Uszkodzenia płyty fundamentowej w garażu podziemnym

Jakie są przyczyny uszkodzeń posadzek betonowych w garażach podziemnych? Jak analizuje się zjawiska skurczu w posadzce i płycie fundamentowej? Jaki wpływ ma skurcz na odkształcenia i naprężenia?

Analiza zjawiska skurczu w posadzce i płycie fundamentowej

Analizę przeprowadzono na podstawie:

wizji lokalnych na obiekcie oraz wywiadów z użytkownikami obiektu;
inwentaryzacji uszkodzeń posadzki;
dokumentacji technicznej (powykonawczej);
badań wytrzymałościowych próbek betonowych;
obliczeń statyczno-wytrzymałościowych;
dokumentacji fotograficznej.

Fot. stock.adobe

Wpływ skurczu na odkształcenia i naprężenia

Płyta fundamentowa
Z informacji zawartych w dokumentacji [3] można wnioskować, że projektant postanowił efekt skurczu w płycie fundamentowej, czyli naprężenia rozciągające, przerzucić na zbrojenie konstrukcyjne, to znaczy de facto pominąć w praktyce istnienie dodatkowych naprężeń rozciągających w betonie powstających od skurczu. Ponadto założył maksymalną dopuszczalną wartość rozwarcia rysy równą w_max = 0,3 mm. W przypadku „rysy na wylot” nie zapewnia ona szczelności, która może być osiągnięta przy rozwartości rysy wynoszącej najwyżej w_max = 0,1 mm.

Zobacz: Płyta fundamentowa w garażu – technologia, uszkodzenia

W otrzymanej dokumentacji autorzy niniejszej publikacji nie znaleźli zapisów informujących o obliczeniach naprężeń od skurczu w płycie, dlatego przeprowadzili własne obliczenia, opierając się na [8, 9]. Ogólnie naprężenia skurczowe w betonie mają składowe [8]:

σ_cs ^I pochodzące od więzi zewnętrznych ograniczających swobodny skurcz;
σ_cs ^IIasamoczynne (skurcz autogenicz- ny) i σ_cs ^IIb od naprężenia wysychania;
od samonaprężeń σ_cs ^III;
spowodowane karbonatyzacją σ_cs ^Iv

W przypadku zablokowania swobodnego odkształcenia konstrukcji (zamocowanie na końcach elementów) może powstać dodatkowa siła rozciągająca kojarzona z wpływami skurczowymi wyrażonymi naprężeniami σ_cs ^I. W części skurczu σ_cs ^I wyróżniamy skurcz od zablokowanych więzi wewnętrznych i więzi zewnętrznych. Jeżeli założymy, że między poszczególnymi częściami płyty fundamentowej oddzielonymi przez przerwy technologiczne istnieje wzajemne ograniczenie przemieszczeń wynikające ze współpracy z prętami zbrojeniowymi, możemy oszacować dodatkowe naprężenia σ_cs ^I o wartości od 2,64 do 5,31 MPa. Oczekiwane wówczas naprężenia sumaryczne od skurczu są zawarte w przedziale od 2,94 do 6,39 MPa. Należy zwrócić uwagę, że wartość wytrzymałości charakterystycznej betonu na rozciąganie wynosi f_ctk = 2,0 MPa. Wskazuje to na możliwość pojawienia się rys szczególnie w początkowej fazie dojrzewania betonu (zakres naprężeń wynosi od 3,62 do 6,39 MPa). W przypadku badanej płyty skurcz od wysychania σ_cs ^II osiąga, według obliczeń autorów, wartość ok. 0,24 MPa, co stanowi ok. 12% wytrzymałości f_ctk. Wpływ masywności elementu wyrażający się ilorazem podwójnego obwodu elementu do pola skutkuje naprężeniami σ_c ^III. Pojawiają się one na początku wiązania betonu i według obliczeń własnych mogą wynosić 0,74 MPa na początku wiązania i 0,35 MPa w dalszym czasie użytkowania konstrukcji. Średnia suma tych naprężeń σ_cs ^II + σ_cs ^III może wynieść od 0,60 do 0,98 MPa.

