Współczesne metody inwentaryzacji i badań nieniszczących konstrukcji obiektów i budynków

W artykule omówiono: metodę inwentaryzacji architektoniczno-budowlanej za pomocą skanera laserowego 3D oraz wybrane nieniszczące metody badań betonu i stali.

Modern methods of inventory and non-destructive testing of the structures of objects and buildings

The article discusses: the method of architectural and construction inventory using a 3D laser scanner and selected non-destructive testing methods for concrete and steel.

***

Zmiany dotyczące użytkowania obiektu lub przepisów normowych powodują najczęściej zmianę wielkości oddziaływań na konstrukcję, co prowadzi do konieczności wykonywania nowych obliczeń statyczno-wytrzymałościowych i określenia nośności oraz odkształceń konstrukcji, a w konsekwencji często również wykonania projektów wzmocnienia. Wymaga to znajomości parametrów technicznych zastosowanych materiałów. Brak dokumentacji wymusza określenie ich na podstawie zaplanowanych i przeprowadzonych badań wytrzymałościowych lub innych, jeżeli wymaga tego specyfika analizowanej konstrukcji. Badania wytrzymałościowe można przeprowadzić w laboratorium, poddając badaniom próbki uzyskane z istniejącej konstrukcji, wykorzystując liczne dostępne metody badań nieniszczących lub stosując obie te metody równocześnie przy jednoczesnej analizie korelacji między uzyskiwanymi wynikami.

Metoda inwentaryzacji za pomocą skanera 3D

Inwentaryzacje budowlane są próbą odtworzenia dokumentacji projektowych, szczególnie w przypadkach, kiedy jest ona niedostępna, np. zaginęła czy uległa zniszczeniu. Jej posiadanie jest często niezbędne w przypadkach przebudowy, rozbudowy lub odtworzenia obiektów budowlanych. Szczególnie ma to duże znaczenie w obiektach zabytkowych, dla których musi być zachowana duża precyzja odtworzenia. Tradycyjne metody inwentaryzacyjne bazujące na pomiarach zwykłą taśmą mierniczą lub co najwyżej z wykorzystaniem dalmierzy laserowych zastępowane są obecnie skanowaniem w technologii 3D [2, 3].

Metoda inwentaryzacji za pomocą skanera 3D jest coraz powszechniej stosowaną metodą w inwentaryzacji obiektów budowlanych. W dużym uproszczeniu można wskazać, że jej istotą jest zbieranie informacji o bryle obiektu za pomocą wiązki lasera wysyłanej ze skanera (FOT. 1) i gromadzeniu ich w tzw. chmurze punktów.

Uzyskane wyniki stanowią zatem zbiór informacji dotyczących współrzędnych w przestrzeni trójwymiarowej dla ogromnej ilości punktów. Technologia pomiaru polega na analizie odbicia promieni laserowych na napotkanych przeszkodach i pomiarze ich odległości od punktu centralnego zlokalizowanego w skanerze. Powstała w ten sposób chmura punktów jest bazą danych stanowiącą bezcenne źródło informacji przechowywanych w czasie. W zależności od potrzeb zdefiniowanych w różnych okresach, może być wykorzystywana np. do budowy modeli przestrzennych dla BIM, analiz graficznych, wizualizacji itp. Obraz rezultatów skanowania otrzymany za pomocą urządzenia laserowego 3D oraz aparatu cyfrowego widać na FOT. 2–3.

Można zatem powiedzieć, że podstawowymi zaletami technologii skanowania 3D są łatwość wykonania skanu oraz precyzja pomiaru. Skaner 3D kilkakrotnie zmniejsza czas potrzebny na realizację inwentaryzacji, jednocześnie praktycznie wyklucza możliwość pominięcia jakichkolwiek informacji. Większa szczegółowość, dokładność i pokrycie punktami pomiarowymi całej analizowanej powierzchni sprawiają, że skanowanie 3D dostarcza pełnej i dokładnej informacji o kształcie obiektu. Zapis danych w postaci cyfrowej ułatwia możliwość ich przetwarzania przy zastosowaniu dowolnych narzędzi cyfrowych. Otrzymane cyfrowe dane można przechowywać dowolnie długo, w bezpieczniejszej formie niż standardowa dokumentacja papierowa. Ponadto, posługując się danymi pozyskanymi dzięki skanowaniu laserowemu 3D, można przygotować modele BIM.

