Badania wytrzymałości betonu w konstrukcjach inżynierskich z uwzględnieniem normatywów europejskich Dr Inż. Janusz Krentowski, prof. dr hab. inż. Rościsław Tribiłło, Katedra Mechaniki Konstrukcji, Politechnika Białostocka Identyfikacja parametrów materiałowych w zrealizowanych elementach obiektów budowlanych lub konstrukcjach inżynierskich stanowi istotny aspekt badań naukowych. Właściwy dobór metod badawczych, poprawna interpretacja wyników badań i analiz oraz dobór odpowiednich technologii weryfikacji założeń i wniosków muszą być udokumentowane zasobem wiedzy i doświadczeniem projektantów, wykonawców oraz użytkowników. Przepisy Ustawy Prawo budowlane [14] nakładają na wszystkich uczestników procesu inwestycyjnego obowiązek permanentnej kontroli realizowanych i eksploatowanych obiektów. 1. Identyfikacja parametrów wytrzymałościowych elementów betonowych Wytrzymałość betonu w eksploatowanych obiektach należy oceniać na podstawie wyników badań przeprowadzanych metodami niszczącymi, nieniszczącymi lub w efekcie porównania uzyskanych rezultatów. W celu zwiększenia dokładności oceny wytrzymałości i jednorodności betonu w konstrukcjach budowlanych należy równolegle stosować kilka diagnostycznych metod badawczych, wykorzystując również specjalistyczne metody uzasadnione naukowo i przystosowane do praktyki budowlanej. Na rysunku 1 przedstawiono przykłady obiektów o konstrukcji żelbetowej, których elementy poddano różnorodnym badaniom zmierzającym w efekcie do określenia rzeczywistej wytrzymałości i klasy betonu. Wytrzymałości gwarantowane oraz charakterystyki jednorodności betonu interpretowano na podstawie wytycznych określonych w normie [9]. Najbardziej miarodajną do określania rzeczywistej wytrzymałości betonu w użytkowanych obiektach, zdaniem autorów publikacji, jest metoda niszcząca, polegająca na wycinaniu odwiertów rdzeniowych. Próbki do badań pobierano z miejsc, w których osłabienie przekroju nie miało wpływu na bezpieczeństwo konstrukcji, co potwierdzano w wyniku obliczeń analitycznych. Technologia pobierania próbek oraz sposób realizacji pomiarów są sankcjonowane postanowieniami normy [11]. W trakcie badań stosowano odwierty o średnicach 100, 50 i 25 mm, przyjmując zasadę, aby średnica mikroodwiertów była większa od trzykrotnej wielokrotności największego wymiaru kruszywa. Wysokość pozyskanych próbek sprowadzano do wielkości odpowiadającej co najmniej średnicy próbki, odcinając warstwę brzegową o wysokości około 1/5 średnicy odwiertu. Sposób przeprowadzenia badań i interpretację uzyskanych wyników regulują przepisy normy [10]. Rys. 1. Przykłady monolitycznych konstrukcji żelbetowych badanych przez autorów pracy 28
KONSTRUKCJE ELEMENTY MATERIAŁY Rys. 2. Odwierty rdzeniowe, przed i po badaniu w maszynie wytrzymałościowej Uzasadnieniem wykonania badań niszczących jest ich duża dokładność, lecz uciążliwości w fazie pozyskiwania próbek wynikające z uwarunkowań technicznych, czasochłonność, z uwagi na dwuetapowość badań, a przede wszystkim ograniczenia związane z niebezpieczeństwem obniżenia nośności osłabianych elementów, skłaniają do wykorzystywania mniej dokładnych, lecz znacznie efektywniejszych czasowo, metod pomiarowych. Powszechnie stosowane od lat metody nieniszczące umożliwiają oznaczenie jakości i wytrzymałości betonu w zrealizowanej konstrukcji. 2. Badania nieniszczące Metoda ultradźwiękowa [7] badania wytrzymałości betonu na ściskanie polega na pomiarze prędkości rozchodzenia się podłużnych fal ultradźwiękowych w badanym elemencie konstrukcyjnym. W zależności od celu badania, określa się wytrzymałość betonu na ściskanie w poszczególnych miejscach pomiarowych lub średnią wytrzymałość betonu w konstrukcji. Ograniczenia w jej stosowaniu wynikają z gabarytów elementów, możliwości obustronnego dostępu do badanych powierzchni oraz osiągalności specjalistycznej aparatury pomiarowej. Najpopularniejszym sposobem klasyfikowania parametrów zrealizowanych elementów konstrukcji betonowych i żelbetowych jest nieniszcząca metoda badań jakości betonu przy wykorzystaniu młotka Schmidta, w której wytrzymałość i jednorodność betonu określa się za pomocą pomiaru liczby odbicia, a następnie statystycznej analizy wyników pomiarów na podstawie zależności empirycznych. W normie [6], opublikowanej w roku 1975, sformułowano tezę, że metoda sklerometryczna służy do badania wytrzymałości na ściskanie. Kilkadziesiąt lat później w normie [12] ograniczono jej stosowanie do oceny jednorodności betonu w konstrukcji oraz do wyznaczania obszarów i fragmentów konstrukcji, w których beton ma niską jakość. W uwagach uzupełniono, że metoda nie jest traktowana jako alternatywa do oznaczania wytrzymałości betonu na ściskanie według normy [10], ale z zastosowaniem właściwej korelacji może pozwolić na szacowanie wytrzymałości konstrukcji. Nie sprecyzowano jednak z jaką dokładnością możemy interpretować tak oszacowany wynik. W badaniach nieniszczących betonu istotny jest dobór właściwych zależności korelacyjnych, których błędne stosowanie wpływa na rozbieżności w wynikach nawet w zakresie 100% [1, 3]. Zależności te wyznacza się metodą dokładnego określenia związków empirycznych na podstawie statystycznej analizy korelacyjnej wyników badania próbek betonowych, zwaną skalowaniem lub metodą dobierania hipotetycznej krzywej regresji odpowiednio do składu, technologii wykonania, warunków pielęgnacji oraz wieku i wilgotności betonu [2, 12]. Rozwój technologii betonu oraz zastosowanie nowych składników w postaci domieszek i dodatków do jego produkcji, wiek oraz warunki eksploatacyjne wpływają na te zależności oraz dokładność ocen. 3. Technologia realizacji badań sklerometrycznych Na przestrzeni lat zmianom ulegały wytyczne realizacji pomiarów [6, 10], lecz interpretacja wyników zawsze była dyskusyjna w aspekcie dokładności uzyskiwanych rezultatów. Zharmonizowanie polskich norm badań nieniszczących z normami europejskimi wymaga weryfikacji dotychczasowych metod badawczych w zakresie sposobu realizacji pomiarów i oceny dokładności wyników. W celu określenia średniej wytrzymałości betonu na ściskanie w elemencie lub fragmencie konstrukcji, wykonanym z jednej partii betonu, wymagane jest przeprowadzenie badań w co najmniej 12 miejscach o powierzchni około 50 cm 2 (rys. 3a) [13]. Miejsca do badań należy wybierać równomiernie na całej powierzchni badanych elementów lub fragmentów kon- 29
~ 70 mm min. 20 mm 1 2 4 5 3 ~ 70 mm POLE POMIAROWE 2 o powierzchni ~50 cm wg PN-74/B-06262 Rys. 3. Porównanie proporcji miejsc badawczych wg wytycznych norm [6] i [12] strukcji. W każdym z miejsc pomiarowych należy dokonać co najmniej pięciu miarodajnych odczytów, o czym stanowią zapisy obowiązującej przed laty normy [7]. Za wynik badania należy uznać wartość średnią ze wszystkich odczytów, przyjmując poprawkę uwzględniającą wpływ ustawienia młotka i wyrazić tak uściślony wynik w postaci jednej liczby. Uzyskanie wiarygodnego oszacowania liczby odbicia, według aktualnej normy [12], w danym miejscu pomiarowym, wymaga wykonania co najmniej dziewięciu odczytów. Miejsce pomiarowe powinno mieć wymiary co najmniej 300 x 300 mm, a sąsiednie miejsca nie mogą być oddalone od siebie i od krawędzi badanego elementu o mniej niż 25 30 mm (rys. 3b). Praktyczną wadą metody sklerometrycznej jest konieczność przeprowadzenia kontrolnych badań sprawdzających zależności R-L min. 25 mm ~ 300 mm ~ 300 mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 min. 30 mm POLE POMIAROWE 2 o powierzchni ~900 cm wg PN-EN 12504-2:2002 na pewnej liczbie odwiertów, a także fakt, że uzyskane wyniki odpowiadają wytrzymałościom powierzchniowych warstw betonu, różnych od betonu położonego w kolejnych warstwach. Przy masowej ilości kontrolowanych elementów wskazane jest zastosowanie sklerometrów wyposażonych w interfejs umożliwiający cyfrową rejestrację wyników badań. Badania z użyciem sklerometru w wersji tzw. Digital. 4. Ograniczenia metody. Porównanie wyników badań wg norm [6] i [12] W latach osiemdziesiątych, w okresie obowiązywania norm [4, 6] najpowszechniej projektowano i realizowano elementy konstrukcji budynków i obiektów inżynierskich z betonu niskich klas B150 (B15) B250 (B25) [5]. Ograniczenia w stosowaniu metody sklerometrycznej wynikały z wad na powierzchni elementów objawiających się rakami, spękaniami, wypłynięciem mleczka cementowego lub grubego kruszywa, a także efektami procesów karbonizacji czy przemarzania. Niemiarodajne wyniki uzyskiwano również wybierając do badań miejsca w strefach lokalizacji prętów zbrojeniowych, na przykład dolne powierzchnie żeber lub podciągów (rys. 4, 5). Procesy rozwoju technologii, zachodzące w ostatnich latach, spowodowały powszechne wykorzystanie betonów o wysokich wytrzymałościach, zaliczanych do klas B30, B37, B45 czy B50 lub C30/37, C35/45, C40/50 [9]. Elementy konstrukcyjne wykonane z betonów o wysokich wytrzymałościach są niejednokrotnie znacznie przezbrojone. Rozstawy prętów sl w słupach (rys. 6, 7), belkach czy płytach stropowych często są zbliżone do wartości określonych w normie [8] jako minimalne, na przykład sl > φ, a w strefach połączeń zbrojenia konstrukcyjnego ulegają dalszemu zmniejszeniu. Małe rozstawy prętów zbrojenia praktycznie uniemożliwiają miarodajne dokonanie odczytu, ponieważ niedopuszczalne jest dokonywanie pomiarów bezpośrednio ponad prętem zbrojeniowym. Przykładem mogą być słupy uzwojone, w których maksymalny procent zbrojenia wynoszący 8% jest często przekraczany, szczególnie w strefach Rys. 4. Rozstaw prętów zbrojenia podciągu uniemożliwiający badania od dołu 30
KONSTRUKCJE ELEMENTY MATERIAŁY Rys. 5. Lokalizacja miejsc badawczych duże rozstawy prętów zbrojeniowych połączeń prętów. Rozwiązaniem w takim przypadku jest zastosowanie metody niszczącej, lecz miejsca poboru próbek należy uzasadnić na podstawie obliczeń stanu wytężenia elementu. Rozstawy zbrojenia stosowane dla płyt w budynkach szkieletowych lub stropach bezgłowicowych, uniemożliwia dokonanie badań od dołu. Badaniom nieniszczącym mogą być poddane górne powierzchnie, zwykle o mniejszej intensywności ułożonego zbrojenia. Zastosowanie w trakcie pomiarów wszystkich wytycznych normy [12] jest uzasadnione jedynie w odniesieniu do elementów o dużej powierzchni, na przykład płyt stropowych lub D/2 = 30 cm A A B B 60 cm 2 x 17 32 mm C nom > 3,2 cm s = 5,0 cm > = 3,2 cm l 17 32 mm St3S-b co 10/15/20 cm St3S-b B ET ON C 3 0/37 St3 S-b B B ET ON C 40/5 0 A B ET ON C 3 0/37 B = H x tg α Rys. 6. Układ zbrojenia w słupie o przekroju kołowym 1 B ETO N C40 /5 0 1,20 m 17 32 mm B A 0,60 m 0,40 m 1,20 m 0,30 m H 0,30 m C nom > 3,2 cm fundamentów, a często praktycznie niemożliwe do zrealizowania w przypadku belek czy słupów. Autorzy pracy w ciągu kilku lat realizowali badania wielu obiektów o konstrukcji żelbetowej, zarówno monolitycznej, jak o prefabrykowanej. Od chwili uaktualnienia stosownej normy [12], prowadzono porównawcze analizy wyników uzyskanych przy wykonaniu pięciu, sześciu oraz dziewięciu odczytów w każdym miejscu pomiarowym (tabela 1, 2). Efektem kilkuletnich prac jest stwierdzenie, że zwiększenie liczby odczytów w miejscu pomiarowym z pięciu do dziewięciu nie wpływa istotnie na zwiększenie dokładności uzyskanych wyników. W obu przypadkach realizacji sklerometrycznych badań nieniszczących, określenie wytrzymałości betonu w uzytkowanych elementach konstrukcyjnych zawsze może być obarczone błędem. 5. Wnioski W badaniach diagnostycznych użytkowanych konstrukcji budowlanych należy uwzględnić niebezpieczeństwo popełnienia trudnego do oszacowania błędu w ocenie cech materiałów budowlanych. Badania wytrzymałości przy wykorzystaniu metod niszczących mogą być realizowane z wykorzystaniem ograniczonej liczby odwiertów pobranych z miejsc o zróżnicowanej jednorodności betonu. Badania nieniszczące, weryfikowane poprzez sprawdzenie krzywych regresji umożliwiają kontrolę jakości betonu w użytkowanej konstrukcji w znacznie większym zakresie. Jednoczesne zastosowanie badań metodami nieniszczącymi i niszczącymi prowadzi do zmniejszenia liczby odwiertów osłabiających nośność konstrukcji, a równocześnie pozwala zwiększyć dokładność uzyskanych rezultatów. Autorzy realizują badania nieniszczące wykorzystując, zgodnie z [6], pięć odczytów w miejscu pomiarowym. Wyniki pomiarów weryfikowano w efekcie wykonania badań wytrzymałościowych. 31
Rys. 7. Lokalizacja miejsc badawczych małe rozstawy prętów zbrojeniowych Przedstawione w pracy wyniki analiz porównawczych przy wykonaniu 5, 6 oraz 9 odczytów pozwalają wnioskować, że otrzymane różnice nie są istotne przy założeniu szacunkowego charakteru metody sklerometrycznej [12]. W efekcie przeprowadzonych prac autorzy dowodzą, iż zwiększenie ilości odczytów z pięciu do dziewięciu, a także zwiększenie powierzchni miejsca pomiarowego, nie zmienia radykalnie uzyskanych wyników i nie wpływa na zwiększenie dokładności metody. Zmiana przepisów o normalizacji [15] z 12 września 2002 r., usankcjonowała zasadę, że stosowanie normatywów projektowania i realizacji konstrukcji obiektów inżynierskich jest dobrowolne, co umożliwia uczestnikom procesu inwestycyjnego zastosowanie uzasadnionej naukowo własnej interpretacji przedmiotowego zagadnienia, odrębnie do stanowiska określonego w aktualnej normie [12]. BIBLIOGRAFIA [1] Runkiewicz L., Metody nieniszczące stosowane do oceny właściwości materiałów budowlanych w diagnostyce budowlanej. Inżynieria i Budownictwo, nr 9/2005, Warszawa Tabela 1. Wyniki pomiarów liczby odbicia żelbetowej ściany monolitycznej Tabela 2. Wyniki pomiarów liczby odbicia żelbetowego słupa monolitycznego [2] Brunarski L., Ocena wytrzymałości betonu w konstrukcji. IV Konferencja Naukowo- Techniczna Warsztat Pracy Rzeczoznawcy Budowlanego, Kielce 1998 [3] Brunarski L., Runkiewicz L., Podstawy i przykłady stosowania metod nieniszczących w badaniach konstrukcji z betonu. Wydawnictwa Instytutu Techniki Budowlanej, Warszawa 1983 [4] PN-76/B-03264 Konstrukcje betonowe, żelbetowe sprężone Obliczenia statyczne i projektowanie [5] PN-88/B-06250 Beton zwykły [6] PN-74/B-06262 Nieniszczące badania konstrukcji z betonu Metoda sklerometryczna Badania wytrzymałości betonu na ściskanie za pomocą młotka Schmidta typu N [7] PN-74/B-06261 Nieniszczące badania konstrukcji z betonu Metoda ultradźwiękowa [8] PN-B-03264:2002 Konstrukcje betonowe, żelbetowe sprężone Obliczenia statyczne i projektowanie [9] PN-EN 206-1 Beton część 1 Wymagania, wykonywanie, produkcja i zgodność [10] PN-EN 12390-3: 2002 Badania betonu Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania [11] PN-EN 12504-1: 2002 Badania betonu w konstrukcjach Część 1: Odwierty rdzeniowe Wycinanie, ocena i badanie wytrzymałości na ściskanie [12] PN-EN 12504-2: 2002 Badania betonu w konstrukcjach Część 2: Badania nieniszczące oznaczanie liczby odbicia [13] Instrukcja ITB nr 210 Metoda sklerometryczna do badań wytrzymałości betonu w konstrukcji [14] Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane. Dz. U. nr 207 z 2003 r., poz. 2016 (tekst jednolity) z późniejszymi zmianami [15] Ustawa z dnia 12 września 2002 r. Ustawa o normalizacji. Dz. U. nr 169 z 2002 r. z późniejszymi zmianami 32 Artykuł opracowano w ramach pracy własnej W/IIB/07/06.