Diagnostika původní ocelové konstrukce vodojemu. Stav ocelových konstrukcí z roku 1936

Diagnostika ocelové konstrukce vodojemu, ul. U vodojemu, Kladno‑Rozdělov, byla provedena v srpnu 2016 specialisty Kloknerova ústavu ČVUT v Praze na základě objednávky společnosti D‑PLUS, Projekční a inženýrská a. s. Analýza předcházela plánované přeměně vodojemu na objekt, sloužící novému účelu (viz článek „Bývalý vodojem v Kladně slouží po konverzi novému účelu“).

POUŽITÉ METODY A POSTUPY

Zkoušky pevnosti oceli v tahu
Z odebraných vzorků oceli byly podle ČSN EN ISO 6892‑1 vyrobeny zkušební vzorky požadovaného tvaru a rozměru. Každý zkušební vzorek byl 3× změřen a následně byla ze zjištěných rozměrů vypočtena skutečná průřezová plocha S0. Pro stanovení tažnosti byly na každém vzorku vyryty rysky ve vzdálenosti 5 mm.

Hodnoty prodloužení a sil byly zaznamenávány řídící elektronikou zkušebního stroje. Z naměřených hodnot byly následně vytvořeny pracovní diagramy. Po zkoušce byly změřeny hodnoty prodloužení Lu a kontrakce Z. Z naměřených rozměrů byla vypočtena tažnost A a kontrakce Z. Třída oceli byla stanovena na základě vyhodnocení výsledků zkoušek a údajů uvedených v příslušných normách.

Nedestruktivní měření tvrdosti oceli
Účelem měření tvrdosti oceli bylo zejména posoudit homogenitu oceli z hlediska pevnosti, tj. zda pro konstrukci vodojemu byla použita ocel jedné či více pevnostních tříd.

Informativní převod tvrdosti na pevnost oceli byl proveden podle ČSN EN ISO 18265, v níž se uvádí, že pevnosti oceli stanovené z tvrdosti jsou informativní a nenahrazují přímá měření, tj. výsledky mechanických zkoušek.

Pro měření tvrdosti oceli byl použit digitální tvrdoměr TH 130. Ze zkušebního místa byl odstraněn nátěr, místo bylo zabroušeno a následně zaleštěno elektrickou bruskou s jemným lamelovým smirkovým kotoučem. Tvrdoměr TH 130 má integrovanou nárazovou hlavici typu D s nárazovou sílou 11 Nmm, hrot je wolfram‑karbidový. Tvrdoměr automaticky vypočítává tvrdost v jednotkách Vickers, Brinell, Rockwell a Shore. Měření tvrdosti oceli bylo provedeno v jednotkách Brinell.

Chemická analýza a svařitelnost oceli
Vzorky oceli byly obroušeny do roviny na brusném papíru zrnitosti 60. Na vybroušených plochách byla na každém vzorku na třech místech provedena chemická analýza oceli, a to spektrálním analyzátorem s využitím programu Fe‑11‑M. Ze zjištěného chemického složení oceli byl pro odhad svařitelnosti stanoven uhlíkový ekvivalent Ce podle ČSN 05 1311.

Dimenze a rozměry nosných konstrukčních prvků
Dimenze a rozměry ocelových prvků byly měřeny ocelovým metrem a posuvným měřítkem. Tloušťky ocelových uzavřených průřezů (sloupů) byly měřeny k tomuto účelu upraveným posuvným měřítkem v předem vyvrtaných otvorech ∅ 10 mm.

Vizuální prohlídka a korozní stav konstrukce
Vizuální prohlídka, i když jí nelze upřít subjektivnost, je jedním z nedůležitějších diagnostických postupů, neboť jen tento postup umožňuje odhalit nedostatky prakticky v celé zkoumané ploše.

V rámci průzkumu byla provedena vizuální prohlídka viditelných ocelových konstrukcí vodojemu, a dále bylo využito poznatků zjištěných během průzkumných prací. Prohlídka byla cílená na vyhledání příp. závažných statických poruch, jako jsou např. nadměrné průhyby a deformace, degradační a korozní vlivy, úplnost konstrukce a spojovacích prvků apod.

Korozní stav viditelných a přístupných ocelových konstrukčních prvků byl hodnocen vizuálně. Prvky kryté betonem byly v několika případech odhaleny lokálními destruktivními sondami, aby bylo možno zjistit jejich korozní stav. Korozní úbytky byly měřeny posuvným měřítkem.

STRUČNÝ POPIS PŮVODNÍ KONSTRUKCE VODOJEMU

Projekt vypracovala v roce 1933 Českomoravská Kolben & Daněk. Stavba vodojemu byla realizována v roce 1936. Výška vodojemu byla cca 40 metrů a ocel byla vyrobená v železárnách v Kladně a Třinci.

Nosná konstrukce vodojemu je ocelová, konstruovaná z válcovaných profilů z oceli C 38. Je tvořena osmi sloupy, které půdorysně tvoří pravidelný osmiúhelník, jemuž lze opsat kružnici o průměru cca 11,3 metru.

