Naprawa rys i wzmocnienia ścian

Metodę tę powinno się stosować, gdy przyczyna powstawania uszkodzeń nie jest jednoznacznie określona i nie ma możliwości jej wyeliminowania [3], gdy przyczyn powstawania zarysowań jest wiele i nie da się w pełni wszystkich wyrugować lub gdy przyczyna jest dobrze rozpoznana, lecz nie ma technicznych możliwości jej całkowitego usunięcia. Zszycie rys można zastosować również w wypadku, gdy zachodzi konieczność wzmocnienia muru z uwagi na dodatkowe obciążenia, np. wynikające z planowanych przebudów i nadbudów.

Technologia wykonania i stosowane materiały

Technologia wykonania wzmocnienia polega na usunięciu zaprawy spoiny wspornej (najczęściej mechanicznie) na głębokość 4-6 cm (FOT. 1), umieszczeniu w wykonanej bruździe zaprawy za pomocą specjalnego aplikatora (FOT. 2), osadzeniu w niej pręta zbrojeniowego (FOT. 3) i wypełnieniu bruzdy zaprawą (FOT. 4) aż do lica muru [1-10]. Gdy mur nie jest tynkowany, a zaprawa stosowana do osadzenia prętów zszywających istotnie różni się barwą od zaprawy spoin, to podczas realizacji wzmocnienia można pozostawić bruzdę o głębokości około centymetra do wypełnienia zaprawą w kolorystyce podobnej do zastosowanej w murze. Przed aplikacją zaprawy i prętów zszywających bruzdę należy obficie polać wodą.

Mury o grubości jednej cegły najczęściej zszywa się z jednej strony (rys. 1), a mury grubsze można zszywać z dwóch stron (rys. 2). Czasem zszyciu na dwóch płaszczyznach ściany towarzyszy również założenie kotew poprzecznych, szczególnie w murach warstwowych, szczelinowych lub murach z wewnętrzną zasypką (rys. 3). Kotwy takie można osadzać na zaprawie w nawierconych otworach, można też wykorzystać kotwy specjalne o przekroju spiralnym, niewymagające obecności zaprawy. W wypadku konieczności uzyskania większej wytrzymałości można również zastosować podwójne pręty w każdej bruździe (rys. 4). Wówczas zaleca się, aby bruzda miała głębokość 6 cm.

Głębokość bruzdy, bez względu na to, czy wykonuje się ją z jednej, czy z obu stron ściany, nie powinna przekraczać 1/3 grubości muru [2]. W pracy [7] zalecono dodatkowo, przed wykonaniem zszycia muru, wypełnić rysę metodą iniekcji. W wypadku zarysowań o rozwarciu mniejszym niż 0,4 mm zabieg taki nie jest jednak konieczny. Alternatywą dla iniekcji jest wykonanie przemurowania. W praktyce podczas zszywania muru często wykonuje się właśnie przemurowania (FOT. 5).

Rozstaw prętów zszywających i ich długość powinny wynikać z obliczeń statyczno-wytrzymałościowych (zob. "Analiza obliczeniowa", poniżej). W wypadku, gdy takich obliczeń się nie prowadzi, wzmocnienie projektuje się najczęściej na tzw. inżynierskie wyczucie. Wiele publikacji [7, 11] podaje wytyczne dotyczące zasad rozmieszczania prętów zszywających i przyjmowania ich długości. Na ogół zaleca się, aby długość zakotwienia pręta zbrojeniowego Lz poza rysę wynosiła co najmniej 50 cm, a rozstaw prętów c - maksymalnie co 3-4 spoiny wsporne w murze wzniesionym z klasycznej cegły.

W pracy [12] podjęto próbę określenia potrzebnej długości zakotwienia prętów LZ. W tym celu wykonano obliczenia numeryczne, modelując pracę wzmocnionego muru. W analizie obliczeniowej zastosowano uproszczony mikromodel, w którym elementy murowe i spoiny modelowano jako tarcze izotropowe pracujące w płaskim stanie naprężenia. W kolejnych obliczeniach zmieniano długość zakotwienia LZ i jego średnicę j.

