Diagnostika stavebních konstrukcí

ýsledk ve
složitjších p
ípadech a citlivost ultrazvuku na
adu vnjších vliv.
P
i diagnostice stavebních konstrukcí a materiál jsou bžn používány sondy, jejichž
pracovní kmitoet je v rozsahu 20 kHz až 150 kHz, využití jiných frekvencí není p
íliš asté,
ale je možné. Obecn platí, že s vyšší frekvencí se zvyšuje rozlišovací schopnost a tudíž i
p
esnost ultrazvukového m
ení, nicmén ultrazvukové kmitoty o vysokých frekvencích
jsou bhem prchodu konstrukcí mnohem výraznji zeslabovány. Z normy SN EN 12504-
4:2005 vychází - s ohledem na výše popsané chování ultrazvukového impulsu - následující
doporuení:
• Pro krátké m
icí základny (do 50 mm) je vhodné používat sondy s vysokým
kmitotem od 60 kHz až do 200 kHz;
• Pro dlouhé m
ící základny (
ádov v metrech, až do 15 m) je vhodné používat sondy
s nízkým pracovním kmitotem od 10 kHz do 40 kHz.
• Pro vtšinu p
ípad je vhodné použít sondy s pracovním kmitotem od 40 kHz do 60
kHz.
Je t
eba upozornit na fakt, že použitelnost sondy o urité frekvenci pro konkrétní p
ípad
m
ení není dána pouze délkou m
ící základny, ale i
adou dalších faktor, mezi nž pat
í
12
nap
íklad podstata zkoumaného problému (rozmry defektu i nehomogenity), druh
materiálu, výkon p
ístroje apod.
V zásad existují dva hlavní zpsoby vyšet
ování vlastností konstrukce i materiálu pomocí
ultrazvuku. Prvním z nich je stanovení rychlosti šíení ultrazvukového impulsu zkoumaným
prost
ením. Tento zpsob vypovídá jak o fyzikáln-mechanických vlastnostech materiálu, tak
o p
ípadných defektech. Druhým zpsobem je metoda odrazová, kde se snažíme zachytit
odraz ultrazvukového signálu od nehomogenity, defektu i cizího tlesa v konstrukci.

Stanovení rychlosti šíení ultrazvukového impulsu
P
i zkoumání rychlosti ší
ení ultrazvukového impulsu je možné p
iložit sondy na protilehlé
stran konstrukce, v tom p
ípad hovo
íme o p
ímém prozvuování. Na dvou p
ilehlých
stranách, pak se jedná o polop
ímé prozvuování. O polop
ímé prozvuování se jedná taktéž
v p
ípad umístní sond na protilehlých stranách, avšak ne p
ímo proti sob. P
ípadn na
stran stejné, tehdy hovo
íme o prozvuování nep
ímém – viz. obr.4.1.


Obr. 4.1 Zpsoby prozvuování konstrukce

Vzhledem k velké citlivosti nep
ímého prozvuování na
adu vnjších vliv je vhodné jej
používat pouze v p
ípadech, kdy není možné provádt p
ímé ani polop
ímé m
ení, nebo
v p
ípadech kdy je nutná dkladná kontrola kvality povrchu. Vyhodnocování fyzikáln-
mechanických vlastností materiál na základ rychlosti ší
ení ultrazvukového signálu
provádíme dle p
íslušných kalibraních vztah pro daný materiál. Na p
ítomnost defektu i
nehomogenity usuzujeme na základ prodloužení asu prchodu, vlivem obcházení tohoto
místa.
Odrazová metoda
Odrazovou metodu volíme tehdy, když je konstrukce p
ístupná jen z jedné strany, na rozdíl
od nep
ímého prozvuovaní nám tento zpsob umožuje odhalit defekty, nehomogenity
p
ípadn cizorodá tlesa po celé výšce konstrukce pomocí odrazu ultrazvukového impulsu.
Odrazová metoda nabízí dva zpsoby m
ení – s jednou sondou v režimu vysíla-p
ijíma a
se dvma sondami kdy jedna funguje jako vysíla a druhá jako p
ijíma ultrazvukového
signálu – viz obr. 4.2.

