Zkoušení betonářských ocelových výztuží

Pokud jsou betonářské ocelové výztuže špatně svařeny nebo jsou z nekvalitního materiálu, zapříčiňují, že vlivem tlaku na konstrukci vznikají v betonu mikrotrhliny, které se časem změní v trhliny a nakonec se konstrukce zbortí.

Sledování kvality prostřednictvím postupových zkoušek svařování, kvalifikace svářečů, mechanických a chemických zkoušek, resp. metalografického hodnocení nevyhovujících svarů, zvyšuje kvalitu staveb, jejich bezpečnost a v neposlední řadě zabraňuje ztrátám, ať již finančním nebo i na lidském zdraví, které by nastaly v důsledku používání nekvalitních svarů. Ruku v ruce s těmito kontrolami jde opatření, podle kterého stavební firmy musí prokazovat zkoušky svářečů a prostřednictvím protokolu o zkoušce vydaného akreditovanou laboratoří provádět i hodnocení svarů betonářských ocelových výztuží.

Směrnice TP 193 definuje technické podmínky pro stavby pozemních komunikací. Jsou zde mimo jiné specifikovány požadavky na kvalitu materiálu a na svařování betonářské oceli v železobetonových konstrukcích uvedených v kapitole 18 TKP, včetně požadavků na kvalifikaci svářečů, kteří musí mít speciální výcvik ke svařování, a zkoušek základního materiálu a svarů. Obsahuje také materiálové listy pro jednotlivé betonářské oceli. Základními normativními dokumenty, na které se z hlediska posuzování kvality procesu svařování a kvality svarů pohlíží, jsou normy ČSN EN ISO 17660-1, Svařování – Svařování betonářské oceli – Část 1: Nosné svarové spoje a ČSN EN ISO 17 660-2, Svařování – Svařování betonářské oceli – Část 2: Nenosné svarové spoje. Tyto normy stanovují požadavky na materiály, navrhování a provádění svarových spojů, na svářečský personál, dále požadavky na kvalitu, kontrolu a zkoušení svarů a základního materiálu. Nelze opomenout ani normu ČSN 42 0139, Ocel pro výztuž betonu – Svařitelná žebírková betonářská ocel, která se problematikou zabývá z hlediska žebírkové betonářské oceli, a normy řady ČSN EN ISO 15630, část 1 až 3, Oceli pro vyztužování a předpínání betonu – Zkušební metody, kde jsou uvedeny mechanické a chemické zkoušky pro oceli, které se používají v předpínaném betonu.

Z pohledu zkoušení kvality svařovaného materiálu a svarových spojů obsahují normy řady ČSN EN ISO 17660 postup kontroly a zkoušení zkušebních vzorků z betonářských ocelových výztuží.

Vzorek odebraný a připravený podle těchto norem musí být podroben mechanickým zkouškám: zkoušce tahem podle ČSN EN 10002-1, zkoušce střihem podle ČSN EN ISO 15630-2. Sleduje se také chemické složení základního materiálu. Zkoušky se provádějí v mechanických zkušebnách a chemických laboratořích, které jsou akreditovány podle ČSN EN ISO/IEC 17025:2005 a jsou vybaveny požadovanými zkušebními stroji a analytickými přístroji (např. TÜV NORD Czech, Laboratoře a zkušebny v Brně nebo UNIPETROL RPA, Litvínov, kompletní seznam autorizovaných zkušeben je uveden na webu Českého institutu pro akreditaci, o. p. s., www.cai.cz).

Údaje o požadovaných hodnotách u zkoušených betonářských ocelových výztuží jsou uvedeny v materiálových listech. Údaje pro hodnocení svarů jsou uvedeny v ČSN EN ISO 17660-1. Pokud jsou provedené mechanické zkoušky vyhodnoceny jako nevyhovující, lze provést metalografické hodnocení svarů pro stanovení makrostruktury i mikrostruktury, kdy se zjišťuje průvar kořene, vznik trhlin ve svarovém kovu a další charakteristiky, které umožňují posoudit chyby v technologii svařování.