Na rys. 5 pokazano wykres przedstawiający zależność koncentracji poziomych naprężeń rozciągających smax/sśr od długości zakotwienia LZ i średnicy prętów j. Analizowano wielkości naprężeń w przekroju usytuowanym na końcach długości zakotwienia. Z wykresu wynika, że ze wzrostem długości LZ, niezależnie od średnicy prętów, następuje zmniejszenie koncentracji naprężeń w analizowanym przekroju. Przy długości LZ = 100 cm stosunek maksymalnych naprężeń rozciągających smax do naprężeń średnich sśr wykosi około 1,3, a gdy długość zakotwienia pręta poza rysę LZ = 50 cm, stosunek ten wynosi już ponad 2,0.

Należy zatem przyjąć, że długość zakotwienia powinna wynosić około 100 cm, i to niezależnie od średnicy zastosowanych prętów. Przy takiej długości prętów maleje bowiem prawdopodobieństwo powstania rys wtórnych, zlokalizowanych poza obszarem wzmocnionym. W pracy [5] podano, że długość zakotwienia równą LZ = 50 cm można przyjmować jedynie w wypadku, gdy na końcach prętów zastosuje się haki proste. Haki takie albo osadza się poziomo w zaprawie w wykutej bruździe (która wówczas musi na końcach zostać odpowiednio pogłębiona), albo umieszcza w spoinach czołowych, co wymaga dodatkowego wybruzdowania tych spoin (FOT. 5).

Do klasycznego zszywania rys wykorzystuje się pręty o średnicach do 10 mm, gdyż muszą się one zmieścić w bruździe wykonanej w spoinie wspornej. W wypadku, gdy zszycie realizuje się w bruzdach wyciętych w elementach murowych, ograniczenie to nie występuje. W pracy [5] rekomenduje się stasowanie prętów ze stali nierdzewnej. Zgodnie z punktem 4.3.3 normy PN-EN 1996-1-1 [13] stal zbrojeniowa stosowana w konstrukcjach murowych powinna być dostatecznie trwała, albo jako stal antykorozyjna, albo odpowiednio zabezpieczona.

W przypadku, gdy stal węglowa wymaga osłony w celu zapewnienia odpowiedniej trwałości, należy ją galwanizować w taki sposób, aby powłoka cynkowa nie była cieńsza niż niezbędna do zapewnienia żądanej trwałości lub stal powinna mieć zapewnioną odpowiednią ochronę, na przykład poprzez pokrycie jej warstwą żywicy epoksydowej. Rodzaj stali zbrojeniowej i minimalny stopień jej zabezpieczenia należy dobierać odpowiednio do klasy ekspozycji w miejscu stosowania.

Wzmacniane murowane ściany pracują zazwyczaj w środowisku suchym (klasa ekspozycji MX1 według PN-EN 1996-2 [14] - wnętrze budynku lub otynkowany mur w ścianach zewnętrznych, nienarażonych na średnie lub silne działanie deszczu, zabezpieczony przed zawilgoceniem), są narażone na działanie wilgoci lub zamoczenie (klasa ekspozycji MX2 według [14] - mury w ścianach zewnętrznych chronione przez gzymsy lub okapy, niepodlegające silnemu działaniu deszczu ani mrozu) oraz są narażane na cykliczne zamrażanie/rozmrażanie (klasa ekspozycji MX3 według [14]).

