ÉPÍTETT SZERKEZETEK KUTATÁSA RADARRAL INSPECTION OF CONSTRUCTED STRUCTURES BY GPR Nagy Péter 1, Taller Gábor 2 1 MinGeo Kft 2 ELGI, Mérnökgeofizikai Főosztály ÖSSZEFOGLALÁS A geofizikában használt földradar eljárás, az épületszerkezetek vizsgálatának egy olyan módszere, amellyel roncsolásmentesen szerezhetünk információkat épített szerkezetek állagáról, hibáiról. A fal- és padlószerkezetekben keletkezett repedések, üregek, nedvesedési helyek kimutatása mellett alkalmas beépített padlófűtés, elektromos kábelek és betonvasalatok pontos meghatározására. Esettanulmányainkban olyan eljárások kerülnek bemutatásra, melyekben a nagyfrekvenciás radarhullámok nyújtottak segítséget a problémák feltérképezésére, úgymint: - egy vasúti aluljáró vizesedésének vizsgálata, - soproni tűztorony injektálás előtt és után, - padlófűtés csővezetékeinek kutatása, - szelemen gerendák feszítőpászmáinak vizsgálata során. ABSTRACT The GPR (Ground Penetrating Radar) method, which is used for geophysical applications, allow us to gain information from the state and the flaws of the constructed structures without any damage. It s useful to appoint faults, cavities and wet zones in the walls and floors, and to allocate heating pipes, electrical cables, and reinforcing bars. The case studies present some problem solved with the aid of high frequency radar waves. The list of these problems are: - the wetting of the wall of a railway underpass - the Firetower of Sopron before and after the cement injection - allocating the floor heating pipes - investigation of reinforced concrete beams KULCSSZAVAK/KEYWORDS radar módszer, szerkezetvizsgálat, betonvizsgálat radar method, structure scan, concrete inspection BEVEZETÉS A radarmérések elve A földradar módszer fizikai leírása a hullámoptika jelenségköréhez tartozik. A radar antenna által kibocsájtott nagyfrekvenciájú hullámok (10 MHz- 1 GHz) a levegőben fénysebességgel terjednek, és képesek behatolni az optikailag átlátszatlan anyagokba (pl. talaj, fal, stb.), ily módon leképezni azt. Elektromágneses hullámok révén igazak rájuk az optika törvényei és jelenségei: törés, visszaverődés, refrakció, stb. A műszer alapvetően a visszaverődés (reflexió) elvén működik. Egy adó- és egy vevőantennából áll, működése közben az adó bizonyos időpontonként kibocsájt egy jelet. A jel (hullám) akadálytalanul halad az anyagban mindaddig, amíg egy eltérő anyagi állandókkal rendelkező közeg határához ér. Itt a hullám egy része reflektálódik, egy része továbbhalad a második közegben. A visszavert jel visszajut a vevőhöz, amely rögzíti azt. Ha a berendezéssel egy felszíni vonal mentén, sűrű mintavétellel felvételeket készítünk, akkor a visszavert jelek leképezik a felszín alatti határfelületeket és az egyéb pontszerű vagy
kiterjedt hatókat, melyeket anomáliának nevezünk (1. ábra baloldala). Anomáliaként fog jelentkezni minden olyan pont, melyben az anyagra jellemző elektromos vezetőképesség és/vagy dielektromos állandó megváltozik. 