Naprawa rys i wzmocnienia ścian - ankrowanie

Zasady stosowania metody

Ankrowanie zwykle nie zabezpiecza w pełni ścian budynku przed powstaniem nowych zarysowań, a jedynie powoduje ograniczenie ilości i rozwarcia tych rys [2, 3]. Lepsze efekty uzyskuje się stosując ściągi sprężone, zastosowanie których generuje jednak pewne problemy z wiarygodnym określeniem odkształcalności i wytrzymałości muru oraz dostosowaniem cięgien sprężających i zakotwień do konkretnej konstrukcji [4].

Alternatywnym rozwiązaniem jest stosowanie wieńców rozproszonych, które wykonuje się podobnie jak lokalne zszycie rysy, z tą różnicą, że zbrojenie prowadzi się przez całą długość ściany i zapewnia wymagane normą żelbetową długości zakotwienia i połączenia na zakład.

Zbrojenie przyjmuje się wówczas z warunku na minimalną ilość zbrojenia wieńca według normy żelbetowej, pamiętając o ograniczeniach związanych z grubością spoiny wspornej.

Więcej informacji na temat wieńców rozproszonych oraz innych sposobów wzmocnień wpływających na sztywność przestrzenną budynku znaleźć można w pracy [5].

W wypadku, gdy zarysowanie w budynku już występuje i wymaga naprawy, a jego lokalizacja utrudnia naprawę przez przemurowanie lub zszycie rys, metoda kotwienia połączona z iniekcją zarysowań może być dobrym rozwiązaniem. Dotyczy to przede wszystkim przypadków odspojenia się od bryły budynku jakiegoś fragmentu muru.

Ankrowanie jest często stosowane właśnie tam, gdzie z uwagi na geometrię obiektu nie ma możliwości technicznych zastosowania naprawy przez zszycie rys (np. rysy występują na styku ścian głównej bryły budynku i dobudówek lub na styku ściany szczytowej i ścian podłużnych).

Przyczyną powstania odspojeń ścian lub fragmentów budynku może być nierównomierne osiadanie gruntu, spowodowane np. głębokimi wykopami, wpływy termiczne generujące odkształcenia dachów i stropodachów, wpływy od budowli sąsiednich czy zbyt mała sztywność przestrzenna budynku.

Na FOT. 1-2 pokazano przykłady zarysowań, które można naprawić przez kotwienie. Przed wykonaniem kotwienia zazwyczaj zaleca się zainiektowanie istniejących zarysowań bądź ich wypełnienie zaprawą cementową.

Technologia wykonania i stosowane materiały

Wykonanie kotwienia polega na zabezpieczeniu odspojonej części muru przez jej połączenie z pozostałą częścią obiektu za pomocą stalowych cięgien. Cięgna najczęściej są sytuowane w bruzdach wykonanych w ścianach (od zewnątrz lub/i od wewnątrz), lecz mogą być umieszczane na zewnątrz, przy licu ścian.

Naprawa przez ankrowanie polega na:

• przyjęciu przebiegu ściągów (ściągi poziome projektujemy w okolicy stropów, co przynajmniej częściowo zabezpiecza przed uszkodzeniami wywołanymi zbyt dużym skrępowaniem),
• obliczeniu średnicy ściągów z warunku równowagi momentów zginających (zob. "Analiza obliczeniowa"),
• wykonaniu bruzd oraz otworów w ścianach w celu przepuszczenia ściągów (FOT. 3),

• założeniu ściągów (FOT. 4),
• założeniu bloków oporowych w postaci blach, profili walcowanych, a czasem specjalnych konstrukcji oporowych i skręcenie ściągów (FOT. 5),
• zamurowaniu bruzd; zamurowanie chroni ściągi przed wpływami atmosferycznymi oraz zwiększa nieco efektywność naprawy (FOT. 6).

Efektywność wzmocnienia zależy od utrzymania odpowiedniej siły w ściągu. Na straty siły sprężającej mają wpływ [6]:

• pełzanie muru i relaksacja stali,
• pęcznienie muru na skutek zawilgocenia,
• odkształcenia termiczne muru i ściągów,
• sposób zakotwienia i naciągania cięgien.

