Wykorzystanie georadaru w diagnostyce konstrukcji budowlanych

Rozwój georadarów jest ściśle powiązany z ewolucją radarów początkowo wykorzystywanych do wykrywania statków i samolotów przez wojskowe jednostki defensywy i miał miejsce na przełomie XIX i XX w. Powszechnie stosowane nazwy urządzeń GPR czy RADAR są skrótami opisującymi działanie tych urządzeń. RADAR oznacza RAdio De- tecting And Ranging, czyli wykrywanie obiektu i określanie jego lokalizacji. Natomiast GPR oznacza Ground Penetrating Radar, czyli radar penetrujący grunt. W obu tych metodach wykorzystuje się fale radiowe (elektromagnetyczne). Podstawy fizyczne zjawiska elektomagnetyzmu opisują równania Maxwella. W prostym opisie zasady działania georadaru można stwierdzić, że urządzenie to ma na celu rejestrację zmiany parametrów fali wyemitowanej przez swoją antenę nadawczą i zarejestrowaną przez swoją antenę odbiorczą. Samo urządzenie nazywane powszechnie GPR składa się z anteny nadawczej, odbiorczej oraz przetwornika. Wspomniany prosty opis działania nie przedstawia trudności związanych z prawidłową interpretacją uzyskanych wyników i otrzymaniem praktycznych informacji.

Rozwój urządzeń georadarowych oraz zapotrzebowanie rynku ma wpływ na wzrost popularności i wykorzystanie tej metody badawczej w wielu dziedzinach nauki. Najpowszechniej urządzenia te są używane w archeologii, geologii, geofizyce oraz inżynierii środowiska. Coraz powszechniej metodę georadarową stosuje się w inżynierii lądowej, drogownictwie i budownictwie kubaturowym.

W niniejszym artykule postaramy się przybliżyć wykorzystanie badań z użyciem georadaru w diagnostyce konstrukcji.

Rys. 1 Echogram przedstawiający ścianę żelbetową zbiornika

Możliwości techniczne, rodzaje sond i urządzeń

Częstotliwości fal elektromagnetycznych używanych do pomiarów georadarowych wahają się w granicach od 3 MHz (pasmo HF) do nawet 110 GHz (pasma Ka, MMW). Od częstotliwości emitowanych fal uzależnione są możliwości wykorzystania i ograniczenia metody badawczej. Ogólnie przyjęta zasada mówi, że im mniejsza częstotliwość, tym większy zasięg pracy georadaru, lecz mniejsza dokładność pomiaru. Zasięg oraz dokładność pomiarów uzależnione są przede wszystkim od badanego geo- radarem ośrodka (materiału, podłoża)
oraz częstotliwości fali. Każdy materiał charakteryzuje się inną stałą dielektryczną oraz innym współczynnikiem tłumienia. Parametry te, znając prędkość rozchodzenia się fali w ośrodku, pozwalają na obliczenie grubości poszczególnych warstw oraz na określenie rodzaju materiału na danej głębokości. Dobór odpowiedniej anteny zależy od celu naszego badania i podłoża, na jakim wykonujemy badania.

Czołowymi producentami georada- rów są: amerykańskie GSSI, szwedzka Mala Geoscience, kanadyjski Sensors and Software oraz włoski IDS. Każda z tych firm ma w swojej ofercie pełne spektrum anten do wykorzystania w budownictwie kubaturowym, archeologii czy geologii. Najczęściej dostępne w sprzedaży są anteny o zakresie częstotliwości 25-2000 MHz. Anteny georadarów mogą być: montowane na wózkach jezdnych, ciągnione po ziemi, niesione nad powierzchnią albo montowane do samochodów czy pociągów na specjalnych wysięgnikach.