1. ábra. A földradar mérés elvi vázlata A radar szelvények x tengelyén a vonal menti pozíció, az y tengelyén a menetidő látható (1. ábra jobboldala). A hullámterjedési sebesség becslésével az időtengely mélységtengellyé transzformálható, ezáltal az anomáliák mélysége jó közelítéssel megállapítható. Néhány, a radarmérés szempontjából fontosabb közegparaméter az 1. táblázatban látható. Anyag EM hullámsebesség 1. táblázat. Anyagparaméterek Elektromos vezetőképesség σ[ms/m] Permittivitás Csillapítás Levegő 0,30 5 10-12 1 0 Édesvíz 0,033 0,02 2 81 0,1 Száraz homok 0,13 0,15 0,14 3 5 0,01 0,03 Nedves homok 0,05 6 20 30 0,3 3 Agyag 0,06 100 5 40 1 300 Mészkő 0,12 0,5 2 4 8 0,4 2 Gránit 0,12 0,01 1 7 0,8 Beton 0,13 2 7 1,3 Aszfalt 0,15 0,01 3 4 0,01 Vakolat 0,12 6 A jel behatolási mélységét befolyásolják a közeg paraméterein kívül a hullám frekvenciája is. Általánosan igaz, hogy nagyobb frekvenciával jobb felbontóképesség, de kisebb behatolási mélység érhető el. A földradar mérésekkel kimutathatók közművek, csővezetékek, eltemetett fémtárgyak, a talajvízszint, réteghatárok, lehatárolhatók üregek, nedves zónák és egyéb hatók is. Az anomáliák sokfélesége miatt a szelvények kiértékelését nagyban megkönnyítik és pontosítják az a priori ismeretek. A mérőműszerek A radarméréseket GSSI (Geophysical Survey Systems, Inc) által gyártott SIR 3000-es típusú műszerrel, végezzük, a feladatoknak megfelelő antennaválasztással. A 2. táblázat bemutatja
az antennák frekvenciáját, az általános alkalmazási területeket, a behatolási mélységet és a felbontást. 2. táblázat. Az antennatípusok és jellemzőik Gyártmány Antenna középfrekvencia [MHz] Behatolási mélység [m] Legkisebb kimutatható objektum [m] Általános alkalmazás GSSI 100 2 15 0,43 GSSI 400 0 4 0,10 geotechnika, bányászat közművek, üregkutatás geotechnika GSSI 900 0 1 0,05 betonvizsgálat GSSI 2600 0 0,4 0,02 betonvizsgálat ESETTANULMÁNYOK Egy vasúti aluljáró vizesedésének vizsgálata A vizsgált aluljáró fő problémája volt, hogy megépítése után a padlózaton illetve annak falain nedves területek voltak megfigyelhetők. Ennek okai lehetnek például, hogy a nagymennyiségű csapadékot a csapadékelvezető rendszer nem tudta kiszolgálni, vagy, a vasúti töltésre hulló csapadék leszivárgott az aluljáró oldalfalai mentén. Ezen okok felderítése céljából indult radarvizsgálat a padlózaton és az oldalfalakon. Az alépítmény területét (2.ábra) praktikus okokból több, kisebb objektumokra osztottuk fel. Az 1.objektum a lépcsőlejárat oldalfala, az 2. objektum az aluljáró padlózatának egy része, a 3. objektum a két, mozgáskorlátozottak közlekedését segítő liftek közötti falszakasz. A radarméréseknél használt antenna frekvenciák: 900 MHz, 1500MHz és 2600 MHz 1.objektum 2.objektum 3.objektum liftakna lif takna 2. ábra. Az aluljáró helyszínrajza Elsőként, az 1.objektumon vettünk fel, egymástól párhuzamosan 20-cm-es távolságra futó 900MHz-es radarszelvények. Ezek eredményei azt mutatták, hogy padlótól számított 1.1 m és 1,9 m-es magasságok közötti falszakasz 20 30 cm mélységben nedves. A radarszelvényeken ez a jelenség megnyúlt amplitúdójú hullámokként jelentkezett. A lépcsőfeljáróhoz közeli részen, egy a többitől eltérő anomáliát rögzítettünk, mely mindegyik szelvényen megfigyelhető. Az anomália jellegét tekintve, üreggyanús, feltárandó területként
