Zatěžovací zkoušky mostů

Zatěžovací zkoušky mostů jsou důležitou součástí správy a sledování mostních konstrukcí. Zkoušky se provádí před uvedením mostu do provozu i v průběhu jeho životnosti, neboť komplexně prověřují stav celé mostní konstrukce a ověřují v praxi teoretické předpoklady prohlídky, diagnostického průzkumu a výpočtů.

Důležitou součástí dopravní infrastruktury jsou mostní konstrukce. Pro správnou a bezpečnou funkci mostu je třeba po celou dobu jeho životnosti sledovat skutečný stav mostní konstrukce. Jedná se o stavebnětechnické činnosti, které jsou spojeny s uvedením mostu do provozu, s jeho správou a údržbou a s případnými opravami včetně rekonstrukcí. V neposlední řadě je nutné se rozhodnout, zda most snést, nebo ještě prodloužit jeho projektovanou životnost.

Vlastní prohlídky mostů

V České republice je pro správu a údržbu mostních objektů zaveden jednotný systém, který je dle platných předpisů členěn do tří skupin. První skupinu tvoří vlastní prohlídky mostů, které se provádějí v souladu s normou ČSN 73 6221: 2018 (Prohlídky mostů pozemních komunikací).

Dle této normy se jedná především o vizuální kontroly, jejichž četnost závisí na stavebnětechnickém stavu mostu. Velkou výhodou těchto kontrol je rychlost provedení, možnost přímého sledování případných změn na mostní konstrukci včetně porovnávání s dříve realizovanou prohlídkou (prohlídky nemusí provádět vždy tatáž osoba) a dostupnost protokolu z provedené prohlídky.

Prohlídky mohou provádět jedna až dvě osoby kdykoli během roku, téměř nezávisle na počasí, a není při tom nutné provádět zásahy do konstrukcí – musí však být zpřístupněny všechny prvky mostní konstrukce. Na druhou stranu je třeba zdůraznit, že se jedná o vizuální, subjektivní metodu, kterou je nutno doplnit dalšími informacemi.

Stavebnětechnická diagnostika

Druhou skupinu tvoří „klasická“ stavebnětechnická diagnostika, prováděná převážně metodami lokálního vyšetřování konstrukcí dle TP 72 (Diagnostický průzkum mostů PK) a dalších. Při diagnostice mostu se nedestruktivně či destruktivně zjišťuje stav jednotlivých prvků konstrukce, jejich materiálové charakteristiky, opotřebení, funkčnost, vhodnost použití, možnost sanace nebo výměny a životnost mostní konstrukce.

Diagnostický průzkum vyžaduje obvykle delší čas na přípravu a vlastní zpracování, určitý zásah do konstrukce (odebrání vzorků) a částečné omezení provozu pod mostem nebo na něm. Na základě získaných informací dostáváme jasnější představu o stavu mostní konstrukce ve srovnání s vizuální kontrolou. Zároveň lze výsledky použít pro přepočet zatížitelnosti, a tím pádem zpřesnit, zda je vhodné most ponechat bez opatření, sanovat, vyměnit některé jeho součásti, nebo konstrukci zcela nahradit.

Zatěžovací zkou­šky

Třetí skupinu pak tvoří zatěžovací zkou­šky (statické a dynamické), pro které platí ČSN 73 6209: 2019 (Zatěžovací zkoušky mostů). Zatěžovací zkoušky prověřují komplexně stav celé mostní konstrukce a spolupůsobení jednotlivých prvků. Zároveň ověřují předpoklady, které jsme o mostě získali na základě provedených prohlídek a výpočtů.

Příprava i vyhodnocení zatěžovacích zkoušek mají vysoké nároky na technické vybavení, čas a počet zúčastněných osob. Tyto zkou­šky také vždy vyžadují uzavření mostu, příp. jeho části, což mnohdy znamená značná dopravní omezení.

Pro úplnost je vhodné dodat, že kromě metod a postupů uvedených výše nebo vyplývajících z platných norem a předpisů, lze využívat i nestandardních metod experimentálního vyšetřování či metod různým způsobem vhodně kombinovaných nebo „přiměřeně“ upravených pro určitý účel (čtvrtá skupina „nestandardních“ metod).

Metodika provádění zatěžovacích zkoušek

Společnost INSET s. r. o. provádí všechny výše uvedené činnosti. Pro provádění zatěžovacích zkoušek má však vyvinuta vlastní měřicí a zkušební zařízení a vlastní programy pro zpracování a vyhodnocení naměřených výsledků (obr. 1 a obr. 2).

Základem experimentálního ověřování stavu konstrukcí, při kterém jsou využívány matematicko-fyzikální vztahy z oboru statiky stavebních konstrukcí, je analýza odezvy konstrukce na skutečné konkrétní deterministické (tj. matematicky přesně definované) zatížení realizované formou zatěžovacích stavů. Odezva na zatížení je sledována v síti měřicích bodů prostřednictvím měření různých fyzikálních veličin.

