Diagnostika ocelových střešních konstrukcí zimních stadionů v ČR

S ohledem na možnosti vyplývající z daných konkrétních podmínek a konstrukčního uspořádání byly použity různé diagnostické metody. V případě zimního stadionu v Olomouci mohly být kromě nedestruktivních metod in‑situ (pro ověření tlouštěk trubkových průřezů) použity i destruktivní laboratorní metody (pro určení vlastností materiálu – viz dále), zatímco u dalších dvou konstrukcí (zimní stadiony v Jihlavě a Znojmě) byly použity výhradně metody nedestruktivní (jak pro ověření dimenzí uzavřených průřezů, tak pro stanovení vlastností oceli), protože ze statických důvodů nebylo možno z konstrukcí odebrat žádný konstrukční prvek na výrobu vzorků pro zkoušky oceli tahem v laboratoři.

DIAGNOSTIKA OCELOVÉ STŘEŠNÍ KONSTRUKCE ZIMNÍHO STADIONU V OLOMOUCI – PŘÍHRADOVÁ DESKA
Střešní konstrukce zimního stadionu v Olomouci je svařovaná příhradová deska z kruhových trubek spojených kulovými styčníky. Dispozice příhradové desky je zřejmá z geometrického schématu na obr. 1, ilustrace reálného provedení systému jsou na obr. 2. Výroba a montáž objektu se datuje do 60. let minulého století a stáří nosné ocelové konstrukce střechy je tedy téměř 50 let. Půdorysné rozměry příhradové desky jsou 68 × 100 m, osová výška činí 4 m.

Nedestruktivní diagnostika – ověření reálných dimenzí prvků příhradové desky ultrazvukovou metodou
Nedestruktivní diagnostika prováděná in situ byla především zaměřena na měření tlouštěk uzavřených průřezů prutů – kruhových trubek i spojů – kulových styčníků [1], [2]. Nejprve bylo provedeno nedestruktivní ověření dimenzí vybraných prvků ocelové konstrukce [2] ultrazvukovou metodou. V rámci této kontroly byly měřeny tloušťky celkem 29 staticky významných ocelových prvků, jejichž poloha v konstrukci je znázorněna na obr. 3 – označeno čísly od 1 do 23 a písmeny A až F. Předběžným orientačním statickým výpočtem byly určeny nejvíce namáhané prvky, z nichž pro ověření byly vybrány následující: celkem 13 diagonál (na obr. 3 č. 1–13), z toho sedm kusů průřezu TR ∅102/4, čtyři kusy průřezu TR ∅127/6 a dva kusy průřezu TR ∅168/8; 4 pruty dolního pásu (č. 14–17), z toho 2 ks průřezu TR ∅219/10 a 2 ks průřezu TR ∅219/14; 6 prutů horního pásu (č. 18–23), z toho 2 ks průřezu TR ∅127/6, 2 ks průřezu TR ∅168/6 a 2 ks průřezu TR ∅219/10; 6 kulových styčníků dolního pásu (ozn. A–F).

Tloušťky stěn vybraných prvků ocelové konstrukce byly měřeny pomocí ultrazvukového defektoskopického přístroje SONIC 1200 HR vyráběného firmou Staveley Instruments Inc. (USA). Pro měření byla použita přímá piezoelektrická sonda o jmenovité frekvenci 10 MHz; měření bylo realizováno pomocí impulsové odrazové metody. Princip ultrazvukové odrazové metody je založen na pravidelně se opakujícím vysílání mechanických kmitů ultrazvukovou sondou (budičem) do zkoušeného materiálu, ve kterém se šíří pro daný materiál konstantní rychlostí. Při dopadu na nehomogenitu v materiálu nebo na protilehlou stranu zkoušeného předmětu se tyto kmity odrážejí zpátky se sníženou energií a jsou ultrazvukovou sondou zaznamenány a po elektronickém zesílení zobrazeny na obrazovce vyhodnocovacího přístroje.

Doba od vyslání ultrazvukového signálu až po jeho návrat je úměrná vzdálenosti zjišťované nehomogenity nebo protilehlé strany. Ultrazvuková metoda se běžně používá pro měření tloušťky ocelových konstrukcí a výrobků.

