Wpływ błędów wykonania belek żelbetowych na ich odkształcenia i zarysowanie oraz grubość otuliny

Transkrypt

1 Wpływ błędów wykonania belek żelbetowych na ich odkształcenia i zarysowanie oraz grubość otuliny 24 Dr hab. inż. Barbara Goszczyńska, mgr inż. Paweł Tworzewski, Politechnika Świętokrzyska 1. Wprowadzenie Zapewnianie niezawodności obiektów wg Eurokodu PN-EN 1990 zostało oparte na strategii zarządzania jakością, której jednym ze środków są systematyczne kontrole na etapie projektowania, wykonywania oraz utrzymania. Jakość wykonawstwa ma bardzo duży wpływ na niezawodność konstrukcji w czasie jej eksploatacji. Problem ten dotyczy stanów granicznych nośności, użytkowalności, a także trwałości konstrukcji. Wpływ jakości wykonania należy do oddziaływań trudnych do zdefiniowania, ponieważ uzależniony jest on od czynników subiektywnych obejmujących czynnik ludzki, tzn. doświadczenie i rzetelność projektanta, a także wykonawcy [1, 2]. W przypadku konstrukcji żelbetowych do błędów, jakie pojawią się na etapie wykonania, można zaliczyć: niedobór zbrojenia, niezgodność rozmieszczenia oraz deformacje prętów. Badania Instytutu Techniki Budowlanej wykazały, że błędy te są najczęstszą przyczyną uszkodzeń konstrukcji żelbetowych [3]. Nieprawidłowe rozmieszczenie prętów zbrojeniowych prowadzi często do niewłaściwej grubości otulenia. Beton zapewnia, w sposób trwały, ochronę prętów zbrojeniowych przed korozją, jeśli zachowana jest odpowiednia grubość warstwy otulenia. Jej spadek powoduje łatwiejszą dyfuzję szkodliwych związków do wnętrza elementu, co prowadzi do przyśpieszonego niszczenia betonu i korozji zbrojenia [4]. Ogranicza to okres przydatności użytkowej konstrukcji i tym samym obniża jej trwałość. Pociąga to za sobą koszty związane z koniecznym remontem, czy nawet rozbiórką konstrukcji. Szacuje się, że w krajach Europy zachodniej straty takie osiągają 4 5% wartości nowych obiektów [3]. Należy również podkreślić, że trwałość konstrukcji jest nierozerwalnie związana z zanieczyszczeniem środowiska. Niezapewnienie odpowiedniej trwałości prowadzi do jego zanieczyszczenia w toku prowadzonych zabiegów rehabilitacyjnych, a to z kolei prowadzi do przyśpieszenia procesów niszczenia konstrukcji [5]. Nieprawidłowe rozmieszczenie prętów zbrojenia podłużnego niezgodne z zasadami zbrojenia belek żelbetowych [6] powoduje deplanację oraz nierównomierne zarysowanie elementu, co przedstawiono na podstawie wstępnych badań w pracy [7]. Przemieszczeń poziomych spowodowanych rozmieszczeniem prętów w przekroju nie da się przewidzieć, stąd na etapie projektowania konstrukcji nie mogą zostać uwzględnione. W przypadku elementów o niewielkich wymiarach przekroju poprzecznego mogą one mieć wpływ na użytkowalność konstrukcji. Odchylenie w rozmieszczeniu zbrojenia głównego powodujące zmniejszenie wysokości użytecznej przekroju może prowadzić do spadku nośności elementu. Celem pracy jest przedstawienie wyników badań i analiz dotyczących błędów wykonawstwa belek żelbetowych. Analizę wpływu dokładności wykonania w zakresie rozmieszczenia prętów zbrojenia podłużnego przeprowadzono w dwóch aspektach: grubości otuliny, którą oparto na wynikach inwentaryzacji rozmieszczenia prętów zbrojeniowych w przekrojach 43 belek żelbetowych wykonanych w zakładzie prefabrykacji, deformacji przestrzennej belek żelbetowych podczas obciążania, opartej na badaniach 8 elementów, z wykorzystaniem skanera optycznego 3D Aramis. 