SZACOWANIE WPŁYWU WZMOCNIEŃ TRANSWERSALNYCH ORAZ INIEKCJI NA NOŚNOŚĆ WIELOWARSTWOWYCH KONSTRUKCJI MUROWYCH
Praca dotyczy dwóch technik wzmacniania historycznych murów wielowarstwowych – iniekcji oraz połączeń transwersalnych. Omówiono materiały stosowane w obu metodach oraz proces aplikacji tychże wzmocnień. Ponieważ iniekcje są już techniką dobrze znaną przedstawiono zestaw najczęstszych błędów wykonawczych w oparciu o dotychczasowe prace, z kolei połączenia transwersalne są innowacyjne w związku z czym podano dokładny opis stosowania tego wzmocnienia. Opisano sposób działania każdej z metod w kontekście pracy statyczno-wytrzymałościowej – wskazano najczęstsze przyczyny uszkodzeń analizowanych konstrukcji, a następnie wpływ wzmocnienia na ich eliminację. Przedstawiono również ilościowe metody szacowania skuteczności omawianych metod. Podano również przykład liczbowy dla jednej z nich.
1. Wstęp
Wielowarstwowe mury historyczne – w szczególności te zbudowane z kamieni i wykazujące nieregularną teksturę, przez wiele lat pozostawały zbadane w niewielkim stopniu. Skutkowało to w słabym zrozumieniu ich zachowań statyczno-wytrzymałościowych. W takiej sytuacji wypracowanie odpowiednich metod wzmacniania było bardzo utrudnione. W ostatnich latach cykl dedykowanych programów badawczych (zarówno w laboratoriach jak i in situ) umożliwił zrozumienie zachowań statycznych (częściowo także dynamicznych) murów wielowarstwowych, a w dalszej kolejności pracę nad nowymi, efektywnymi metodami wzmacniania [1], [2], [3]. Poniżej przedstawiono możliwe sposoby oceny zarówno jakościowej jak i ilościowej dwóch technik – iniekcji oraz prętów transwersalnych. Metody te mogą być z powodzeniem łączone – ich pozytywne cechy uzupełniają się.
2. Iniekcje – opis metody
W tej metodzie materiałem wzmacniającym są mieszanki na bazie wapna, wapna hydraulicznego, cementu lub pucolany. Wprowadzane są one do wnętrza elementu murowego – w przypadku murów wielowarstwowych, do warstwy środkowej, która jest najniższej jakości.
Iniekcję można przeprowadzać pod ciśnieniem 2 – 5MPa za pośrednictwem systemu lanc umieszczanych w odwiertach, których rozstaw dobierany jest indywidualnie w zależności od rodzaju wzmacnianego przekroju. Może też być stosowana iniekcja grawitacyjna – bez jakiegokolwiek systemu hydraulicznego. Niezwykle istotny czynnik stanowi wstępna analiza morfologii konkretnego elementu murowego poddawanego interwencji. Iniekcji nie stosuje się w murach o objętości porów (miejsc pustych) poniżej 4% [4]. Nie bez znaczenia jest również kompatybilność chemiczna i fizyczna wprowadzanego iniektu z materiałami użytymi do wzniesienia wzmacnianej konstrukcji historycznych oraz ilość zawartej w niej wilgoci. Niepoprawne przeprowadzenie powyższej analizy skutkować może spłynięciem iniektu do podstawy muru, brakiem dostatecznego wypełnienia porów, przyspieszonej degradacji, a nawet trwałego uszkodzenia obiektu poddawanego wzmacnianiu lub naprawie. Omawiana metoda znalazła szerokie zastosowanie podczas rekonstrukcji obszaru Posočje w Słowenii dotkniętego trzęsieniem ziemi w roku 2004. Podczas prowadzonych prac zaobserwowano i wyszczególniono błędy wpływające na efekt konsolidacji [5]. Podstawowe z nich to: a. niewłaściwe przygotowanie zaczynu pod względem proporcji składników; b. przerywanie procesu tłoczenia iniektu (prowadzi to do rozpoczęcia procesu wiązania zaczynu i utrudnia prawidłowe podawanie środka); c. niewłaściwe przygotowanie muru w tym rozstawu, głębokości i kąta nachylenia odwiertów; d. niewłaściwy dobór ciśnienia (wysokie ciśnienie ułatwia proces technologiczny, lecz może prowadzić do uszkadzania elementu wzmacnianego); e. nieprawidłowa kolejność wykonywania prac (zaczyn powinien być podawany od podstawy muru wzwyż, zaburzenie kolejność skutkuje brakiem wypełnienia części porów).
3. Wpływ iniekcji na pracę konstrukcji
Celem podstawowym tej metody jest wzmocnienie środkowej warstwy muru, zwanej również rdzeniem. Grubość tej warstwy – może sięgać od 15cm, aż do 2m. Niezależnie od grubości, rdzenie charakteryzują się bardzo słabą jakością – wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie jest od 10 do 25 razy mniejsze w porównaniu z warstwami zewnętrznymi. Dodatkowo rdzenie konstruowane były zazwyczaj z różnego rodzaju odpadów budowlanych – ukruszonych kamieni, rumoszu, pękniętych cegłówek, które w sposób nieregularny i niedokładny łączone były ze sobą za pomocą słabej zaprawy. Taka technika wznoszenia powoduje powstawanie szczelin i jam w rdzeniu już w chwili powstawania obiektu – są to tzw. pustki. Dodatkowo na przestrzeni wieków w wyniku działania procesów erozji i wietrzenia pustki ulegają powiększeniu bądź powstają nowe – ubytki. Słaba jakość warstwy środkowej sprawia, że często nie jest ona w stanie przenieść własnego ciężaru,
stanowiąc w ten sposób dodatkowe obciążenie dla okładzin zewnętrznych. Zostało to ostatnio wykazane w [6] poprzez analizy numeryczne w których dokładnie odzwierciedlono układ kamieni w murze trójwarstwowym, a następnie umieszczono model numeryczny w polu grawitacyjnym (rys. 1).
Rys. 1. Model muru po dyskretyzacji – odwzorowanie ściany w obiekcie Prince of Wales Fort, [6]
Efektem takiej morfologii rdzenia jest także specyficzna praca statyczna wielowarstwowych murów kamiennych, w szczególności w czasie ściskania prostego. Znacznie słabszy rdzeń ulega zniszczeniu stosunkowo szybko, a cała siła jest przenoszona przez warstwy zewnętrzne (tzw. okładzinę). Co więcej rdzeń po zniszczeniu może zachowywać się niczym grunt sypki i wywierać dodatkowe parcie boczne na warstwy zewnętrzne. W takiej sytuacji okładziny są nie tylko ściskane, ale również zginane – znajdują się więc w złożonym stanie naprężenia. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na fakt, iż problem zmienia swój schemat statyczny w czasie obciążania, jest to możliwe dzięki znacznie mocniejszym warstwom zewnętrznym, które zapewniają nośność globalną elementu, pomimo, iż lokalnie uległ on zniszczeniu. Przedstawione powyżej podejście tłumaczyłoby zaniżone wartości wytrzymałości na ściskanie wielowarstwowych paneli kamiennych otrzymywane w testach laboratoryjnych, np. [7]. Rezultaty doświadczalne są w wielu przypadkach niższe niż wynikałoby z zależności otrzymanych przez Egermanna [8]:
(1)
(3)