SZERKEZETEK REHABILITÁCIÓJÁT MEGELŐZŐ DIAGNOSZTIKAI VIZSGÁLATOK Dr. Orbán Zoltán 1 Gelencsér Ivett 2 Dormány András 2 Pécsi Tudományegyetem Műszaki és Informatikai Kar Szerkezetek Diagnosztikája és Analízise Kutatócsoport 1 Kutatócsoport vezető 2 Építőmérnök BSc hallgató ÖSSZEFOGLALÁS Előadásunkban esettanulmányokon keresztül mutatjuk be a szerkezetdiagnosztikai módszerek hatékony alkalmazását különböző mérnöki szerkezetek rehabilitációjának előkészítésénél valamint a kivitelezési munkálatok minőségellenőrzésénél. Ismertetünk néhány olyan újszerű roncsolás-mentes diagnosztikai eljárást, amely segítséget nyújt a szerkezetek állapot értékeléséhez, lehetőséget ad a felújítási terv elkészítése szempontjából lényeges, de a szokványos vizsgálatok számára rejtett szerkezeti jellemzők megbízható és gazdaságos módon történő megállapítására. KULCSSZAVAK Szerkezet, Diagnosztika, Hidak BEVEZETÉS Mérnöki építmények rehabilitációjához célszerű egy globális, a szerkezet egészére kiterjedő koncepciót alkalmazni. A helyes koncepció és a megfelelő műszaki megoldások kidolgozásához elengedhetetlen, hogy kellő mennyiségű és minőségű információ álljon rendelkezésére a szerkezetről, főképpen annak geometriai- és anyagjellemzőiről valamint aktuális műszaki állapotáról. Az állapotfelmérés egyik hatékony gyakorlati eszköze a helyszíni diagnosztika. Az elmaradt karbantartás, vagy a helytelen beavatkozások miatt a műtárgy a tervezett élettartamának töredékében lesz csak képes ellátni a feladatát és a romlási folyamatok jóval hamarabb, gyorsabb lefutással következnek be. A diagnosztikai vizsgálatokon való spórolás a tervezési fázisban, hosszabb távon jelentős többletkiadásokat eredményezhet, ugyanis egy nem megalapozott döntés sokkal költségesebb (és sokszor szükségtelen) beavatkozásokhoz vezethet, mint egy esetleges speciális vizsgálat végrehajtásával járó többletköltség. A diagnosztikából nyert információk
ugyanakkor nemcsak a tervezéskor, hanem a felújítás teljes folyamatában hasznosíthatók, csökkentve a kivitelezés során váratlanul előkerülő rejtett hibák lehetőségét. A meglévő szerkezetek állapot értékeléséhez és felújításának előkészítéséhez számos olyan szerkezeti és anyagjellemző ismerete szükséges, amely nem áll rendelkezésünkre a szokványos vizsgálatok eredményeként, vagy a meglévő tervek tanulmányozása alapján. Ilyen esetekben célirányos diagnosztikai vizsgálatokat kell végrehajtani, lehetőleg a szerkezet legkisebb mértékű károsításával. Az utóbbi időben egyre inkább tért hódítanak a roncsolásmentes illetve minimális szerkezeti roncsolással járó vizsgálatok. Eddigi tapasztalatok alapján megállapítható azonban, hogy ezek a módszerek elsősorban nem az alkotóanyagok szilárdsági tulajdonságairól, hanem a szerkezet felépítéséről, rejtett geometria adottságairól és károsodásairól, felületi és belső inhomogenitásáról szolgáltathatnak hasznos információkat, így általában a szerkezet egészére egy ún. minőségi jellemzőt határoznak meg 1 3. Ez a minőségi jellemző kiválóan kiegészítheti a hagyományos (pl. roncsolásos) vizsgálati módszerekkel nyert információkat, sőt nagy segítséget nyújthat a szokványos vizsgálatok helyének és szükséges gyakoriságának megállapításához is. Kutatócsoportunk 2010-ben alakult a Pécsi Tudományegyetem Pollack Mihály Műszaki Karán. Jelenleg az új Építőmérnök Tanszék szervezeti egysége alá tartozik és 2015-től ifjúsági tagozattal is rendelkezik. A kutatócsoport célul tűzte ki hidak és egyéb mérnöki szerkezetek károsodási folyamatainak vizsgálatát, a különféle diagnosztikai módszerek hatékonyságának elemzését a szerkezeti