľ Policajného zboru, potom je hlavným účelom spracovania posudku pripraviť technické podklady pre operatívne vykonanie nevyhnutných bezpečnostných opatrení – posudzuje sa stav bezprostredného ohrozenia a nutnosť dlhodobejšej evakuácie. Takýto posudok je súčasťou vyšetrovacieho spisu.

2. Zhromaždenie informácií a podkladov pre vypracovanie posudku.

Jedná sa hlavne o:

• správu o zásahu hasičských jednotiek – obsahuje dobu požiaru, druh a množstvo použitej techniky, výsledky termovízneho merania
• správu o príčinách požiaru podľa Zákona NR SR č. 314/2001 Z.z
• pôvodnú projektovú dokumentáciu objektu, prípadne výkresy novšieho zamerania
• informácie o zaťažení konštrukcie v čase požiaru
• informácie o počasí v čase požiaru, ktoré majú vplyv na jeho šírenie

Niektoré z uvedených podkladov nie sú na začiatku vypracovávania posudku k dispozícii. V tomto prípade je potrebné získať aspoň čiastkové informácie.

3. Vykonanie statickej obhliadky požiaroviska

Obhliadka bez zásahov do konštrukcie. Pri statickej obhliadke sa sleduje miera zadymenia konštrukcie pred očistením, stav predmetov z plastov a kovov v mieste požiaru. Zhotoví sa fotodokumentácia, prípadne sa odoberú vzorky poškodeného zariadenia a vybavenia za účelom stanovenia dosiahnutých teplôt pri požiari.

V prípade, že statickú obhliadku nebolo možné vykonať z dôvodu neskoršieho prizvania znalca, zabezpečí sa aspoň dostupná fotodokumentácia z miesta požiaru pred vyčistením požiaroviska.

4. Vykonanie dynamickej obhliadky požiaroviska

Obhliadka sa vykoná po vyprataní a očistení povrchov betónu od sadzí. Zisťuje sa farebný odtieň betónu a porovnáva sa s farbou požiarom nezasiahnutých častí. Typické farby betónu poškodeného požiarom sú uvedené v nasledovnej tabuľke.

Podrobne sa sleduje povrch betónu, jeho porušenie a trhliny. Ďalej sa merajú priehyby a deformácie prvkov konštrukcie. Stav konštrukcie sa porovnáva s časťami, ktoré neboli zasiahnuté požiarom.

5. Programu diagnostiky

Stanoveniu programu diagnostiky môže predchádzať vykonanie prvotných orientačných skúšok, na základe ktorých sa určí druh a miesto skúšok. Prvotnými skúškami môžu byť napríklad skúšky stavu povrchu betónu vykonané Schmidtovým tvrdomerom, výsledky ktorých sa porovnajú s údajmi zistenými na nepoškodených plochách. Ak je pokles hodnoty odrazov väčší ako 15 %, je potrebné uvažovať o podrobnejšej diagnostike daného betónu. Pri poklese o 60 % sa predpokladá významné porušenie betónu. Medzi prvotné merania môžu byť zahrnuté skúšky ultrazvukovou impulznou metódou za účelom stanovenie hĺbky poškodenia betónu.

Do programu diagnostiky je potrebné zahrnúť tiež skúšky na miestach nepoškodených požiarom, ale zhotovených rovnakým spôsobom ako zasiahnuté miesta. Na základe prvotných meraní sa stanovia miesta odberu vzoriek, druh a počet jednotlivých skúšok. Pri plánovaní skúšok preferujeme nedeštruktívne metódy a metódy lokálneho porušenia pred odbermi vzoriek na deštruktívne skúšky. Jadrovými vývrtmi je možné okrem získania vzoriek na skúšky tiež posúdiť celistvosť betónu a jeho prípadné vnútorné porušenia. Jadrové vývrty by mali byť vykonávané v prvom rade cez vrchné škrupiny tenkostenných stropných konštrukcií za účelom zistenia ich celistvosti.

6. Vykonanie vlastnej diagnostiky železobetónovej konštrukcie

Vlastná diagnostika sa začína odberom vzoriek, ktorý je najlepšie vykonať pomocou jadrového vŕtania diamantovým korunkovým vrtákom. Jeho priemer sa volí v závislosti od požadovaných skúšok. Pre chemické analýzy postačujú jadrá malých priemerov do 50 mm.

