Idea i sposoby wykorzystania murów skrępowanych

W artykule:

• Idea muru skrępowanego
• Rozwój konstrukcji murowych oraz praktyczne sposoby wykorzystania murów skrępowanych
• Mury skrępowane jako sposób budowania na trudnych terenach
• Wyniki badań skrępowanych modeli poddanych ściskaniu
• Badania kanadyjskie
• Badania Iernutan i Babota
• Badania Da Porto, Mosele i Modena

W przypadku muru wypełniającego pomiędzy konstrukcją żelbetową a murem zawsze występują luzy, co oznacza, że konstrukcja murowa zaczyna pracować dopiero po deformacji konstrukcji żelbetowej albo murowej [61]. W przypadku muru skrępowanego ułożenie mieszanki betonowej wokół ściany skutkuje w murze wprowadzeniem dodatkowych sił ściskających w wyniku wystąpienia zjawiska skurczu betonu. W efekcie uzyskuje się mur, który jest skrępowany konstrukcją żelbetową.

Czytaj także: Nowoczesne obiekty rolnicze z płyt warstwowych

Idea muru skrępowanego

Definicja muru skrępowanego pojawiła się dopiero w normie PN-EN 1996-1-1 (Eurokod 6) [N18]. Według niej za mur skrępowany uważa się mur, którego odkształcenia zostały w pionie i w poziomie ograniczone przez przylegającą do niego konstrukcję żelbetową lub mur zbrojony. Wpływ skrępowania na ograniczenie odkształceń opisano w pracach [12, 27, 28, 29, 30, 33, 37]. W praktyce murów zbrojonych jako elementów krępujących nie stosuje się wcale albo stosuje się bardzo rzadko. 

Do krępowania odkształceń murów wykorzystuje się głównie żelbetowe monolityczne rdzenie, rygle i wieńce stropów albo rygle wykonane w murach bez stropów (co ma miejsce w budynkach typu halowego). Przed powstaniem Eurokodu 6 mury skrępowane wykonywano również w naszym kraju, chociaż nie były one w ten sposób nazwane (np. na rdzenie mówiono pionowe wieńce). Tego typu mury w Polsce były wznoszone na terenach poddanych wpływom od eksploatacji górniczej [29, 34]. Wykonywało je wówczas według instrukcji i wytycznych ITB [N6].

W licznych publikacjach [2, 4, 40, 46, 47, 68, 90, 93] podkreśla się różnice między murem skrępowanym a murem stanowiącym wypełnienie szkieletu żelbetowego oraz podaje się zalety murów skrępowanych. Prace te koncentrują się jednak wokół wpływu skrępowania przy cyklicznym obciążeniu. Eurokod 6 [N18] nie dotyczy jednak murów obciążonych w sposób sejsmiczny, a w projekcie tej normy [N26] znalazły się nawet zalecenia dotyczące obliczeń murów skrępowanych pod obciążeniem pionowym i poddanych ścinaniu. 

W literaturze mało jest natomiast publikacji dotyczących badań murów skrępowanych realizowanych w jednym cyklu obciążenia. Można tu wymienić pracę [7], w której badano niewielkie skrępowane modele z betonu komórkowego, pracę [10], w której analizowano zachowanie murowanych słupów z drążonych bloczków betonowych i prace [36, 76], w których opisano badania skrępowanych ścian i słupów z drążonych bloczków betonowych. Powyższe badania prowadzono jednak na małych modelach. W literaturze trudno jest znaleźć wyniki badań skrępowanych murowanych ścian badanych w skali naturalnej.

Wiadomo powszechnie, że mury skrępowane mają większą odporność na zarysowania i większą nośność niż mury bez skrępowania. Dzieje się tak ponieważ skurcz betonu w elementach krępujących powoduje występowanie pewnych naprężeń ściskających w murze usytuowanym między elementami krępującymi, co jest bardzo korzystne dla konstrukcji ściany. W ścianie skrępowanej, na skutek skurczu betonu, mur jest poddany dwuosiowemu ściskaniu. Naprężenia ściskające od skurczu betonu mogą mieć wartość 0,2÷0,3 N/mm² [48, 49] i to one odpowiadają za zwiększenie odporności muru na zarysowania [55, 56].

