Badania przeprowadzone na Politechnice Śląskiej doprowadziły do zmiany wartości współczynnika K we wzorze potęgowym do obliczania charakterystycznej wytrzymałości na ściskanie muru z elementów silikatowych, co ma istotne znaczenie praktyczne.
W 2009 r. w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej podjęto kompleksowe badania murów z elementów silikatowych. Zasadniczym celem tych badań było uzyskanie wyników pozwalających na wprowadzenie stosownych korekt lub uzupełnień w załączniku krajowym do Eurokodu 6. Sformułowano obszerny program badań obejmujący analizy murów wykonanych z elementów murowych produkowanych przez różnych producentów, tak aby uzyskane wyniki mogły być reprezentatywne w skali kraju. W artykule są omówione wyniki badań wytrzymałości muru na ściskanie, które były podstawą korekty współczynnika K zamieszczonego w załączniku krajowym do normy [1]. Przedstawiono również praktyczne znaczenie zmiany współczynnika K.
Materiały stosowane w badaniach
Elementy murowe
Do badań wykorzystano 14 typów elementów murowych dostarczonych przez 12 producentów. Zestawienie tych elementów zamieszczono w tabl. 1. Z każdej dostarczonej partii materiału pobierano losowo serie po sześć elementów murowych i poddano badaniu na ściskanie zgodnie z normą [2].
Tabl. 1 Elementy murowe wykorzystane w badaniach
Elementy murowe przygotowano zgodnie z zaleceniami [2] i poddano badaniu, wyznaczając m.in. wytrzymałość na ściskanie. Następnie na podstawie wyników badań określono znormalizowaną wytrzymałość na ściskanie zgodnie z załącznikiem A do normy [2]. Po obliczeniu znormalizowanej wytrzymałości na ściskanie, na podstawie załącznika D do normy [3], przeprowadzono klasyfikację badanych silikatowych elementów murowych i dla każdej serii określono klasę wytrzymałości na ściskanie. Uzyskane na podstawie badań znormalizowane wytrzymałości i klasy wytrzymałości podano w tabl. 2. Dostarczone elementy murowe zostały zakwalifikowane do klas 15, 20 i 25.
Tabl. 2 Wytrzymałość znormalizowana i klasa wytrzymałości na ściskanie
|
Nr
|
Wymiary
|
Wytrzymałość średnia
|
Współczynnik kształtu δ
|
Znormalizowana wytrzymałość
|
Klasa
|
|
I
|
245×180×220
|
14,1
|
1,23
|
17,3
|
15
|
|
II
|
185×180×220
|
20,4
|
1,23
|
25,1
|
25
|
|
III
|
213×180×220
|
19,7
|
1,23
|
24,2
|
20
|
|
IV
|
244×180×240
|
14,5
|
1,13
|
16,4
|
15
|
|
V
|
185×180×220
|
22,0
|
1,23
|
27,1
|
25
|
|
VI
|
185×180×220
|
15,0
|
1,23
|
18,5
|
15
|
|
VII
|
263×180×199
|
12,8
|
1,19
|
15,2
|
15
|
|
VIII
|
190×250×220
|
18,1
|
1,12
|
20,3
|
20
|
|
IX
|
210×180×220
|
22,9
|
1,23
|
28,2
|
25
|
|
X
|
190×250 ×220
|
16,7
|
1,12
|
18,7
|
15
|
|
XI
|
246×180×220
|
17,7
|
1,23
|
21,8
|
20
|
|
XII
|
295×180×185
|
15,3
|
1,15
|
17,6
|
15
|
|
XIII
|
200×240×220
|
13,7
|
1,13
|
15,5
|
15
|
|
XIV
|
455×180×220
|
18,0
|
1,23
|
22,1
|
20
|
Zaprawa
W badaniach stosowano zaprawę murarską do cienkich spoin Calduran Dünnbettmörtell produkcji holenderskiej (dostarczoną przez producentów elementów murowych). Zaprawa ta jest przeznaczona do stosowania przy murowaniu nośnych i nienośnych ścian z silikatowych elementów murowych.
Badania laboratoryjne zaprawy przeprowadzono zgodnie z normą [4] na próbkach prostopadłościennych o wymiarach 40×40×160 mm. Zaprawę do badań pobierano w dwóch terminach (listopad 2009 r. i marzec 2010 r.) podczas murowania elementów próbnych do określania wytrzymałości na ściskanie muru. Uzyskane wyniki badań wytrzymałości zaprawy na zginanie i ściskanie zestawiono w tabl. 3. Na podstawie badań zaprawę zakwalifikowano do klasy wytrzymałościowej M15.