Czasem, w celu zwiększenia efektywności wzmocnienia, stalowe ściągi przed założeniem podgrzewa się [7, 8]. Ściąg, stygnąc, zmniejsza swą długość, a ponieważ jego swobodne odkształcenia są zablokowane konstrukcjami oporowymi, powoduje sprężenie muru.

Nie należy jednak przesadzać z nadmiernym podgrzewaniem ściągów, znane są bowiem przypadki uszkodzenia muru spowodowane zbyt dużym sprężeniem. Nawet ściągi tylko skręcane śrubami przekazują na konstrukcję murową dodatkowe siły, co może być przyczyną wywołania dodatkowego rozciągania i ścinania muru.

Niewłaściwe przekazanie sił ze ściągów na konstrukcję może prowadzić do powstawania nowych zarysowań muru [6].

Podczas wykonywania kotwienia stosuje się:

• pręty stalowe (gładkie lub żebrowane) o średnicy >  20 mm (praktycznie Ø 28, Ø 32),
• materiały do uzupełnień bruzdy (zaleca się wykorzystywać oryginalne elementy murowe uzyskane podczas wykuwania bruzdy i zaprawę o właściwościach mechanicznych zbliżonych do zaprawy zastosowanej we wzmacnianej ścianie),
• bloki oporowe lub konstrukcje oporowe (często w postaci stalowych blach ozdobnych lub profili walcowanych).

Przykładowe naprawy i zabezpieczenia przez ankrowanie pokazano na FOT. 7, FOT. 8, FOT. 9, FOT. 10, FOT. 11 i FOT. 12.

Analiza obliczeniowa

Projekt naprawy, oprócz przyjęcia średnic i przebiegu ściągów, powinien również uwzględniać sposób eliminacji lub minimalizacji przyczyn powstawania uszkodzeń.

W wypadku, gdy zarysowanie fragmentu budynku jest wynikiem nierównomiernego osiadania gruntu (np. spowodowanych głębokimi wykopami), obliczenia należy prowadzić zgodnie z instrukcją ITB nr 376/2002. Opis procedury obliczeniowej zamieszczono w pracy [5].

Gdy odspojenia nie wynikają ze zmian w posadowieniu oraz z wypadku, gdy odspojony fragment ściany ulega obrotowi względem pozostałej części budynku, projektowanie ściągów kotwiących prowadzi się przy założeniu, że odspojona cześć budynku jest ciałem sztywnym.

Ustala się przebieg ściągów (najczęściej w okolicy ścian oraz stropów), a następnie zakłada się graniczną wartość obrotu odspojonego fragmentu budynku.

Określa się warunek równowagi momentów zginających względem punktu obrotu i z tego warunku oblicza się potrzebne pole powierzchni ściągów. Schemat takiej analizy pokazano na RYS. 1-2.

W przypadku jak na RYS. 1-2 moment M_Sd powodujący obrót ściany oblicza się ze wzoru:

(1)

natomiast moment M_Rd utrzymujący ścianę z zależności:

(2)

Gdy zakłada się jedynkowy przekrój ściągów na każdej kondygnacji, można napisać:

(3)

gdzie:

φ - średnica ściągu,

n_s - ilość ściągów na jednym poziomie,

ƒ_yd - obliczeniowa granica plastyczności stali ściągu.

Warunek równowagi momentów będzie zachowany, gdy:

(4)

Podstawiając do wzoru (4) zależności (1)-(3), można obliczyć potrzebną średnicę ściągu.

Aby na podstawie opisanej wyżej metody wyliczyć średnicę cięgien, należy przyjąć odpowiedni kąt wychylenia ściany θ_gr (zob. RYS. 1-2).

Zdaniem autora nie powinno się tu przyjmować rzeczywistego kąta wychylenia danej ściany, choćby z uwagi na fakt, że naprawa wykonywana jest później niż projekt naprawy i do czasu jej wykonania nachylenie ściany może się zwiększyć. Dlatego w obliczeniach należy bezpiecznie przyjąć kąt graniczny, po przekroczeniu którego następuje utrata stateczności ściany.

W pracy Szulborskiego, Michalaka i Woźniaka pt. "Zabezpieczenie i obserwacja obiektów w sąsiedztwie głębokich wykopów" [9] przeprowadzono analizę wychyleń ścian spowodowanych osiadaniem gruntu.