2. Opis przeprowadzonych badań 2.1. Badanie błędów wykonawczych grubości otuliny Analizę wpływu błędów wykonawczych na grubość otuliny przeprowadzono, wykorzystując wyniki pomiarów uzyskane z inwentaryzacji rozmieszczenia prętów zbrojeniowych w przekrojach 43 belek żelbetowych. Były to elementy jedno- oraz dwuprzęsłowe o wymiarach przekroju poprzecznego 0,12 0,30 m i rozpiętości w osiach podpór odpowiednio 3,00 i 2 x 3,00 m. Poszczególne belki, wykonane w tym samym zakładzie prefabrykacji, różniły się od siebie konstrukcją oraz stopniem zbrojenia podłużnego. Rzeczywiste grubości otuliny oraz jej odchyłki w stosunku do wartości projektowej określono na podstawie inwentaryzacji rozmieszczenia w przekroju zbrojenia. Pomiary wykonywano w wyznaczonych

2 miejscach, zgodnie z rysunkiem 1B. Określenie położenia prętów zbrojenia podłużnego wykonywano po rozkuciu elementów w połowie rozpiętości przęsła (rys. 1A). Wszelkie nieprawidłowości w wykonaniu belek żelbetowych przedstawione w pracy nie były projektowane, wynikały one z błędów popełnionych na etapie wykonywania elementów w zakładzie prefabrykacji. Pomiary oparte na próbie obejmującej 43 elementy stanowiły zbiór wyników wystarczający do oceny opartej na analizie statystycznej. Rys. 1. Inwentaryzacja zbrojenia podłużnego w przebadanych belkach żelbetowych wraz z oznaczeniami, A miejsce gdzie określano grubość otulenia, B oznaczenie mierzonej grubości otuliny 2.2. Badania wpływu rozmieszczenia prętów zbrojeniowych na deformację oraz obraz zarysowania belek żelbetowych Analizę wpływu błędów wykonawczych na deformacje oraz zarysowanie belek żelbetowych oparto na wynikach inwentaryzacji oraz wynikach badania 8 belek żelbetowych jednoprzęsłowych, niszczonych na skutek ścinania. Jest to kontynuacja analizy przedstawionej w pracy [7], przeprowadzonej na wynikach badania belek obciążanych do zniszczenia powodowanego momentem zginającym. Konstrukcja zbrojenia badanych belek oraz rozmieszczenie siłowników zostały przyjęte w sposób zapewniający zniszczenie poprzez ścinanie, w strefie przypodporowej. Belki wykonane były z betonu o planowanej klasie C40/50 oraz stali BS500. We wszystkich belkach zastosowano strzemiona o średnicy Ø4,5 w rozstawie 200 mm, stanowiące minimalny stopień zbrojenia poprzecznego oraz zbrojenie podłużne o stopniu zbrojenia 2% z prętów 3Ø12 i 2Ø14 dołem oraz 2Ø8 górą. Różnice w konstrukcji zbrojenia podłużnego wynikały z długości prętów w strefie rozciąganej, i tak: w czterech belkach o symbolu S2 poprowadzone były na całej długości belki, w dwóch belkach o symbolu Tabela 1. Wyniki badań wytrzymałości materiałów oraz schematy zbrojenia belek niszczonych na skutek ścinania Symbol belki S2M1 S2M2 Wyniki badań wytrzymałości [MPa] f cm f yk 57, Schematy zbrojenia belek S2M3 S2M4 59, P2M1 P2M2 58, Z2M1 Z2M2 58,

