Monitoring sily v zemných kotvách pomocou dynamometrov DYNAMAG

Počas realizácie stavebných konštrukcií je potrebné nainštalovať meracie body a monitorovacie zariadenia na konštrukciu alebo do konštrukcie tak, aby bolo možné už počas výstavby diela sledovať odchýlky fyzikálnych parametrov od projektovaného predpokladu a následne je možné realizovať aj dlhodobý monitoring stavby. Dodatočné inštalácie snímačov už nemusia spĺňať požadovanú kvalitu monitoringu.

Kvalita monitoringu stúpa, ak možno použiť viac meracích metód a vykonávať meranie v rovnakom čase a za rovnakých podmienok. Vtedy možno hľadať aj príčinu prípadnej zmeny, resp. problému. Pri objektoch ako napríklad oporné a zárubné múry, kde sú použité zemné lanové kotvy, sa na sledovanie mechanického napätia, resp. sily v kotvách, používajú najmä dynamometre. Aby bolo možné zistiť prípadné posuny či poklesy stavebného objektu alebo problém v šmykovej oblasti, treba popri sile v kotvách realizovať aj geodetické, prípadne inklinometrické meranie.
Parametre dynamometrov a ich fyzikálny princíp sa odlišujú v závislosti od výrobcu a vhodnosti použitia na stavbe. Jednou z mož­ností je použitie dynamometra DYNAMAG.

Vlastnosti dynamometra DYNAMAG
DYNAMAG (obr. 1) je bezkontaktný magnetoelastický dynamometer, primárne určený na meranie mechanických napätí a síl v nízkouhlíkových oceliach, ktoré sa používajú ako nosné prvky predpätých železobetónových konštrukcií. Prístroj využíva na svoju činnosť magnetoelastický jav, t. j. zmenu magnetických vlastností feromagnetického materiálu v dôsledku sily, ktorá na neho pôsobí. Meranie sa realizuje pomocou magnetoelastického snímača v tvare dutého valca, cez ktorý prechádza meraný feromagnetický materiál. Veľkosť snímača závisí od počtu lán v zemnej kotve, resp. vonkajšieho priemeru chráničky na kotve.

Obr. 1  Magnetoelastické snímače DYNAMAG

Samotný snímač tvoria primárne (magnetizujúce) a sekundárne (snímacie) vinutia uložené v ochrannom kryte a zaliate izolačným materiálom. Snímač nie je v mechanickom kontakte s meraným prvkom, nemožno ho preto preťažiť, je odolný proti vode a mechanickému poškodeniu, jeho vlastnosti sa časom nemenia a má prakticky neohraničenú životnosť.

Kalibrácia snímača spočíva v priradení sily pri predpínaní kotvy z kalibrovaného predpínacieho zariadenia k relatívnej permeabilite materiálu. Proces kalibrácie snímača sa ukončí pri dosiahnutí najvyššej hodnoty sily v rámci napínacieho procesu, tzn. pred uvoľnením predpínacieho zariadenia. Sila sa po zakotvení (uvoľnení predpínacieho zariadenia) určuje na základe inverznej kalibrácie (závislosť mechanického napätia od relatívnej permeability) a ukazuje reálne straty napätia po zakotvení. Straty súvisia aj s dotlačením kotevnej objímky a kotevných čeľustí (po nemecky Keilen, po anglicky Wedges, kedysi sa používal výraz kolíčky) na roznášaciu dosku a s mechanickou deformáciou celej kotevnej oblasti, roznášacej dosky a betónu.

Inštalácia snímača
Inštalácia snímača sa realizuje pred predpínaním kotvy. Snímač možno nasunúť na káblový kanálik (obr. 2), ktorý slúži ako protikorózna ochrana zemnej kotvy ešte pred vložením kotvy do vývrtu alebo aj po zainjektovaní kotvy. V prípade atypickej kotvy možno snímač navinúť priamo na chráničku, čo znamená, že sa snímač prispôsobí parametrom kotvy. Po predopnutí kotvy je inštalácia hociktorého dynamometra nemožná.

