Přínosy uplatnění nedestruktivních diagnostických metod při plánování údržby a oprav

Transkript

1 Přínosy uplatnění nedestruktivních diagnostických metod při plánování údržby a oprav Ing. Josef Stryk, Ph.D., Centrum dopravního výzkumu, v. v. i. Ing. Radek Matula, Ph.D., Centrum dopravního výzkumu, v. v. i. Ing. Ilja Březina, Centrum dopravního výzkumu, v. v. i. Ing. Michal Janků, Centrum dopravního výzkumu, v. v. i. Úvod V současné době přibývá nedestruktivních diagnostických metod (NDT), z kterých se dá vybírat při diagnostice stavu objektů dopravní infrastruktury. Mimo klasických metod, které se používají při diagnostice vozovek na síťové úrovni (určených zejména pro účely statistického vyhodnocení většího rozsahu pozemních komunikací), jde také o metody, které se používají na úrovni projektu (určených zejména jako podklad pro projektanta při plánování údržby a oprav). Některé sledují pouze povrchové vlastnosti (např. nerovnosti), jiné podávají informace o stavu konstrukce a jejích vrstev (např. rázové zařízení FWD). Některé metody se používají jak na vozovkách, mostech a v tunelech např. georadar, laserové skenování a termografie, jiné mají uplatnění pouze na vozovkách, např. měření protismykových vlastností povrchů vozovek. Jedny umožňují kontinuální měření za vyšších rychlostí (např. záznam videa/fotografií pro účely hodnocení výskytu poruch), jiné měří pouze staticky, na jednom místě (např. měření mikrotextury povrchu kyvadlem). Ve všech případech je potřeba správná lokalizace místa měření a vhodný způsob zanášení výsledků do databází správců příslušné infrastruktury. Důležité je také provádění srovnávacích měření, kterých se účastní poskytovatelé jednotlivých technologií a které umožňují potvrdit deklarované přesnosti jednotlivých NDT metod, viz TP 207. V poslední době se stále více uplatňují metody, které umožňují 3D měření a v případě síťové úrovně metody, které umožňují měření za vysokých rychlostí, bez nutnosti omezení provozu. Zpřesnění vyhodnocení, zejména na projektové úrovni, přináší kombinace výsledků různých NDT metod, jako například rázového zařízení FWD a georadaru při hodnocení únosnosti vozovek. Základní informace k vybraným NDT metodám je uvedena v následujících kapitolách. Vzorové příklady jejich uplatnění budou zveřejněny na webových stránkách projektu TE Centrum pro efektivní a udržitelnou dopravní infrastrukturu (CESTI, Tyto NDT metody se ve větší míře uplatňují při diagnostice stavu objektů, které byly vybudovány pomocí nových technologií. V závěru tohoto článku jsou uvedeny informace o jedné z nich - přímo pojížděné mostovce, viz TP 260. Síťová versus projektová úroveň V úvodu již byl naznačen rozdíl mezi síťovou a projektovou úrovní při sběru dat na pozemních komunikacích (PK). Podrobněji je tento rozdíl vysvětlen v TP 87 a TP 92. Proces měření a hodnocení proměnných parametrů a/nebo sběr poruch vozovek a navrhování údržby/ oprav/ rekonstrukcí vozovek se provádí ve dvou odlišných úrovních: síťová úroveň jedná se o cyklicky opakovaný proces posuzování sítě PK vyhledávající úseky, které nesplňují požadavky provozní způsobilosti a/nebo výskytu poruch vozovky a navrhující tyto úseky k provedení zásahu tak, aby se údržba, oprava nebo rekonstrukce mohla provést ve vhodný čas optimální technologií. projektová úroveň upřesnění podkladů na úsecích PK, které byly vybrány v předešlé úrovni; zpracovává se optimální návrh a technologie údržby, opravy nebo rekonstrukce pro dokumentaci pro zadání stavby.

