Monitoring trhlín diaľničnej estakády
Monitoring či inak priebežné sledovanie technického stavu objektu predstavuje dôležitý doplnok k vizuálnym prehliadkam, ktoré sa uskutočňujú na základe § 8 vyhlášky Ministerstva dopravy a spojov č. 104/1997 Zb.
Poskytuje výhody získania informácií o objekte v reálnom čase a umožňuje ihneď odhaliť začínajúce zmeny technického stavu alebo negatívne pôsobenie vonkajších síl. Pomocou následného včasného zásahu tak možno odvrátiť nebezpečenstvo vzniku väčších porúch, ktorých odstránenie je ekonomicky omnoho náročnejšie ako priebežná údržba.
Väčšie opravy môžu viesť dokonca k zastaveniu prevádzky, čo je skutočne nežiaduce. Monitoring mostov a estakád ako základných objektov vnútroštátnych komunikácií trvalo zaisťujúcich dopravné spojenie medzi inak nedostupnými lokáciami je v tomto kontexte mimoriadne dôležitý.
Spoločnosť INSET s. r. o. od roku 2012 dlhodobo sleduje zmeny statických a dynamických parametrov na ľavom moste diaľničnej estakády na D8. V roku 2020 tu boli nainštalované monitorovacie linky na meranie pohybu trhlín nosnej konštrukcie na oboch mostoch. Monitoring sa začal uskutočňovať (a doposiaľ sa uskutočňuje) v nasledujúcich fázach:
- rozhodnutie o uskutočnení monitoringu: 04/2020
- inštalácia meracieho zariadenia a jeho napojenie na softvér: 09 – 11/2020
- samotné sledovanie: 11/2020 – súčasnosť (v čase napísania článku, t. j. 04/2023)
- rozhodnutie o ukončení monitoringu a odinštalovanie meracieho zariadenia: (monitoring zatiaľ pokračuje).
Monitoring mostov je vhodné uskutočňovať v prípade potreby a doplniť ním bežne uskutočňované prehliadky o meranie niektorých parametrov. V prípade tejto estakády je to z dôvodu vzniku závažných trhlín krátko po výstavbe. Veľkú rolu hrá aj veľkosť objektu a možnosť okamžitého sledovania akýchkoľvek zmien technického stavu.
Opis monitorovaného objektu
Diaľničná estakáda pozostáva z dvoch paralelných mostov tvorených jednokomorovými predpätými spojitými nosníkmi s vyloženými konzolami (obr. 1). Ľavý a pravý most sú navrhnuté v pôdorysnom oblúku. Predmetom monitoringu je v súčasnosti ľavý a pravý most.
Spodná stavba mosta pozostáva zo samostatných železobetónových monolitických krajných opôr s rovnobežnými krídlami, budovaných na cca 6 m vysokom medzinásype a z pilierov s rozšírenou hlavou. Založenie mosta je hlbinné na sústave vŕtaných veľkopriemerových pilót.
Nosná konštrukcia mostov je navrhnutá ako spojitá komorová segmentová prefabrikovaná konštrukcia z predpätého betónu s rozpätím polí 36 + 8 × 48 + 36 m (dĺžka nosnej konštrukcie je 458 m) pre ľavý most a 36 + 10 × 48 + 36 m (dĺžka nosnej konštrukcie je 554 m) pre pravý most. Z hľadiska smerového a výškového riešenia sleduje os mosta vedenie diaľnice v mieste stavby.
Mosty sú zhotovené v ľavostranných smerových oblúkoch (Rmin = 986,5 m) s medziľahlou prechodnicou. Výška nosnej konštrukcie je v celej dĺžke mostov konštantná, a to 2,7 m. Technológiou výstavby je letmá betonáž symetrických vahadiel zo segmentov s konštantnými škárami s epoxidovým tmelom. Betón nosnej konštrukcie je C35/45 – XF2. Na montáž segmentov bol použitý montážny súbor MS6.
Dôvody začiatku monitoringu
Výstavba estakády prebiehala v rokoch 2010 – 2016. V tomto období a krátko po dokončení nosnej konštrukcie sa na nej objavilo veľké množstvo trhlín. Spevnenie nosnej konštrukcie nad podpornými segmentmi bolo uskutočnené už v priebehu výstavby a v roku 2015 bola realizovaná pasportizácia existujúcich trhlín.
