BADANIA KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH

Transkrypt

1

2 REFERAT Y /BADANIA KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH R-61 BADANIA KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH Włodzimierz STAROSOLSKI wlodzimierz.starosolski@polsl.pl Łukasz DROBIEC lukasz.drobiec@polsl.pl Radosław JASIŃSKI radosław.jasinski@polsl.pl Adam PIEKARCZYK adam.piekarczyk@polsl.pl Omówiono metody prowadzenia prac diagnostycznych konstrukcji betonowych. Podano uwagi ogólne dotyczące modelowania konstrukcji w stanie zagrożenia awaryjnego. Następnie omówiono ogólne zasady ustalania charakterystycznej wytrzymałości betonu na ściskanie betonu na podstawie badań niszczących i nieniszczących zgodnie z normą PN-EN 13791:2008. Przedstawiono również sposoby nieniszczących badań lokalizacji i średnicy zbrojenia. Opisano nieniszczące metody lokalizacji defektów wewnętrznych w konstrukcjach betonowych. RESEARCHES OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES The paper discusses the methods for conducting the diagnostic work of concrete structures. General remarks on principle of checking the calculations and modeling the of destructive testing according to PN-EN 13791:2008. Methods of non-destructive test of the location and the diameter of reinforcement were discussed. There are also described non-destructive methods for localization of concrete internal defects. 247

3 R-61 REFERAT Y /BADANIA KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH BADANIA KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH Włodzimierz STAROSOLSKI wlodzimierz.starosolski@polsl.pl Łukasz DROBIEC lukasz.drobiec@polsl.pl Radosław JASIŃSKI radosław.jasinski@polsl.pl Adam PIEKARCZYK adam.piekarczyk@polsl.pl 1. WIADOMOŚCI OGÓLNE Wstępem do diagnostyki jest sformułowanie pytań na które w ostatecznym wyniku, należy w ramach ekspertyzy/orzeczenia odpowiedzieć. W ramach praktycznie każdego takiego działania wyróżnić można: Tutaj skupimy się jedynie na specyficznych dla konstrukcji z betonu: Jedynie bowiem w bardzo ograniczonym zakresie zadanie diagnozy konstrukcji ogranicza się wyłącznie do badań materiałowych. Tego rodzaju ograniczona diagnoza dotyczyć może głównie różnego rodzaju powłok i pokryć oraz elementów wykończenia. W wypadku konstrukcji żelbetowych badania fizyczne zwykle stanowią podstawę Badanie fizyczne przeprowadzone rzetelnie i fachowo są w stanie zazwyczaj dość jednoznacznie opisać przedmiot badań i nie pozostawiają dużych możliwości dowolnej interpretacji uzyskanych wyników. Inna sytuacja ma miejsce przy prowadzonych na podstawie tych badań obliczeniach. W obliczeniach bowiem przyjęcie modelu oblicze- liczbie rozmaitych założeń, czasami niejawnych. Często właśnie te przyjęte założenia, decydują o odpowiedzi na postawione pytania. Warto zdefiniować, że stanem awaryjnym konstrukcji są zarówno wszystkie te sytuacje, w których stan awaryjny jest widoczny, ale także te sytuacje, gdy obliczeniowe zapasy nośności są niskie. Analizując stany awaryjne, a w szczególności obliczenia prowadzone dla tych stanów, należy bardzo silnie rozróżnić: wyniki obliczeń jak i ostateczne wnioskowanie nie będą poprawne, jeżeli przyjęte dane będą odbiegały od rzeczywistości. Stąd też, główną uwagę poświęcimy przeglądowi sposobów diagnostyki konstrukcyjno-materiałowej specyficznej dla konstrukcji z betonu. 2. OKREŚLENIE WYTRZYMAŁOŚCI BETONU mogą zastępować próbek normowych, ale są dopuszczone, kiedy istnieje przypuszczenie, że wyniki badania wytrzymałości na ściskanie nie są reprezentatywne. Jeżeli w trakcie realizacji badano próbki przygotowane i pielęgnowane w warunkach laboratoryjnych uzyskane wyniki należy traktować z dużą ostrożnością ponieważ nie sposób przypisać uzyskanej wytrzymałości konkretnemu fragmentowi konstrukcji nawet przy bardzo staranie prowadzonym dzienniku budowy i dokumentacji powykonawczej. Liczyć należy się również z potencjalną możliwością niewłaściwego ułożenia mieszanki betonowej i jej pielęgnowania a co za tym idzie obniżeniem wytrzymałości betonu. 248

