Badania wytrzymałości na ściskanie murów z podłużnym zbrojeniem umieszczonym w spoinach wspornych

Seria: B U D O W N ICTW O z. 93 N r kol. 1514

Łukasz DROBIEC*

Politechnika Śląska

BADANIA W YTRZYMAŁOŚCI NA ŚCISKANIE MURÓW

Z PODŁUŻNYM ZBROJENIEM UMIESZCZONYM W SPOINACH WSPORNYCH

S tre s z c z e n ie . W re fe ra c ie p rz e d s ta w io n o w y n ik i b a d a ń ś c is k a n y c h m u ró w z e z b ro je n ie m p o d łu ż n y m u ło ż o ­ nym w sp o in ach w s p o m y c h . B a d a n iu p o d d a n o e le m e n ty p ró b n e w y k o n a n e z c e g ły p e łn e j n a z a p ra w ie c e m e n to ­ wo w apiennej o s to su n k u c e m e n tu , w a p n a i p ia sk u 1: 1 : 6 . Z b ro je n ie w p o s ta c i d w ó c h p rę tó w g ła d k ic h i d w ó c h prętów sp ira ln y c h o ś re d n ic a c h 6 m m u m ie s z c z o n o w c o trz e c ie j lu b c o s z ó s te j s p o in ie w s p o m e j. O trz y m a n e wyniki b adań p o ró w n a n o z re z u lta ta m i u z y sk a n y m i d la m o d e li n ie z b ro jo n y c h . P r z y n is k im sto p n iu z b ro je n ia stw ierdzono n ie w ie lk i w z ro s t n o ś n o ś c i n a ś c is k a n ie m u ru , z a ś e le m e n ty b a d a w c z e z w ię k s z ą ilo ś c ią z b ro je n ia wykazały sp a d e k w y trz y m a ło ś c i n a śc isk a n ie . P o m ia r o d k s z ta łc e ń z a p o m o c ą te n s o m e tró w u m o ż liw ił w y z n a ­ czenie p o z io m u w y tę ż e n ia z b ro je n ia w ś c is k a n y m m u rz e w y n o s z ą c e g o o k o ło 0 ,5 g ra n ic y p la s ty c z n o ś c i d la m u ­ rów o m n iejszy m p ro c e n c ie z b ro je n ia i 0 ,3 5 g ra n ic y p la sty c z n o ś c i d la m u ró w z b ro jo n y c h c o 3 sp o in ę w sp o m ą .

INVESTIGATIONS OF COMPRESSIVE STRENGTH OF MASONRY WITH BED JOINT REINFORCEMENT

S u m m a r y . T h e re s u lts o f th e in v e s tig a tio n s o f c o m p re ss e d r e in fo r c e d m a so n ry a re p re s e n te d in th is p a p er.

Investigations w e re m a d e o n te s t s p e c im e n s , w h ic h w e re e x e c u te d fro m c la y b ric k an d c e m e n t-lim e m o rta r on relation o f c em en t, lim e s a n d o f sa n d 1: 1: 6. A s re in fo rc e m e n t tw o sm o o th ro a d s o f 6 m m in d ia m e te r in e v ery sixth bed jo in t w e re u sed . R e c e iv e d re s u lts o f in v e stig a tio n s w e re c o m p a re d w ith re s u lts o b ta in e d fo r m o d e ls u n ­ reinforced. T h e in v e s tig a tio n s m a d e it p o s s ib le to d e te rm in e th e in flu e n c e o f re in fo r c e m e n t o n c o m p re ss iv e strength and m o d u lu s o f e la stic ity o f m a so n ry . B e s id e s m e a su re m e n t o f d e fo rm a tio n s w ith s tra in g a u g e m a d e it possible to d e lim ita tio n th e lev el o f s tra in o f re in fo rc e m e n t in c o m p re ss e d w all.

1. Wprowadzenie

Zbrojenie w konstrukcjach m urow ych zastosow ano po raz pierw szy na początku XIX w ie­

ku (rok 1813 M. Brunei — m urow any komin zbrojony usytuow any w pobliżu Londynu [1]), a więc około 50 lat przed pow staniem pierw szych konstrukcji żelbetow ych. W drugiej połow ie XIX wieku dynam iczny rozwój konstrukcji z betonu i stali spow odow ał jed n ak że znaczny spadek zainteresow ania m urem zbrojonym . D opiero w latach trzydziestych ubiegłego stulecia zaczęto ponow nie na szeroką skalę stosow ać zbrojenie w m urach. Jednym z pierw szych zaj­

* Opiekun naukowy: Prof, dr hab. inż. W łodzim ierz Starosolski.

