Norma PN-EN 13791 Ocena wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcjach i prefabrykowanych wyrobach betonowych jest stosowana w Polsce od ponad roku. Praktyka ukazuje w szczegółach jej wady i zalety.
W porównaniu do poprzednich przepisów norma PN-EN 13791 [1] jest dokumentem bardziej uporządkowanym, co powoduje znaczne uproszczenie w jej stosowaniu. Z normą tą są ściśle związane normy dotyczące odpowiednio pobierania próbek mieszanki betonowej [2], wykonywania i pielęgnacji próbek [3] i normy określające wytrzymałość na ściskanie próbek [4]. Norma [5] podaje podstawowe zasady co do wymiarów i sposobu pobierania rdzeni betonu przez wiercenie.
Dyskusja nad tym dokumentem trwa nieprzerwanie, a jej początek miał miejsce na długo przed wprowadzeniem ich do użytku. W pierwszej kolejności należy przytoczyć opracowanie wielu autorów pod kierunkiem prof. Lecha Czarneckiego [6]. Szczegółowe omówienie i objaśnienia do normy znajdujemy także w artykule Andrzeja Moczko [7]. Także autor niniejszego opracowania wypowiadał się o stosowaniu tej normy do badań betonu ustroju nośnego mostu w [8].
Nową sytuacją jest wprowadzenie normy do użytku.
Wada ocen normowych wg PN-EN 13791
Omawiana norma [1] ma szczególnie ważne znaczenie w grupie wymienionych standardów, ponieważ wiąże ze sobą dwa sposoby wyznaczania podstawowej miary wytrzymałości betonu, tj. klasy wytrzymałości betonu. Wcześniej do oceny betonu przyjmowano równorzędnie próbki laboratoryjne i odwierty rdzeniowe, tym bardziej że wymiary próbek walcowych w obydwu przypadkach były ze sobą zbieżne. Obecnie wyraźnie rozdzielono próbki pielęgnowane w laboratorium – próbki znormalizowane – od próbek pobieranych poprzez odwiercanie z konstrukcji – rdzenie.
Nie budzi zastrzeżeń wprowadzone przez autorów normy odróżnienie spodziewanych wyników z testów na próbkach znormalizowanych. Próbki znormalizowane powinny być transportowane do laboratorium, a następnie pielęgnowane w ściśle określony sposób, tak wyznaczona wytrzymałość charakterystyczna jest oznaczana jako fck. Materiał w konstrukcji, mimo iż wykonawca będzie dążył do możliwie dobrych warunków pielęgnacji, na ogół nie wytworzy warunków zakładanych normowo dla pielęgnacji laboratoryjnej. Beton będzie wiązał i twardniał inaczej, powstały materiał będzie miał niższe wszystkie charakterystyki, w tym wytrzymałościowe. Różnica pomiędzy tymi dwoma wytrzymałościami jest w normie oszacowana na
fck/fck,is = 1/0,85 ≈ 1,18(~18%) (1)
przy czym wytrzymałość wyznaczana na pobranych rdzeniach ma oznaczenie fck,is.
Ta różnica powoduje, że podwyższa się wartości charakterystyczne z próbek rdzeniowych. W sensie przynależności do klasy wytrzymałości betonu mamy przesunięcie w górę o jeden stopień, np. jeśli wytrzymałości rdzeniowe, w MPa, wyniosłyby odpowiednio dla walców i sześcianów 20/25 (odpowiednik klasy C20/25), to po podzieleniu przez 0,85 otrzymamy 23,5/29,4, czyli klasę C25/30.
W tym miejscu należy zadać pytanie: czy zależy nam, by znać cechy betonu po 28 dniach w konstrukcji, czy też dążymy do poznania betonu jako takiego i podstawą naszego myślenia o nim jest wynik z laboratorium?
Autorzy oryginału (EN 13791) normy [1] wybrali wariant drugi, przyjmując jako wielkość odniesienia wyniki badań laboratoryjnych. Bez wątpienia mamy tu możliwość precyzyjnego i powtarzalnego w sensie empirycznym rozpoznania wytrzymałości materiału. Stąd wyniki rozpoznania wytrzymałości in situ są korygowane do rezultatów z próbek znormalizowanych. Trzeba uznać, że w powyższym trybie procedura oceny betonu jest bardziej uporządkowana i bardziej ścisła w sensie definicyjnym. W tej sytuacji zadajmy kolejne pytanie: czy są „uboczne” skutki takiego podejścia?