károsodások felkutatásában, a szerkezetek állapotának és élettartamának értékelésére alkalmas módszerek kidolgozását, valamint a numerikus modellezési módszerek alkalmazását a szerkezetek megbízhatóságának valamint a maradék élettartamának megállapításához. Kutatásaink során különös figyelmet szentelünk a történeti építmények (pl. boltozott hidak, falazott épületek) állapotvizsgálati módszereinek és olyan rehabilitációs megoldásainak, amelyek a szerkezetek élettartamának meghosszabbítására irányulnak. ESETTANULMÁNYOK Boltozott hidak állapotvizsgálata Boltozott hidakon a vizsgálat szintjének megfelelően rendszeres, időszakos és rendkívüli vizsgálatokat hajtanak végre. Az általános
hídvizsgálat feladata a hidak állapotának rendszeres figyelemmel kísérése, a hídon történt elváltozások és károsodások dokumentációja valamint azon helyek megjelölése, amelyek további, magasabb szintű vizsgálatokat igényelnek. Az általános hídvizsgálat általában szemrevételezéssel történik. Boltozott hidak célirányos diagnosztikájának alapvető célkitűzése, hogy bemenő adatokat szolgáltasson a szerkezeti analízishez. További célja az általános hídvizsgálat során megjelölt károsodások mértékének illetve azok okainak részletes feltárása, valamint a károsodások megszüntetésére irányuló beavatkozások előkészítésének elősegítése 2. Számos geometriai, anyagi és a károsodások jellegéhez köthető paraméter befolyásolja a boltozott hidak szerkezeti viselkedését és tartósságát. Ezek közül több olyan létezik, amelyről megbízható adatok általában nem állnak rendelkezésre, illetve szokványos vizsgálati módszerekkel nem állapíthatók meg. Néhány példa: Építéstechnológiával kapcsolatos rejtett szerkezeti jellemzők: A boltozat feletti töltés anyaga igen változatos lehet. Előfordulhat agyag, homok, kőszórás, homokba ágyazott kőszórás illetve egyéb helyi anyag is. Ezek általában réteges felépítésűek, ahol a rétegek vastagsága és minősége a legtöbbször ismeretlen (1. ábra). a) 1. ábra. A boltozat feletti töltés rétegződésének feltárása A boltozat mögötti és a közbenső pillérek feletti felfalazás anyaga is változatos. Lehet száraz kőrakat, homokba ágyazott kőszórás, tégla falazat, kő falazat, esetleg beton.
A felfalazás geometriája általában nem ismert (megj.: a vízkivezető csövek helyzetéből és a homlokfalakon megjelenő átázási foltokból esetenként ki lehet következtetni a felfalazás magasságára). A szerkezet tartalmazhat különböző kívülről nem látható rejtett elemeket, például hosszirányú merevítő falakat a homlokfalak között, takaréküregeket a pillérek felett, illetve keresztirányú boltozatokat. Mindezek általában nagyobb nyílású hidak esetében fordulnak elő. A boltozat vastagsága változhat a boltozat mentén a vállak felé. Kőhidak esetében általában vastagabb faragott köveket alkalmaztak a váll felé, míg téglahidak esetében egy, vagy több téglasor ráfalazásával oldották meg a vastagítást (2. ábra). Ez a vastagítás téglahidak esetében általában nem látható kívülről. 2. ábra. Boltozat mögötti kőrakat és a vállak felé vastagodó boltozat /használaton kívüli híd/ A boltozat vastagsága változhat a boltozat hossza mentén is. Általában a vágánytengely alatt, illetve annak irányában alkalmaztak vastagítást. Sokszor a vágánytengely későbbi áthelyezése miatt a vastagított rész nem a vágánytengely alá esik és a megváltozott igénybevétel eloszlás miatt az eltérő vastagságú részeknél repedések jelenhetnek meg. A boltozat vastagsága a homlokfalak alatt is eltérő lehet a boltozat belső részeinek vastagságától (3. ábra). Mindez a hosszirányú belső merevítő falakat esetében is igaz.
