Návrh metodiky ověření délky zabudovaných kotevních šroubů ultrazvukem

Kotevní délka šroubů je navrhována tak, aby bezpečně přenášela vypočtené síly. V praxi však bylo prokázáno, že skutečná kotevní délka zabudovaných šroubů mnohdy neodpovídá délce navržené. Realizační firmy totiž kotevní šrouby zkracují, pokud nelze otvory pro kotevní šrouby v předepsané délce z technologických důvodů odvrtat. Při zatížení kotev pak může dojít k jejich vytržení a tím ke statickému narušení celé stavby.

Obr. 1 – Schema ukotvení ocelové konstrukce kotevními šrouby

Destruktivní metoda kontroly – zhotovení jádrového vývrtu včetně kotvy v betonu je časově náročná a v kontrolovaném místě konstrukci významně porušuje. Podle experimentálních a teoretických prací Jana Barnata, doktoranda na Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí Stavební fakulty Vysokého učení technického v Brně (FAST VUT), únosnost kotev roste přibližně lineárně s rostoucí hloubkou ukotvení. Přibližná únosnost kotev různých průměrů byla stanovena výpočtem i experimentálně ve Středisku experimentálního zkušebnictví FAST VUT v Brně a výsledky jsou vyneseny do grafu na obr. 2 [1].

Obr. 2 – Přibližná únosnost kotevních šroubů v závislosti
na jejich průměru a hloubce kotvení

Cílem pracovníků Ústavu stavebního zkušebnictví FAST VUT v Brně bylo vyvinout takovou nedestruktivní metodu, která by umožnila stanovit bez porušení železobetonové konstrukce délku zabudovaných kotevních šroubů. Jako perspektivní se ukázala ultrazvuková metoda kontroly.

Obr. 3 – Sada kontrolních vzorků šroubových tyčí
(Ø 10, 12, 16, 20, 24 mm)

PRINCIP ULTRAZVUKOVÉ METODY KONTROLY A JEJÍ LABORATORNÍ OVĚŘENÍ
Ultrazvuková impulsní metoda se používá převážně ve strojírenství na kontrolu kvality svarových spojů, resp. kvality odlitků. Princip ultrazvukové kontroly je založen na pravidelně se opakujícím vysílání mechanických kmitů ultrazvukovou sondou (budičem) do zkoušeného materiálu, ve kterém se šíří určitou 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 (přepnutou na příjem) 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.
Při vhodném nastavení přístroje a použití vhodných sond je tedy možné ultrazvukovou impulsní metodu použít pro měření tloušťky ocelových výrobků. Tohoto způsobu kontroly se však používá převážně u trojrozměrných výrobků. Kotevní šrouby jsou však tělesa jednorozměrná (mají velkou délku k relativně malému průměru), a proto bylo třeba laboratorně odzkoušet, zda se dá ultrazvuková metoda pro kontrolu délky kotevních šroubů skutečně použít. Bylo nutno ověřit, zda UZ impuls, vyslaný z budiče podélně po délce šroubu, se odrazí od jeho konce a vrátí se zpět do UZ sondy a do jaké délky je toto měření realizovatelné. Též bylo nutno zjistit, jaký vliv mají závity vytvořené po celé délce kotevního šroubu na UZ signál. Pro tato měření byla vytvořena sada kontrolních vzorků ze šroubových tyčí o průměru 10, 12, 16, 20 a 24 mm a délkách od 50 do 500 mm po 50 mm (obr. 3).
Pro laboratorní měření byl použit ultrazvukový impulsní přístroj Sonic 136P od firmy Staveley Instruments a též jeho novější verze Sonic 1200 HR. Před vlastním měřením bylo nutno přístroj nakalibrovat pro požadovaný rozsah, který byl stanoven maximálně na 500 mm. K nastavení ultrazvukového přístroje slouží ultrazvuková měrka K1, která má přesně stanovené rozměry (obr. 4). Pro měření délek kotevních šroubů byla použita ultrazvuková sonda o frekvenci 5 MHz a 10 MHz. Pro přenos mechanické energie ze sondy do zkoušeného materiálu byl použit vazebný akustický prostředek – speciální gel.

Obr. 4 – Kalibrace UZ přístroje Sonic 1200 HR
do měřené tloušťky 500 mm

Laboratorní měření na připravených vzorcích šroubových tyčí prokázala, že závity nemají u vzorků Ø 16, 20 a 24 mm významný vliv na dosah metody do 500 mm. U šroubových tyčí Ø 10, 12 mm se objevují parazitická echa, která ztěžují vyhodnocování. Přesto lze i tyto profily kontrolovat v délkách min. do 300 mm. Měření na vzorcích byla ověřena i měřením vybraných šroubových kotev v laboratořích a prokázala se velká přesnost této metody (obr. 5). Délku kotev lze stanovit s přesností na mm.

Obr. 5 – Laboratorní měření kotevního šroubu

PRAKTICKÉ ODZKOUŠENÍ ULTRAZVUKOVÉ METODY KONTROLY NA MOSTĚ Č. 438-001
Ultrazvuková metoda kontroly délky kotevních šroubů byla v praxi odzkoušena na ukotvení ocelové konstrukce sportovní haly [2], [3] kde byly měřeny šroubové kotvy M 30 mm o délce 380 mm. Měření prokázalo znepokojivou skutečnost, že polovina kotev nedosahovala předepsané kotevní délky. Další ověřování metody se zaměřilo na kotvy menšího průměru a uskutečnilo se na mostu č. 438-001 u Hranic (obr. 6).

Obr. 6 – Most č. 438-001 u Hranic

Sloupky, na které jsou připevňována svodidla, jsou přichyceny k železobetonové konstrukci mostu čtyřmi kotevními šrouby. Ultrazvukovým přístrojem byla stanovena délka těchto kotevních šroubů na 180 mm (obr. 7). Povrch vyčnívajících kotevních šroubů však musel být před měřením vyhlazen pilníkem nebo elektrickou rozbrušovačkou, aby bylo dosaženo kvalitního akustického kontaktu. Jako akustický vazebný prostředek byl opět použit speciální gel, je však možné použít i vazelínu. Skutečná délka kotevních šroubů byla ověřena jádrovým vývrtem kotevního šroubu, který prokázal správnost ultrazvukového měření (obr. 8). Na tomto mostě nebyly shledány v délce kotev žádné závady.

Obr. 7 – Kontrola délky kotevních šroubů ultrazvukem


Obr. 8 – Ověření délky kotevního šroubu na vývrtu

ZÁVĚR
Ultrazvuková měření délky kotevních šroubů prokázala, že lze tuto kontrolu uskutečnit velmi rychle (v reálném čase) a bez velkých nároků na úpravu povrchu kotevních šroubů. Byl ověřen rozsah měření od průměru kotvy Ø 10 mm až do její délky 500 mm. Pro dosažení dobrých výsledků kontroly je výhodné použít ultrazvukových sond o vysoké frekvenci 5 až 10 MHz. Měření délky kotevních šroubů ultrazvukem se plně osvědčilo jako velmi mobilní a dostatečně přesná metoda kontroly.

Příspěvek vznikl za podpory projektu GAČR 103/06/0891 a Výzkumného záměru MSM 0021630519.

Autoři

• Doc. Ing. Hobst Leonard
• Ing. Vítek Lubomír Ph.D.
• (red)