Vzhľadom na výskyt trhlín ešte pred uvedením estakády do prevádzky v roku 2016 (predovšetkým v oblasti tretích segmentov pri podperách) bolo pri hlavnej prehliadke rozhodnuté o uskutočnení posudzovania týchto trhlín a ich sanácii pred záťažovou skúškou. Pri záťažovej skúške nebol zaznamenaný žiadny pohyb trhlín. Pri ďalšej pasportizácii trhlín realizovanej v roku 2019 sa zistilo, že v porovnaní s rokom 2015 sa počet trhlín výrazne zvýšil, avšak nedošlo k výraznej zmene existujúcich trhlín.
Statické výpočty, ktorých cieľom bolo overiť bezpečnosť konštrukcie a zistiť príčiny vzniku trhlín a ktoré boli následne realizované, ukázali, že trhliny neovplyvňujú nosnosť konštrukcie a prevádzka na mostoch je úplne bezpečná. Na zaistenie dlhodobej životnosti nosnej konštrukcie však bolo v roku 2020 rozhodnuté o realizácii silovej injektáže trhlín s veľkosťou >0,2 mm a o monitoringu najvýznamnejších trhlín pomocou snímačov.
Trhliny určené na sledovanie
Pravdepodobnými príčinami vzniku trhlín je pôsobenie nepredvídateľných fyzikálnych síl a tiež dlhý čas výstavby, pri ktorom rozpracovanú stavbu ovplyvňovali nepriaznivé klimatické podmienky. Viac bol postihnutý ľavý most, kde bolo stále zaťaženie aktivované až šesť rokov po dokončení nosnej konštrukcie.
Konkrétne trhliny na dlhodobé sledovanie boli vytipované a následne osadené snímačmi. Osadené a merané sú trhliny tak na vnútornom, ako aj na vonkajšom povrchu predmetných segmentov. Pred inštaláciou snímačov bola uskutočnená sanácia širších trhlín.
V každom prípade sa rozhodlo aj o sledovaní menších trhlín s cieľom ich možnej budúcej sanácie v prípade výraznejších pohybov. Preto boli z hľadiska možnej budúcej sanácie nosnej konštrukcie zabezpečené snímačmi nielen širšie trhliny určené na injektáž, ale aj menej otvorené trhliny bez injektáže.
S inštaláciami na trhlinách sa začalo na ľavom moste v septembri 2020, na pravom moste od novembra 2020. Stabilné meranie prebieha na ľavom moste od novembra 2020, na pravom od decembra 2020. Na oboch mostoch sa s meraním začalo až po sanácii trhlín. Celkovo bolo na oboch mostoch osadených 138 snímačov na 36 trhlinách, z ktorých je 92 snímačov na 24 trhlinách na ľavom moste a 46 snímačov na 12 trhlinách na pravom moste.
Metodika merania
Trhliny na všetkých meracích miestach boli osadené metodicky zhodne štyrmi snímačmi trate, pričom jedna dvojica snímačov je určená na priame meranie pohybu na danej trhline, druhá dvojica snímačov slúži na kompenzáciu všetkých vplyvov, ktoré v danom mieste pôsobia na predchádzajúcu dvojicu snímačov. Všetky inštalované snímače prekonávajú základňu 300 mm a sú v okolí trhliny upevnené tak, aby toto upevnenie na betón nespôsobilo akékoľvek poškodenie v okolí sledovanej trhliny (obr. 2 a 3).
Primárna sústava meria rozstup a posun na danej trhline, t. j. jeden snímač je umiestnený kolmo na priebeh trhliny v danom mieste na indikáciu rozstupu, druhý snímač je uchytený na oboch stranách trhliny pod čo najmenším uhlom k trajektórii tak, aby snímal posun na trhline. Hodnoty merané na týchto snímačoch zahrňujú tak pohyb na trhline, ako aj zmenu materiálu na základni 300 mm, ktoré vznikajú v dôsledku radu okamžitých, ale aj dlhodobých vplyvov, t. j. predovšetkým vplyvov permanentných nestacionárnych teplotných polí (denný cyklus, ročný cyklus), dotvarovania, zmien stavu napnutia atď.
Tieto vplyvy sú v každom meracom mieste podľa polohy na konštrukcii rozdielne, a preto je potrebné ich v každom mieste kompenzovať, teda oddeliť od samotného pohybu na trhline. Na to je určená sekundárna (kompenzačná) sústava snímačov.