Badanie wytrzymałości na ściskanie betonu metodą sklerometryczną

Analiza stanu technicznego istniejących budynków i obiektów budowlanych, a także analiza statyczno-wytrzymałościowa, której celem jest określenie nośności (oddziaływań dopuszczalnych), wymaga znajomości parametrów wytrzymałościowych wbudowanych materiałów.

Metody badania betonu wbudowanego w istniejących konstrukcjach można podzielić na dwie kategorie. Pierwszą jest ocena wytrzymałości na ściskanie za pomocą badań laboratoryjnych próbek rdzeniowych – badania niszczące, do drugiej zaś zaliczyć możemy szereg tzw. metod nieniszczących, np. metody sklerometryczne, ultradźwiękowe czy radiologiczne.

Metody sklerometryczne są jedną z najczęściej stosowanych metod badania wytrzymałości betonu [4–6]. Ich największą zaletą jest możliwość bardzo szybkiej oceny jednorodności betonu oraz szacunkowej jego wytrzymałości. Wadą natomiast stosunkowo mała wiarygodność np. w porównaniu z badaniami rdzeniowymi. Należy też mieć na uwadze, że ocenie za pomocą tej metody podlega tylko przypowierzchniowa warstwa betonu. Zakłada się, że jest to warstwa ok. 4 cm, dlatego też wiarygodność metody zależy w dużym stopniu od jednorodności betonu. Stąd też np. ograniczenie grubości badanych elementów do 20 cm przy jednostronnym dostępie do badanego elementu.

W badaniach sklerometrycznych wykorzystuje się związki pomiędzy twardością stwardniałego betonu, a jego wytrzymałością na ściskanie. W najczęściej wykorzystywanych urządzeniach do badań sklerometrycznych, tj. młotkach Schmidta (FOT. 4–5), istotą pomiaru jest określenie wielkości odskoku bijaka wyrażonej przez tzw. liczbę odbicia, która jest reakcją materiału na przyłożone obciążenie dynamiczne. W tym celu należy przyłożyć urządzenie prostopadle do powierzchni ze zlokalizowanym punktem pomiarowym i uruchomić przyrząd (zwolnić bijak). Najnowsze urządzenia są wyposażone w automatyczny rejestrator wyników i wyświetlacz, pozwalający na bieżące śledzenie uzyskiwanych rezultatów.

W celu dokładnej analizy danej konstrukcji konieczne jest odpowiednie wyznaczenie miejsc pomiarowych (FOT. 6). Sposób doboru miejsc jest efektem indywidualnej oceny projektanta, który uwzględnia szereg czynników, w tym analizę sposobu obciążenia, rozkładu sił wewnętrznych, stanu technicznego elementu itp. Uzyskanie wiarygodnego oszacowania liczby odbicia w danym miejscu pomiarowym, według aktualnej normy PN-EN 12504-2:2021 [7], wymaga wykonania co najmniej dziewięciu odczytów. Przy dobrej jakości betonu (współczynniku zmienności poniżej 0,1) można ograniczyć liczbę miejsc pomiarowych do sześciu.

Efektem wykonanych pomiarów jest tabela zbiorcza wyników (RYS. 1) pozwalająca na ocenę wytrzymałości na ściskanie w punkcie pomiarowym z uwzględnieniem standardowych metod do oceny wytrzymałości betonu, bazujących na analizach statystycznych.