4 REFERAT Y /BADANIA KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH R do wartości C,red1, którego wartość w Załączniku Krajowym ustalono na poziomie C, red1 =1,35. Mimo powszechności stosowania w naszym kraju badań próbek rdzeniowych, do niedawna realizowano je kierując się inżynierskim wyczuciem dopiero wprowadzona w Polsce w roku 2001 norma PN-EN :2001 [4] uporządkowała kwestie procedur dotyczących przygotowania próbek i przebiegu badań. Natomiast norma PN-EN 13791:2008 [5] sprecyzowała zasady prowadzenia badań, analiz uzyskiwanych wyników i klasyfikowania na tej podstawie betonu. Według normy PN-EN :2001 [4], do wytrzymałościowych badań należy pobierać rdzenie średnicy, co najmniej trzykrotnie większej od wymiaru największego ziarna kruszywa. Wybór średnicy rdzenia ściśle związany jest z jego długością, a stosunek wysokość rdzenia h do jego średnicy d zawierać powinien się w granicach h/d = 1,0 2,0. Zgodnie z [4] proporcja wysokości do średnicy rdzenia wynosić powinna: h / d = 1,0 gdy wynik pomiaru odnosił się będzie do wytrzymałości wyznaczanej na kostkach mm, h / d = 2,0 gdy wynik pomiaru odnosił się będzie do wytrzymałości wyznaczanej na wysokich walcach Φ Każdy odwiert o h/d < 0,95 nie powinien być brany pod uwagę przy ocenie wytrzymałości na ściskanie. Jeżeli stosuje się próbki rdzeniowe o nietypowych średnicach, przeliczenia na wytrzymałość kostkową dokonuje się wykorzystując zależność między wytrzymałością na [5], aby uwzględnić czynniki wpływające na wytrzymałość betonu w odwiertach rdzeniowych. Rozróżnia się czynniki związane z właściwościami betonu oraz wykonaniem Procedura określania charakterystycznej wytrzymałość betonu na ściskanie wg PN-EN 13791:2008 [5] rozpatruje dwa przypadki A i B. Przypadek A stosuje się kiedy dysponuje się nie mniej niż 15 odwiertami rdzeniowymi. Wartość charakterystyczna wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcji, określona dla danego miejsca pomiarowego, jest mniejszą z dwóch poniższych wartości: lub gdzie: f ck,is wytrzymałość charakterystyczna betonu na ściskanie w konstrukcji, f średnia arytmetyczna wytrzymałość na ściskanie podana z zaokrągleniem do 0,5 MPa, f is, lowes t najmniejsza z oznaczonych wartości wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcji, s odchylenie standardowe wyników pomiaru lub 2 MPa, w zależności od tego, które z nich przyjmuje większą wartość, k 2 wartość określona w postanowieniach krajowych lub jeśli nie jest podana wynosi 1,48. Natomiast przypadek B należy stosować, jeżeli do badań pobrano mniejszą liczbę rdzeni n = Charakterystyczna wartość wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcji, określona dla danego miejsca pomiarowego, jest mniejszą z dwóch poniższych wartości lub ck,is przyjmując że stosunek charakterystycznej 3. BADANIA STALI ZBROJENIOWEJ Badania stali zbrojeniowej w istniejących konstrukcjach żelbetowych podzielić można na nieniszczące i niszczące. W obiektach dużych i złożonych pod względem konstrukcyjnym nie jest możliwe wykonanie odkrywek zbrojenia i pobranie próbek do badań we wszystkich miejscach, miarodajnych do określenia ich nośności lub stanu technicznego obiektu. W takich wypadkach, jak również w sytuacjach kiedy wykonanie niezbędnej liczby odkrywek jest niemożliwe lub utrudnione, najczęściej stosuje się badania elektromagnetyczne i radarowe. Badania radiologiczne wymagają zastosowania specjalistycznego sprzętu, do którego dostęp jest w konstrukcji, bez możliwości pomiaru grubości betonowej otuliny i średnicy pręta zbrojeniowego. Elektromagnetyczne metody badań lokalizacji zbrojenia w elementach żelbetowych polegają najczęściej na analizie zmiany pola magnetycznego emitowanego w głąb konstrukcji. Sposoby wzbudzania pola magnetycznego oraz analizy i interpretacji otrzymanych wyników różnią się nieco w dostępnych obecnie urządzeniach pomiarowych, lecz większość z nich działa na podstawie następujących metod: pomiaru zmian pola magnetycznego, prądów wirowych oraz strumienia rozproszenia. Szczegółowy opis zasad działania tych urządzeń zamieszczono w pracy [8]. Najbardziej zaawansowane urządzenia pomiarowe zaopatrzone są w ciekłokrystaliczny ekran, na którym wyświetlają obraz zeskanowanego zbrojenia. W tych określenie średnicy i otuliny prętów ułożonych na różnych głębokościach. Urządzenia wyświetlają bowiem zeskanowany obraz warstwowo, np. co 5 mm w głąb konstrukcji. Pozwala to na stwierdzenie, który z krzyżujących się prętów jest położony głębiej. 249

