Degradace železobetonu a dynamická odezva

Pokles frekvence odezvy může mít různé příčiny. Vzhledem k tomu, že však některé z nich mohou být pro konstrukci fatální, je třeba tomuto jevu věnovat patřičnou pozornost. Je nutné konstrukci periodicky sledovat, při tom však zároveň zkoumat příčiny měnící se frekvence (důkladnou vizuální prohlídkou, zkouškami vlastností materiálu atd.) a odhadnout, jak bude tento jev v budoucnu pokračovat. Spolehlivost takové prognózy dalšího vývoje záleží na době sledování konstrukce a na počtu provedených měření.

Snížení frekvence může být vyvoláno zmenšením tuhosti, zvětšením hmotnosti (provlhnutím nebo usazeninami) či změnou způsobenou vytvářením poddajných kloubů, změnami v podloží apod. Betonové konstrukce ztrácejí svou tuhost:
■ degradací betonu;
■ dotvarovaním betonu;
■ oslabením průřezu trhlinkami;
■ změnami okrajových podmínek atd.

Zatímco vliv první a třetí z těchto vlivů jsou poměrně snadno zjistitelné při kontrolách konstrukce, druhý vliv je obtížně dokazatelný. Vliv čtvrtý patří do oboru geologie, popř. mechaniky zemin.

Železobetonový komín

Tento odstavec popisuje jako příklad dlouhodobé sledování vlivu rekonstrukce komínu v devadesátých letech, které bylo vyvoláno pochybnostmi o kvalitě betonu, použitého při rekonstrukci. Doporučili jsme tehdy zkontrolovat kvalitu betonu sledováním dynamické odezvy komínu,  především  jeho  základní  vlastní  frekvence,  která s kvalitou použitého stavebního materiálu souvisí. Další výhodou navrženého postupu je, že zjištěný výsledek představuje průměrnou hodnotu sledované veličiny v konstrukci jako celku. Jako nejvhodnější veličina ke sledování byl vybrán modul pružnosti, který se při prvním měřením ukázal vyhovující z hlediska pevnosti. Pokud byly pochybnosti o kvalitě  stavby,  projevily  by  se  úbytkem  pevnosti  (a tedy i modulu pružnosti betonu) s časem. Navrhli jsme proto zopakování měření, nejprve po roce, později v přibližně dvouletých intervalech.

Popis konstrukce komínu
Komín je železobetonová konzola výšky 177,00  m  (od  vrchního  líce základového věnce). Vnější průměr je proměnný od 12,99 do 6,30 m, tloušťka stěny se pohybuje od 0,675 m do 0,20 m. Původně navržený způsob založení  na  kruhové  desce  o  průměru  24,00 m a tloušťce 3,20 m byl později změněn na založení na čtyřiceti pilotách o průměru 1,30 m do hloubky 15,00 m, uspořádaných ve dvou soustředných kružnicích: vnější o poloměru 7,30 m – 24 pilot s roztečí 1,911 m; vnitřní na poloměru 5,00 m – šestnáct pilot s roztečí 1,963 m. Základový věnec má průměry 16,30 a 8,30 m a tloušťku a příčný rozměr 4,00/1,50 m. Podzákladí je tvořeno bohdaleckými břidlicemi, které jsou až do hloubky cca 35 m zvětrány. Tyto údaje jsou převzaty z projektu [2]. Podle laboratorních zkoušek z roku 1999 byla zaručena pevnost betonu R_bg= 12,7 MPa, beton tedy odpovídal podle ČSN 73 0038 třídě B 12,5. Napětí  v  místě  největšího  průměru  je 1,5 MPa od vlastní tíhy a 1,0 MPa od zatížení stálou složkou tlaku větru. Komín je opatřen vnitřním ochranným pouzdrem, chránícím nosnou železobetonovou troubu před účinky tepla a chemických vlivů spalin. Pouzdro je dvouvrstvé, vnitřní, z kyselinovzdorného zdiva o tloušť- kách 0,12 m (ve spodní partii do výšky 8,00 m je tloušťka 0,38 m), vnější, tepelněizolační, o tloušťce 0,38 – 0,17 – 0,14 – 0,11  – 0,085 m z čedičové vaty. Vrchol komínu je kryt litinovým věncem, vlastní výfukové hrdlo je zúženo cihelnou vyzdívkou s křemelinovou výplní dutin na průměr 4,10 m. Na spodku komínu se ochranné pouzdro zužuje do kuželové výsypky.

K dispozici jsme měli pohyby komínu získané výpočtem, zejména výsledky dynamického výpočtu, provedeného autorem jednoho z návrhů opravy komínu (Ing. V. Holubem [2]), dále jsme sami, pro různé podmínky působení větru, vypočetli frekvenci odezvy komínu. Tyto výsledky jsou uvedeny, spolu s hodnotami získanými při kontrolních měřeních v minulosti, v tab. 1.

