Diagnostika a monitorování mostních konstrukcí

Konstrukce mostů větších rozpětí, zavěšených mostů či mostů atypických soustav jsou poměrně náročné a složité, a to jak při zpracování projektového návrhu, tak při vlastní realizaci konstrukce. Při statických výpočtech na návrhových modelech vycházejí projektanti z řady předpokladů, které se mohou díky různým vlivům od skutečného chování konstrukce lišit. Pro ověření shody statických a dynamických charakteristik konstrukce s návrhovými předpoklady je nutné provádět u těchto konstrukcí v průběhu výstavby diagnostické monitorování. Konečný obraz o chování konstrukce pak poskytují závěrečné statické a dynamické zatěžovací zkoušky provedené po jejím kompletním dokončení.

Účel diagnostických monitorování
Cílem diagnostických sledování v průběhu výstavby je zjištění chování konstrukce v jednotlivých stavebních etapách, zejména zjištění skutečného namáhání popř. deformací v rozhodujících průřezech. Na základě těchto údajů je možné ověřit správnost návrhových výpočtů nebo údaje využít pro zpřesnění návrhu v dalších stavebních etapách, např. korekce tvaru konstrukce, předpínání, eliminace deformací od smrštění betonu, napínání závěsů, osazení ložisek a dilatačních závěrů apod.

U konstrukcí může dojít ke vzniku trhlin či dalších poruch, které mohou být způsobeny mnoha vlivy. Od nedodržení kvality výstavby zejména z hlediska zanedbání geometrické přesnosti tvaru a maximálních odchylek daných požadavky ČSN, nedodržení technologických postupů a předpisů, odchylky skutečně dosažené kvality materiálů a podobně přes neočekávané přitížení konstrukcí (např. tíhou sněhu a ledu) až po možné chyby v návrhu konstrukce. Výsledky diagnostických sledování umožní definovat rozsah a míru poruch a jejich vliv na konstrukci.

Způsoby monitorování
V praxi se setkáváme s několika způsoby monitorování mostních konstrukcí. Pro každou konstrukci je vhodná jiná kombinace měření. S ohledem na rozsah tohoto článku je popis omezen pouze na základní a nej­rozšířenější způsoby měření.

Tenzometrická měření napětí
Pro monitorování napětí v konstrukci se používají zpravidla tenzometry, a to nejvíce tenzometry:

• strunové – vycházejí ze změn frekvence kmitání integrované struny při změně její napjatosti,
• odporové – vycházejí ze změny odporu do spirály uspořádaného vodiče při jeho protažení.

Přesnější a také podstatně dražší jsou strunové tenzometry. Existují v řadě provedení pro různá ukotvení, např.:

• pro přímé zabetonování do průřezu,
• pro uchycení na výztuž,
• příložný tenzometr pro ocelové i betonové konstrukce.

Odporové tenzometry se upevňují výhradně lepením na povrch.
Tenzometry jsou citlivé přístroje měřící poměrnou deformaci v určitém směru konstrukce a z této hodnoty se pomocí Hookova zákona vypočítá napětí. Při výpočtu hraje dominantní roli zadaná hodnota modulu pružnosti betonu, a proto je nezbytné věnovat otázce zjištění skutečného modulu pružnosti patřičnou pozornost. Při měření rovněž sehrávají značnou roli teplotní vlivy a tudíž je nezbytné tenzometry umístěné na povrchu konstrukcí opatřit teplotními kryty tak, aby v plné míře přebíraly teplotu měřené konstrukce.

Tenzometrická měření se provádějí ve vybraných průřezech mostních konstrukcí a umožňují nejen zjištění napětí v různých etapách výstavby (např. výsuvy konstrukcí, předpětí, odstranění provizorních podpor), ale i dlouhodobé sledování konstrukcí (např. pro ověření hodnot smrštění a dotvarování apod.). Pro poskytnutí prostorového obrazu o průbězích napětí se používají zpravidla skupiny tenzometrů umístěných rovnoměrně v průřezu. Monitorují se zpravidla vybrané průřezy nosných konstrukcí, závěsy, podkotevní oblasti, oblasti ložisek či spodní stavba a pilotové základy.

