Wzmocnienie ścian murowanych. Mury skrępowane z elementów silikatowych

Wzmocnienie ścian murowanych wzniesionych z silikatów i poprawa parametrów materiałowych jest możliwa poprzez ich skrępowanie. Silikaty cechują się wysoką wytrzymałością, a z uwagi na dużą masę mają bardzo dobre właściwości akustyczne. Wyroby wapienno-piaskowe charakteryzują się ponadto najwyższą wymaganą odpornością na działanie ognia. Wciąż jednak dąży się do optymalizacji i pełnego wykorzystania możliwości tego materiału.

Spis treści

1. Mury skrępowane – wymagania konstrukcyjne
2. Mury skrępowane – nośność
3. Mury skrępowane obciążone głównie pionowo
4. Mury skrępowane poddane obciążeniom ścinającym
5. Mury skrępowane zginane w płaszczyźnie i ściskane
6. Mury skrępowane model obliczeniowy według projektu nowego Eurokodu 6

Skrępowanie powoduje ograniczenie swobodnych odkształceń przegrody, przez co znajduje się ona w stanie dwuosiowego ściskania i wzrasta jej rysoodporność oraz nośność. Mimo że mury skrępowane stosowane były w kraju powszechnie, szczególnie na terenach wpływów od podziemnej eksploatacji górniczej, normy nie dawały możliwości uwzględniania pozytywnego wpływu tego działania na etapie projektowania. Dopiero w projekcie nowego Eurokodu 6 (Pr-PEN 1996-1-1 [1]) zamieszczono informacje pozwalające na obliczeniowe uwzględnienie wpływu elementów krępujących. W niniejszym artykule zamieszczono informacje na temat sposobu projektowania murów skrępowanych z elementów silikatowych, zaś szczegółowy tok projektowania oraz przykłady obliczeń można znaleźć w literaturze [2].

Mury skrępowane – wymagania konstrukcyjne

Obowiązująca wciąż norma Eurokod 6 (PN-EN 1996-1-1 [3]) w zakresie murów skrępowanych podaje jedynie wymagania konstrukcyjne, które w większości powtórzono w projekcie EC6 [1]. Oba dokumenty zalecają, aby murowane ściany skrępowane miały pionowe i poziome elementy krępujące wykonane z żelbetu lub muru zbrojonego w sposób zapewniający pełną współpracę w przenoszeniu oddziaływań. W tym celu górne i boczne elementy krępujące powinny być wykonywane po wybudowaniu muru w sposób zapewniający ich połączenie ze ścianą. Uzyskuje się to przez pozostawienie w murze strzępi (rys. 1a), które są wypełniane betonem, lub zastosowanie w spoinach wspornych ścian zbrojenia wpuszczanego w monolityczne rdzenie (rys. 1b). Eurokod zaleca stosowanie strzępi w murach wykonanych z elementów murowych grupy 1 i 2. Jako zbrojenie łączące mur z rdzeniem można przyjąć pręty o średnicy nie mniejszej niż 6 mm (5 mm w projekcie EC6 [2]) lub odpowiadającej, w rozstawie nie większym niż 300 mm. Gdy w ścianach projektuje się użycie zbrojenia spoin wspornych (np. z uwagi na zginanie), zakotwienie może być zrealizowane przez jego przedłużenie do wnętrza rdzenia (rys. 1c i 2) na długość zakotwienia. Z uwagi na małe wymiary poprzeczne rdzenia najczęściej stosuje się zakotwienia prętów w postaci haków prostych lub półokrągłych.

Zgodnie z EC6 i jej nowym projektem elementy krępujące powinny być wykonane na poziomie każdej kondygnacji. Te pionowe (rdzenie) należy sytuować w połączeniach ścian nośnych oraz na obydwu bokach każdego otworu o powierzchni większej niż 1,5 m², poziome zaś (wieńce) w poziomach stropów. Dodatkowe elementy krępujące mogą być potrzebne w ścianach, w których maksymalna rozpiętość zarówno w pionie, jak i poziomie wynosi 4 m (5 w pionie i 4 m w poziomie, zgodnie z projektem EC6 [1]).

Wymagania te są bardzo rygorystyczne – w ścianach trzeba wykonywać znacznie więcej rdzeni w porównaniu do dotychczasowych zaleceń. Na szczęście te dotyczące rozstawu co 4 m wieńców (lub 5 według projektu normy) i rdzeni nie są obligatoryjne, EC6 przyjmowanie tych rozstawów pozostawia projektantowi. Należy podkreślić, że norma Eurokod 6 nie dotyczy projektowania uwzględniającego wpływy sejsmiczne, którym zajmuje się PN-EN 1998-1 [4]. Rola skrępowania muru na zachowanie się ścian obciążonych statycznie lub quasi-statycznie nie jest dobrze rozeznana – badań oraz analiz takich konstrukcji jest znacznie mniej niż murów skrępowanych poddanych wpływom sejsmicznym.

