Zásadní změny v posuzování betonu v konstrukcích podle nového vydání ČSN EN 13791

Při výrobě betonu umíme velmi dobře stanovit jeho fyzikálně mechanické vlastnosti – odebereme vzorky, ve formách necháme beton vyzrát a po příslušné době jej podrobíme normovým zkouškám. Problém nastává v okamžiku, kdy potřebujeme zjistit vlastnosti ztvrdlého betonu přímo v konstrukci, neboť jeho vlastnosti se mohou od betonu vyzrálého ve formách z různých důvodů lišit. Pro posuzování betonu v konstrukcích zde od 80. let 20. století byla (a po harmonizaci v roce 2012 stále ještě je) k dispozici norma ČSN 73 2011 [2], která pro stanovení pevnosti v tlaku preferuje nedestruktivní – převážně tvrdoměrné – zkoušení betonu, přičemž jádrové vývrty v ní hrají doplňkovou a upřesňující roli. S rozvojem technologie betonu, která při masivním používání stavební chemie přinesla v podstatě rozvolnění závislosti mezi tvrdostí a pevností v tlaku, a současně s vývojem vrtací techniky došlo postupem času k příklonu k jádrovým vývrtům jako hlavní (referenční) metodě pro stanovení pevnosti v tlaku betonu v konstrukci. Jasně se to projevilo v původním vydání normy ČSN EN 13791 [3], která byla přijata v roce 2007. Tato norma zabývající se zkoušením pevnosti v tlaku betonu v konstrukcích a prefabrikovaných dílcích jednoznačně preferovala jádrové vývrty, zatímco nedestruktivní zkoušky až příliš upozadila, resp. prakticky znemožnila jejich efektivní využití kvůli až nepochopitelnému upřesňování pomocí posunu základních křivek, které byly v podstatě vymyšlené a nepodložené výsledky zkoušek [4], [5]. Norma však přinesla kontroverze i v případě vyhodnocování výsledků zkoušek jádrových vývrtů – jak důkladně rozebírají autoři v [6]. Zjednodušený odhad charakteristické pevnosti v tlaku totiž vycházel tím vyšší, čím nižší byl počet jádrových vývrtů. Při méně než 15 odebraných vzorcích vůbec nebyl brán zřetel na rovnoměrnost betonu, nebo chcete-li rozptyl výsledků zkoušek, a vůbec nejlépe pak vycházela pevnost betonu v tlaku stanovená pomocí tří vzorků. Vyhodnocení pevnosti v tlaku nebylo kompatibilní s dalšími normami, zejména ČSN EN 1990 [7] a ČSN ISO 13822 [8], a při malém počtu vývrtů vycházelo podstatně lépe, až na stranu nebezpečnou [6].

Nyní vyšla ČSN EN 13791 znovu, s účinností od 1. března 2020, a prozatím pouze v anglické verzi. Po předchozích zkušenostech jsme očekávali kosmetické změny a nevyhnutelné zklamání. Ale překvapivě se zklamání nedostavilo, neboť nová norma pro zkoušení pevnosti betonu v konstrukcích je napsána velmi dobře, má hlavu i patu, využívá statistické nástroje a kromě výrazného zlepšení ve vyhodnocování zkoušek jádrových vývrtů vrací řekněme důstojnou a smysluplnou roli i nedestruktivním zkouškám. Jádrové vývrty jsou nadále nutným základem, ovšem zejména u větších konstrukcí jsou nedestruktivní zkoušky efektivním a levnějším nástrojem pro získání statisticky potřebného množství výsledků.

Následující text nemá být podrobným návodem, na to je norma příliš obsáhlá, ale spíše avízem přicházejících změn, na jejichž přijetí odbornou veřejností bude samozřejmě zapotřebí určitý čas.

