Vývoj nových optických snímačov pre kontinuálny monitoring predpätých segmentových mostov
Časopis Inžinierske stavby 
Technický stav cestných mostov, ktoré sú významným prvkom existujúcej infraštruktúry, sa neustále zhoršuje. To vytvára tlak na vznik nových systémových riešení pri zabezpečovaní spoľahlivosti prevádzkovania konštrukcií, ktoré sú klasifikované do stavov V – VII. Najrizikovejšie sú predpäté betónové mosty postavené v 50. a 60. rokoch 20. storočia, obzvlášť mosty zložené z tyčových prefabrikátov zo segmentov [3].
Ako vhodné systémové riešenie sa nielen u nás, ale aj vo svete ukazuje online monitoring takýchto konštrukcií pod prevádzkovým zaťažením. Prepojenie medzi výskumom a vývojom v oblasti diagnostiky a monitorovania mostov našlo prienik v potrebe využívania veľmi presných a stabilných meracích postupov a metód. Ide napríklad o diagnostické metódy založené na princípe uvoľnenia napätia z predpätého prvku [4] alebo metódy kontinuálneho sledovania konštrukcií pod prevádzkovým zaťažením [1].
Na takéto aplikácie bol vyvinutý špeciálne upravený merací systém s pokročilými varovnými prvkami na včasný zásah v prípade zistených problémov. Systém je založený na využití nových optických FBG (Fiber Bragg Grating) snímačov na meranie pomerných pretvorení. Článok opisuje vývoj, skúšky v laboratóriu, ako aj pilotnú aplikáciu nového systému monitoringu na existujúcom dodatočne predpätom segmentovom moste neďaleko Ružomberka.
Takto nastavený systém kontinuálneho sledovania zdegradovanej konštrukcie umožní správcovským organizáciám spoľahlivo manažovať konštrukcie, ktoré sú staticky poškodené, pričom správca bude mať neustálu plnú kontrolu o situácii na konštrukcii v čase.
Predpäté betónové mosty
Predpäté betónové mosty sú základným prvkom moderného mostného inžinierstva. V porovnaní s tradičnými železobetónovými konštrukciami ponúkajú značné výhody z hľadiska odolnosti, trvanlivosti a efektívnosti. Od svojho vzniku v polovici 20. storočia tieto konštrukcie zohrali kľúčovú úlohu pri formovaní infraštruktúry v Európe aj mimo nej. Vývoj prenikol aj do oblasti prefabrikovaných predpätých konštrukcií a od 50. rokov sa hojne využívali predpäté prvky zložené zo segmentov. So zvyšujúcim sa počtom starších mostov a narastajúcimi požiadavkami na zaťaženie dopravou a zároveň s nízkou úrovňou ich údržby a kontroly sa však hodnotenie ich spoľahlivosti v čase stalo kľúčovou témou v oblasti výskumu v mostnom staviteľstve.
Dlhodobú životnosť predpätých betónových mostov ovplyvňuje niekoľko faktorov. Ako hlavné sa dnes ukazujú najmä nedostatočná a podcenená úroveň ochrany predpínacej výstuže a kotiev v čase výstavby mosta a nespoľahlivý proces predpínania a kotvenia staršími technológiami. K tomuto sa pridružujú ďalšie sprievodné efekty, ako sú degradácia nosných materiálov a chemické a elektrochemické premeny materiálov (korózia predpínacej výstuže a kotevných prvkov a pod.) [2, 3, 5].
Kombinácia nízkej technologickej úrovne pri výstavbe, veku mosta, environmentálnych faktorov a zvýšeného zaťaženia môže urýchliť degradáciu predpínacej výstuže, čo vytvára cestu k potenciálnym zlyhaniam z dôvodu nižšej úrovne predpätia v konštrukcii. Stav predpínacej výstuže je kľúčový na udržanie integrity mosta a jej korózia alebo zlyhanie môžu mať katastrofálne následky.
Preto je hodnotenie statickej spoľahlivosti predpätých betónových mostov v súčasnosti pre vedcov a inžinierov výzva. Tradičné metódy kontroly, medzi ktoré patrí vizuálna kontrola, nemusia byť dostatočne spoľahlivé na detekciu takýchto skrytých defektov alebo skorých príznakov nižšej úrovne predpätia, signalizovanej napríklad už miernym otvorením škáry medzi segmentmi alebo vznikom drobnej trhliny v konštrukcii.
