obr1Pri posudzovaní existujúcej konštrukcie sa kladie dôraz na bezpečné fungovanie konštrukcie v priebehu prevádzkovej životnosti stanovenej pri výrobe. Posudzovanie prevádzkyschopnosti je založené predovšetkým na výsledkoch hodnotenia rizík a zaťažovacích účinkov, ktoré možno očakávať a na zohľadnení vlastností materiálu a geometrie (tvaru) vzhľadom na súčasný stav konštrukcie.
Pri každom hodnotení konštrukcie nastáva problém stanovenia prijateľnosti rizík, pretože musia byť v zhode s práve platnými normami pre danú konštrukciu.

SPÔSOBY HODNOTENIA KONŠTRUKCIE
Spôsoby hodnotenia, resp. posudzovania konštrukcie môžu byť rozdelené do štyroch fáz:

FÁZA I. PREDBEŽNÉ HODNOTENIE
Cieľom je odstrániť existujúce pochybnosti o bezpečnosti konštrukcie pomocou jednoduchých metód a identifikácia kritických častí alebo členov konštrukcie. To sa vykonáva zbieraním informácií o konštrukcii, ako výkresová dokumentácia, konštrukčné výpočty, prehliadka konštrukcie a pod. Hodnotenie vykonáva odborník.

FÁZA II. PODROBNÉ VYŠETROVANIE
Cieľom je aktualizovať informácie o konštrukcii a vykonať posudzovania len jednotlivých členov konštrukcie so zistenou zníženou bezpečnosťou. To sa robí kvantitatívnou kontrolou pri prevádzke zariadenia, použitím aktualizovaných hodnôt zaťažovania, odolnosti, ako aj vytvorením presnejších modelov. Na posúdenie sú prizvaní technici a špecializovaní odborníci.

FÁZA III. EXPERTNÉ VYŠETROVANIE
Tím odborníkov by mal byť vyzvaný, aby poskytol stanovisko k záverom získaným kontrolou a mal by dať návrhy na odstránenie možného rizika straty spoľahlivosti. Môžu sa uskutočniť ďalšie posúdenia za použitia špecifických nástrojov (napr. pravdepodobnostné metódy, metódy lomovej mechaniky a pod.) ako aj diskusia za účelom pomoci pri rozhodovaní.

FÁZA IV. NÁPRAVNÉ OPATRENIA
Cieľom je navrhnúť opatrenia, ktoré majú zlepšiť bezpečnosť prevádzky konštrukcie. Môžu byť prijaté rôzne opatrenia, ako napríklad zintenzívnenie sledovania konštrukcie, zníženie zaťažovania, zmeny v používaní, posilnenie zoslabených častí, opravy, rehabilitácie a pod. Výber opatrení, ktoré majú byť prijaté, sú funkciou štúdie konštrukcie, ale musia dať dôkaz o primeranosti opatrenia na zaistenie jej bezpečnosti.
Problém hodnotenia konštrukcií v dnešnej dobe nadobudol väčší význam. Súčasná finančná situácia núti vlastníkov či prevádzkovateľov predlžovať životnosť existujúcich konštrukcií a zariadení. Tým prevádzkovateľ čelí dvom hlavným výzvam:
1. Potrebe ďalšieho pokračovania bezpečnej prevádzky,
2. Nákladom efektívnej údržby.
Konštruktér musí preto ponúknuť bezpečné a nákladovo efektívne metódy hodnotenia a údržby.
Proces posudzovania bezpečnosti konštrukcie sa môže začať z rôznych príčin. Tento proces môže byť charakterizovaný nasledujúcimi krokmi:

DÔVOD POSUDZOVANIA
Posúdenie môže by iniciované z rôznych dôvodov:
1. Vývoj podmienok pre použitie. Zvýšené zaťaženie, zvýšenie rozloženia zaťaženia a pod. Vo všetkých prípadoch musí byť posúdenie únosnosti vykonané pred posúdením únavovej bezpečnosti.
2. Výnimočné prípady, vyskytujúce sa počas prevádzky (napr. vplyv zemetrasenia, záplavy a pod.), právne dôvody. Dosiahnutie definovanej alebo odhadovanej prevádzkovej životnosti.
3. Pozorované opotrebovanie. Chyby alebo poškodené časti, nárast deformácií, zvýšené vibrácie, výskyt korózie a pod.