Niestety są i generują wyliczony powyżej błąd wynoszący ~18%. W procesie projektowania konstrukcji betonowych podstawowym parametrem projektowym jest klasa betonu. Stosowane w stanach granicznych wytrzymałości charakterystyczne i obliczeniowe są ściśle związane z założoną klasą betonu. A zatem projektant, zakładając w projektowanej konstrukcji klasę C25/30, nie dopuszcza stanu, że w rzeczywistości będzie tam beton o wytrzymałości charakterystycznej w MPa, odpowiednio na walcach i sześcianach 20/25.
Jako potencjalny argument przeciw powyższemu wywodowi przyjmijmy opcję, że wszystkie obniżenia wytrzymałości projektowych są objęte częściowymi współczynnikami bezpieczeństwa. Jeśli tak, to system częściowych współczynników bezpieczeństwa, już teraz słabo czytelny, staje się jeszcze bardziej skomplikowany interpretacyjnie, ponadto był wprowadzony nie po to, by uwzględniać inne cechy niż materiałowe i wynikające z umownych sposobów obciążania.
© Dwight Smith – Fotolia.com
W przypadku konstrukcji mostowych stosuje się przy wymiarowaniu metodę naprężeń liniowych (NL), zakładając, że jest to ujęcie sprężyste. Metoda NL daje ok. 50-procentowy zapas nośności w porównaniu do projektowania w budownictwie ogólnym, gdzie obowiązuje paraboliczna dystrybucji naprężeń normalnych w strefie ściskanej. O mosty możemy zatem być spokojni, ale potencjalne zapasy nośności przy wymiarowaniu analizą plastyczną ulegają czytelnej redukcji. Zdaniem autora wprowadzone normą [1] rozpoznanie betonu w konstrukcji nie porządkuje wielkości stosowanych podczas wymiarowania.
Ponieważ niniejsze rozważania mają schemat kolejnych pytań i prób odpowiedzi, to sformułujmy jeszcze jedno pytanie: czy w opisanej sytuacji można znaleźć dobre i proste rozwiązanie?
Jeśliby przyjąć, że interesuje nas wytrzymałość betonu w konstrukcji jako cecha podstawowa, to należy dopuścić, iż bazą do wyznaczania klasy wytrzymałości betonu jest wynik z analizy wartości wytrzymałości na próbkach rdzeniowych, czyli:
fck,is (cyl) → ?Cfck (cyl) /fck (cube) (2)
tzn. uznając konieczność korelacji pomiędzy wynikami laboratoryjnymi a in situ za pomocą faktora 0,85, wartości wytrzymałości z próbek znormalizowanych należałoby modyfikować przez pomnożenie przez 0,85 i tak zredukowane także stanowiłyby podstawę do wyznaczenia klasy wg formuły:
(fck (cyl) · 0,85)/(fck (cube) · ?0,85) →
Cfck (cyl) /fck (cube) (3)
wówczas wszystkie powyższe rozważania stają się zbyteczne. We wzorach (2) i (3) literą C oznaczono klasę wytrzymałości betonu.
Przytoczony schemat postępowania nie jest niczym nowym, a nawet odwrotnie był i jest stosowaną powszechnie procedurą na budowach, gdzie wykonuje się próbki „świadki”, które dojrzewają w warunkach istniejących na budowie. Uzyskane z nich wartości wytrzymałości są miarą wytrzymałości betonu w konstrukcji lepszą niż wynik ze ściskania próbek znormalizowanych.
Istnieje jeszcze przejściowo jeden aspekt powyższych wątpliwości interpretacyjnych klasy wytrzymałości betonu. Zarówno w zeszłym roku, jak i w ciągu najbliższych kilku lat będą realizowane projekty wykonane wg starych norm PN, w których klasa wytrzymałości betonu była definiowana inaczej niż w normach PN-EN. Inwestorzy często domagają się, aby wytrzymałości betonu w konstrukcji były wyznaczane bez dzielnika 0,85, na zasadzie przyjętych wcześniej dokumentacji technicznych. Powstaje zatem trudna sytuacja, która miała miejsce np. w przypadkach opisanych w [8] i [9].