Pri inštalácii sekundárnej dvojice treba dodržať štyri hlavné pravidlá. Oba kompenzačné snímače musia byť umiestnené mimo akejkoľvek trhliny (musia byť teda po celej dĺžke základne nad „zdravým“ betónom) (1), musia prechádzať rovnobežne s primárnymi snímačmi (jeden rovnomerne so snímačom rozstupu, druhý so snímačom pohybu na trhline) (2), musia byť umiestnené čo najbližšie k týmto snímačom (3) a ich upevnenie na betón nesmie spôsobiť akékoľvek poškodenie tak v okolí sledovanej trhliny, ako ani v upevnení vlastných primárnych snímačov (4).
Z opísanej konfigurácie primárnych a sekundárnych snímačov je zrejmé, že „čistý“ pohyb na trhline v akomkoľvek okamihu v každom z oboch snímaných smerov dostaneme jednoduchým odčítaním signálov meraných na korešpondujúcich primárnych a sekundárnych snímačoch. Okrem záznamov na všetkých štyroch snímačoch v daných meracích miestach je preto zároveň zaznamenávaný a vyhodnocovaný aj rozdielový signál pri oboch dvojiciach navzájom rovnobežne umiestnených snímačov.
Princíp plnej lokálnej kompenzácie vedľajších (parazitných) vplyvov na všetkých meracích miestach a smeroch de facto nevyžaduje meranie teploty nosnej konštrukcie v týchto miestach. Vzhľadom na výrazný a dominantný vplyv teploty na uskutočňované merania je však dôležité mať prehľad o priebehu teplôt vzduchu aj konštrukčného materiálu na osadených segmentoch. Preto je na ľavom i pravom moste osadený rad teplomerov – vždy je orientačne meraná teplota vzduchu na každom z oboch mostov a teplota konštrukčného materiálu na osadených segmentoch. Inštalácia teplomerov je vždy realizovaná do plytkého utesneného vrtu.
Primárne i sekundárne snímače sú rovnakého typu INSET SP_1_300_C, ide o originálny výrobok spoločnosti INSET s. r. o. Na meranie teploty vzduchu a materiálu hlavnej nosnej konštrukcie sú použité teplomery RAWET P10.
Použité snímače premeny a teplôt sú kalibrované v laboratóriu TZ INSET CZ, ktoré spĺňa požiadavky Českého inštitútu pre akreditáciu na externé kalibračné laboratóriá akreditované podľa normy ČSN EN ISO/IEC 17025.
Prenos dát je zaistený pomocou meracieho počítača a špeciálneho softvéru Miner. Konštrukcia tejto meracej linky umožňuje interval merania od 1x za 30 s až po 1x za mesiac. Dáta sú prijaté do radu správ v cloude (interné servery INSET-u) a následne uložené do databázy primárnych dát. Odtiaľ sú prenášané do publikačnej aplikácie Sahure.
Zákaznícky portál tejto aplikácie je prístupný prostredníctvom klientskeho webového rozhrania. Pri náhlych zmenách hodnôt alebo pri zastavení merania z dôvodu výpadku prúdu sa odosiela upozornenie na mail správcovi merania.
Etapy merania
V priebehu monitoringu bola zistená trvalá zmena stavu niektorých trhlín nezávislá od teplotných podmienok. Preto bolo s cieľom zvýšenia bezpečnosti proti ďalšiemu rozvoju trhlín v segmentoch mostov v roku 2022 rozhodnuté o zosilnení nosnej konštrukcie a pokračovaní monitoringu po zásahu. Uskutočňovaný monitoring možno rozdeliť na dve etapy – pred zosilnením nosnej konštrukcie mostov a po ňom.
Zosilnenie nosnej konštrukcie bolo realizované v komorách ľavého i pravého mosta pomocou dodatočne osadených voľných káblov. Samotné napínanie voľných káblov prebehlo najprv na ľavom a potom na pravom moste v decembri 2022.
Výsledky merania
Všetky výsledky merania boli priebežne aktualizované a ukladané do databázy spoločnosti INSET s. r. o. a boli vždy prístupné online. Výsledky boli tiež pravidelne odosielané na mail poverených pracovníkov, ktorí mali možnosť okamžite zistiť stav trhlín alebo výpadok prevádzky meracej linky.
V priebehu monitoringu sa zistilo, že stav trhlín sa menil tak v závislosti od teplotných zmien (deň/noc, zima/leto), ako aj náhle, a to z neznámych dôvodov, pritom mohlo dôjsť k rozstupu alebo uzatváraniu iba pri vybraných trhlinách. Vo všeobecnosti možno povedať, že zmeny najčastejšie nastávali v dôsledku stúpania teploty v priebehu dňa (väčšie, pokiaľ bolo jasno) a klesanie v noci, aj tieto zmeny však boli závislé od smeru trhliny, t. j. nešlo o rovnakú zmenu pri všetkých trhlinách. Preto nie je možné správanie všetkých trhlín systematizovať, pôvodne bola každá trhlina zmeraná a opísaná zvlášť.