Norma pojednává o zjišťování pevnosti v tlaku betonu v konstrukcích pomocí přímých metod (zkoušky jádrových vývrtů) a nepřímých metod (ultrazvukové rychlosti a odrazových tvrdoměrů). K nejvýznamnějším změnám proti předchozímu vydání patří:

Základem pro stanovení pevnosti betonu v tlaku je odběr, vyšetření a zkoušení jádrových vývrtů podle ČSN EN 12504 – 1 [10]. Takto získaná pevnost v tlaku je v anglickém znění normy označena fc,core. Rozlišuje se f_c,1:1core nebo f_c,2:1core podle štíhlostního poměru délky k průměru zkušebního tělesa, zjednodušeně pevnost v tlaku krychelná (1 : 1) a válcová (2 : 1). Z původního znění normy známe pevnost v tlaku in situ f_c,is. Ta je nově implicitně vyjádřena jako pevnost jádra 2 : 1, tedy válcová pevnost. Můžeme zkoušet i tělesa se štíhlostním poměrem 1 : 1, pro přepočet jader 1 : 1 a 2 : 1 je v normě uveden korekční faktor CLF (core length factor), který má pro obyčejné a těžké betony hodnotu 0,82. Pro přepočty jiných štíhlostních poměrů nejsou v normě stanoveny žádné pokyny. Pro srovnání – u nás jsme doposud používali koeficient štíhlosti dříve uvedený v normě ČSN EN 12390 – 3 [11], který měl pro přepočet z vývrtů 1 : 1 na 2 : 1 hodnotu 0,85, pro mezilehlé hodnoty štíhlosti od 1,0 do 2,0 byl dán výpočtovým vzorcem. V novém vydání této normy [12] však již tyto informace nejsou.

Zřejmě nejvýraznější změnou je však požadovaný průměr jádrového vývrtu. Základním tělesem je samozřejmě válec o průměru 150 mm a výšce 300 mm, ovšem jako rovnocenný byl brán i vývrt o průměru 100 mm. Ještě dnes jsou necitlivě požadovány jádrové vývrty o průměru 150 mm bez ohledu na zásah do konstrukce, přítomnost výztuže a obtížnou přípravu zkušebních těles. Nové znění normy jde však ještě dál, neboť pevnost v tlaku in situ fc,is má být zjišťována na jádrech 2 : 1 o průměru ≥ 75 mm! Podle našeho názoru je to správný krok, neboť vývrty o průměru 75 mm jsou hojně odebírány již nyní jako vhodný kompromis mezi co nejmenším oslabením konstrukce a hustotou vyztužení na straně jedné a velikostí zrn kameniva na straně druhé. Vždy je k tomu nutné přistupovat s rozumem, neboť stále platí, že průměr vývrtu by měl být alespoň třikrát větší než největší velikost zrn kameniva, jinak to může mít značný vliv na dosažené hodnoty pevnosti v tlaku. Je zřejmé, že u nových konstrukcí s mezní frakcí kameniva 16 mm (velikost zrn cca 25 mm) bude průměr vývrtu 75 mm vyhovující, zatímco u mezní frakce 22 mm (velikost zrn cca 35 mm) bude vhodnější zvolit průměr vývrtu 100 mm. U starších konstrukcí často nevyhovuje ani větší průměr, neboť rozmanitost kameniva je značná jak z hlediska tvaru, tak i velikosti.

Není-li kvůli hustotě výztuže možné použít jádra o průměru ≥ 75 mm a použijí se jádra menší (nejméně však o průměru 50 mm), je zapotřebí zvýšit počet zkoušek nebo počet zkušebních míst. Pro získání jednoho výsledku pevnosti v tlaku na jednom zkušebním místě je zapotřebí buď jedno zkušební těleso z vývrtu o průměru ≥ 75 mm, anebo tři zkušební tělesa z vývrtů (vývrtu) o průměru 50 mm. V případě průměru jádrového vývrtu někde mezi 50 a 75 mm se počet vývrtů stanoví interpolací.

Při diagnostice betonových konstrukcí je zcela zásadní zjištění rovnoměrnosti betonu, a to jak u jednotlivých prvků (např. vlastnosti betonu po výšce sloupu), tak v rámci logického stavebního celku (např. sloupů v jednom podlaží objektu), a nakonec i v rámci celé nosné konstrukce. Pokud např. zjistíme, že v posledním podlaží je kvalita betonu sloupů horší než v ostatních, pak bychom tuto zkušební oblast měli vyčlenit a posoudit zvlášť. Stává se to velmi často zejména u starších konstrukcí, neboť tyto sloupy nesly „jenom“ střechu, takže se na nich šetřilo (pozor – v případě pozdější nadstavby objektu již nejsou v posledním podlaží). To však není jediný případ, s rozdílnou kvalitou betonu v různých částech konstrukce bychom měli počítat vždy.

