Zabezpieczenie konstrukcji murowych przed zarysowaniem przez zbrojenie spoin wspornych

Normy projektowania nie podają, niestety, szczegółowych zaleceń odnośnie do kształtowania zbrojenia w ścianach. Większość norm ogranicza się tylko do podania warunku na minimalny procent zbrojenia. Obowiązujące zalecenia normowe w żaden sposób nie ujmują problemu wpływu zbrojenia na nośność i ograniczenie zarysowań. Z tego powodu często dochodzi do zaniechań w stosowaniu zbrojenia w murach. Brak praktyki projektowej i wykonawczej powoduje powszechne niedocenianie wpływu, jaki może mieć zbrojenie na rysoodporność muru.

Zarysowania murowanych ścian niejednokrotnie pojawiają się w pewnych szczególnych miejscach konstrukcji, gdzie dochodzi do tzw. koncentracji naprężeń, czyli tam, gdzie ustalony przebieg trajektorii naprężeń zostaje zaburzony [1-2]. Dlatego rysy występują często w obszarach zmiany geometrii konstrukcji:

• w okolicy otworów okiennych i drzwiowych,
• w miejscach zmiany grubości muru
• oraz w okolicy połączenia prostopadłych ścian, obciążonych nierównomiernie.

Rysy często obserwuje się w okolicy otworów w ścianach. Typowe trajektorie naprężeń ściskających wokół otworu okiennego pokazano na RYS. 1.

Obecnie nad oknami najczęściej wykonuje się nadproża żelbetowe lub nadproża systemowe, co eliminuje konieczność przejmowania przez mur naprężeń rozciągających. Jeżeli nadproże zostanie poprawnie zaprojektowane i mur nad naprożem nie zniszczy się na skutek zginania w płaszczyźnie, to przy dużych naprężeniach ściskających w strefie podparcia nadproża mogą powstać pionowe lub ukośne rysy. Mogą one się one pojawić również pod oknem, na skutek różnicy naprężeń i odkształceń obciążonego i nieobciążonego fragmentu muru ( RYS. 2 ).

Miejscem występowania koncentracji naprężeń są strefy zmiany wysokości i grubości muru nośnego, gdzie często występują spękania ścian [1, 5-8]. W przypadku ścian o różnych wysokościach niższy, mniej obciążony fragment ściany cechuje się mniejszymi odkształceniami i wywiera mniejszy nacisk na grunt - w tym obszarze mniejsze jest osiadanie fundamentów. Ściana dąży do zdylatowania przez zarysowanie w płaszczyźnie zmiany jej wysokości.

Kolejny obszar, w którym można się spodziewać wystąpienia zarysowań, to narożniki ścian i strefy połączeń ścian prostopadłych lub ścian usytuowanych pod kątem. Gdy jedna z takich ścian jest bardziej obciążona niż druga, zarysowania często występują w okolicy ich styku ( RYS. 3 ).

Przypadek taki jest w budownictwie dość powszechny i występuje, gdy w budynkach stosuje się stropy jednokierunkowo zbrojone i dachy oparte na tych samych ścianach co stropy, czyli w obiektach o podłużnych lub poprzecznych układach konstrukcyjnych [1, 9]. Sposobem na przeciwdziałanie pojawieniu się zarysowań w murze może być zastosowanie zbrojenia w spoinach wspornych.

Sposoby zabezpieczania ścian przed zarysowaniem

Na RYS. 4-6 pokazano zaproponowany w pracach [1, 3-4, 6] dwojaki sposób zabezpieczenia strefy podokiennej, w którym proponuje się wykonanie dylatacji lub zastosowanie zbrojenia układanego w spoinach wspornych muru. Właśnie te dwa sposoby są najczęściej stosowane w celu przeciwdziałania wystąpieniu zarysowań ścian.

