Ing. Pavel Šulák VUT Brno FAST UBZK, Veveří 95,602 00 Brno, email:
[email protected], tel:541 147 866, fax: 549 250,218
DLOUHODOBÉ SLEDOVÁNÍ CHOVÁNÍ PŘEDEPJATÉ KONSTRUKCE Abstract Long – term Monitoring of Post-tensioned Structure. Object was monitored and measured since the begin of prestressing for the time of eight years. Some results are presented.
Pro zpevňování a zesilování zděných objektu existuje mnoho metod; jednou z nich je i zpevnění konstrukce dodatečným předpětím pomocí přepínacích lan. U klasických pozemních objektů trasujeme vedení lan převážně rovnoběžně s ložnými spárami [4]. Kromě pevnostních charakteristik je důležité určení přetvárných vlastností konstrukce (modul pružnosti) pro rozhodnutí o možnosti užití této metody ať již z pohledu pevnosti, tak i použitelnosti a trvanlivosti Ze zkoušek víme, že pevnost materiálu Rd a jeho přetvárné vlastnosti jsou u konkrétních materiálů v určitém funkčním vztahu. Pokud známe pevnost zdiva je možné určit i modul pružnosti. Pro lepší pochopení problematiky si ve stručnosti představme proces porušování zdiva namáhaného kolmo na ložné spáry. Zdivo se skládá ze dvou složek – zdících prvků a pojiva, které spolu vzájemně spolupůsobí. Výsledná pevnost zdiva v tlaku je obecně menší než pevnost cihel, na druhé straně větší než pevnost malty. To je způsobeno tím, že sekundární tahová napětí, která vznikají v pojivu v důsledku jeho stlačování rovnoběžném ve směru zatížení zároveň způsobují jeho roztahování ve směru vodorovném. Tato roztažnost vyvolá tahové trhliny ve stavebních prvcích. Základní příčinou porušení zděného prvku namáhaného svislým tlakovým zatížením je vyčerpání jeho únosnosti a vznik a rozvoj svislých, převážně tahových trhlin. Poněvadž spára nebývá vždy dokonale vyplněna maltou, nejsou zdící prvky rovnoměrně zatíženy a chovají se částečně jako nosníky na elastoplastickém podkladě k tomu přispívá ještě vliv nerovnosti cihel, kdy cihly jsou namáhány také ohybem. Pevnost tedy bude záviset na tvaru a výšce zdících prvků. Faktory, které nejvíce ovlivňují pevnost zdiva tedy jsou: •
Pevnost v tlaku a pevnost v tahu cihly a malty,
•
velikost ( především výška) a tvar cihly,
•
výška a provedení, zejména ložných spár,
•
složení, zejména velikost zrn kameniva malty,
•
zpracovatelnost a přídržnost malty,
•
nasákavost cihel,
•
vazba zdiva.
Tento druh namáhání je podrobně popsán např. v [8] a [9] jak z pohledu pevnostních, tak z pohledu přetvárných vlastností. Jak bylo uvedeno výše, u zesilování zděných objektů přepínacími lany potřebujeme znát charakteristiky rovnoběžné s ložnou spárou. Tento druh namáhání je mnohem méně propracována; přesto je možné najít mnoho autorů, kteří se jim zabývali. U nás např. [5] kde na základě experimentů, provedených v Belgii, doporučili používat hodnotu Rd* = 0,3Rd. V Německu [6] byl proveden rozsáhlý experiment se zdivem s monitorováním pevnosti zdiva rovnoběžné s ložnými spárami. Z pokusů vyplynulo, že u pálených cihel se vyskytuje zcela zřejmé odstupňování středních poměrných hodnot mezi plnými cihlami Rd* = 0,67Rd, příčně děrovanými cihlami Rd* = 0,28Rd a lehkými příčně děrovanými cihlami, tj. pro velkoformátovou cihlu Rd* = 0,25Rd. U plných cihel se vyskytuje při respektování vlivu štíhlosti zhruba stejná pevnost v tlaku ve směru výšky prvku a délky prvku. U děrovaných cihel jsou hodnoty pevnosti v tlaku ve směru délky prvku také při stejné štíhlosti podstatně menší, jak je tomu ve směru výšky prvku. Přitom mohou být jednotlivé hodnoty (jak to ukazují výsledky vyhodnocení) velmi nízké a v extrémním případě mohou obnášet zhruba Rd* = 0,1Rd. Otázka pevnosti a přetvárnosti zdiva byla řešena i při rekonstrukcích staveb, prováděných v rámci výzkumného týmu na ÚBZK VUT v Brně. V létech 1992 až dosud byla předepnuta celá řada staveb a konstrukcí, zejména historických. Na základě tohoto výzkumu byly stanoveny následující pevnosti zdiva, namáhaného rovnoběžně s ložnou spárou [3]. Je třeba poznamenat, že u historických objektů velikosti pevnosti Rd* byly stanoveny pečlivým studiem stavu zdiva sanovaného objektu, zejména pak z vyplnění svislých spár zdiva maltou. Je totiž třeba říci, že kvalita vyplnění svislých spár maltou je pro pevnost zdiva rozhodující – nejsou-li spáry vyplněny, pak lze očekávat nízké hodnoty Rd*, u zdiva se zcela zaplněnými spárami hodnoty Rd* vyšší. Stanovení hodnoty Rd se většinou zajišťovalo