Określenie parametrów zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych

Wśród istniejących konstrukcji budowlanych jedną z najczęściej występujących są oczywiście konstrukcje żelbetowe. Konstrukcje te wykonane są z materiału stanowiącego kompozyt betonu i stali, czyli materiałów o różnej charakterystyce wytrzymałościowej i odkształceniowej. Analiza wytrzymałościowa konstrukcji żelbetowych (określenie np. nośności przekroju, krzywizny elementu, obciążeń rysujących) wymaga znajomości nie tylko cech betonu (którego sposoby nieinwazyjnych metod diagnostycznych zostały wcześniej opisane), ale także parametrów stali, które decydują np. o nośności elementów zginanych.

Trudność w określeniu parametrów stali jest związana z jej dostępnością, gdyż to materiał zlokalizowany wewnątrz przestrzeni betonowej. Tradycyjną metodą badania stali jest jej odsłonięcie za pomocą tzw. odkrywek. Metoda taka pozwala na określenie geometrii zbrojenia, liczby prętów, ich średnic i grubości otulenia. Widząc sposób użebrowania, możliwe jest też określenie klasy stali, a co za tym idzie – jej pozostałych parametrów, tj. wytrzymałości czy granicy plastyczności, jak również określenie stanu technicznego prętów, w szczególności stopnia ich skorodowania. Metoda ta, w wyjątkowych przypadkach, pozwala również na wycięcie próbek do wykonania badań laboratoryjnych. Wadą tego typu badań, w przypadku dużych obiektów, jest konieczność wykonania bardzo dużej liczby odkrywek. W takich sytuacjach bardzo przydatne stają się nieniszczące badania zbrojenia, które mogą być prowadzone równolegle do badań tradycyjnych [8].

Nieniszczące badania geometrii zbrojenia przeprowadzić można metodą:

• radarową,
• elektromagnetyczną,
• radiologiczną (radiograficzną),
• ultradźwiękową,
• termograficzną.

Przykładem nowoczesnego urządzenia wykorzystującego metody elektromagnetyczne jest Ferroscan PS 300 ze zintegrowanym wyświetlaczem (FOT. 7), dzięki któremu możliwy jest pomiar otuliny oraz szacowanie średnicy prętów w czasie rzeczywistym podczas skanowania konstrukcji.

W prezentowanym urządzeniu maksymalna głębokość wykrywania położenia obiektów wynosi 200 mm. Rezultatem badań jest obraz rozłożenia i grubości prętów w diagnozowanej konstrukcji. Przykładowe wyniki badań zbrojenia dla elementu prętowego – belka (skan dotyczy zbrojenia poprzecznego) oraz płyty krzyżowo zbrojonej przedstawiono na RYS. 2–3.

Określanie parametrów dynamicznych konstrukcji

Bardzo duża grupa projektowanych obiektów budowlanych związana jest z budownictwem przemysłowym. Charakteryzuje się ona bardzo dużą różnorodnością obiektów w porównaniu z innymi gałęziami budownictwa. Duża część z nich poddana jest silnym obciążeniom dynamicznym [9] wywołującym drgania konstrukcji, mające negatywny wpływ zarówno na bezpieczeństwo i trwałość samej budowli, jak i na komfort jej użytkowania. Do najczęściej występujących konstrukcji o tym charakterze obciążeń zaliczyć możemy hale przemysłowe, konstrukcje wsporcze i estakady pod suwnice, kominy przemysłowe, wieże radiowo-telewizyjne, fundamenty pod maszyny i inne. Oczywiście grupę obiektów poddanych obciążeniom dynamicznym można rozszerzyć na inne dziedziny budownictwa, np. mosty, budynki wysokie czy obiekty sportowe.

Prawidłowe projektowanie takich konstrukcji polega na maksymalnie ścisłym określeniu odpowiedzi konstrukcji na zadane obciążenia dynamiczne. Pozwala to na optymalne zaprojektowanie samej konstrukcji, jak też rozwiązań towarzyszących, np. wibroizolacji i innych zabezpieczeń (ekrany akustyczne). Samo określenie parametrów tych obciążeń może być utrudnione ze względu na ich złożoność oraz często na ich nieprzewidywalny charakter.