Monitoring rozvoje trhlin či jejich pohybu
Zejména u betonových konstrukcí může dojít v průběhu výstavby k nepředpokládanému vzniku trhlin či otevření pracovních spár. Aby bylo možno rozhodnout o příčině vniku nebo o způsobu opravy těchto trhlin v důležitých částech konstrukce, je nutno získat jednoznačný obraz o chování trhlin či spár v průběhu stavby, popř. při následném běžném užívání. Pro sledování trhlin se používají zpravidla liniové deformetry. Vlastní snímání hodnot je u různých přístrojů různé. Zpravidla se ale jedná o měření změn frekvence kmitání integrované struny při změně její napjatosti (obdobný princip jako u strunových tenzometrů) nebo o odečet posunů na stupnici pomocí velmi přesného optického laserového zařízení či zařízení potenciometrického. Nejlepší měřicí schopnost těchto přístrojů se pohybuje zpravidla okolo 1/100 mm.

Při monitorování trhlin je důležité provádět měření ve dvou, popř. třech na sebe kolmých směrech, aby bylo možno popsat prostorové chování trhlin či pracovních spár. Pro jednodušší dlouhodobá měření lze také využít možnosti osazení měřicích bodů (zpravidla antikorové pecky s cent­rálním přesným vyfrézovaným otvorem) a provádět měření ručně za pomoci speciálního hrotového měřidla s vysokou přesností měření.

Měření homogenity konstrukcí
Provádí se za pomoci ultrazvukových metod zejména u důležitých částí betonových konstrukcí, kde hrozí s ohledem na ztížené podmínky betonáže vznik štěrkových hnízd či neprobetonovaných dutin. Při tomto způsobu může být měření zkresleno množstvím dalších faktorů omezujících jeho vypovídací schopnost a je nutné s těmito faktory počítat při interpretaci výsledků. U přístupných částí konstrukcí se doporučuje povést při zjištění anomálií kontrolní návrt s kontrolou endoskopem či mikrokamerou.

Zjišťování homogenity ocelových konstrukcí není záměrně uváděno, neboť defektoskopie se u těchto konstrukcí provádí již ve výrobním závodě, a nikoli až v průběhu výstavby.

Měření teplotních gradientů
Tento způsob je v současné době poměrně opomíjený, přestože může poskytovat důležité údaje. Provádí se zpravidla pomocí čidel osazených do konstrukce; takto umístěná čidla poskytují obraz o průběhu hydratace při tuhnutí betonu a vývoji teplotních spádů v konstrukci (důležité zejména kvůli možnému vzniku trhlin). Měřicí soustava rovněž umožní bezchybné určení průměrných teplot konstrukce v požadovaném okamžiku, což je klíčové pro správné nastavení ložisek a dilatačních závěrů.

Používané měřicí soustavy bývají často tvořeny Pt či Ni sondami (čidla pro měření teploty s koncovou odporovou vrstvou z platiny či niklu) s kabelovým vedením do převodníků, což klade vysoké nároky na kalibraci celého systému. Doporučuje se proto používat soustavy s moderními integrovanými čidly, které již komunikují na digitální úrovni a nejsou ovlivněny délkou kabeláže.

Měření vlhkosti
Měření vlhkosti vzduchu a dalších podobných parametrů se využívá pouze u zvláštních konstrukcí, u nichž mohou mít tyto parametry určitý vliv.

Měření deformací, naklonění konstrukcí
Měření prostorového tvaru a chování mostní konstrukce je při stavbě velmi důležité. Zpravidla se provádí pomocí geodetických měření, které jsou snadno proveditelné a mají pro běžné mostní konstrukce dostaču­jící přesnost. Nevýhodou těchto měření je, že neposkytují ucelený obraz chování konstrukce s ohledem na přirozené denní výkyvy teplot, přičemž zejména u ocelových konstrukcí dochází při těchto teplotních změnách k relativně výrazným změnám tvaru. Probíhá-li měření v důležitých stavebních etapách, je nutné měřit vždy za při­bližně shodných podmínek, popř. zohlednit vliv teplotních změn.