nedestruktivními zkouškami, tj. pomocí Schmidtova tvrdoměru u cihel a Kučerovou vrtačkou u malty. Pochopitelně, u staveb z nedávné minulosti je možné očekávat pevnosti vyšší. K objasnění nejasností byl proveden experiment, v němž bylo monitorováno přetváření zdiva namáhané rovnoběžně na ložné spáry. Měření bylo prováděno na objektu o rozměrech 9,0 x 12,0. Půdorysně se skládá ze dvou obdélníkových částí, tvořících jeden funkční i konstrukční celek. Starší a menší část objektu o půdorysných rozměrech 6,0 x 7,1 m byla hojně potrhána trhlinami. Právě tato část byla sanována pomocí opláštěných předpínacích lan (monostrendů). Před započetím prací bylo měření od ledna 1998 prováděno každý měsíc po dobu jednoho roku a vyplynulo z něho, že je objekt stále v pohybu – trhliny se otevíraly. Dále byla konstrukce sledována při přípravě napínání 1x denně a při napínání v únoru 1999 nepřetržitě. Po jeho dokončení byla monitorována čelní stěna a to po dobu jednoho měsíc 1 x týdně. Posléze byl vliv horizontálního předpětí na zdivo po 8 roků sledován s časovým krokem
C5/3
C5/5A
C5/7
C5/5B
C5/6A C5/4
a) Porušený pokusný objekt trhlinami
C5/6B
C5/8
b) Zakreslení měřících základen Obr.1
a) Půdorysné schéma vedení přepínacích lan
b) Půdorys objektu Obr.2
několika měsíců (průměrný interval je 6 měsíců). Na obr. 3 až 6 je modul pružnosti stanoven z deformací při předpínání čelní stěny. Z grafu obsahujícího jednotlivé moduly pružnosti označených a) je dobře patrné chování zdiva, jež se nepřetváří spojitě, ale spíše skokem. Na obrázcích označených b) jsou zaznamenány dvě hodnoty modulu pružnosti, nejprve hodnoty získané průměrem všech naměřených dílčích hodnot a pak hodnoty získané pouze průměrem hodnot neodchylujících se značně od střední hodnoty. Z obr. 3 až 6 je patrný velký rozptyl hodnoty modulu pružnosti pro jednotlivé hladiny napětí i pro konkrétní základny. Výchylky jsou pravděpodobně dány strukturou zdiva; dochází k různému tření mezi povrchy malty a zdících prvků. Pokud hodnoty vybočující mnohonásobně od naměřeného průměru zanedbáme, dostaneme průměrný modul pružnosti na jednotlivých základnách v rozmezí: 600 – 800 MPa. Na obr. 7 je znázorněn modul pružnosti měnící se z časem (po dobu 8 roků). Z obrázku je patrné že i po skončení předpínání se základny dále podélně deformují – dotvarují. Z časového pohledu můžeme velikost dotvarování rozdělit do čtyř intervalů: •
V okamžiku vnášení předpětí,
•
doba kolem 9 dní po vnesení předpětí,
•
doba mezi 9 – 40 dny od vnesení předpětí,
•
doba nad 40 dní po vnesení předpětí.
Modul Pružnosti-prům ěr
3000 2500 2000 1500
C5/4
1000 500 0 40
60
80
100 spínací síla
120
140
160
M odul pr už nos ti = [M P a]
M odul pr už nos ti = [M P a]
Modul Pružnosti 1200 1000 800
vše
600
výběr
400 200 0 vše
výběr spínací síla
Obr.3 Modul pružnosti zdiva v okolí základny C5/4
Modul Pružnosti - prům ěr
2000 1500 1000
C5/6A
500 0 40
60
80
100
120
140
M odul pruž nosti =[M P a]
M od u l p r u ž n o s ti = [M P a ]
Modul Pružnosti 1200 1000 800 600
vše
400
výběr
200 0
160
vše
spínací síla
výběr spínací síla
Obr.4 Modul pružnosti zdiva v oblasti základny C5/6A Modul Pružnosti - prům ěr
8000 6000 4000
C5/6B
2000 0 40
60
80
100
120
140
M odul pr už nos ti =[M P a]
M odul pr už nosti =[M P a]
Modul Pružnosti 2500 2000 1500
vše
1000
výběr
500 0
160
vše
spínací síla
výběr spínací síla
Obr.5 Modul pružnosti zdiva v oblasti základny C5/6B Modul Pružnosti - prům ěr
12000 10000 8000 6000
C5/8
4000 2000 0 40
60
80
100
120
140
Modul pruž nosti =[MP a]
Modul pruž nosti =[MP a]
Modul Pružnosti 4000 3000 2000
vše výběr
1000 0
160
vše
spínací síla
výběr spínací síla
Obr.6 Modul pružnosti zdiva v oblasti základny C5/8
Po dokončení předpínání vzroste ještě deformace a to: •
Do 9 dnů cca na pětinásobek okamžité deformace,
•
do 40 dnů cca na šestinásobek okamžité deformace,
•
nad 40 dní cca na šestapůl násobek okamžité deformace.
