ŁĄCZENIE ŚCIAN – część 2.

Tematyka połączeń ścian jest zagadnieniem mało rozpoznanym. Niewiele prowadzi się doświadczalnych badań w tym temacie, a ich wyniki trudno ze sobą porównać z uwagi na brak jednolitych schematów i procedur badawczych. Dlatego postanowiono przeprowadzić badania własne połączeń ścian, wykonanych z najpopularniejszego materiału, jakim są bloczki z betonu komórkowego, przy użyciu stalowych łączników.

dr hab. inż. Radosław Jasiński, prof. PŚ
ORCID – 0000-0003-4015-4971
Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa
Katedra Konstrukcji Budowlanych

dr inż. Iwona Galman
ORCID – 0000-0002-0196-6478
Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa
Katedra Inżynierii Budowlanej

W pracy [1] przedstawiono pilotażowe badania własne ścinanych połączeń murowych. Były to pierwsze tego typu doświadczenia w Polsce i jedne z pierwszych w Europie. Porównano zachowanie się trzech typów połączeń ścian: w postaci klasycznego przewiązania murarskiego, za pośrednictwem stalowych kątowników, a także stalowych płaskowników otworowanych dwuramiennych. Schemat statycznych badań modeli i widok stanowiska badawczego pokazano na rys. 1.

Proces destrukcji oraz rozwój zarysowań w murze połączonym przewiązaniem klasycznym przebiegał etapowo i dość łagodnie. Przed zniszczeniem pojawiły się wyraźne zarysowania muru w obrębie połączenia. Oprócz zdecydowanie mniejszej nośności połączeń także proces zarysowania i zniszczenia modeli ze stalowymi łącznikami był zupełnie inny. Nie wystąpiły, poprzedzające zniszczenie, zarysowania muru, ale gwałtownie narosły przemieszczenia ze spadkiem obciążeń. Klasyczne przewiązanie murarskie miało ponad pięciokrotnie większą nośność niż modele ze stalowymi kątownikami. Nośność połączenia ze stalowymi płaskownikami była niemal dwukrotnie większa.

Uzyskane rezultaty badań zachęcają do dalszego prowadzenia analiz w zakresie uszczegółowienia pracy połączenia, a także zastosowania nowych metod konstruowania połączeń – przy pomocy innych łączników, użycia większej liczby stalowych elementów w danej spoinie oraz optymalizacji kształtu stalowych płaskowników. Przeprowadzone pilotażowe badania uwypukliły również niedoskonałości w kształcie samych elementów badawczych i techniki badań. Niesymetryczne obrazy zniszczenia dwóch jednakowych połączeń nie pozwoliły rozeznać pracy pojedynczego połączenia. Mimo przyłożenia skupionych sił blisko płaszczyzny połączenia wystąpiły także rysy w dolnej strefie ściany środnika, świadczące o zginaniu tego fragmentu modelu, co niewątpliwie komplikuje dalsze analizy. Kolejnym niepokojącym zjawiskiem zaobserwowanym w czasie badań było zróżnicowanie deformacji łączników stalowych zależnie od położenia spoiny względem obciążanej krawędzi ściany środnika, świadczące o niejednorodnej pracy połączenia. Dlatego też w badaniach zasadniczych postanowiono zmienić kształt samych elementów badawczych oraz sposób przyłożenia obciążenia.

Technika
Aby uniknąć wspomnianych niedoskonałości, zadecydowano, że w badaniach zasadniczych zmianie ulegnie kształt modelu badawczego oraz stanowisko badawcze.

