Naprawa rys i wzmocnienia murowanych ścian - wzmocnienie powierzchniowe

Wzmocnienie powierzchniowe polega na utworzeniu konstrukcji zespolonej: muru ze wzmocnieniem, czyli kilkucentymetrowej warstwy z dodatkowym zbrojeniem, układanej przy powierzchni naprawianej ściany [1, 2].

Zasady stosowania metody

Warstwą wzmacniającą może być zwykły tynk cementowy lub cementowo-wapienny zbrojony siatką lub zbrojony beton natryskowy (RYS. 1).

Często stosuje się laminaty FRP (fibre reinforced polymer lub fibre reinforced plastic), czyli materiały kompozytowe z matrycy polimerowej zbrojonej włóknami (RYS. 2).

Ostatnio dużą popularność zdobyły również materiały kompozytowe na matrycy cementowej FRCM (fiber reinforced cementitious matrix) - RYS. 3.

Wzmocnienie powierzchniowe stosuje się najczęściej, gdy na ścianach występuje duża liczba rys nieregularnych, rozrzuconych, oraz w przypadku konieczności wzmocnienia ściany.

Wzmocnienie może być wykonane jako jednostronne lub dwustronne, na całej powierzchni ściany lub tylko na jej części.

Technologia wykonania i stosowane materiały

Technologia wykonania naprawy bądź wzmocnienia jest ściśle związana z zastosowanym rozwiązaniem materiałowym.

W wypadku stosowania metod tradycyjnych polegających na wzmocnieniu przez tynk lub beton zbrojony technologia naprawy polega na oczyszczeniu powierzchni ściany, jej dokładnym zwilżeniu, zakotwieniu (najczęściej mechanicznym) siatki zbrojeniowej i naniesieniu zaprawy lub betonu.

Stosuje się zaprawy cementowe, cementowo-wapienne lub beton, często polimerobeton. Zaprawa lub beton mogą być nanoszone ręcznie lub za pomocą pomp, z wykorzystaniem techniki torkretu. Decydujący wpływ na efektywność wzmocnienia ma adhezja między materiałem wzmocnienia a murem. Dodatki polimerowe w zaprawach i betonach pozwalają uzyskać przyczepność wzmocnienia do muru przekraczającą wytrzymałość na rozciąganie i ścianie elementów murowych (cegły). Stosowanie nanoszonych ręcznie zapraw cementowych i cementowo-wapiennych tej samej marki, lecz bez dodatków polimerowych dwukrotnie zmniejsza ich przyczepność do muru [1]. Optymalny stopień zbrojenia siatkami stalowymi wynosi 0,05-0,15%, a włóknami 1-2%.

Przy zastosowaniu wzmocnienia z laminatów FRP wykorzystuje się niemetaliczne włókna o wysokich właściwościach mechanicznych, które zatapia się w polimerach (np. żywicy epoksydowej, poliestrowej, winyloestrowej).

Najczęściej spotykane kompozyty to polimery zbrojone

• włóknami węglowymi (CFRP - carbon fiber reinforced polymer),
• włóknami szklanymi (GFRP - glass fiber reinforced polymer) lub aramidowymi (AFRP - aramid fiber reinforced polymer),

choć w świecie prowadzi się badania nad wykorzystaniem włókien bazaltowych, stalowych czy naturalnych pochodzenia roślinnego (np. konopne, lniane).

Do wzmocnień wykorzystuje się taśmy albo maty z takich włókien. Szczegółowy opis właściwości włókien i uzyskiwanych z nich kompozytów zamieszczono w pracy [3].

Laminaty FRP uzyskują wysokie parametry mechaniczne (wytrzymałość, sztywność) dzięki odpowiedniej zawartości i rodzajowi włókien.

Bardzo wysoki współczynnik długości włókien do ich średnicy sprawia, że przy odpowiednim wypełnieniu matrycy włóknami liczba ich w jednostkowym przekroju jest bardzo duża, dzięki czemu rozkład obciążeń włókien jest równomierny i optymalnie wykorzystywane są ich właściwości.

Matrycą służącą formowaniu kompozytu, to znaczy konstrukcyjnemu połączeniu włókien w jeden element, są najczęściej żywice epoksydowe lub żywice poliestrowe, utwardzane amidami lub anhydrytami.