O ile w przypadku rozstawu rdzeni co 4 m (lub 5 m) EC6 (i projekt EC6) używa określenia „mogą być potrzebne”, o tyle dla otworów o powierzchni większej niż 1,5 m² podaje, że rdzenie przy takich otworach „powinno się” stosować. Z tego zapisu wynika, że rdzenie należy wykorzystywać przy prawie każdym otworze okiennym i każdym drzwiowym. Zdaniem Tomaževica 1,5 m² jest wielkością zbyt małą i proponuje on [5] zwiększenie maksymalnego pola otworu, przy którym nie trzeba wykonywać elementów krępujących do 2,5 m².

Według PN-EN 1996-1-1 [3] i projektu PrEN 1996-1-1 [1] elementy krępujące powinny mieć przekrój poprzeczny nie mniejszy niż 0,02 m², z najmniejszym wymiarem nie mniejszym niż 150 mm w płaszczyźnie ściany, a także mieć zbrojenie podłużne o minimalnym przekroju równym 0,8% przekroju poprzecznego elementu krępującego, ale nie mniej niż 200 mm². Należy stosować cztery pręty podłużne o średnicy minimum 8 mm oraz strzemiona o średnicy nie mniejszej niż 6 mm (5 mm w projekcie EC6 [1]), w rozstawie nie większym niż 300 mm. Przykład rozwiązania najmniejszego dopuszczalnego przez EC6 rdzenia pokazano za [6] na rys. 3.

W ścianach skrępowanych, w których zastosowano wyroby murowe grupy 1 i 2, fragmenty przylegające do elementów krępujących powinny zachodzić na siebie zgodnie z zasadami przewiązania przedstawionymi w EC6 oraz w projekcie tej normy. Alternatywnie można przyjąć zbrojenie o średnicy nie mniejszej niż 6 mm lub płaskowniki odpowiadające tej średnicy, w rozstawie nie większym niż 300 mm, zakotwione w betonie wypełniającym i spoinach wypełnionych zaprawą.

Zbrojenie pionowych rdzeni i poziomych rygli oraz wieńców należy wykonturować zgodnie z zaleceniami Eurokodu żelbetowego PN-EN 1992-1-1 [7]. Niezmiernie istotne jest przyjmowanie odpowiednich sposobów zakotwień prętów, szczególnie w rejonie naroży wieńców i rygli, oraz połączenia elementów poziomych z rdzeniami.

Jak widać, analiza obliczeniowa skrępowanych ścian obciążonych głównie pionowo jest dość prosta i opiera się na znanym algorytmie dla przegród niezbrojonych. Do nośności muru niezbrojonego nieskrępowanego wystarczy dodać nośność zbrojenia pomnożoną przez współczynnik redukcyjny Φ. Co ciekawe, norma nie uwzględnia wytrzymałości na ściskanie betonu, z którego są wykonane rdzenie, przyjmując, jakby zbrojenie ułożono w murze (oczywiście taki przypadek również może mieć miejsce w przypadku układania prętów elementów krępujących w pionowych drążeniach elementów murowych). Nośność skrępowanej murowanej ściany obciążonej głównie pionowo należy sprawdzać w trzech przekrojach: górnym, środkowym i dolnym.

Analiza muru skrępowanego nie może być prowadzona dla pasma o szerokości 1 m, jak to często wykonuje się w przypadku ścian nieskrępowanych obciążonych pionowo [6]. Wzór (2) wymaga przyjęcia całego przekroju muru wraz z przekrojem elementów krepujących. W związku z tym obciążenia również trzeba zestawić na całą długość przegrody. W przypadku ściany z otworem należy rozpatrywać długość od elementu krępującego do krawędzi otworu. W projekcie normy PrEN 1996-1-1 [1] nie podano zasad postępowania dla dwóch sąsiadujących ścian skrępowanych. Wówczas za A_s trzeba przyjąć połowę zbrojenia rdzenia łączącego sąsiednie ściany, drugą połowę natomiast należy wliczyć do nośności ściany sąsiedniej.

