Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Význam kvality zkušebních vzorků a postupů

Význam stavebního zkušebnictví roste úměrně s novými požadavky na stavby. Je tedy prvořadým úkolem zlepšovat kvalitu procesů měření materiálů, dílců a konstrukcí při využití současných možností výpočetní techniky a automatizace.

1. Úvod

S růstem požadavků na stavební konstrukce zákonitě vznikají vyšší nároky na kvalitu postupů stavebního zkušebnictví. Promyšlené systémy ověřování kvality stavebních výrobků je třeba doplnit o postupy ověřování kvality stavebních technologií a výběrových souborů vzorků. K tomu lze využít metody výpočetní techniky, metrologie a automatizace. Není např. dostatečně rozvíjena automatizace zkušebních postupů. Cílem článku je upozornit na současné možnosti zvýšení přínosu stavebního zkušebnictví k navrhování, výstavbě a průzkumu staveb.

2. Nejistoty měření

Měření je definovaný proces tvořený promyšleným souborem experimentálních a výpočetních operací pomocí měřicího přístroje stanovenou metodikou v mezích vnějšího prostředí. Nové postupy v řízení kvality procesu měření nám umožňují stále přesněji odhadnout interval, v kterém leží s pravděpodobností skutečná hodnota měřeného znaku. Nejistota měření je odhad přiřazený k výsledku měření na základě statistického rozboru.

Jednoznačný popis zkušební metody by měl být stanoven normou, případně i s doporučením pro stanovování nejistoty měření. Příkladem je ČSN EN ISO 6892-1:2010 Kovové materiály – Zkoušení tahem – Část 1:Zkušební metoda za pokojové teploty. V informativní příloze je komentován zjednodušený postup odhadu nejistot a preciznost zkoušení kovových materiálů tahem. Zkušební metodiku nedostatečně definuje norma ČSN EN 12390-3:2009 Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles, která připouští úpravu tlačených ploch s pochybnostmi o shodnosti výsledků. Na výsledky experimentů s rozdílnými úpravami tlačných ploch při stanovení pevnosti betonu v tlaku a hodnoty modulu pružnosti upozorňuje článek odborníků z Kloknerova ústavu ČVUT v Praze [1].

Jiným zdrojem nejistoty měření může být změna v opakovaných pozorováních měřené veličiny, které při shodné pevnosti betonu jsou závislé na změnách skladby betonu referenčních těles např. velikost kameniva, uplatnění přísad a podobně. Při porovnání pulsních rychlostí ultrazvukového signálu a pevností v tlaku byl ověřen rozdílný vztah u betonů navržených dle ČSN 73 2400 a u betonů novodobého složení dle ČSN EN 206-1 [2].

Praktický význam znalosti nejistoty měření je při hodnocení požadavku dodržení toleranční meze, kdy výsledek musí vyhovět včetně jeho nejistoty měření [3]. Kvalita technických norem a přesná práce laboratoří včetně mezilaboratorních porovnání mají v tomto případě přímé ekonomické důsledky [4].

3. Hodnocení procesů pomocí variačního součinitele

Variabilita je přirozenou vlastností všech procesů a je vyvolána příčinami náhodnými a vymezitelnými (obvykle systematickými). Statistické řízení procesů má proces udržet ve stavu, kdy je ovlivňován pouze náhodnými příčinami variability. Velikost variability dává informace o velikosti rizika vzniku nekvalitního výrobku, cílem je proto minimalizovat variabilitu znaků kvality procesu [5].

Systematická práce dle zásad managementu spolehlivosti a kvality doporučená ČSN EN 1990 ed. 2.:2011 Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí umožňuje určení variačních součinitelů přímo z rozptylu plně reprezentativních zkušebních souborů (čl. D.8.2.2.6). Rozhodující jsou soubory vzorků odebraných z konstrukcí, při jejichž výstavbě byly uplatněny posuzované technologie. Jako příklad lze uvést pokrok v technologii betonu za posledních padesát let, jehož důsledkem je změna variačního součinitele pevnosti betonu v několika etapách dle zavádění mechanizace a automatizace výroby a zpracování [6].

4. Kvalita podkladů pro navrhování staveb

Důležitým výstupem stavebního zkušebnictví jsou podklady pro navrhování nových staveb a hodnocení existujících staveb. Dle nařízení EP a Rady (EU) č. 305/2011 o harmonizovaných podmínkách uvádění stavebních výrobků na trh je rozhodujícím dokladem prohlášení o vlastnostech každého výrobku. Posiluje se úloha harmonizovaných norem a jsou kladeny vyšší požadavky na výběr výrobků vhodných vlastností. Lze předpokládat, že odpovědnost posoudit vlastnosti bude ležet především na projektantech. Jde o posouzení těch vlastnosti základních charakteristik, které se vztahují k zamýšlenému použití v místních podmínkách. Lze předpokládat, že bude nutno zajistit pro projektanty možnost konzultací v nezávislých institucích.