Obr. 2  Nasunutie snímača na zemnú kotvu

Okolité prostredie, ako tlaková voda, agresívne horninové prostredie či betón, nie je prekážkou (obr. 3). Snímač nijakým spôsobom neznižuje kvalitu zemnej kotvy, nepoškodzuje protikoróznu ochranu ani nezasahuje do kotevného systému.

Obr. 3  Inštalácia dynamometrov na protikoróznu ochranu kotvy

Pri inštalácii prstencových dynamometrov je dôležitá kvalita (čistota a rovnosť) dosadacích plôch. V určitých prípadoch sa môže stať, že pri predpínaní dôjde k zdeformovaniu podložky, takže dynamometer sa nezaťažuje symetricky. Následne sa aj pri monitoringu počas výstavby alebo po výstavbe môže stať dynamometer s manometrom neprístupný (obr. 4) alebo ťažko čitateľný (obr. 5).

Obr. 4  Neprístupný dynamometer

Obr. 5  Znečistený dynamometer

Po inštalácii DYNAMAGU sa kábel od snímača vyvedie na miesto, odkiaľ sa bude realizovať následný monitoring. Toto stanovište možno operatívne presúvať podľa požiadavky stavby predĺžením alebo skrátením kábla. Je to výhoda pri výstavbe, ale aj po výstavbe, keď je veľmi ťažké dostať sa ku kotevným hlavám (obr. 6). V prípade, že by došlo k znehodnoteniu monitorovanej kotvy alebo by išlo o dočasnú kotvu, možno voľný dynamometer vysunúť z kotvy a použiť ho na inú, novú kotvu. Po opätovnej kalibrácii plní snímač opakovane svoju funkciu.

Obr. 6  Realizácia a monitoring zárubných múrov

Kábel od snímača je zaliaty v betóne alebo sa ťahá cez škáry v obklade múru pod škárovacou maltou. Na finálnom meracom stanovišti je ukončený meracou skrinkou. Pripojením meracej aparatúry, ktorá sa ovláda cez notebook užívateľským softvérom, možno priamo sledovať grafický výstup z merania.

Interpretácia nameraných dát
Pri predpínaní kotvy sa spúšťa kontinuálny záznam predpínacieho procesu (obr. 8), z ktorého možno sledovať dodržanie cyklov predpínania, časových intervalov, veľkosti síl a silu po zakotvení. Týmto spôsobom možno na stavbe presne skontrolovať silu po zakotvení, keď už je odpojené predpínacie zariadenie, alebo môže záznam slúžiť ako nezávislá kontrola predpínacieho procesu.
V ďalšom zázname na obr. 9 vidieť, že pri predpínaní sa kotva neskúšala na skúšobnú silu alebo iba na okamih, potom došlo k poklesu skúšobnej sily. Po predopnutí kotvy sa zistilo, že kotva sa predpínala skôr, ako bolo povolené, a koreň kotvy nebol ešte vytvrdnutý.

Obr. 7  Vyvedenie kábla na meracie stanovisko

Následné merania veľkosti síl sú realizované jednorazovo v určitých časových intervaloch alebo kontinuálne. Pri kontinuálnom meraní je na stavbe k monitorovaným kotvám pripojená meracia aparatúra, spustí sa meranie, namerané dáta sa zasielajú cez GSM signál do kancelárie a následne sa spracúvajú a vyhodnocujú.

Obr. 8  Časový záznam predpínania zemnej kotvy

Obr. 9  Nedodržanie časového intervalu na skúšobnej sile

Bežné dynamometre sú z výroby teplotne kompenzované. DYNAMAG je teplotne kompenzovaný až po nameraní surových dát – permeability materiálu. Preto možno sledovať napätie v kotve, ktoré je vo veľkej miere ovplyvnené teplotou (obr. 10). To znamená, že ešte aj vplyvom teploty v lete dochádza k uvoľneniu napätia, v zime k jeho zvýšeniu.
Veľkosť napätia v zemnej kotve možno sledovať nielen tesne pod hlavou kotvy, ale aj v rôznych hĺbkových úrovniach. Týmto spôsobom možno sledovať aj silu v koreňovej časti kotvy.