Sloupy jsou ve výšce cca 25 metrů dvakrát zalomené, čímž rozšiřují půdorys a vytváří prostor pro nádrž na vodu. Půlkulová ocelová nýtovaná nádrž průměru 11,5 metru, nastavená o cca čtyřmetrovou válcovou plochou stejného průměru, pojme 800 m³ vody.

Sloupy jsou propojeny vodorovnými prvky, což po výšce vytváří obdélníky, do nichž jsou vloženy ztužující kříže tvaru X připevněné ke sloupům. Uvnitř nosné konstrukce je ocelové schodiště a potrubní vedení. Kolem ocelové konstrukce je vyzděn nezávislý obvodový plášť z cementových cihel.

V rámci diagnostických prací byly provedeny laboratorní zkoušky pevnosti oceli v tahu, nedestruktivní měření tvrdosti oceli in‑situ, včetně informativního převodu tvrdosti oceli na pevnost, a chemické analýzy oceli pro odhad svařitelnosti.

ZKOUŠKY PEVNOSTI OCELI V TAHU

Pro účely zkoušek pevnosti oceli v tahu bylo odebráno sedm vzorků oceli. Vzorky oceli byly odebrány z pásnic válcovaných profilů U 300 (sloupy), U 280 a U 200 (schodiště), z válcovaných profilů L 70/70/8 (diagonály) a plechu jmenovité tloušťky 12 mm (přeplátování dvou profilů U 300 tvořících sloup). Na základě vyhodnocení výsledků zkoušek pevnosti oceli v tahu lze konstatovat:

• Průměrná mez kluzu R_eH = 298 MPa se pohybuje v rozmezí 279 až 309 MPa.
• Průměrná mez pevnosti R_m = 392 MPa se pohybuje v rozmezí 350 až 456 MPa.
• Průměrná tažnost A = 32,6 %.
• Zjištěné meze kluzu oceli R_eH jsou pro všechny diagnostikované prvky srovnatelné.
• Charakteristická hodnota meze kluzu stanovená z výsledků zkoušek f_ck, R_eH = 279 MPa.

PEVNOSTNÍ TŘÍDA OCELI

Pevnostní třída oceli byla stanovena dle vyhodnocení výsledků zkoušek pevnosti oceli v tahu a údajů uvedených v ČSN EN, ČSN a dalších zjištěných skutečností.

Na základě vyhodnocení výsledků zkoušek pevnosti oceli v tahu a dalších zjištěných skutečností lze konstatovat:

• Ocelová konstrukce vodojemu z roku 1936 postavena z oceli C38. Ocel C38, vyráběná ve 30. letech 20. století, měla mez pevnosti R_m = 380 MPa.
• Zkouškami zjištěná průměrná mez pevnosti oceli R_m = 392 MPa.
• Pro statické posouzení je rozhodující horní mez kluzu oceli R_eH.
• Charakteristická hodnota meze kluzu stanovená z výsledků zkoušek f_ck, R_eH = 279 MPa.
• Pro statické posouzení konstrukce vodojemu lze uvažovat s ocelí pevnostní třídy S 275.

NEDESTRUKTIVNÍ MĚŘENÍ TVRDOSTI OCELI

Nedestruktivní měření tvrdosti oceli bylo provedeno jako doplněk ke zkouškám pevnosti oceli v tahu a jeho účelem bylo posoudit homogenitu oceli z hlediska pevnosti, tj. zda pro konstrukci vodojemu byla použita ocel jedné či více pevnostních tříd.

Informativní převod tvrdosti na pevnost oceli byl proveden podle ČSN EN ISO 18265 – pevnosti oceli jsou stanovené z tvrdosti informativní a nenahrazují přímá měření, tj. výsledky mechanických zkoušek pevnosti oceli v tahu.

Měření tvrdosti oceli bylo provedeno na válcovaných profilech U 300 (sloupy), U 280 a U 200 (schodiště), válcovaných profilech L 70/70/8 (diagonály) a plechu jmenovité tloušťky 12 mm (přeplátování 2× U 300 tvořících sloup).

Na základě vyhodnocení výsledků měření tvrdosti oceli a převodu tvrdosti na pevnost lze konstatovat:

• Podle výsledků nedestruktivního měření tvrdosti oceli a informativní pevnosti odhadované z tvrdosti lze usuzovat, že pro konstrukci vodojemu byla použita ocel, kterou lze zařadit do jedné pevnostní třídy 

Na základě výsledků chemické analýzy oceli lze konstatovat:

• Analyzovaná ocel odpovídá svým složením nízkouhlíkové nelegované oceli.
• Složení oceli sloupů (vzorky 1 a 2) se mírně odlišuje od složení oceli diagonály (vzorek 4).
• Vypočtený uhlíkový ekvivalent Ce z chemického složení oceli podle ČSN 05 1311 se pohybuje v rozmezí 0,13 až 0,22 %, tzn., že analyzovaná ocel je ocel se zaručenou svařitelností.