Další vývoj požadavků na stavby nutně vyžaduje i vývoj nových materiálů a konstrukcí, včetně návrhu metodiky ověřování jejich kvality a testování degradačních modelů. Příkladem promyšleného postupu je koncepce zkoušení betonů pro uložiště jaderného odpadu s extrémní životností [7].

Tradičním zájmem investorů jsou ekonomické parametry stavby v rámci životního cyklu, pro jejich uplatnění jsou hledány vhodné modely [8]. Zkušenosti z monitorování staveb dokazují rozhodující význam volby materiálů, koncepci údržby, oprav a modernizací. Z tohoto hlediska je třeba budovat systém zkoušek trvanlivosti materiálů v souladu s degradačními modely. Lze předpokládat, že částečná automatizace výroby nebo odběru vzorků zajistí experimenty se statisticky významným počtem vzorků, jak vyplývá z doporučení normy ČSN EN 1990 ed. 2.:2011 čl. D.7.2. Při průzkumech území a staveb je účelné zvolit pracovní hypotézu s odborným odhadem kritických míst a rizik [9].

5. Příklady z praxe

5.1. Selhání hrází v New Orleans, USA

V roce 2006 došlo k selhání protipovodňového systému a následnému tragickému zaplavení města New Orleans v USA během hurikánu Katrina. Město New Orleans leží u řeky Mississippi na jih od jezera Pontchartrainse a v blízkosti Mexickeho zálivu. Proti zaplavení město chrání hráze o celkové délce 560 km, z čehož většina 455 km byla navržena, vybudována a udržována federální agenturou United States Army Corps of Engineers (USACE). Jedná se převážně o zemní hráze, často navýšené štětovými stěnami, které byli postupně budovány a doplňovány od 60. let. Během hurikánu Katrina se hráze prolomily na mnoha místech a příčin selhání byla celá řada, ale jako jedna z prvních se prolomila hráz u 17th Street kanálu v délce asi 150 metrů i přesto, že hladina byla pod návrhovou maximální výškou.

V tomto úseku je základová půda tvořena měkkým jílem a mokrými náplavovými zeminami (Obr. 1). Hráz selhala vytvořením smykové plochy v měkké vrstvě náplavových zemin, příčinou selhání bylo přecenění smykové pevnosti této vrstvy [10].

Obrázek 1: Řez hrází v místě kanálu 17th Street.
Obrázek 1: Řez hrází v místě kanálu 17th Street.
 

V projektové fazi byl proveden obvyklý počet průzkumných vrtů a odebrány vzorky ke zkouškám v laboratoři. Naměřené hodnoty pevnosti ve smyku byly zaneseny do grafu (Obr. 2).

Obrázek 2: Graf pevnosti zemin v mistě hráze kanálu 17th Street.
Obrázek 2: Graf pevnosti zemin v mistě hráze kanálu 17th Street.
 

Při vyhodnocování výsledků došlo k několika chybám:

  • Návrhová pevnost, vyznačena silnou čárou, je vyšší než řada naměřených hodnot. Projektanti použili návrhovou pevnost 0,19 tsf (0,018 MPa), zatímco skutečná průměrná hodnota v místě selhání byla 0,13 tsf (0,012 MPa).
  • V grafu jsou zahrnuty výsledky vzorků odebraných v úseku 2,4 km, což je nehodné v místech s vyšší geologickou variabilitou jako je New Orleans.
  • Všechny vrty byly situovány v ose hráze, kde zemina konsoliduje, zvyšuje pevnost, vlivem zatížení zemní hrází. Při vyšetřování se prokázalo, že v patě hráze byly hodnoty pevnosti ještě nižší.

Celý ochranný protipovodňový systém je velice rozsáhlý a budovaný po částech v rozpětí mnoha let a nedošlo k jeho celkovému zhodnocení z hlediska rizika. Postup na základě analýzy vyžadoval identifikaci kritického místa, analýzu zjištěných hodnot, případné potvrzení opakovaným odběrem vzorků, neboť riziko selhání v kritickém místě je rizikem selhání celého systému – zaplavení města.

5.2. Analýza podzemních vod v okolí řízených skládek ve státě Wisconsin, USA

Při návrhu, provozu i po uzavření řízených skládek ve státě Wisconsin je nutné sledovat kvalitu podzemní vody v celém obvodu skládky [11]. Před výstavbou skládky je nutné prokázat počáteční koncentraci normou stanovených parametrů, a to odběrem nejméně 8 vzorků ve čtvrtletním intervalu. Pokud je skládka stavěna v místech s předchozí kontaminací tzv. brownfields, kde již počáteční koncentrace přesahují hladiny stanovené normou, je nutno vypočítat místní limity.

