Kontrola kvality stavebných prvkov a konštrukcií geodetickými metodami

Potreba kontroly a dlhodobého merania posunov a pretvorení stavebných objektov, ako kontrola ich stavu, funkcie a bezpečnosti vychádza predovšetkým z ustanovení [1], [2], ako aj z požiadaviek správcu objektu, ktorý pri pravidelnej obhliadke môže rozhodnúť o vykonaní monitorovacích prác. V oblasti železobetónových konštrukcií sa často jedná o kontrolu a diagnostiku mostných objektov (MO).

Na začiatku realizácie MO sa okrem geodetických prác súvisiacich s ich výstavbou, sústreďuje pozornosť na zaťažovacie skúšky. Zaťažovacie skúšky mostov patria k tradičným postupom preukazovania kvality a spoľahlivosti pred odovzdaním mostnej konštrukcie do prevádzky [2]. Rozsah a spôsob realizácie i celková organizácia zaťažovacej skúšky je značne ovplyvnená veľkosťou MO, statickou náročnosťou, technológiou výstavby, ako aj ďalšími činiteľmi (spôsob založenia spodnej stavby, geologické pomery, vlastnosti základovej pôdy, terénne podmienky okolia objektu) a ďalšie.

GEODETICKÉ PRÁCE PRI ZAŤAŽOVACÍCH SKÚŠKACH MOSTNÝCH OBJEKTOV
Vykonanie opisovanej zaťažovacej skúšky MO bolo realizované podľa STN 73 6209. Norma je určená nielen na vykonanie skúšok nových mostov, ale aj na skúšanie starších rekonštruovaných alebo opravovaných MO. Zaťažovacia skúška sa podľa tejto normy pripravuje a organizuje tak, aby sa preverila statická, prípadne dynamická funkcia mostnej konštrukcie. Zároveň je ustanovené, že výsledky takejto skúšky sú potrebné pre uvedenie mostného objektu do prevádzky. Zaťažovacia skúška mostnej konštrukcie podľa normy [2, 3] v súvislosti s ustanoveniami STN 73 2031 sa pokladá za povinné úradno‑kontrolné preskúšanie, ktoré sa vyžaduje v rámci stavebného konania. Technický výkon musí z tohto dôvodu vecne napĺňať ustanovenia [2, 3] a príslušná autorizovaná skúšobňa má skúšku realizovať ako dôkazové konanie. V príspevku je popísaná statická skúška realizovaná geodetickými metódami pre predpätý MO diaľničnej komunikácie so zaťažovacím režimom mostných polí.

Projekt geodetických meraní, ktorý vypracovali pracovníci KG pre MO Súčanka [3] sa stal neoddeliteľnou súčasťou celkového záväzného projektu zaťažovacej skúšky. Projekt geodetických meraní obsahuje textovú a grafickú časť. V textovej časti sú uvedené:

• účel a požiadavky na meranie zvislých posunov charakteristických miest samotného objektu s navrhovanou metódou a prístrojovým vybavením,
• harmonogram a časové návrhy na vykonanie meraní,
• predpokladaná presnosť merania posunov,
• registrácia a spracovanie výsledkov meraní.

V grafických prílohách sú v pôdoryse mostného objektu zobrazené miesta pozorovaných bodov na určovanie zvislých posunov, ich číslovanie, vzťažné body, rozmiestnenie observačných stanovísk a rozsah merania [3].

REALIZÁCIA GEODETICKÝCH MERANÍ PRI ZAŤAŽOVACEJ SKÚŠKE
Stabilizácia pozorovaných bodov sa vykonáva pred zaťažovacou skúškou (obr. 1, podľa [3]), ktoré sa najčastejšie stabilizujú v mostnej komore pomocou oceľových značiek nad podperami a v strede jednotlivých mostných polí.

Prístrojové vybavenie. Geodetické práce pri kontrole mostných objektov si vyžadujú meracie prístroje vysokej stability. V súčasnom období sa využívajú elektronické meracie prístroje – univerzálne meracie stanice (UMS) z internou registráciou zberu údajov a príp. s priamym pripojením na PC. Na meranie zvislých posunov sú to digitálne nivelačné prístroje (DNP). Od prístrojov používaných v inžinierskej geodézii sa vyžaduje splnenie štandardných odchýlok v intervaloch uvedených v tab. 1. K príslušným meracím prístrojom (systémom) dodáva výrobca software, ktorý kompletne zabezpečuje obsluhu, spracovanie meraných údajov, grafické a číselné výstupy finálnych výsledkov meraní.