13

a) s jednou sondou

b) se dvma sondami
Obr. 4.2 Odrazová metoda s jednou a dvma sondami

První z výše uvedených zpsob m
ení je jednodušší na provádní a manipulaci, ale
vzhledem k zarušení sondy po dobu, za kterou urazí ultrazvukový signál vzdálenost p
ibližn
2,5 , je použitelný spíše na masivnjší konstrukce. Druhý zpsob je náronjší na
manipulaci se dvma sondami, nicmén umožuje snadné vyhodnocení výsledk i pro tenké
konstrukce.

4.1.2.2 Ostatní elektrodynamické metody
Do této skupiny metod pat
í rovnž kladívková – impakt-echo metoda. Úder kladívka nebo
pád kuliky vyvodí ve zkoušeném materiálu mechanické vlnní, které se snímá snímai a
vyhodnocují se z nich dynamické charakteristiky materiálu.
Další metodou používanou p
edevším v dopravním stavebnictví je metoda fázových
rychlostí. Používá se pro m
ení dynamické tuhosti vozovek a podloží plošných konstrukcí
(letištní dráhy, dálnice) s jednou p
ístupovou plochou. Budi (30 Hz až 30 kHz) budí
podélné, ohybové a smykové vlny, které jsou snímány snímai umístnými v rzných
vzdálenostech od budie. Poítají se fázové rychlosti ší
ení vln naptí materiálem o vlnové
délce l nam
ené na p
íslušné frekvenci f harmonického kmitání v plošné konstrukci [4.7].
Metoda tlumeného rázu spoívá v rázovém úinku b
emen rzných hmotností a ve zm
ení
odezvy konstrukce a v p
íslušném vyhodnocení výsledk m
ení. Rázový úinek je vyvolán
pádem b
emene na tlumící podložky položené na povrch zatžovací desky, která je
v kontaktu s m
enou vozovkou. M
í se síla, prhyb nebo deformace vozovky a stanoví se
ukazatele dynamické odezvy konstrukce. Hodnotí se dynamický prhyb a modul tuhosti
[4.8].
Metoda mechanické impedance se používá pro zkoušení materiál s vaskopružnými
vlastnostmi nap
. asfaltobetonu p
íp. podloží ze soudržných zemin. M
í se normovanou
mechanickou impedanci
( )aMFz = ,
kde F je harmonická promnná síla,
a je zrychlení v budícím bod kmitajícího prvku o hmotnosti M,
z je bezrozmrná komplexní funkce.
Zkouškou se urují komplexní moduly EK a GK.
Metoda akustické emise je založena na tom, že v prost
edí zatžovaného prvku vznikají
mikroporušení, které vyvolávají mechanické impulsy dilataních vln, které se prost
edím ší
í
14
jako UZ signály a jsou snímány snímai. P
i dobrém p
ístrojovém vybavení lze urit polohu
vznikající trhliny d
íve než ji lze lokalizovat okem nebo mikroskopem. Nevýhodou je
souasný vznik nevhodných akustických „šum“. P
edností AE metody je možnost stanovit
historii zatžování. Jde o tzv. Kaisserv efekt, který spoívá v tom, že pokud namáhání
materiálu nedosáhne vyšší hodnoty než dosáhlo v minulosti, nedochází k rozvoji dalších
vnit
ních mikrodefekt. Lze tedy odhadnout rezervu únosnosti prvku p
ed jeho destrukcí
z prbhu intenzity rozvoje vnit
ních trhlin.
4.1.3 Elektromagnetické metody
Pat
í sem metody jimiž zjišujeme polohu, prmr nebo krytí kovových prut
v železobetonových konstrukcích – elektromagnetické sondy [4.1] [4.2].
Metoda mikrovlnná se používá k przkumu dutin, kavern, komín v jinak známé
konstrukci. Jiná za
ízení pracující na obdobném principu slouží k m
ení vlhkosti stavebních
materiál. Induknostní metoda slouží p
edevším k m
ení posun, pohyb a p
etvo
ení na
základ zmny induknosti soustavy cívek zpsobené zmnou jejich magnetického odporu.
Zmna polohy feromagnetického jádra snímae p
etvo
ení v dutin cívek vede ke zmn
jejich induknosti. Induknostní snímae mohou mít velké rozlišení a m
it malá p
etvo
ení
[4.1].
4.1.4 Elektrické metody
Mezi elektrické metody pat
í metody odporové a kapacitní.
Odporové metody se používají p
edevším k m
ení velmi malých p
etvo
ení. M
ený odpor
velmi tenkých drátk z konstantanu v odporovém tenzometru p
ilepeném na konstrukci se
mní se zmnou délky drátk [4.1]. Další možností je m
ení teplot Pt lánky nebo diodami,
kdy zmna teploty vyvolá zmnu odporu m
ící soustavy.
Kapacitní metody m
ení vlhkosti stavebních materiál využívají poznatku, že voda
v kapilárn porézním prost
edí výrazn ovlivuje permitivitu tohoto prost
edí. Tvo
í-li toto
prost
edí dielektrikum kondenzátoru, bude se zmnou vlhkosti prost
edí mnit i kapacita
kondenzátoru. M
ící kondenzátor je tvo
en dvojicí elektrod ležící v ploše na spodní stran
p
ístroje.