Pro měření tvaru či deformací různých částí mostní konstrukce lze použít i automatická sledovací zařízení – např. vertikální či horizontální inklinometry apod.

Odečítání dat
U měření malých rozsahů či jednorázových měření se stále uplatňuje ruční odečet pomocí přenosných přístrojů.

U dlouhodobých měření či měření větších rozsahů se používá automatických odečítacích ústředen s ukládáním výsledků na paměťové karty. Podle možností bývají ústředny doplněny datovým přenosem po síti GSM, který zajistí pravidelný převod naměřených dat do zvoleného PC.

Návrh rozsahu měření
Návrh rozsahu diagnostického sledování mostní konstrukce je potřebné provést v součinnosti s projektantem tak, aby měření bylo koncepční a zjištěné výsledky poskytly dostatečný obraz o chování konstrukce. Vzhledem k množství různých statických systémů a typů konstrukcí či způsobů výstavby je potřebné věnovat návrhům diagnostických měření i následných zatěžovacích zkoušek patřičnou pozornost, a to jak z hlediska rozsahu vlastních měření, tak i z hlediska druhu a velikosti měřených parametrů a v neposlední řadě i proveditelnosti a efektivnosti měření s ohledem na vedlejší negativní vlivy, které mohou být u některých konstrukcí výrazné. Jedině správně navržený program měření s vhodně umístěnými čidly a snímači (mnohdy zabudovanými již při výstavbě) umožní efektivně a správně prověřit reálné chování konstrukce a následně i posoudit míru shody s návrhovými výpočty.

Zatěžovací zkoušky a první hlavní prohlídky
Pro konečné ověření namáhání a chování mostní konstrukce je nutno rovněž na­vrhnout vhodný rozsah statické a popř. i dynamické zatěžovací zkoušky, která zajistí konečný přehled o mostní konstrukci. Při ní lze výhodně využít čidla monitorující konstrukci v průběhu výstavby; vypovídací schopnost např. přímého zjištění napětí v konstrukci je výrazně vyšší než výsledky vyplývající z měření deformací. Výsledky diagnostického monitorování by měly být jedním z dokladů při přebírání stavby.

Neméně důležité pro konečné zhodnocení kvality konstrukce je zajištění řádné a podrobné hlavní mostní prohlídky – nejlépe nezávislým odborníkem, který má kromě patřičného oprávnění i potřebné znalosti a zkušenosti.

Závěr
Diagnostická měření poskytují cenné informace o skutečném chování konstrukce v průběhu výstavby či při užívání konstrukce. Na základě těchto sledování je možné relativně brzo identifikovat odchylky v chování či namáhání konstrukce oproti předpokladům statického výpočtu, zjistit jejich příčinu a návrhem vhodných opatření v součinnosti s projektantem tyto negativní jevy eliminovat. Na základě výsledků měření je rovněž možné přesně definovat skutečné chování konstrukce zejména s ohledem na tuhosti konstrukce, kroucení a spolupůsobení dalších částí a tyto údaje výhodně využít při návrhu a optimalizaci dalších obdobných konstrukcí.

V současné době se diagnostická monitorování mostních konstrukcí provádějí pouze omezeně, i když by jejich výsledky mohly významně přispět ke konečné kvalitě konstrukce. Příčinou jsou téměř vždy finanční a časové důvody. Proto se považuje za důležité, aby u významných či neobvyklých konstrukcí byl návrh diagnostických měření mostních konstrukcí součástí projektové dokumentace pro zadání stavby; jen tak budou do rozpočtu stavby zahrnuty i potřebné finanční prostředky.

Ing. Petr Komanec, Ing. Tomáš Míčka
Foto: autoři

Autoři pracují ve společnosti Pontex, s. r. o., na oddělení diagnostiky.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrske stavby.