3 Rys. 2. Schemat obciążenia belki wraz z oznaczonym obszarem badania z wykorzystaniem skanera optycznego 3D Rys. 3. Oznaczenie odchyłek otuliny w przekroju elementu P2 skrócono ich długość do 3,06 m, a w dwóch belkach o symbolu Z2 2 pręty Ø12 zostały poprowadzone na całej długości, natomiast pozostałe skrócono do długości 1200 mm. Wyniki badań wytrzymałości betonu i stali oraz konstrukcję zbrojenia przedstawiono w tabeli 1. Belki obciążano dwoma siłami skupionymi w sposób monotoniczny do zniszczenia. W celu uzyskania zniszczenia ze względu na ścinanie siłowniki ustawiono w odległości 0,60 m od osi podpór. Schemat obciążania belek przedstawiono na rysunku 2. Pomiary w czasie obciążania wykonywane były poprzez zastosowanie 5 czujników indukcyjnych do pomiaru ugięć oraz skanera optycznego 3D do pomiaru odkształceń polowych. Zastosowany skaner działający w oparciu o system ARAMIS umożliwił analizę pomiarów deformacji przestrzennych oraz zarysowania na przygotowanej powierzchni badanego elementu. Szczegóły dotyczące działania skanera opisano w pracy [8]. W przypadku przedstawionych belek obszar poddany badaniu obejmował całą belkę. Głównym celem przyjęcia takiego pola pomiarowego było wykonanie pomiarów w obrębie strefy przypodporowej, gdzie przewidywano zniszczenie badanych belek. Aby było to możliwe, zastosowano dwa statywy z kamerami. Powierzchnię poddaną badaniu z wykorzystaniem takiej konfiguracji skanera optycznego 3D przedstawiono na rysunku Analiza wyników 3.1. Otuliny zbrojenia Zgodnie z normą EN [N1] sprawdzenie dopuszczalnych odchyłek otuliny określa się wzorem (1), zgodnie z oznaczeniami podanymi na rysunku 3. gdzie: c nom otulina nominalna, c rzeczywista otulina, Δc, Δc (plus) (minus) dopuszczalna odchyłka. Dla badanych elementów o wysokości przekroju 300 mm dopuszczalne odchyłki, zgodnie z 2 klasą tolerancji [N1] wynoszą: ujemne Δc (minus) -10 mm, natomiast dodatnie Δc (plus) 13 mm. Na rysunku 4 pokazano graficznie rozkład wartości poszczególnych odchyłek grubości otuliny rzeczywistej pomierzonej podczas inwentaryzacji zbrojenia w przekrojach 43 belek w stosunku do nominalnej cnom, podanej na rysunkach wykonawczych. Symbole odchyłek odpowiadają oznaczeniom grubości otulin przedstawionych na rysunku 1B. Uzyskane wartości odchyłek rzeczywistej grubości otuliny, w stosunku do obliczeniowej, zawierały się w przedziale od -12 mm do 22 mm, przekraczając dopuszczalne wartości normowe. Średnia wartość odchyłki dla wszystkich (1) Rys. 4. Rozkład wartości odchyłek rzeczywistej grubości otuliny w przekrojach badanych belek 26

4 Rys. 5. Schemat obliczania przesunięcia środka ciężkości zbrojenia wykonanych pomiarów na 43 belkach wyniosła 2,16 mm, natomiast odchylenie standardowe 6,41 mm. Na podstawie analizy odchyłek stwierdzono, że w przeważającej części odchyłki mają wartość dodatnią, co w przypadku otuliny dolnego lub górnego zbrojenia skutkuje zmniejszeniem nośności belki. Największy udział odchyłek ujemnych stwierdzono w przypadku otuliny bocznej głównego zbrojenia rozciąganego Wpływ nieprawidłowego rozmieszczenia prętów zbrojeniowych na deformację oraz obraz zarysowania belek żelbetowych Analizę wpływu rozmieszczenia prętów zbrojeniowych na deformację oraz obraz zarysowania wykonano na podstawie wyników badania ośmiu belek niszczonych na skutek ścinania. Bazując na wynikach otrzymanych na podstawie inwentaryzacji położenia prętów w przekroju belek, wyznaczano środek ciężkości zbrojenia oraz jego przesunięcie w płaszczyźnie poziomej względem osi przekroju (rys. 5). Uwzględniając szerokość bw przekroju elementów wyznaczono również względne Tabela 2. Wyniki określające niesymetryczny rozkład zbrojenia podłużnego w przebadanych belkach Belka Przesunięcie poziome środka ciężkości zbrojenia Δzs [mm] Względna wartość przesunięcia poziomego środka ciężkości zbrojenia Δzs/bw S2M-1-3,55-0,030 (-3,0%) S2M-2-7,43-0,062 (-6,2%) S2M-3-2,26-0,019 (-1,9%) S2M-4-2,34-0,020 (-2,0%) P2M-1-10,95-0,092 (-9,2%) P2M-2-5,11-0,043 (-4,3%) Z2M-1 1,53 0,013 (1,3%) Z2M-2 7,76 0,065 (6,5%) Rys. 6. Deplanacja belki żelbetowej wywołana rozmieszczeniem zbrojenia podłużnego wartości przesunięcia. Uzyskane wyniki zestawiono w tabeli 2. Maksymalna uzyskana wartość przesunięcia środka ciężkości zbrojenia wynosi 10,9 mm, co jest dość dużą odchyłką w stosunku do 120 mm szerokości przekroju badanego elementu. Wykorzystanie skanera optycznego 3D pozwoliło na pomiary deformacji przestrzennych belek w trakcie realizacji obciążenia. Na potrzeby prowadzonej analizy określono przemieszczenia poziome dla punktu położonego w połowie rozpiętości i wysokości belki, co ilustruje rysunek 6. W analizie ograniczono się do czterech poziomów wytężenia elementów (50%, 75%, 90%, 100%). Maksymalne wartości otrzymanych przemieszczeń poziomych osiągnęły wartość -6,6mm dla belki P2M1 oraz 6,63 mm dla belki Z2M2. Otrzymane wartości przesunięć środków ciężkości, określające niesymetryczne położenie zbrojenia głównego oraz pomiary przemieszczeń poddano analizie korelacji. Pozwoliło to na sprawdzenie, czy istnieje zależność pomiędzy rozpatrywanymi parametrami. Otrzymane wyniki w postaci graficznej przedstawiono na rysunku 7. Dla różnego poziomu wytężenia można je aproksymować liniami prostymi, od których wyniki doświadczalne niewiele odbiegają, co oznacza dużą liniową zależność pomiędzy rozmieszczeniem zbrojenia podłużnego a przemieszczeniami poziomymi belek. W celu określenia wpływu nieprawidłowego rozmieszczenia prętów zbrojeniowych na obraz zarysowania belek żelbetowych określono, z wykorzystaniem skanera optycznego 3D, liczbę rys na badanej powierzchni Rys. 7. rozmieszczeniem zbrojenia podłużnego i przemieszczeniami poziomymi belek 27

5 Rys. 8. Przykładowy obraz zarysowania belki żelbetowej na badanej powierzchni Rys. 9. rozmieszczeniem zbrojenia podłużnego i maksymalną szerokością rys Rys. 10. rozmieszczeniem zbrojenia podłużnego i średnią szerokością rys Rys. 11. rozmieszczeniem zbrojenia podłużnego i liczbą rys 28 oraz ich średnią, a także maksymalną szerokość (rys. 8). Obszar, na którym wykonywano pomiary rys, obejmował całą dostępną powierzchnię boczną belki (rys. 2). Podobnie jak w przypadku analizy przemieszczeń analizę ograniczono do czterech poziomów wytężenia. Sprawdzenie wpływu niesymetrycznego rozmieszczenia prętów zbrojeniowych na szerokość oraz liczbę rys wykonano w oparciu o analizę korelacji. Otrzymane wyniki przedstawiono w postaci graficznej na rysunkach 9, 10 oraz 11. Wyniki dla wytężenia 100% nie zostały przedstawione ze względu na duży skok wartości szerokości rys, który zaburzał przejrzystość wykresów. Wyniki przeprowadzonej analizy (rys. 7, 9, 10, 11) wskazują na dużą zależność pomiędzy nieprawidłowym rozmieszczeniem prętów zbrojeniowych (przesunięcie środka ciężkości zbrojenia) a przemieszczeniami poziomymi badanych na ścinanie belek żelbetowych, a także liczbą rys na ich powierzchni oraz szerokością rozwarcia (średnią i maksymalną), co potwierdza wyniki uzyskane w pracy [7].

6 4. Podsumowanie Podsumowując można stwierdzić, że błędy wykonawcze w postaci nieprawidłowego rozmieszczenia zbrojenia wpływają na nośność, użytkowalność, a szczególnie na trwałość belek żelbetowych. W badanych elementach stwierdzono przekroczenie dopuszczalnych odchyłek grubości otuliny, mimo wykonania elementów w zakładzie prefabrykacji, w których przyjmuje się, że jest skuteczniejsza kontrola wykonania niż na budowie. Przewaga odchyłek dodatnich wiąże się ze zwiększeniem grubość otuliny, co jest korzystne ze względu na ochronę korozyjną zbrojenia, ale może to prowadzić do zmniejszenia wysokości użytkowej i spadku nośności przekroju. Występowanie dużych odchyłek ujemnych otuliny głównego zbrojenia rozciąganego prowadzące do zmniejszenia jej grubości są szczególnie niepożądane, ze względu na ryzyko przyspieszonej korozji [2, 9]. Przedstawione wyniki wskazują również na istnienie dużej zależności pomiędzy rozmieszczeniem prętów zbrojeniowych, a przemieszczeniami poziomymi oraz zarysowaniem belki. Wykazano, że na powierzchni bocznej belki podlegającej rozciąganiu w wyniku przesunięcia poziomego środka ciężkości zbrojenia, liczba rys jest mniejsza, natomiast ich szerokość większa, co jest efektem niekorzystnym. Przedstawione wnioski w pełni pokrywają się z wynikami analizy wpływu rozmieszczenia prętów zbrojeniowych 2015 na deformacje i obraz zarysowania belek żelbetowych niszczonych na zginanie [7]. Pracę wykonano w ramach projektu rozwojowego NR BIBLIOGRAFIA [1] Woliński S. Rozmyta ocena bezpieczeństwa żelbetowych elementów zginanych. XLI Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZiTB, Kraków 1995, tom 5, Konstrukcje betonowe, s [2] Runkiewicz L., Ocena trwałości i niezawodności elementów żelbetowych za pomocą metod nieniszczących. Materiały Budowlane, 12/2005 (nr 400), s. 2 4 [3] Pawłowski W., Przewłocki S. Procedury pomiarowe dla potrzeb diagnostyki obiektów budowlanych. Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, nr 715, budownictwo, z. 45, 1994, s , [4] Ściślewski Z., Ochrona Konstrukcji Żelbetowych. Arkady. Warszawa 1999 [5] Ściślewski Z., Problemy trwałości budowli i jej części jako elementy ochrony środowiska. XL Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZiTB, Kraków 1994, tom 1, Budownictwo a środowisko, s [6] Łapko A., Projektowanie konstrukcji żelbetowych, Arkady, Warszawa 2000 [7] Goszczyńska B., Trąmpczyński W., Tworzewski P. Analiza wpływu rozmieszczenia prętów zbrojeniowych na deformacje i obraz zarysowania belki żelbetowej. Budownictwo i Architektura, 2014, nr 13 (3), s [8] Goszczyńska B., Trąmpczyński W., Bacharz K., Bacharz M., Tworzewska J., Tworzewski P. Doświadczalna analiza odkształceń przestrzennych belek żelbetowych z zastosowaniem skanera optycznego 3D. Inżynieria i Budownictwo, Nr 3, 2014, s [9] A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniok. Diagnostyka konstrukcji żelbetowych, Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu. PWN, Warszawa 2011 [N1] EN 13670: Wykonanie konstrukcji z betonu Expo XXI Zbuduj swój biznes na polskim rynku warsawbuild.pl 29