Zobacz też: Systemy detekcji gazów w garażach podziemnych

Skurcz samoczynny i karbonatyzacyjny jest pomijany, w pewnym zakresie można go dodawać do skurczu od wysychania. Bazując na zaleceniach przedstawionych w [8], wielu autorów sugeruje obliczeniowe pole przekroju zbrojenia przypowierzchniowego zapobiegające pojawieniu się rys. Obliczona według tych zaleceń ilość zbrojenia jest większa niż obliczona w projekcie, stąd możliwość powstania rys.

Do naprężeń rozciągających od skurczu dodawane są naprężania od obciążeń stałych i zmiennych oddziaływających na konstrukcję budynku i przekazywanych na płytę. Według projektanta posadzka wykonana na płycie współpracuje z nią przez warstwę sczepną.

Ogólnie zarysowanie powoduje relaksację naprężeń skurczowych, jednak nadmierne zarysowanie powoduje równocześnie zmniejszenie sztywności konstrukcji i zwiększa możliwości korozji zbrojenia.

Projektant w swoich obliczeniach dopuścił możliwość powstania rys konstrukcyjnych w płycie o szerokości do 0,3 mm. Obserwowane rysy na powierzchni posadzki betonowej w dużej liczbie mają szerokość większą od założonej granicznej szerokości.

Należy zwrócić także uwagę na fakt, że w miarę wysychania i okresowego wzrostu ciśnienia wody gruntowej na płytę od dołu proces powiększania się szerokości rys nie ustał. Obszar zarysowania będzie się powiększał (przede wszystkim szerokości rys), mimo że obserwowane przyrosty będą coraz mniejsze.

Zobacz: Podłogi przemysłowe – ocena stanu technicznego

Posadzka betonowa na płycie fundamentowej

Wielowarstwowa posadzka betonowa jest mocno zarysowana. Przez zastosowanie warstwy sczepnej jest ona konstrukcyjnie włączona w pracę statyczno-wytrzymałościową płyty fundamentowej jako część górna płyty. Dlatego możliwe jest zarysowanie posadzki inicjowane w płycie fundamentowej.

Warstwa sczepna została położona na uprzednio zwilżone podłoże. Po roku od wykonania płyty można się spodziewać, że górna warstwa płyty do głębokości nieco ponad 0,15 m uległa wysuszeniu. Oznacza to, że zwilżenie płyty nie nawilżyło całej wyschniętej już warstwy betonowej, która może chłonąć znacznie większą objętość wody i w trakcie dojrzewania betonu w posadzce pobierać wodę z posadzki. Właściwości przepuszczalności wody dla warstwy sczepnej wg karty materiałowej są nieustalone.

Na podstawie trzech odwiertów stwierdzono jednorodny beton bez oznak osiadania frakcji kruszywa i równomiernie rozłożone kopolimerowe włókna. Posadzka została wykonana starannie, górna warstwa dokładnie pokryta dobrze przylegającą do betonu żywicą, bez znaczących oznak zużycia powłoki ochronnej.

Posadzka – wylana na wykonaną znacznie wcześniej płytę fundamentową – sama podlega skurczowi związanemu z wysychaniem. Występują w niej te same składowe skurczu, które wcześniej występowały w płycie. W płycie fundamentowej swobodny skurcz krępuje zbrojenie konstrukcyjne, natomiast w posadzce jej współpraca z płytą. Powierzchnia styku płyty i posadzki nie jest gładka i wypełniona dodatkowo warstwą sczepną. Takie połączenie powoduje podczas wysychania posadzki i jej skurczu dodatkowy układ sił wewnętrznych przy powierzchni płyty i posadzki, ściskanie płyty i rozciąganie posadzki (rys. 2). Powstałe naprężenia skurczowe mają być przeniesione przez dodane do betonu włókna kopolimerowe.

Rys. 2. Rozkład naprężeń w dwóch płytach, dolna starsza i górna młodsza, dojrzewająca

Wymagane teoretycznie minimalne zbrojenie z prętów stalowych ze względu na ograniczenie zarysowania do wartości 0,3 mm waha się w zależności od wykorzystania strefy rozciąganej posadzki od 20 do 50 cm²/m.b.