O ile parametry obciążeń związanych z projektowaną technologią (np. drgania maszyn, obciążenia suwnicami) są łatwe do określenia, o tyle dla szeregu obciążeń typu obciążenie wiatrem, obciążenia sejsmiczne i parasejsmiczne, ruch drogowy i kolejowy, parametry te są trudniejsze do wyznaczenia ze względu na ich losowy charakter. Nie bez znaczenia jest tu też sposób przenoszenia tych obciążeń przez inne ośrodki, np. podłoże gruntowe czy wodę.

Projektowanie konstrukcji obciążonych dynamicznie odnosi się zarówno do obiektów nowych, jak i często do inwestycji z wykorzystaniem substancji istniejących, np. starych hal i innych obiektów przemysłowych, które podlegają zmianie funkcji, przebudowie czy rozbudowie, ale często także wzmocnieniu w sytuacjach awaryjnych [10]. W pierwszym przypadku projektant bazuje na rozwiązaniach teoretycznych, wykorzystując szeroko dostępne obecnie na rynku narzędzia informatyczne, pozwalające na budowanie precyzyjnych modeli obliczeniowych. Ich analiza daje możliwość określenia podstawowych parametrów dynamicznych, takich jak częstotliwość drgań własnych, amplituda przemieszczeń, wielkości sił wewnętrznych i naprężeń. W przypadku obiektów istniejących analiza dynamiczna konstrukcji może być wspomagana przez badania doświadczalne na obiekcie. Badania te polegają na rzeczywistym pomiarze wybranych wielkości dynamicznych za pomocą urządzeń nazywanych ogólnie rejestratorami drgań.

Na FOT. 8–9 zaprezentowano system pomiaru drgań firmy ALITEC, składający się z urządzenia rejestrującego drgania QACQ z czterema wejściami, które w zależności od potrzeb można łączyć w bardziej złożone układy oraz systemy czujników do pomiarów przyspieszenia drgań (jedno- lub trzykierunkowych) wraz z metodą mocowania do konstrukcji. Do obsługi systemu przeznaczony jest program MVidia, który pozwala na przejrzysty sposób magazynowania danych oraz ich obróbki, w zależności od oczekiwanego rezultatu. Przykładowe rezultaty rejestracji drgań dot. przyspieszeń i ich widma przedstawiono na RYS. 4.

Badanie wytrzymałości stali za pomocą twardościomierza

W przypadku prowadzonych analiz statyczno-wytrzymałościowych istniejących konstrukcji stalowych podstawowym parametrem, który wymaga określenia, jest wytrzymałość stali. Wielkość ta jest niezbędna np. do określenia nośności poszczególnych profili, a w konsekwencji do określenia obciążeń dopuszczalnych dla całej konstrukcji i warunków jej bezpiecznej pracy.

Pomijając bezpośrednie metody określenia wytrzymałości stali, tj. zbadania w laboratorium próbki wyciętej z konstrukcji, można zastosować badania nieniszczące, bazujące na pomiarze twardości stali w miejscu jej wbudowania. Twardość jest istotną cechą materiałową, którą można skorelować z wytrzymałością stali. Do jej pomiaru służą urządzenia zwane twardościomierzami.

Do pomiaru twardości wykonywane są dwie metody [5]:

• metoda ultradźwiękowej impedancji kontaktowej (UCI),
• metoda dynamiczna Leeba.

Pomiar twardości za pomocą sondy UCI oparty jest na zmianie częstotliwości drgań sondy przyłożonej do materiału. Porównanie pomierzonej częstotliwości polega na pomiarze zmiany częstotliwości z wartością bazową oraz zastosowanie specjalnych aplikacji w urządzeniu pozwalających na sprowadzenie wyniku do najczęściej stosowanej skali twardości Brinella (HB). Niewątpliwie zaletami tej metody są szybkość pomiaru, dostępność zastosowania w terenie, możliwość wykorzystania w trudno dostępnych miejscach i niskie koszty eksploatacyjne.