Funkcją matrycy jest ochrona włókien przed uszkodzeniami mechanicznymi lub korozją środowiskową, powiązanie włókien razem i zapewnienie równomiernego rozkładu obciążeń na włókna.

Powierzchnie, które mają być poddane wzmocnieniu, powinny być całkowicie czyste, mocne, równe i suche (żywice nie krystalizują w obecności wody). Dlatego wszelkie pozostałości tynków, starych farb czy innych powłok muszą zostać usunięte, np. przez piaskowanie. Jest to istotna wada metod naprawczych wykorzystujących FRP.

Należy również podkreślić, że systemy FRP tracą swoje właściwości podczas pożaru z powodu małej odporności żywic na wysoką temperaturę.

Jak pokazują badania [4], już temperatura 60°C może spowodować pewien spadek nośności wzmocnienia. Jest to zatem kolejna poważana wada wzmocnień przy użyciu laminatów FRP. Dlatego na etapie projektowania wzmocnienia nie należy tych systemów przyjmować w miejscach silnie nasłonecznionych lub uwzględnić w takich miejscach spadek nośności w obliczeniach. Przykład wzmocnienia narożnika budynku murowanego przy pomocy kompozytów FRP pokazano na FOT. 1.

W ostatnim czasie dużą popularność zdobywają materiały kompozytowe oparte na matrycy cementowej FRCM [5]. W przeciwieństwie do laminatów FRP stosuje się w nich nieorganiczną zaprawę ze spoiwa cementowego i różnych dodatków oraz siatki z włókien węglowych, szklanych, bazaltowych, aramidowych i innych.

Zaprawa, która powstaje z suchej mieszanki, przywożonej w workach i wymagającej dodania na budowy wody jest fizycznie i chemicznie kompatybilna z murem, a szczególnie z murem z cegły [6-8].

Wytyczne [9] dopuszczają stosowanie polimerowych dodatków do zaprawy, przy czym maksymalna zawartość składników organicznych jest ograniczona do 5% wagi cementu.

Warstwa zaprawy jest w stanie wyrównać nierówności ściany, nie ma więc potrzeby wstępnego oczyszczania i wygładzania podłoża, jak to ma miejsce przy wzmocnieniach z użyciem FRP.

Nie wymaga się, aby podłoże było suche, wręcz przeciwnie - niektóre systemy zalecają jego zwilżenie przed aplikacją zaprawy.

Naprawa polega na założeniu pierwszej warstwy zaprawy, wtopieniu w nią siatki, a następnie założeniu kolejnych warstw. Całkowita grubość naprawy wynosi 1-4 cm.

Wytrzymałość wzmocnienia kompozytami FRCM, jest z reguły niższa niż wytrzymałość laminatów FRP.

Przykład wzmocnienia przy użyciu kompozytu FRCM (zaprawa i siatka z włókien węglowych) żeber i jednego łęku sklepień krzyżowych murowanych z cegły dziurawki pokazano na FOT. 2-3, FOT. 4, FOT. 5 i FOT 6-7.

Analiza obliczeniowa

Wzmocnienie za pomocą tynku lub betonu zbrojonego ścian obciążonych głównie pionowo oraz ścian usztywniających (poddanych ścinaniu) oblicza się przy założeniu, że warstwa wzmocnienia przejmuje całe obciążenie.

Wymiarowanie przeprowadza się jak dla tarcz żelbetowych, nie uwzględniając współpracy wzmocnienia z zarysowaną ścianą [1]. W murach poddanych zginaniu z płaszczyzny przyjmuje się, że całe naprężenie rozciągające przejmowane jest przez wzmocnienie.

Obecnie nie są jeszcze w pełni opracowane, zgodne z normami europejskimi, zasady projektowania napraw i wzmocnień konsytuacji murowych przy użyciu laminatów FRP. Analizy obliczeniowe wzmocnień można jednak prowadzić na podstawie zaleceń amerykańskich ACI 440.7R-10 [10] oraz zaleceń włoskich CNR-DT200/2004 [11].

Zgodnie z zaleceniami amerykańskimi wzmocnienia FRP są stosowane w celu zwiększenia nośności niezbrojonego muru poddanego obciążeniom specjalnym: od trzęsień ziemi, huraganów oraz wybuchów.

W analizie wzmocnień należy uwzględnić również przypadki wandalizmu i wpływu wysokich temperatur. Zalecenia ACI 440.7R-10 [10] dopuszczają również instalację systemów naprawczych w celu zwiększania nośności dla typowych przypadków obciążeń [12], nie dotyczą jednak naprawy murów już uszkodzonych.