3. ábra. Vágánytengely felé vastagodó boltozat hosszmetszete /Pécs-Bátaszék vv/ A boltozat fölött és mögött vízszigetelésként alkalmazott réteg vastagsága, anyaga és állapota általában ismeretlen. Több gyűrűből álló boltozatoknál sokszor előfordul, hogy a külső gyűrűk anyaga és minősége eltérő a belső gyűrűkétől. Bár nem jellemző, de ugyanez igaz lehet kőhidak esetében is. A 4. ábrán látható példánál az intrados felőli jó minőségű külső kéreg mögött egy alacsonyabb minőségű, törmelékes kőfalazat található. 4. ábra. A falazat minőségének változása a kőboltozat mentén
A hídfők és pillérek belső geometriája és anyagi összetétele a legtöbb esetben nem ismert. Lehet tömör falazat, belül üreges, vagy törmelékkel kitöltött. A alapozás mélysége, anyaga és módja a legtöbb esetben ismeretlen. A boltozat alatti útpályaszint változtatások, illetve vízfolyás esetén a feliszapolódás miatt erre következtetni is nehéz. Károsodásokkal kapcsolatos rejtett jellemzők: A homlokfalak és a boltozat együttdolgozása idővel megszűnhet, a két szerkezeti elem csatlakozásánál repedések jelenhetnek meg. Az együttdolgozás mértéke a kialakult repedések jellegétől függ, ami csak korlátozottan vizsgálható szokványos módszerekkel. Boltozaton megjelenő hosszirányú repedések több okra vezethetők vissza. Az okok felderítéséhez általában ismerni kell a repedések jellegét, azaz hogy a repedés átmenő, vagy nem átmenő, illetve hogy a forgalmi terhek, vagy más jellegű hatások (pl. hőmérsékletingadozás) miatt a repedések milyen mértékben nyílnak meg. A repedések jellegzetességeinek ilyen mértékű feltérképezésére szemrevételezéses vizsgálattal nincs lehetőség. A vízszigetelés hiányosságai miatt a boltozat átnedvesedhet. A rendszeresen és intenzíven átnedvesedő helyek általában szabad szemmel is jól látszanak a felületen, viszont nehezen észlelhető a szerkezet belső tartományainak nedvesedése. A boltozat alkotóanyagainak állapota igen változatos lehet a károsodások miatt. a. A falazat kitöltöttségének mértéke változatos lehet egyrészt az építéskori technológiai hiányosságok, másrészt a habarcs későbbi kimosódása miatt. b. Az átázások következményeként kialakuló fagyási károk miatt az építőkövek illetve téglák szilárdsága csökkenhet, felületükön réteges leválás keletkezhet. c. Helyi feszültségkoncentráció miatt a fugahabarcs morzsolódhat illetve a falazóelemekben repedések keletkezhetnek. Lapos ívű boltozatoknál előfordulhat, hogy a fugázat kimosódása és a szerkezetet érő dinamikus hatások miatt a boltozatot alkotó falazóelemek közötti kapcsolat helyenként meggyengül. Előrehaladott esetben ez a falazóelemek elmozdulásához és végső esetben azok kihullásához vezethet. Korai fázisban a károsodás felismerése szemrevételezéssel szinte lehetetlen.