W tablicy zamieszczonej w punkcie 4.3.3 normy PN-EN 1996-1-1 [13] podano wytyczne dotyczące doboru stali zbrojeniowej z uwagi na trwałość. Wynika z niej, że niezabezpieczoną stal węglową stosować można jedynie w murach pracujących w klasie ekspozycji MX1 oraz MX3 w murze otynkowanym. Gdy ściana znajduje się w klasie ekspozycji MX2, należy stasować stal węglową zabezpieczoną przez cynkowanie lub inną równoważną metodą. Przy wyższych klasach ekspozycji norma [13] zaleca już stosowanie austenitycznej stali nierdzewnej.

Oprócz tradycyjnego zbrojenia ze stali węglowej lub nierdzewnej coraz częściej stosuje się zbrojenie systemowe o przekroju spiralnym ze stali austenitycznej [1, 3, 6, 9, 15] lub jako zbrojenie wykorzystuje się elementy niemetaliczne: pręty bazaltowe [2, 16] oraz laminaty FRP (fibre-reinforced polymer) [2, 4, 8]. Pręty spiralne są polecane w wielu publikacjach [1, 3, 6, 9, 15] jako dobra alternatywa dla zszycia przy użyciu zwykłych prętów ze stali węglowej. W wypadku zastosowania zbrojenia niemetalicznego nie ma problemów z zapewnieniem odpowiedniej trwałości naprawy.

Pręty zbrojeniowe w bruździe osadza się na zaprawie. W wielu publikacjach [np. 3, 5, 7, 11] zaleca się stosowanie zapraw cementowych. Wynika to z faktu, że o nośności wzmocnienia decyduje przyczepność między zaprawą a murem w bruździe, a ta w wypadku zaprawy cementowej, przy długości zakotwienia większej niż 50 cm, jest zazwyczaj wystarczająca. Należy jednak pamiętać o zdefiniowanej wyżej zasadzie kompatybilności. W wypadku murów wykonanych na podatnych zaprawach wapiennych zastosowanie sztywnej zaprawy cementowej może powodować powstanie wtórnych uszkodzeń.

Dlatego w wypadku takich murów w pracy [3] zalecano stosowanie zapraw cementowo-wapiennych. W pracy [5] zalecono natomiast w takim wypadku zastosowanie zaprawy z cementu białego. W rozwiązaniach systemowych z prętami o przekroju spiralnym wykorzystuje się zaprawę systemową na bazie cementu. Zaprawę uzyskuje się, mieszając suchą mieszankę z ciekłym komponentem tuż przed wykonaniem naprawy. Niska proporcja cieczy do proszku zapewnia właściwości tiksotropowe zaprawy, która całkowicie wypełnia bruzdę, pozwalając na uzyskanie dobrej przyczepności między wzmocnieniem a murem. Dlatego w wytycznych producentów tych systemów dopuszcza się długości zakotwienia rzędu 50 cm [17-20]. Zaprawy systemowe z reguły szybko osiągają dużą wytrzymałość na ściskanie (25 MPa po jednym dniu, 45 MPa po tygodniu i 60 MPa po dwóch tygodniach).

Do wzmocnienia murowanych ścian stosowane bywają również płaskowniki układane prostopadle do rysy na licu muru i mocowane do ściany sprężonymi sworzniami poza obszarem zarysowania [1, 6]. Jest to swego rodzaju zszycie zewnętrzne, w którym współpracę muru z płaskownikami lub blachami zapewniają siły tarcia wymuszone przez sworznie sprężające zabudowane w rozstawie 1-1,5 grubości ściany. W pracy [21] skrytykowano jednak wszelkiego typu wzmocnienia przy użyciu zewnętrznych obejm z płaskowników mocowanych śrubami mechanicznie do muru.

Jednakże, szczególnie przy zbyt rzadkim rozstawie sworzni sprężających lub zastosowaniu zwykłych śrub, wzmocnienie takie będzie nieefektywne (nie uzyska współpracy muru i płaskownika), a nawet może prowadzić do uszkodzeń wywołanych przez koncentrację naprężeń w okolicach mocowań. Widok takich uszkodzeń pokazano na FOT. na górze (6), na której w miejscach zakotwień śrub mocujących blachy widoczne są wtórne zarysowania.