Obliczeniową wytrzymałość na rozciąganie ƒ_fu laminatu FRP zdefiniowano jako:

(1)

gdzie:

ƒ^*_fu - graniczna wytrzymałość na rozciąganie kompozytu, definiowana przez producenta systemu,

C_E - środowiskowy współczynnik redukcyjny, według TAB. 1.

Obliczeniowe odkształcenia, przy których następuje zarysowanie laminatu FRP, określa się z zależności:

(2)

gdzie:

ε^*_fu - graniczne odkształcenia na rozciąganie kompozytu, definiowane przez producenta systemu.

Moduł sprężystości Ef kompozytu FRP wyznacza się ze wzoru:

(3)

Odspojenie systemu naprawczego FRP będzie następować, gdy odkształcenia muru przekroczą wartości graniczne. Aby zapobiec delaminacji systemu naprawczego, ACI 440.7R-10 [10] narzuca graniczne efektywne wartości odkształceń kompozytu ε_fe, a co za tym idzie efektywne naprężenia ƒ_fe.

Inne wartości efektywnych odkształceń i naprężeń przyjmuje się w analizie ścian zginanych z płaszczyzny, a inne w wypadku ścian ścinanych w płaszczyźnie. W wypadku ścian zginanych z płaszczyzny przyjęto:

(4)

(5)

gdzie κ_m jest współczynnikiem redukcyjnym z uwagi na zakotwienie, równym:

(6)

Dodatkowo w wypadku wzmocnień powierzchniowych ogranicza się maksymalną siłę w laminacie do 260 N/mm.

Gdy analizuje się wzmocnienie z uwagi na ścianie muru w płaszczyźnie, efektywne odkształcenia i naprężenia wyznacza się ze wzorów:

(7)

gdzie κv jest współczynnikiem redukcyjnym z uwagi na zakotwienie, równym:

(8)

(9)

gdzie:

A_f- pole przekroju zbrojenia laminatu FRP, mm2,

A_n - pole netto zaprawy w analizowanym przekroju (z pominięciem otworów, chyba że te są wypełnione betonem), mm2,

ƒ^’_m - wytrzymałość muru na ściskanie, MPa.

Przy wzmocnieniu z uwagi na zginanie z płaszczyzny należy zgodnie z ACI 440.7R-10 [10] wykazać, że nośność muru wzmocnionego na zginanie M_n pomnożona przez współczynnik redukcyjny φ jest większa od momentu zginającego wynikającego z przyłożonych obciążeń M_n:

(10)

(11)

gdzie:

d_f - użyteczna wysokość przekroju w odniesieniu do zbrojenia laminatu, mm,

β₁ - stosunek wysokości prostokątnego rozkładu naprężeń ściskających do głębokości położenia osi obojętnej przyjmowany jako 0,7,

c - odległość od krawędzi ściskanej do osi obojętnej, MPa,

P_u - osiowe obciążenie pionowe,

t - grubość muru.

W analizach wzmocnień ścian zginanych z płaszczyzny przyjmuje się dodatkowe ograniczenie związane z nieprzekroczeniem w laminacie granicznych odkształceń muru εmu:

(12)

Tok projektowania wzmocnienia muru przy użyciu laminatów FRP zgodnie z ACI 440.7R-10 [10] zamieszczono w TAB. 2a, TAB. 2b i TAB. 2c.

W wypadku ścinania w płaszczyźnie muru ACI 440.7R-10 [10] zaleca spełnić nierówność:

(13)

gdzie:

φ - współczynnik redukcyjny równy 0,8,

V_n - nośność na ścinanie muru wzmocnionego włóknami FRP,

V_u - obliczeniowa siła ścinająca.

Nośność na ścianie muru wzmocnionego systemem FRP jest suma nośności muru niewzmocnionego VURMoraz nośności wzmocnienia Vf:

(14)

Nośność powierzchniowego wzmocnienia FRP oblicza się z zależności:

(15)

gdzie:

w_f - szerokość laminatu FRP,

s_f - rozstaw laminatów,

d_v - minimalna wartość z długości lub wysokości wzmacnianego muru,

p_fv - nośność laminatu określana ze wzoru:

(16)

gdzie:

n - liczba zastosowanych laminatów FRP,

t_f- grubość wzmocnienia FRP,

ƒ_fe - efektywne naprężenie według wzoru (11).