Mury skrępowane – nośność

W projekcie PrEN 1996-1-1 [1] założono, że mur i elementy krępujące należy traktować jak jeden element konstrukcyjny. Przyjęto, że mur skrępowany sprawdza się obliczeniowo jako jeden zespolony element i przy spełnieniu wymagań konstrukcyjnych nie ma konieczności dodatkowego sprawdzania nośności elementów krepujących. Nośność ścian skrępowanych powinna być weryfikowana oddzielnie pod kątem odziaływań pionowych, sił ścinających i momentów zginających w płaszczyźnie ściany oraz w razie potrzeby na obciążenia działające z płaszczyzny ściany. Wzory na nośność przyjęto na podstawie pracy [8], w której przeprowadzono analizę równowagi sił w przekroju ścian obciążonych w płaszczyźnie. W projekcie normy ponadto założono, że ściany skrępowane wzniesione z elementów murowych grupy 4. nie mogą być sprawdzane obliczeniowo według założeń normy.

W projekcie PrEN 1996-1-1 [1] zawarto metody obliczeń murów skrępowanych obciążonych głównie pionowo, ścinanych oraz zginanych w płaszczyźnie. Zakłada on zatem, że ściany skrępowane można sprawdzać obliczeniowo w przypadku przegród nośnych (z uwagi na obciążenia pionowe) oraz usztywniających (tu przyjęto, że weryfikacja nośności powinna odbywać się oddzielnie z uwagi na ścinanie oraz zginanie i ściskanie).

Mimo że norma mówi o sprawdzaniu murów skrępowanych na obciążenia działające z płaszczyzny, nie zamieszczono żadnych wytycznych dotyczących kontrolowania nośności na takie obciążenia. Podano natomiast informację, że nośność ścian na inne obciążenia należy weryfikować jak dla ścian nieskrępowanych. Poniżej zamieszczono zalecenia projektu Eurokodu 6. Trzeba pamiętać, że mogą one ulec zmianie w ostatecznej wersji normy. Podane wzory i metody obliczeń są zgodne z projektem normy przyjętym w październiku 2019 roku. Aby ułatwić czytelnikowi znalezienie cytowanych wzorów w normie, podano ich numerację z PrEN 1996-1-1 [1].

Mury skrępowane obciążone głównie pionowo

Podstawowy wzór na nośność ściany skrępowanej obciążonej głównie pionowo jest identyczny jak ten dla murów nieskrępowanych i niezbrojonych (numeracja z Pr-EN 1996-1-1 (8.48)):

N_ED ≤ N_Rd,    (1)

gdzie:

N_Ed – obliczeniowa siła pionowa działająca na ścianę,

N_Rd – obliczeniowa nośność ściany skrępowanej obciążonej głównie pionowo.

Obliczeniową nośność ściany skrępowanej obciążonej głównie pionowo jako zespolonego elementu murowo-żelbetowego należy wyznaczyć z zależności (numeracja z Pr-EN 1996-1-1 (8.49)):

Jak widać, analiza obliczeniowa skrępowanych ścian obciążonych głównie pionowo jest dość prosta i opiera się na znanym algorytmie dla przegród niezbrojonych. Do nośności muru niezbrojonego nieskrępowanego wystarczy dodać nośność zbrojenia pomnożoną przez współczynnik redukcyjny Φ. Co ciekawe, norma nie uwzględnia wytrzymałości na ściskanie betonu, z którego są wykonane rdzenie, przyjmując, jakby zbrojenie ułożono w murze (oczywiście taki przypadek również może mieć miejsce w przypadku układania prętów elementów krępujących w pionowych drążeniach elementów murowych). Nośność skrępowanej murowanej ściany obciążonej głównie pionowo należy sprawdzać w trzech przekrojach: górnym, środkowym i dolnym.

Analiza muru skrępowanego nie może być prowadzona dla pasma o szerokości 1 m, jak to często wykonuje się w przypadku ścian nieskrępowanych obciążonych pionowo [6]. Wzór (2) wymaga przyjęcia całego przekroju muru wraz z przekrojem elementów krepujących. W związku z tym obciążenia również trzeba zestawić na całą długość przegrody. W przypadku ściany z otworem należy rozpatrywać długość od elementu krępującego do krawędzi otworu. W projekcie normy PrEN 1996-1-1 [1] nie podano zasad postępowania dla dwóch sąsiadujących ścian skrępowanych. Wówczas za A_s trzeba przyjąć połowę zbrojenia rdzenia łączącego sąsiednie ściany, drugą połowę natomiast należy wliczyć do nośności ściany sąsiedniej

Mury skrępowane poddane obciążeniom ścinającym

W projekcie PrEN 1996-1-1 [1], podobnie jak w przypadku ścian poddanych obciążeniom pionowym, podstawowy wzór na nośność ścinanych ścian skrępowanych jest taki sam jak dla przegród nieskrępowanych (numeracja z Pr-EN 1996-1-1 (8.50)):

V_Ed ≤ V_Rd  (3)

gdzie:

V_Ed – obliczeniowa siła ścinająca działająca na ścianę,

V_Rd – obliczeniowa nośność ściany skrępowanej na ścinanie.