Több gyűrűből álló boltozatok esetében előfordulhat a boltozati gyűrűk egymástól való elválása egyrészt a sokszor ismétlődő dinamikus terhek okozta nyírófeszültségek miatt, másrészt a gyűrűk közötti habarcsréteg eróziója miatt. A károsodás felismerése szokványos módszerekkel általában nem lehetséges. A boltozat felett, illetve a hídfők mögött kiüregelődések illetve váltakozó tömörségű tartományok alakulhatnak ki a töltésben, egyrészt az építéskori technológiai hiányosságok, másrészt a szerkezet élete során bekövetkező hatások miatt. Az alapok károsodásai általában nehezen felderíthetők. Az alapok süllyedéseit, amennyiben az már olyan mértékű, a felszerkezet repedései mutatják. Igen alattomos és nehezen észlelhető károsodás lehet vízfolyásoknál az alapok környéki talaj kimosódása illetve fa cölöpökön nyugvó alapok esetében a cölöpök elkorhadása. Diagnosztikai módszerek Boltozott hidak célirányos diagnosztikája sem nélkülözheti a szemrevételezéses vizsgálatot. Semmilyen eszköz nem helyettesítheti ugyanis a szakértő mérnöki szemeket. A szemrevételezéses vizsgálat amennyiben a vizsgálat célja ezt igényli kiegészülhet a hagyományos eszközökkel mérhető geometriai adatok (pl. boltozat nyílása és alakja, boltozat vastagsága a homlokfalnál, híd hossza, stb.), valamint egyes építéstechnológiával kapcsolatos adatok (pl. szerkezeti anyagok típusa, falazat kötési típusa, korábbi beavatkozások jellege) meghatározásával. Számos számítási eljárás egyik meghatározó bemenő paramétere a boltozat anyagának nyomószilárdsága illetve egyéb mechanikai jellemzője. Ezek meghatározására bevett gyakorlat a fúrt mintákon történő roncsolásos vizsgálatok (RV) elvégzése. A roncsolásos vizsgálatok legnagyobb hátránya, hogy a statisztikai elemzés szempontjából megfelelő mintaszám kinyerése a szerkezetből igen költséges és jelentős roncsolással is jár. A kis roncsolással járó vizsgálatok (KRV) elsősorban a falazat mechanikai és egyéb állapot jellemzőinek közelítő meghatározását, illetve azok szerkezeten belüli eloszlásának és anomáliáinak meghatározását célozzák meg. A módszerek előnye, amellett hogy statisztikailag elemezhető adatmennyiséget szolgáltatnak, az hogy csak minimális mértékű roncsolással járnak. Hátrányuk, hogy csak a vizsgálati helyek környezetnek vagy felületének jellemzőit mutatják. A roncsolásmentes vizsgálati módszerek (RMV) egyre inkább tért hódítanak a szerkezetek diagnosztikájában. Egyes módszerek nagy
behatolási mélysége lehetővé teszi, hogy kívülről nem mérhető rejtett geometriai és anyagi tulajdonságokat is megállapítsunk. A módszerek további előnye, hogy egy áttekintő képet adnak a szerkezet állapotáról, viszont általános hátránya a mért adatok nehézkes kiértékelése, valamint az a tény, hogy jelenleg még nem lehet megbízható korrelációt találni a szerkezet mechanikai jellemzői és a roncsolásmentes vizsgálattal nyert adatok között. A monitoring jellegű vizsgálatok célja a híd károsodásainak (pl. deformáció, repedések megnyílása, támaszsüllyedés) valamint az állapotára utaló egyéb jellemzőinek (pl. dinamikus jellemzők) nyomon követése egy adott időszakon belül, vagy terhelés hatására. A monitoring vizsgálatok igen hatékonyak a károsodások okainak feltárásában. Falazott szerkezetek esetében a gyakorlati alkalmazás szempontjából szóba jöhető vizsgálati módszereket az 1. Táblázat foglalja össze. 1. Táblázat. Boltozott hidak diagnosztikai módszereinek összefoglalása Roncsolásos vizsgálatok Kis roncsolással járó vizsgálatok Roncsolásmentes vizsgálatok Monitoring vizsgálatok Fúrt mintákon végzett standard mechanikai vizsgálatok Fúrt mintákon végzett fizikai és kémiai vizsgálatok Standard geotechnikai vizsgálatok fúrt mintákon Lyukkamera / endoszkópos vizsgálat Flat-jack vizsgálat Felületi vizsgálatok (Schmidt kalapács, behatolásmérés, kihúzó vizsgálat) Kis átmérőjű fúrt minták vizsgálata Georadar / lyuk georadar Infravörös hőmérsékletmérés Szeizmikus / lyuk szeizmikus módszer Elektromos