Metódy merania. Geodetické merania zabezpečia určenie tvaru mostnej konštrukcie pred zaťažovacou skúškou a tvar konštrukcie pri zaťažovacej skúške, sadanie základov opôr a podpôr, zatlačenie ložísk podpôr, priehyby konštrukcie jednotlivých mostných polí, vodorovné a zvislé posuny konštrukcie, ktoré nastali účinkami zaťaženia.

Meranie zvislých posunov sa pri zaťažovacích skúškach najčastejšie realizuje metódou presnej nivelácie, resp. trigonometrickou metódou (s využitím UMS). Vzhľadom na zavedenie robotizovaných UMS do geodetickej praxe môžeme predpokladať oveľa väčšie využitie trigonometrickej metódy [7].

Voľba metódy merania a prístrojového vybavenia vyplýva z vyžadovanej presnosti merania zvislých posunov. Pred zaťažovacou skúškou sa analýzou presnosti merania overuje vzťah 2σ ≤ m_Δ, kde σ je smerodajná odchýlka odvodená analýzou presnosti merania a m_Δ je vyžadovaná presnosť zvislého posunu. Vzťah medzi σ a zvislým posunom 2σ < | Δ | je , čo je preukázateľná zmena s rizikom chybného rozhodnutia na hladine významnosti α = 5 %.

Meranie zvislých posunov v predmetnej skúške sa súbežne realizovalo fyzikálnymi aj geodetickými metódami na charakteristických miestach mostnej konštrukcie. Ako fyzikálna metóda sa použilo meranie výškových zmien pomocou priehybomerov typu Frič (výrobca Meopta). Delenie snímačov je 0,1 mm s možnosťou odhadu čítania na 0,05 mm. Neistota merania je ovplyvnená pôsobením vetra na závažie a rozptylom meraní, bola odhadnutá na hodnotu 0,3 mm. Výšky a výškové posuny pozorovaných bodov sú uvedené v tab. 2.

Grafické znázornenie zvislých posunov z vybraného úseku pre polohy 1, 5, 6 sú na obr. 2.

Eliminácia vplyvu teploty na určenie zvislých posunov. V priebehu zaťažovacej skúšky má na geometrické parametre nosnej konštrukcie mosta veľký vplyv najmä zmena teploty a nerovnomerné otepľovanie nosnej konštrukcie mosta [4]. Ideálne by bolo vykonať zaťažovaciu skúšku pri ustálenej teplote konštrukcie.

DIAGNOSTIKA MOSTNÝCH OBJEKTOV PRE POTREBY OPRÁV A REKONŠTRUKCIE
Diagnostika mostných objektov obsahuje činnosti, ktorými možno zistiť objektívny technický stav mostného objektu z hľadiska ich schopnosti plniť statickú a dynamickú funkciu predpokladanú projektom pri určených podmienkach používania [4].

Diagnostickou činnosťou na mostných objektoch podľa [4] zisťujeme:

• schopnosť mosta plniť bezpečne a spoľahlivo svoju funkciu,
• následky chýb projektu a použitej technológie pri výstavbe mosta vrátane nedostatkov použitých materiálov,
• technický stav mosta z hľadiska jeho prirodzeného a vynúteného opotrebovania, resp. prevádzkového a mechanického opotrebenia,
• podmienky na priechodnosť mosta pri mimoriadnych zaťažovacích stavoch, najmä pri preprave nadrozmerných a výnimočných nákladov,
• následky mimoriadnych udalostí, pri ktorých sa zisťujú geometrické zmeny vplyvom tektonickej činnosti a pri iných nepredvídaných okolnostiach (povodeň, havária).

Súčasné technické podmienky diagnostiky mostov umožňujú použiť veľký počet rôznych diagnostických metód a prístrojov. Nezastupiteľné miesto v tejto činnosti majú aj geodetické metódy a geodet so svojím pohľadom na uvedenú problematiku.