Tabl. 3 Wyniki badań prostopadłościennych próbek zaprawy
|
Wytrzymałość na rozciąganie
|
Wytrzymałość na ściskanie
|
||
|
fmt,mv [MPa]
|
s [MPa]
|
fm,mv [MPa]
|
s [MPa]
|
|
4,08
|
0,66
|
18,4
|
0,54
|
|
4,29
|
0,19
|
18,0
|
0,52
|
Wyniki badań
Badania wytrzymałości muru na ściskanie prowadzono zgodnie z normą [5] i na jej podstawie ustalono wymiary elementów próbnych. Wykorzystane w badaniach modele miały szerokość dwóch elementów murowych, wysokość trzech elementów i wznoszone były na spoinie cienkowarstwowej. Ze wszystkich typów elementów murowych wykonano po trzy modele, uzyskując w ten sposób 14 serii po trzy elementy badawcze. Jedynie z elementów murowych nr X wykonano dwa elementy badawcze. Łącznie badaniom poddano zatem 41 modeli badawczych. Serie badawcze oznaczono literą C, i liczbą rzymską odpowiadającą numerowi elementu murowego. Szczegółowy opis procedury badań i uzyskanych wyników opublikowano w pracach [6, 7].
W ramach każdej badanej serii określono charakterystyczną wytrzymałość muru na ściskanie zgodnie z normą [5]. Uzyskane wartości charakterystycznej wytrzymałości na ściskanie fk zamieszczono w tabl. 4 i pokazano dodatkowo na wykresie na rys. 1.
Tabl. 4 Charakterystyczna wytrzymałość muru na ściskanie
|
Nr serii
|
fk, N/mm2
|
|
CI
|
7,38
|
|
CII
|
13,68
|
|
CIII
|
9,80
|
|
CIV
|
8,71
|
|
CV
|
10,30
|
|
CVI
|
10,49
|
|
CVII
|
9,42
|
|
CVIII
|
9,63
|
|
CIX
|
10,45
|
|
CX
|
9,34
|
|
CXI
|
9,41
|
|
CXII
|
9,07
|
|
CXIII
|
8,40
|
|
CXIV
|
8,44
|
Rys. 1 Charakterystyczne wytrzymałości murów na ściskanie
Załącznik krajowy do normy [1] charakterystyczną wytrzymałość na ściskanie muru ze spoinami cienkimi, wykonanego z elementów murowych silikatowych, pozwala wyznaczać ze wzoru:
gdzie:
fb – znormalizowana średnia wytrzymałość elementu murowego na ściskanie,
K – współczynnik (wartość stała).
W załączniku krajowym do [1] w tabl. NA.5 zdefiniowano wartości współczynnika K w zależności od rodzaju elementów murowych oraz rodzaju zaprawy stosowanej do wznoszenia muru. Mury z elementów silikatowych grupy 1, wykonane na zaprawie do cienkich spoin, miały współczynnik K równy 0,55. 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 rys. 2. Z wykresu wynika, że w Polsce charakterystyczna wytrzymałość murów z elementów silikatowych określana według PN-EN 1996-1-1:2010 [1] jest najniższa.
Tabl. 5 Wartości współczynnika K uzyskane z badań
|
Nr serii
|
K
|
|
CI
|
0,65
|
|
CII
|
0,88
|
|
CIII
|
0,65
|
|
CIV
|
0,81
|
|
CV
|
0,62
|
|
CVI
|
0,88
|
|
CVII
|
0,93
|
|
CVIII
|
0,74
|
|
CIX
|
0,61
|
|
CX
|
0,78
|
|
CXI
|
0,69
|
|
CXII
|
0,79
|
|
CXIII
|
0,82
|
|
CXIV
|
0,61
|
Na podstawie wyników badań obliczono współczynnik K, przekształcając wzór. Wartości współczynnika K podano w tabl. 5 i pokazano dodatkowo na wykresie na rys. 3, na którym czerwoną linią zaznaczono normową wartość współczynnika K. Minimalna wartość współczynnika K wyniosła 0,61, maksymalna – 0,93, a wartość średnia K z badań to 0,75. Wszystkie te wartości są większe od wartości podanej w tabl. NA.5 załącznika krajowego do PN-EN 1996-1-1:2010 [1] (K = 0,55). Przeprowadzone badania wykazały zatem, że istnieje możliwość zwiększenia współczynnika K przynajmniej do 0,6. Zwiększenie współczynnika K murów z elementów silikatowych (nawet do 0,7) postulowano już w raporcie [8].
Rys. 2 Charakterystyczne wytrzymałości murów na ściskanie wg załączników krajowych
wybranych państw UE
Rys. 3 Wartości współczynnika K uzyskane z badań
Zmiana współczynnika K
W grudniu 2013 r. Stowarzyszenie Producentów Białych Materiałów Ściennych „Białe Murowanie” wystąpiło do przewodniczącego Komitetu Technicznego 252 PKN dr. inż. Romana Gajownika z wnioskiem o zwiększenie współczynnika K do 0,6 na podstawie wyników prezentowanych wyżej badań. We wrześniu 2014 r. w poprawce Ap2 do EC-6 (PN-EN 1996-1-1+A1:2013-05/PA2) zmieniono współczynnik K na 0,6.Po zwiększeniu tego współczynnika uzyskane wartości charakterystycznej wytrzymałości na ściskanie muru są w dalszym ciągu jednymi z najniższych w UE (rys. 4). Na więcej nie pozwalają niestety wyniki badań.