Rozwój konstrukcji murowych oraz praktyczne sposoby wykorzystania murów skrępowanych

Konstrukcje murowe wykonuje się od wielu lat. Pomimo wiekowej tradycji podlegają one również rozwojowi. Rozwój i postęp konstrukcji murowych można uzyskać w różnorodny sposób. Najczęściej jest to realizowane przez:

• Wprowadzenie materiałów o polepszanych właściwościach użytkowych w stosunku do tych, które są obecnie w użyciu. Ten proces występuje najczęściej, chociaż ze względu na niewielką skalę poprawy właściwości użytkowych wyrobów, z reguły nie stanowi znaczącego postępu.
• Wprowadzanie zupełnie nowych materiałów: elementów murowych, zapraw murarskich. Jest to rozwój obarczony pewnym ryzykiem, ponieważ nie wiadomo, jak się nowe technologie sprawdzą w konstrukcjach budynków na przestrzeni lat.
• Zastosowanie nowego rodzaju rozwiązań wykonania tych konstrukcji (np. zbrojenie murów, zastosowanie różnego rodzaju wzmocnień, zastosowanie materiałów FRP – Fiber Reinforced Polymers lub FRCM – Fiber-Reinforced Cementitious Matrix) [14, 83]. Zbrojenie murów nie zawsze może sprostać wymaganiom architektów, projektantów lub wykonawców. W związku z tym poszukuje się jeszcze innych metod pozwalających spełnić wymagania norm projektowania w zakresie nośności, bezpieczeństwa i użytkowalności, bez istotnych ograniczeń architektonicznych.
•  Synergiczne łączenie ze sobą znanych i dobrze rozpoznanych technologii, umożliwiających ich optymalne wykorzystanie oraz zwiększenie ich wspólnej interakcji. Takim rozwiązaniem jest np. łączenie konstrukcji murowych z żelbetem.

Powyższe metody rozwoju konstrukcji murowych mogą oczywiście być wprowadzane oddzielnie i niezależnie, ale mogą być wprowadzane łącznie.

Monolityczne połączenie tradycyjnego muru z żelbetowym szkieletem i wykonanie tak zwanego muru skrępowanego [23] wpisuje się w nowoczesne trendy rozwoju konstrukcji murowych. Mimo powszechnie znanych zalet tego rozwiązania, takich jak ograniczenie zarysowań i wzrost nośności, rozpowszechnienie technologii murów skrępowanych jest hamowane przez brak rozpoznanych i skutecznych metod ich projektowania, w tym brak możliwości analitycznego sprawdzania ich nośności.

Mury skrępowane jako sposób budowania na trudnych terenach

Mury skrępowane są stosowane przede wszystkim na trudnych terenach w kontekście warunków posadowienia oraz możliwości odkształceń podłoża i na terenach działania silnych wiatrów. Ponieważ tego typu mury są znacznie bardziej odporne na zarysowania od murów wznoszonych w technologii tradycyjnej na świecie często wykonuje się je na obszarach poddanych wpływom sejsmicznym. W Polsce mury skrępowane stosowane były dotychczas powszechnie na terenach poddanych wpływom eksploatacji górniczej, w miejscach narażonych na wystąpienie osuwisk oraz na terenach zalewowych itp. [4, 40, 46, 47, 68, 90, 93]. 

Na FOT. 1–3 pokazano przykłady budynków uszkodzonych w wyniku powodzi oraz wpływów sejsmicznych. W budynkach tych ściany skrępowane nie zostały zniszczone ani nawet znacząco zarysowane. Należy też dodać, że w ostatnich latach w kraju i na świecie obserwuje się coraz częstsze wykorzystanie murów skrępowanych na obszarach pozbawionych wpływów wyjątkowych. 

Skrępowanie stosuje się wówczas w celu usztywnienia konstrukcji i przeciwdziałania uszkodzeniom np. od ekstremalnych wiatrów. W niektórych przypadkach skrępowanie ścian zewnętrznych umożliwia również zaprojektowanie i wybudowanie budynku bez ścian konstrukcyjnych wewnętrznych. Coraz częściej tego typu formy budynku są projektowane i wykonywane (np. budynki parterowe bez stropu, większe budynki wielorodzinne albo budynki komercyjne typu np. markety). Przykłady takich budynków pokazano na FOT. 4–5.

Jak już wcześniej wspomniano, skrępowanie wymaga wykonania w pierwszej kolejności murowanych ścian z pozostawionymi miejscami na wykonanie słupów i rygli żelbetowych. Ta technologia daje duże korzyści, polegające na tym, że:

• współpraca muru z żelbetem od chwili wykonania konstrukcji żelbetowej jest większa niż w przypadku wypełnienia szkieletu żelbetowego elementami murowymi,
• zachodzi wzajemna interakcja muru z żelbetem wywołana wpływami skurczowo-termicznymi,
• następuje przejmowanie części sił ściskających i ścinających przez żelbetowe elementy krępujące,
• zostaje ograniczona dystrybucja zarysowań w miejscach potencjalnych koncentracji naprężeń powstających w miejscach skrzyżowań ścian, występowania otworów lub oparć belek na murze.