2 Obě úrovně na sebe navazují. Činnosti v rámci síťové úrovně končí buď zadáním a/nebo provedením běžné údržby nebo předáním podkladů pro projektovou úroveň, tj. pro návrh souvislé údržby nebo opravy, či plánování rekonstrukce. Georadar Tato NDT metoda je založena na opakovaném vysílání vysokofrekvenčního elektromagnetického (EM) signálu v rozsahu od několika set MHz do několika GHz do zkoumaného prostředí a záznamu odrazu části energie tohoto signálu od rozhraní vrstev a různých nehomogenit. Nejčastější aplikace v oblasti dopravní infrastruktury jsou následující: stanovení tlouštěk konstrukčních vrstev vozovek, stanovení polohy ocelové výztuže v cementobetonových krytech vozovek a v železobetonových konstrukcích, detekce dutin pod krytem vozovky, detekce nadměrného obsahu vody v konstrukčních vrstvách vozovek, stav porušení mostovky (trhliny, delaminace vrstev, kaverny atd.), detekce polohy předpínacích kabelů a ocelových kanálků, diagnostika mostních nosníků apod. Tloušťky konstrukčních vrstev vozovky se počítají ze změřeného času průchodu signálu konstrukčními vrstvami vozovky a z určené rychlosti šíření EM signálu. Obvykle se pro účely stanovení rychlosti šíření EM signálu jednotlivými konstrukčními vrstvami vozovek provádí minimálně jeden vývrt. Tímto způsobem se kalibrují stanovené tloušťky vrstev. Přesnost při stanovení tlouštěk konstrukčních vrstev vozovek se pohybuje v rozsahu 3 15 %, v závislosti na porušení vrstev, druhu materiálu jednotlivých vrstev a požadovaném hloubkovém dosahu použité antény. Dle našich zkušeností jsou pro účely kontinuálního měření tlouštěk krytových vrstev vozovek vhodné trychtýřové antény s centrální vysílací frekvencí 1 až 2 GHz (viz obr. 1). Pro účely měření tlouštěk podkladních vrstev vozovek je vhodné použití antény s centrální vysílací frekvencí 400 až 900 MHz. Měření je možné provádět za vysokých rychlostí až 80 km/h s krokem měření od 5 cm, viz záznam z měření na obr. 2. Obr. 1: Příklad zařízení pro měření tlouštěk vrstev vozovky (anténa 1 GHz osazená na dodávce), zdroj: CDV Obr. 2: Záznam tlouštěk konstrukčních vrstev vozovky - radargram, zdroj: CDV Hlavním problémem, který brání vyššímu uplatnění této metody, je nedůvěra v uváděné přesnosti měření. Proto je zásadní provádění srovnávacích měření, které od sebe odliší firmy, které s georadarem měří, ale nemají dostatečné zkušenosti s interpretací naměřených dat a způsoby kalibrace, od firem, které již tuto metodu zvládli, mají s ní rozsáhlé zkušenosti a dosahují uváděných přesností měření. Technickým předpisem, který popisuje diagnostiku pozemních komunikací georadarem je TP 233. Zde jsou obecně popsány jednotlivé možnosti využití georadaru při diagnostice konstrukcí pozemních komunikací. Jediná aplikace, u které je uvedena přesnost měření, je stanovení polohy kluzných trnů a

3 kotev v cementobetonových krytech vozovek, kde se uvádí, že pokud se provede kalibrace, lze očekávat přesnost při určení hloubek uložení těchto prvků do 1 cm. Tato metoda byla letos doplněna do TP 207 (nová příloha E: srovnávací měření zařízení měřících tloušťky vrstev vozovek pozemních komunikací georadarem). Experiment přesnosti podle tohoto TP bude v nejbližší době vyhlášen Ministerstvem dopravy. Rázové zařízení FWD Rázové zařízení FWD (falling weight deflectometer) je tradiční zařízení používané pro hodnocení únosnosti vozovek, které zatěžuje povrch vozovky, případně vrstvu vozovky či podloží tlumeným rázem odpovídajícím zatížení kolem nápravy nákladního vozidla (je generováno pádem břemene na gumové tlumiče a přenáší se přes kruhovou zatěžovací desku na povrch zkoušeného místa), zároveň měří odezvu vozovky na toto dynamické zatížení. Výstupem z měření na diagnostikovaném bodě jsou hodnoty průhybu v různých vzdálenostech od středu zatížení (zpravidla 7 až 12 snímačů rozmístěných do vzdálenosti až 2,1 m). Mimo tohoto zařízení (obr. 3) se v ČR pro hodnocení únosnosti vozovek používá také deflektograf či pákový