Badania prowadzone były na specjalnie do tego celu skonstruowanym stanowisku badawczym składającym się ze stalowej ramy oraz poziomych elementów krępujących. Siłę powodującą ścinanie połączenia wywoływano hydraulicznym siłownikiem o zakresie 1000 kN, a rejestracji dokonywano przy użyciu siłomierza o zakresie 250 kN. Modele obciążano w jednym cyklu aż do zniszczenia, przykładając siłę z szybkością 0,1 kN/s. Pionowe obciążenie generujące ścinanie przekazywane było liniowo na całej wysokości muru, pozwalając na uzyskanie równomierności naprężeń ścinających w połączeniu. Schemat statycznych badań modeli i widok stanowiska badawczego pokazano na rys. 2. W trakcie badań dokonywano ciągłej rejestracji obciążenia oraz przemieszczeń ściany obciążonej względem ściany nieobciążonej. Rejestracja zmian odbywała się za pomocą dwóch niezależnych systemów. Jedna ze stron modelu badawczego była monitorowana przy użyciu optycznego rejestratora przemieszczeń ARAMIS. Druga strona była monitorowana za pomocą trzech indukcyjnych przetworników przemieszczeń typu PJX-10, o zakresie 10 mm i dokładności wskazań 0,002 mm.

Modele badawcze
Badania przeprowadzono na modelach wykonanych z elementów murowych z ABK na zaprawie systemowej do spoin cienkowarstwowych, bez wypełniania spoin czołowych. Określona według normy PN-EN 1052-1:2000 I i przedstawiona w pracy [2] wytrzymałość na ściskanie muru wynosiła fc = 2 ,97 N /mm2, moduł sprężystości wynosił Em = 2 040 N /mm2, z kolei wytrzymałość na ścinanie, wyznaczona według normy PN-EN 1052-3:2004 i zaprezentowana w pracy [3], była równa fvo= 0,31 N/mm2, a moduł Kirchoffa, określony według normy ASTM E519-81 i przedstawiony w pracy [4], miał wartość G = 329 N/mm2.

Wykonano i zbadano trzy serie po trzy modele o identycznych kształtach oraz wymiarach. Modele były monosymetryczne w kształcie litery T, w których środnik oraz półka miały po ~89 cm długości. Pomiędzy ścianą obciążoną a nieobciążoną wykształtowano pionowe połączenie, którego konstrukcję celowo zróżnicowano. W serii modeli badawczych oznaczonych umownie jako P między półką a środnikiem wykonano klasyczne połączenie murarskie (rys. 3a). Elementy te traktowano jako modele referencyjne, których parametry mechaniczne i zachowanie się podczas obciążenia oraz zniszczenia było porównywane z wynikami pozostałych badań. W kolejnych dwóch seriach murów (geometria wg rys. 3b) połączenie pomiędzy ścianami było uzyskane za pomocą stalowych łączników, bez wiązania elementów murowych. W elementach typu B połączenie zostało ukształtowane za pomocą zatopienia w spoinach poziomych pojedynczych płaskowników otworowanych (rys. 3c). W modelach oznaczonych jako F zastosowano stalowe pręty ø10 o długości 36 cm zakotwione w każdej warstwie elementów drobnowymiarowych (rys. 3d). Pręty były wkładane we wcześniej wywiercone otwory przechodzące przez całą grubość muru półki i zakotwione na 18 cm w ścianie środnika. Dodatkowo pręty w otworze były stabilizowane na piance poliuretanowej. Nazwy elementów wraz z kształtami łączników zestawiono w tabeli 1.

Zarysowania i zniszczenia
Charakter i morfologia zarysowań zależały od sposobu ukształtowania połączenia. Pierwsze widoczne zarysowanie w murze referencyjnym pojawiło się przy około 70% wartości siły niszczącej – rys. 4a. Powstałe zarysowania systematycznie zwiększały swoją rozwartość. Niszcząca rysa przebiegała przez spoinę pionową oraz przecinała bloczek betonowy (rys. 4b).

W modelach, w których połączenie zostało uzyskane za pomocą elementów stalowych (seria B i F), nie obserwowano rozwoju zarysowań i uszkodzeń muru. Zniszczenie miało charakter gwałtowny, polegało na ścięciu połączenia i wyraźnym pionowym przemieszczeniu (o około 17 mm) ściany środnika – rys. 5a, która osiadła na drewnianym zabezpieczeniu. Zniszczenie modeli z serii B, z otworowanymi płaskownikami, nastąpiło w wyniku uplastycznienia, wygięcia stalowych płaskowników w obrębie styku (rys. 5b). Za sprawą otworów w płaskowniku nie doszło do poślizgu łącznika w zaprawie spoin wspornych. Zaprawa przenikająca przez otwory nie została ścięta, a zadziałała jak dybel, eliminując przesuw. Mury serii F, podobnie jak mury serii B, ulegały zniszczeniu w wyniku przemieszczenia ściany obciążonej względem nieobciążonej. Jednak w tym przypadku nie dochodziło do uplastycznienia elementu stalowego. Pod wpływem siły ścinającej stalowy pręt wbijał się w betonowy bloczek (rys. 5c).