Zkouška tahem se provádí jak pro základní materiál, tak pro svarové spoje. Charakterizuje chování materiálu při působení statické klidně narůstající síly. Zkušební vzorek, jehož příprava je uvedena v normě, se na trhacím stroji s daným rozsahem zatěžuje klidně a bez rázů narůstající silou až do chvíle, kdy nastane porušení vzorku, resp. svaru. Zkouška tahem se provádí pro tupé spoje, přeplátované spoje, křížové spoje a spoje příčné koncové desky. Z průběhu zkoušky se vyhodnotí pevnost v tahu R_m, mez kluzu R_e (R_p02) a tažnost – celkové prodloužení při největším zatížení A_gt. Směrnice TP 193 i norma ČSN EN ISO 17660-1 vyžadují pro zkoušky postupu svařování nejen vyhodnocení zkoušky, ale i ověřený grafický záznam průběhu zkoušky (opět zajišťuje akreditovaná zkušebna). Na základě požadavku lze také provést přepočet poměru meze pevnosti k mezi kluzu. Hodnota tohoto poměru musí přesáhnout 1,00. Přejímací hodnotou pro betonářské výztuže je mez kluzu. Tento parametr je dán technickými dodacími podmínkami uvedenými v ČSN 42 0139. Grafický záznam lze připravit i pro základní materiál. Pokud je zkouška tahem nevyhovující, nesmí se tento materiál použít nebo se musí konstrukčně vyvážit tak, že se propočítá jiný počet žebírek.

Zkouška střihem se provádí pouze pro křížové spoje. Lze říci, že je to také tahová zkouška, která stanovuje mez pevnosti ve střihu pro svary výztuží. Vzorek se vloží do trhacího stroje a na jeho horní část se působí postupně zvyšovanou tlakovou silou, až se vzorek poruší. Výsledkem zkoušky je určení meze pevnosti ve střihu svaru. U obou zkoušek, zkoušky tahem a střihem, se zkouší tři kusy na každý vzorek.

Zkouška chemického složení tavby a výrobku sestává ze zjištění obsahu uhlíku, fosforu, síry, mědi a uhlíkového ekvivalentu navrženého Mezinárodním svářečským institutem IIW/IIS a uváděného normami, např. ČSN 05 1310. Hodnota uhlíkového ekvivalentu se počítá podle následujícího vzorce: (C + Mn)/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15. Z toho plyne, že se navíc musí stanovit ještě obsah manganu, chromu, molybdenu, vanadu a niklu.

Hodnota uhlíkového ekvivalentu charakterizuje svařitelnost slitin železa. Ta s rostoucím množstvím uhlíku klesá, takže např. litiny s obsahem uhlíku nad 2 % už prakticky svařit běžným způsobem nelze. Pak se musí použít speciální postupy, ale i tyto jsou problematické.

Do obsahu uhlíku cca 0,22–0,24 % lze slitiny železa svařovat běžným způsobem, ovšem za předpokladu, že i obsah ostatních nevhodných prvků je nízký.

Dalším nevhodným prvkem pro svařování je měď, která se dostává do oceli z druhotných surovin (elektromotory, mosaz ...), a proto se musí její obsah kontrolovat. Norma ČSN 05 1309 uvádí obsah mědi maximálně 0,30 %. Pro betonářskou ocel však postačuje hodnota max. 0,80 %.

Má-li se tedy posoudit svařitelnost, je potřeba znát obsah uhlíku, mědi a dále manganu, chromu, molybdenu, vanadu a niklu pro uhlíkový ekvivalent, eventuálně i síry a fosforu. Měření se provádějí emisními spektrometrickými metodami buď odjiskřením materiálu, nebo mokrou cestou rozpuštěním vzorku a změřením např. na spektrometru s indukčně vázanou plazmou (ICP). Metoda ICP dává přesnější výsledky.

Předcházením nedostatkům betonových konstrukcí v důsledku nekvalitních materiálů a svarů se v souhrnu zajistí snížení nákladů, protože nebude nutno investovat do likvidace škod, dodavatel se vyhne nepříjemnému vyřizování reklamačních řízení, dále následně snížení kreditu stavební firmy a samozřejmě, a to na prvním místě, se zamezí zbytečným úrazům nebo dokonce úmrtím. A to je hlavní důvod, pro který byla směrnice TP 193 připravena a proč se kontrola procesu svařování a zkoušení svarů provádí.