Aj nedávne zlyhania predpätých betónových mostov v Európe zdôraznili dôležitosť účinných hodnotiacich a riadiacich stratégií. Napríklad kolaps Morandiho mosta v Janove v roku 2018 zdôraznil riziká spojené so stavom mostov. Hoci most nebol v celom rozsahu navrhnutý z predpätého betónu, obsahoval prvky tejto technológie a zlyhanie bolo pripísané kombinácii korózie, nedostatočnej údržby a problematických miest v návrhu.
V roku 2019 sa zrútil predpätý segmentový most v Trstenej (obr. 1). Našťastie, tento most bol v čase pádu už uzavretý pre dopravu. Podobne zrútenie mosta v Nemecku v roku 2024 vyvolalo obavy o stav predpätých betónových mostov.
Významným problémom v správe mostov je potreba presných hodnotiacich postupov, ktoré umožňujú komplexne pochopiť stav mosta. Súčasná prax v rámci bežných vizuálnych kontrol alebo nedeštruktívnych testovacích metód nemusí vždy odhaliť skryté problémy predpínacej výstuže. Preto je nevyhnutný vývoj pokročilých postupov, ako sú systémy kontinuálneho monitorovania mostných konštrukcií. Stratégie zamerané na správu mostov dnes zdôrazňujú holistický prístup, ktorý integruje údaje z prehliadok, nedeštruktívnych metód a zo systémov monitorovania v reálnom čase do komplexného rámca na hodnotenie, tzv. SHM [1].
Vývoj snímačov a laboratórne testovanie
Vývoj komplexného monitorovacieho systému pre predpäté mostné konštrukcie zabezpečovala spoločnosť Network Group, s. r. o., Brno, v úzkej spolupráci so Stavebnou fakultou ŽU v Žiline. Systém monitoringu konštrukcií sa vo všeobecnosti vzťahuje na kontinuálne sledovanie zmien pomerných pretvorení na konštrukcii, ktoré sa odohrávajú v kritických miestach, ako sú oblasti medzi segmentmi alebo oblasti vzniku trhlín.
S týmto cieľom boli vyvinuté opto-vláknové snímače, ktoré vznikli jednak z potreby sledovať okamih otvorenia škáry alebo vzniku trhliny, ako aj z potreby následného monitoringu procesov v škáre alebo trhline.
Pre prvý účel bolo navrhnuté tzv. binárne sledovanie pretvorenia konštrukcie, resp. sledovanie okamihu otvorenia poškodenia konštrukcie, ktorý je pre predpätú konštrukciu veľmi podstatný. Pre druhý účel bol vyvinutý merací, resp. aj „intenzitný“ snímač. Následne boli oba procesy integrované do jedného typu meracieho elementu. Samotné telo kombinovaného snímača predstavuje kompozitný prvok s integrovaným optickým meracím vláknom s dvomi funkciami (obr. 2).
Ak sa prvýkrát zaznamená otvorenie trhliny/škáry, aktivuje sa zároveň druhá časť kombinovaného senzora zameraná na kontinuálne meranie zmien pretvorení v škáre. Ako škára pracuje a dĺžka konštrukcie sa mení, intenzita optického signálu kolíše. Tieto variácie sa automaticky analyzujú a vyhodnocujú. Merací rozsah bol 0 – 5 mm, s rozlíšením 10 μm a meracou frekvenciou až 5 kHz. Vyhodnocovacia jednotka filtruje namerané hodnoty v reálnom čase podľa prednastavených prahových hodnôt a odosiela dáta cez 4G rozhranie na server.
Navrhnuté snímače prešli testovaním v laboratórnych podmienkach SvF ŽU v Žiline. Za týmto účelom boli vyrobené tri dodatočne predpäté nosníky s dĺžkou 3,0 m (obr. 3). Každý z týchto nosníkov pozostával z troch identických segmentov (s dĺžkou 1,0 m), ktoré boli následne zopnuté predpínacou tyčou s Ø 18 mm/950/1 050 MPa, vedenou v plastovom kanáliku, ako nesúdržné predpätie, aby sa simuloval možný reálny stav na moste. Predpínacia sila bola zavedená na úrovni 91 kN.