Jedná se zejména o různé typy posunutí (průhyby, poklesy, zatlačení, sedání, příčná posunutí…), poměrná přetvoření, rozevírání a svírání (trhliny, mostní závěry…), pootočení (náklony) apod.

Důležitou podmínkou pro objektivní posou­zení skutečného stavu konstrukce je získání věrohodné odezvy, tj. odezvy, která má dostatečnou vypovídací schopnost o měřené fyzikální veličině a prostřednictvím této veličiny o stavu posuzované konstrukce.

Prakticky to znamená, že stavební konstrukce musí být dostatečně aktivována tak, aby byly splněny původní předpoklady při návrhu konstrukce (zejména předpoklad o pružném stavu). Na druhé straně nesmí zkušební zatížení způsobit poškození vlastní konstrukce. Obě tyto podmínky souvisí s účinností zkušebního zatížení.
Účelem zatěžovací zkoušky mostu jsou zejména:
• ověření funkce zkoušené konstrukce při statickém nebo dynamickém zatížení;
• ověření spolehlivosti konstrukce z hlediska mezních stavů použitelnosti, popř. únosnosti;
• ověření správnosti použití výpočtových modelů, pokud je pochybnost, že použité výpočtové postupy nebyly dostatečně výstižné nebo není možné bezpečně zajistit všechny potřebné parametry pro výpočet;
• ověření spolehlivosti konstrukce, zejména jsou-li pochybnosti o shodě provedení konstrukce s požadavky návrhu (např. nedodržení předepsané pevnosti betonu v části konstrukce).

Program zkoušky

Součástí přípravy každé zatěžovací zkou­šky je program zkoušky, který musí obsahovat stanovení účelu a rozsahu zkoušky (schváleného investorem či správcem objektu), údaje o skutečném stavu zkoušeného objektu, podklady potřebné k posou­zení konstrukce z hlediska mezních stavů únosnosti a použitelnosti včetně kontrol, údaje o druhu a intenzitě zatížení, stanovení zatěžovacích stupňů a délky působení zkušebního zatížení, umístění zkušebního zatížení a rozmístění jednotlivých zatěžovacích stavů.

Dále také musí obsahovat údaje o měřených veličinách, způsobu jejich snímání, přenosu, zpracování a rozmístění po konstrukci, stanovení kritérií pro vyhodnocení výsledků zatěžovací zkoušky, způsob výběru reprezentantů, popis prací souvisejících se zatěžovací zkouškou, požadavky zkušebny na objednavatele a předpokládaný harmonogram zkoušky včetně lhůty předání konečné zprávy o zatěžovací zkoušce.
Před začátkem zatěžovací zkoušky se provedou kontroly, které vycházejí z požadavků ČSN 73 6209.

Zjišťuje se především, zda je konstrukce ze statického hlediska provedena jako úplná a kompletní, zda je stále zatížení nosné konstrukce vyšší než 95 % projektem předepsané hodnoty a zda bylo před začátkem zkoušky provedeno výškové zaměření mostu, opěr, podpěr a středů rozpětí zkoušených mostních polí. Rovněž je třeba provést hlavní prohlídku dle ČSN 73 6221 Prohlídky mostů pozemních komunikací.

V průběhu zatěžovací zkoušky je třeba věnovat pozornost kontrole dodržování všech pravidel pro objektivní a přesná měření. Po ukončení zatěžovací zkoušky se opět provede vizuální prohlídka, při níž se ověří, zda nedošlo k rozvoji stávajících poruch nebo ke vzniku poruch nových. Následně vydá zhotovitel zkoušky předběžné vyjádření (zpravidla do 24 hodin po provedení zkouš­ky), jež obsahuje informaci, zda je most dále způsobilý k provozu.

Po podrobné analýze naměřených výsledků se vypracuje zkušební protokol, v němž je vyhodnoceno chování konstrukce a porovnání s předpokládanými hodnotami.

Statické a dynamické

Zatěžovací zkoušky se dělí dle způsobu zkoušení na statické a dynamické. Tyto zkou­šky se liší způsobem zatížení, z čehož plyne i odlišené hodnocení zatěžovací zkoušky. U nově navrhovaných nebo dosavadních a přestavovaných konstrukcí se obvykle nejprve provádí statická a pak dynamická zatěžovací zkouška. Tyto zkoušky mohou vykonávat jen zkušebny nebo laboratoře, které jsou pro tyto zkoušky akreditovány anebo mají pověření od ústředního orgánu státní správy.