Rys. 4 Charakterystyczne wytrzymałości murów na ściskanie wg załączników krajowych
wybranych państw UE (Polska po zwiększeniu współczynnika K)
Przy projektowaniu i sprawdzaniu warunków ULS (stanów granicznych nośności) konstrukcji murowych istotna jest obliczeniowa wytrzymałość muru na ściskanie. Zależy ona od współczynnika bezpieczeństwa gM, przyjmowanego w załącznikach krajowych do [1] w zależności od kategorii elementów murowych, rodzaju zaprawy i klasy wykonania muru. Wartości gMw polskim załączniku krajowym mieszczą się w przedziale od 1,7 do 2,5. Na rys. 5 i 6 pokazano porównanie obliczeniowych wytrzymałości przy przyjęciu minimalnych i maksymalnych wartości gMdopuszczanych w załącznikach krajowych wybranych państw UE. Na rysunkach zaznaczono wartości wytrzymałości obliczone na podstawie obowiązującego polskiego załącznika krajowego oraz wytrzymałości określone z uwzględnieniem propozycji zmiany współczynnika K.
Z wykresów na rys. 5 i 6 widać, że wytrzymałość obliczeniowa określona na podstawie załącznika krajowego jest, podobnie jak charakterystyczna, jedną z najniższych w UE. Po zmianie wartości K na 0,6, przy przyjęciu najmniejszego współczynnika bezpieczeństwa gM, krajowa wytrzymałość obliczeniowa jest już jednak zbliżona do wytrzymałości obliczeniowej przyjętej w Wielkiej Brytanii, natomiast przy przyjęciu największego współczynnika bezpieczeństwa gM– do wytrzymałości obliczeniowej przyjętej we Francji.
Rys. 5 Obliczeniowe wytrzymałości murów na ściskanie wg załączników krajowych wybranych państw UE przy przyjęciu najmniejszego współczynnika bezpieczeństwa γM
Rys. 6 Obliczeniowe wytrzymałości murów na ściskanie wg załączników krajowych wybranych państw UE przy przyjęciu największego współczynnika bezpieczeństwa γM
Praktyczne znaczenie zmiany współczynnika K
Wytrzymałości charakterystyczne i obliczeniowe murów z elementów silikatowych grupy I na cienkich spoinach określone według polskiego załącznika krajowego do normy PN-EN 1996-1-1:2010 [1] były dotychczas jednymi z najniższych w Europie. Przeprowadzone badania wykazały, że współczynnik K, od którego zależą te wytrzymałości, można zwiększyć. Po zwiększeniu współczynnika K uzyskane wytrzymałości obliczeniowe są już podobne do najniższych stosowanych w UE. Co ważniejsze, wytrzymałości charakterystyczne obliczone na podstawie zmienionej wartości współczynnika K lepiej korespondują z wynikami badań i stanowią ich dolną obwiednię.
W praktyce zwiększenie wartości współczynnika K powoduje wzrost nośności murów o 5%. W zależności od geometrii konstrukcji może to oznaczać możliwość wybudowania budynku wyższego nawet o jedną kondygnację. Częściej jednak większa nośność będzie wykorzystywana przy obliczeniowym sprawdzaniu filarków międzyokiennych i murowanych słupów[9]. Są to bowiem najbardziej wytężone elementy każdego budynku.
dr hab. inż. Łukasz Drobiec
Politechnika Śląska
Katedra Konstrukcji Budowlanych
Literatura
1. PN-EN 1996-1-1:2010 Eurokod 6. Projektowanie konstrukcji murowych. Część 1-1: Reguły ogólne dla zbrojonych i niezbrojonych konstrukcji murowych.
2. PN-EN 772-1:2001/Ap1:2002 Metody badań elementów murowych. Część 1: Określenie wytrzymałości na ściskanie.
3. PN-EN 771-2:2006 Wymagania dotyczące elementów murowych. Część 2: Elementy murowe silikatowe.
4. PN-EN 1015-11:2001 Metody badań zapraw do murów. Część 11: Określenie wytrzymałości na zginanie i ściskanie stwardniałej zaprawy.
5. PN-EN 1052-1:2000 Metody badań murów. Określenie wytrzymałości na ściskanie.
6. Ł. Drobiec, R. Jasiński, A. Piekarczyk, Compressive strength of thin layer mortar bed joints masonry made of polish calcium silicate units, 15th International Brick and Block Masonry Conference, Florianópolis, Brazil, June 3th to 6th 2012.
7. Ł. Drobiec, R. Jasiński, A. Piekarczyk, Właściwości murów z elementów silikatowych produkowanych w Polsce, część I, Wytrzymałość muru na ściskanie, „Przegląd Budowlany” nr 2/2013, s. 26–33.
8. R. Jarmontowicz, Analiza wyników badań wytrzymałościowych konstrukcji murowych z elementów ceramicznych i silikatowych, Związek Pracodawców Ceramiki Budowlanej i Silikatów, przekazane na prawach rękopisu.
9. Ł. Drobiec, R. Jasiński, A. Piekarczyk, Konstrukcje murowe według Eurokodu 6 i norm związanych, tom 1, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013.