4.1.5 Radianí metody
Radianí metody využívají vlastnosti ionizujícího zá
ení, které je v materiálu zeslabováno a
toto zeslabené zá
ení je zobrazeno nap
. na film (radiografie) a nebo je m
eno jeho zeslabení
detektory (radiometrie). K radianím metodám pat
í i m
ení p
írodní radioaktivity a radonu
v objektech. Vzhledem k tomu, že radianí metody vyžadují speciální za
ízení a speciální
postupy, jsou jim ve skriptech vnovány samostatné kapitoly, a to kap.8 (radiometrie), kap.9
(radiografie) a kap. 10 (radon).

4.1.6 Tenzometrické metody
Tyto metody a p
íslušná m
ící za
ízení jsou urena k m
ení malých zmn délek. Tyto
metody jsou podrobn popsány v [4.1] a [4.2] a v další ásti tchto skript.
15
4.1.7 Trvanlivostní metody
Mezi tyto metody pat
í zkoušky, které vypovídají o struktu
e zkoušených staviv podrobených
vlivm okolního prost
edí. Tyto zkoušky bývají zpravidla urychlené, koncentrace psobících
škodlivých látek bývá nkolikanásobn vyšší než v bžném prost
edí. Znaný problém je
objektivní zhodnocení tchto urychlených zkoušek.
4.1.7.1 Metoda stanovení propustnosti struktury staviva p
sobením kapalin a plyn

Tyto metody pat
í mezi nejzávažnjší trvanlivostní metody. Výsledky vodo a
plynopropustnosti popisují aktuální stav struktury zkoušeného materiálu a lze z nich odvodit,
zda pórový systém obsahuje vodu, vodní páry nebo je suchý. Pro zkoušení je p
ipravena
ada
metod, které však jsou mezi sebou obtížn srovnatelné. Stanovení propustnosti struktury
materiálu pro vodu spoívá ve sledování pohlcení daného objemu betonu mírn tlakovou
vodou (1-5 bar). Vhodným se ukazuje p
ístroj GWT dánské firmy Germann Instrument
(obr.4.4).
Pro stanovení vzduchové propustnosti se ukázal
nejvhodnjší p
ístroj TPT (Torrent Permeability
Tester), který pracuje na principu vytvo
ení vakua
1000 mbar vakuovou pumpou. Po jeho dosažení se
pumpa vypne a sleduje se proud vzduchu betonem
do vnit
ní komory p
ístroje. M
í se tlak snižujícího
se vakua v betonu pod obma komorami, až dojde
k vyrovnání obou tlak. V m
ícím indikátoru se
prbžn sledují oba tlaky a vyhodnocuje se
souinitel vzduchové propustnosti kT. Rozmr je m2.
ím je souinitel propustnosti nižší, tím je pórová
struktura mén propustná pro agresivní plyny a
kapaliny z okolního prost
edí. Souástí p
ístroje je
tabulka a diagram umožující za
adit zkoušený beton do jedné z pti t
íd z hlediska
trvanlivosti. (obr.4.3).