Niniejszy wywód jest rezultatem stosowania normy [1] w praktyce, ale odpowiednie przykłady rachunków, które także były inspiracją do formułowania powyższych pytań, można znaleźć np. w [6], str. 166–167. Tam też znajdujemy komentarz cytowany tu w skrócie: nowe przepisy normowe są bardziej „tolerancyjne” przy ocenie klasy betonu w istniejących konstrukcjach. Zdaniem autora takie podejście jest spłyceniem tematu w kontekście procesów poznawczych.
Dodatkowo w literaturze polskiej, a także cytowanej w [6] literaturze zagranicznej nie podano wyjaśnienia do przyjęcia dzielnika 0,85. Z doświadczeń przeprowadzonych w Laboratorium Budownictwa PL wynika, że jest to skutek wielkości pielęgnowanych poprzez zanurzenie w wodzie powierzchni próbek betonu. Jednak badania są w toku i dopiero efekt powtarzalności rezultatów zdecyduje o pełnowartościowym wniosku.
Z normy [1] wynika jeszcze jedna silna sugestia. Nie ma tam żadnych ograniczeń co do pobierania z konstrukcji próbek walcowych o średnicach innych niż 10 cm czy ograniczeń co do badania betonu z konstrukcji dociętego do sześcianów, ale z drugiej strony wprowadzenie zapisu o równoważności wytrzymałości
fck (cyl) φ10 = fck (cube) a = 15 (4)
sprowadzi badania do badań próbek walcowych h = Ø= 10 cm. Akurat w tym przypadku można wskazać liczne pozytywy, np. osłabienie dyskusji nad krzywymi korelacji wartości wytrzymałości w funkcji wymiarów i kształtów próbek, a każdy, kto przynajmniej raz dobierał takie krzywe, na pewno doświadczył problemu decyzji przy wyborze spośród wielu możliwości, przy czym zawsze są to możliwości dobrze uzasadnione wynikami badań laboratoryjnych. Z drugiej strony prawdopodobnie zaniknie pobieranie i badanie wartościowych próbek walcowych tzw. słupowych, które wprost odpowiadają wymiarom próbek znormalizowanych cylindrycznych.
Podsumowanie
Na ogół Euronormy są u nas wprowadzane na zasadzie wiernego tłumaczenia, a podczas ich powstawania wiele lat temu polskie środowiska inżynierskie nie brały dostatecznego udziału w prowadzonych dyskusjach, stąd wynika wiele spóźnionych reakcji na zawarte w nich treści. Być może przedstawione powyżej wątpliwości są przejawem konserwatyzmu, jednak przytoczona argumentacja ma podstawy i praktyczne, i teoretyczne. Jest także próbą podjęcia szerszej dyskusji, która może potencjalnie dać odpowiedzi na sformułowane problemy.
dr Sławomir Karaś
Katedra Dróg i Mostów
Politechnika Lubelska
Piśmiennictwo
1. PN-EN 13791:2008 Ocena wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcjach i prefabrykowanych wyrobach betonowych.
2. PN-EN 12350-1 Badania mieszanki betonowej. Część 1: Pobieranie próbek.
3. PN-EN 12390-2 Badania betonu. Część 2: Wykonywanie i pielęgnacja próbek do badań wytrzymałościowych.
4. PN-EN 12390-3 Badania betonu. Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania.
5. PN-EN 12504-1 Badania betonu w konstrukcjach. Część 1: Odwierty rdzeniowe – Wycinanie, ocena i badanie wytrzymałości na ściskanie.
6. Praca zbiorowa pod kierunkiem L. Czarneckiego, Beton według normy PN-EN 206-1 – komentarz PKN, „Polski Cement”, Kraków, 2004.
7. A. Moczko, Ocena wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcjach na podstawie badania odwiertów rdzeniowych w świetle nowej normy europejskiej EN-13791:2007, http://www.polskicement.com.pl /3/1/artykuly/2008_1_50, 51,52,53,54.pdf
8. S. Karaś, R. Miśkiewicz, Badanie betonów mostowych wg PN-EN 13791, „Drogownictwo” nr 1/2011.
9. S. Karaś, S. Firlej S, Przyczyny degradacji płyt betonowych nawierzchni terminala kontenerowego, konferencja „Awarie budowlane”, 2011.
