Mury skrępowane – ustalenia ogólne i normowe

Polskie doświadczenia ze stosowaniem zbrojonych konstrukcji murowych, zespolonych i skrępowanych mają tradycję sięgającą dwudziestolecia międzywojennego. Oprócz tradycyjnych technologii nastąpił wówczas istotny rozwój budownictwa stalowego i żelbetowego. W wysokich budynkach lub biurowych gmachach szkielet wypełniano ceglanym murem. Takie rozwiązanie wymagało wykonania w pierwszej kolejności konstrukcji prętowej (żelbetowej lub stalowej), a następnie muru, który pełnił funkcję usztywnienia lub nienośnej osłony. Realizacja szkieletu ze stropami oraz ścian wypełniających przebiegała niezależnie z pewnym przesunięciem czasowym. Problemem na ówczesne czasy była pracochłonność wykonania muru najczęściej z cegły pełnej, sitówki lub dziurawki. Oddzielne wykonywanie szkieletu, a następnie muru było korzystne ze względu na tempo realizacji, jednak zwiększało koszty inwestycji. Na korzystne połączenie muru z betonem jako pierwszy w Polsce zwrócił uwagę w 1936 r. inż. T. Trojanowski (referat wygłoszony na I Zjeździe Inżynierów Budownictwa), nazywając takie połączenie zespołem mur–beton–żelazo [1].

Fot. Tomasz Rybarczyk

Okres powojenny wiązał się z koniecznością odbudowy zniszczonej zabudowy miejskiej. Niewielkie wsparcie zrujnowanego przemysłu spowodowało, że dominujące stały się tradycyjne technologie bazujące głównie na materiałach odzyskiwanych, w tym cegieł, prętów zbrojeniowych, profili stalowych i gruzu. W tym okresie zwiększenie nośności murów ceglanych realizowano, stosując zbrojenie spoin wspornych w postaci stalowych płaskowników (bednarek) lub prętów umieszczanych w pionowych bruzdach. W tym właśnie czasie rozpoczął się okres stosowania połączeń muru z betonem w jeszcze nieznanej obecnie formie skrępowania, w formie zespolenia [1, 2]. W tych konstrukcjach elementami krępującymi były pionowe słupy umieszczone wewnątrz muru. Jednoczesne wykonywanie wewnętrznych słupów i muru eliminowało konieczność stosowania kosztownych deskowań pionowych słupów i znacznie przyspieszało czas wznoszenia budynków. Pionowe rdzenie mogły być stosowane tylko w ścianach znacznej grubości, w których możliwe było wykonanie odpowiedniego wiązania. W ścianach mniejszej grubości wykonywano lokalne pogrubienia w formie pilastrów. Niewielkie poprzeczne przekroje rdzeni nie zapewniały jeszcze pełnego skrępowania (udział przekroju rdzeni i rygli w przejmowaniu sił wewnętrznych był niewielki). W późniejszym okresie zrezygnowano z wykonywania ukrytych rdzeni, wykonując monolityczne powiązanie muru i betonowych słupów. Stało się to za sprawą zastosowania elementów murowych średnio gabarytowych (bloczki z PGS, pustaki ceramiczne, pustaki betonowe itp.). Takie rozwiązania zostały zalecone na przełomie lat 60. i 70. XX wieku w budynkach podlegających wpływom wstrząsów górniczych. Od tego czasu technologia murów skrępowanych znacznie się rozwinęła w związku z wprowadzeniem nowych materiałów i unowocześnieniem metod wykonywania murów i stropów. Idea konstrukcji skrępowanej pozostała jednak bez zmian. W rejonach podlegających wpływom wstrząsów górniczych zalecane są rozwiązania znane z okresu powojennego (zbrojenie mieszane), a także klasyczne formy skrępowania.

W artykule przedstawiono podstawowe informacje dotyczące specyfiki murów skrępowanych, różnice i podobieństwa między  murami  zbrojonymi i murami wypełniającymi. Zaprezentowano informacje o konstruowaniu murów skrępowanych według aktualnych norm. Starano się uwypuklić wady i zalety tej technologii wraz z najczęściej popełnianymi błędami.

Składowe elementy i cechy muru skrępowanego

Mur skrępowany składa się ze ścian murowanych oraz poziomych i pionowych elementów żelbetowych wykształtowanych ze wszystkich czterech stron ściany murowanej (rys. 1).