Rezultaty badań
Pierwsze widoczne rysy w murach referencyjnych (P) pojawiły sie przy sile równej 27– 43 kN. Zniszczenie miało miejsce przy obciążeniu wartości 39–56 kN. Prawie trzykrotnie mniejsze obciążenia były zdolne przejąć modele z łącznikami w postaci otworowanych płaskowników (12–24 kN) (B). Porównując wartości siły niszczącej połączenia referencyjnego z połączeniem na stalowy pręt, zaobserwowano prawie dwukrotnie większą nośność na korzyść klasycznego przewiązania.  Zestawienie wyników w postaci sił oraz przemieszczeń zarejestrowanych w chwili zarysowania i zniszczenia zamieszczono w tabeli 2. Podano również sztywności połączenia zdefiniowane jako iloraz obciążenia przypadającego na połączenie oraz odpowiadającego przemieszczenia.

Oprócz wartości sił powodujących zarysowania i zniszczenia istotnym parametrem charakteryzującym każde połączenie jest sztywność. Jej znajomość pozwala wyznaczyć wzajemne przemieszczenia połączonych ze sobą ścian przy znanych obciążeniach, a także wartość obciążenia przy znanych wzajemnych przemieszczeniach. Największą sprężystą sztywnością charakteryzowały się modele z klasycznymi wiązaniami murarskimi. Z kolei sztywność modeli z perforowanymi płaskownikami była niemal dwukrotnie mniejsza, a sztywność modeli ze stalowym prętem była o około 50% mniejsza. Na rys. 6. zamieszczono przebieg zależności siła – średnie przemieszczenie względne ściany obciążonej i nieobciążonej wszystkich zbadanych elementów próbnych.

Otrzymana w badaniach zależność obciążenie – przemieszczenie modelu z klasycznym przewiązaniem murarskim obrazuje wieloetapowość pracy połączenia. Do chwili zarysowania przemieszczenia narastały proporcjonalnie do obciążenia, a więc występowała sprężysta praca połączenia. Po zarysowaniu zaobserwowano niewielkie załamanie wykresu, ale w dalszym ciągu przemieszczenia narastały niemal proporcjonalnie do obciążeń (wyjątek: model badawczy P_3). W chwili poprzedzającej zniszczenie wystąpił gwałtowny przyrost przemieszczeń przy nieznacznym wzroście pionowych obciążeń. W modelach z perforowanymi płaskownikami zakres sprężystej pracy modelu był niezauważalny. Niemal w całym zakresie obciążenia przemieszczenia narastały nieproporcjonalnie. Zależność obciążenie – przemieszczenie modeli ze stalowym prętem w początkowej fazie badania była liniowa. Po przekroczeniu siły powodującej wbijanie się elementu stalowego w miękkie bloczki z ABK zaobserwowano nagły wzrost przemieszczeń przy nieznacznym wzroście siły obciążającej.

Rys. 6. Zależność całkowita siła – średnie względne przemieszczenie styku

Wnioski i dalsze kierunki
Zaprezentowane wyniki stanowią fragment badań obecnie prowadzonych w Laboratorium Wydziału Budownictwa Politechniki Śląskiej, dotyczących połączeń ścian wykonywanych z autoklawizowanego betonu komórkowego. Tu zaprezentowano zaledwie trzy typy połączeń ścian: w postaci klasycznego przewiązania murarskiego, za pośrednictwem stalowych płaskowników otworowanych oraz prętów stalowych. Proces destrukcji oraz rozwój zarysowań w murze połączonym przewiązaniem klasycznym przebiegał etapowo i dość łagodnie. Przed zniszczeniem pojawiły się wyraźne zarysowania muru w obrębie połączenia. Oprócz zdecydowanie mniejszej nośności połączeń także proces zarysowania i zniszczenia modeli ze stalowymi elementami był zupełnie inny. Nie wystąpiły poprzedzające zniszczenie zarysowania muru, ale gwałtownie narosły przemieszczenia ze spadkiem obciążeń.