ellenállásmérés Vizsgálat kopogtatással Akusztikus emisszió vizsgálat Repedés monitoring Lézeres alakmeghatározás Nedvesség monitoring Deformáció monitoring Kísérleti program Az alábbiakban ismertetett kísérleti program célja olyan - elsősorban roncsolásmentes, vagy minimális roncsolással járó - vizsgálati módszerek felkutatása és hatékonyságának kísérleti vizsgálata, amelyek alkalmasak történeti építmények (köztük boltozott hidak) szerkezeti viselkedését és teherbírását leginkább befolyásoló paraméterek meghatározására illetve bizonytalanságának csökkentésére. A program során különböző vizsgálati módszerek alkalmazásával méréseket végeztünk falazott próbatesteken, különböző anyagú és
kialakítású hidakon illetve híd alépítményeken. A vizsgálatok az alábbi eszközökkel és módszerekkel történtek: georadar, infravörös hőmérsékletmérés, lyuk geofizikai vizsgálatok, lyukkamerás és videoendoszkópos vizsgálat, szilárdsági vizsgálatok fúrt mintákon, felületi nedvességmérés, automatizált lézeres hídprofil mérés, elmozdulás mérések forgalmi terhelés alatt. Jelen összefoglalóban a módszerek alkalmazásának csak néhány eredményét emeljük ki. Tégla boltozatú hídon nagy érzékenységű (termikus érzékenység <30 mk) hőkamerával végzett vizsgálatok felvételeit mutatja be az 5. és 6. ábra. A hőfelvételeken a környezetükhöz képest relatíve alacsony hőmérsékletű tartományok sötétkék színnel jelentkeznek. Itt valószínűsíthető az erőteljesebb átázás. A felvételek alapján a boltozat oldalfalán rétegesen leváló és repedéseket tartalmazó részek jól elkülöníthetők, a lazább, málló felületek vörös foltként jelennek meg egyes hőfelvételeken. 5. ábra. Boltozott híd vizsgálata infravörös termográfiával 6. ábra. A boltozat átnedvesedő belső felületének hőkamerás felvétele és metszet menti hő intenzitás ábrája
A 7. ábrán szintén egy többgyűrűs falazással épült tégla boltozat endoszkópos vizsgálata látható. A vizsgálatok igazolták, hogy a téglafal kitöltetlen, üreges részeket tartalmaz az első kettő és a második és harmadik téglasorok között. A mögéfalazás tömör téglafal. 7. ábra. Videoendoszkópos vizsgálat téglabolotozaton Ugyan ennek a szerkezetnek radarvizsgálatát mutatja a 8. ábra. A radarfelvételeken kirajzolódnak a szerkezeti egységek (homlokfalak, boltozat gyűrűk, boltozat szegmensek). A jobb oldali vágánytengely alatt található boltozat szegmens a többitől eltérő vastagságú. A korábbi és újabb szerkezeti részek összeépítésének helyén több reflexió észlelhető. Mindez a hozzáépítések során meghagyott belső homlokfal jelenlétét valószínűsíti. 8. ábra. Radarvizsgálat végrehajtása a boltozaton
Vízépítési műtárgy vizsgálata Egy hozzávetőleg 80 éves ipari vízmű nyersvíz tároló medencéjén szerkezeti károsodások voltak észlelhetők. A károsodások kiterjednek a szerkezet alaplemezére, oldalfalaira és a lefedő szerkezetére egyaránt. A károsodások okainak, jellegének és mértékének felderítésére egy átfogó diagnosztikai vizsgálatot hajtottunk végre. A vizsgálatok során alapvető szempont volt, hogy lehetőleg minimális mértékű roncsolással alapadatokat szolgáltassunk a szerkezet statikai ellenőrzéséhez és a felújítási technológiájának kidolgozásához. A vizsgálatokat duálfrekvenciás radarral (9. ábra), ultrahangos betonvizsgáló készülékkel (10. ábra), Schmidt kalapáccsal, tapadószilárdság mérő készülékkel (11. ábra), videoendoszkóppal és kis átmérőjú fúrt minták elemzésével végeztük el. 9. ábra. Radar vizsgálat végrehajtása alaplemezen 10. ábra. Ultrahangos vizsgálat a repedésmélység megállapítására A vizsgálatok kimutatták, hogy az alaplemezen megjelenő repedés rendszer egy része átmenő jellegű, a lemez valószínűleg a felszínen nem