Na FOT. 7-14 pokazano przykłady wzmocnień przez zszycie rys, wykonanych w murach z cegły. W wypadku klasycznych murów ze zwykłymi spoinami pręty zszywające umieszcza się w bruzdach wykonanych w spoinach wspornych. Zarysowania wymagające naprawy występują jednak również w murach współczesnych, często wznoszonych na spoinach cienkich. Pojawia się zatem problem związany z brakiem możliwości wykonania bruzdy w spoinie. W wypadku murów wykonanych z elementów grupy 1 (elementy pełne oraz z drążeniami, których objętość jest mniejsza niż 25% objętości elementu murowego) naprawę realizuje się w mechaniczne wykonanych bruzdach usytuowanych w połowie wysokości elementów murowych (FOT. 15-16).

Najczęściej wzmacnia się każdą warstwę bloczków. Podobnie można postąpić w elementach drążonych grupy II i III, przy czym należy z góry założyć, że zużycie zaprawy do osadzania zbrojenia zszywającego wzrośnie o minimum 30-50%. Aby ograniczyć zużycie zaprawy, stosuje się specjalne siatki ze stali nierdzewnej (FOT. 17), które montuje się w wykonanych bruzdach (FOT. 18) przed aplikacją zaprawy. Na rynku dostępne są nawet siatki fabrycznie wygięte w kształt litery U, dostosowane do typowych wymiarów bruzd wykonywanych w spoinach wspornych. Wymiary takiej siatki wynoszą 9×35×1000 mm. Siatki mogą być również stosowane w murach warstwowych (zob. rys. 3), w celu zapobiegania wnikaniu zaprawy w zasypkę. Należy pamiętać, że wykonywanie bruzd w elementach ceramicznych i silikatowych grupy II i III może być utrudnione z uwagi na kruchość cienkich ścianek tych elementów.

Analiza obliczeniowa

W wypadku naprawy metodą zszycia rys przeprowadzenie analizy obliczeniowej wymaga określenia wielkości naprężeń rozciągających, które spowodowały uszkodzenie lub które mogą wystąpić we wzmacnianej ścianie po modernizacji obiektu (np. nadbudowie). Dokładne wyznaczenie naprężeń rozciągających jest zazwyczaj dość pracochłonne. Trzeba przede wszystkim dokładnie ustalić historię obciążenia konstrukcji, co wiąże się z dokładnym rozeznaniem przyczyn powstania uszkodzeń.

Następnie określa się naprężenia rozciągające z wykorzystaniem modeli numerycznych bazujących na metodzie elementów skończonych. W związku z koniecznością zamodelowania dużych elementów, fragmentów budynków lub nawet całych budynków w analizach numerycznych najczęściej wykorzystuje się modele homogeniczne. W modelach tych przyjmuje się uśrednione wartości parametrów wytrzymałościowych i odkształceniowych, określane na podstawie normy PN-EN 1996-1-1 [13].

Stosując modele liniowo-sprężyste, należy pamiętać, że poziom naprężeń rysujących uzyskiwany z takich modeli jest zazwyczaj niższy od naprężeń uzyskiwanych w badaniach [22]. Wynika to z bezpiecznego przyjęcia niskich parametrów wytrzymałościowo-odkształceniowych w normie [13]. Na rys. 6-8 pokazano przykład wyznaczenia naprężeń rysujących w narożu budynku.

W analizach obiektów modernizowanych może wystąpić problem z określeniem wytrzymałości muru, po przekroczeniu której może nastąpić jego zarysowanie. W pracy [1] podano, że zarysowania konstrukcji murowych od obciążeń stałych i zmiennych mogą nastąpić na skutek ściskania miejscowego, rozciągania lub ścinania. Zakładając, że na etapie projektu modernizacji obiektu budowlanego zostanie zapewniony warunek nośności na obciążenia skupione, jako kryterium zarysowania (a w konsekwencji stosowania zbrojenia w murze) przyjąć należy warunki na nieprzekroczenie charakterystycznej wytrzymałości muru na rozciąganie i ścinanie [22].