Nejpřesnější měření lze zajistit pomocí sondy s vyšším kmitočtem, zatímco běžně používané sondy o jmenovité frekvenci 5 MHz vykazují chybu čtení 0,3 mm. Této chybě by bylo možné zabránit pouze vysokou kvalitou obou povrchů materiálu v měřeném místě, což je v praxi obvykle nereálné. Je tedy důležité, aby tuto skutečnost pracovníci ultrazvukové defektoskopie znali a měření tloušťky prováděli v jedné plošce několikrát. Obecně platí, že čím vyšší je jmenovitá frekvence sondy použité k měření tloušťky, tím vyšší je i přesnost čtení dat. Použití sond o vyšší frekvenci má však omezení dané prozvučitelností materiálu a stavem povrchu, na který se sonda přikládá. Přesnost čtení také velmi závisí na velikosti mezery mezi sondou a prozvučovaným povrchem. Na druhé straně, sondy o nižší jmenovité frekvenci cca f = 4 ± 5 MHz nejsou na změnu velikosti mezery mezi sondou a zkoušeným materiálem tak citlivé, a proto jsou většinou používány pro měření tloušťky. To byl i případ námi prováděných měření, protože povrch, na který se sonda přikládá, nebyl dokonale rovinný. Každá nerovinnost povrchu pod sondou se projeví chybou čtení čtyřikrát vyšší. Tedy např. pro mezeru 0,8 mm je chyba čtení 0,32 mm, a tedy 0,4 mm po zaokrouhlení na desetiny mm (vždy nahoru). V tomto případě tedy odečítáme o 0,4 mm větší údaj tloušťky, který není ovlivnitelný jinak než lepší přípravou povrchu, aby na malé plošce o průměru 10 mm byla nulová mezera mezi sondou a povrchem materiálu. Jestliže sonda dosedá uprostřed a na krajích se „houpe“, bude i přesto měření přesné, protože v ose sondy je nulová mezera. Chybu měření způsobenou nerovinností pod sondou lze eliminovat pouze dobrou přípravou povrchu materiálu. 

Podle norem ČSN 35 6885 a ČSN 35 6886 se pro kalibraci ultrazvukového přístroje používají dvě základní měrky K1 a K2. Měrka K1 je z oceli a má následující parametry: rychlost šíření podélých vln c_L = 5 920 ± 30 ms^–1, rychlost šíření příčných vln c_T = 3 255 ± 20 ms^–1, útlum α = 0,05 dBmm, hustota ρ = 7,85 · 103 kgm^–3. Podobný účel plní i měrka označená K2. Tato měrka se vyrábí rovněž z oceli se stejnými akustickými vlastnostmi jako měrka K1.

V montážních podmínkách se jí dává přednost pro její menší rozměry i hmotnost.

Na každém ověřovaném prvku byly připraveny vždy 3 měřící základny. Před měřením byla odstraněna vrstva nátěru a povrch byl vybroušen tak, aby byl rovinný a co nejvíce hladký (viz např. obr. 4). Na každé měřící základně o rozměrech 30 × 30 mm byla provedena vždy nejméně 3 ultrazvuková měření tloušťky stěny, z nichž byl stanoven aritmetický průměr. Příklady ověřovaných prvků včetně měřicích míst jsou znázorněny na obr. 5; přehled změřených tlouštěk uvádí Tab. 1 (více viz [2]).

Tloušťky stěn vybraných staticky důležitých konstrukčních prvků střešní konstrukce zimního stadionu v Olomouci byly tedy ověřeny ultrazvukovým přístrojem SONIC 1200 HR. Aplikací ultrazvukové sondy o frekvenci 10 MHz a důkladnou přípravou povrchu vyšetřovaných prvků bylo dosaženo přesnosti měření 0,4 mm. Porovnáním výsledků měření a dostupné původní projektové dokumentace střešní konstrukce se prokázalo, že skutečné tloušťky konkrétních vyšetřovaných prvků odpovídají tloušťkám uvedeným ve výkresové dokumentaci.

Destruktivní diagnostika – stanovení reálných vlastností oceli tahovou zkouškou
Vlastnosti použité oceli byly v tomto případě ověřovány tahovými zkouškami podle [7] na zkušebních vzorcích odebraných z konstrukce. Protože se jedná o standardní laboratorní metodu, uvádíme pouze ilustrativní záběry zkoušek a vybrané výsledky (obr. 6).