Metódy technickej diagnostiky. Objektívny technický stav mostného objektu možno určiť metódami, ktorých presné vymedzenie je veľmi obťažné [4]. Na identifikáciu konštrukcie, zistenie a kontrolu jej rozmerov a meranie fyzikálnych veličín sú určené bezdotykové (vizuálne) a dotykové metódy. Na určenie rozhodujúcich materiálových charakteristík sú dôležité metódy, ktoré sa delia na deštruktívne a nedeštruktívne.

Geodetické metódy v kontexte technickej diagnostiky sú podkladom na indikáciu a vyhodnotenie dočasných alebo trvalých zmien z hľadiska tvaru a polohy mostného objektu. Využívajú sa pri meraní a sledovaní deformácií a naklonenia objektov, pri geometrickej kontrole tvaru a pretvorenia jednotlivých prvkov a celej konštrukcie.

Poruchy na mostných objektoch. K najporuchovejším častiam mostného objektu patria mostné závery (MZ), ktoré sú priamo vystavené účinkom prechádzajúcich vozidiel a účinkom agresívnych látok pri zimnej údržbe komunikácie. Najčastejšie poruchy MZ predstavujú výškové zmeny záveru vzhľadom na priľahlý povrch vozovky, nedostatočné ukotvenie záveru do nosnej konštrukcie, výtlky vozovky v blízkosti záveru, poškodenie oceľových a tesniacich gumených časti mostného záveru. Vplyvom nerovností v okolí záveru sa zvyšujú dynamické účinky pri prejazde vozidiel až o 10 – 15 %, v závislosti od typu vozidla [4], čo znova prispieva k deštrukcii tejto mimoriadne namáhanej časti mostného objektu.

Ďalšou dôležitou časťou mostného objektu sú ložiská, ktoré prenášajú zaťaženie z nosnej konštrukcie do spodnej stavby a umožňujú pohyb nosnej konštrukcie. Poruchy môžu vzniknúť použitím nevhodného ložiska (neumožňuje požadovaný pohyb nosnej konštrukcie), technologickou chybou pri osadzovaní ložiska, nedostatočnou údržbou a odlišným zaťažením oproti predpokladanému. Poruchy ložísk znižujú únosnosť a bezpečnosť mostného objektu a môžu viesť až k havárii [4].

PREDMET KONTROLY A NIEKTORÉ VÝSLEDKY Z KOMPLEXNEJ DIAGNOSTIKY PRÍSTAVNÉHO MOSTA CEZ DUNAJ V BRATISLAVE
Problematika ozubov na uvedenom mostnom objekte bola rozdelená podľa [5] do nasledujúcich okruhov.

Podrobná kontrola trhlín v ozuboch pozostávala:

• z očistenia ozubov,
• zo zamerania trhlín – na podrobné zmapovanie tvaru a šírky trhlín bola použitá fotografická metóda so zakreslenou sieťou na povrchu betónu, z tejto siete bolo možné presne definovať polohu a dĺžku trhlín,
• z kontroly stavu korózie v trhline a kvality betónov v ozuboch.

Ložiská v ozuboch:

• technický stav, pohyby a potočenia ložiska boli zachytené graficky (obr. 3).

Mostné závery medzi ozubami:

• zhodnotený bol technický stav, zameranie dilatačných škár bolo vykonané z úrovne vozovky, v grafickej forme boli spracované aj horizontálne pohyby dilatácií (obr. 4).

Priehyby v miestach ozubov:

• priehyby boli merané v dvoch etapách metódou presnej nivelácie za súčasného sledovania povrchovej teploty mostnej konštrukcie a osadených značiek,
• I. etapa merania bola realizovaná pri rozsahu teplôt od 18,7 °C do 21,6 °C, II. etapa bola realizovaná pri teplote od 22,6 °C do 28,6 °C,
• rozdiel teplôt medzi I. a II. etapou merania predstavoval v priemere hodnotu d_t = 5,4 °C a priemerná hodnota posunu bola Δ_h = –0,9 mm,
• neistota v určení výšky jednotlivých bodov sa pohybovala v rozsahu mh = 0,2 – 0,3 mm.