Niestety obowiązujące obecnie normy do projektowania konstrukcji murowych, z Eurokodem na czele, nie definiują wytrzymałości muru na rozciąganie ft. W archiwalnej krajowej normie PN-B-03002:1999 [24], opartej na projekcie EC-6, zamieszczono zapis, że należy przyjmować wytrzymałość charakterystyczną na rozciąganie f_tk równą wytrzymałości na zginanie z płaszczyzny ściany. Każdorazowo należy określić kierunek działania głównych naprężeń rozciągających względem płaszczyzny spoin wspornych i w zależności od tego przyjmować z tablicy w normie wartości wytrzymałości f_tk = f_xk1 lub też f_tk = f_xk2.

Co ciekawe, w wypadku zniszczenia w płaszczyźnie równoległej do spoin wspornych, przy murach wykonanych z większości rodzajów elementów murowych, norma PN-B-03002:1999 [24] podawała zerową wytrzymałość f_xk1. W obowiązującej normie PN-EN 1996-1-1 [13] wartości te nie są już zerowe, a same tablice definiujące wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu uległy znacznej rozbudowie. Wartości wytrzymałości f_xk2, gdy zniszczenie (zarysowanie) następuje prostopadle do spoin wspornych, mają podobny rząd wielkości jak w normie archiwalnej. Dlatego wydaje się dopuszczalne przyjęcie definiowanej przez EC-6 wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu jako wartości granicznej powstania zarysowań przy rozciąganiu osiowym. Drugie kryterium nie budzi już takich kontrowersji, gdyż PN-EN 1996-1-1 [13] definiuje wartość charakterystycznej wytrzymałości muru na ścinanie, uzależnionej od początkowej wytrzymałości muru na ścianie f_vko i wielkości średnich obliczeniowych naprężeń ściskających s_d.

Znając wielkość naprężeń rozciągających, średnicę pręta zszywającego przyjąć można ze wzoru:

gdzie:

j - średnica pręta,

s_t - poziome naprężenia rozciągające w murze,

h - odległość między prętami (między spoinami wspornymi ze wzmocnieniem),

t - grubość muru,

n - ilość prętów w jednym poziomie wzmocnienia,

f_yd - obliczeniowa granica plastyczności stali.

Gdy znana jest wytrzymałość na wyrywanie pręta zbrojeniowego z zaprawy (niektórzy producenci podają ten parametr), to można sprawdzić, czy przyjęta długość zakotwienia jest poprawna:

gdzie:

f_z - wytrzymałość na wyrywanie (pręta z zaprawy lub zaprawy z prętem z muru),

u_a - obwód pręta (przy zniszczeniu przez wyrwanie pręta z zaprawy) lub obwód wzdłuż przekroju powierzchni kontaktu zaprawy wzmocnienia z murem (przy zniszczeniu przez wyrwanie wzmocnienia z muru),

L_z - długość zakotwienia pręta po jednej stronie rysy.

Prowadzenie analiz obliczeniowych wzmocnień przez zszycie rys w praktyce często bywa pomijane z uwagi na uciążliwość modelowania numerycznego. Wówczas naprawa projektowana jest na tzw. inżynierskie wyczucie, na podstawie wytycznych i zaleceń dotyczących rozstawu zbrojenia i jego długości. Należy jednak pamiętać, że projektant bierze odpowiedzialność za zaprojektowane wzmocnienie i w wypadku wystąpienia rys wtórnych może ponieść konsekwencje tych zdarzeń.

