Nośność kotew chemicznych w elementach wapienno‑piaskowych

Kotwy chemiczne (wklejane) należą współcześnie do najbardziej popularnych metod kotwienia. Istotnymi zaletami tej metody są:

• nieskomplikowany montaż,
• niewysoki koszt w porównaniu z innymi metodami
• oraz możliwość stosowania w przypadku podłoży o niskiej nośności.

Największą niedoskonałością jest konieczność zachowania wysokiego poziomu reżimu technologicznego podczas realizacji prac związanych z montażem, w szczególności konieczność precyzyjnego oczyszczenia otworu, by zapewnić pełen kontakt między żywicą a materiałem podłoża.

Prześwietlenie miejsca osadzenia kotew przy użyciu promieniowania rentgenowskiego [1-2] w celu oceny stopnia zespolenia trzpienia stalowego z lepiszczem oraz lepiszcza z podłożem, jak również oceny kształtu materiału wypełniającego przygotowane otwory, jest metodą skuteczną i umożliwia uzyskanie wiarygodnych informacji co do prognozowanej skuteczności osadzenia kotew. Możliwe jest to jednak jedynie w skali laboratoryjnej [3-5].

Z zagadnieniem nośności kotew można spotkać się podczas eksploatacji budynków, gdy zachodzi konieczność osadzenia kotew w istniejącym murze otynkowanym lub ocieplonym materiałem termoizolacyjnym [6]. Powstają wówczas wątpliwości, czy należy dążyć do tego, aby osadzić kotwy w pełnościennych fragmentach muru i czy osadzenie w miejscu lokalizacji otworu pionowego pozostaje bez wpływu negatywnego na nośność kotew.

Aktualnie w literaturze brakuje analiz wpływu otworowania pionowego na nośność kotew chemicznych (wklejanych) w odniesieniu do elementów drobnowymiarowych, jakimi są wyroby wapienno-piaskowe w postaci bloków drążonych pionowo.

Celem artykułu jest ocena wpływu usytuowania miejsca montażu kotew chemicznych (wklejanych) w drążonych bloczkach wapienno-piaskowych na ich nośność, a także określenie mechanizmu zniszczenia kotew dla przyjętych lokalizacji ich montażu.

Opis metod badawczych

Podczas doświadczeń zastosowano dwie metody badawcze:

• promieniowanie rentgenowskie
  

Promieniowanie rentgenowskie [4, 7-8] jest diagnostyczną metodą bezinwazyjną i należy do radiografii konwencjonalnej, w której wymagana jest ekspozycja analizowanej próbki na promieniowanie jonizujące (promieniowanie rentgenowskie), określane też w literaturze jako promieniowanie X.

Otrzymywany obraz jest cieniem próbki, która pochłania częściowo lub całkowicie promieniowanie generowane przez lampę rentgenowską. Otrzymywany obraz jest negatywem próbki, to znaczy, że obszary białe (mniej zaciemnione) odpowiadają obszarom struktury próbki, które bardziej od pozostałych pochłaniają promieniowanie.

Często spotyka się również wyniki eksperymentów obrazowanych jako pozytywy. To znaczy, że fragmenty próbek charakteryzujące się mniejszym zagęszczeniem (ewentualnie mniejszą grubością lub mniejszą gęstością), przez które przedostaje się promieniowanie, są wizualizowane jako elementy jaśniejsze, natomiast fragmenty charakteryzujące się podwyższonym zagęszczeniem widoczne są jako ciemniejsze.

• oraz metodę pull-out.

Test pull-out jest diagnostyczną metodą destrukcyjną polegającą na wyrywaniu elementu osadzonego z podłoża z jednoczesnym szacowaniem siły potrzebnej do zniszczenia połącznia między osadzonym elementem a podłożem. Algorytm pomiarów z zastosowaniem tej metody opisany został m.in. w [9].

Stanowisko badawcze

Badania przeprowadzono na próbkach wykonanych poprzez osadzenie prętów stalowych w blokach wapienno-piaskowych drążonych pionowo klasy 20, umożliwiających wykonanie przegród pionowych o odporności ogniowej REI240/EI240, przy zachowaniu izolacyjności akustycznej R_A1 = 54 dB, R_A2 = 51 dB, R_W = 56 dB.