Při dynamické zatěžovací zkoušce vyvozuje zkušební zatížení na mostní konstrukci dynamické účinky. Tyto zkoušky se provádějí u mostních konstrukcí, u nichž to bylo předepsáno projektem nebo vedoucím hlavní prohlídky nebo investorem, a to po dohodě se správcem mostního objektu. Zejména se tak děje u dynamicky citlivých konstrukcí (např. zavěšených mostů, lávek pro pěší apod.).

Při statické zatěžovací zkoušce vyvozuje zkušební zatížení na mostní konstrukci statické účinky. Podle velikosti zatížení se rozlišují:
• základní zatěžovací zkoušky, které se provádějí u trvalých a dlouhodobých mostních konstrukcí a u všech mostních konstrukcí nařízených projektem, vedoucím hlavní prohlídky nebo investorem, a to po dohodě se správcem mostního objektu;
• mimořádné zatěžovací zkoušky se provádí už během stavby a lze jimi nahradit základní nebo zostřené statické zatěžovací zkou­šky. Provádí se tehdy, pokud mají být tyto objekty zatěžovány už během stavby (např. montážními jeřáby);
• experimentální zatěžovací zkoušky, jež jsou součástí ověření funkce provozovaných mostů.

Kombinací statické a dynamické metody se provádí měření pro získání dynamického součinitele observovaného a pro získání tzv. příčinkové/deformační čáry.

Dynamické zatěžovací zkoušky

Při dynamické zatěžovací zkoušce je pro vybuzení vynuceného kmitání nosné konstrukce mostu ve tvarech blízkých příslušným teoretickým vlastním tvarům kmitání (samotné vlastní tvary nelze budit, jedná se o bezrozměrné matematické fiktivní tvary) použit budič kmitání v režimu pro harmonické buzení (společnost INSET s. r. o. využívá hydraulický budič kmitání vlastní výroby, obr. 3), příp. se využije dvojice chodců pro měření odezvy lávek pro pěší. Buzení budičem kmitů probíhá harmonicky (průběh dle sinusoidy), a to ve svislém směru a vodorovném příčném směru.

Odezva mostu na vnášené dynamické zatížení je sledována v podrobné síti měřicích bodů, ve kterých jsou monitorovány rychlosti kmitání nosné konstrukce. Dynamické výchylky (resp. rychlosti kmitání) jsou měřeny pomocí triaxiálních (trojosých) snímačů rychlosti kmitání.

Součástí měřicí linky je též sledování teploty konstrukce a vzduchu. Pro zpracování signálů ze všech snímačů, sběr a zpracování dat má společnost INSET s. r. o. vyvinuty vlastní specializované programy, které mj. umožňují provést analýzu dominantních frekvencí a příslušných vybuzených tvarů kmitání mostu.

Výsledky měření získané při dynamické zatěžovací zkoušce jsou primárně zaměřeny na posouzení dynamické odezvy nosné konstrukce, tj. na prověření průběhu dynamických posunutí (v měřítku rychlosti) jednotlivých vybuzených tvarů kmitání odpovídajících vlastním tvarům kmitání, s cílem vyhledat případné příznaky nestandardní odezvy, anomálie, poruchy nebo přenos signálu do okolních konstrukcí.

Další standardní vyhodnocení dynamické zatěžovací zkouš­ky zahrnuje orientační analýzu okamžitých spekter při náhodném buzení (např. seizmický neklid, doprava apod.), případně podrobnou analýzu kumulativních spekter při deterministickém buzení (metoda rozkmitání – sweep).

Dynamickou zkouškou je také možné posoudit útlum konstrukce. Pro stanovení útlumu mostní konstrukce je vyvolané buzení náhle zastaveno a je sledováno volné dokmitání konstrukce. Vyhodnocení probíhá pomocí specializovaného programu, kdy je útlum hodnocen na základě několika desítek vln kmitání.

Statické zatěžovací zkoušky

Při statické zatěžovací zkoušce se pro vyvození zatížení v jednotlivých zatěžovacích stavech využívá obvykle co nejdostupnějších břemen (nákladní i osobní automobily různých typů a velikostí, vaky s vodou, vaky se sypkým materiálem, drážní jeřáby, parní lokomotivy a tramvaje), která se umísťují do předem dané polohy. Jejich celková hmotnost a rozmístění na konstrukci musí být vždy pro vyhodnocení zkoušky pečlivě dokumentovány (obr. 4).

Odezva mostu na vnášené statické zatížení je sledována v podrobné síti měřicích bodů, ve kterých jsou dle požadavků a druhu konstrukce monitorovány svislé posuvy (průhyby) a natočení nosné konstrukce, zatlačení ložisek na podpěrách, pokles podpěr, pootočení a střih kloubu a sledované případné stávající poruchy (např. rozevírání trhlin, napětí v porušeném betonu apod.).