Analiza zaleceń zawartych w pracach Kramera, Sommera, Bjerruna czy Wiłuna prowadzi do wniosku, że uszkodzenia konstrukcji ścian występują przy wychyleniu równym 1/150, a więc około 6,7 mm/m. Wytyczne te dotyczą jednak powstania zarysowań, a więc stanu granicznego użytkowalności, a nie nośności.

Znanych jest wiele przypadków budynków wychylonych znacznie bardziej, a do rektyfikacji przystępuje się zazwyczaj dopiero po osiągnięciu wychyleń rzędu 20-30 mm/m [10].

W pracach Gil-Kleczeńskiej [11, 12] podano większe dopuszczalne wychylenia budynków poddanych wpływom od eksploatacji górniczej. Limity pochyleń, dla warunku nieprzekroczenia stanu granicznego nośności przyjęto w zależności od liczby kondygnacji w budynku:

• budynek do 12 kondygnacji - graniczne wychylenie 30 mm/m,
• budynek do 5 kondygnacji - graniczne wychylenie 40 mm/m,
• budynek do 2 kondygnacji - graniczne wychylenie 50 mm/m.

W rzeczywistości wychylenia budynków bywają większe. Przykładowo słynna krzywa wieża w Pizie oraz krzywa wieża w Toruniu mają wychylenia przekraczające 90 mm/m. Znane są przypadki wychyleń budynków przekraczających 120 mm/m.

Wydaje się jednak, że przyjęcie opisanych wyżej wychyleń granicznych w zależności od liczby kondygnacji jest wystarczające.

Zadaniem ściągów jest zabezpieczenie przed dalszym rozwarciem istniejących zarysowań. Gdy ściana jest znacznie wychylona, należy sprawdzić jej nośność z uwzględnieniem wzrostu mimośrodu spowodowanego wychyleniem. Procedurę obliczeniową zamieszczono w pracy Jasińskiego [5].

Literatura

1. Ł. Drobiec, "Naprawa rys i wzmocnienia murowanych ścian", XXX Jubileuszowe Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 25-28 marca 2015, tom I, s. 323-398.
2. M. Kawulok, "Ochrona istniejących obiektów budowlanych na terenach górniczych", XXII Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji. Szczyrk 7-10 marca 2007, t. 1, s. 357-381.
3. S. Paganoni, D. D’Ayala, "Testing and design procedure for corner connections of masonry heritage buildings strengthened by metallic grouted anchors", Engineering Structures, vol. 70, 2014, s. 278-293.
4. Z. Janowski, P. Matysek, "Metody wzmacniania konstrukcji murowych przez sprężanie", XIII Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń 25-27 lutego 1999, t. 1 cz. 1, s. 253-272.
5. R. Jasiński, "Problemy zabezpieczenia budynków w rejonie głębokich wykopów", XXX Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 25-28 marca 2015, t. 1, s. 113-212.
6. L. Małyszko, R. Orłowicz, "Konstrukcje murowe. Zarysowania i naprawy", Wydawnictwo Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego, Olsztyn 2000.
7. Praca zbiorowa pod kierunkiem S. Zaleskiego: "Remonty budynków mieszkalnych", Arkady, Warszawa 1995.
8. E. Masłowski, D. Spiżewska, "Wzmacnianie konstrukcji budowlanych", Arkady, Warszawa 2014.
9. K. Szulborski, H. Michalak, M. Woźniak, "Zabezpieczenie i obserwacja obiektów w sąsiedztwie głębokich wykopów", XXIV Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Wisła 2009, t. 3, s. 229-264.
10. K. Gromysz, "Usuwanie wychyleń budynku", XXIX Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 2014, t. 1, s. 345-384.
11. B. Gil-Kleczeńska, "Odporność obiektów kubaturowych na wpływy eksploatacji górniczych w aspekcie ich użytkowania", Prace Głównego Instytutu Górnictwa. Konferencje nr 3 "Ochrona powierzchni i obiektów budowlanych przed szkodami górniczymi", Katowice 1995.
12. B. Gil-Kleczeńska, "Techniczno-ekonomiczne zasady ochrony budynków przed szkodami górniczymi", Prace Głównego Instytutu Górnictwa. Konferencje nr 20 "Ochrona powierzchni i obiektów budowlanych przed szkodami górniczymi", Katowice 1997.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!