DIAGNOSTIKA OCELOVÉ STŘEŠNÍ KONSTRUKCE ZIMNÍHO STADIONU V JIHLAVĚ – PŘÍHRADOVÉ VAZNÍKY, VAZNICE A ZTUŽIDLA
Střešní konstrukce zimního stadionu v Jihlavě je řešena jako prutová soustava tvořená rovinnými příhradovými girlandovými vazníky s táhlem, rovinnými příhradovými vaznicemi s parabolickým spodním pásem a příhradovými ztužidly (obr. 7). Výroba a montáž konstrukce probíhala na přelomu 60. a 70. let 20. století, její stáří je tedy přibližně 40 let. Šířka a délka konstrukce v půdorysu je 60 × 100 m.

Nedestruktivní diagnostika – stanovení meze pevnosti oceli nepřímou metodou
V případě této konstrukce nemohly být pro stanovení materiálových vlastností oceli použity destruktivní metody [1], neboť nebylo možné odebrat z existující konstrukce zkušební tělesa pro tahové zkoušky, a proto byla použita nedestruktivní diagnostika vedoucí k orientačnímu stanovení pevnosti [3], [1] podle [6]. V tomto případě byla k dispozici původní dokumentace včetně specifikace materiálu, na základě níž bylo možno předpokládat očekávanou pevnost oceli, pro niž pak bylo provedeno základní ověření vlastností nepřímou metodou založenou na měření tvrdosti (podle Brinella, Vickerse či Rockwella). Norma [6] doporučuje např. metodu „POLDI kladívka“, příp. i jinou, ovšem takovou, která zaručuje dostatečnou korelaci mezi tvrdostí a pevností. Metoda „POLDI kladívka“ umožňuje rychlé posouzení kvality kovových materiálů přímo v konstrukci díky snadno přenosnému přístroji. Zkouška je založena na porovnání deformace způsobené kladívkem v materiálu známé tvrdosti s deformací vzniklou v materiálu, jehož tvrdost neznáme. Podle současných hledisek je však tato metoda poněkud zastaralá, hlavně kvůli obtížnému a ne příliš přesnému měření velikosti deformace, zvláště pak ve vyšších polohách a také při zkoušení štíhlých a dutých prvků. S ohledem na typ konstrukce a zkušenosti zpracovatelů byl pro diagnostiku uvedené střešní konstrukce zvolen univerzální přenosný přístroj pro měření tvrdosti COMPUTEST SC švýcarské firmy Ernst Härteprüfer SA využívající modifikovanou metodu podle Rockwella. Jedná se o univerzální přenosný tvrdoměr založený na přesné statické metodě umožňující přesné a spolehlivé vedení diamantového hrotu v měřící sondě. V měřící hlavě je umístěn pohyblivý senzor umožňující odečet hloubky vpichu v rozsahu 0–100 μm. Přístroj zobrazuje hodnoty buď v obvyklých jednotkách tvrdosti, anebo přímo pevnost v tahu v MPa. Metoda je normována podle německé normy DIN 50 157.

Cílem zkoušek bylo ověřit vlastnosti oceli v rozdílných prvcích střešní konstrukce. Podle dostupné dokumentace měly být horní a dolní pásy vaznic (Ve) i diagonály vaznic (Vd) a též profily ztužidel (Zt) ze stejného materiálu – z oceli třídy 11 373. U vazníků měl být shodný materiál horního a dolního pásu (VP) – ocel třídy 11 523, zatímco trubkové profily diagonál vazníků (VT) měly být odlišné – z oceli třídy 11 353. Zkušební místa na střešních vaznících, ztužidlech a vaznicích byla vybrána tak, aby do měření byla zahrnuta většina významných prvků střešní konstrukce (obr. 8). Celkem bylo změřeno 7 zkušebních míst na pásech vazníků (VP), 7 míst na trubkových diagonálách vazníků (VT), 6 zkušebních míst na pásech vaznic (Ve), 2 místa na diagonálách vaznic (Vd) a 3 místa na profilech ztužidel (Zt). Měření přístrojem „COMPUTEST SC“ přímo na střešní konstrukci je dokumentováno na obr. 9.

Z výsledků měření byly statistickým vyhodnocením ze vztahu f_uk = m_fu (1 - k_n . v_fu) podle normy ČSN EN 1990 určeny charakteristické hodnoty pevnosti v tahu (viz Tab. 2). Variační koeficient v_fu byl uvažován 0,05 jako známý z předchozích zkušeností, součinitel předpovědní metody k_n byl stanoven podle Přílohy D normy pro daný počet testů. Z výsledků měření a jejich statistického vyhodnocení lze usuzovat, že materiál střešní konstrukce, tj. příhradových vazníků, vaznic a ztužidel, je následující: pásy vazníků jsou podle současného značení z oceli třídy S 355, která odpovídá oceli řady 52 podle značení v době realizace konstrukce; diagonály vazníků, vaznice a ztužidla jsou z oceli třídy S 235 odpovídající oceli řady 37.