Nośność na ścinanie muru skrępowanego należy wyznaczać z zależności (numeracja z Pr-EN 1996-1-1 (8.51)):

Podobnie jak w przypadku ścian obciążonych pionowo nie uwzględnia się obecności betonu. Nośność skrępowanego muru ścinanego określa się jako sumę nośności muru o zastępczej długości zwiększonej o 1,5 szerokości rdzenia. Nie bierze się również pod uwagę nośności betonu i zbrojenia poprzecznego rdzeni na ścinanie. Jedyną różnicą, w porównaniu do ścian nieskrępowanych, jest to, że przyjmuje się, że cały poziomy przekrój ściany jest ściskany. Do projektowania skrępowanych ścian ścinanych można zatem wykorzystać algorytm ich projektowania z uwzględnieniem wzoru (4). Tok jego przeprowadzania podano w pracy [6].

Mury skrępowane zginane w płaszczyźnie i ściskane

W przypadku murów skrępowanych zginanych w płaszczyźnie należy wykazać, że moment zginający jest mniejszy od nośności muru skrępowanego na zginanie M_Rd (numeracja z Pr-EN 1996-1-1 (8.52)):

M_Ed ≤ M_Rd   (5)

Wzór na nośność muru skrępowanego na zginanie wyprowadzono dla założeń pokazanych na rys. 4. Warunek nośności pochodzi z warunku sumy momentów względem środka strefy ściskanej.

Nośność na zginanie muru skrępowanego można wyznaczyć z zależności (numeracja z Pr-EN 1996-1-1 (8.53)):

a wysokość strefy ściskanej obliczyć z warunku równowagi rzutu sił:

Mury skrępowane model obliczeniowy według projektu nowego Eurokodu 6

Mury skrępowane kojarzą się powszechnie z technologią wykorzystywaną na terenach sejsmicznych lub parasejsmicznych (np. na obszarach wpływów od podziemnej eksploatacji górniczej). Mimo że Eurokod 6 wprowadził pojęcie murów skrępowanych, nie zawierał on wytycznych dotyczących modelu obliczeniowego uwzględniającego wpływ skrępowania. Dopiero w projekcie nowego Eurokodu 6 pojawiły się zapisy umożliwiające obliczanie nośności murów skrępowanych obciążonych głównie pionowo, ścinanych poziomo i zginanych z płaszczyzny. Zastosowanie skrępowania pozwala na podwyższenie obliczeniowej nośności muru nawet o 30%. Dzięki temu możliwe jest optymalne wykorzystanie parametrów wytrzymałościowych murów z elementów silikatowych.

Artykuł powstał na podstawie wydanej przez Stowarzyszenie Producentów Silikatów „Białe murowanie” książki „Mury skrępowane z elementów silikatowych”.

Literatura

1. PrEN 1996-1-1:2019 „Design of masonry structures – Part 1-1: General rules for reinforced and unreinforced masonry structures”, Final Draft 10.2019.

2. Ł. Drobiec, „Mury skrępowane z elementów silikatowych”, Stowarzyszenie Producentów Silikatów „Białe Murowanie”.

3. 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”.

4. PN-EN 1998-1:2005/A1:2014-01 „Eurokod 8: Projektowanie konstrukcji poddanych oddziaływaniom sejsmicznym. Część 1: Reguły ogólne, oddziaływania sejsmiczne i reguły dla budynków”.

5. M. Tomažević, „Earthquake Resistant Design of Masonry Buildingsc”, Imperial College Press, 1999.

6. Ł. Drobiec., R. Jasiński, A. Piekarczyk, „Konstrukcje murowe według Eurokodu 6 i norm związanych”, tom 1, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013.

7. PN-EN 1992-1-1:2008/NA:2018-11 „Eurokod 2. Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków”.

8. S. Lu, C. Unger, „Bemessungsmethode für eingefasstes Mauerwerk auf Grundlage des Eurocode 6”, „Mauerwerk” 2010, nr 5, t. 14, s. 293-296.

prof. dr hab. inż. Łukasz Drobiec