Minimalne zbrojenie ze względu na skurcz wywołany położeniem nowej warstwy betonowej posadzki na jednorocznym betonie płyty fundamentowej wynosi w zaokrągleniu 8,5-10,1 cm2/m.b. Wymagania przeniesienia spodziewanego skurczu w posadzce zostały przerzucone na zbrojenie włóknami kopolimerowymi.

Przebieg skurczu w płycie i posadzce mógł przebiegać według następującego schematu:

Wykonanie płyty betonowej w grudniu 2013 r.
Pielęgnacja płyty do czasu osiągnięcia przez płytę minimalnej wytrzymałości, w czasie pielęgnacji pojawił się skurcz samozrównoważony,
Po zakończeniu pielęgnacji nastąpił proces wysychania. Powiększyły się naprężenia skurczowe samozrównoważone do poziomu, na którym ustabilizował się przepływ wilgoci z płyty do otoczenia. Naprężenia skurczowe rozciągające w betonie mogły przekroczyć wytrzymałość betonu na rozciąganie i mogło nastąpić zarysowanie górnej powierzchni płyty do ok. 20% wysokości płyty.
Systematycznie wzrastały odkształcenia (i towarzyszące im naprężenia rozciągające w betonie płyty) od skurczu autogenicznego i od wysychania. Po roku osiągnęły wartość do 20% całkowitych naprężeń skurczowych. 80% odkształceń skurczowych będzie miało miejsce po upływie więcej niż 20 lat. Po zmniejszeniu się intensywności dyfuzji wilgoci z płyty do otoczenia zmniejszają się odkształcenia i naprężenia skurczowe. Może to wystąpić po okresie kilku lat od wykonania płyty.
Zbrojenie przypowierzchniowe przeciwskurczowe, jakie powinno być zastosowane w płycie fundamentowej, powinno mieć pole ok. A_s = 14,1 cm².
Naprężenia skurczowe początkowe σ_cs (po roku od wylania płyty) w posadzce mogą osiągnąć wartość w zakresie σ_cs = σ_cs ^II+σ_cs ^III = 0,98 MPa, a z uwzględnieniem naprężeń od częściowego zamocowania płyty w ścianie szczelinowej i w gruncie σ_cs= σ_cs ^I +σ_cs ^II+σ_cs ^III = 6,4 MPa przy założonej wytrzymałości betonu na rozciąganie równej f_ctk = 2,0 MPa.
Po roku wykonano posadzkę betonową ze zbrojeniem włóknami kopolimerowymi.
Posadzkę poddano zabiegom pielęgnacyjnym. W tym czasie wilgoć z dolnej części posadzki wniknęła w głąb płyty betonowej i został zainicjowany skurcz na styku płyty i posadzki. W miejscu istniejących rys w płycie na styku z posadzką mogła nastąpić inicjacja rys w posadzce. Pojawiające się naprężenia skurczowe w takim przypadku mogą przewyższać poziom wytrzymałości betonu na rozciąganie w fazie dojrzewania betonu. Dostarczana podczas pielęgnacji woda na górnej powierzchni posadzki nie może przeniknąć do warstwy styku płyty i posadzki i zapobiec szybkiej utracie wody do suchszej górnej części płyty fundamentowej.
Swobodne odkształcenie spowodowane skurczem posadzki jest blokowane przez płytę, która nie odkształci się w takim stopniu jak posadzka, gdyż zaistniały już znaczne odkształcenia w płycie. Posadzka i płyta są połączone warstwą sczepną oraz przez nierówną powierzchnię styku.
Po zakończeniu pielęgnacji pojawił się w całej posadzce skurcz autogeniczny (σ_cs ^IIa) i od wysychania (σ_cs ^IIb) w górnej części posadzki ze względu na odpływ wody przez dolną i górną powierzchnię posadzki.
Naprężenia w posadzce poddanej odkształceniom skurczowym powinny przenieść włókna przeciwskurczowe.
Płyta i posadzka razem poddane są procesowi skurczu, jednak w niejednorodny sposób ze względu na dużą różnicę w masywności elementów. Posadzka ma grubość m =130 mm, płyta m = 445 mm. Powstają więc dodatkowe naprężenia ze względu na różnice w sztywności płyty i posadzki.
Odkształcenia skurczowe w płycie fundamentowej wraz z upływem czasu stale wzrastają i powodują przez sczepienie płyty i posadzki wzrost naprężeń rozciągających w posadzce.
Naprężenia skurczowe w posadzce σ_cs = σ_cs ^II+σ_cs ^III mogą osiągnąć wartość w zakresie od σ_cs = 2,9–5,8 MPa przy założonej średniej wytrzymałości fibrobetonu na rozciąganie równej f_ctm = 4,2 MPa. Zainicjowane w płycie fundamentowej rysy przenoszą się do posadzki i tworzyć się mogą nowe rysy w posadzce.
Minimalne zbrojenie konstrukcyjne, jakie mogłoby przenieść naprężenia rozciągające od skurczu (bez wpływów pochodzących od skurczu od płyty), powinno mieć wartość ok. A_s od 5,9 do 10,5 cm².
Zaobserwowano w pobranej próbce oddzielenie się posadzki od płyty fundamentowej, co może świadczyć o ścięciu warstwy sczepnej.