Původní vydání normy [3] bohužel rovnoměrnost betonu opomíjelo a neobsahovalo prakticky žádné statistické nástroje pro její hodnocení. Nové vydání [1] je v tomto směru výrazně lepší. V prvé řadě definuje zkušební oblast jako jeden nebo několik podobných konstrukčních prvků nebo prefabrikovaných betonových dílců, o nichž je známo nebo se předpokládá, že jsou vyrobeny z betonu se stejnými složkami a stejnou třídou pevnosti v tlaku. Dále definuje malou zkušební oblast – tedy dostatečně malou na to, aby změny v pevnosti v tlaku in situ byly dány spíše proměnlivostí zkoušek a lokalizací zkušebních míst než změnami v kvalitě dodávaného betonu.

V každém případě pokud se jedná o různé betony z hlediska návrhu (pevnostní třídy), musí být rozděleny na samostatné zkušební oblasti. Není-li pevnost betonu známa, posoudí se výsledky zkoušek pro skupinu prvků, zda se nejedná o dva druhy betonu – např. pomocí t‑testu se určí, zda se střední hodnoty pevnosti významně liší. Pokud se ukáže, že jsou střední hodnoty pevnosti výrazně odlišné, údaje se rozdělí do dvou zkušebních oblastí, v opačném případě se soubor údajů považuje za jednu zkušební oblast.

Často se stává, že se v souboru výsledků z jedné zkušební oblasti (kde je očekávána stejná pevnostní třída) vyskytují podezřele nízké, nebo naopak vysoké hodnoty pevnosti v tlaku. Takové výsledky by měly být zkontrolovány, zda nejsou statisticky odlehlé, např. posouzením rozdílu mezi nejvyšším a nejnižším výsledkem zkoušek a průměrem všech výsledků. V případě normálního rozdělení lze použít Grubbsův test odlehlých hodnot, jehož kritické hodnoty jsou v normě uvedeny ve formě tabulky. Pokud se potvrdí, že jeden nebo více výsledků jsou statisticky odlehlé hodnoty, provede se opatření, které je však věcí technického úsudku. Při vyřazení takových hodnot ze souboru se ovšem vždy musí vyřazené místo posoudit zvlášť. Typickým příkladem z praxe je hodnocení pevnosti v tlaku betonu prefabrikovaných mostních nosníků. Pevnost v tlaku betonu krajních nosníků často vychází výrazně horší než u nosníků vnitřních, neboť vnější nosníky jsou ve větší míře vystaveny povětrnostním vlivům a beton již může být narušen degradačními procesy. Ponechání hodnot v souboru by znamenalo nesprávné snížení pevnostní třídy pro celou nosnou konstrukci. Stav krajních nosníků je třeba vyhodnotit samostatně.

Cílem je zjistit pevnost betonu v existující (neznámé) konstrukci, a to třemi různými způsoby:

Nejprve se vždy všechny hodnoty testují s cílem zajištění jejich platnosti. Pokud konstrukci posuzujeme pouze na základě jádrových vývrtů, pak s výjimkou malých zkušebních oblastí je odhad charakteristické pevnosti v tlaku in situ založen minimálně na:

Poznámka: Hodnoty získané na 50mm jádrech neslouží k odhadu pevnosti na jednotlivých místech (to by musely být získány tři výsledky zkoušek na každém místě), ale pouze k zhodnocení celé zkušební oblasti. Minimální počet osm (nebo dvanáct menších) vývrtů samozřejmě platí pro zkušební oblast ze „stejného“ betonu, v případě pochybností se musí navýšit.

Charakteristická pevnost v tlaku in situ fck,is se odhadne jako menší hodnota z:

f_ck,is = f_c,m(n),is — k_ns (1)

nebo

f_ck,is = f_c,is,lowest + M, (2)

kde f_ck,is je charakteristická pevnost v tlaku betonu v konstrukci, f_c,m(n),is průměrná pevnost betonu v tlaku stanovená na n počtu vývrtů, f_c,is,lowest nejmenší pevnost zjištěná na vývrtech, s výběrová směrodatná odchylka pevností vývrtů nebo hodnota směrodatné odchylky odpovídající variačnímu koeficientu 8 % (bere se vyšší z obou hodnot), k_n součinitel závislý na počtu vývrtů n (tab. 1) a M hodnota založená na hodnotě f_c,is,lowest (tab. 2).