Na měření je vidět, že i po osmi letech po předepnutí zdivo stále (i když nepatrně) dotvaruje. Průběh deformací je důležité mít na paměti při realizaci, neboť dodatečné deformace mohou funkčně omezit užívání objektu – např. zhoršená možnost zavírat okna, dveře apod. Pro stanovení pevnosti zdiva objektu byly provedeny nedestruktivní zkoušky, ze kterých vyplynulo následující zatřídění: cihly plné P 10, malta M 0 až M 0,4 Následně byla stanovena pevnost, zdiva dle [9] vychází: •
Charakteristická pevnost zdiva
2,66 MPa.
•
Návrhová pevnost zdiva
1,33 MPa.
M odul pružnosti v čase 1400
Modul pružnosti [MPa]
1200
L4-C5/4
1000
L4-C5/6A L4-C5/6B
800
L4-C5/8 600
L3-C5/5A L3-C5/5B
400
L3-O5/7 200
10
11
12
13
14
15
16
17
18
66 7 12 27 16 39 17 10 17 52 15 58 21 17 22 78 26 46
9
45 6
8
18 8
7
14 0
6
11 2
5
83
4
42
3
35
2
26
1
9
0
0 19
Čas [dny] Čas [dny]
Obr.7 Časový průběh hodnot modulu pružnosti Při maximální hladině napětí u jednotlivých základen - viz obr. 7 byl změření zjištěn modul pružnosti v intervalu: E = 1200 - 610 MPa. Podle [9] lze tedy vyjádřit pevnost zdiva rovnoběžnou s ložnými spárami v intervalu:
Rd* = 1,2 – 0,6 MPa. Pokud budeme srovnávat pevnost určenou z modulu pružnosti, získaného měřením deformací rovnoběžných se spárami, s pevností kolmou na spáry, získáme tyto poměry:
Rd* / Rd = 0,451 – 0,225. Vzhledem k tomu, že při průzkumu bylo zjištěno poměrně dobré vyplnění svislých spár maltou, byly podobné hodnoty předpokládány. Byla provedeno další měření na jiném objektu [7], jež mnělo podobné výsledky.
Z výše uvedených zjištění vyplývá toto doporučení: V případě zdiva s nekvalitně vyplněnými styčnými spárami Rd* = 0,1Rd. Tato konzervativní hodnota by se měla užít pouze v případě velmi špatného stavu zdiva, případně při nedostatečných informacích o zdivu (chybějící nebo nedostatečný průzkum). U běžného starého zdiva s částečně vyplněnými styčnými spárami Rd* =( 0,45 – 0,20)Rd. Pro tento objekt stavu je to bezpečná hodnota. Po zralé úvaze (podle stavu objektu) je možné jít i za tento interval. U zdiva s dobře vyplněnými spárami až Rd* = 0,7 ÷ 0,8Rd. Tato hodnota podle zkušeností by již neměla být překročena (nelze vyloučit í případné pozdější komplikace, zejména v místech pod kotevními deskami, pod deviátory apod.).
Teoretická část prací byla provedena za finančního přispění MŠMT ČR, v rámci výzkumného záměru MSM 0021630519 „Progresivní spolehlivé a trvanlivé nosné stavební konstrukce“.
Literatura: [1] Adámek, J., Stehlík, M., Šulák, P.: Nová metoda stanovení napjatosti a modulu pružnosti cihelného zdiva, konference „Zděné a smíšené konstrukce 2000“, Brno 2000 [2] Bažant, Z., Klusáček, L.: Dodatečné horizontální ztužování zděných konstrukcí. Sborník ČBS, Sanace a rekonstrukce staveb, Praha 6/1998 [3] Bažant, Z., Klusáček, L.: Statika při rekonstrukcích objektů, skripta, 3. vydání 03/2007, CERM Brno [4] Klusáček, L.: Sanace konstrukcí předpětím – Kandidátská disertační práce, Brno 2001 [5] Košatka, P., Pume, D.: Murfor – Příručka pro navrhování zdiva vyztuženého prvky Murfor podle Eurokódu 6, Praha 2002 [6] Schubert, P., Hoffmann, G.: Mauerwerkdruckfestigkeit in Lagerfugenrichtung. Aachen: Institut für Bauforschung, 1993 – Forschungsbericht Nr. F 408 [7] Šulák, P.: Analýza chování zděných konstrukcí dodatečně zesílených lany – Disertační práce, Brno 2007 [8] ČSN 73 1101 Navrhování zděných konstrukcí [9] ČSN EN 1996-1-1 Navrhování zděných konstrukcí, Část 1-1 Obecná pravidla pro pozemní stavby – Pravidla pro vyztužené a nevyztužené zděné konstrukce