Dylatacje rozdzielają nierównomiernie obciążone fragmenty ścian i pozwalają na zróżnicowanie ich odkształceń pod obciążeniem. Zadaniem zbrojenia we współczesnych murach jest natomiast przejęcie naprężeń rozciągających i rozładowanie miejsc koncentracji naprężeń oraz wyrównanie odkształceń w strefach muru narażonych na zróżnicowane wartości deformacji [8, 10-12].

Gdy w strefie pod oknem stosuje się zbrojenie, to należy je przedłużać na odległość 50-80 cm poza krawędź otworu. Przy dużych otworach, o szerokości powyżej 2,5 m, można stosować zróżnicowane długości zbrojenia ( RYS. 6 ), przy mniejszych oknach należy zbroić cały pas podokienny ( RYS. 5 ).

W literaturze i instrukcjach opracowanych przez producentów zbrojenia można znaleźć wytyczne dotyczące sposobu zbrojenia konstrukcji murowych (np. stref wokół okien - RYS. 4-6 ).

Normy do projektowania konstrukcji murowych podają minimalne procenty zbrojenia ścian i zalecenia dotyczące otulenia oraz zakotwienia prętów zbrojeniowych. W literaturze oraz w przepisach normowych nie ma natomiast szczegółowych informacji na temat tego, kiedy stosować zbrojenie i jaki ma ono wpływ na powstawanie zarysowań oraz na nośność muru.

Zbrojenia murów dostępne w kraju

Na krajowym rynku dostępne są różne typy zbrojenia przeznaczonego zarówno do stosowania w spoinach cienkich, jak i zwykłych. Należy pamiętać, że norma PN-EN 845-3 [13] zaleca stosowanie zbrojenia do spoin wspornych w postaci drabinek, kratowniczek, siatek plecionych i siatek ciętociągnionych. Najczęściej stosowane są zbrojenia w formie kratowniczek. Do cienkich spoin stosuje się kratowniczki typu Murfor EFS [14-15], wykonane z płaskowników 1,5×8 mm, połączonych skratowaniem z drutu o średnicy 1,5 mm. Zbrojenie jest zabezpieczone przed korozją przez cynkowanie ogniowe. Zakres produkowanych szerokości i podstawowe wymiary tego zbrojenia podano w TABELI 1.

Zbrojenie zwykłych spoin wspornych wykonuje się za pomocą kratowniczek Murfor RND [14–15]. W celu odpowiedniego zabezpieczenia przed korozją dostępne one są w wersji ocynkowanej (Z), ocynkowanej z dodatkową powłoką epoksydową (E) oraz ze stali nierdzewnej (S). Zakres produkowanych szerokości i podstawowe wymiary kratowniczek RND podano w TABELI 2.

Alternatywnym rozwiązaniem dla kratowniczek RND są kratowniczki Murfor +Z [14-15] z podłużnymi pasami wykonanymi z prętów żebrowanych. Mają one większą nośność w porównaniu do standardowych kratowniczek RND, a ponadto cechują się odpowiednim wygięciem pręta skratowania, co z jednej strony zapewnia zachowanie właściwej otuliny zbrojenia w spoinie, a z drugiej umożliwia wykonanie połączenia na zakład. Zakres produkowanych szerokości i podstawowe wymiary kratowniczek +Z podano w TABELI 3.

Na rynek krajowy wprowadzane są właśnie nowe zbrojenia do spoin wspornych Bricktor [16] i Murfor Compact [17]. Cechą wspólną obu zbrojeń jest transport w rolkach, co umożliwia układanie zbrojenia w spoinie właśnie z rolki i wyeliminowanie konieczności wykonywania zakładów.

Zbrojenie Bricktor przeznaczone jest do ścian nienośnych i składa się ze stalowych ocynkowanych prętów o średnicy 1,25 mm, połączonych poprzecznymi drutami o średnicy 0,65 mm ( FOT. 1 ).

Zbrojenie Bricktor wykorzystywane jest ponadto do zbrojenia ścian z kamienia, gdzie wstępują nieregularne spoiny wsporne ( FOT. 2 ).