Rys. 1. Składowe elementy budynku ze ścianami wykonanymi w technologii muru skrępowanego: a) budynek
ze sztywnym stropodachem [3], b) budynek z wiotkim drewnianym stropem i więźbą [4]; 1 – rdzenie, 2 – wieńce
stropowe, 3 – poziome lub pochylone rygle, 4 – mur, 5 – wieniec cokołowy, 6 – fundament, 7 – strop żelbetowy,
8 – strop drewniany, 9 – drewniana więźba dachowa

Pionowe elementy nazywane rdzeniami (ang. tie-columns) przypominają słupy w konstrukcji szkieletowej, z tym że mają znacznie mniejsze wymiary poprzecznego przekroju i są wykonywane po wzniesieniu muru. Poziome elementy nazywane są ryglami (ang. tie-beams) i wieńcami (ang. ring beams). Przypominają belki w żelbetowej konstrukcji szkieletowej, jednak nie funkcjonują jak konwencjonalne belki, ponieważ spoczywają na ścianach pełniących funkcję ścian nośnych.

Polecamy:

Zabudowa plombowa. Przykład nowatorskiego posadowienia budynku

Stalowe stężenia tymczasowe w budynkach o konstrukcji murowej i żelbetowej

Czy zbrojenia niemetaliczne będą coraz popularniejsze?

Do podstawowych cech elementów murów skrępowanych można zaliczyć:

• Ściany murowane oraz rdzenie, które przenoszą pionowe obciążenia stałe i eksploatacyjne ze stropów (przez wieńce) na fundament. Ściany działają jak stężenia, przejmując poziome siły od wiatru i wstrząsów, dlatego nie powinny być osłabione otworami okiennymi i drzwiowymi.
• Elementy krępujące (rdzenie, rygle i wieńce), które skutecznie poprawiają stateczność i integralność ścian murowanych w przypadku wpływów sejsmicznych i parasejsmicznych zarówno w płaszczyźnie, jak i z płaszczyzny. Żelbetowe elementy krępujące zapobiegają kruchej odpowiedzi muru na działanie obciążeń ścinających i obciążeń prostopadłych do płaszczyzny (w ścianach osłonowych) i chronią obiekt przed postępującą katastrofą. Rygle i wieńce poprawiają ogólną stabilności budynku w przypadku obciążeń pionowych, redukując wysokości efektywne ścian.
• Stropy i stropodachy żelbetowe, które przekazują na ściany zarówno obciążenia pionowe, jak i poziome. W przypadku obciążeń poziomych żelbetowe stropy pełnią funkcję przepon (ang. diaphragms).
• W niepodpiwniczonych budynkach z murami skrępowanymi stosowanymi w rejonach sejsmicznych zamiast stropów nad piwnicami konieczne jest wykonanie wieńca cokołowego (ang. plinth band), który przenosi obciążenie ze ścian na fundament i zabezpiecza ściany parteru przed nadmiernym osiadaniem

Mury skrępowane w porównaniu z technologiami tradycyjnymi

Porównanie muru skrępowanego z murem zbrojonym poziomo i pionowo

Technologia budowy murów skrępowanych jest podobna zarówno do zbrojonej konstrukcji murowej, jak i żelbetowej konstrukcji szkieletowej ze ścianami wypełniającymi. Należy jednak zauważyć, że różnice między tymi technologiami są istotne pod względem kolejności budowy.

W murze zbrojonym stosuje się pionowe i poziome pręty zbrojeniowe w celu zwiększenia wytrzymałości oraz odkształcalności ścian murowanych (rys. 2a). W przypadku elementów bez pionowych drążeń stosuje się zazwyczaj zbrojenie spoin wspornych, względnie zbrojenie pionowe w wyciętych pionowych bruzdach (rys. 2b).

Rys. 2. Porównanie różnych technologii wykonania muru: a) mur zbrojony, b) elementy murowe stosowane do wykonywania muru zbrojonego pionowo i poziomo, c) mur skrępowany; 1 – pręty startowe muru skrępowanego, 2 – pręty zbrojenia rdzenia żelbetowego, 3 – mur, 4 – elementy murowe do wykonywania muru ze zbrojeniem pionowym, 5 – pionowe zbrojenie muru, 6 – poziome zbrojenie muru

