Diagnostyczne badania nieniszczące w praktyce

Stałe zapotrzebowanie na nowe powierzchnie biurowe oraz zwiększenie wydajności ciągów komunikacyjnych powodują nie tylko powstanie nowych obiektów i dróg, ale również rozbudowę istniejących budynków, dróg i obiektów. Przy każdej nowej adaptacji i przebudowie konieczne jest wykonanie diagnostyki istniejącego budynku lub budowli. Ponieważ większość projektów adaptacji i przebudowy realizowanych jest przy stale działających obiektach, przy ich diagnozowaniu zwiększa się zapotrzebowanie na nowoczesne metody badawcze, które przyspieszają proces projektowania, relatywnie zmniejszają jego koszty i dają możliwość bezinwazyjnego badania wybranych elementów konstrukcji. W niniejszym artykule postaramy się przybliżyć trzy metody diagnostyki konstrukcji żelbetowych. Opierając się na naszych doświadczeniach, uznaliśmy je za najbardziej przydatne w praktycznym działaniu. Są to metody: elektromagnetyczna, ultradźwiękowa i georadarowa.

Badania nieniszczące. Opis metod i przykłady interpretacji uzyskanych wyników

Skaner ferromagnetyczny

Podstawowymi i najbardziej powszechnymi urządzeniami są skanery ferromagnetyczne (np. Proceq Profometer PM650, Hilti PS200). Urządzenia te wykorzystują fale elektromagnetyczne, a metoda lokalizacji zbrojenia polega na analizie zmiany pola elektromagnetycznego emitowanego w głąb konstrukcji. Jako wynik skanowania uzyskujemy obraz fali wraz z przekonwertowanym obrazem przedstawiającym elementy metalowe, czyli pręty zbrojeniowe. Na podstawie obrazu generowane jest zestawienie rozstawu i głębokości otuliny prętów. Dokładność lokalizacji zależy przede wszystkim od głębokości położenia prętów zbrojeniowych i jakości powierzchni betonu. Na pomiar ma również wpływ średnica prętów oraz odległości między sąsiednimi prętami zbrojenia. Głębokość, na której można wykryć zbrojenie, wynosi ok. 10 cm. W przypadkach szczególnych głębokość detekcji może wynieść do 20 cm. Przy wykonywaniu badań należy pamiętać, że im bliżej skanowanej powierzchni znajdują się pręty zbrojeniowe, tym dokładniej zostaną one wyznaczone. Teoretycznie urządzenia pozwalają również na określenie średnicy prętów zbrojeniowych. Jednakże z naszego doświadczenia wynika, że pomiary średnicy prętów można uznać za mocno szacunkowe i występują duże rozbieżności w średnicy mierzonej metodą pośrednią a pomiarem bezpośrednim w wykonanej odkrywce. Im większa głębokość i mniej regularny rozstaw prętów, tym błędy są większe.

Na rys. 1 przedstawiono obraz skanów z dwóch urządzeń Profometer PM650 oraz Hilti PS200, widoczne jest zbrojenie główne okrągłego słupa żelbetowego, gdzie wyraźnie zidentyfikowano rozkład prętów zbrojeniowych, których średnica wynosi 12 cm, oraz zmienną otulinę zbrojenia (22-60 mm).

Rys. 1. Rozkład zbrojenia głównego w słupie okrągłym, Profometer PM650

Rysunek 2 przedstawia skan wykonany na spodzie stropu ceglanego typu Kleina, gdzie zidentyfikowano rozstaw belek stalowych, a dokładnie krawędzie półek stalowych dwuteowników. Na podstawie skanu stwierdzono, że rozstaw belek wynosi 93 cm, a szacowana szerokość półki dwuteownika – 10 cm.

Rys. 2. Rozkład belek stalowych stropu Kleina, Hilti PS200

Z kolei rys. 3 (skan powierzchniowy) pokazuje rozkład prętów płyty stropowej, na jednym obrazie jest widoczny rozkład prętów biegnących w dwóch kierunkach. Obraz przypomina zrzutowany układ zbrojenia w formie zdjęcia rentgenowskiego.

Rys. 3. Rozkład prętów na skanie powierzchniowym, Hilti PS200

Metoda ultradźwiękowa

Metoda ultradźwiękowa jest jedną z metod impulsowych wykorzystujących drgania mechaniczne o częstotliwości ponad 20 kHz, czyli w zakresie ultradźwięków. Ze względu na możliwość tłumienia fali w urządzeniach diagnostycznych stosowanych w budownictwie zazwyczaj się stosuje zakres częstotliwości 30-80 kHz. Urządzenia ultradźwiękowe pozwalają na detekcję struktury konstrukcji, badanie jednorodności oraz szacowanie wytrzymałości i ciężaru objętościowego betonu przy wykorzystaniu podstawowych sond. Przy ocenie nieciągłość struktury betonu i lokalizowaniu ewentualnych rozwarstwień, pustek i wewnętrznych delaminacji stosuje się sondy wielogłowicowe i metodykę badania tzw. Pulse Echo. Urządzeniami, które wykorzystują tę metodykę są m.in.: Mira firmy Germann Instruments oraz Pundit Array firmy Proceq.