Obr. 10  Sila v kotve s teplotnou kompenzáciou aj bez kompenzácie

Aplikácie na stavbe
Na Slovensku sa pomocou dynamometrov DYNAMAG v rámci GTM dlhodobo monitorujú zemné kotvy napríklad na stavbách tunela Turecký vrch, ciest a diaľnic R1 Nitra – Tekovské Nemce, I/66 Banská Bystrica – preložka cesty (Severný obchvat), D1 Jánovce – Jablonov, D3 Žilina (Strážov) – Žilina (Brodno), D3 Svrčinovec – Skalité, D1 Hričovské Podhradie – Lietavská Lúčka, R2 Ruskovce – Pravotice či D1 Hubová – Ivachnová. V súčasnosti je týmito dynamometrami na Slovensku aktívne sledovaných viac ako 300 kusov zemných kotiev. Nemožno nespomenúť, že tieto snímače sa používajú na dlhodobý monitoring napätia v lanách aj na mostoch a iných konštrukciách po celom svete.

Jednou zo stavieb, ktorá je v súčasnosti vo výstavbe, je napríklad diaľnica D3 Svrčinovec – Skalité. Na tejto stavbe sa doteraz nainštalovalo 81 dynamometrov DYNAMAG a realizovalo 652 meraní sily v kotvách. Medzi stavby, ktoré boli ukončené a sú v súčasnosti v prevádzke, patrí zase diaľnica D1 Jánovce – Jablonov. Počas výstavby sa na I. úseku nainštalovalo 16 dynamometrov, následne sa v rámci sanácie zárubného múru SO 230 osadilo ďalších 15 ks, na II. úseku sa nainštalovalo 69 ks. Na stavbe sa počas výstavby realizovalo 856 meraní sily v kotvách. Na niektorých stavbách sa spolu s výstavbou skončí aj monitoring, najmä z ekonomického hľadiska.

V rámci monitoringu nastávajú zvyčajne prvé problémy, keď je Protokol o predopnutí kotvy od predpínacej čaty v rozpore s kontinuálnym záznamom z predpínacieho procesu. Jedným z riešení je opätovné predpínanie kotvy, aby v nej zostala správna sila po zakotvení (obr. 11).

Obr. 11  Nedodržanie predpínacieho procesu s nadmernou stratou sily po zakotvení

Ďalšie problémy môžu nastať, keď sa v rámci monitoringu sily počas výstavby zaznamenajú náhle úbytky alebo prírastky síl. V prvom prípade, ale až po zhodnotení stavby v štýle ‚,nie je možné, aby sila v kotve klesla“, sa zistilo, že za kotvenou stenou sa vŕtali veľkopriemerové pilóty, čím sa poškodil koreň kotvy. Rovnaký efekt má, keď sú kotvy v tesnej blízkosti tunela vŕtané pod nesprávnym uhlom a pri razení dôjde k poškodeniu koreňa.

Niektoré stavby sú v rámci monitoringu obmedzené počtom meraní. Vtedy ťažko hovoriť o kvalitnom sledovaní stavby. Merania sú rozložené na pravidelné časové intervaly a nezohľadňujú postup výstavby. Stálo by za zváženie, aby sa merania realizovali pri alebo po dôležitých zásahoch, ako sú napríklad etapové odkopávanie múrov, vibrovanie okolia, dlhodobé dažde, zosuvy či odstrely. V niektorých prípadoch by bolo vhodné nechať kotvy pripojené k meracej aparatúre a veľkosť sily sledovať kontinuálne v krátkych časových intervaloch, resp. diaľkovo dávať príkaz na odmeranie sily; potom možno dáta odosielané zo stavby diaľkovým prenosom ihneď kontrolovať. V prípade, keď sú definované hodnoty varovného stavu, sú určené osoby ihneď informované.
V každom prípade by sa mal klásť väčší dôraz na kvalitný monitoring – či už počas výstavby, alebo po výstavbe diela. Mať včas reálne informácie o stavbe môže pomôcť pri správnom rozhodovaní pri realizácii nasledujúcich stavebných činností alebo riešení potenciálneho problému.

TEXT: Ing. Peter Blažek, PhD.
FOTO: INSET s. r. o.

Peter Blažek pracuje v spoločnosti INSET s. r. o., divízia Slovensko

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby 4/2016.