W TAB. 3a i TAB. 3b podano tok projektowania wzmocnienia muru na ścinanie w kierunku równoległym do spoin wspornych, zgodnie z zaleceniami ACI 440.7R-10 [10].

Alternatywą dla wzmocnień laminatami FRP są wzmocnienia przy użyciu zbrojonej matrycy cementowej (FRCM).

W grudniu 2013 r. opublikowano wytyczne ACI 549.4R-13 [9], które oprócz zasad aplikacji systemów FRCM zawierają również procedury obliczeniowe.

Zasady obliczania napraw i wzmocnień zamieszczone w tych wytycznych są zgodne z amerykańskimi normami ACI 318-11 [13] i ACI 562-13 [14] i bazują na założeniach przyjętych w zaleceniach włoskich AC 434 [15] i [16].

Podobnie jak w wypadku wzmocnień laminatami FRP analizy obliczeniowe w ACI 549.4R-13 [9] dzieli się z uwagi na kierunek obciążeń (obciążenia z płaszczyzny i w płaszczyźnie).

Przy zginaniu z płaszczyzny przyjęto, że efektywne odkształcenie εfe kompozytu FRCM przy zniszczeniu powinno być ograniczone wartością obliczeniowego odkształcenia kompozytu:

(17)

Efektywne naprężenia rozciągające w kompozycie FRCM oblicza się z zależności:

(18)

gdzie:

E_f - moduł sprężystości przy rozciąganiu zarysowanego kompozytu FRCM (definiowany przez producenta systemu FRCM).

ACI 549.4R-13 [9] nie uwzględnia w obliczeniach nośności na zginanie muru niezbrojonego. Nośność na zginanie muru wzmocnionego stanowi sumę nośności muru zbrojonego M_m i nośności wzmocnienia kompozytem FRCM M_f:

(19)

gdzie:

φ_m - współczynnik bezpieczeństwa równy 0,6.

Nośność muru wzmocnionego FRCM można obliczyć z warunku sumy momentów względem geometrycznego środka przekroju muru (rys. 6):

(20)

gdzie:

φ_m - współczynnik bezpieczeństwa równy 0,6,

β₁ - stosunek wysokości prostokątnego rozkładu naprężeń ściskających do głębokości położenia osi obojętnej przyjmowany jako 0,7 (w zaleceniach włoskich [16] równy 0,8),

γ - współczynnik redukcyjny wytrzymałości na ściskanie muru przyjmowany jako 0,7 (w zaleceniach włoskich [16] równy 0,85),

c_u - odległość od krawędzi ściskanej do osi obojętnej, MPa,

P_u - obciążenie osiowe,

t - grubość muru,

A_f - pole powierzchni zbrojenia kompozytu FRCM,

ƒ_fe - wytrzymałość na rozciąganie kompozytu FRCM.

Położenie osi obojętnej c_u względem najbardziej ściskanych włókien muru można określić z warunku sumy rzutu sił:

(21)

Przy obciążeniach w płaszczyźnie ACI 549.4R-13 [9] ogranicza odkształcenia rozciągające kompozyt FRCM w murze poddanym ścinaniu do wartości:

(22)

Efektywne naprężenia rozciągające w kompozycie FRCM poddanym ścinaniu oblicza się z zależności:

(23)

Nośność na ścinanie muru wzmocnionego stanowi sumę nośności muru Vm (zbrojonego lub niezbrojonego) i nośności wzmocnienia kompozytem FRCM Vf:

(24)

gdzie:

φ_v - współczynnik bezpieczeństwa równy 0,75.

Nośność na ścinanie dwustronnego wzmocnienia kompozytem FRCM Vf oblicza się z zależności:

(25)

gdzie:

A_f - pole powierzchni zbrojenia kompozytu z uwagi na działanie siły ścinającej,

n - ilość warstw zbrojenia kompozytu,

L - długość ściany w kierunku działania siły ścinającej.

Nośność wzmocnienia kompozytami FRCM nie powinna być większa niż 50% nośności muru niewzmocnionego.

W TAB. 4a i TAB. 4b zamieszczono tok projektowania wzmocnienia kompozytem FRCM na zginanie z płaszczyzny.