Rys. 2 Widoczne raki i niejednorodności betonu na pobocznicy elementu prefabrykowanego

W przypadku doboru anten w inżynierii lądowej oraz budownictwie kubaturowym należy mieć na względzie, że badane elementy i materiały mają stosunkowo niewielką grubość i zależy nam na osiągnięciu dużej dokładności uzyskiwanych wyników. Ze względu na fakt, że w budownictwie mamy do czynienia najczęściej z układem elementów żelbetowych oraz elementów żelbetowych ułożonych na podłożu gruntowym, głębokość penetracji anten georadarowych ogranicza się do kilkudziesięciu centymetrów dla elementów niewielkiej grubości lub kilku metrów dla płyt i nawierzchni drogowych. W opisywanych przypadkach najczęściej się stosuje anteny o częstotliwości w zakresie 400-2500 MHz. Anteny o częstotliwości 400 MHz charakteryzują się głębokością penetracji ok. 300 cm i rozdzielczością pionową 20 cm, natomiast anteny o częstotliwości 2000 MHz działają efektywnie do 40 cm głębokości przy rozdzielczości ok. 2-3 cm.

Pomiary georadarowe w budownictwie wykorzystuje się najczęściej w celu określenia jednorodności podłoża gruntowego pod nowo wznoszone budynki. W przypadku istniejących budynków, gdzie wykorzystanie georadaru głównie wiąże się z diagnostyką konstrukcji, sprawdzamy najczęściej:

– grubość elementów (płyt fundamentowych, stropów, ścian, nawierzchni drogowych, podbudowy);

– występowanie pustek, miejsc niedo- gęszczonych pod powierzchnią płyt fundamentowych czy nawierzchni drogowych;

– występowanie delaminacji, zaryso- wań poziomych czy braku sczepno- ści między warstwami;

– układ zbrojenia (rozstaw prętów i ich otuliny) w elementach żelbetowych;

– występowanie infrastruktury sanitarnej czy elektrycznej wbudowanej w elementy konstrukcyjne albo znajdujące się bezpośrednio pod nimi;

– zakres zawilgocenia elementów.

Rys. 3 Echogram przedstawiający fragment płyty elementu prefabrykowanego

Opis badań w praktyce

W niniejszym opracowaniu przedstawiono wyniki własnych badań przeprowadzonych z wykorzystaniem geora- daru Alladin firmy IDS. W badaniach wykorzystano dwie anteny o częstotliwości 2000 MHz i 900 MHz. Przy interpretacji wyników posłużono się programem Fast Wave oraz Gred HD z nakładkami filtrującymi przygotowanymi przez producenta IDS dla przedmiotowych anten badawczych.

Obraz pierwszego echogramu (rys. 1) przedstawia ścianę żelbetową zbiornika wybudowanego ok. 20 lat temu, dla którego użytkownik obiektu nie posiadał żadnej dokumentacji technicznej. Zbiornik był w ciągłym użytkowaniu i ze względu na zmianę funkcji, a ściślej zmianę gęstości przechowywanej cieczy w zbiorniku, konieczne było sprawdzenie nośności konstrukcji. Przy braku możliwości wykonania przewiertów przez całą grubość zbiornika i skanów ferrometrami od wewnątrz zbiornika przydatne się okazały skany uzyskane metodą georadarową.

Fot. 1 Widoczne raki i niejednorodności betonu na pobocznicy elementu prefabrykowanego