IDENTIFIKÁCIA KRITICKÝCH DETAILOV (MIEST)
Zahŕňa hľadanie informácií o konštrukcii (výkresy, konštrukčné výpočty, protokoly predchádzajúcich revízií). Ďalej návštevu na mieste konštrukcie – vizuálna a kvalitatívna kontrola – zisťovanie skutočného stavu konštrukcie) a spôsob, ako klasifikovať kritické súčasti.
Ak nie je dokázaná dostatočná bezpečnosť každého člena konštrukcie, je potrebné posudzovanie podľa kroku II.
Následným krokom je návrh rôznych postupov riešenia problému na základe získaných výsledkov. Obsahuje aktualizácie, nápravné opatrenia, posilnenie, monitorovania a pod. V prípade potreby, alebo ak sú následky poruchy veľké, je možná dohoda o spolupráci s iným tímom odborníkov. Znova je cieľom navrhnúť možné stratégie zahŕňajúce opatrenia na nápravu poškodenia, prípadne monitorovanie, spevnenie, oprava. Na záver je to analýza nákladov a výnosov. Náklady a výnosy jednotlivých opatrení na zvyškovú prevádzkovú životnosť a/alebo stupeň bezpečnosti možno stanoviť a porovnať. Stratégiu pre dosiahnutie optimálnych nákladov je potrebné nájsť.

obr2
Obr. 1: Spôsoby posudzovania konštrukcie

 

POSTUP ÚNAVOVÉHO HODNOTENIA EXISTUJÚCICH KONŠTRUKCIÍ
Únava je špecifický prípad poškodenia, ktorý má veľký význam pri posudzovaní existujúcej konštrukcie. Zo všeobecnej schémy postupu posudzovania konštrukcie na obr. 1 môže byť odvodený postup posudzovania na únavu znázornený na obr. 2, podľa ktorého možno posudzovanie na únavu rozdeliť do jednotlivých fáz.

obr3
Obr. 2: Postup posudzovania konštrukcie na únavu

 

FÁZA I. PREDBEŽNÉ HODNOTENIE
Cieľom predbežného hodnotenia je odstrániť existujúce pochybnosti o bezpečnosti konštrukcie pomocou pomerne jednoduchých metód identifikácie kritických častí alebo konštrukčných prvkov. Hodnotenie vykonáva odborník. Na identifikáciu kritických častí konštrukcie (kritická únava konštrukčných detailov) je potrebné preštudovať dostupnú dokumentáciu a vykonať vizuálnu kontrolu konštrukcie. Niekedy sú k dispozícii neúplné dokumenty, čo môže byť tiež znakom, že neboli realizované dostatočné únavové výpočty v čase návrhu konštrukcie. Vo všetkých prípadoch, a to aj v prípade dostupnosti všetkých dôležitých dokumentov, je potrebné vykonať kontrolu konštrukcie.
Nemožno sa spoliehať len na výkresovú a výpočtovú dokumentáciu, ale je potrebné získať aj informácie o konštrukcii vo všeobecnosti (ako pracuje a pod.) a zároveň získať informácie o údržbe konštrukcie.
Pri vykonávaní tejto kontroly musia byť dodržané nasledujúce body:
Je konštrukcia vyrobená v súlade s výkresovou dokumentáciou? Ak nie, aké sú rozdiely?
Bola na konštrukcii vykonaná úprava (posilnenie,...)?
Existuje nejaký vizuálny dôkaz poškodenia, znehodnotenia (korózia, trhliny, vibrácie, uvoľnenie skrutiek...)?
V tomto prípade môžu byť užitočné správy z kontrol a údržby konštrukcie. Pre prvú fázu by malo byť predbežné hodnotenie vykonané pomocou platných noriem a odporúčaní, ako pre návrh novej konštrukcie. Tým sa môžu identifikovať dôležité konštrukčné detaily.