Wadą konstrukcji skrępowanych jest dłuższy czas ich realizacji oraz większe skomplikowanie robót w porównaniu z technologią tradycyjną oraz szkieletową prefabrykowaną. Jest to natomiast porównywalne z wykonywaniem murów w połączeniu z żelbetowym szkieletem, który również wymaga przygotowanie szalunków oraz robót zbrojarskich – jeśli szkielet jest wykonywany, jako monolityczny.

Wadą jest też to, że wolnostojące fragmenty ścian oczekujące na wykonanie skrępowania są podatne na porywy wiatru i w ekstremalnych przypadkach możliwość przewrócenia (FOT. 6). Dlatego tak ważne jest zabezpieczenie fragmentów muru przed przewróceniem na etapie wykonawstwa.

Doświadczenia z konstrukcjami skrępowanymi z krajów, w których są one stosowane pokazują, że tego typu budynki nie mają luźnej i skomplikowanej formy. Budynek wpisujący się w zasady konstruowania budynku ze ścianami skrępowanymi powinien mieć uporządkowane elewacje. W kontekście architektury niezadowalające może być to, że nie można sobie pozwolić na swobodę projektowania, ponieważ forma budynku wynika z jego konstrukcji. To aspekty w pewien sposób ograniczające architektów. 

Bryła budynku ze ścianami skrępowanymi powinna być zwarta, trzeba jednak zwrócić uwagę, że dzięki temu budynki są proste w budowie. Prosta bryła wpływa też na optymalne zużycie energii podczas użytkowania budynku. Dzięki skrępowaniu można zmniejszyć grubość murów, a więc zwiększyć ich smukłość bez wpływu na pogorszenie sztywności budynku. Ponadto skrępowanie muru może również zmniejszyć liczbę albo zupełnie wyeliminować wykonanie ścian konstrukcyjnych wewnętrznych. Wszystkie te elementy decydują, że technologia murów skrępowanych wpisuje się w szeroko pojęte zasady zrównoważonego rozwoju.

Wyniki badań skrępowanych modeli poddanych ściskaniu

W literaturze można znaleźć wiele publikacji na temat murów skrępowanych. Jednak zdecydowana większość z nich dotyczy murów poddanych wpływom sejsmicznym, murom badanym pod obciążeniem cyklicznym lub badanych na stołach wibracyjnych. Tylko niewielka liczba publikacji opisuje badania ścian skrępowanych obciążonych monotonicznie. Wśród nich są publikacje dotyczące murów ściskanych, ścinanych oraz zginanych. W związku z tematem pracy poniżej prezentuje się wyniki badań skrępowanych murów ściskanych. Opis wyników badań murów zginanych znaleźć można w pracy [29], a murów ścinanych w pracy [37].

Badania kanadyjskie

Jednym z badań murów skrępowanych poddanych ściskaniu są kanadyjskie analizy ściskanych słupków krępujących obudowanych elementami murowymi [36, 37]. Badaniom poddano siedemnaście elementów próbnych, różniących się konfiguracją zbrojenia (RYS. 1–6).

Szczegółowe informacje dotyczące badanych modeli przedstawia TABELA 1.

Gabaryty wszystkich badanych elementów były takie same, a ich wysokość wynosiła 1250 mm (bez podwaliny 1000 mm). Każdy model składał się z pięciu warstw elementów murowych połączonych spoinami o grubości 10 mm, umiejscowionych na podwalinie żelbetowej o wymiarach 400x400x250 mm. 

Elementy murowe miały przekrój poprzeczny w kształcie litery C o wymiarach: szerokość półki 190 mm, długość 390 mm, grubość 70 mm i wysokość 190 mm. Większość modeli miała zbrojenie pionowe w formie czterech prętów 20M (średnica 19,5 mm). Zastosowano również zbrojenie poprzeczne o średnicach 10M (11,3 mm) oraz 15M (16,0 mm). Granica plastyczności stosowanego zbrojenia wynosiła 420 N/mm².