Na echogramie z georadaru (rys. 1) możemy zobaczyć opisany obraz. Zinterpretowane zostało rozłożenie prętów zbrojenia głównego ułożonego przy powierzchni oraz częściowo dla prętów ułożonych głębiej. Czerwone okręgi przedstawiają pręty znajdujące się przy powierzchni. Możemy stwierdzić, że występują one w stosunkowo nieregularnym rozstawie w zakresie
od 14 do 21 cm na głębokości od ok. 5 do 6 cm. Głębiej, niebieskim okręgiem, zaznaczono pręty drugiego rzędu zbrojenia, będącego drugą siatką zbrojenia znajdującą się na głębokości 24-25 cm. Układ oznaczonych niebieskim okręgiem prętów nie jest tak regularny jak dla prętów znajdujących się przy powierzchni. Wynika to stąd, że zaburzenia echogramu nie pozwalają na szczegółowe określenie występowania wszystkich prętów. Jasnoniebieską linią oznaczono wyraźną przerwę wskazującą na odbicie końcowe fali radarowej wskazującej zakończenie ściany, czyli jej grubość (na ok. 31 cm). Fioletowym owalem oraz linią zaznaczono na obrazie fragmenty wskazujące na występowanie niejednorodności betonu. W miejscach tych prawdopodobne jest występowanie lokalnych delaminacji czy braku ciągłości struktury, takich jak lokalne rozwarstwienia czy raki.

Rys. 4 Echogram przedstawiający zmienną grubość płyty żelbetowej oraz liczne odparzenia otuliny prętów zbrojeniowych

Obrazy georadarowe na rys. 2 przedstawiają trzy skany, wykonane w odległości ok. 20 cm od siebie, na przekroju pionowym płyty elementu prefabrykowanego mającego stanowić platformę roboczą. Podczas wykonywania przedmiotowego elementu prefabrykowanego o stosunkowo dużym gabarycie nastąpiła przerwa w dostawie mieszanki betonowej. W związku z występującymi na powierzchni rakami i obawie, że w masywie elementu występują niejednorodności, zlecono wykonanie badań rozpoznawczych.

Fot. 2 Widoczne uskoki na wierzchniej stronie płyt dachowych

Wyniki badań wykazały występowanie lokalnych delaminacji o przekroju poziomym i ukośnym na grubości płyty zarówno w przypowierzchniowej strefie, jak i w środku grubości elementu. Obraz drugiego echogramu (rys. 2) przedstawia trzy skany georadaro- we wykonane w trzech przekrojach oddalonych od siebie o ok. 20 cm. Przekroje 3, 4 i 5 pokazują regularny obraz siatki prętów zbrojeniowych na głębokości ok. 8 cm od powierzchni. Na początkowym (widocznym od lewej strony) fragmencie obrazu widoczne są liniowe delaminacje powyżej prętów zbrojeniowych. Na przekroju 3 i 4 widoczne są ukośne nieciągłości zbiegające od ok. 12 do 15 cm w głąb płyty. Dodatkowo na przekroju 5 obraz echogramu wskazuje na występowanie delaminacji na głębokości ok. 20 cm.

Obraz georadarowy na rys. 3 został wykonany w ramach rozpoznania układu zbrojenia oraz grubości żelbetowych płyt dachowych pawilonu han
dlowego. Ze względu na specyficzny kształt budynku i utrudniony dostęp do miejsc wykonania potencjalnych odkrywek zastosowano metodę georadarową. Dach badanego pawilonu tworzył literę W, przez co projektanci podejrzewali zmianę grubości płyt dachowych na ich wysokości. Wykonane badania potwierdziły pogrubienie płyty w dolnej i górnej części dachu, jednak wykryły przy tym również niską jakość wykonania elementów. W badaniach wskazano niejednorodność grubości płyty na jej długości na badanej wysokości.

Fot. 3 Braki otuliny na spodniej warstwie płyty

Obraz trzeciego echogramu (rys. 3) przedstawia skan poziomy w środku wysokości płyty o kształcie litery W. Czerwonymi okręgami zaznaczono regularny obraz siatki prętów zbrojeniowych oddalonych od siebie o ok. 5-7 cm. Pręty znajdują się jednak na różnych głębokościach, od ok. 2 do 6 cm. Na echogramie zieloną linią zaznaczono przebieg końca płyty – jej grubość. Linia ta wyraźnie wskazuje zmianę grubości płyty od 9 do nawet 18 cm. Dodatkowo zaobserwować można występowanie wyraźnego uskoku na grubości płyty.