Całkowite naprężenia po stronie rozciąganej płyty fundamentowej

Naprężenia spowodowane skurczem sumują się z naprężeniami od obciążeń stałych i zmiennych oddziaływających na płytę i posadzkę. Naprężenia skurczowe na skutek pełzania i relaksacji betonu mogą się zmniejszyć. Stosowny współczynnik relaksacji i pełzania k₃ dla płyty, wskazujący na mniejszy udział naprężeń skurczowych, ma wartość między 0,5 i 0,7. Liczne zarysowania powodują znaczne zmniejszenie naprężeń skurczowych oraz powodują zwiększenie całkowitych odkształceń i ugięć zarówno płyty, jak i posadzki. Szacunkowe obliczenia wskazują na przekroczenie wytrzymałości zbrojonego betonu płyty fundamentowej po stronie rozciąganej, a także w miejscach w pobliżu słupów żelbetowych, gdzie obciążenia powodują naprężenia ściskające. Wydaje się, że w rozpatrywanym przypadku duży udział w początkowym zarysowaniu mają naprężenia trzeciego typu oj" (od samonaprężeń). Jednocześnie wskutek ograniczenia przemieszczeń poziomych płyty, wymuszanych przez skurcz; ocsI, powstają poziome siły rozciągające i powiększają wartość naprężeń rozciągających.

Duże znaczenie ma tak zwana masywność płyty fundamentowej, wynosi ona m = 2A_c/U, a dla płyt z jednostronnym wysychaniem m = 1/h (h – grubość płyty) m = 1,25 m^-1. Płyta fundamentowa należy do masywnych, co oznacza, że proces wysychania rozłożony jest na wiele lat i skutki skurczu od wysychania obserwujemy przez długi okres eksploatacji obiektu.

Trzeba zaznaczyć, że dodatkowo dochodzi od dołu napór od wody gruntowej, co zmienia także układ naprężeń pod płytą fundamentową. Ugięcia ujemne płyty fundamentowej wpływają na ugięcia posadzki zbrojonej tylko rozproszonymi włóknami. Także posadzka poddana jest znaczącym naprężeniem rozciągającym od skurczu, gdyż z powodu połączenia z płytą fundamentową nie ma możliwości swobodnego odkształcenia.

Zobcz też: Antypoślizgowe posadzki przemysłowe – wymagania, klasyfikacja, użytkowanie

Analiza wyników badań laboratoryjnych

Do badań pobrano dwie próbki z odwiertów rdzeniowych (fot. 4 i 5) z posadzki i płyty fundamentowej oraz wykonano sześć prób z posadzki metodą pull-off (fot. 6 i 7).

Fot. 4. Miejsce odwiertu. Fot. 5. Próbka wycięta z betonowej płyty, warstwa sczepna

Fot. 6 i 7. Próbki pull-off do badań wytrzymałościowych

Kontrolnie wykonano na posadzce betonowej badania metodą sklerometryczną.