lett megjelölve. A radarméréseket igazolandó feltárás közben, mintegy 30 35 cm-es mélységben egy üreg volt található. Annak felderítésére, hogy a kétrétegű betonvasalat előírásszerűen lett-e beépítve, egy 0,60 x 0,60 m-es falfelületet, 2600 MHz-es radarral is megkutattunk. Itt a szelvények egymástól 0,02 m távolságra voltak, mind függőleges, mind vízszintes irányban. Az ilyen egymáshoz közel rögzített, nagyfelbontású mérés egy kvázi 3D-s kiértékelésre ad lehetőséget. Az eredményeken jól kivehető mindkét betonvasháló megléte (3.ábra). Mélység [m] 3. ábra. A beépített betonvasak Másodikként, az 2. objektumon található repedés okának felderítése volt a cél. A padlózat építési terveit figyelembe véve 900 MHz-es antenna frekvenciát választottunk a kellő mélység eléréséhez, feltételezve, hogy nem felszínközeli problémával állunk szemben. A radarszelvényeket itt is 20 cm-es távolságra vettük fel egymástól, mely kellő felbontást biztosított. Az eredményeken jól látszik (4. ábra), hogy a felvétel első 0,8 m-én érzékelt betonvasalat elmozdult a mögötte látható vasalathoz képest, vagy ha több fázisban kerültek beépítésre, akkor nem megfelelő módon lett összekötve a két elem. 4. ábra. A 2.objektum eredményszelvénye
Harmadik terület a 3.objektum. A két felvonó közötti szakasz 12 méter hosszú, és 6 darab elektromos szerelődoboz található rajta 2 m-es magasságban. Az itt alkalmazott 1500 MHz-es radarantennát a felszínközeli nagy felbontóképessége, a 900 MHz-es antennát pedig a mélyebben fekvő hibák felderítése miatt választottuk. Az 1500 MHz-es felvételen (5. ábra) jól látható, hogy a felszínen elhelyezett (kék nyíllal jelölt) fém szerelődobozokról miként reflektálódnak a radarhullámok, valamint azok környezetében vizesedésre utaló hullámfázisok vehetők észre. Hasonló jelenség figyelhető meg az azonos vonalon készült 900MHz-es felvételen is. A radarszelvényezések ideje alatt is gyenge vízfolyás volt megfigyelhető a szerelődobozokból, de a 900 MHz-es felvételek is tükrözik, hogy ennek oka mélyebben, a falban keresendők. 5. ábra. A 3.objektum eredményszelvényei 1500 MHz (fent) 900MHz (lent) Soproni tűztorony injektálás előtt és után A kutatás célja az volt, hogy a roncsolásmentes vizsgálatokkal feltárjuk a szerkezet belsejében rejlő hibahelyeket. A mérések kivitelezése több fázisban történt. Elsőként a torony falainak injektálását megelőzően, a tervezéshez nyújtott segítség céljából, majd azt követően, a beinjektált anyag ellenőrzése volt a fő feladat. Az első mérési sorozat során a 400 MHz-es antennával készített felvételek teljes hossza 400 m, a 900MHz-es antennával készült felvételeké 773 m, összesen 1175 m volt. A második mérési sorozat során a 400 MHz-es antennával 434 m, a 900MHz-essel 122 m, összesen 556 m-nyi felvétel készült. Ezzel a radar mérések teljes hossza együttesen 1731 m volt. Az értékeléshez a radarfelvételeket különböző jelkiemelő és zajelnyomó eljárásokkal egyenként feldolgoztuk, majd az egymás melletti felvételekből a mérési síkkal párhuzamos mélységmetszeteket készítettünk. A homogén, a radarhullám szempontjából hasonlóan viselkedő térrészek a regisztrátumon nem emelkednek ki a környezetükből. Ellentétben a foltokban megjelenő zavart radar reflexióktól, amelyek egyfajta leképezései a vizsgált mélységben előforduló anyag állapotoknak. Ezeket a fal belsejében jól reflektáló területeket piros keretezéssel határoltuk el a bemutatott ábrákon. A jól reflektál azt jelenti, hogy itt a fal pórustérfogata nagy, fugái kitöltetlenek, vagy a beépített elem töredezett, magyarul relatíve nagy levegőtartalommal bír. A következőkben megvizsgáljuk a falrészek repedezettségét és azt, hogy az injektálással ezt hogyan sikerült eltüntetni. Ezt mutatjuk be néhány mélységszelvényen.