Dále je během zkoušky sledována teplota konstrukce a parametry vzdušného proudu (teplota, rychlost a směr). Pro zajištění objektivního měření je třeba, aby byl zejména teplotní stav nosné konstrukce stabilní. Z tohoto důvodu se statické zatěžovací zkoušky v letních měsících provádí obvykle v nočních hodinách, kdy nedochází k ovlivňování konstrukce slunečním svitem. V období, kdy nedochází k velkým teplotním změnám, lze zkoušky provádět během celého dne.

Měření svislých posuvů může být dle přístupnosti a očekávaných hodnot prováděno geodeticky nebo elektronicky. Měření ostatních veličin probíhá vzhledem k nízkým hodnotám měřených veličin obvykle elektronicky na různých typech snímačů (induktivní snímače dráhy, kapalinové snímače náklonu, teplotní čidla, anemometr atd.). Pro zpracování signálů ze všech snímačů, sběr a zpracování dat má společnost INSET s. r. o. vyvinuty vlastní specializované programy.

Výsledkem měření při jednotlivých zatěžovacích stavech jsou experimentálně zjištěné hodnoty svislých průhybů celkových, trvalých a pružných. Tyto hodnoty se dle kritérií uvedených v ČSN 73 6209 vyhodnotí vůči hodnotám předpokládaným ve výpočtu. Při experimentálním měření starších mostů se vyhodnocují především trvalé složky přetvoření, tedy zda se most chová pružně a nezůstává v něm vneseno přetvoření.

Součástí statických zatěžovacích zkoušek může být měření pro zjištění dynamického součinitele observovaného. Jak je zřejmé z názvu, jedná o dynamické měření na statických snímačích. Při tomto měření přejíždí jediné vozidlo přes normovou překážku postupně rychlostmi 5, 10, 15, 20, 30 a 40 km/h (pokud je to možné a bezpečné). Odezva konstrukce na ráz, vyvozený přejezdem přes překážku, je snímána elektronicky a následně vyhodnocena.

Měření pro získání příčinkové / deformační čáry

Příčinkové čáry jsou grafickým znázorněním funkční závislosti polohy zatížení na velikosti příslušné statické veličiny. Příčinkové čáry se využívají pro vyšetřování účinků pohyblivého zatížení na nosnou soustavu. Pro získání příčinkové a deformační čáry je užito principu Bettiho, resp. Maxwellovy věty o vzájemnosti přetvoření.

Pro měření se používá jediné vozidlo, které považujeme za bodové zatížení. Toto vozidlo se po konstrukci pohybuje v předem dané trajektorii co nejnižší rychlostí. Pohyblivé zatížení, jehož rychlost nepřesahuje 5 km/h, lze považovat za statické, neboť dynamická složka je zanedbatelná. V praxi je tato „poma­lost“ zajištěna např. chodcem jdoucím před vozidlem, které pak nemá tendenci zrychlovat.

Měříme-li statickou odezvu od pohyblivého zatížení spojitě nebo s dostatečnou hustotou vzorkování a rychlost pohybu zatížení je konstantní, lze při vynesení do grafu čas na vodorovné ose nahradit dráhou (s = v . t). Výstupem měření je příčinková čára v místě (x) a podle Maxwella též ohybová čára zatížení použitým břemenem v místě (x). Měření probíhá na „statických“ snímačích dráhy s četností odečtu 1 s (obr. 5).

Ověření skutečného stavu

Výsledky měření získané při pomalých přejezdech zatěžovacích vozidel po mostě jsou důležitým podkladem pro ověření jeho skutečného stavu. Základním krokem vyhodnocení je analýza samotného průběhu odezvy. Rozbor dosažených výsledků zahrnuje především posouzení proporcionality časového průběhu přetvoření ve vztahu k očekávanému průběhu, spojitosti průběhu přetvoření či, naopak, k očekávané nespojitosti v typických místech, posouzení změn křivosti, lokálních extrémů a vložených uzlů a dalších abnormalit, tzn. náhlých skoků, lomů, nelogického zakřivení, lokálních zvlnění atd.

Výsledkem měření při zatěžovacích zkouškách mostu je zhodnocení statické a dynamické funkce jeho nosného systému, způsobilost pro provoz a ověření jeho zatížitelnosti. Zatěžovací zkoušky mostních konstrukcí jsou velmi náročné na přípravu a zpracování. Jedná se zejména o obtíže se zpřístupněním konstrukce (značné dopravní omezení) a technické i personální vybavení zkušebny.

Na druhou stranu nám podávají nenahraditelné informace o stavu mostní konstrukce, neboť ověřují v praxi teoretické předpoklady prohlídky, diagnostického průzkumu a výpočtů. Zatěžovací zkoušku lze na stejné konstrukci provádět opakovaně, i s odstupem mnoha let, a ověřit tak případné změny statického působení nosného systému.