DIAGNOSTIKA OCELOVÉ STŘEŠNÍ KONSTRUKCE ZIMNÍHO STADIONU VE ZNOJMĚ – OBLOUKY, PŘÍHRADOVÉ VAZNÍKY, VAZNICE A ZTUŽIDLA
Podobně jako v případě zimního stadionu v Olomouci, dimenze průřezů prvků ocelové konstrukce zimního stadionu ve Znojmě byly ověřovány ultrazvukovou metodou. Pro ověření vlastností oceli byla použita nepřímá metoda na základě stanovení tvrdosti, podobně jako u střešní konstrukce zimního stadionu v Jihlavě. Některé záběry z diagnostiky ilustruje obr. 10.

Příspěvek byl vypracován s podporou projektu CZ.1.05/2.1.00/03.0097 v rámci činnosti Centra AdMaS.

LITERATURA:
[1] Karmazínová, M. – Melcher, J. – Pilgr, M. – Šmak, M. – Štrba, M: Městská hala Olomouc – Ocelové konstrukce – Diagnostika konstrukce – Oddíl II Experimentální ověření vlastností oceli nosné konstrukce, zpráva pro firmu OKF, s. r. o., FAST VUT, Brno, 2012, 24 str.
[2] Láník, J. – Žítt, P.: Městská hala Olomouc – Ocelové konstrukce – Diagnostika konstrukce – Oddíl I Ultrazvukové měření tloušťky stěn ocelových prvků, zpráva pro firmu OKF, s. r. o., Fakulta stavební VUT, Brno, 2012, 13 str.
[3] Melcher, J. – Karmazínová, M. – Pilgr, M. – Štrba, M. – Vítek, L. – Cikrle, P.: Hodnocení existující nosné konstrukce Horáckého zimního stadionu v Jihlavě, 1. část Ověření pevnosti v tahu prvků ocelové střešní konstrukce, zpráva pro firmu ACIERCON s. r. o., Fakulta stavební VUT, Brno, 2012, 10 str.
[4] Melcher, J. – Karmazínová, M. – Vítek, L. – Cikrle, P. – Láník, J.: Hodnocení existující nosné konstrukce zimního stadionu ve Znojmě: Ověření pevnosti v tahu vybraných prvků ocelové konstrukce, Ověření tlouštěk průřezů vybraných prvků ocelové střešní konstrukce, zpráva pro firmu ACIERCON s. r. o., Fakulta stavební VUT, Brno, 2013, 17 str.
[5] ČSN EN 1990: Zásady navrhování, ČNI Praha, 2011.
[6] ČSN ISO 13822: Zásady navrhování – Hodnocení existujících konstrukcí, ČNI Praha, 2005.
[7] ČSN EN ISO 6892‑1: Kovové materiály – Zkouška tahem – Část 1: Zkušební metoda za okolní teploty, ČNI Praha, 2009.

Diagnosis of Steel Roof Constructions of Winter Stadiums in the Czech Republic
The paper presents selected examples of diagnostic of steel roof constructions of winter stadiums in the Czech Republic, built in the 1960s and 1970s – in Olomouc, Jihlava and Znojmo. The diagnosis of these structures was executed as a part of a larger assessment under the newly applicable normative regulations for the evaluation of existing structures, which was caused by requirements of operators e.g. to increase the load. In the diagnosis a verification of dimensions (thicknesses) of closed cross‑sections (Pipe) of rods of steel roof structures was carried out using non‑destructive methods of in‑situ and further determination of real properties of steel roof structures, both using destructive methods in the laboratory and using non‑destructive methods in‑situ.

Autoři

• Prof. Ing. Melcher Jindřich DrSc.
• Prof. Ing. Karmazínová Marcela CSc.
• Ing. Pilgr Milan PhD.
• Ing. Cikrle Petr Ph.D.
• Ing. Klimeš Oldřich
• Ing. Balšínek Oldřich
• Ing. Štrba Michal Ph.D.
• Ing. Vítek Lubomír Ph.D.
• Ing. Láník Jaromír Ph.D.