Na odobratých valcových vývrtoch sa realizujú deštruktívne skúšky

• pevnosť v tlaku
• pevnosť v priečnom ťahu,

pričom pevnostné charakteristiky betónu sa verifikujú na valcoch s priemerom 100 mm, minimálne 50 mm.

Pri odbere vzoriek sa snažíme vyhnúť prevŕtaniu výstuží, ktorú je potrebné pred odberom vzoriek nedeštruktívne preskúmať. V prípade potreby sa odoberú tiež vzorky výstuže na deštruktívne a chemické skúšky.

Priamo na konštrukcii sa vykonajú nedeštruktívne skúšky betónu:

• meranie krytia výstuže,
• stanovenie hĺbky poškodenia betónu ultrazvukovou metódou,
• stanovenie pevnosti v ťahu povrchovej vrstvy betónu,
• meranie permeability povrchu betónu
• stanovenie hĺbky karbonatácie betónu pomocou indikátora.

7. Vykonanie analýz betónu a výstuže

Rozsegmentovaním odobratých vývrtov z betónu s priemerom 50 mm sa získajú vzorky z rôznych hĺbok prierezu. Následne sa na týchto vzorkách vykoná termická (DTA-TG) a RTG difrakčná analýza za účelom stanovenia miery poškodenia mikroštruktúry betónu v rôznej hĺbke. Pri analýze vzoriek betónu z miesta výskytu výstuže v priereze možno odhadnúť teplotu, ktorá na výstuž pôsobila.

Metalografickými metódami je možné stanoviť možné zníženie mechanických vlastností výstuže vplyvom vysokej teploty.

8. Vyhodnotenie diagnostiky, formulovanie odpovedí na otázky

Výsledky jednotlivých skúšok a analýz sa vyhodnotia na základe dosiahnutých výsledkov jednotlivých vlastností. Dôležitými ukazovateľmi miery poškodenia betónu sú:

• porovnanie dosiahnutých výsledkov skúšok betónu na požiarom zasiahnutých a nezasiahnutých miestach.
• namerané priehyby a deformácie jednotlivých prvkov.
• výsledky simulácie priebehu teplôt v konštrukcii podľa Eurokódov, v súvislosti s nameraným krytím výstuže sa posúdi, či teplota vo výstuži prekročila kritické hodnoty. Vypočíta sa zostatková únosnosť konštrukcie podľa zistených znížených mechanicko-fyzikálnych parametrov betónu a ocele.
• na základe dosiahnutých výsledkov sa výpočtom podľa Eurokódov posúdi, či je konštrukcia schopná prenášať jednotlivé zaťaženia aj v požiarom oslabenom stave, prípadne v akej miere je potrebné pristúpiť ku sanácii, prípadne aj asanácii jednotlivých prvkov železobetónovej konštrukcie.

Na základe skúseností z vykonávaním diagnostík konštrukcií poškodených požiarom možno formulovať tieto zásady, ktorými sa možno riadiť pri vykonávaní diagnostík v rámci znaleckých posudkov:

• vlastnej diagnostike musia predchádzať dôkladné obhliadky stavby poškodenej požiarom, jednak je to statická obhliadka po požiari a tiež dynamická obhliadka spojená so zásahom do konštrukcie po jej očistení. Z výsledkov týchto obhliadok a prvotných skúšok je možné stanoviť metodiku diagnostiky na konkrétnej stavbe.
• v rámci skúšania jednotlivých vlastností betónu poškodených požiarom je účelné každý druh skúšky vykonať tiež na nepoškodenom betóne za účelom vzájomného porovnania výsledkov.
• vykonávanie deštruktívnych skúšok betónu poškodeného požiarom je problematické vzhľadom na to, že požiarom môže byť ovplyvnená iba časť betónu do hĺbky niekoľko desiatok milimetrov, čo neumožňuje získať relevantné skúšobné telesá na deštruktívne skúšky. Toto sa hlavne týka skúšok pevnosti v tlaku na valcových vzorkách. Preto sa javí ako účelnejšie a výhodnejšie vykonávanie skúšok na princípe nedeštruktívnych a polonedeštruktívnych metód (metód lokálneho porušenia).
• skúšaním povrchu betónu tvrdomernou metódou Schmidtovým tvrdomerom je možné si vytvoriť pomerne rýchlo prvotný obraz o poškodení betónu. Touto metódou je možné odhaliť miesta s oddeľujúcim sa betónom a najslabšie miesta, kde sa vykonajú ďalšie podrobnejšie skúšky a analýzy.
• z hľadiska mechanických vlastností betónu je pri diagnostike účelné zamerať sa na skúšanie ťahových pevností betónu, ktoré sú citlivejšie na vplyv teploty. S výhodou je možné používať skúšky pevnosti v ťahu povrchových vrstiev betónu, ktoré patria medzi metódy lokálneho porušenia. Tieto metódy spájajú výhody deštruktívnych a nedeštruktívnych metód. Opakovaným skúšaním na jednom skúšobnom mieste je možné stanoviť hĺbku porušenia betónu. Stanovenie hĺbky porušenia betónu má vplyv na posúdenie ovplyvnenia výstuže požiarom.
• ďalšou metódou, ktorou je možné predpovedať hĺbku porušenia betónu je ultrazvuková impulzná metóda. K tejto metóde je vypracovaných viacero postupov, ako stanoviť hĺbku porušenia betónu vplyvom požiaru. Touto metódou je možné tiež odhaliť miesta s vnútorným porušením betónu vzniknutým prudkým ochladením konštrukcie pri hasení.
• na overenie hĺbky ovplyvnenia betónu požiarom je v náročnejších prípadoch možné vykonať DTA/TG a RTG analýzu. V tomto prípade je možné vzorku betónu odobrať v mieste výstuže a tým zistiť teplotu, ktorej bola táto vystavená počas požiaru.
• pre celkové zhodnotenie fyzického stavu betónu atakovaného ohňom má význam opakovať tieto skúšky minimálne v horizonte 180 dní po zaťažení ohňom. Ich výsledkom je časové zistenie stabilizácie mikroštruktúrneho stavu betónu po požiari. Z hľadiska fyzikálno-mechanických vlastností sa tieto menia aj v prvých týždňoch po požiari. Pevnosť betónu v čase po požiari naďalej klesá. Pokles pevnosti v ťahu niektorých druhov betónu vystavených teplote 500 °C v čase 3 mesiace po požiari môže dosahovať iba polovičnú hodnotu pevnosti zistenej bezprostredne po požiari. Na druhej strane v prípade dodania vlhkosti, môže nastať naopak rehydratácia betónu s čiastočným nárastom pevnosti. Z uvedeného dôvodu je pri stanovaní mechanicko-fyzikálnych parametrov betónu potrebné určitý čas vyčkať, aby sa tieto parametre ustálili. V prípade, že je potrebné vykonať diagnostiku a stanovenie pevnostných parametrov betónu v krátkom čase po požiari, je potrebné s touto skutočnosťou počítať pri vyhodnocovaní výsledkov.
• merania skutočných mechanických parametrov ocele sú problematické, preto teplotu, ktorú dosiahla výstuž počas požiaru, je možné odhadnúť na základe stavu betónu krycej vrstvy. Ak bola teplota výstuže (mäkkej betonárskej) pod 450 °C, zníženie jej pevnosti sa nepredpokladá. Pre predpätú výstuž je táto teplota oveľa nižšia (na úrovni 200 °C). Možnú mieru ovplyvnenia výstuže požiarom je možné posúdiť výpočtom podľa Eurokódov.
• zvýšenú pozornosť je potrebné venovať predpätým a tenkostenným prvkom, ktoré môžu byť významne poškodené už pri pôsobení nižšej teploty. Ich poškodenie môže byť spôsobené náhlym ochladením ich povrchov pri hasení vodou a nemusí byť na povrchu badateľné.

Literatúra

1. Annerel, L., Taerwe, L.: Assesment of the residual strength of concrete structures after fire exposure, Universiteit Gent, ACCES Workshop, III/2010
2. Procházka, J., Betonové konstrukce – požární návrh, ČVUT FSv Praha, VI/2005
3. Votava, J., Návrh metodického postupu zisťovania príčin požiarov v bytovom hospodárstve, bakalárska práca, ŽU FŠI Žilina, V/2008
4. Yoshida, M., Okamura, Y., Tasaka, S., A study on Temperature Estimation in Concrete Members After Fire, General Buildig Research Corporation of Japan, FIRE SAFETY SCIENCE-PROCEEDINGS OF THE FOURTH INTERNATIONAL SYMPOSIUM, XII/2006
5. Narendra K. Gosain, Ph.D., P.E., Ray F. Drexler, P.E., and Dilip Choudhuri, P.E, Evaluation and Repair of Fire-Damaged Buildings, Structural Forensics - Investigating structures and their components, IX/2008