Rys. 4. Pomiar na powierzchni górnej płyty fundamentowej, Proceq Pundit

Metoda badawcza wykorzystuje wpływ własności sprężystych i jednorodności materiału na rozchodzenie się fal ultradźwiękowych. Badania oparte są na obserwacji natężenia i zmian kierunku fal ultradźwiękowych w badanym materiale oraz na pomiarach czasu przejścia fal przez materiał z dostępem jednostronnym do elementu. W metodzie Pulse Echo wykorzystuje się zjawisko odbicia zadanej fali skierowanej na wadę materiałową (delaminacje, pęknięcia, pustki/pęcherze powietrzne). Odbicie następuje na granicy utworzonej przez ośrodek lub wadę strukturalną, wada strukturalna lub materiałowa stanowi bowiem obszar o oporności falowej różniącej się na ogół dość istotnie od oporności falowej badanego ośrodka. W przypadku stwierdzenia zjawiska odbicia fali można wnioskować o występowaniu nieciągłości w strukturze badanego ośrodka. Określenie czasu, jaki upływa od chwili wysłania fali do chwili powrotu fali odbitej (odbicie spowodowane nieciągłością), przy znanej prędkości umożliwia określenie przebytej drogi. Sygnał rejestrowany przez głowicę odbiorczą przedstawia impuls fali ultradźwiękowej odebrany po odbiciu od elementu będącego wadą albo zakończeniem elementu. Gdy na drodze fali ultradźwiękowej znajdzie się wada materiału, wówczas obraz sygnału ma mniejszą amplitudę i dobiega do głowicy nieco później niż w materiale pozbawionym wad. Nieciągłość struktury materiału powoduje zatem osłabienie energii impulsu rejestrowanego przez głowicę odbiorczą i dłuższy czas przejścia fali przez badany element.

Urządzenie Proceq Pundit Array, którego obrazy skanów zaprezentowano na rys. 4, pozwala na penetrację detekcyjną do głębokości 100 cm, przy czym najlepszy odczyt jest do głębokości 50 cm. Na rys. 4 przedstawiono obraz pomiarów ultradźwiękowych wykonanych na górnej powierzchni płyty fundamentowej.

Na jego podstawie można stwierdzić, że grubość płyty wynosi 82 cm, a zbrojenie rozłożone jest na głębokości ok. 12 cm od górnej powierzchni. Na podstawie analizy przebiegu fali można wnioskować o braku obecności delaminacji, rozwarstwień czy występowania raków w strukturze płyty fundamentowej.

Rys. 5. Identyfikacja wad w betonu, pomiar na dolnej powierzchni płyty i fotografia po odkuciu wierzchniej warstwy betonu, Proceq Pundit

Na rys. 5 przedstawiono obraz, w którym wykryto wady wykonawcze w układaniu mieszanki betonowej. Po przeprowadzeniu badań wykonano odkrywki i stwierdzono, że pod gęsto ułożoną dolną siatką prętów zbrojeniowych znajdują się tzw. gniazda rakowe, gdzie występują braki w betonie. Z przedstawionego skanu wynika, że grubość płyty badanego elementu od spodu wynosi 38 cm. W miejscu badania stwierdzono występowanie raków i rozwarstwienia betonu na głębokości 15 cm na długości skanu od 1,6 do 2,6 m.

Zobacz:

• Badania podłóg przemysłowych
• Produkty budowlane

Metoda georadarowa

Metoda georadarowa wykorzystuje ultrakrótkie fale radiowe i rejestrację tych fal odbitych. Czołowymi producentami georadarów są firmy: amerykańska GSSI, szwedzka Mala Geoscience, kanadyjskie Sensors and Software oraz włoska IDS. W ostatnich latach szwajcarski Proceq stworzył nowy georadar GP8000 przeznaczony dla budownictwa. W odróżnieniu od urządzeń innych producentów ma on szerokopasmową antenę o częstotliwości zmiennej w zakresie od 0,2 do 4 GHz. Inni producenci mają dedykowane anteny o stałej częstotliwości i tylko kilka z nich można funkcjonalnie wykorzystać w diagnostyce konstrukcji, np. 600, 900, 2000 Mhz. Georadar pozwala na zlokalizowanie ewentualnej nieciągłości struktury, przewarstwień, utraty spójności, a przede wszystkim lokalizację prętów zbrojeniowych oraz innych materiałów zatopionych w konstrukcji. Urządzenie zapewnia skanowanie nierównych powierzchni do maksymalnej głębokości 70 cm. Sama zasada działania urządzenia sprowadza się do rejestracji zmiany parametrów wyemitowanej fali radiowej (elektromagnetycznej) przez antenę nadawczą i jej rejestracji anteną odbiorczą.