Metoda dynamiczna Leeba, znana również jako dynamiczna próba twardości, polega na pomiarze sprężystości materiału. Twardość jest określana na podstawie pomiaru prędkości przed i po zderzeniu bijaka wystrzeliwanego w kierunku badanej powierzchni. Metoda przypomina nieco metody sklerometryczne badania wytrzymałości betonu. Podstawową jednostką twardości jest w tym przypadku jednostka Leeba oznaczana jako HL. Metoda ta ma szerokie zastosowanie dzięki wielu praktycznym zaletom, głównie z powodu krótkiego czasu wykonywanych badań.

Przykładem nowoczesnego twardościomierza jest NOVOTEST T-UD3 (FOT. 10), który łączy dwie metody pomiaru twardości metodą pośrednią: ultradźwiękowej impedancji kontaktowej i Leeba. Dzięki temu jest ono najbardziej wszechstronnym i uniwersalnym urządzeniem przenośnym.

Możliwość połączenia obu sond łączy zalety obu metod i daje użytkownikom możliwość wykorzystania tej, która jest najbardziej odpowiednia do rozwiązania konkretnego zadania (FOT. główne).

Dzięki aplikacji przeznaczonej do zastosowanego urządzenia, rezultaty badań są przedstawiane w formie gotowego do wydruku arkusza analizy danych (RYS. 5).

Podsumowanie

Przedstawione w artykule metody inwentaryzacji obiektów i badań nieniszczących materiałów są bardzo przydatne w przypadkach projektowania i analizy wytrzymałościowej istniejących obiektów. Pozwalają na uzyskanie informacji, które są niedostępne szczególnie w przypadku braku dokumentacji projektowych.

Badania materiałów pozwalają na wykonanie różnorakich analiz i obliczeń statyczno-wytrzymałościowych obiektów zmieniających funkcję użytkową i obciążenia. Stanowią one niezbędne narzędzie dla projektantów i rzeczoznawców zajmujących się wykonywaniem opinii technicznych i ekspertyz. Pozwalają na uzyskanie niezbędnych danych, ale przede wszystkim dzięki zapisom cyfrowym na bezpieczne ich archiwizowanie i dowolne przetwarzanie w czasie.

Przedstawiony materiał nie wyczerpuje omawianych zagadnień, a jest tylko próbą przybliżenia metod, technologii i sprzętu dostępnych na rynku.

Literatura

 1. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU z 2021 r., poz. 2351 ze zm.).
 2. H. Markowski, „Zastosowanie skanowania laserowego 3D w inwentaryzacji budynków zabytkowych”, „Builder” 6/2020.
 3. Ł. Uchański, K. Karsznia, „Pomiar inwentaryzacyjny obiektów przemysłowych przy użyciu naziemnego skaningu laserowego w aspekcie wdrażania technologii BIM”, „Architektura” 2017.
 4. L. Runkiewicz, „Badania konstrukcji żelbetowych”, Biuro Gamma, Warszawa 2002.
 5. L. Brunarski, „Nieniszczące metody badań. Budownictwo betonowe t. 8”, Warszawa 1970.
 6. L. Brunarski, L. Runkiewicz, „Podstawy i przykłady stosowania metod nieniszczących w badaniach konstrukcji z betonu”, Wydawnictwa ITB, 1983.
 7. PN-EN 12504-2:2021, „Badania betonu w konstrukcjach. Część 2: badania nieniszczące. Oznaczenie liczby odbicia”.
 8. Ł. Drobiec, R. Jasiński, A. Piekarczyk, „Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Metodologia, badania polowe. Badania laboratoryjne betonu i stali”, PWN, Warszawa 2010.
 9. T. Chmielewski, Z. Zembaty, „Podstawy dynamiki budowli”, Arkady, Warszawa 1998.
10. Z. Wójcicki, J. Gozel, W. Sawicki, „Eksperymentalne badania dynamiczne budowli”. Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, 2014.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!