Celkove bolo predmetom kontroly 8 dilatácií a ozubov mostného objektu. Na meranie posunov boli na povrchu dilatácií osadené 4 výškové body, 2 vľavo (L1 a L2) a 2 vpravo (P1 a P2). Vzhľadom na obmedzený rozsah príspevku je uvedené grafické znázornenie zvislých posunov z kontroly dilatácií a ozubov len pre ozub č. 1 (obr. 5, podľa [5]).

KONTROLA PREDPÄTIA PREFABRIKÁTOV
Rozmach výstavby diaľnic podnietil aj rozvoj nových konštrukcií mostov. Typickým predstaviteľom boli dodatočne predpäté nosníky prierezového tvaru I s typovým označením I-96, ktoré boli použité na výstavbu mosta „Orovnica” (R1). V procese realizácie mostov z nosníkov typu I-96 boli zistené mimoriadne veľké vzopätia, ktoré prekračovali projektantom vypočítané hodnoty o viac ako 100 %.

S týmto boli spojené aj dodatočné náklady na zabezpečenie projektovanej nivelety mostov v pripojení na svahové telesá, respektíve na priľahlé mostné objekty. Dodatočná vrstva betónu, ktorú bolo potrebné použiť, zväčšuje aj stále zaťaženie týchto mostov, s ktorými projektant pôvodne nepočítal.

Nosník I-96 pre cestné a diaľničné mosty je mostný prefabrikát s dĺžkou 42 m a výškou 2 m (obr. 6). V závislosti od prepravných možností boli nosníky vyrobené z 3 častí betónovaných na kontaktnú škáru a na stavenisku zopnutých predpätím do jedného celku. Predopnutím prvých troch káblov sa čelá kontaktných škár navzájom pritlačia a potom nasleduje predopnutie ostatných káblov v predpísanom poradí. Prednosťou je možnosť zloženia nosníka z viacerých kratších častí a predopnutím na stavbe spojenie do jedného celku.

POPIS EXPERIMENTU MERANIA IN-SITU
Určenie vzopätia nosníkov môžeme rozdeliť na niekoľko etáp. V prvej etape ide o určenie okamžitých pretvorení nosníka v procese predpínania, kedy pôsobia na nosník dve rozhodujúce zaťaženia, a to:

• vlastná tiaž nosníka a účinky predpínania,
• dlhodobé zmeny pretvorenia spôsobené stratami predpätia, dotvarovaním a zmrašťovaním betónu.

Meranie in-situ na troch vybratých nosníkoch bolo realizované priamo na mieste výstavby mosta. Na nosníku N3 bola meraná aj rovinnosť a dosadnutie stykových čiel [6].

Geodetické meranie vzopätia nosníkov pri predpínaní. Vzhľadom na požiadavku určiť vzopätie nosníkov s presnosťou 0,5 mm, bola zvolená metóda presnej nivelácie (nivelačný prístroj Ni 007) s priamym odčítaním hodnôt vzopnutia nosníka z jedného stanoviska, ktoré bolo v strede vedľajšieho nosníka.

Pozorované body označené číslami 1 až 9 pre nosník N1, 10 až 18 pre nosník N2, 19 až 27 pre nosník N3 boli osadené pomocou oceľových klincov na hornej prírube v osi, t.j. na koncoch a v strede všetkých troch častí prefabrikátu. Vzťažný výškový bod A bol osadený na samostatnom pilieri klincovou výškovou značkou (s výškami v lokálnom výškovom systéme). Predmetom samotného merania boli vzopätia nosníkov v jednotlivých polohách predpínania. Postup predpínania bol stanovený v projekte. Základná poloha pri meraní predpínania bola poloha, keď jednotlivé časti nosníka boli zopnuté k sebe na dotyk. Od tejto polohy začalo predpínanie káblov a geodetické meranie vzopnutia v jednotlivých polohách predpínania [6].

PRESNOSŤ URČENIA VZOPÄTIA NOSNÍKOV
Merania vo všetkých polohách predpínania sa vykonali za rovnakých podmienok (rovnaký prístroj a komparovaná invarová nivelačná lata, observátor, rovnaký počet stanovísk, rovnaké prostredie). Preto môžeme predpokladať, že stredná chyba určenia prevýšenia i-teho pozorovaného bodu vzhľadom na vzťažný bod A je daná vzťahom:

.