5 R-61 REFERAT Y /BADANIA KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH Metoda radarowa polega na emitowaniu fal elektromagnetycznych o częstotliwości z zakresu od krótkich do ultrakrótkich fal radiowych i rejestracji fal odbitych od warstw odbitych sygnałów zarejestrowanych podczas profilowania. Określenie średnicy zbrojenia wymaga zastosowania odpowiedniego programu do obróbki danych uzyskanych Opisane wyżej metody lokalizacji zbrojenia w konstrukcji, choć bardzo dokładne, nie pozwalają na określenie wytrzymałości zastosowanej stali zbrojeniowej i ewentualne odniesienie tej wytrzymałości do klasy i gatunku stali. Wyznaczenie wytrzymałości stali wymaga wykonania odkrywek, pobrania próbek i ich badań niszczących. Próbki do badań zbrojenia należy pobierać z konstrukcji w miejscach najmniej wytężonych, najlepiej tam gdzie zbrojenie jest zbędne obliczeniowo. 4. WYKRYWANIE WAD WEWNĘTRZNYCH metodę termograficzną, metodę radarową oraz metodę radiograficzną. Metody akustyczne stosowane są również do pomiaru grubości elementów konstrukcji przy dostępie jednostronnym. Poniżej przedstawiono najpowszechniejszej stosowane pierwsze dwie z wymienionych metod. która jest iloczynem prędkości fali podłużnej w ośrodku nieograniczonym oraz jego gęstości. Na granicy dwóch ośrodków dochodzi do odbicia oraz załamania fal, przy czym amplituda tych fal zależy od różnicy impedancji akustycznej. Z punktu widzenia badań konstrukcji żelbetowych najważniejsze jest zachowanie się fal na granicy betonu i powietrza zawartego wewnątrz wad i na granicy beton-stal. Impedancje akustyczne betonu i powietrza są takie, że wartość współczynnika R wynosi -0,99, co oznacza, że fala ulega niemal całkowitemu odbiciu. Na granicy betonu które generuje się przez uderzenie o powierzchnię badanego elementu specjalnym młoteczkiem. Młoteczek najczęściej ma postać stalowej kulki, zwykle średnicy od 2 mm do 20 mm, zamocowanej na końcu sprężystego ramienia [11]. Częstotliwość wygenerowanych drgań zależy od średnicy zastosowanego młoteczka i wynosi od około 15 khz do 145 khz, co przy średniej prędkości fali w betonie równej 4000 m/s koresponduje z długością fal od 30 mm do 270 mm. W metodzie młoteczkowej fale odbite na granicy ośrodków powracają wielokrotnie do powierzchni, na której zostały wzbudzone. Drgania powierzchni betonu rejestrowane są przez czujnik piezoelektryczny, który zamienia przemieszczenie powierzchni na prąd elektryczny o napięciu proporcjonalnym do amplitudy drgań. Uzyskana zależność zmiany amplitudy drgań w czasie za pomocą szybkiej transformaty Fouriera zostaje zamieniona na spektrum częstotliwościowe zawierające pewne lokalne maksima przy określonych wartościach częstotliwości, które stanowią podstawę do analizy wyników. fali poprzez pomiar różnicy czasu w jakim fala dociera do dwóch czujników umieszczonych w określonym rozstawie, na podstawie pomiaru częstotliwości odpowiedzi uzyskanego w miejscu konstrukcji wolnym od wewnętrznych defektów oraz o znanej grubości i wyznaczeniu prędkości fal. 250

6 REFERAT Y /BADANIA KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH R-61 LITERATURA [1] Starosolski W., Drobiec Ł., Jasiński R., Jaśniok T., Jaśniok M., Piekarczyk A.: Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Konferencja Naukowo Techniczna - Problemy [2] PN-EN 206-1:2003, PN-EN 206-1:2003/A1:2005, PN-EN 206-1:2003/A2:2006, PN-EN 206-1:2003/Ap1:2004 Beton Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. [3] PN-EN :2008: Eurokod 2. Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1. Reguły ogólne i reguły dla budynków. [4] PN-EN :2001 Badania betonu w konstrukcjach. Część 1: Odwierty rdzeniowe. Wycinanie, ocena i badanie wytrzymałości na ściskanie. [5] PN-EN 13791:2008 Ocena wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcjach i prefabrykowanych wyrobach betonowych. [6] Neville A. M., Właściwości betonu, Polski Cement, Kraków [7] Runkiewicz L., Diagnostyka i wzmacnianie konstrukcji żelbetowych, Wyd. Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce [8] Drobiec Ł., Jasiński R., Piekarczyk A.: Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Metodologia, badania polowe, badania laboratoryjne betonu i stali. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa [9] Runkiewicz L., Badania konstrukcji żelbetowych, Biuro Gamma, Warszawa [11] Sansalone M.J., Streett W. B., Impact-echo. Nondestructive evaluation of concrete and masonry, Bullbrier Press, Ithaca, N.Y