A tűztorony boltíves belső falában (6. ábra), kb. 1,2 m-es mélységben állt össze két, egymástól mindkét felvételen különálló reflexiós folt Ez a Városháza felőli oldalon határozottan elkülönül a környezetétől, a boltív és a Múzeum felőli oldal találkozásánál különösen a 400 MHz-es metszeten ugyan kissé elkenődve, de felismerhető. Az injektálás után ez az utóbbi, a kisebb anomália eltűnt, a Városháza felőli oldalon lévő nagy anomália jelentősen kisimult, de még maradhattak kisebb levegővel telített térrészek. A radarkép és az injektálás eredményeinek összehasonlításából a leginkább szembetűnő, hogy a boltív tetején lévő anomália is kisimult, pedig közvetlenül nem injektálták ezt a területet. Nyilvánvaló, hogy az injektáló anyag a területtel határos furatokból áramolhatott ide. A múzeum felé eső oldalon injektálás előtt látható reflexiós kép, csupán a 400 MHz-es szelvényen jelezte elmosódottan, hogy itt is vannak levegővel telített térrészek. Az injektált mennyiségek ezt igazolták vissza. A 400 MHz-es eredmények hullámhosszuknál fogva egy nagyobb térrészre vonatkozó repedezettséggel arányos értéket mutatnak, ezért az injektálás után jórészt már csak 400 MHz-es felvételek készültek. (Az injektálás utáni kép alsó sarkában látható anomáliák külső hatók okozta zavarok, ezért ott megmaradt a zavart állapot.) 6. ábra. Töredezett zónák megjelenése a belső falon 1,2 m-es mélységben. az első képen 900 MHz, a másik kettőn 400 MHz-es felvételekből készített metszetek A 7. ábra az előkapu falán mért szelvényeket mutatja, melyen a falak, a belső falhoz képest kevésbé repedezettek. A 400 MHz-es felvételen a Városháza felől két anomália van, a boltív feletti és a terasz feletti falrészek jobb oldalai és az aljai jellemzően repedezettek. Ezekre általánosan elmondható, hogy a teljes előkapui területen a legnagyobb injektált mennyiségek ott jelentkeztek, ahol a radarmérésekből is a relatíve nagyobb repedezettséget vártuk. Ezeken kívül csupán lokális jelenségek vannak, ahol egy-egy furatban a környezetétől eltérően kicsit nagyobb volumenű injektálási mennyiségek voltak. A teljes előkapu részre elmondható, hogy az injektálás utáni radarkép (7. ábra jobb oldala) kisimult, kevésbé kontrasztos képet mutat, mint injektálás előtt. Itt kell megjegyezni, hogy a még
megmaradó anomáliák egy részének nem tudjuk az eredetét. Ilyet látunk elvétve a kapu feletti falrészben a bal és a jobb felső sarkokban. Az előre jelzett anomália ellenére az injektáláskor minimális anyagot lehetett a falba bejuttatni. Ezek kivételek. A többségében megmaradó szürke foltok, radarreflexiók ugyan, de ezek az injektáló anyaggal kitöltött fal belső szerkezetéből jönnek, amelyek a levegős kitöltéshez képpest jóval kisebb kontrasztot mutatnak. 7. ábra. Az előkapu falán készült 400 MHz-es radarfelvételek metszetei 1.2 m-es mélységben, injektálás előtt (balra) és injektálás után (jobbra) A múzeum felőli külső oldal teljesen vizsgált felülete több falrészből tevődik össze, úgymint a Terasz 1. szint, Terasz földszint és a Múzeum lépcsőházának fala. Az injektálás előtti szelvények 900 MHz-es és 400 MHz-es antennával mérve is ugyanazt az eredményt hozták, amin szembetűnő, hogy a repedezett térrészek jól elkülönültek a többitől (8. ábra). Az ezeket a repedéseket okozó reflexiókra sajnos ráült a betonfödém hatása,amit a mérés és feldolgozás során kiküszöbölni nem lehetett. 8. ábra. A múzeum felőli fal injektálás előtti radarkép metszetei 1,2 m-es mélységben (balra 900 MHz, jobbra 400 MHz-es eredmények) Az injektálás utáni felmérést mindkét antennával elvégeztük, csupán a terasz alatti részt nem mértük meg a 900 MHz-es antennával. Az injektálási eredmények ugyan nem álltak rendelkezésünkre az értékeléskor, de a 9. ábra tanúsága szerint a határozott nagy reflexiók elsimultak, a benne maradó további reflexiók elsősorban a betonfödém (terasz oldalon), vagy villanyvezeték (lépcsőházi falon) hatását mutatják.
