Rola metod diagnostycznych w ocenie wytrzymałości betonu na przykładzie budynku zabytkowego

Wytrzymałość na ściskanie betonu jest niezbędnym parametrem koniecznym do weryfikacji bezpieczeństwa konstrukcji zarówno nowych, jak i tych będących w sytuacjach awaryjnych czy modernizowanych [7]. Do określania wytrzymałości betonu w istniejącej konstrukcji najczęściej stosuje się metodę sklerometryczną oraz metodę ultradźwiękową.

W analizie wytrzymałości betonu należy pamiętać, że w normie europejskiej PN-EN 206-1:2014-4 w pkt 8.4 jednoznacznie stwierdzono konieczność przeprowadzenia badań na rdzeniach pobranych z konstrukcji albo kombinację badań rdzeniowych z badaniami nieniszczącymi konstrukcji, np. zgodnie z PN-EN 12504-2:2013-03, PN-EN 12504-4:2005. Z zapisów normy wynika więc, że wytrzymałość betonu może być wyznaczona na próbkach wyciętych z konstrukcji, ale dodatkowo można przeprowadzić badania nieniszczące konstrukcji metodą sklerometryczną lub ultradźwiękową.

Szczególnym przypadkiem badanych obiektów są obiekty zabytkowe. Nieodpowiednie utrzymanie i zarządzanie zabytkami zagraża zarówno ochronie dziedzictwa kulturowego, jak i bezpieczeństwu publicznemu. Właściwa eksploatacja budynków zabytkowych wymaga doświadczenia, interdyscyplinarnej wiedzy i umiejętności planowania napraw [8–12]. Po wielu latach eksploatacji, a często zaniedbań konieczne są kompleksowe oceny konstrukcji.

W artykule przedstawiono studium przypadku oceny rzeczywistej wytrzymałości betonu trzema metodami w obiekcie zabytkowym. Opisane prace stanowią wycinek prowadzonych na obiekcie badań materiałowych, makroskopowych oraz obliczeń statyczno-wytrzymałościowych. Badania stali zbrojeniowej obiektu stanowią równie ciekawe zagadnienie, które nie jest jednak ujęte w niniejszym artykule.

Historia i konstrukcja budynku

Zabytek będący przedmiotem badań stanowi część dawnego kompleksu huty szkła, która działała w Gliwicach do połowy lat dwudziestych XX wieku. Przez ostatnie sto lat sukcesywnie znikały kolejne zabudowania dawnego zakładu. Do dzisiaj przetrwał budynek fabryczny z charakterystyczną neogotycką wieżą zegarową (FOT. 1–2).

Obiekt został wzniesiony częściowo w technologii tradycyjnej – zewnętrzne i wewnętrzne ściany murowane, pełniące rolę ścian nośnych i usztywniających. Pozostała część budynku wybudowana w technologii monolitycznej – żelbetowe stropy oparte na poprzecznych ramach żelbetowych, składających się ze słupów i poziomych rygli ze skosami (RYS.).

Na budynek składają się trzy kondygnacje nadziemne i jedna kondygnacja piwniczna. Całość zwieńczona jest dachem drewnianym o mieszanej konstrukcji: w dolnej części płatwiowo-kleszczowej dwustolcowej, a w górnej płatwiowo-kleszczowej wieszarowej jednowieszakowej.

Grubości stropów są zróżnicowane na poszczególnych kondygnacjach. Stropy wykształtowano w formie łuków (sklepień z widocznymi zaokrągleniami i zwiększeniem grubości stropu w strefach podporowych). Szerokości słupów zmieniają się na każdej kondygnacji. Podobnie przekroje poprzeczne rygli są zróżnicowane i mają zwiększoną wysokość w strefach podporowych (w miejscu połączenia ze słupami).

Badania materiałowe

Po wielu latach nieużytkowania obiektu postanowiono wykonać jego renowację. Nie zachowała się żadna dokumentacja archiwalna budynku. W celu sporządzenia projektu konieczne było wykonanie badań pozwalających na oszacowanie rzeczywistej wytrzymałości betonu (klasy wytrzymałości betonu na ściskanie). Zdecydowano o przeprowadzeniu wstępnych badań metodami nieniszczącymi, w tym głównie metodą ultradźwiękową. Na wybranych słupach wykonano badania sklerometryczne. Nie zdecydowano się na uprzednie pobranie odwiertów rdzeniowych (FOT. 3-4).