průhyboměr. V zahraničí se používají zařízení, která už umožňují také měření při rychlosti provozu na pozemní komunikaci, zejména TSD (Traffic Speed Deflectometer), který využívá k měření průhybů speciální lasery. Na hodnocení únosnosti vozovek se používají komplexní výpočtové programy. Zbytková životnost vozovky se určuje z hodnot napětí vypočítaných ve zjednodušeném modelu vozovky, přičemž se počítá s rázovými moduly pružnosti vrstev určenými zpětným výpočtem z průhybové křivky (viz obr. 4) naměřené na povrchu vozovky rázovým zařízením FWD. Provádí se porovnání vypočítané zbytkové životnosti vozovky s požadovanou životností. V případě, že je vozovka hodnocena jako neúnosná, navrhuje se její zesilnění nebo rekonstrukce. Tloušťka zesílení se odvíjí od předpokládaného dopravního zatížení, kvality materiálu zesilující vrstvy, únavových procesů ve vozovce apod. Obr. 3: Rázové zařízení FWD RODOS pro měření průhybů vozovek, zdroj: CDV Obr. 4: Průhybová křivky vynesená z výsledků měření rázovým zařízením FWD při použití 9 snímačů průhybu Hodnocení únosnosti vozovek tímto způsobem se provádí převážně na úrovni projektu. Základní informace k měření únosnosti a požadované zbytkové životnosti jsou uvedeny v TP 87 a TP 92. Podrobnosti jsou uvedeny v certifikované metodice Ministerstva dopravy s názvem Měření průhybů a hodnocení únosnosti vozovek rázovým zařízením FWD, která byla vydána v roce Při hodnocení únosnosti vozovek s cementobetonovým krytem se postupuje specificky a hodnotí se také přenos zatížení na spárách jednotlivých desek krytu vozovky. Srovnávací měření FWD podle nedávno revidovaného TP 207 bude vyhlášeno Ministerstvem dopravy.

4 Termografie Termokamera je nedestruktivní diagnostické zařízení, které se používá ke snímání infračerveného záření a transformuje ho na viditelný obraz, tzv. termogram. Infračervené záření je část elektromagnetického spektra o vlnové délce od 0,75 do 1000 μm. Termokamery pracují nejčastěji v rozsahu 8-14 μm. Při zahřívání konstrukce prostřednictvím slunečního záření nebo jiným umělým zdrojem tepla dochází zároveň k emisi tepelné energie zpět do okolí. K tomuto vyzařování dochází v závislosti na množství akumulovaného tepla v konstrukci i po ukončení ozařování. Při ohřívání jsou oblasti nad poruchou teplejší než okolní nepoškozené oblasti. Při ochlazování konstrukce nastává opak, kdy v těchto místech dochází k rychlejšímu odvodu tepla, a proto se budou tyto oblasti na pořízených termogramech jevit jako chladnější. Výstupem jsou jednotlivé termosnímky nebo kontinuální záznam celého zkoumaného úseku. Ze samotných termogramů nemusí být patrné, co je na nich zobrazeno, proto je vhodné vyfotit stejné místo také digitálním fotoaparátem nebo kamerou. Některé termokamery již mají ve svém těle zakomponovaný i snímač viditelného světla, odpadá tak nutnost používání digitálního fotoaparátu či kamery. Pomocí termokamery lze: odhalit delaminované vrstvy betonu, např. v blízkosti výztuže, odhalit průsak vody konstrukcí, lokalizovat vysprávky a trhliny ve vozovce, které nejsou jednoznačně identifikovatelné z pořízeného video záznamu, provádět kontrolu teplotní homogenity asfaltové směsi při pokládce a hutnění asfaltových vrstev vozovky. Obr. 5 znázorňuje vozidlo osazené termokamerou pro měření za vysokých rychlostí a na obr. 6 je uveden příklad záznamu z měření termokamerou, konkrétně místa v ostění tunelu, kde dochází k průsaku vody. Obr. 5: Vozidlo s termokamerou pro měření za vysokých rychlostí, zdroj: CDV Obr. 6: Termogram z měření v tunelu, modrá barva naznačuje průsak vody v ostění, zdroj: CDV Termografie se zatím v ČR používá pro jiné účely, zejména tepelné audity budov. Pro diagnostiku objektů dopravní infrastruktury termokamerou byla připravena metodika, která je v současné době v procesu schvalování. Tato měření se u nás teprve začínají provádět, zejména v rámci řešení výzkumných úloh. Termografie je předurčena spíše pro měření na síťové úrovni, nejčastěji se používá v kombinaci s dalšími NDT metodami. Laserové skenování Laserový skenovací systém (LIDAR - Light Detection And Ranging) umožňuje bezkontaktní určování prostorových souřadnic, 3D modelování, vizualizaci složitých staveb a konstrukcí, podzemních prostor, libovolných terénů atp. s mimořádnou rychlostí, přesností, komplexností a