Segmenty boli vyrobené z betónu C 30/37 a vystužené betonárskou výstužou B500 B. Navzájom boli spojené pomocou zálievkovej cementovej malty s rovnakými parametrami ako betón segmentov. Nosník bol zaťažený štvorbodovým ohybom, postupným priťažovaním prakticky až do zlyhania, ktoré nastalo v škáre medzi segmentmi rozdrvením betónu. V rámci zaťažovacieho procesu bolo po vzniku trhliny urobené jedno odľahčenie na úrovni sily v lise asi 40 kN.
Zaznamenané merania boli následne konfrontované aj s výsledkami numerickej analýzy. Tá bola zameraná predovšetkým na overovanie správania sa škáry medzi segmentmi, detail otvorenia škáry v numerickom modeli je zobrazený na obr. 4.
Prvotné otvorenie škáry zaznamenala binárna časť snímača na úrovni sily v lise 30 – 32 kN, čo prakticky presne odpovedalo aj výpočtom predpokladanej hodnote otvorenia škáry na úrovni 28 kN. Medzný stav únosnosti bol zaznamenaný na úrovni sily v lise 50 – 55 kN, čo opäť korešpondovalo s výpočtom stanovenou hodnotou únosnosti na úrovni 48 kN. Záznam nameraných hodnôt z troch snímačov M3, M31 a M32 z jedného nosníka v rámci jednej škáry je uvedený na obr. 5. Snímače boli osadené po výške ťahovej zóny nosníka v škáre.
Vyvinuté snímače použité pri laboratórnych meraniach potvrdili ich stabilitu, vysokú účinnosť a presnosť. Všetky vykonané merania boli v dobrej zhode s výpočtovými predpokladmi nelineárnej numerickej analýzy, čo predurčilo ich následné pilotné nasadenie na merania na reálnej mostnej konštrukcii. Za týmto účelom sa vybrala predpätá mostná konštrukcia segmentového typu.
Pilotný monitoring mosta
Pilotná štúdia monitorovacieho systému sa vykonala na moste, ktorý bol postavený v 50. rokoch 20. storočia. Most bol jednopoľový a pozostával zo segmentových nosníkov tvaru „T“. V 60. rokoch bol rozšírený o tri nosníky typu „I“ (obr. 6, 7). Most bol vo veľmi zlom stave a správca plánoval jeho nahradenie novou mostnou konštrukciou.
To predstavovalo veľmi dobrú príležitosť na overenie nového monitorovacieho systému navrhnutého na sledovanie škár medzi segmentmi. V čase testovania bol most stále v prevádzke, čo umožnilo pozorovať vplyv dopravy na otváranie škár v poškodených nosníkoch.
Rozpätie nosnej konštrukcie je približne 21,5 m, pričom každý nosník pozostával z troch segmentov. Monitorovací systém bol nainštalovaný na pôvodných nosníkoch tvaru „T“. Tieto nosníky boli spojené priečnym predpätím, ktoré bolo umiestnené v priečnikoch a hornej prírube. Priečniky boli integrovanou súčasťou segmentov. Týmto spôsobom boli nosníky priečne predopnuté a interakcia medzi nimi v konečnom dôsledku prispela k vyššej únosnosti celej ortotropnej sústavy.
Na niektorých nosníkoch boli škáry medzi segmentami už otvorené, na niektorých vizuálne ešte stále uzatvorené. Tento faktor sa ukázal ako rozhodujúci pre zatiaľ fungujúcu konštrukciu. Merania potvrdili, že reziduálne predpätie sa líšilo medzi nosníkmi, a tie v lepšom stave sa čiastočne podieľali na prenose zaťaženia z nosníkov v horšom stave s otvorenou škárou.
Monitorovací systém
Monitorovací systém nainštalovaný na most sa skladal z 8 kombinovaných snímačov navrhnutých na detekciu aktivity škár, ako aj na kontinuálne monitorovanie otvorenia škár. Žiaľ, snímač 5 bol zo systému meraní vyradený pre technické problémy. Rozmiestnenie monitorovacieho systému vrátane umiestnenia snímačov je zobrazené na obr. 8 a 9.
V rámci štúdie sa vykonala aj numerická analýza na porovnanie získaných dát zo sledovania mosta. Na tento účel bol vytvorený podrobný lineárny model mosta pomocou metódy konečných prvkov (FEM) v programe SCIA Engineer. Cieľom analýzy bolo stanoviť normou požadovanú reakciu mosta pri rôznych scenároch zaťaženia, pričom sa zohľadnili normové kombinácie zaťažení podľa Eurokódu, a to častá a charakteristická vrátane účinkov zmien teploty.