Nieznana klasa betonu oraz niewielki przekrój poprzeczny słupów, w szczególności górnych kondygnacji, nie pozwalał na wykonanie odwiertów. Wykonanie odwiertów w słupach II piętra skutkowałoby zmniejszeniem pracującego przekroju betonowego o 25%. Takie podejście mogłoby doprowadzić do znaczącego obniżenia nośności słupów.

Nieniszczące badania ultradźwiękowe

Badania ultradźwiękowe wytrzymałości betonu wykonano urządzeniem UK1401. Badanie polegało na czterokrotnym pomiarze czasu przejścia fali ultradźwiękowej przez beton w czterech położeniach urządzenia pomiarowego. Urządzenie na podstawie zaadoptowanej funkcji określającej zależność między wytrzymałością betonu a czasem przejścia fali ultradźwiękowej obliczało wytrzymałość betonu.

Do oprogramowania sprzętowego dołączony jest tryb szacowania wytrzymałości betonu na ściskanie, z dwiema krzywymi korelacji, jedną dla zakresu wytrzymałości od 12,5 do 45 MPa, a drugą od 45 do 75 MPa. Producent podaje, że ocena wytrzymałości betonu za pomocą urządzenia prowadzona metodą pomiaru pośredniego (badanie prędkości impulsu powierzchniowego) jest zgodna z następującymi normami międzynarodowymi: GOST 17624 2012, DIN EN 12504 4, BS 1881: Część 203: 1986, ASTM C597 16 oraz IS 13311 1.

Do pierwszych pomiarów wybrano losowo trzy słupy na każdej kondygnacji. Uzyskane wyniki miały duży rozrzut, w szczególności dla słupów na parterze, zdecydowano się zatem na wykonanie dodatkowych badań wszystkich słupów na parterze.

Badania prowadzono w środku wysokości słupów, jednak dla kilku z nich wykonano dodatkowe pomiary wysokości elementu. Uzyskane wyniki wskazywały na zdecydowane różnice w otrzymywanych wynikach dla tych samych elementów. Dla dwóch różnych punktów pomiarowych słupa 1.1 uzyskano wytrzymałości równe 4,2 MPa i 17,4 MPa oraz dla słupa 1.2 wytrzymałości o wartości 6,3 MPa i 38,9 MPa. Oznacza to, że niska wytrzymałość betonu występuje jedynie lokalnie. Średnia otrzymana w badaniach wytrzymałość betonu z pomiarów ultradźwiękowych dla słupów na parterze wynosiła 30,0 MPa po odrzuceniu skrajnie niskich (niemiarodajnych) wartości.

Badania sklerometryczne

Badania wytrzymałościowe betonu słupów na każdej kondygnacji przeprowadzono również nieniszczącą metodą sklerometryczną, przy użyciu młotka Schmidta typu N w wersji elektronicznej. Pomiary te posłużyły jako wstępna weryfikacja metody ultradźwiękowej.

W zastosowanej metodzie sklerometrycznej wykorzystuje się zależności między wytrzymałością powierzchniową a sprężystymi cechami betonu stwardniałego. Badania wykonywano w miejscach, w których powierzchnia była gładka, wolna od „raków” i śladów korozji. Powierzchnie słupów oczyszczono i wygładzono kamieniem ściernym.

Badanie prowadzono zgodnie z normą PN-EN 12504­‑2:2013-03 „Badania betonu w konstrukcjach. Część 2. Badanie nieniszczące. Oznaczenie liczby odbicia”. Określono średnią liczbę odbicia Lśr, odchylenie standardowe sL oraz oszacowano średnią wytrzymałość betonu.

Łącznie zbadano 12 miejsc pomiarowych (uderzając w każdym z nich młotkiem 9 razy). Średnią wytrzymałość betonu należy traktować jedynie orientacyjnie, pomimo zastosowania krzywej ITB, wyrażonej zależnością:

Badania sklerometryczne wybranych słupów potwierdziły różnice w wytrzymałościach uzyskanych metodą ultradźwiękową. Pomiary sklerometryczne wykazały niższą wytrzymałość tych samych elementów niż metoda ultradźwiękowa. Rozbieżność wyników pomiędzy dwiema metodami nieniszczącymi wynosiła średnio 19%.

Badania niszczące – odwierty rdzeniowe

Po wstępnym rozpoznaniu parametrów wytrzymałościowych przeprowadzono badania niszczące próbek rdzeniowych pobranych ze słupów kondygnacji piwnic, parteru i pierwszego piętra. Z uwagi na mały przekrój słupów na drugim piętrze nie zdecydowano się na pobieranie próbek na tej kondygnacji (FOT. 5).