Literatura

1. L. Małyszko, R. Orłowicz, "Konstrukcje murowe. Zarysowania i naprawy", Wydawnictwo Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego, Olsztyn 2000.
2. Ł. Drobiec, "Naprawa rys i wzmocnienia murowanych ścian", XXX Jubileuszowe Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk, 25-28 marca 2015, t. 1, s. 323-398.
3. B. Stawiski, "Konstrukcje murowe. Naprawy i wzmocnienia", Polcen, Warszawa 2014.
4. S. Bhattacharya, S. Nayak, S.Ch. Dutta, "A critical review of retrofitting methods for unreinforced masonry structures", "International Journal of Disaster Risk Reduction" nr 7, 2014, s. 51-67.
5. Z. Janowski, "Remonty i wzmacnianie murów oraz sklepień w obiektach zabytkowych", XIII Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń, 25-27 lutego 1999, t. 1, cz. 1, s. 223-252.
6. L. Rudziński, "Konstrukcje murowe. Remonty i wzmocnienia", Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2006.
7. Praca zbiorowa pod kierunkiem S. Zaleskiego: "Remonty budynków mieszkalnych", Arkady, Warszawa 1995.
8. C. Modena, M.R. Valluzzi, F. da Porto, F. Casarin, E. Garbin, M. Munari, N. Mazzon, M. Panizza, M.D. Benetta, G. Bettiol, "Intervention criteria for historic masonry constructions subjected to seismic actions", "Wiadomości Konserwatorskie" nr 26, 2009, s. 186-196.
9. N. Stawiska, B. Stawiski, "Rewaloryzacja murów w obiektach zabytkowych", "Wiadomości Konserwatorskie" nr 18, 2005, s. 18-22.
10. M.R. Valluzzi, L. Binda, C. Modena, "Mechanical behaviour of historic masonry structures strengthened by bed joints structural repointing", "Construction and Building Materials" nr 19, 2005, s. 63-73.
11. Cz. Linczowski, "Naprawy, remonty i modernizacje budynków", Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 1997.
12. J. Kindracki, S. Leleń, "Skuteczność naprawy zarysowanych ścian murowych za pomocą zbrojenia spoin prętami stalowymi", II Konferencja Naukowo-Techniczna Budownictwo Ogólne, Bydgoszcz - Wenecja, 17-19 maja 2001, s. 131-135.
13. 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".
14. PN-EN 1996-2:2010/NA:2010, "Eurokod 6. Projektowanie konstrukcji murowych. Część 2: Wymagania projektowe, dobór materiałów i wykonanie murów".
15. L. Małyszko, R. Orłowicz, "Wybrane sposoby napraw zarysowanych ścian murowych", "Przegląd Budowlany" nr 12, 2008, s. 40-46.
16. M.L. Santarelli, F. Sbardella, M. Zuena, J. Tirillň, F. Sarasini, "Basalt fiber reinforced natural hydraulic lime mortars: A potential bio-based material for restoration", "Materials and Design" vol. 63, 2014, s. 398-406.
17. Materiały reklamowe firmy HELIFIX (dystrybutor w kraju BUDOSPRZĘT Bytom).
18. Materiały reklamowe firmy BRUTT SAVER GROUP, od 2009 r. poza granicami Polski firma przyjęła nazwę Construction Products Solutions International Ltd. CPSI (dystrybutor w kraju P.H.U.P. "MaR" R. Majewski).
19. Materiały reklamowe firmy STATICAL.
20. Materiały reklamowe firmy FESTMUR.
21. Z. Janowski, "Metody i materiały stosowane do napraw tradycyjnych konstrukcji murowych", XIII Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń 25-27 lutego 1999, t. 1, cz. 2, s. 5-18.
22. Ł. Drobiec, "Przeciwdziałanie zarysowaniu ściskanych murów zbrojeniem spoin wspornych", Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, seria Monografie nr 452, Gliwice 2013.
23. 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.
24. PN-B-03002:1999, "Konstrukcje murowe niezbrojone. Projektowanie i obliczanie".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!