5 bezpečností. Nasnímaný objekt může být pomocí softwaru zobrazen ve formě mračen bodů, na jejichž základě může být vytvořen model objektu, který lze přenést do CAD systému. Základní principy laserového skenování jsou dva. V případě pulzního dálkoměru je laserový puls vyslán opakovaně směrem na měřený objekt a vzdálenost mezi vysílačem a povrchem objektu je spočítána z času, který uběhne mezi vysláním a přijetím signálu. V případě fázového dálkoměru je vysílaný signál modulován harmonickým vlněním a vzdálenost se spočítá z fázového rozdílu vyslaného a přijatého signálu. Rozlišujeme laserové skenování letecké, kdy je laserový skener umístěn na letadle či helikoptéře a skenování probíhá v pohybu, laserové skenování mobilní, kdy je Lidar umístěn na silničním, či kolejovém voze a skenování probíhá v pohybu a laserové skenováni statické, kdy je lidar během měření nehybně umístěn na stativu, nebo třeba na stojícím vozidle. Nejčastější aplikace v oblasti dopravní infrastruktury jsou následující: zaměření zájmové lokality jako podklad pro přípravu stavby, kontrola kubatur zemních prací, kontrolní měření vedení liniových staveb a umístění objektů dopravní infrastruktury, zaměření stavby jako podklad pro přípravu zásahu, celoplošné vyjádření nerovností povrchu vozovky (např. zjištění odtokových poměrů), registrace mrazových zdvihů vozovky, záznam stavu zařízení pro povrchové odvodnění vozovky (příkopy, rigoly, žlaby, skluzy), apod. Speciální aplikace: lokalizace objektů (překážek) v blízkosti PK z pohledu bezpečnosti provozu, pasport dopravního značení, dopravního a jiného zařízení, zjišťování průjezdnosti trasy při přepravě nadměrného nákladu, vizualizace pohledu řidiče a virtuální průjezdy. Výsledek může mít následující formu: podrobná účelová mapa povrchové situace, 3D digitální model stavby a jejího okolí, půdorysy a řezy pro tvorbu projektové dokumentace, odchylky a deformace interpretované formou rozdílových tabulek nebo graficky obarvených mračen bodů podle jejich velikosti apod. Obr. 7: Vizualizace pozemní komunikace zaměřené pomocí laserového skenování, zdroj: Geovap

6 Mobilní laserové skenování se provádí za vysokých rychlostí, dosahujících až 100 km/h. Max. rychlost skenování je zpravidla bodů/s s využitelným dosahem až 75 m. Přesnost naměřených prostorových bodů uvádí jejich výrobci zpravidla 5-10 mm. Metodu laserového skenování popisuje certifikovaná metodika Ministerstva dopravy s názvem Metody laserového skenování objektů dopravní infrastruktury a jejich blízkého okolí, která byla vydána v roce Vzorové příklady jsou popsány v certifikované metodice Ministerstva dopravy s názvem Metodika pro použití jednotlivých NDT zařízení v konkrétních situacích - zaměření na laserové skenování a georadar, která byla vydána v roce Přímo pojížděná mostovka Přímo pojížděná mostní konstrukce/mostovka (dále jen PPM ) je taková konstrukce, jejíž alespoň některá část je přímo zatížena dopravou (přímo pojížděna), klimatickými vlivy a předpokládanou zimní údržbou rozmrazovacími prostředky. Je alternativou k tradičnímu řešení mostní konstrukce s asfaltovou vozovkou a izolačním systémem na mostovce (dále jen tradiční řešení NPM ), případně k vozovce s cementobetonovým krytem na mostě. Navrhování PPM je umožněno vývojem v oblasti technologie betonu, protikorozní ochrany výztuže, zahraničními zkušenostmi a předpokladem ekonomicky přijatelných nákladů. Mezi hlavní výhody PPM patří: nižší počáteční, celoživotní náklady, podle dopravního významu (> třída dopravního zatížení = náklady <), delší doba do prvního údržbového/opravného zásahu, homogenní povrchové vlastnosti