Výsledky merania za sledované obdobie na trhlinách na ľavom a pravom moste boli prezentované vo forme grafov. Na grafe na obr. 4 je jasné správanie jednej z trhlín, ktorá vykazovala za celé obdobie merania „priemerné“ hodnoty pohybu.
Väčšina trhlín vykazovala zjavný skok v nameraných hodnotách hneď po realizácii zosilnenia. Došlo tak k uzavretiu (ide o tisíciny mm), ako aj k pohybu na trhlinách. Evidentnou príčinou tohto pohybu pri ustálených teplotách bolo napínanie voľných káblov.
Na ilustráciu správania trhlín v priebehu realizácie zosilnenia dodatočne osadenými voľnými káblami sú vo forme grafu uvedené výsledky merania charakteristickej trhliny za sedemdňové obdobie v decembri 2022 (obr. 5). Graf predstavuje „čisté“ (kompenzované) hodnoty rozstupu (modrou) a strihu (žltou) a tiež príslušné teploty vzduchu a konštrukcie (vzduch červenou a konštrukcia zelenou). Obdobne ako pri väčšine ostatných trhlín došlo po zosilnení nosnej konštrukcie k čiastočnému uzatváraniu trhliny.
Záver
Sledovanie pohybu trhlín ukázalo, že správanie konštrukcie estakády je omnoho zložitejšie, ako sa dalo očakávať. Niekde boli príčiny zmien v rozstupe (buď kladné, alebo záporné) jasné a predvídateľné, v iných prípadoch sa konštrukcia správala inak, ako sa predpokladalo, dokonca i opačne. Vzhľadom na veľkosť objektov, ako je predmetná estakáda, je prognózovanie pôsobenia všetkých vnútorných síl pomerne komplikované, čo uskutočnený monitoring trhlín veľmi dobre potvrdzuje.
Čo sa týka správania konštrukcie po aplikovanom zosilnení, možno na základe prezentovaných údajov konštatovať, že po realizácii napínania voľných káblov prišlo na väčšine meraných trhlín tak k uzatvoreniu (ide o tisíciny mm), ako aj k pohybu trhlín. Avšak pri porovnaní rozkmitu trhlín (rozkmitom sa myslí maximálna dosiahnutá mínus minimálna dosiahnutá hodnota) možno konštatovať, že nedošlo k dlhodobej stabilizácii trhlín – hodnoty rozkmitu pred a po napínaní sú veľmi podobné a v niektorých prípadoch dochádza i k nárastu, čo zodpovedá zmenám napnutia v konštrukcii vplyvom teplôt.
Odhliadnuc od zosilnenia nosnej konštrukcie je potrebné ako priebežné zhrnutie výsledkov monitoringu konštatovať, že mostný objekt stále vyžaduje sledovanie pohybu trhlín. Vzhľadom na správanie trhlín ich stále nemožno považovať za stabilizované a vzhľadom na krátky čas, ktorý uplynul od samotného zosilnenia, je veľmi obťažné predpovedať rozvoj trhlín v budúcnosti. Vzhľadom na závažnosť trhlín a predpokladaný ďalší vývoj bolo spoločnosťou INSET s. r. o. odporučené pokračovať v meraní.
Mosty tvoria dôležitú časť infraštruktúry a je potrebné zachovať ich prevádzkyschopné po celý čas ich životnosti. Súčasťou sledovania stavebného stavu mostov je okrem prehliadok a údržby aj monitoring vybraných porúch. Dlhodobý monitoring poskytuje možnosť okamžitého sledovania akýchkoľvek zmien technického stavu mosta, možnosť okamžitej reakcie na prípadné zmeny a zaistenie bezpečnej prevádzky.
Text: Ing. Andrey Rebrov,
Ing. Petra Chlopčíková, Ing. Jiří Košťál, Ph.D.
Foto: INSET s. r. o.
Andrey Rebrov pracuje v spoločnosti INSET s. r. o. ako diagnostik stavebných konštrukcií. Petra Chlopčíková je vedúca strediska stavebnej diagnostiky INSET s. r. o. Jiří Košťál je riaditeľ divízie Energetika tejto spoločnosti.