Kiedy elementy murowe mają pionowe drążenia, dąży się do takiego układu, aby możliwe było ukształtowanie pionowego rdzenia. W rdzeniach umieszczane są pionowe pręty zbrojeniowe, które następnie wypełnia się betonem, zapewniając odpowiednie zakotwienie i ochronę przed korozją. Rdzenie kształtuje się w narożach i skrzyżowaniach ścian, wokół otworów oraz w innych lokalizacjach podatnych na zarysowania. Zbrojenie poziome najczęściej w formie pojedynczych prętów lub zbrojenia strukturalnego (np. prefabrykowanych kratowniczek, siatek lub drabinek) lokalizuje się w spoinach wspornych i kotwi na końcach w rdzeniach. Wykonanie zbrojonego muru wymaga dość dużych umiejętności praktycznych oraz prowadzenia kontroli na różnych etapach budowy. Na przykład pionowe zbrojenie ścian umieszczane w pionowo drążonych elementach murowych musi być uciąglone od fundamentu aż do poziomu najwyższego wieńca i musi być połączone na zakład do „prętów startowych” wyprowadzonych z fundamentu (wieńca cokołowego lub wieńców pośrednich). Po wykonaniu wszystkich warstw elementów murowych i umieszczeniu w spoinach wspornych zbrojenia puste obszary wypełnia się betonem, kształtując rdzenie. Z powodu niewielkich rozmiarów rdzeni konieczne jest układanie mieszanki pod ciśnieniem. Najczęściej popełnianym błędem jest wypełnianie rdzenia równolegle ze wznoszeniem kolejnych warstw muru. W efekcie uzyskuje się dużo przerw roboczych, które znacznie ograniczają odporność ściany ze względu na wstrząsy, zginanie i ścinanie.

W murze skrępowanym (rys. 2c) zbrojenie jest skoncentrowane w pionowych i poziomych elementach żelbetowych, a mur zazwyczaj pozbawiony jest zbrojenia. Wykonanie muru skrępowanego jest dużo łatwiejsze i nie powoduje błędów wykonawczych. Po pierwsze zbrojenie skoncentrowane jest tylko w elementach żelbetowych – pionowych rdzeniach, ryglach i wieńcach. Po drugie, po wykonaniu muru osadza się zbrojenie, które jest łatwo dostępne do kontroli i odbioru. Po trzecie, najczęściej oddzielnie betonuje się rdzenie, a następnie wieńce ze stropami. Jeżeli zbrojenie wieńców oraz zbrojenie stropów (lub prefabrykatów stropowych) na to pozwala, to betonowanie rdzeni i wieńców można wykonać w jednym cyklu bez przerw roboczych. Technologia wykonania konstrukcji żelbetowej muru skrępowanego ogranicza liczbę przerw roboczych, zwiększając odporność na zginanie i ścinanie. Podobnie jak w murach zbrojonych ciągłość zbrojenia pionowego wymaga zastosowania prętów startowych połączonych z właściwym zbrojeniem rdzenia (rys. 2c).

Porównanie muru skrępowanego z murem wypełniającym szkielet

Wygląd muru skrępowanego i muru wypełniającego szkielet jest bardzo podobny, jednak te dwa systemy konstrukcyjne różnią się zasadniczo – rys. 3.

Rys. 3. Porównanie technologii wykonania i modeli pracy muru wypełniającego szkielet z murem skrępowanym: a) ściana wypełniająca szkielet, b) mur skrępowany

Główne rozbieżności dotyczą:

a) konstrukcji i kolejności realizacji,

b) interakcji między murem a elementami żelbetowymi i przejmowaniu obciążeń.

W przypadku konstrukcji i kolejności realizacji występują następujące różnice:

• w żelbetowej konstrukcji szkieletowej wypełnionej ścianami murowanymi (rys. 3a) najpierw konstruowana jest rama, a następnie konstrukcja ściany murowanej;
• w przypadku konstrukcji murowanych skrępowanych (rys. 3b) najpierw budowane są ściany murowane, kondygnacja po kondygnacji, a następnie betonowane są rdzenie żelbetowe. Na zakończenie na ścianach budowane są rygle, wieńce i stropy.