W trakcie oraz w planach jest przebadanie połączeń z wykorzystaniem najpopularniejszych dostępnych na rynku łączników, a także różnego rodzaju siatek, mat oraz innych elementów, które w sposób prosty i skuteczny łączyłyby ze sobą ściany. Ponadto planuje się zaprojektowanie autorskiego stalowego łącznika o kształcie zoptymalizowanym pod względem nośności oraz sztywności. Oprócz tego zamierza się wykonać „bliźniacze” serie modeli połączeń ścian ze szkieletem żelbetowym i stalowym. Osobnym zagadnieniem, które zostanie zrealizowane, będzie problem połączeń ścian w przypadku nierównomiernych obciążeń części współpracujących ściany konstrukcyjnej. Bardziej zaawansowane rozważania dotyczące pracy połączeń czytelnik może znaleźć publikacji [5], w której podano pewne empiryczne zależności umożliwiające wyznaczenie sztywności oraz sił rysujących i niszczących ścinane połączenie.

Autorzy wyrażają szczególne podziękowania dla firmy Solbet Sp. z o.o. i firmy NOVA Sp. z o.o. za cenne merytoryczne wskazówki oraz dostarczenie elementów murowych, zaprawy i łączników wykorzystanych do wykonania modeli badawczych oraz przeprowadzenia badań.

DOI: 10.5604/01.3001.0013.2440

Bibliografia części 2.
1. Galman I., Jasiński R. (2017), Badanie połączeń ścian
murowych, „Materiały Budowlane” Nr 10, str. 94–96.
DOI: 10.15199/33.2017.10.32.
2. Drobiec Ł., Jasiński R. (2015), Wpływ rodzaju zaprawy
na parametry mechaniczne z ABK poddanych
ściskaniu, „Materiały Budowlane” Nr 4, str. 3–7. DOI:
10.15199/33.2015.04.02.
3. Drobiec Ł., Jasiński R. (2015), Wpływ rodzaju zaprawy
na parametry mechaniczne murów z betonu komórkowego
poddanych ścinaniu, „Materiały Budowlane”
Nr 5, str. 106–109. DOI: 10.15199/33.2015.05.44.
4. Drobiec Ł., Jasiński R. (2015), Wpływ rodzaju zaprawy
na parametry mechaniczne murów poddanych
ścinaniu – odkształcalność postaciowa, „Materiały
B udowlane” N r 7 /2015, s tr. 116–119. D OI:
10.15199/33.2015.07.32.
5. Galman I., Jasiński R. (2018), Tests of joints in AAC
masonry walls, „Architecture Civil Engineering Environment”
Vol. 11, No. 4, str. 79–92. DOI: 10.21307/
ACEE-2018- 056.

Streszczenie. W artykule zostały przedstawione
wyniki badań własnych połączeń
ścian wykonanych z autoklawizowanego betonu
komórkowego. Badania przeprowadzono
na autorskim, zmodyfikowanym stanowisku
badawczym. Łącznie przebadano trzy
serie murów po trzy elementy badawcze. Ponadto
zaprezentowano ustalenia normowe
w zakresie, jakim jest łączenie ścian murowanych,
a także przedstawiono podstawowy
dostępny na rynku asortyment służący do łączenia
ścian.
Słowa kluczowe: konstrukcje murowe, połączenia
ścian, łączniki, zbrojenie spoin wspornych

ABSTRACT: JOINTS IN WALLS
The issue of joints in masonry walls is
not well investigated. There is very little
experimental research performed on this
matter and the test results are hard to be
compared because of a lack of unifieded
testing schemes and procedures. Hence, the
authors performed own tests of joints in walls
made of the AAC – the most popular masonry
element – with the use of steel connectors.
Key words: masonry structures, wall joints,
connectors, bed joint reinforcement