Keďže všetky pozorované body boli určené iba z jedného stanoviska prístroja, môžeme pre strednú chybu určenia prevýšenia napísať:



pričom m_st je stredná chyba prevýšenia meraného z jedného stanoviska prístroja, vypočítaná empiricky z viacerých meraní a pohybuje sa v intervale od 0,08 mm do 0,15 mm. V našom prípade uvádzam m_st = 0,15 mm. Výšky pozorovaných bodov vzhľadom na bod A sú teda určené so strednou chybou:



Pri overení vzťažného výškového bodu A sme vychádzali zo vzťahu:



K prekročeniu hodnoty DHi nedošlo, z čoho možno usudzovať, že predpoklad určenia relatívnych hodnôt vzopätia nosníkov voči výškovému bodu A je správny [6].

Geodetické meranie rovinnosti a dosadnutia čiel segmentov nosníka N3. Pri spracovaní výsledkov merania nosníkov N1 a N2 sa zistili nesymetrické vzopnutia nosníkov. Preto bolo potrebné zistiť vplyv dosadnutia čiel nosníkov na samotné predopnutie. Tieto merania sa uskutočnili na nosníku N3 pomocou prístroja Zeiss THEO 010 A meradielka metódou zámernej priamky. Sedem pozorovaných bodov bolo naznačených na čelách segmentov nosníka podľa obr. 7.

Stredná chyba merania rovinnosti a dosadnutia čiel segmentov nosníka N3 je bola odhadnutá na hodnotu 0,2 mm, (najmenší dielik meradielka 1mm, vzdialenosť prístroja od meradielka – 4 m). Nosníky boli predpínané tak, že všetkých desať káblov bolo napnutých z jednej strany a po hodine dopnutých z druhej strany.

Z nameraných hodnôt bola určená rovinnosť čiel segmentov nosníka N3. Základná rovina bola preložená bodmi 1, 3, 7, od nej boli počítané odchýlky na ostatných bodoch. Ďalej boli určené diferencie dosadnutia čiel, ktorých hodnoty sú uvedené v tab. 3, podľa [6].

Tento spôsob predpínania spôsobil nesymetrické deformácie nosníka (obr. 8), kde vzopätia nosníka v mieste kontaktnej škáry boli väčšie ako v jeho strede.

Pri analýze odmeraných hodnôt nosníkov N1 a N2 [6], kde boli zistené nesymetrické deformácie bolo potrebné zistiť aj vplyv dosadnutia čiel nosníkov na samotné predopnutie. Odmerané hodnoty sú uvedené v tab. 4. Rovinnosť čiel je zobrazená aj graficky pomocou vektorov odchýlok od roviny preloženej bodmi 1, 3, 7. Maximálna diferencia dosadnutia čela a a čela b predstavuje hodnotu 2,3 mm. Maximálna diferencia medzi čelami c a d je 1,4 mm. Maximálne diferencie čiel sú v spodnej časti nosníka. Pri meraní a výpočte rovinnosti čiel boli zistené najväčšie odchýlky na čelách v spodnej časti nosníka na bode 5a a 5b (–9,7 mm, –20,5 mm) škáry a-b a v strednej časti na bode 4c a 4d (–2,9 mm) škáry c-d. Z uvedených výsledkov zisťovania deformácie a dosadnutia čiel segmentov nosníka N3 je vidieť, že deformácie čiel, ktoré nastali, nemôžu výraznejšie ovplyvniť výsledné vzopätia nosníkov v pozdĺžnom smere. Všetky tri segmenty sú vyrábané na kontaktnú škáru (pozitív – negatív), čo potvrdzujú aj výsledky grafického znázornenia rovinnosti čiel nosníka N3.

ZÁVER
Využitie geodetických metód a postupov pri kontrole kvality a spoľahlivosti stavebných konštrukcií je veľmi široké. Pri kontrole mostných objektov – meraní zvislých posunov (časť 2.1) boli dosiahnuté posuny určené metódou presnej nivelácie pre polohy zaťaženia 5 a 6 (tab. 2) od –1,04 mm do +1,66 mm. Nivelačný ťah bol rozdelený na štyri uzavreté nivelačné úseky, v ktorých sa kontrolovala výšková odchýlka. Maximálna krajná odchýlka pri všetkých zaťažovacích polohách dosiahla hodnotu 0,2 mm [3], čo plne zodpovedá požiadavkám definovaným v projekte zaťažovacej skúšky.