• Zastosowane bloki miały wymiary 240×333×199 mm i posiadały 2 pionowe otwory przelotowe o średnicy 40 mm, rozmieszczone w odległości 80 mm (krawędź otworu) od zewnętrznej płaszczyzny poprzecznej bloczka.
• Podczas badań wykorzystano bloki należące (zgodnie z wymaganiami normy [10]) do grupy 1 i kategorii I elementów.
• Użyto prętów stalowych M10 ze stali węglowej S235JR długości 150 mm, przy czym fragmenty długości 120 mm zostały wprowadzone w podłoże.
• Do osadzenia prętów zastosowano dwuskładnikową żywicę poliestrową do podłoży murowanych.
• Dla właściwego (równomiernego) rozprowadzenia żywicy w wykonanych otworach zastosowano tuleje siatkowe 15×125 mm.
• W celu przeprowadzenia doświadczeń wybrane zostały 3 przekroje:
  - w części pełnościennej (FOT. 1) (patrz: zdjęcie główne po lewej),
  - w środku otworu pionowego (FOT. 2) (patrz: zdjęcie główne - w środku)
  - na krawędzi otworu pionowego (FOT. 3) (patrz: zdjęcie główne - po prawej).
• Dla potrzeb badań rentgenowskich po osadzeniu prętów stalowych z bloków wapienno-piaskowych wycięto próbki o wymiarach 240×120×199 mm. Przygotowane (docięte) próbki miały jednakowe wymiary dla wszystkich przypadków zakotwienia prętów stalowych. Dla każdego z przypadków lokalizacji prętów stalowych przygotowano 1 próbkę, całkowita liczba przygotowanych próbek wynosiła 3.
• Dla potrzeb testów ­pull-out przygotowano po 4 próbki dla każdego przypadku osadzenia trzpienia stalowego. Całkowita liczba przygotowanych do badań pull-out próbek wynosiła 12. W trakcie przeprowadzonych badań zastosowano medyczny aparat rentgenowski (FOT. 4-6).
  Podczas doboru parametrów urządzenia pomiarowego uwzględniono zalecenia oraz wyniki doświadczeń zamieszczone w [4, 11-12].
• Podczas testów pull-out zastosowano urządzenie umożliwiające wytworzenie siły wyrywającej do 145 Kn.
• Otwory do osadzenia kotew wykonano w pozycji wertykalnej (pionowej), natomiast ich oczyszczenie poprzez przedmuchanie i odkurzenie oraz samo osadzenie trzpieni stalowych wykonano w pozycji horyzontalnej (poziomej), tak aby w sposób jak najbardziej wiarygodny odzwierciedlić rzeczywiste warunki osadzania kotew chemicznych (wklejanych). Doświadczenia wykonano jedynie dla przypadku osadzenia pojedynczej kotwy, nie przebadano nośności kotew w grupie.
  
  Otwory do osadzenia tulei siatkowych wykonano wiertłem o średnicy 16 mm, a ich głębokość w przypadku podłoża pełnościennego wynosiła 130 mm. Umożliwiło to wykonanie kotwienia na głębokość 125 mm, co było równe, zgodnie z zaleceniami producenta żywicy, głębokości kotwienia maksymalnego h_{nom, max} (h_{eff max}). Dla zastosowanych kotew standardowa głębokość kotwienia wynosiła h_{nom, stand} (h_{eff, min}) = 85 mm.
  W przypadku otworów wykonywanych w osi symetrii oraz na krawędzi otworów pionowych grubość ściany bloku wapienno-piaskowego wynosiła 100 mm.

Wyniki badań

Badania doświadczalne z zastosowaniem promieniowania rentgenowskiego przeprowadzono dla przypadku ekspozycji horyzontalnej oraz wertykalnej ( FOT. 7-12 ). Wyniki pokazały zespolenie między trzpieniami stalowymi a żywicą, jak również między żywicą a podłożem.

Szczegółowy opis wyników badań z zastosowaniem promieniowania rentgenowskiego zamieszczono w [5].