Obr. 4.4: Schéma p
ístroje GWT na
stanovení propustnosti kompozitu
pro vodu

Obr. 4.3: Schéma p
ístroje TPT na stanovení propustnosti kompozitu pro
vzduch
1) vnit
ní komora
tlak pi
2) vnjší komora
tlak po
pi = po
3) proud vzduchu do
vnjší komory
4) proud vzduchu do
vnit
ní komory
L = hloubka vnik -
nutí vakua

16
4.1.7.2 Zkouška mrazuvzdornosti
Metod zkoušení mrazuvzdornosti staviv je nkolik, záleží, které stavivo se zkouší. Zkoušky
v podstat spoívají ve st
ídání teplot pod bodem mrazu, vtšinou – 20 oC, dob setrvání
v této teplot, vyjmutí zkušebního tlesa a vložení do vody o teplot + 20 oC, p
íp. obdobn.
Tyto zkoušky bývají p
edepsány p
edevším u vodostavebných beton a u beton i jiných
staviv, které p
ijdou do styku s venkovním prost
edím [4.9] [4.10].
4.1.7.3 Zkouška odolnosti betonu proti p
sobení vody a chemických rozmrazovacích látek
Zjišuje se odolnost proti psobení vody a chemických rozmrazovacích látek za cyklického
st
ídání kladných a záporných teplot ( z + 20 oC na - 8 oC). Vyhodnocuje se m
ením
odpadu betonu na jednotku plochy a povrch zkušebního tlesa se hodnotí vizuáln. Udává se
poet cykl [4.11].
4.1.7.4 Zkouška nasákavosti betonu
Zkouška nasákavosti je ukazatelem otev
ené pórovitosti staviva. P
edevším u betonu je to
jedna z velmi dležitých trvanlivostních zkoušek [4.12].
4.1.7.5 Zkouška vzlínavosti betonu
Zkouška vzlínavosti vody strukturou betonu vypovídá o jeho pórovitosti a usnadní pochopit
transport vody strukturou betonu [4.12]. V zahranií existuje
ada modifikovaných metod
zkoušení vzlínavosti a nkteré práce odborník tyto metody za
azují mezi nejdležitjší
z hlediska stanovení aktuální trvanlivosti a jejího odhadu do budoucnosti.
4.1.7.6 Zkouška sorbních vlastností betonu
Sorbními vlastnostmi betonu je jeho navlhavost a vysychavost. Základní zkouška
navlhavosti se provádí na vysušeném betonu a zkouška vysychavosti na betonu nasyceném
vodou. Zkouška probíhá obvykle po dobu 180 dn, kdy se v urených intervalech zjišují
p
írstky nebo úbytky hmotnosti zkušebních tles [4.14].
4.1.7.7 Zkouška pr
saku tlakovou vodou
Tato zkouška popisuje míru vodotsnosti struktury zkoušeného betonu. Na povrch krychle
psobí voda tlakem 500 – 50 kPa po dobu 72 – 2 hodin. Po ukonení zkoušky se krychle
poruší a zm
í se hloubka prsaku vody [4.13].