PRVKY OCELOVÉ KONSTRUKCE

Konstrukce vodojemu sestává z několika typů ocelových válcovaných profilů a plechů. Styčníkové plechy jsou ke konstrukci připevněny svary; spoje jsou šroubové, ve výjimečných případech nýtované.

HODNOCENÍ A PŘÍČINY ZJIŠTĚNÝCH PORUCH A KOROZE

V rámci diagnostických prací byla provedena vizuální prohlídka viditelných a dostupných prvků ocelové konstrukce v kombinaci s destruktivními sondami a měřením korozních úbytků ocelových prvků.

Na základě výsledků vizuální prohlídky ocelové konstrukce a výsledků diagnostických prací lze z hlediska ocelové konstrukce jako celku obecně konstatovat:

• Ocelová konstrukce je kompletní
• Ocelová konstrukce, nebo její části či jednotlivé prvky, nevykazují zjevné deformace, boulení, poškození spojů, styčníků apod. 
• Ocelová konstrukce je z korozního hlediska v dobrém stavu.
• Výjimkou z výše uvedeného jsou:
  • spodní části sloupů (ve výškové úrovni 0,0 – 2,1 m),
  • prvky konstrukce v úrovni železobetonové desky (ve výškové úrovni 25,0 m).

Spodní části sloupů (ve výškové úrovni 0,0 – 2,1 m)
Z osmi sloupů byl podrobně diagnostikován sloup 1. V případě pěti sloupů (sloupy 1, 3, 4, 6 a 8) příčného rozměru 300 × 300 mm, tvořených z 2 × U 300 přeplátovaných přivařeným plechem jmenovité tl. 12 mm, bylo zjištěno, že plech je od U 300 odtržen a vyboulen.

Příčinou odtržení a vyboulení plechu je kondenzát, který se uvnitř sloupu tvořil za vhodných teplotně‑vlhkostních podmínek, do sloupu zatékal i z povrchu ŽB desky, stékal sloupem dolů, kde se hromadil spolu s nečistotami, bez možnosti odtoku, případně odparu (sloup je zde uzavřeného průřezu). V zimním období kondenzát zamrzal a svými expanzními tlaky způsobil odtržení a vyboulení plechu, příp. stojiny U 300. Bylo zjištěno, že patní plech je cca 100 mm pod úrovní podlahy.

V případě sloupu 1 dosahují zjištěné korozní úbytky U 300 a plechu 2,0 mm ve výšce 0,3 až 0,6 m nad podlahou. S ohledem na zjištěný korozní stav nejnižší části sloupu a na skutečnost, že nebylo možno korozní úbytky měřit níže než 0,3 m nad podlahou, lze v nižších výškových úrovních sloupu, a zejména u části pod podlahou, očekávat korozní úbytky ještě o 1 až 2 mm větší. Koroze vnitřních povrchů sloupu nad 0,6 m nad podlahou je již povrchová. V případě sloupu 2 byly zjištěny největší korozní úbytky patních výztuh z plechu jmenovité tloušťky 12 mm, které dosahují až 5,5 mm.

Příčinou korozních úbytků patních výztuh jsou dominantně v minulosti netěsné okapní svody, ze kterých vytékala srážková voda a smáčela výztuhy a sloupy v oblasti podlahy.

Prvky konstrukce v úrovni ŽB desky ve výškové úrovni 25,0 m
Sondy pro zjištění korozního stavu a korozních úbytků byly provedeny u styčníku diagonál mezi sloupy 6 – 7 a výztuh sloupu 7, tj. prvků s vizuálně nejvíce patrným zasažením korozí. Příčinou zjištěné koroze styčníků diagonál a výztuh sloupů, příp. sloupů v úrovni ŽB desky je kondenzát, který se tvořil za vhodných teplotně‑vlhkostních podmínek na povrchu ocelové nádrže naplněné studenou vodou a stékal na ŽB desku a smáčel ocelové prvky a zatékal i dovnitř sloupů otvory v místě styků v úrovni ŽB desky.

Zjištěné korozní úbytky styčníkového plechu jmenovité tloušťky 8 mm a diagonály profilu L 70/70/8 dosahují až 1,8 mm a úbytky výztuh sloupu z plechu tloušťky 12 mm až 4,3 mm. Obdobné korozní úbytky lze očekávat u styčníků diagonál mezi sloupy 7 – 8 a 8 – 1 a výztuh sloupů 6 a 8 1). Příp. korozní úbytky sloupu (profilu U 300) nelze v místě ŽB desky zjistit.

Korozní úbytky byly zjišťovány na styčníku diagonál mezi sloupy 6 – 7 a výztuhách sloupu 7, tj. prvků s vizuálně nejvíce patrným zasažením korozí.

Z podkladů Kloknerova ústavu ČVUT v Praze