V prípade výsledkov z komplexnej diagnostiky mostných záverov, ložísk a ozubov, bol stav ozubov a ložísk zdokumentovaný v grafickej forme (obr. 3). Mostné závery a priehyby v miestach ozubov vrátane dilatačných škár boli kontrolované vo dvoch etapách metódou presnej nivelácie pri rôznej povrchovej teplote (obr. 4) s konštatovaním, že pri rozdiele teplôt medzi I. a II. etapou je d_t = 5,4 °C a priemerná hodnota posunu bola Δ_h = –0,9 mm a neistota v určení výšky jednotlivých bodov sa pohybovala v rozsahu m_h = 0,2 – 0,3 mm [5].

Kontrola predpínania nosníkov presnou niveláciou priniesla zmenu technológie predpínania a zabezpečenie symetrickej deformácie nosníka ako celku (obr. 8 a 9) a meranie rovinnosti čiel (tab. 4) na nerovnosti v rozsahu niekoľkých mm (max. diferencie čiel boli v spodnej časti nosníka, najväčšie odchýlky boli na čelách v spodnej časti kontrolovaného nosníka na bode 5a a 5b (–19,7 mm, –20,5 mm ) škáry a-b a v strednej časti na bode 4c a 4d (–2,9 mm) škáry c-d). Neistota v určení rovinnosti a dosadnutia čiel segmentov nosníka N3 bola odhadnutá na hodnotu 0,2 mm.

Predstavené príklady čiastočné pokrývajú toto široké spektrum a umožňuje v procese prípravy, realizácie, ale i prevádzky stavebného diela, jeho konštrukcií a prvkov zabezpečiť kontrolu kvality a realizácie a tým zabezpečiť jeho spoľahlivosť počas prevádzky a dlhú životnosť.

LITERATÚRA:
[1] STN 73 0405 Meranie posunov stavebných objektov.
[2] STN 73 6209. Zaťažovacie skúšky mostov.
[3] SOKOL, Š.: Geodetické zabezpečenie zaťažovacej skúšky mosta cez Súčanku. In.: Geodézia a kartografia v doprave. Banská Štiavnica, 1999. Slovenský zväz geodetov. s. 125–130, ISBN 80-968200-5-2.
[4] TOMICA,V. a iní: Údržba a rekonštrukcia mostov. Vydavateľstvo Alfa Bratislava, 1992.
[5] JEŽKO, J. a i.: Geodetické práce pri rekonštrukcii mostného objektu. In. : Geodézia a kartografia v doprave. Banská Štiavnica, 1999. Slovenský zväz geodetov. s. 131-134. ISBN 80-968200-5-2.
[6] SOKOL, Š. a i.: Geodetické meranie parametrov nových prefabrikátov nosných segmentov. In. : Geodézia a kartografia v doprave. Banská Štiavnica, 1999. Slovenský zväz geodetov, s. 151–156, ISBN 80-968200-5-2.
[7] KYRINOVIČ, P. – LIPTÁK, I. – ERDÉLYI, J. – KOPÁČIK, A. 2011. Automatizovaný merací systém na kontinuálny monitoring mostov. In.: Geodetický a kartografický obzor 12/2011. ISSN 0016-7096, 2011, roč. 57, č. 12, s. 285–294.

Quality Assurance of Building Elements and Structures by Geodetic Methods
Geodetic methods and instruments are often used in an area of a quality assurance of building elements and structures. This paper presents some of the geodetic activities realized by surveyors of the Department of Surveying at the Faculty of Civil Engineering at Slovak University of Technology in Bratislava. Geodetic and photogrammetric technologies are used in large by deformation measurements, determination of a shape and dimensions of building elements and structures. Results from these control measurements enable surveyors and customers to acquire objective information about behaviour of building materials and structures in various critical conditions and to ensure reliable operation and utilization of these structures.

Autor

• Ing. Ježko Ján PhD.