Z badań wytrzymałościowych określono:

klasę posadzki C20/25 (wyższa od projektowanej),
klasę płyty betonowej C30/37 (również wyższa od projektowanej).

Otrzymane wyniki wskazują na pewne rozbieżności wytrzymałości betonu. Pomiary nieniszczące mogą dawać nieco odmienne wyniki, szczególnie w przypadku głębszej karbonatyzacji otuliny, a także w przypadku niedokładnego zagęszczenia betonu na całej grubości powłoki. W badanym obiekcie te czynniki mogą mieć wpływ na zaobserwowane różnice w pomiarach niszczących i nieniszczących w zależności od miejsca wykonywanych pomiarów. Wartości wytrzymałości otrzymane metodą sklerometryczną zostały zweryfikowane na próbkach pobranych na obiekcie w miejscach pomiarów. Do dalszych obliczeń przyjęto wyniki otrzymane z korelacji metod wykorzystywanych przy określaniu wytrzymałości betonu.

Uwagi dotyczące przesiąkania wody przez płytę żelbetową i posadzkę

Problem związany z płytami fundamentowymi narażonymi na aktywne oddziaływanie wód gruntowych jest dość powszechny. W zamiarze projektantów technologia powinna izolować płytę fundamentową od wpływów wilgotnościowych przesączającej się wody gruntowej. Zabiegi polegające na umiejscowieniu ściany szczelinowej na poziomie gruntów nieprzesiąkliwych, spoistych i uniemożliwiające dopływ wody do obszaru pod płytą napotykają trudności. Związane jest to z obecnością gruntu przewarstwionego i warstwami wodonośnymi, które praktycznie trudno całkowicie odgrodzić od płyty. Dlatego po wielu latach eksploatacji obiektu obserwuje się przesączanie wody gruntowej pod płytę fundamentową.

Podnoszenie wartości ciśnienia wody pod płytą fundamentową i sączenie wody przez rysy jest procesem stałym, zależnym od ilości wody dopływającej pod płytę. Na istnienie tego procesu wskazuje pojawianie się przesączeń w ścianach szczelinowych po każdym obfitym opadzie. Nie badano zmian poziomu wody gruntowej w terenie naokoło budynku po wybudowaniu obiektu. Pionowe ściany szczelinowe są stałą przeszkodą w przepływie wód gruntowych, ale równocześnie mogą tę wodę spiętrzać. Znajomość poziomu wody gruntowej zarówno wokół budynku, jak i pod samą płytą (ciśnienie wody) pozwoliłaby na jej okresowe odpompowywanie. Aktualna wiedza pozwala jedynie reagować na bieżące usterki, to znaczy dokonywać miejscowych iniekcji. Przewiert płyty i zainstalowanie pompy miałyby również pewne znaczenie dla jakości prowadzonych prac iniekcyjnych przy istniejących rysach. Byłyby one skuteczniejsze dla rys „mokrych”, gdyby mogły być prowadzone w warunkach obniżenia ciśnienia wody pod płytą.

Obecne rozwiązanie konstrukcyjne oparto na badaniach geologicznych, które wykazywały, że istnieją ciągłe warstwy nieprzepuszczalne, w których zakotwiono ściany szczelinowe. Budowa geologiczna miasta, poparta badaniami bezpośrednio poprzedzającymi budowę, jest zasadniczo przewidywalna. Ponieważ przesiąkanie wody realnie istnieje, to jako jego przyczynę w fazie budowy można wskazać jedną z dwóch okoliczności:

lokalną nieciągłość struktury geologicznej – naturalna lub spowodowana przez człowieka (np. historyczny przewiert przez warstwę wodonośną podczas wcześniejszych badań lub wybuch bomby podczas wojny);
błąd wykonawczy polegający na niedostatecznym zagłębieniu ściany szczelinowej w warstwie nieprzepuszczalnej.