Zbrojenie Murfor Compact w postaci siatek stalowych przeznaczone jest do ścian nośnych. Produkuje się je w trzech typach A, E oraz I, z których każdy, dla odróżnienia, ma inny kolor ( FOT. 3, FOT. 4 i FOT. 5 ).

Zbrojenie typu A ma kolor biały i przeznaczone jest do murów wznoszonych z autoklawizowanego betonu komórkowego (ABK) na cienkich spoinach.

Zbrojenie typu A należy stosować w klasie ekspozycji MX1; jest ono zabezpieczone przez cynkowanie.

Zbrojenie typu E ma kolor niebieski i przeznaczone jest do murów ścian zewnętrznych (klasy ekspozycji MX2, MX3 i MX4). Wykonane jest ze stali nierdzewnej.

Zbrojenie typu I ma kolor czerwony i przeznaczone jest do stosowania w klasie ekspozycji MX1 w murach wykonanych z elementów murowych ceramicznych, betonowych i silikatowych. Zbrojnie to jest zabezpieczone przez cynkowanie. Zaletą zbrojeń typu E i I jest możliwość ich stosowania zarówno przy wykonywaniu muru na zaprawie tradycyjnej, jak i cienkowarstwowej.

Efektywność zbrojenia

Efektywność zbrojenia jest tematem wielu prowadzonych w kraju badań. Na Politechnice Śląskiej od kilku lat prowadzone są badania wpływu zastosowania zbrojenia na nośność i rysoodporność ścian w strefach koncentracji naprężeń. Wykonano między innymi badania stref podokiennych w murach z elementów wapienno-piaskowych i z autoklawizowanego betonu komórkowego (ABK) [18–22]. Badania prowadzono na modelach odwzorowujących strefę pod filarkiem międzyokiennym ( FOT. 6 i FOT. 7 ) oraz na ścianach w skali naturalnej (FOT. 8 i FOT. 9 ).

Ponieważ elementy badawcze wzniesiono na cienkich spoinach, w badaniach jako zbrojenie zastosowano kratowniczki EFS/Z/140. Łącznie zbadano 18 modeli z elementów silikatowych, 20 modeli z ABK oraz 2 ściany.

Badania wykazały, że zastosowanie zbrojenia powoduje podwyższenie naprężeń rysujących model. Stwierdzono wzrost rysoodporności w modelach z elementów wapienno-piaskowych o około 50%, zaś w murach z autoklawizowanego betonu komórkowego o około 10%. Zastawianie zbrojenia w modelach z elementów silikatowych nie wpłynęło na nośność, a w modelach z ABK stwierdzono wzrost nośności o około 10%.

Przeprowadzono ponadto badania wpływu zbrojenia na pękanie muru w okolicy działania siły skupionej od nadproża oraz na styku ścian prostopadłych [23-28]. Badania wykonano na modelach ścian w skali naturalnej. Ściany wzniesiono z elementów z autoklawizowanego betonu komórkowego na cienkich spoinach, a jako zbrojenie zastosowano kratowniczki EFS/Z/140.

W związku z wcześniejszymi doświadczeniami, nabytymi podczas wykonywania i badania murów zbrojonych, w celu zapewnienia właściwego otulenia prętów zbrojeniowych stosowano specjalną technikę murowania. Na powierzchniach wspornych umieszczano warstwę zaprawy za pomocą "grzebienia", uzyskując każdorazowo warstwę grubości ~3 mm.

Na ułożone grzebieniem warstwy zaprawy klejowej nakładano zbrojenie w postaci kratowniczek. Następnie na spoinę ze zbrojeniem układano następną warstwę elementów murowych, z naniesioną od spodu kolejną warstwą zaprawy ( FOT. 10 ). Dzięki temu zbrojenie zostało właściwie otulone zaprawą od góry i od spodu, a zastosowanie grzebieni umożliwiło zachowanie maksymalnej, przewidzianej normą PN-EN 1996-1-1 [29] grubości spoiny.