v celé trase na PK s CB krytem, zkrácení doby výstavby absence vozovky a izolace, možnost dříve zhotovit římsy, transparentní stav mostovky sledovaný přímo nebo nedestruktivními diagnostickými metodami, vyšší odolnost proti trvalým deformacím, nižší ostatní stálé zatížení vlivem absence vozovky. Mezi hlavní nevýhody PPM patří: zvýšené nároky na technologickou kázeň a doložené zkušenosti zhotovitele s použitou technologií, v ČR jde o dosud málo prověřený systém, širší uplatnění (zejména pro větší, nákladnější mosty a PK s velkou intenzitou dopravy) bude možné až po ověření funkcionality a všech předpokladů daných TP 260, riziko vzniku trhlin s přímým vlivem na životnost nebo vzhled => nezbytnost okamžitých oprav při poškození, v některých případech zahrnuje specifické prvky nosné konstrukce a mostního vybavení. Od platí nové technické podmínky TP 260, které jsou nutným předpokladem pro zavedení nové technologie - přímo pojížděných mostů/mostovek (PPM) - na pozemních komunikacích v ČR. Tyto TP popisují návrh, provádění, kontrolu, údržbu a opravy mostů PK, jejichž povrch nosné konstrukce je přímo pojížděn (PPM). Platí pro mosty na dálnicích, silnicích a místních komunikacích, u kterých je pojížděný povrch tvořen betonem a na které navazují asfaltové i cementobetonové vozovky. V přiměřeném rozsahu lze TP 260 použít pro mosty účelových komunikací. Jsou podkladem pro návrh a provádění jednak nových mostních konstrukcí, ale také opravy a rekonstrukce mostů s využitím principu trvalého spojení či spřažení (monolitické spřažené desky nebo dodatečné či reprofilační vrstvy). Lze je použít pro mosty s plochou nosné konstrukce do 500 m 2, které splní podmínky použitelnosti technologie PPM. Absence izolace a vrstev vozovky klade na PPM zvláštní požadavky. Pro jednotlivé části nosné konstrukce tyto TP 260 definují odpovídající třídy prostředí v závislosti na třídě nepropustnosti přímo pojížděné vrstvy. Dále definují požadavky na omezení trhlin, kdy povolené šířky trhlin závisí na druhu použité výztuže, předepisují požadavky na chloridovou propustnost s ohledem na typ zabudované výztuže atd.

7 Zanesení TP 260 do technických předpisů Ministerstva dopravy je základním kamenem pro budoucí využití potenciálu, který přímo pojížděné mosty mohou nabídnout. Obr. 8: PPM připravený pro betonáž, zdroj: Vladimír Fišer Obr. 9: Provádění PPM s postranním vedením vibrační lišty, zdroj: Vladimír Fišer Závěr Vždy je potřeba zvážit, v jak velkém rozsahu a které NDT metody použít. K tomuto účelu je potřeba správcům dopravní infrastruktury podat pomocnou ruku ve formě doporučení, zpracování vzorových příkladů uplatnění jednotlivých NDT metod, uvedení obvyklých cen měření, uspořádáním srovnávacích měření apod. V tomto článku jsou uvedeny technické předpisy a metodiky, které vznikly za tímto účelem. Poděkování Tento článek vznikl v rámci řešení projektu Technologické agentury ČR číslo TE : Centrum pro efektivní a udržitelnou dopravní infrastrukturu (CESTI). Technické předpisy a další zdroje TP 87 Navrhování údržby a oprav netuhých vozovek, 2010, aktuálně prochází revizí TP 92 Navrhování údržby a oprav vozovek s cementobetonovým krytem, 2011, revize se připravuje TP 207 Experiment přesnosti zařízení pro měření povrchových vlastností a dalších parametrů vozovek pozemních komunikací, 2017 TP 233 Georadarová metoda konstrukcí pozemních komunikací, 2011 TP 260 Přímo pojížděné mosty pozemních komunikací, 2017 Měření průhybů a hodnocení únosnosti vozovek rázovým zařízením FWD, certifikovaná metodika Ministerstva dopravy, 2013 Metody laserového skenování objektů dopravní infrastruktury a jejich blízkého okolí, certifikovaná metodika Ministerstva dopravy, 2014 Metodika pro použití jednotlivých NDT zařízení v konkrétních situacích - zaměření na laserové skenování a georadar, certifikovaná metodika Ministerstva dopravy, 2015 Uplatnění termografie při diagnostice objektů dopravní infrastruktury, metodika, v procesu schvalování