V tab. 1 jsou uvedeny vlastní frekvence komínu podle výpočtu [2] a podle našeho výpočtu; dále následují kontrolní diagnostická měření. Účelem  těchto  měření,  dohodnutých  v  průběhu  jednání  o rekonstrukci, bylo sledovat, zda časem nedochází k poklesu kvality díla a k zmenšení jeho bezpečnosti. RMS v ní značí směrodatnou odchylku (efektivní hodnotu) časově proměnné výchylky v(t).

Jednou z veličin, charakterizujících technický stav konstrukce, jsou  její vlastní frekvence (především ta základní). Tato metoda je vhodná  i proto, že frekvence je na skutečném díle měřitelná poměrně snadno a přesně. Vynucená frekvence je u málo tlumených konstrukcí prakticky totožná s frekvencí vlastní. Úbytek nejnižší frekvence s časem měření je ve třetím sloupci tabulky, v procentech, vztažených k poprvé změřené hodnotě 0,280 Hz (bezprostředně po rekonstrukci). Pokles této veličiny za prvních pět let nevzbuzoval obavy, nicméně náhlý vzrůst tohoto poklesu během dvou let by mohl být varovným signálem. Průběh snižování základní vynucené frekvence je  znázorněn  na obr. 2. K ilustraci měření je na obr. 3 vynesen příklad pohybu (dráhy), kterou ve vodorovné rovině opíše během 10 vteřin sledovaný bod. Je to dráha přibližně eliptická, vzniklá složením dvou pohybů v navzájem kolmých osách (směr J – S a Z – V). Odpovídá výsledkům měření, známým z jiných podobných případů. Tato dráha odpovídá harmonickému buzení s jednou převažující frekvencí.

Posouzení užití metody dynamické odezvy
Úbytek hodnoty základní vlastní frekvence komínu během posledních let měření signalizuje pokles ohybové tuhosti  dříku.  Mohlo  k němu dojít buď porušením celistvosti dříku v jednom nebo více vodorovných řezech, či postupnou degradací betonu komínu. Kdyby se kterýkoli z těchto jevů měl dále vyvíjet, znamenalo by to vážné ohrožení. Aby  se  tomu  zabránilo,  považovali  jsme  (a  považujeme i v současnosti) již v roce 2007 a 2009 za naléhavé podniknout co nejdříve následující opatření.
■ Je nutné ověřit současnou kvalitu betonu dříku, především jeho pevnosti a modulu pružnosti. To zřejmě, mimo jiné, znamená i odebrat a vyzkoušet vzorky betonu z exponovaných míst dříku v jeho spodních partiích.
■ Provést vizuální prohlídku dříku, lokalizovat a dokumentovat místa případných poruch, jako jsou trhliny, narušený povrch atd.
■ Provést chemický rozbor betonu, především s ohledem na přítomnost  složek  ovlivňujících  stárnutí  a  narušení  povětrnostními  i chemickými vlivy prostředí.

Tyto úkony musí provést specializované pracoviště; nezávisle na nich je však třeba dále sledovat vlastní frekvenci komínu, pokud možno v kratších intervalech než dosud (po roce).

Závěr

Vztah mezi frekvencí konstrukce a jejím stářím je důležitý pro zkoumání dlouhodobých změn vlastností materiálů, případně pro detekci jejího poškození. Významná je změna modulu pružnosti betonu vlivem dotvarování, přesto sledování tohoto vlivu dosud žádný předpis nevyžaduje. Stanovení vlivu změny modulu pružnosti betonu na dynamickou odezvu a její oddělení od dalších vlivů na dynamickou odezvu konstrukce musí být velice citlivě uváženo; zejména oslabení nosných průřezů trhlinami, změny v okrajových podmínkách, stavební úpravy, rekonstrukce, změny stálého zatížení apod. Když jsme používali  pro  různé  druhy  konstrukcí  přípustné  mezní odchylky teoretických frekvencí od těch získaných experimenty, pak šlo o experiment s dosud nezatíženou konstrukcí (virgin state).

Zdroje:
[1] Výkres: Komín 175,2/590-410, K-2190, Spalovna TMO Praha-Malešice, KOVAŘÍKOVÁ, V. 1989.
[2] HOLUB, V. Železobetonový komín 174,80 m, Spalovna TMO Praha-Malešice: Statické posouzení komínu pro nové osazené pouzdro a kvalitu betonu B 12,5 (posouzení nutnosti obetonování). GEMA s.r.o. Praha, 3. 4. 2000.
[3] KRATOCHVÍL, P. Spalovna TMO Praha-Malešice. 008 – Základy komínu. Hutní projekt Praha, HP 11-9 -16717/008, X. 1988.
[4] PIRNER, M. a O. FISCHER. Zatížení staveb větrem, Praha: ČKAIT, 2003.
[5] CSN 73 2044 Dynamické zkoušky stavebních konstrukcí, 1983.

Celý článek naleznete v archivu čísel 12/2018.