Obraz georadarowy na rys. 4 został wykonany w ramach rozpoznania układu zbrojenia oraz grubości żelbetowej płyty stropodachu na budynku przemysłowym. Ze względu na silną korozję dolnej części płyty konieczna była diagnostyka w zakresie występowania uszkodzeń na przekroju płyty. Wszystkie badania georadarowe zostały przeprowadzone na powierzchni górnej płyty. Wyniki badań wskazały na niejednorodną grubość płyty, występowanie jedynie jednej siatki prętów zbrojeniowych oraz występowanie licznych delami- nacji w przypowierzchniowej i dolnej strefie grubości płyty. Z echogramu odczytać można, że grubość badanej płyty żelbetowej wynosi od 10 do 12 cm (linia pomarańczowa). Siatka prętów zbrojeniowych znajduje się na głębokości 7-8 cm od powierzchni skanowania, a rozstaw prętów wynosi w granicach 15-21 cm. Przy powierzchni skanowania oraz na spodzie płyty żelbetowej występują liczne delaminacje wskazujące na odparzenie otuliny prętów zbrojeniowych (oznaczenia fioletowe).

Przedstawione echogramy z wykonywanych w ramach prac diagnostycznych ekspertyz i badań potwierdzają skuteczne wykorzystanie metod georadarowych przy: ocenie grubości elementów, określeniu rozmieszczenia zbrojenia górnej i dolnej siatki zbrojeniowej oraz określeniu występowania przewarstwień, delaminacji czy pustek.

Podsumowanie

Przedstawione przykładowe echo- gramy wraz z ich opisem pokazują potencjalne możliwości wykorzystania georadaru w diagnostyce konstrukcji budowlanych. Obraz echogramów wraz z interpretacją wydaje się stosunkowo łatwy do zrozumienia. Przy pracy z georadarem i interpretacji wyników badań należy uwzględniać dobór odpowiedniej anteny (jej częstotliwości i rozdzielczości) oraz minimalizację negatywnych wpływów otoczenia w postaci innych urządzeń emitujących fale radiowe czy występowanie ferromagnetyków. Doświadczenie operatora w pracy z georadarem z wykorzystaniem odpowiednich filtrów przy interpretacji wyników pozwala na szybką i przede wszystkim bezinwazyjną ocenę jednorodności badanych elementów, występowania w nich przewarstwień czy delaminacji. Potencjalnie można określić rozkład i otulinę prętów zbrojeniowych ułożonych na dwóch różnych głębokościach czy zmianę zawilgocenia elementu na jego przekroju.

Przedstawione spektrum możliwości metod georadarowych jest bardzo ważne w diagnozowaniu przyczyn powstania uszkodzeń i awarii konstrukcji budowlanych bez konieczności wykonywania wielu odkrywek. Pomimo że georadar wraz z oprogramowaniem jest jeszcze kosztownym urządzeniem, to przy diagnozowaniu i rozpoznaniu elementów konstrukcyjnych pozwala na zminimalizowanie kosztów badań oraz, co najważniejsze, zmniejszenie czasu i zwiększenie dokładności rozpoznania.

mgr inż. Karol Sadłowski

mgr inż. Damian Urbanowicz

inż. Maciej Urbanowicz

Barg Diagnostyka Budowli Sp. z o.o.

Literatura

1. J. Karczewski, Zarys metody georadarowej, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2007.
2. V Barrile, R. Pucinotti, Application of radar technology to reinforced concrete structures: a case study, NDT&E International 38/2005.
3. D.J. Clem, T. Schumacher, J.P. Deshon, A consistent approach for processing and interpretation of data from concreto bridge members collected with a hand-heid GPR Device, „Construction and Building Materials” 86/2015.
4. Materiały własne z przeprowadzonych opinii, ekspertyz i badań firmy Barg Diagnostyka Budowli.