9. ábra. A múzeum felőli fal injektálás utáni radarkép metszetei 1,2 m-es mélységben (balra 900 MHz-es, jobbra 400 MHz-es eredménynek) A soproni Tűztorony megerősítése során végzett roncsolásmentes radarvizsgálatokkal ki lehetett mutatni az összeálló (nem csak lokálisan jelentkező) nagy hézagtérfogtú térrészeket, amelyek relatíve nagy levegő tartalmuk miatt nagyobb amplitúdójú reflexiókkal jelentkeztek. Az injektálás után ezek a repedezett -nek nevezett zónák kisimultak, azaz a levegő helyett a teret egy kevésbé jól reflektáló anyag töltötte ki. Az injektálás jósága ezzel a módszerrel ugyan nem mérhető, de ott, ahol a mérés zavaró körülményeivel nem kellett számolni, a repedezett térrész reflektivitása jelentősen csökkent az injektálás után Az injektáló anyag nem csak a repedezett zónákban, hanem a radarmérések által elkülönülten nem jelentkező munkahézagokba, fugákba, esetleges törésekbe is benyomulhatott. A radarvizsgálatok eredményei és a beinjektált anyag mennyisége között szoros a korreláció még akkor is, ha tudjuk, a bemutatott ábrák, kétdimenziós szelvények, és csupán egy jellemző szeletei az adott fal állapotának és a repedezettség, viszont az injektáló anyag terjedése a falban nem síkbeli jelenség. A radarmérések hatékonysága úgy növelhető hasonló esetekben, ha felhasználják az injektálás előtti eredményeket az injektálás tervezéséhez, annak optimális kivitelezéséhez. Esetünkben a próbainjektálást a radarméréssel utólag igazoltuk.
Padlófűtés csővezetékeinek kutatása A 2010-es év rendkívül csapadékos időszak eredményeként sok olyan esettel találkozhattunk, ahol a talajvíz jelentős megváltozása miatt épületek falai dőltek le, talapzatuk süllyedt meg. A soron következő esettanulmány is egy ilyen épület padlózatának süllyedése okán kerül bemutatásra. A kutatási terület 10. ábra mutatja be, mely egy diszkontáruház pihenőhelyiségének előtere (PVC burkolatú), fürdője és mellékhelyisége (kerámia burkolatú). A vizsgálat célja, a szociális helyiségek padlózatába lefektetett padlófűtés csővezetékeinek pontos meghatározása, a padlózat stabilizálását szolgáló injektálási pontok kitűzése. P1 P2 10. ábra. Helyszínrajz,kutatási területek (balra) és a megsüllyedt padló (jobbra) Az alkalmazott radarfrekvencia 2600 MHz. Mivel a fűtéscsövek kis mélységben helyezkednek el a burkolat alatt, és helyük pontos meghatározása döntő fontosságú, ezért több, 0,60 x 0,60 m-es területeken, egy hálózat mentén egymástól 0.02 m-re vettük fel a szelvényeket. Az ilyen nagysűrűségű mérés előnye, hogy a szelvények 3 dimenziós képpé való transzformálása után, síkmetszeteket tudunk készíteni. A fűtéscsövek fektetési rendjéről többfajta megoldás is olvasható a szakirodalomban. A mérések kivitelezésekor és kiértékelésekor nem kaptunk tájékoztatást, az itt alkalmazott rendszerről, így okunk volt feltételezni a számunkra legelőnytelenebb rendszert, mikor a ponthegesztett acélháló alá fektetnek műanyag bevonatos rézcsövet. Mivel a mágneses hullámok a fémfelületről nagyon erős reflexióval érkeznek vissza, ezért az alattuk található térrészt teljesen kitakarják, leárnyékolják. Ebben az esetben fűtéscsövek kimutathatóságának esélye nagyságrendekkel csökken érthető okokból. A 11. ábrán látható eredményeken jól láthatók a fűtéscsövek (piros nyíllal jelölve) és az alattuk található acélháló (kék nyíllal jelölve). 11. ábra. P1-ös (balra) és P2-es (jobbra) mérések eredményei