jelentkező repedéseket is tartalmaz és vastagsága nem éri el a korabeli terven szereplő értéket. A repedések hossza mentén a repedésmélység változó. A betonszerkezet inhomogén jellegű, erre utal a betonrétegben megjelenő anomália rendszer. Az alaplemez és az ágyazó réteg határán, több tartományon a környezetüktől eltérő tulajdonsággal rendelkező részek (anomáliák) figyelhetők meg. Mindez az altalaj nem egyenletes minőségére (tömörség, nedvességtartalom) utal. 11. ábra. Tapadószilárdsági vizsgálatok végrehajtása A szerkezet betonja rendkívül alacsony szilárdságú, kötőanyag hiányos részeket és belső üregeket tartalmaz. Az ultrahangos, Schmidt kalapácsos és fúrt mintákon végrehajtott szilárdságvizsgálatok összevetése alapján igazolható volt, hogy a betonszerkezetek felületén mért nyomószilárdsági értékek jelentően eltérnek szerkezeti beton belsejében mért értékektől. Az alacsony tapadószilárdsági értékek alapján megállapítható volt, hogy a betonfelületre felvitt esetleges bevonati réteg megfelelő kapcsolata a meglévő beton felülettel csak erre alkalmas felület előkészítést illetve mechanikus kapcsolóelemek beépítését (pl. acéltüskék) követően biztosítható. Alagutak vizsgálata Téli időszakokban több helyen a vonatközlekedést zavaró jégcsapképződés, valamint felsővezeték szakadás alakult ki egy monolit vasbeton oldalfalú és a boltozati részen beton idomkövekből épült vasúti alagútban. A kialakult helyzet miatt szükségessé vált, hogy a korábban alkalmazott építési és szigetelési technológiákat felülvizsgáljuk, az átázások okait felderítsük és javaslatot tegyünk a probléma műszaki megoldására. A videoendoszkópos és radar vizsgálatok rámutattak arra, hogy az építés során a boltozat mögé nem történt vízzáróságot biztosító,
megfelelő injektálás annak ellenére, hogy a műszaki leírás ezt tartalmazza és a szivárgó rendszer is helyenként eltömődött (12. ábra). 12. ábra: Vasúti alagút endoszkópos vizsgálata felújítás előtt Egy másik alagút építése során, a beépített ívtámok közeiben, foltszerűen elhelyezkedő károsodások, repedések, üreges tartományok voltak kimutathatók. Az előzetes fúrt magminta vizsgálatok alapján megállapítást nyert, hogy a repedések a lőttbeton rétegek időben elkülönült felhordásából adódó munkahézag zónájában alakultak ki, feltehetően technológiai hiányosságra visszavezethető okokból. A hiányosságok megszüntetése az elváló rétegek acéltüskékkel történő összekötésével és az üregek, repedések injektálással történő kitöltésével történt. A beavatkozás előkészítéseként a károsodások helye kopogtatásos módszerrel közelítőleg kijelölésre került, viszont a kialakult repedések mélysége, szélessége, esetleges részleges kitöltöttségének mértéke és rendszere a keresztmetszeten belül kizárólag ezzel a módszerrel nem volt meghatározható. Az optimális felújítási technológia megtervezéséhez egy vizsgálati eljárást dolgoztunk ki. Ennek során a lőttbeton szerkezetében lévő repedések kiterjedését és rendszerét roncsolásmentes videoendoszkópos vizsgálattal állapítottuk meg. Ugyanez a technológia hatékonynak bizonyult a lőttbeton kéreg
injektálással történt homogenizálását követő minőség-ellenőrzésére (13. ábra). Injektálás előtt Injektálás után 13. ábra: Alagút endoszkópos vizsgálata felújítás előtt és után KONKLÚZIÓ Meglévő szerkezeteken végrehajtott roncsolásmentes és kis roncsolással járó vizsgálataink alapján igazoltuk, hogy az alkalmazott módszerek igen hatékonyak a szerkezetek állapotának felmérésében, lehetőséget adnak a felújítási terv elkészítése szempontjából lényeges, de a szokványos vizsgálatok számára rejtett anyag- és szerkezeti jellemzők megbízható és gazdaságos módon történő megállapítására. HIVATKOZÁSOK 1 Orbán, Z., Gutermann, M.: "Assessment of masonry arch railway bridges using non-destructive in-situ testing methods", Engineering Structures, Vol. 31, pp. 2287-2298, 2009. 2 Orbán, Z., Balogh, T., "Examination of existing structures and preparation of their rehabilitation helped by in-situ testing methods", 6th PhD & DLA Symposium, Pécs, 25-26. October 2010. 3 Orbán, Z., Balogh, T., "Assessment of masonry arch bridges using nondestructive testing methods", ARCH 13-7th International Conference on Arch Bridges, Trogir-Split, 2-4 October, 2013.