Okrem toho analýza zohľadnila zaťažovací model (z roku 1957), ktorý bol relevantný v rámci návrhu mosta. Analýza vygenerovala kritické dáta vrátane minimálnych a maximálnych hodnôt pretvorení pre každú kombináciu zaťaženia. Táto numerická validácia slúžila na porovnanie výsledkov reálnych účinkov zaťaženia a normou alebo návrhom predpokladaných hodnôt.
Zhodnotenie výsledkov sledovania mosta
Merania potvrdili, že technický stav skúmaného mosta bol veľmi zlý, čo korešpondovalo aj s rozhodnutím správcu mosta o jeho celkovej náhrade. Pomerné pretvorenia namerané na jednotlivých meracích bodoch dokumentuje obr. 10. Pretvorenia v škáre zaznamenané snímačom 2 boli výrazne vyššie ako pri ostatných snímačoch. To presne zodpovedalo aj stavu škáry, ktorá bola už pri inštalácii systému čiastočne otvorená.
Tento nosník bol vo výrazne horšom stave než susedné nosníky a dá sa predpokladať, že bez aktívneho pôsobenia priečneho predpätia by mohlo dôjsť aj k jeho reálnemu kolapsu. Treba poznamenať, že v prípade všetkých sledovaných škár bola odozva na prevádzkové zaťaženie podstatne vyššia, ako sú normou alebo návrhom stanovené hodnoty, čo opäť poukazuje na problémový až havarijný stav celej konštrukcie.
Na obr. 11 sú zobrazené merania absolútneho otvorenia škár, zaznamenané počas troch vybraných dní. Zistilo sa, že škáry sa otvorili až do šírky 0,15 mm. Rovnako tento graf potvrdzuje problematické správanie nosníka, na ktorý bol nainštalovaný senzor 2. V tomto prípade sa šírka otvorenia škáry pohybovala medzi 0,20 mm a 0,25 mm. Dokonca aj počas meraní vykonaných v decembri presiahla šírka otvorenia škáry 0,25 mm. Rovnako možno sledovať aj progres aktivity v kritickej škáre, čo podporuje správnosť rozhodnutia o budúcnosti mosta.
Závery
Skúsenosti z vývoja, laboratórneho testovania a pilotného monitoringu na moste pomocou vyvinutých špecializovaných FBG snímačov pomáhajú definovať nasledujúce závery:
- Potvrdila sa vysoká účinnosť vyvinutých kombinovaných (binárno-intenzitných) snímačov na sledovanie a záznam rozvoja poškodení na konštrukcii, umiestnených v najkritickejších miestach konštrukcie. Tieto snímače veľmi citlivo reagujú aj na malé zmeny zaťaženia a správania sa konštrukcie v priebehu času. Snímače sú založené na technológii optických vlákien, preto sú veľmi odolné aj proti vplyvom zmien teploty, magnetizmu, poveternostným vplyvom a pod.
- Laboratórne merania potvrdili nevyhnutnosť registrácie okamihu otvorenia škáry, po prekročení ktorého nastáva pri segmentových konštrukciách náhly nárast pretvorení v ťahových zónach, zvlášť ak má konštrukcia problémovú súdržnosť predpätia. Vzhľadom na to je však potrebné sledovať v čase aj ďalšiu aktivitu poškodenia. Z nej potom možno pre správcu mosta presne nastaviť alarmové hlásenia a predigovať ďalší potenciálny vývoj.
- Merania ukázali, že okamih otvorenia škáry je kľúčový pre ďalšie statické správanie konštrukcie a kontinuálne sledovanie rozvoja poškodenia v konštrukcii je potrebné na stanovenie parametrov alarmových hlásení systému smerom von. To umožní správcovi veľmi efektívne riadenie a plnú kontrolu nad poškodenými konštrukciami v čase založenú na reálnych nameraných dátach.
Príspevok vznikol s podporou Vedeckej grantovej agentúry MŠVVaŠ SR a SAV (VEGA) číslo 1/0118/25.
TEXT A FOTO: prof. Ing. Martin Moravčík, PhD., Ing. Jakub Kraľovanec, PhD., obaja Katedra stavebných konštrukcií a mostov, SvF Žilinskej univerzity v Žiline; Ing. Radim Šifta, PhD., NETWORK GROUP, s. r. o.