W przypadku doświadczeń z prętami osadzonymi w części pełnościennej uśredniona wartość siły wyrywającej będąca średnim obciążeniem niszczącym F_{Ru, m} wynosiła 3,60 kN, przy czym największa siła wynosiła 3,80 kN, a najmniejsza 3,40 kN ( TABELA ).

Podczas doświadczeń z prętami osadzonymi w środku otworu pionowego nastąpił zdecydowany wzrost siły niszczącej, którego uśredniona wartość wynosiła 13,60 kN, najmniejsza siła niszcząca wynosiła 12,90 kN, a największa 14,20 kN.

W przypadku doświadczeń z prętami osadzonymi na krawędzi otworu pionowego charakteryzowały się one dużym rozrzutem - ich uśredniona wartość wynosiła 10,15 kN, przy czym najmniejsza siła niszcząca wynosiła 6,65 kN, a największa 13,65 kN.

Analiza wyników badań

Na FOT. 13-20 przedstawiono wyniki badań.

Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń stwierdzono, że podczas doświadczeń wystąpiły 2 mechanizmy zniszczenia zakotwienia prętów stalowych:

• mechanizm (1) - zniszczenie połącznia w miejscu styku trzpienia z żywicą (tzw. wysunięcie pręta),
• mechanizm (2) - zniszczenie połączenia w miejscu styku żywicy z podłożem (tzw. wyrwanie pręta).

Katalog techniczny producenta żywicy zastosowanej podczas doświadczeń zawierał wyniki nośności prętów stalowych zakotwionych w elementach wapienno-piaskowych tylko dla przypadku zakotwienia prętów w blokach o wymiarach 240×238×238 mm, które posiadają centralnie rozmieszczony 1 pionowy otwór przelotowy o średnicy 40 mm.

Brak było jakiejkolwiek informacji na temat wpływu otworowania rozumianego jako drążenie pionowe na nośność kotew chemicznych (wklejanych). Dla tego wyrobu wartość średniego obciążenia niszczącego F_{Ru, m} wynosiła 5,11 kN i była najwyższą wartością spośród zamieszczonych w katalogu technicznym.

W przypadku pręta stalowego osadzonego w części pełnościennej bloku wapienno-piaskowego zniszczenie nastąpiło dla F_{Ru, m} = 3,60 kN ( TABELA ). Dla tego przypadku osadzenia prętów we wszystkich przebadanych próbkach zniszczenie nastąpiło według mechanizmu (2) - poprzez wyrwanie pręta, wokół którego wyklinował się stożek odłamu silikatu.

Pochylenie pobocznicy stożka wynosiło ~40°. Zniszczenie połączenia żywica–podłoże miało charakter sygnalizowany - widoczne było sukcesywne wypiętrzanie się stożka podczas wyrywania.

Dla przypadku osadzenia pręta stalowego w osi otworu przelotowego pojawił się (1) mechanizm zniszczenia poprzez wysunięcie pręta. Podobnie jak w przypadku mechanizmu (2), również w tym przypadku zniszczenie miało charakter sygnalizowany.

Zniszczenie połącznia trzpień–żywica było jednakowe (równomierne) wzdłuż całej długości wyciągniętego pręta stalowego.

W przypadku zniszczenia poprzez wysunięcie pręta zniszczenie nastąpiło dla F_{Ru, m} = 13,75 kN. Przyczyną tak znaczącego wzrostu nośności było wytworzenie się bryły żywicy wzdłuż pionowego drążenia, które po zastygnięciu stanowiło dodatkowe zakotwienie dla pręta stalowego, uniemożliwiające wyrwanie elementu stalowego z bloku silikatowego.

Dla przypadku osadzenia pręta stalowego na krawędzi otworu przelotowego pojawił się zarówno (2), jak też (1) mechanizm zniszczenia. W przypadku zniszczenia poprzez wysunięcie pręta (1) nastąpiło ono dla F_{Ru, m} = 13,65 kN.

Prawdopodobną przyczyną wzrostu nośności jest wytworzenie się niesymetrycznej bryły żywicy wzdłuż pionowego drążenia, która po zastygnięciu uniemożliwiała wyrwanie się elementu stalowego z bloku silikatowego. W przypadku zniszczenia według mechanizmu (2) poprzez wyrwanie pręta nastąpiło ono dla F_{Ru, m} = 6,65 kN.