4.2 Semidestruktivní diagnostické metody
4.2.1 Jádrové vývrty
Jádrové vývrty se odebírají z diagnostikované konstrukce ke stanovení vlastností staviva
v dob przkumu konstrukce. Vývrty se provádjí vrtakou se speciálními dutými válci,
opat
enými na spodní stran vrtáku tvrdokovovými p
íp. diamantovými b
ity. Vrtaka je
držena v držáku, který umožuje vrtat nejen svisle, ale i vodorovn, p
íp. šikmo. B
ity vrtáku
jsou vtšinou ochlazovány vodou. Používané prmry vrták na betonové a zdné konstrukce
jsou 25, 50, 100,150, mm, p
íp. mezilehlé prmry. Vrt se provede podle úelu zkoušky do
17
požadované hloubky, vrták se vyjme a jádrový vývrt (válec) se opatrn vylomí z vrtu.
Jádrové vývrty prmru 50, 100 a 150 mm slouží p
evážn ke kontrole pevnosti staviva
v tlaku. Vývrt se na pile diamantovým kotouem u
ízne na požadovanou délku, ob plochy
vývrtu se jemn obrousí a zkontroluje se rovnobžnost obou tlaených ploch. Po zvážení
vývrtu se provede tlaková zkouška tlakové válcové pevnosti v lise. V nkterých p
ípadech se
na vývrtu p
edem stanoví doba prchodu UZ (ultrazvukových vln) a spoítá se rychlost ší
ení
ela vlny válcem. Obdobn lze na válci stanovit pevnost v p
íném tahu [4.4] [4.5].
Podobn vývrty o prmru 25 mm a menší se provádí pro stanovení propustnosti betonu pro
kapaliny a plyny nebo pro zjištní hloubky zkarbonatovaného betonu. Jádrové vývrty jsou
velmi dležitou metodou up
esování hodnot jiných nedestruktivních zkoušek (nap
.
odrazové zkoušky tvrdosti staviv Schmidtovými tvrdomry apod.).
4.2.2 Odtrhové zkoušky
Odtrhové zkoušky slouží ke stanovení pídržnosti povrchových vrstev na nosném podkladu
(strky, omítky, nátry), nebo na zjištní tahové pevnosti povrchových (do 30-50 mm) i
podpovrchových vrstev betonu. Podle požadavku lze provést odtrhy i do znaných hloubek
od povrchu. Na povrch betonu se kvalitním, vtšinou epoxidovým lepidlem nalepí upravený
ter o ˘ 50 mm. Ter je vyroben z oceli p
íp. lehkých slitin (dural apod.). Výška tere bývá
30 mm. P
i zkoušce pevnosti betonu povrchové nebo podpovrchové vrstvy se jádrovým
vrtákem s vnit
ním prmrem 50 mm navrtá beton do požadované hloubky zkoušeného
betonu. Posléze se na naznaený vývrt nalepí ter pro uchycení do trhacího p
ístroje a po
zatvrdnutí lepidla se trhakou provede zkouška v osovém tahu (obr.4.5).




a) b)

Obr. 4.5: Odtrhová zkouška
a) omítky b) betonu

18

Obr. 4.7: Vytahování hmoždinky

Do skupiny odtrhových
adíme i zkoušky vytrhávací (vytahovací), kdy se vytrhává p
edem
zabetonovaná kotva, p
ípadn se do betonu vloží standardizovaná hmoždinka, která se p
ed
vytržením utáhne a posléze vytrhne (obr. 4.6 a 4.7).

K výsledkm zkoušek jsou zpracovány kalibraní vztahy mezi tahovou silou a nap
.
krychelnou pevností na svislé ose (obr.4.8).
Vylamovací metoda (norská) spoívá ve vyvrtání jádrového vývrtu prmru 55 mm do
hloubky 70 mm od povrchu a posléze vložení hydraulické buky, která vyvine sílu
k vylomení vývrtu. Vylomený válec lze po za
íznutí použít na stanovení válcové pevnosti
v tlaku (obr.4.9).
síla [kN]
Obr. 4.8: Kalibraní vztah

lomová zóna
Obr. 4.9: Vylamovací zkouška



4.2.3 Metoda plochých lis pro stanovení napjatosti ve zdivu
Metoda pat
í mezi semidestruktivní metody a slouží ke stanovení lokální napjatosti p
íp.
modul pružnosti zdiva (cihelného p
íp. smíšeného). V míst zvoleném pro urení
napjatosti ve zdivu se vybere vodorovná ložná spára. P
es vodorovnou spáru se kolmo na ni
osadí t
i základny pro sázecí deformetry 200 mm. M
ící tere jsou umístny soumrn p
es

Obr. 4.6: Vytrhávací zkouška

19
spáru. V této fázi se odete stav na íselníkových
indikátorech, toto tení je základní. Posléze se
vy
eže nebo vyvrtá malta ze sledované spáry,
spára se vyistí a provede se druhé tení na
indikátorech sázecího deformetru. Následuje
vložení tenkého plochého lisu do spáry a tenkými
plechy se lisy vypodloží (obr.4.10 a 4.11).
Do plochého lisu se zane vhánt pod tlakem
hydraulický olej tak dlouho, dokud se na
indikátorech neobjeví stejné hodnoty jako p
i
základním tení. P
edpokládá se, tlaková síla lisu
v tomto okamžiku odpovídá pvodnímu naptí ve
zdivu.
Použijí-li se dva tenké lisy umístné v ložných spárách nad sebou lze z nam
ených hodnot
p
etvo
ení ve t
ech svislých a jedné vodorovné základn stanovit modul petvárnosti a
posléze pevnost tlaku zdiva mezi plochými lisy. Zatžovací zkouška se provádí do hodnoty
prmrného naptí v tlaku ve zdivu nebo do poloviny p
edpokládané pevnosti vyšet
ovaného
zdiva v tlaku (obr.4.12).