Z poziomów piwnic, parteru i pierwszego piętra pobierano po dwie próbki. Na parterze rdzenie pobrano z wcześniej zbadanych słupów, w przypadku piętra zdecydowano się pobrać rdzenie z wcześniej niezweryfikowanych słupów w celu poszerzenia obszaru rozpoznania.

Do badań niszczących obierano próbki średnicy 99 mm zgodnie z normą PN-EN 12504-1:2011 „Badania betonu w konstrukcjach. Część 1. Odwierty rdzeniowe. Wycinanie, ocena i badanie wytrzymałości na ściskanie”. Próbki przycięto i oszlifowano tak, aby górne i dolne płaszczyzny były równe i do siebie prostopadłe. Zgodnie z zaleceniami normy przyjęto stosunek wysokości do średnicy próbki H/D ≈ 1,0 (wynik pomiaru ma się odnosić do wytrzymałości badanej na próbkach sześciennych).

W dwóch z sześciu badanych próbek występowało zbrojenie, które powodowało obniżenie wytrzymałości na ściskanie badanych próbek. Na podstawie wzorów zawartych w pracy Brunarskiego [13] wykonano przeliczenie wytrzymałości na ściskanie próbki ƒ_c,m^*, korygując ją o wpływ zbrojenia wg wzoru:

gdzie:

α – odległość osi pręta od powierzchni czołowej próbki.

Otrzymane wyniki zestawiono w TABELI 1. Podano w niej ponadto wartość średnią oraz odchylenie standardowe i współczynnik zmienności.

Średnia wytrzymałość betonu była równa 15,9 MPa, przy dużym współczynniku zmienności, wynoszącym blisko 70%. Szczególną uwagę należy zwrócić na próbki pobrane we wcześniej zidentyfikowanych miejscach o najniższej wytrzymałości. Badania niszczące potwierdziły lokalne osłabienie, a uzyskane wyniki stanowiły najniższą wartość wytrzymałości ze wszystkich wykorzystanych metod. Różnica pomiędzy pomiarami ultradźwiękowymi a badaniami niszczącymi stanowiła ~25%, przy wartościach mniejszych uzyskanych z odwiertów rdzeniowych. W TABELI 2 porównano wyniki wytrzymałości dla wszystkich zastosowanych metod.

Przeprowadzone badania sklerometryczne, podobnie jak ultradźwiękowe i niszczące wykazały zróżnicowaną wytrzymałość betonu. Uzyskano wytrzymałości z przedziału 5,2–44,1 MPa. Odchylenie standardowe wyniosło maksymalnie odpowiednio 12,4. Najniższą wytrzymałość uzyskano w słupie, gdzie wynik badań niszczących wynosił 4,0 MPa.

Określenie wytrzymałości betonu

Określenie jednej wytrzymałości betonu w przypadku tak dużych rozrzutów wyników badań jest zadaniem trudnym, niemalże niemożliwym. Do potrzeb analiz obliczeniowych konieczne było przyjęcie pewnych założeń materiałowych. Postanowiono, że ze wszystkich zebranych wyników badań niszczących i nieniszczących (44 wyniki) obliczony zostanie 5% kwantyl, co oznacza prawdopodobieństwo wystąpienia wartości ƒ_c;0,05 mniejsze niż 0,05. Dla rozkładu t – niecentralne przy jednostronnym obszarze odrzuceń kwantyl można wyznaczyć z zależności:

gdzie:

n – liczba próbek – n = 44,
ƒ_c,mean – wartość średnia z badań równa 27,7 MPa,
s_c – odchylenie standardowe wytrzymałości na ściskanie, s = 11,98,
t_{n  –  1,α} – przy poziomie ufności α = 0,05, dla 44 próbek (n – 1 = 43), t_43;0,05 = 2,90.

Uzyskano następującą wartość:

Do weryfikacyjnych obliczeń statyczno-wytrzymałościowych przyjęto klasę betonu C16/20, pamiętając jednakże, że strefy konstrukcji z obniżoną wytrzymałością koniecznie należy wzmocnić. Na podstawie obliczeń możliwe było wskazanie elementów konstrukcyjnych wymagających szczególnej uwagi na etapie dalszych prac modernizacyjnych.