Należy zauważyć, że siły wyrywające dla mechanizmu (2) były ~85% większe od wartości sił uzyskanych przy osadzeniu prętów stalowych w części pełnościennej pustaków.

Jednocześnie pochylenie pobocznicy stożka było mniejsze i wynosiło ~55°, co wyraźnie wskazywało na tendencje do zniszczenia według mechanizmu (1) w przypadku kotwienia w strefach przy pionowych otworach drążonych, gdzie część siły wyrywającej przejmuje bryła żywicy tworząca się w pionowym kanale.

Siły wyrywające dla występującego w tej lokalizacji prętów mechanizmu (1) były nieznacznie niższe od sił dla przypadku osiowego zakotwienia pręta stalowego w otworze pionowym. Powyższe wyniki potwierdzają tezę, że poprawnie ukształtowana żywica w pionowym kanale zwiększa nośność zakotwienia ze względu na wytworzenie się dodatkowej bryły kotwiącej działającej jak zawłoka.

Skuteczność montażu kotew chemicznych - wnioski

Metoda promieniowania rentgenowskiego umożliwia oszacowanie poprawności montażu kotew chemicznych (wklejanych) w blokach wapienno-piaskowych. Możliwa jest jednak do stosowania wyłącznie w skali laboratoryjnej, ze względu na brak możliwości wygenerowania wiązki promieniowania rentgenowskiego w kierunku prostopadłym do osadzonych kotew, zamontowanych w elementach konstrukcyjnych w skali naturalnej.

Montaż kotew chemicznych (wklejanych) w kierunku prostopadłym do drążonych pionowo kanałów nie powoduje negatywnego spadku ich nośności. Kotwy zakończone poprawnie uformowaną bryłą żywicy, przyległą do ścian wewnętrznych kanałów pionowych, charakteryzują się zwiększoną nośnością ze względu na fakt, że żywica stanowi dodatkowe zakotwienie oraz działa jak zawłoka przytrzymująca pręt stalowy.

Literatura

1. A.R. Potter i in., "X-ray images of defect formation in porcelain ceramics during drying", "NDT&E", nr 36/2001, s.77–83.
2. M. Kuroda, S. Yamanaka, Y. Isobe, "Detection of plastic deformation and estimation of maximum value of residual stress in low carbon steel by X-ray stress analysis using statistical techniques", "NDT&E", nr 36/2001, s.77–83.
3. L. Kukiełka, "Podstawy badań inżynierskich", PWN, Warszawa 1997.
4. M. Niedostatkiewicz, "Badania deformacji w materiałach sypkich podczas dynamicznego przepływu w silosach", Monografia. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, 145, s. 1-371, Gdańsk 2014.
5. M. Niedostatkiewicz, J. Haras, "Zastosowanie promieniowanie rentgenowskiego w diagnostyce montażu kotew wklejanych", "Materiały Budowlane", 12/2015, s. 39-42.
6. M. Substyk, "Utrzymanie i kontrola okresowa obiektów budowlanych", Wydawnictwo ODDK, Warszawa 2012.
7. G.-R. Tillack, C. Nockemann, C. Bellon, "X-ray modeling for industrial applications", "NDT&E", 33/2000, s. 481-488.
8. E. Badel, P. Perre, "Using a digital X-ray imaging device to measure the swelling coefficients of a group of wood cells", "NDT&E", nr 34/2001, s. 345-353.
9. PN-EN 12504-3:2006, "Badania betonu w konstrukcjach. Część 3: Oznaczanie siły wyrywającej".
10. PN-EN 771-2:2011, "Wymagania dotyczące elementów murowych. Część 2: Elementy murowe silikatowe".
11. N. Rahmanian, M. Ghadiri, X. Jia, F. Stepanek, "Characterisation of granule structure and strength made in a high shear granulator", "Powder Technology", nr 192/2009, s. 184-194.
12. R. Caulkin i in., "Simulations of structures in packed columns and validation by X-ray tomography", "Ind. Eng. Chem. Res.", nr 48/2009, s. 202-213.
13. Katalog techniczny Koelner. Edycja 10

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!