Platí jedna důležitá výjimka pro počet vývrtů – v případě malé zkušební oblasti, která obsahuje jeden až tři prvky a jejíž celkový objem nepřesahuje přibližně 10 m³, se odeberou nejméně tři jádra o průměru ≥ 75 mm včetně nejméně jednoho jádra z každého prvku ve zkušební oblasti. Pokud se jednotlivé výsledky zkoušek z minimálně tří vývrtů neliší o více než 15 % od průměrné hodnoty tohoto souboru dat, pak se pro posouzení konstrukce vezme nejnižší hodnota jako charakteristická pevnost v tlaku f_ck,is. Platí tedy vztah:

f_ck,is = f_c,is,lowest . (3)

Pokud se alespoň jeden výsledek liší od průměrné hodnoty o více než 15 %, znamená to, že je třeba získat více informací o testované oblasti (jinak řečeno musíme zvýšit počet zkoušek).

V další části norma řeší stanovení pevnosti v tlaku na základě kombinace nedestruktivních zkoušek (tvrdoměrných a ultrazvukových) a jádrových vývrtů. Tato kapitola vyžaduje důkladné porovnání s normou ČSN 73 2011 [2], a proto se jí zde nebudeme podrobně věnovat. Lze však konstatovat, že i v této oblasti došlo k výraznému zlepšení, neboť:

Poslední důležitá poznámka se týká zatřídění betonu. Pokud se jedná o posouzení neznámého betonu v existující konstrukci, pak se prokazuje plná hodnota charakteristické pevnosti betonu v tlaku pro danou třídu!

Tato kapitola se týká vysloveně konstrukcí ve výstavbě, kdy mohou vzniknout pochybnosti o kvalitě dodávaného betonu (zejména nevyjdou-li kontrolní zkoušky), vzniknou problémy při betonáži anebo dojde k nějaké výjimečné události na stavbě. Je třeba zdůraznit, že odběr jádrových vývrtů z betonu nově budované konstrukce by měl být až krajní možností pro ověření jeho kvality.

Zkoumaný beton může být rozdělen do zkušebních oblastí, které by neměly překročit objem přibližně 180 m³. Každá zkušební oblast se rozdělí na objemy cca do 30 m³. Minimální počet zkušebních míst (z každého odebrán jeden vývrt) je uveden v tab. 3.

Hodnota f_ck,spec udává příslušnou charakteristickou pevnost v tlaku podle ČSN EN 206 [13]. Pro pevnost stanovenou na vývrtu 2 : 1 a pevnostní třídu C30/37 je f_ck,spec = 30 MPa. Např. pokud bude mít sledovaná oblast objem 140 m³, pak ji lze rozdělit na pět částí o objemu do 30 m³. Znamená to, že pro posouzení pevnostní třídy bude zapotřebí provést deset jádrových vývrtů o průměru ≥ 75 mm. Hodnota M byla uvedena v tab. 2 – pro pevnostní třídu C20/25 a vyšší je M = 4 MPa, pro nižší pevnostní třídy je redukována na 1 až 3 MPa (v praxi ale zřejmě nebudou tímto způsobem příliš často posuzovány betony pevnostní třídy nižší než C20/25).

Podobná kritéria s odlišným počtem výsledků zkoušek jsou dána i pro kombinaci nepřímých metod s vývrty.

Co říci závěrem? Nové vydání normy ČSN EN 13791 přineslo řadu změn, které lze v naprosté většině bodů hodnotit pozitivně. Úpravy týkající se průměru jádrových vývrtů a zejména jejich počtu jsou racionální, navíc se vrací důstojná role i nepřímým (nedestruktivním) metodám. Kladně lze hodnotit i oddělení dvou základních problémů diagnostiky betonových konstrukcí – zjištění pevnostní třídy betonu existující konstrukce (starší) a ověření pevnostní třídy nově betonované konstrukce v případě pochybností – oba případy se liší jak počtem požadovaných zkoušek, tak i kritérii hodnocení charakteristické pevnosti. Neméně důležité jsou i statě o lokalizaci zkušebních míst a testování odlehlých hodnot. Objevují se samozřejmě i první reakce na novou normu, připomínky se týkají zejména „příliš“ velkého množství jádrových vývrtů. Při důsledném využívání nedestruktivních metod však bude možné počet vývrtů omezit na nezbytně nutné minimum.

Doufejme, že se brzy dočkáme i českého překladu této bezesporu důležité normy, již nyní ji však lze hodnotit jako přínosnou.