Na rys. 6 widoczny jest skan georadarowy wykonany na spodzie płyty nośnej wiaduktu drogowego. Na obrazie, wykonanym w skali odcieni szarości, możemy zidentyfikować rozkład zbrojenia podłużnego, który wynosi ok. 11 cm, oraz otulinę, która wynosi 4 cm. Dodatkowo można rozpoznać, że element płyty wykonany jest jako skrzynkowy, gdzie dolna część płyty skrzynki ma grubość ok. 12 cm, a szerokość samej skrzynki ma ok. 1,5 m.

Rys. 6. Skan na dolnej powierzchni płyty nośnej wiaduktu drogowego, Proceq GP8000

Rysunek 7 przedstawia skan georadarowy wykonany na górnej powierzchni płyty żelbetowej nad zbiornikiem wody pitnej w wieży ciśnień. Ze względu na ograniczony dostęp do dolnej powierzchni wykonano skany w celu weryfikacji dokumentacji projektowej. Na skanie możemy rozpoznać gabaryt płyty i belek żelbetowych z nią współpracujących. Rozstaw belek wynosi 260 cm, ich szerokość 20 cm, wysokość 28 cm. Natomiast w przypadku płyty jej grubość wynosi 12 cm, otulina prętów zbrojeniowych ok. 6 cm, a rozstaw ok. 19 cm.

Rys. 7. Skan od góry żelbetowej płyty nośnej w zbiorniku wieży ciśnień, Proceq GP8000

Na rys. 8 znajduje się skan georadarowy wykonany na styku sekcji betonowania ścian szczelinowych, gdzie tematem diagnostyki było określenie przyczyn nieszczelności styku. W ramach diagnostyki w ścianie o grubości 80 cm identyfikowano ułożenie wkładki elastomerowej. W tym celu wykorzystano skan z wizualizacją 3D. Na obrazie na głębokości ok. 14 cm widoczny jest przebieg zbrojenia pionowego przynależnego do dwóch przystających do siebie sekcji ścian oraz na głębokości ok. 48 cm ciągły, jednorodny materiał wzbudzający duże odbicie fali, który jest ze sporym prawdopodobieństwem wkładką elastomerową. Analizując dokumentację, w której założono grubość ściany 80 cm i ułożenie wkładek na 45 cm, można potwierdzić na podstawie badań, że wkładki znajdują się na odpowiednim miejscu.

Rys. 8. Skan z wizualizacją 3D i 2D na złączu ścian szczelinowych, Proceq GP8000

Ciekawym z diagnostycznego punktu widzenia doświadczeniem była identyfikacja rozkładu belek drewnianych stropu zabytkowego budynku, w którym belki drewniane były ukryte pod kilkoma warstwami nadkładu, m.in. z supremy, cegły czy wylewki cementowej.

Z wykorzystaniem georadaru udało się zidentyfikować położenie belek i wykonać możliwie najmniejszą odkrywkę do pomiarów geometrii bez uszkodzenia warstw wykończeniowych zabytkowego budynku. Obraz skanu oraz szkic układu warstw wykończeniowych przedstawiono na rys. 9.

Rys. 9. Rozkład belek drewnianych pod warstwami wykończeniowymi, Proceq GP8000

Badania nieniszczące. Podsumowanie

Przedstawione metody diagnostyczne są coraz częściej stosowane przy sporządzaniu opinii i ekspertyz technicznych budynków. Każde z urządzeń ma inną specyfikę pracy, możliwości pomiarowe, inne są koszty jego kupna. Wspomniane urządzenia pozwalają na znaczne przyspieszenie prac oraz zmniejszają ilość prac odkrywkowych i niszczących. W miejscach wrażliwych i obszarach z dostępem jednostronnym, do których należą płyty denne i ściany szczelinowe w obszarze naporu wody, umożliwiają rozpoznanie konstrukcji bez jej niszczenia. Generowany przez oprogramowanie obraz 3D jest przyjaźniejszy i dostępniejszy w odbiorze. Pozwala przez to łatwiej i szybciej zrozumieć skomplikowane zagadnienie. Przedstawione przykłady zastosowania urządzeń potwierdzają teoretyczne możliwości wykorzystania sprzętu w praktyce.

Oczywiście każdy z pomiarów musi być wykonywany przez doświadczonego diagnostę, który swoją wiedzę opiera na zbiorze wcześniej wykonanych pomiarów skorelowanych z wykonaniem odkrywek i badaniami niszczącymi.

Literatura

1. Ł. Drobiec, R. Jasiński, A. Piekarczyk, Diagnostyka konstrukcji żelbetowych, Metodologia, badania polowe, Badania laboratoryjne betonu i stali, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
2. G. Petersen, Injection quality of steel cable ducts evaluated by NDT, Concrete Solutions 2016.
3. G. Petersen, H.D. Orozco Recillas, Non-destructive testing of joints in precast element structures, Concrete Solutions 2016.

Materiały własne firmy KMD Diagnostyka Budowli Sp. z o.o.

mgr inż. Damian Urbanowicz
mgr inż. Karol Sadłowski
mgr inż. Maciej Warzocha
KMD Diagnostyka Budowli Sp. z o.o.