Na koniec należy jeszcze tu wspomnieć o możliwości prowadzenia obliczeń napraw i wzmocnień przy zastosowaniu modelowania numerycznego. Na świecie (np. [17], [18], [19], [20]) i w Polsce (np. [21], [22], [23]) podejmowane są próby budowania modeli opartych na MES, które mogą służyć do analiz powierzchniowych napraw i wzmocnień muru.

Obecnie wykonanie takich obliczeń wiąże się jeszcze ze znacznym nakładem pracy, lecz z czasem zapewne takie podejście stanie się powszechne.

Literatura

1. Ł. Drobiec, "Przyczyny uszkodzeń murów", XXII Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk, 7-10 marca 2007 r., t. I, str. 105-147.
2. Ł. Drobiec, "Naprawa rys i wzmocnienia murowanych ścian", XXX Jubileuszowe Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk, 25-28 marca 2015 r., t. I, s. 323-398.
3. M. Kałuża, T. Bartosik, "Wzmacnianie konstrukcji budowlanych taśmami i matami FRP - zagadnienia technologiczne", XXIX Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 2014, t. II, s. 173-212.
4. M. Górski, R. Krzywoń, "Obliczanie wzmocnień z wykorzystaniem taśm i mat zbrojonych włóknami wysokiej wytrzymałości", XXIX Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 2014, t. I, s. 285-344.
5. A. Nanni, "A New Tool for Concrete and Masonry Repair. Strengthening with fiber cementitious matrix composites", Concrete International, nr 4, 2012, s. 43-49.
6. Materiały reklamowe firmy RUREDIEL.
7. Materiały reklamowe firmy VISBUD-PROJEKT.
8. Materiały reklamowe firmy FYFE EUROPE.
9. ACI 549.4R-13, "Guide to Design and Construction of Externally Bonded Fabric-Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) Systems for Repair and Strengthening Concrete and Masonry Structures", 2013.
10. ACI 440.7R-10, "Guide for the Design and Construction of Externally Bonded Fiber-Reinforced Polymer Systems for Strengthening Unreinforced Masonry Structures", 2010.
11. CNR-DT 200/2004, "Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati".
12. J.J. Myers, "Strengthening unreinforced masonry structures using externally bonded fiber reinforced polymer systems: an overview of the American Concrete Institute 440.7R design approach", 9th Australasian Masonry Conference, Queenstown, New Zealand, 15-18 February 2011.
13. ACI 318-11, "Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary", 2011.
14. ACI 562-13, "Code Requirements for Evaluation, Repair, and Rehabilitation of Concrete Buildings and Commentary", 2013.
15. AC 434: Design criteria report for Ruredil FRCM composite systems. University of Miami, 2007.
16. Di.Te.R Technical Notebook, "Buildings seismic retrofit with FRCM - Fiber Reinforced Cementitious Matrix composite. Concrete and masonry structures", Ruredil, 2009.
17. J.S. Cruz, J. Barros, "Modeling of bond between near-surface mounted CFRP laminate strips and concrete", Computers & Structures, 17-19, 2004, s. 1513-1521.
18. R. Fedele, M. Scaioni, L. Barazzetti, G. Rosati, L. Biolzi, "Delamination tests on CFRP-reinforced masonry pillars: Optical monitoring and mechanical modeling", Cement and Concrete Composites, 45, 2014, s. 243-254.
19. Y.Ch. Sung, "Experimental study and modeling of masonry-infilled concrete frames with and without CFRP jacketing", Structural Engineering & Mechanics. 4, 2006, s. 449-467.
20. J.I. Velazquez-Dimas, M.R. Ehsani, "Modeling Out-of-Plane Behavior of URM Walls Retrofitted with Fiber Composites", "Journal of Composites for Construction", 4, 2000, s. 172-181.
21. M. Mrozek, "Numeryczna symulacja wzmacniania matami CFRP konstrukcji murowanych z cegły", rozprawa doktorska, Gliwice 2012.
22. M. Mrozek, D. Mrozek, A. Wawrzynek, "Numerical analysis of selection of the most effective configuration of CFRP composites reinforcement of masonry specimens", Composites Part B: Engineering 70 (2015), s. 189-200.
23. J. Szołomicki, "Computer Analysis of In-plane Behavior of Masonry Walls Strengthened by FRP Strips", Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science 2014 Vol II. WCECS 2014, 22-24 October 2014, San Francisco, USA.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!