FÁZA II. PODROBNÉ VYŠETROVANIE
Cieľom podrobného vyšetrovania je zabezpečiť aktualizáciu informácií získaných vo fáze I. Potom, keď sú známe kritické konštrukčné detaily, t. j. miesta s nižšou hodnotou, možno vypočítať zvyškovú únavovú životnosť konštrukcie.
Tento výpočet je zvyčajne v tvare výpočtu kumulácie poškodenia (obr. 2). Najčastejšie používaná metóda výpočtu je pomocou lineárneho Palmgren-Minerovho pravidla poškodenia.
Zaťaženie môže byť vyššie alebo nižšie ako je návrhová hodnota. Pre návrh sú použité konzervatívne hodnoty stáleho zaťaženia, konvenčné zaťažovacie modely a parciálne súčinitele bezpečnosti (spoľahlivosti) z noriem.

FÁZA III. EXPERIMENTÁLNE VYŠETROVANIE
Kvôli problémom s možnými dôsledkami z hľadiska rizík alebo nákladov by mal tím odborníkov starostlivo overiť závery a návrhy dosiahnuté vo fáze II. Pre overovanie a dosiahnutie rozhodnutia sa vykonávajú rôzne experimentálne merania prebiehajúce priamo na konštrukcii v prevádzke. Pomocou metódy konečných prvkov je možné vytvoriť model reálnej konštrukcie, na ktorom možno sledovať polia napätí a deformácií a lokalizovať tak miesta extrémnych namáhaní pre aplikáciu tenzometrických snímačov. Experimentálnym vyšetrovaním získané údaje o namáhaní konštrukcie slúžia pre diskusie a ďalšie hodnotenia využívajúce špeciálne nástroje, ako mechanizmus lomu, pravdepodobnostné prístupy, funkcia medzného stavu.

FÁZA IV. NÁPRAVNÉ OPATRENIA
Ak žiadne z hodnotení popísaných vyššie neposkytuje dostatok dôvodov na vyradenie konštrukcie z prevádzky, potom musia byť vykonané vhodné nápravné opatrenia. Opravnými opatreniami môže byť napríklad zintenzívnenie kontrol, zníženie zaťaženia, spevnenie konštrukcie, opravy a pod.

ZÁVER
Posúdenie spoľahlivosti existujúcej konštrukcie sa zameriava na dôkazy, že bude bezpečne fungovať v priebehu určenej zvyškovej životnosti. Najväčším nedostatkom pri posudzovaní existujúcej konštrukcie v porovnaní s hodnotením únavy novej konštrukcie je to, že konštrukčné a materiálové informácie nie je potrebné odhadnúť. Získavajú sa priamo zo samotnej konštrukcie. V prvej fáze sa teda zisťujú všetky dostupné informácie o konštrukcii, odkiaľ možno určiť dôvody vzniku únavovej trhliny, miesta ich možného vzniku a možnosti ich identifikovania. Ak informácie o opravách existujúcej konštrukcie nie sú zdokumentované alebo sú zle uvádzané, vyžaduje sa dôkladná kontrola aktuálneho stavu konštrukcie. Vykonanie posúdenia zostatkovej únavovej životnosti konštrukcie si vyžaduje identifikovať kritické konštrukčné detaily. Na posúdenie únavy týchto konštrukčných detailov musia byť známe rozkmity napätia z histórie zaťažovania a počet zaťažovacích cyklov, ktoré vedú k únavovým poruchám.

Poďakovanie
Tento článok bol vytvorený v rámci projektov VEGA 1/0393/14, VEGA 1/0731/16, VEGA 1/0872/16

References
[1] Kühn, B., Lukić, M., Nussbaumer, A., a kol.: Assessment of Existing Steel Structures: Recommendations for Estimation of the Remaining Fatigue Life Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities 2007 – 89 pp.
[2] Kunz, P.: “Probabilistisches Verfahren zur Beurteilung der Ermuedungssicherheit Bestehender Bruecken aus Stahl”, Doctoral thesis N° 1023, Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne, Switzerland, 1992
[3] JCSS (Joint Committee on Structural Safety), “Probabilistic Assessment of Existing Structures”, RILEM Publications, 2001

TEXT/FOTO ING. INGRID DELYOVÁ, PHD., DOC. ING. PETER FRANKOVSKÝ, PHD., STROJNÍCKA FAKULTA, TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH