Projektowanie i wykonawstwo konstrukcji murowych z silikatów

KATEDRA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH WYDZIAŁ BUDOWNICTWA POLITECHNIKA ŚLĄSKA Dr hab. inż. Łukasz Drobiec Projektowanie i wykonawstwo konstrukcji murowych z silikatów Seminarium szkoleniowe, Warszawa 10.12.2014 r. Program 10:30 10:45 Powitanie uczestników przez przedstawicieli stowarzyszenia. 10:45 11:30 Parametry wytrzymałościowe murów z silikatów w świetle nowych badań i EC-6 11:30 12:15 Wpływ projektowania i wykonawstwa na jakość murowanych ścian. 12:15 12:45 Przerwa kawowa. 12:45 13:30 Przykłady błędów projektowych. 13:30 14:00 Najczęstsze błędy wykonawcze popełniane na budowach. 14:00 14:30 Sposoby napraw zarysowań ścian. 14:30-15:00 Podsumowanie i zakończenie seminarium. 1

Część 1 Parametry wytrzymałościowe murów z silikatów w świetle nowych badań i EC-6 Podstawa opracowania Umowa nr NB-243/RB-2/2009 wraz z aneksami. Normy PN-EN 1996 1-3 (Eurokod 6). Polskie wersje norm europejskich dotyczących badań muru w różnych stanach obciążenia, silikatowych elementów murowych oraz zaprawy. 2

Cel i zakres pracy Celem pracy jest określenie: parametrów mechanicznych elementów murowych i zaprawy, wytrzymałości muru ściskanego (dr hab. Inż. Łukasz Drobiec), ścinanego (dr inż. Radosław Jasiński) i zginanego (dr inż. Adam Piekarczyk) wyznaczane według procedur normowych, szczegółowa analiza ścian murowanych z otworami w skali naturalnej poddanych ściskaniu, ścinaniu ze ściskaniem oraz zginaniu. ELEMENTY MUROWE UŻYTE W BADANIACH Element murowy nr Ia N 18 250x180x220 Element murowy nr Ib NP 18 250x180x220 3

ELEMENTY MUROWE UŻYTE W BADANIACH Element murowy nr II 5 NFD P+W 258x180x220 Element murowy nr III BP 18/24 249x180x240 ELEMENTY MUROWE UŻYTE W BADANIACH Element murowy nr IVa N18/500 505x180x220 Element murowy nr IVb N18/255 255x180x220 4

ELEMENTY MUROWE UŻYTE W BADANIACH Element murowy nr V U18L 250x220x180 Element murowy nr VI SILKA E18 333x180x199 ELEMENTY MUROWE UŻYTE W BADANIACH Element murowy nr VII 6NFD 250x250x220 Element murowy nr VIII T18 250x180x200 5

ELEMENTY MUROWE UŻYTE W BADANIACH Element murowy nr IX 6 NFD w+w 255x250x220 Element murowy nr XI ½ BSD 180 (P+W) 250x180x220 ELEMENTY MUROWE UŻYTE W BADANIACH Element murowy nr XII MT 18 300x180x185 Element murowy nr XIIIa N24 250x240x220 6

ELEMENTY MUROWE UŻYTE W BADANIACH Element murowy nr XIIIb BSD 180 500x180x220 ZAPRAWA UŻYTA W BADANIACH Zaprawa do murowania na cienkie spoiny, zgodna z wymaganiami normy PN-EN 998-2:2004/Ap1:2008 oraz o właściwościach deklarowanych przez producenta: Wielkość Wartość Wytrzymałość na ściskanie f m = 12,5 N/mm 2 Woda zarobowa ok. 6 litrów na 25 kg Przyczepność po 1 dniu f c;rep = 0,2 N/mm 2 (wg NEN 6790) po 28 dniach f c;rep = 0,4 N/mm 2 (wg NEN 6790) Czas przydatności stosowania minimum 2 godziny Zaprawa typ wg EC-6 zaprawa projektowana Gęstość objętościowa minimum 1750 kg/m 3 7

BADANIA MATERIAŁOWE BADANIA MATERIAŁOWE - zakres badań Badania wytrzymałości na: ściskanie elementów murowych, ściskanie zaprawy, rozciąganie przy zginaniu zaprawy. 8

Badania elementów murowych na ściskanie Badania prowadzono zgodnie z normą PN-EN 772-1:2001/Ap1:2002 Metody badań elementów murowych. Część 1 Określenie wytrzymałości na ściskanie. Do badań pobierano losowo 6 elementów murowych zgodnie z załącznikiem A do normy PN-EN 771-2:2006 Wymagania dotyczące elementów murowych. Część 2. Elementy murowe silikatowe. Badania elementów murowych na ściskanie Z uwagi na spełnienie warunków płaskości i równoległości powierzchni wspornych nie wymagały one szlifowania. Zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 772-1:2001/Ap1:2002 usunięto wszelkie wpusty i wypusty z powierzchni bocznych elementów murowych przez ich odcięcie. 9

Badania elementów murowych na ściskanie Elementy murowe badano w maszynie wytrzymałościowej w takim tempie, aby od chwili obciążenia próbki do jej zniszczenia upłynęła co najmniej jedna minuta. Średnia wytrzymałość na ściskanie elementów murowych f B = 12,8 22,9 N/mm 2 Nr Współczynnik zmienności, % Wytrzymałość średnia, N/mm 2 1a Ia 4,64 14,1 1b Ib 3,47 20,4 2 II 2,47 19,7 3 III 4,27 14,5 4a IVa 3,34 18,4 4b IVb 3,64 22,0 5 V 4,44 15,0 10

Średnia wytrzymałość na ściskanie elementów murowych f B = 12,8 22,9 N/mm 2 Nr Współczynnik zmienności, % Wytrzymałość średnia, N/mm 2 6 VI 3,17 12,8 7 VII 4,64 18,1 8 VIII 3,13 22,9 9 IX 5,26 16,7 11 XI 2,64 17,7 12 XII 2,42 15,3 13 XIIIa 4,85 13,7 13B XIIIb 4,72 18,0 Znormalizowana wytrzymałość na ściskanie Wytrzymałość znormalizowaną f b obliczono na podstawie załącznika A do normy PN-EN 772-1:2001/Ap1:2002 przyjmując: współczynnik z uwagi na warunki sezonowania elementów murowych = 1,0, współczynnik kształtu δ zgodnie z tablicą A.1 PN-EN 772-1:2001/Ap1:2002 przez interpolację liniową po wysokości i szerokości elementu murowego. 11

Znormalizowana wytrzymałość na ściskanie Klasę wytrzymałości na ściskanie elementu murowego określono na podstawie załącznika D do normy PN-EN 771-2:2006 Wymagania dotyczące elementów murowych. Część 2. Elementy murowe silikatowe. Znormalizowana wytrzymałość na ściskanie Nr Wytrzymałość średnia, N/mm 2 Współczynnik kształtu δ Znormalizowana wytrzymałość na ściskanie f b, N/mm 2 Klasa wytrzymałości na ściskanie 1a Ia 14,1 1,23 17,3 15 1b Ib 20,4 1,23 25,1 25 2 II 19,7 1,23 24,2 20 3 III 14,5 1,13 16,4 15 4a IVa 18,4 1,23 22,6 20 4b IVb 22,0 1,23 27,1 25 5 V 15,0 1,23 18,5 15 12

Znormalizowana wytrzymałość na ściskanie Nr Wytrzymałość średnia, N/mm 2 Współczynnik kształtu δ Znormalizowana wytrzymałość na ściskanie f b, N/mm 2 Klasa wytrzymałości na ściskanie 6 VI 12,8 1,19 15,2 15 7 VII 18,1 1,12 20,3 20 8 VIII 22,9 1,23 28,2 25 9 IX 16,7 1,12 18,7 15 11 XI 17,7 1,23 21,8 20 12 XII 15,3 1,15 17,6 15 13 XIIIa 13,7 1,13 15,5 15 13b XIIIb 18,0 1,23 22,1 20 Badania zaprawy Badania wytrzymałości zaprawy wykonano łącznie na 6 próbkach pobranych po 3 w dwóch terminach XI.2009 r. i III.2010 r. Przygotowanie próbek zaprawy i badania wytrzymałości na ściskanie oraz na rozciąganie przy zginaniu prowadzono według normy PN-EN 1015-11:2001/A1 Metody badań zapraw do murów. Część 11: Określenie wytrzymałości na zginanie i ściskanie stwardniałej zaprawy. 13

Badania zaprawy Badania wytrzymałości zaprawy na rozciąganie przy zginaniu 6 próbek. Badania wytrzymałości zaprawy na ściskanie łącznie 12 próbek (połówki beleczek). Badania zaprawy Wyniki badań wartości średnie wytrzymałości Termin wykonania próbek Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu f mt,mv s [N/mm 2 ] [N/mm 2 ] Wytrzymałość na ściskanie f m,mv s [N/mm 2 ] [N/mm 2 ] XI.2009r. 4,078 0,660 18,435 0,539 III.2010r. 4,289 0,188 18,040 0,522 14

Badania zaprawy Wyniki badań jednorodność zaprawy Przeprowadzono test statystyczny na równość odchyleń standardowych wytrzymałości zaprawy t 2 x x 1 2 n1s 01 n2s02 1 1 n1 n2 2 n1 n2 2 xi n - wartości średnie w poszczególnych grupach, i - liczebność grup, s 01, s 02 - odchylenie standardowe średniej w danej grupie. Badania zaprawy Wyniki badań jednorodność zaprawy Wytrzymałość na ściskanie t 1, 179 < 2 2281 t 0, 05; 10, Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu t 0,435 < 2 7764 t 0, 05; 4, Wartości maksymalne statystyki t przy dwustronnym obszarze odrzuceń 15

Badania zaprawy Wyniki badań jednorodność zaprawy Nie ma podstaw do odrzucenia hipotezy o równości odchyleń standardowych wytrzymałości zaprawy. Możliwe jest operowanie wartościami średnimi wytrzymałości zapraw wykonanych w dwóch różnych terminach. Badania zaprawy Wyniki badań jednorodność zaprawy Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu f mt [N/mm 2 ] odchylenie standardowe [N/mm 2 ] f m [N/mm 2 ] Wytrzymałość na ściskanie odchylenie standardowe [N/mm 2 ] 4,18 0,45 18,24 0,52 Na podstawie normy PN-EN 998-2:2003 użytą zaprawę można zakwalifikować do klasy wytrzymałościowej M15 o wytrzymałości na ściskanie f m = 15 N/mm 2. 16

BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI MURU NA ŚCISKANIE Cel badań Zasadniczym celem niniejszych badań było określenie, zgodnie z normą PN-EN 1052-1:2000: Wytrzymałości murów na ściskanie, Wytrzymałości charakterystycznej murów f k, Modułu sprężystości murów, Przebiegu zależności naprężenie-odkształcenie (pionowe i poziome) Celami pośrednimi była: obserwacja zachowania się elementów badawczych sposób zarysowania i zniszczenia elementów badawczych. Dodatkowo przeprowadzono analizę wyników badań i na podstawie tych wyników wyznaczono wartość współczynnika K potrzebnego do obliczania wytrzymałości muru na ściskanie wg PN-EN 1991-1-1 17

Badania przeprowadzano na elementach próbnych wykonanych w warunkach laboratoryjnych przez przedstawiciela Zleceniodawców z bloczków silikatowych dostarczonych przez Producentów. Modele wykonano na zaprawie systemowej do cienkich spoin. Wymiary elementów próbnych ustalono zgodnie z normą PN-EN 1052-1:2000 Metody badań murów. Określenie wytrzymałości na ściskanie. Modele badawcze Modele badawcze Ze wszystkich typów elementów murowych wykonano po 3 modele uzyskując w ten sposób 15 serii po trzy elementy badawcze. Elementy próbne wykonano z elementów murowych cechujących się bardzo małymi odchyłkami wymiarów zewnętrznych. Dlatego nie było konieczne stosowania wyrównywania powierzchni cienką warstwą zaprawy. 18

Modele badawcze Elementy próbne badano po minimum 28 dniach od wymurowania. Badanie prowadzono prasie hydraulicznej o zakresie 200 T. Elementy próbne ustawiano między głowicami prasy centralnie, bez mimośrodu. Zapewniono pełny kontakt między górną i dolną powierzchnią elementów, a powierzchniami głowic maszyny wytrzymałościowej. Podczas badań prowadzono pomiar siły ściskającej za pomocą siłomierza o dokładności 0,001 kn oraz przemieszczeń pionowych i poziomych przy użyciu czujników indukcyjnych o dokładności 0,002 mm. Wymiary bazy do pomiarów przemieszczeń muru ustalono wg zaleceń zawartych w normie PN-EN 1052-1:2000 Modele badawcze Widok elementów próbnych każdej z serii przed badaniem 19

Modele badawcze Metodyka badań Badania prowadzono przy wykorzystaniu automatycznego stanowiska pomiarowego. Pomiar przemieszeń i siły ściskającej prowadzono co 0,5 s. Prędkość obciążania dobierano, zgodnie z założeniami PN-EN 1052-1:2000, tak aby maksymalna siła była osiągnięta po okresie 15-30 minut od chwili rozpoczęcia badań. Podczas badań rejestrowano również siłę, przy której stwierdzono wystąpienie pierwszej rysy na elemencie próbnym. 20

Nr serii Naprężenie rysujące, N/mm 2 Wyniki badań Tablica 2. Uśrednione w ramach serii wyniki badań wytrzymałości na ściskanie elementów próbnych muru Naprężenie maksymalne, N/mm 2 Moduł sprężystości, N/mm 2 Współczynnik Poissona CI 7,98 8,86 7627 0,17 CIa 15,04 16,41 9281 0,12 CII 11,00 11,76 7899 0,15 CIII 9,89 10,45 7144 0,23 CIVa 5,20 10,14 5569 - CIV 11,15 12,36 5559 0,23 CV 11,68 12,58 6678 0,21 CVI 8,56 11,31 5228 0,16 CVII 8,00 11,55 6132 0,18 CVIII 11,67 12,54 8441 0,18 CIX 3,76 11,21 5633 0,16 CXI 9,39 11,29 7833 0,17 CXII 10,28 10,89 3857 0,19 CXIII 8,39 10,08 6937 0,23 CXIIIb 5,72 10,13 6575 - Wyniki badań s y, N/mm 2 14 12 10 8 6 4 CVI-1V CVI-1h CVI-2v CVI-2h CVI-3v CVI-3h CVI-v CVI-h 2 e y e x 0-0,015-0,01-0,005 0 0,005 0,01 0,015 0,02 21

Wyniki badań Zniszczenie elementów próbnych przebiegało w zróżnicowany sposób. Pierwsze rysy w większości elementów pojawiały się tuż przed zniszczeniem modeli (tablica 1 i 2). Zarysowania przebiegały zarówno przez spoiny jak i przez elementy murowe. Zaobserwowano wyraźny wpływ układu drążeń na obraz zniszczenia modeli. Drążenia generowały powstanie zarysowań wewnętrznych oraz odspojeń fragmentów muru. Wyniki badań Na rysunkach pokazano porównanie zależności naprężenie s y - odkształcenie pionowe e y uśrednione w ramach każdej z serii, oraz porównanie zależności naprężenie s y - odkształcenie poziome e x. 18 s y, N/mm 2 18 s y, N/mm 2 16 16 CI 14 CIa 14 CI CIII CIa 12 CIVa 12 CIII CIV CIVb 10 CV 10 CV CVI CVI 8 CVII 8 CVII CVIII CVIII 6 CIX 6 CIX 4 CXI CXII 4 CXI CXII 2 CXIII CXIIIb 2 CXIII e y -0,01-0,009-0,008-0,007-0,006-0,005-0,004-0,003-0,002-0,001 0 0 e y 0-0,001 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 22

Określenie charakterystycznej wytrzymałości muru na ściskanie W ramach każdej serii określono charakterystyczną wytrzymałość muru na ściskanie. Określenie to przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN 1052-1:2000. Norma zakłada, że wytrzymałość charakterystyczną muru przyjmuje się jako wartość mniejszą z wytrzymałości średniej z serii podzielonej przez 1,2 lub wartości minimalnej wytrzymałości w danej serii: f k f min 1,2 fi gdzie: f średnia wytrzymałość muru na ściskanie w danej serii (tablica 2, kolumna 3), f i,min najmniejsza wytrzymałość na ściskanie pojedynczego elementu próbnego w danej serii, (tablica 1, kolumna 3),,min Określenie charakterystycznej wytrzymałości muru na ściskanie Nr serii f k, N/mm 2 CI 7,38 CIa 13,68 CII 9,80 CIII 8,71 CIVa 8,45 CIV 10,30 CV 10,49 CVI 9,42 CVII 9,63 CVIII 10,45 CIX 9,34 CXI 9,41 CXII 9,07 CXIII 8,40 CXIIIb 8,44 23

Określenie charakterystycznej wytrzymałości muru na ściskanie 16 14 12 10 8 6 4 2 0 f k, N/mm 2 CI CIa CII CIII CIVa CIV CV CVI CVII CVIII CIX CXI CXII CXIII CXIIIb Współczynnik K Norma PN-EN 1996-1-1: Eurokod 6 charakterystyczną wytrzymałość na ściskanie muru ze spoinami cienkimi, wykonanego z elementów murowych silikatowych pozwala wyznaczać ze wzoru: 0,85 fk K f b gdzie, f b - znormalizowana średnia wytrzymałość elementu murowego na ściskanie, K współczynnik (wartość stała, K = 0,5). Wyznaczenie współczynnika K wykonano stosując przekształcony wzór do postaci: f K f k 0,85 b 24

współczynnik K 2015-06-15 Wartości współczynnika K uzyskane z badań Nr serii K CI 0,65 CIa 0,88 CII 0,65 CIII 0,81 CIVa 0,60 CIV 0,62 CV 0,88 CVI 0,93 CVII 0,74 CVIII 0,61 CIX 0,78 CXI 0,69 CXII 0,79 CXIII 0,82 CXIIIb 0,61 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Wartości współczynnika K uzyskane z badań CI CIa CII CIII CIVa CIV CV CVI CVII CVIII CIX CXI CXII CXIII CXIIIb Minimalna wartość współczynnika K wyniosła 0,6, maksymalna 0,93, a wartość średnia to 0,74. Minimalna wartość uzyskana z badań jest o 20% większa, wartość średnia jest większa o 48%, natomiast wartość maksymalna jest większa o 86% od wartości zamieszczonej w tablicy NA.5 EC-6. 25

Wartości współczynnika K uzyskane z badań W Załącznikach Krajowych innych państw przyjęto różne wartości współczynnika K, a w niektórych krajach różnicowano nawet wielkość potęgi przy znormalizowanej średniej wytrzymałości elementu murowego na ściskanie. Porównanie wytrzymałości charakterystycznych wyznaczonych na podstawie Załączników Krajowych wybranych państw UE pokazano na rysunku 18 16 14 12 10 8 f k, MPa EC-6, Austria, Czechy, Estonia, Francja, Holandia, Słowacja, Węgry Niemcy Polska 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 f b, MPa Nowe wartości współczynnika K Przed rokiem Stowarzyszenie Producentów Białych Materiałów Ściennych Białe murowanie wystąpiło do Przewodniczącego KT 252 PKN dr inż. Romana Gajownika z wnioskiem o zwiększenie współczynniki K, na podstawie wyników prezentowanych badań. We wrześniu 2014 r., wraz z poprawką Ap2 do EC-6 (PN-EN 1996-1-1+A1:2013-05/PA2) zmieniono współczynnik K na 0,6 26

Nowe wartości współczynnika K Zwiększenie współczynnika K do wartości 0,6 powoduje jednak, że uzyskane wartości charakterystycznej wytrzymałości na ściskanie muru będą w dalszym ciągu jednymi z najniższych w UE (rysunek poniżej). Na więcej nie pozwalają niestety wyniki badań. 18 16 14 12 10 8 f k, MPa EC-6, Austria, Czechy, Estonia, Francja, Holandia, Słowacja, Węgry Niemcy Polska 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 f b, MPa Nowe wartości współczynnika K Przy projektowaniu i sprawdzaniu warunków ULS konstrukcji murowych istotna jest obliczeniowa wytrzymałość muru na ściskanie. Zależy ona od współczynnika bezpieczeństwa M, przyjmowanego w Załącznikach Krajowych do PN-EN 1996-1-1:2010. 12 10 8 6 4 f d, MPa EC-6, Francja, Węgry Austria, Czechy, Estonia, Słowacja Holandia UK Niemcy Polska Polska (propozycja) 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 f b, MPa Obliczeniowe wytrzymałości murów na ściskanie wg Załączników Krajowych wybranych państw UE przy przyjęciu najmniejszego współczynnika bezpieczeństwa M 27

Nowe wartości współczynnika K 12 10 8 6 4 f d, MPa EC-6, UK, Węgry Austria, Czechy, Słowacja Holandia Francja Niemcy Polska Polska (propozycja) 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 f b, MPa Obliczeniowe wytrzymałości murów na ściskanie wg Załączników Krajowych wybranych państw UE przy przyjęciu największego współczynnika bezpieczeństwa M 28