Podsumowanie

Wykonywanie szeroko zakrojonych badań obiektu z wykorzystaniem metod nieniszczących, np. ultradźwiękowych, umożliwia szybką identyfikację cech materiałowych konstrukcji, w tym rozpoznanie miejsc osłabionych, wymagających większej uwagi. Diagnostyczne metody nieniszczące są szczególnie użyteczne w ocenie obiektów zabytkowych, w których należy minimalizować ingerencję w konstrukcję.

Badania niszczące natomiast są ściśle uwarunkowane ograniczoną liczbą miejsc (elementów), w których można pobrać próbki. Prawidłowe wskazanie lokalizacji odwiertów i oszacowanie zakresu badań wymaga doświadczenia eksperckiego. Pobranie odwiertów rdzeniowych (próbek) ze słupów II piętra, charakteryzujących się znaczną smukłością, mogłoby doprowadzić do znacznego osłabienia przekrojów i w efekcie wywołać stan awaryjny całego budynku. Natomiast diagnostyka oparta wyłącznie na dużej liczbie próbek w metodzie niszczącej mogłaby prowadzić do zagrożenia bezpieczeństwa obiektu przez nadmierne osłabienie konstrukcji lub niedostateczne rozpoznanie cech wytrzymałościowych zabudowanych materiałów.

Należy pamiętać, że kombinacja badań nieniszczących z potwierdzającymi badaniami niszczącymi spełnia postulaty normy i pozwala na prawidłowe (wiarygodne) oszacowanie parametrów betonu, które znajdą zastosowanie w dalszych analizach.

Literatura

 1. Ł. Drobiec, R. Jasiński, W. Mazur, „Accuracy of eddy-current and radar methods used in reinforcement detection”, „Materials” 12/2019, 1168, doi: 10.3390/ma12071168.
 2. D. Łątka, P. Matysek, „Determination of Mortar Strength in Historical Brick Masonry Using the Penetrometer Test and Double Punch Test”, „Materials” 13/2020, 2873, doi: 10.3390/ma13122873.
 3. M. Nuzzo, G. Faella, „The Carmine Maggiore Bell Tower: An Inclusive and Sustainable Restoration Experience”, „Sustainability” 13/2021, 1445, doi: 10.3390/su13031445.
 4. R. Nowak; R. Orłowicz, R. Rutkowski, „Use of TLS (LiDAR) for Building Diagnostics with the Example of a Historic Building in Karlino”, „Buildings” 10/2020, 24, doi: 10.3390/buildings10020024.
 5. M. Rucka, E. Wojtczak, M. Zielińska, „Integrated Application of GPR and Ultrasonic Testing in the Diagnostics of a Historical Floor”, „Materials” 13/2020, 2547, doi: 10.3390/ma13112547.
 6. N. Wang, X. Zhao, P. Zhao, Y. Zhang, Z. Zou, J. Ou, „Automatic damage detection of historic masonry buildings based on mobile deep learning”, „Automation in Construction” 103/2019, pp. 53–66, doi: 10.1016/j.autcon.2019.03.003.
 7. Ł. Drobiec, „Badania nieniszczące wykorzystywane w praktyce budowlanej”, „Badania Nieniszczące i Diagnostyka” 3/2018, s. 76–80, doi: 10.26357/BNiD.2018.028.
 8. B. Nowogońska, „Consequences of Abandoning Renovation: Case Study – Neglected Industrial Heritage Building”, „Sustainability” 12/2020, 6441, doi: 10.3390/su12166441.
 9. L. Binda, A. Saisi, C. Tiraboschi, „Investigation procedures for the diagnosis of historic masonries”, „Construction and Building Materials” 14/2000, pp. 199–233.
10. F. Rodrigues, R. Matos, M. Di Prizio, A. Costac, „Conservation level of residential buildings: Methodology evolution”, „Construction and Building Materials” 172/2018, pp. 781–786, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.03.129.
11. Ł. Drobiec, „Renowacje konstrukcji obiektów zabytkowych. Systematyka – uszkodzenia – naprawy cz. 1”, Archmedia, Warszawa 2018.
12. Ł. Drobiec, „Renowacje konstrukcji obiektów zabytkowych. Systematyka – uszkodzenia – naprawy cz. 2”, Archmedia, Warszawa 2019.
13. L. Brunarski, „Określanie klasy betonu na podstawie diagnostycznych badań konstrukcji”, XIII Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji,
Gliwice–Ustroń 1998, s. 7–20.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!