Szelemen gerendák feszítőpászmáinak vizsgálata Egy gyárcsarnok bővítésekor leszállított vasbeton szelemenek átvételekor a betonszerkezetek hiányosságát észlelték. A betongerendák homogén szerkezetének ellenőrzésére roncsolásmentes, Schmidt-kalapácsos méréseket végeztek, ami további hibahelyek meglétét mutatta. A nagyfrekvenciás radarmérések a gerendában elhelyezett feszítőpászmákat (12. ábra) körülvevő beton minőségének ellenőrzésére irányultak. Amennyiben a beton nem lett megfelelően bedolgozva, akkor feszítőpászmák nem töltik be a szerepüket. 12. ábra. A gerendákban elhelyezett feszítőpászmák (balra pászmakép, jobbra beépített pászmák) A szelemenek végeinek utolsó 1,5 méterét mértük meg úgy, hogy mindenütt öt szelvényt vettünk fel a szelemenek alkotójában, párhuzamosan a gerenda éleivel. Az öt szelvényből 2-2-t az oldalán, egyet az alján. Az eszköz fizikai szélessége ~12 cm, azaz mivel a radar maga alá, vagy mögé lát, ezért négy esetben vízszintes szeletét adják a megfigyelt térrésznek, egy esetben az alján, egy függőlegesen felfelé irányuló metszettel van dolgunk. Esetünkben, a betonban lévő anyagokat tekintve a betonvasak és a levegővel töltött üregek (fészkesedések) reflektálnak, azaz ezeket látjuk jól illetve ismerjük fel a regisztrátumokon, mert ezekneknek az anyagoknak az elektromágneses paraméterei térnek el leginkább a betonétól. A legjellegzetesebb kép, ha a betonvasak merőlegesek a mérési vonalra (esetünkben a kengyelek), akkor azok lefelé fordított hiperbolaként ismerhetők fel (13. ábra). 13. ábra. Mintaszelvény a szelemen oldaláról (megfelelő betonfedés, szabályosan elhelyezett kengyelek) A hiperbola csúcspontja a betonvas teteje. Ez alapján lehet megmondani a betonfedés vastagságát. Ha nem látszik jól a csúcs, mert túl kicsi a betonfedés, jelkiemelő eljárásokkal felismerhetővé lehet tenni. Ha túl mélyen van a betonvas, (pl. a szelemen másik oldalán lévő vasak esetében)akkor már csak nagyon kevéssé látszik, mert a radarhullám energiája erősen lecsökken az oda-vissza úti közegben. A radarméréssel párhuzamos betonvasak egy-egy fekete/fehér csík -ként látszanak. Persze a mérés természetéből fakad, hogy a közeli elváltozásokat jobban látja a radar, ugyanakkor itt az adóból a vevőbe tartó közvetlen hullám és a közeli párhuzamos betonvas képe
interferál egymással, ezért nem mindig egyértelmű a felismerése. A sűrű vasalást (különösen a szelvényekkel párhuzamos, mélyebben lévőt) nem lehet egyértelműen bejelölni, a már elmondottak miatt, vagy mert leárnyékolja az előtte lévő jó kontrasztú betonvas. A levegő, mint határozott, erős kontraszt anyag azonban, ha a mérete eléri esetünkben a kb. 1-1,5 cm-t, mint a 2,6 GHz-es radar felbontóképességét, akkor nyomot hagy a regisztrátumon. Ezeket a kifehéredett részeket (sárga szaggatott körrel) jelöltük fészkesedésnek (14.ábra). 14. ábra. Mintaszelvény a betonhiányos helyekről Sajnos azonban a kifehéredést, annak mértékét, (különösen ha kisebb, mint a fent megnevezett érték) még ha az összefüggő is, az üregesedés mértékét nem tudjuk becsülni. Megakadályoz bennünket ebben a sűrű vasalás kiosztás, az hogy egy szelvény, egy az eszköz fizikai szélességén belül jövő reflexiókat integrálja, azaz az üregesedési hatásokat is integráltan látjuk. Általánosságban mondható, hogy nagyobb, összefüggő üregesedést egyik vizsgált elemen sem találtunk és a beton homogenitása átlagosnak volt tekinthető.