Zbrojenie kratowniczką wzdłuż długości ściany łączono na zakład ( FOT. 11 ), a w narożniku przez odpowiednie podcięcie i ukształtowanie zbrojenia ( FOT. 12 ). Przyjęto wielkość zakładu wynoszącą 28 cm, zgodnie z wymogami PN-EN 1996-1-1 [29] oraz wytycznymi producenta zbrojenia. Widok przykładowych modeli pokazano na FOT. 10. Łącznie zbadano sześć ścian (w seriach pod dwie w lustrzanym odbiciu - FOT. 13 ).

Następnie porównano wpływ zbrojenia na nośność i rysoodporność w strefie oparcia nadproża badanych modeli.

Na RYS. 7 pokazano zestawienie wartości naprężeń od momentu zarysowania do zniszczenia wszystkich zbadanych modeli muru. Na osi pionowej wykresu zaznaczono naprężenia ściskające, obliczone w poziomie oparcia nadproża, natomiast na osi poziomej rozmieszczono poszczególne badane elementy. Wykres naprężeń podzielono na strefę pracy muru przed zarysowaniem oraz po zarysowaniu.

Jak widać, zastosowanie zbrojenia nie wpływa na rysoodporność muru.

Na RYS. 8 pokazano podobne zestawienie wartości naprężeń od momentu zarysowania do zniszczenia wszystkich zbadanych modeli strefy połączenia ścian. Na osi pionowej wykresu słupkowego zaznaczono naprężenia ściskające w ścianie dłuższej, natomiast na osi poziomej rozmieszczono poszczególne elementy badawcze. Na wykresie można zaobserwować pozytywny wpływ zbrojenia na poziom naprężeń rysujących.

W prezentowanych badaniach wykazano, że zastosowanie zbrojenia w murze wpływa na poziom naprężeń rysujących. Przy zastosowaniu zbrojenia typu kratowniczka w strefie oparcia nadproża uzyskano siłę rysującą o 28% większą od siły rysującej uzyskanej w badaniach modeli niezbrojonych. Jeszcze większy wpływ zbrojenia obserwowano w strefie połączenia ścian prostopadłych. Pierwsza rysa pojawiała się tu z blisko 80-procentowym opóźnieniem niż w modelach bez zbrojenia.

Podsumowanie

Zastosowanie zbrojenia w spoinach wspornych muru jest efektywną metodą pozwalającą na zwiększenie rysoodporności konstrukcji murowych. Prowadzone w kraju badania potwierdzają, że jego zastosowanie najlepsze wyniki daje w miejscach koncentracji naprężeń, takich jak strefa podokienna, obszary narażone na działanie obciążenia skupionego oraz strefa połączeń ścian obciążonych nierównomiernie.