Elementy próbne zostały poddane obciążeniu ściskającemu, przez stalowe płyty grubości 50 mm, ułożone na warstwie gipsu wysokiej wytrzymałości. Obciążenie przykładano w kroku 0,45 mm na minutę. Na RYS. 7 pokazano wykresy naprężenie–odkształcenie uzyskane z badań wszystkich modeli. Widać wyraźny wpływ zbrojenia na nośność modeli. Ściany oznaczone jako BE-R-0 (mury ze zbrojeniem pionowym) w porównaniu do modeli BE-U-0 (bez zbrojenia) odznaczały się znacząco większą nośnością (wzrost o 50%), co niewątpliwie wskazuje na korzystny wpływ zbrojenia pionowego. Zastosowanie dodatkowych strzemion pozwoliło na dalszy wzrost nośności od 19% (model BE R 10/200) do 46% (model BE-R-15/200).

Badania Iernutan i Babota

Iernutan i Babota [44] podjęli próbę przeanalizowania pracy konstrukcji, w której elementy krępujące nie mają zbrojenia prętowego. Skrępowanie zrealizowano przez wykonanie elementów betonowych ze zbrojeniem rozproszonym w otworach znajdujących się w elementach murowych. Zdaniem autorów rozwiązanie to miało stanowić alternatywę skrępowania budynków znajdujących się na terenach mniej aktywnych sejsmicznie, zapewniając ochronę przed kruchym zniszczeniem konstrukcji. Wykonano modele badawcze o długości 91 cm, wysokości 100 cm, grubości 30 cm. Modele wymurowano z elementów z ABK o wymiarach 600x250x300 mm, przy grubości spoin równych 10 mm (RYS. 8–9). W modelach skrępowanych wykonano po jednym pionowym otworze o przekroju 200x200 mm, który wypełniano mieszanką betonową C 16/25 z metalowym zbrojeniem rozproszonym WHS 50/09/H. Zbadano trzy modele nieskrępowane oraz dwa skrępowane. Modele badano w prasie hydraulicznej w jednym cyklu, aż do zniszczenia.

Na RYS. 10 pokazano wykresy naprężenie–odkształcenie uzyskane z badań. Na podstawie zrealizowanych badań stwierdzono 59% przyrost nośności muru z elementem skrępowanym elementem betonowym ze zbrojeniem rozproszonym w stosunku do ściany bez skrępowania oraz zwiększenie granicznych deformacji o 12%. Odnotowano również prawie dwukrotnie większe wartości modułów sprężystości dla ścian skrępowanych w odniesieniu do ścian bez skrępowania.

Badania Da Porto, Mosele i Modena

Da Porto, Mosele i Modena wykonali badania ceramicznych murów ściskanych skrępowanych zbrojeniem pionowym i poziomym [8, 75]. W badaniach wykorzystano ceramiczne elementy murowe dwóch typów. Typ pierwszy miał drążenia poziome oraz poziome bruzdy na powierzchniach wspornych, w których umieszczane było zbrojenie typu kratowniczka. Drugi typ miał drążenie pionowe, przez które prowadzono zbrojenie pionowe. Elementy murowe i ideę skrępowania badanego systemu pokazano na RYS. 11–12.

Badania prowadzono na elementach badawczych obejmujących cały system (ze zbrojeniem poziomym i pionowym) oraz na próbkach zbrojonych tylko pionowo lub tylko poziomo. Badano murowane słupki zbrojone tylko pionowo (RYS. 13) o szerokości 38 cm i wysokości 65 cm (seria C3) oraz 107 cm (seria C5).

Modele zbrojone tylko pionowo (RYS. 14)) miały szerokość 103 cm i wysokość 108 cm i zbrojone były prętami żebrowanymi średnicy 6 mm, niepowiązanymi wzajemnie (seria SRHC) oraz zbrojeniem typu kratowniczka z pętami głównymi średnicy 5 mm (seria TRHC).

Elementy badawcze obejmujące cały system (zbrojone poziomo i pionowo) miały szerokość 155 cm i wysokość 171 cm (RYS. 15). Podobnie jak modele zbrojone tylko poziomo, elementy te zbrojono przy użyciu prętów średnicy 6 mm (seria SRC) i zbrojenia typu kratowniczka (seria TRC).

Wyniki badań uśrednione w ramach każdej z serii zestawiono w TABELI 2.

Największą nośność wykazały model słupowe, lecz miały one największy procentowy udział zbrojenia. Modele zbrojone pionowo i poziomo (serie SRC i TRC) miały nośność większą od modeli zbrojonych tylko pionowo odpowiednio o blisko 40% i 50%. Szkoda, że autorzy badań nie przebadali modeli bez zbrojenia.

Artykuł opracowano na podstawie fragmentów książki „Nośność i odkształcalność ściskanych murów z betonu komórkowego skrępowanych konstrukcją żelbetową”, którą można zamówić na stronie Księgarni Technicznej. Literatura, na podstawie której powstał artykuł, jest dostępna w książce.