Oba przypadki są praktycznie nie do potwierdzenia, gdyż jako przypadki losowe o bardzo małym obszarze oddziaływań wymagałyby całkowitego odsłonięcia wykonanych prac w gruncie. Z drugiej strony tego typu zjawiska są bardzo mało inwazyjne i pozwalają małym nakładem inwestycyjnym zniwelować niepożądane zjawiska. Często wystarczającym zabiegiem jest uszczelnienie rys. Jeżeli nastąpi zrównoważenie ciśnienia hydrostatycznego w gruncie z naprężeniami wynikającymi ze statycznej pracy konstrukcji, zjawisko ustanie. Niekiedy doszczelnienie to należy wykonać dwu- lub trzykrotnie.

Jeżeli całkowite uszczelnienie przestrzeni pod płytą nie jest możliwe, istnieje możliwość okresowego obniżania poziomu wód gruntowych.

Zarysowania posadzki w garażu. Wnioski końcowe

Zarysowanie posadzki wskazuje na przekroczenie stanu granicznego użytkowania ze względu na dopuszczalną szerokości rys, jednak nie dyskwalifikuje tego elementu konstrukcyjnego z eksploatacji. Pojawienie się rys tzw. mokrych wymaga jednak już na początku użytkowania wykonania prac naprawczych. Podstawowym powodem inicjacji takich rys jest często nieuwzględnienie w pełni naprężeń skurczowych. Naprężenia skurczowe sumaryczne nie mogą być pomijane w obliczeniach i powinny być wzięte pod uwagę jako osobne zaprojektowane zbrojenie przypowierzchniowe. Należy również uwzględniać możliwość wystąpienia dodatkowego wzrostu naprężeń od parcia hydrostatycznego oraz interakcje między płytą fundamentową a płytą posadzki.

Pojawienie się rys zmniejsza naprężenia w płycie. Uzasadnione jest zatem dokonywanie na bieżąco prac naprawczych (uszczelniających). Ponieważ procesy skurczowe oraz naprężenia hydrostatyczne mogą wzrastać w czasie, należy oczekiwać, że naprawa elementu nie będzie jednorazowa. Analiza naprężeń skurczowych wskazuje jednak, że ilość pojawiających się nowych rys będzie coraz mniejsza.

Artykuł ukazał się w monografii „Awarie budowlane 2019” i jest oparty na referacie przygotowanym na XXIX Międzynarodową Konferencję Naukowo-Techniczną „Awarie budowlane”.

Bibliografia

J. Rybak, A. Ivannikov, E. Kulikova, T. Żyrek, Deep excavation in urban are- as-defects of surrounding buildings at various stages of construction, MATEC Web of Conf., 146, 02012, 2018.
M. Wyjadlowski, W. Puła, J. Bauer, Reliability of diaphragm wali In serviceablllty limit States, „Archives of Civil and Mechanical Engineering” nr 15 (4)/2015.
Dokumentacja techniczna powykonawacza.
K. Kubecka, D. Kubeckova, T. Penaz, M. Marschalko, I. Yilmaz, T. Bouchal, M. Drusa, M. Bendova, M. Duraj, The role of engineering-geological zones in foundation engineering, 12th Int. Multidisciplinary Scientific GeoConf. and EXPO, SGEM 2012.
C. Rybak, J. Rybak, Badania podłoża gruntowego w świetle potrzeb projektowania geotechnicznego, „Geologos” nr 11/2007.
E. Sawicki, M. Wyjadlowski, Influence of Surrounding Soil Conditions and Joint Sealing on Seepage Resistance of a Sheet Pile Wall, Three Dimensional Numerical Analyses, IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 95 (2) 2017.
W. Staropolski, Konstrukcje żelbetowe, t. I-IV, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2011-2016.
K. Flaga, Naprężenia skurczowe i zbrojenie przypowierzchniowe w konstrukcjach betonowych, PK Kraków 2011.
M. Maj, Shells of cracked reinforced concrete chimneys, silos and cooI towers walls as a problem of durability exploitation, The sixth international conference on structural engineering, mechanics and computation, September 2016, Cape Town, South Africa.

dr inż. Marek Maj¹, prof. dr inż. Andrzej Ubysz Wrocław University of Science and Technology

Ashot Tamrazyan Moscow State Uniwersity of Civil Enginering

¹marek.maj@pwr.edu.pl