Autorzy dziękują firmom Solbet i Nova za przekazanie materiałów do badań

Literatura

1. Ł. Drobiec, "Przeciwdziałanie zarysowaniu ściskanych murów zbrojeniem spoin wspornych", Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, seria monografie nr 452, Gliwice 2013.
2. A.T. Vermeltfoort, D.R.W. Martens, "Strains in masonry near the support of lintels - explorative research of a test set-up". Proceedings of the British Masonry Society", no. 9, Published by the Society Stoke-on-Trent, London 2002, s. 531-535.
3. P. Schubert, "Mauerwerk. Risse vermeiden und instandsetzen", Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2004.
4. P. Schubert, "Vermeiden von schädlichen Rissen in Mauerwerkbauteilen", Mauerwerk-Kalender, Ernst & Sohn, 21, 1996, s. 621-651.
5. Ł. Drobiec, "Zasady stosowania konstrukcyjnego zbrojenia w murach", "Inżynier Budownictwa" 6/2007, s. 79-82.
6. T. Murauer, "Edelstahl im zweischaligen Mauerwerk - Sicherheit im Hintergrund", "Mauerwerk" 6/2006, s. 230-234.
7. R. Orłowicz, B.N. Derkač, "Zarubežnyj opyt kamiennych konstrukcji", "Stroelnyje Materjaly", 2011.
8. P. Timperman, Rice T., "Bed joint reinforcement in masonry. Proceedings of the Fourth International Masonry Conference", British Masonry Society, Vol. 2, London 1995, s. 451-453.
9. Ł. Drobiec, "Problem of the crack formations in the area of intersecting loadbearing walls built with AAC masonry unit", Proceedings of the 5th International Conference on Autoclaved Aerated Concrete, Bydgoszcz, 14-17 September 2011, s. 181-190.
10. Ł. Drobiec, "About the necessity of using appropriate reinforcement in the wall bed joint", Monography Reprocity Resume, Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Gliwice 2008, p. 89-95.
11. Ł. Drobiec, "Mury z poziomym zbrojeniem układanym w spoinach wspornych", "Materiały Budowlane" 2/2006, s. 29-32.
12. Ł. Drobiec, "O potrzebie stosowania zbrojenia w spoinach wspornych muru", "Przegląd Budowlany" 6/2007, s. 42-45.
13. PN-EN 845-3+A1:2016-10, "Specyfikacja wyrobów dodatkowych do murów. Część 3: Stalowe zbrojenie do spoin wspornych".
14. Nova. Katalog techniczny.
15. https://www.zamocowaniaelewacji.pl
16. https://www.bekaert.com/en/products/construction/masonry­‑reinforcement/bricktor
17. https://www.bekaert.com/en/products/construction/masonry­‑reinforcement/murfor-compact-masonry-reinforcement-on-a-roll
18. Ł. Drobiec, "Analiza naprężeń i dokształceń w strefie podokiennej muru. Badania modeli ścian", "Materiały Budowlane" 4/2017, s. 7-8.
19. Ł. Drobiec, "Limitation of cracking in AAC masonry under the window zone/Begrenzung von Rissbildung in Porenbetonmauerwerk im Brüstungsbereich", "Mauerwerk" 21 (2017), Heft 5, s. 332-342.
20. Ł. Drobiec, "Ograniczenie zarysowania strefy podokiennej muru z silikatów", "Materiały Budowlane" 4/2016, s. 82-86.
21. Ł. Drobiec, "The effect of different strengthening systems on the cracking of spandrel walls made of calcium silicate units. Brick and Block Masonry -Trends, Innovations and Challenges", Taylor & Francis Group, London 2016, s. 2055-2062.
22. Ł. Drobiec, "Wpływ zbrojenia na zarysowanie strefy podokiennej muru z betonu komórkowego", "Materiały Budowlane" 8/2016, s. 122-125.
23. Ł. Drobiec, "Badania ścian z ABK w skali naturalnej poddanych ściskaniu - analiza strefy wokół okna", cz. 1, "Materiały Budowlane" 9/2018, s. 75-77.
24. Ł. Drobiec, "Badania ścian z ABK w skali naturalnej poddanych ściskaniu - analiza strefy wokół okna", cz. 2, "Materiały Budowlane" 10/2018, s. 118-120.
25. Ł. Drobiec, "Badania ścian z ABK w skali naturalnej poddanych ściskaniu - analiza strefy połączenia ścian prostopadłych", cz. 1, "Materiały Budowlane" 12/2018, s. 29-31.
26. Ł. Drobiec, "Badania ścian z ABK w skali naturalnej poddanych ściskaniu - analiza strefy połączenia ścian prostopadłych", cz. 2, "Materiały Budowlane" 1/2019, s. 68-69.
27. Ł. Drobiec, "Tests of AAC walls subjected to vertical loads", Part 1: Zone at the opening, "Ce/Pepers", Volume 2, Issue 4, 2018, s. 319-328.
28. Ł. Drobiec, "Tests of AAC walls subjected to vertical loads", Part 2: Connection zone of perpendicular walls, "Ce/Pepers", Volume 2, Issue 4, 2018, s. 329-337.
29. PN-EN 1996-1-1+A1:2013-05/NA:2014-03, "Eurokod 6. Projektowanie konstrukcji murowych. Część 1-1: Reguły ogólne dla zbrojonych i niezbrojonych konstrukcji murowych".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!