Během provozu a po uzavření skládky, což většinou zahrnuje několik desetiletí, je kvalita podzemní voda nadále sledována čtvrtletním vzorkováním. Výsledky jsou porovnávány s limity a statisticky vyhodnoceny, často používaná je metoda Sheward-Cusum kontrolních grafů, která bere v potaz všechny předchozí měření a vyhodnotí, zda potencionální zvýšení je statisticky významné [12]. Vzhledem k velkému objemu dat je pro zpracování, přípravu grafů a statistické vyhodnocení výhodné použít automatizovaných databází.

6. Závěr

Stavební zkušebnictví dosud plně nevyužilo současných možností výpočetní techniky a automatizace pro zvýšení efektivity a kvality svých procesů. Jednou z příčin je nedostatek finančních možností pro zabezpečení zkušebních postupů v rámci celého životního cyklu stavby.Pro zdůvodnění těchto finančních nákladů v rámci výběrových řízení dosud není využíváno doporučení normy ČSN EN 1990 ed. 2.:2011, které stavební konstrukce člení dle následků poruchy nebo funkční nezpůsobilosti.Tomuto začlenění odpovídají nároky na prevenci, tedy především na kontrolu při návrhu a kontrolu při provádění stavby.

Literatura

  • [1] HUŇKA, P., KOLÁŘ, K., BOUŠKA, P., ŘEHÁČEK, S.: Vliv způsobu zakoncování tlačných ploch zkušebního tělesa na hodnotu statického modulu pružnosti v tlaku. In Zkoušení a jakost ve stavebnictví 2011. Fakulta stavební VUT v Brně. 2011. p. 103–111. ISBN 978-80-214-4338-9.
  • [2] CIKRLE, P., KOCÁB, D., POSPÍCHAL, O.: Možnosti využití ultrazvukové metody pro stanovení pevnosti v tlaku mostního betonu. In Zkoušení a jakost ve stavebnictví 2011. Fakulta stavební VUT v Brně. 2011. p. 53–60. ISBN 978-80-214-4338-9.
  • [3] MENCL,V., NOVÁK,J.: Řízení jakosti ve stavebnictví. ČKAIT 2002, p. 154. ISBN 80-86426-12-2.
  • [4] VYMAZAL,T., MISÁK,P., KUCHARCZYKOVÁ,B., DANĚK,P.: Programy zkoušení způsobilosti poskytované ÚSZK FAST VUT pro rozvoj zkušebních laboratořích, In Zkoušení a jakost ve stavebnictví Brno 2011, Fakulta stavební VUT v Brně, 2011, p. 473–477, ISBN 978-80-214-4338-9.
  • [5] PAVLÍK,A., DOLEŽEL,J.: Nedestruktivní vyšetřování betonových konstrukcí, Praha, 1977, SNTL, p. 276.
  • [6]Soubor příspěvků, Seminář Statistika ve stavební kontrole, Svratka, 1972.
  • [7] DROCHYTKA,R., BYDŽOVSKÝ,J., DUFKA,A.: Koncepce zkoušení betonů s extrémní dobou exploatace, In Zkoušení a jakost ve stavebnictví Brno 2011, Fakulta stavební VUT v Brně, 2011, p. 65–71, ISBN 978-80-214-4338-9.
  • [8] TEPLÝ,B.: Jak lze chápat ekonomickou výhodnost u veřejné zakázky?, čas.Stavebnictví, roč. 6. č. 06-07/2012, p. 48–50, ISSN 1802-2030.
  • [9] MENCL,V. Stavebně technické průzkumy, Metodická pomůcka 8.1. ČKAIT, 2011.
  • [10] ASCE American Society of Civil Engineers Hurricane Katrina External Review Panel: The New Orleans Hurricane Protection System What Went Wrong and Why. ASCE, 2007. ISBN 978-0-7844-0893-3.
  • [11] Wisconsin Administrative Code, Chapter NR 140, Groundwater Quality, Register January 2012.
  • [12] GIBBONS, R. D. : Statistical Methods for Groundwater Monitoring, John Wiley & Sons, 1994, ISBN 0-471-58707-9.
 
Komentář recenzenta prof. Ing. Pavel Kuklík, Ph.D., ČVUT Praha

Článek je velmi zajímavý, doporučuji k vydání a v globálu se závěry i souhlasím. Statistické metody jsou v pořádku a spočítá se s nimi riziko kolapsu stavby. Pokud bych měl nějakou připomínku, týkala by teoretické báze vyhodnocování zkoušek. Ta může být svým způsobem zastaralá, popis chování materiálu nedostatečný, a pak veškerá statistika neřeší nic. Také je třeba věnovat značnou pozornost rizikům při stavbě v brownfieldu, tj. v místech již dříve ovlivněných lidskou činností. Tam samozřejmě přicházejí překvapení se zcela fatálními důsledky a obecně se dají spíše věštit, než predikovat. Samozřejmě dramaticky narůstá oblast, ve které bychom měli provést geologický a geotechnický průzkum.

English Synopsis
Significance of quality of testing samples and metods

The importance of material testing is increasing with new requirements for structures. The priority is to improve quality of measurement process of materials, building parts and structures and utilize modern computing capabilities and automatization.

 
 
Reklama