W przypadku interakcji między murem a elementami żelbetowymi i przejmowaniu obciążeń różnice wynikają z następujących powodów:

• Ze względu na mniejsze wymiary poprzecznych przekrojów rdzeni żelbetowych i większą smukłość oraz położenie przerw roboczych (przegubowe połączenie rdzeni z wieńcami) nad i pod wieńcem w murach skrępowanych nie występuje praca ramowa, a sztywność wypełnienia jest większa od sztywności elementów żelbetowych. W przypadku konstrukcji szkieletowej występuje odwrotna sytuacja. Elementy żelbetowe mają zdecydowanie większe wymiary, a zbrojenie dostosowane jest do przejęcia momentów zginających jak w klasycznej ramie. Dzięki temu sztywność szkieletu jest zdecydowanie większa od murowego wypełnienia.
• W murach skrępowanych rdzenie są najczęściej betonowane na chropowatej powierzchni muru (ze strzępiami zazębiającymi się), dzięki czemu są zespolone ze ścianą murowaną od chwili wzniesienia. W murach wypełniających szkielet współpraca z żelbetowymi elementami występuje lokalnie w obrębie naroży. Szkielet najczęściej się łączy ze ścianami wypełniającymi za pomocą łączników ściennych wzdłuż pionowych i poziomych krawędzi [5].
• Pionowe obciążenia w murach skrępowanych są w większości przejmowane przez ściany. W murach wypełniających szkielet ściany przejmują głównie ciężar własny, a ze względu na znaczną sztywność ramy i celowe oddylatowanie muru obciążenia ze stropów nie są przekazywane na wypełnienie murowe.
• Pod wpływem obciążeń ścinających (wiatr, obciążenia sejsmiczne) ściany w murach skrępowanych pracują jak niezbrojone lub zbrojone ściany usztywniające (występuje interakcja V–N). Obrazy zarysowań tego typu konstrukcji poddanych poziomemu ścinaniu nie odbiegają od zarysowania typowych ścian niezbrojonych [6]. Zastosowanie skrępowania tylko w niewielkim stopniu ogranicza chwilę zarysowania, a nośności na ścinanie ścian skrępowanych są zbliżone do nośności ścian zbrojonych w spoinach wspornych [7]. Z kolei ściany wypełniające szkielet nie zachowują się jak klasyczne ściany usztywniające – pracują jak krzyżulce. Celowe oddylatowanie muru od konstrukcji żelbetowej znacząco minimalizuje zdolność ścian do przejmowania obciążeń o charakterze sejsmicznym.
• Działające prostopadle do płaszczyzny ściany obciążenia (spowodowane wiatrem, wpływami sejsmicznymi lub obciążeniami eksploatacyjnymi) wywołują zginanie muru z płaszczyzny. W murach wypełniających ścianę traktuje się jak płytę swobodnie podpartą (za pomocą łączników) wzdłuż krawędzi. W przypadku murów skrępowanych dzięki monolitycznemu zespoleniu muru z betonem uzyskuje się utwierdzenie wzdłuż krawędzi i zwiększenie nośności na zginanie. Brak sztywnych stropów może upodobnić ścianę skrępowaną do płyty opartej na trzech krawędziach.

W dalszej części artykułu:

>> Ustalenia normowe

>> Mury skrępowane – wady i zalety

>> Podstawowe błędy wykonawcze i projektowe

dr hab. inż. Radosław Jasiński, prof. PŚ, Wydział Budownictwa, Politechnika Śląska

mgr inż. Krzysztof Grzyb, Wydział Budownictwa, Politechnika Śląska

Literatura

1. W. Danilecki, Konstrukcje zespolone, Budownictwo i Architektura, Warszawa 1954.
2. S. Janicki, J. Sikorski, Wymiarowanie konstrukcji murowych i zespolonych, Arkady, Warszawa 1974.
3. S. Brzev, Earthquake-Resistant Confined Masonry Construction, National Information Center for Earthquake Engineering, Kanpur, India, 2008.
4. T. Boen, Constructing Seismic Resistant Masonry Houses, Third Edition, United Nations Center for Regional Development, Disaster Management Planning Hyogo Office, 2009.
5. R. Jasiński, I. Galman, Zagadnienia projektowe, konstrukcyjne i badawcze zginanych i ścinanych murowych ścian wypełniających szkielet, XXXIV Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 5–8 marca 2019 r., tom II.
6. R. Jasiński, T. Gąsiorowski, Morfologia zarysowań ścian skrępowanych ścinanych poziomo, „Materiały Budowlane” nr 4/2019, vol. 560.
7. M. Astroza, F. Cabezas, M. Moroni, L. Massone, S. Ruiz, E. Parra, F. Cordero, A. Mottadelli, Intensidades Sismicas en el Area de Daños del Terremoto del 27 de Febrero de 2010, Universidad de Chile, Santiago.

Sprawdź: Produkty budowlane