Boní sev
ení zdiva zpsobuje, že pevnost zdiva v tlaku je asi o 15% vtší a svislá p
etvo
ení
asi o 10% menší než hodnoty stanovené na tlesech stejných rozmr bez boního sev
ení
[4.3].
4.2.4 Vrtací zkouška stanovení pevnosti malty
Stanovení pevnosti malty ve spárách zdiva je znaným problémem. Byly vyvinuty dv
varianty vrtaek s p
íklepem, které se zavrtávají do upravené ložné spáry. M
í se hloubka
vniku p
íslušného vrtáku p
i p
edepsaném potu otáek a p
es obecný kalibraní vztah se urí
pevnost malty ve zdivu (podrobnji v modulu II – Diagnostika cihelného zdiva).

Obr. 4.10: Umístní plochého lisu v
ložné spá
e zdiva

Obr. 4.11: Obdélníkový a
semioválný tenký lis




Obr. 4.12: Rozmístní ter vzhledem k poloze
dvou tenkých lis

20
4.2.5 Další používané semidestruktivní zkoušky
Další semidestruktivní zkoušky se vesms používají pro stanovení pevnosti betonu v tlaku
p
es nkteré tvrdomrné metody [4.1] [4.2]:
• brusná nebo vrtná metoda,
• vst
elovací metoda
• vnikací metody
- špiáky Maškv a Cigánkv
- mechanické špiáky

4.3 Použitá literatura

[4.1] Schmid,P. a kol: Základy zkušebnictví, nakl. CERM Brno, leden 2001
[4.2] Anton,O. a kol.: Základy zkušebnictví. Návody do cviení, nakl. CERM Brno, únor
2002
[4.3] Pume,D., ermák,F. a kol.: Przkumy a opravy stavebních konstrukcí, nakl. ARCH
Praha, 1993
[4.4] Adámek,J., Novotný,B., Koukal,J.: Stavební materiály, nakl. CERM, Brno 1997
[4.5] Cikrle,P., Ambrosová, V., Havlíková,D.: Zkoušení stavebních materiál. Laboratorní
cviení, nakl. CERM, Brno 1997
[4.6] EN SN 12 504 – 2 Zkoušení betonu v konstrukcích – ást 2: Nedestruktivní
zkoušení – stanovení tvrdosti odrazovým tvrdomrem
[4.7] SN 736170 Meranie dynamických charakteristík vozoviek metódou fázových
rychlostí
[4.8] SN 736192 Rázové zatžovací zkoušky vozovek a podloží
[4.9] SN 131322 Stanovení mrazuvzdornosti betonu
[4.10] SN 731325 Stanovení mrazuvzdornosti betonu zkrácenými zkouškami (neplatná)
[4.11] SN 731326 Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti psobení vody
a chemických rozmrazovacích látek
[4.12] SN 731316 Stanovení vlhkosti, nasákavosti a vzlínavosti betonu (neplatná)
[4.13] SN EN 12390 Zkoušení ztvrdlého betonu – ást 8: Hloubka prsaku tlakovou vodou
[4.14] SN 731327 Stanovení sorbních vlastností betonu

21
5 Diagnostika železobetonových konstrukcí
5.1 Úvod do diagnostiky železobetonových konstrukcí
5.1.1 Poteba diagnostiky železobetonových konstrukcí
Pot
eba diagnostiky vychází z nkolika dvod, zejména:
• u nové konstrukce vznikly pochybnosti o kvalit betonu i krytí výztuže;
• u starší konstrukce se objevily staticky závažné poruchy (nap
. trhliny) a vznikla
pochybnost o její bezpenosti;
• u starší konstrukce je p
ipravována rekonstrukce, p
estavba i nadstavba;
• diagnostika je p
edep