88 Ł. Drobiec

m ujących się w Polsce tą tem atyką był W. Adam ski. Pod jego kierow nictw em przeprow a­

dzono w latach 1937 + 1939 na Politechnice W arszawskiej badania zbrojonych słupów ści­

skanych o w ym iarach 27 X 27 cm [2, 3], N a podstaw ie uzyskanych w yników badań i do­

św iadczeń prow adzonych w Zw iązku Radzieckim w w ielu publikacjach [2, 3, 4] podano, że w pływ podłużnego zbrojenia układanego w m urze w odstępach większych niż co 5 warstw je s t pom ijalny. Zam ieszczono ponadto m inim alne i m aksym alne procenty podłużnego zbroje­

nia m uru w ynoszące odpow iednio 0,1% i 1,0%. Z alecenia te dotyczyły jed n ak tylko elem en­

tów m urow anych o małym przekroju, takich ja k filary m iędzyokienne i słupy, w których w pływ zbrojenia na w artość w ytrzym ałości na ściskanie poprzez ograniczenie odkształceń je s t niezaprzeczalny. Intuicyjnie należy się spodziew ać, że w pływ takiego zbrojenia na wy­

trzym ałość na ściskanie w ścianach, gdzie odkształcenia podłużne ograniczone są zazwyczaj przez ściany usztyw niające lub szkielet żelbetow y, będzie znacznie mniejszy. M im o licznych starań autor nie znalazł w literaturze przedm iotu w ytycznych dotyczących stosow ania pozio­

m ego podłużnego zbrojenia w ścianach m urow anych. A przecież zbrojenie to je s t obecnie coraz częściej w ykorzystyw ane, naw et ja k o profilaktyka w rejonach zagrożeń obciążeniam i sejsm icznym i czy parasejsm icznym i.

W referacie przedstaw iono wyniki własnych badań odcinków m uru z podłużnym zbroje­

niem układanym w spoinach w spornych. W celu określenia w pływ u prętów zbrojeniow ych na w ytrzym ałość i odkształcalność m uru zastosow ano pręty okrągłe i spiralne o maksym alnie dużej średnicy - 6 mm, przy niew ielkim poprzecznym procencie zbrojenia modeli w ynoszą­

cym około 0,05% i 0,1%.

2. Opis modeli badawczych i przebiegu badań

B adania prow adzono na elem entach badaw czych o w ym iarach 126,5 x 103 x 25 cm.

W szystkie elem enty w ykonane zostały z cegły pełnej na zapraw ie cem entow o-w apiennej w proporcji cem entu, w apna i piasku 1 : 1 : 6 .

B adania obejm ow ały serię 8 m urów niezbrojonych (rys. 1), oznaczoną sym bolem A, oraz 12 modeli ze zbrojeniem w 4 seriach (BI, B il, CI, CII). Jako zbrojenie w seriach B I i B il za­

stosow ano pręty gładkie c|) 6 m m z nierdzew nej stali 1H18N9T. W serii BI zbrojenie układano co 6 spoinę w sporną (p=0,05% ), zaś w serii B il co 3 spoinę (p = 0 ,1 %). Seria BI liczyła 6 ele­

mentów i ze w zględu na uzyskanie pow tarzających się w yników (niew ielki w spółczynnik zmienności), liczbę próbek w kolejnych seriach zm niejszono do dwóch.

Rys. 1. E le m e n t b a d a w c z y serii A Fig. 1. T e st s p e c im e n o f A s e rie s

Zbrojenie w seriach CI i CII stanow iły specjalne pręty jednego z brytyjskich system ów stosowanych do zbrojenia konstrukcji m urowych. Przyjęto pręty spiralne HB o średnicy za­

stępczej 6 mm, w ykonane ze stali austenitycznej. Podobnie ja k w m odelach serii BI i B il zbrojenie um ieszczano w co 6 (seria CI) i co 3 (seria CII) w arstw ie muru. W celu zapew nienia należytego zakotw ienia na końcach w szystkich prętów przyspaw ano odcinki płaskow nika o grubości 6 mm i szerokości 40 mm. M iejsce i sposób ułożenia zbrojenia w elem entach serii B i C pokazano na rys. 2.

Rys. 2. E le m e n t b a d a w c z y serii B i C Fig. 2. T e st s p e c im e n o f B a n d C series

90 Ł. Drobiec

M odele w szystkich serii obciążano doraźnie pionow ym obciążeniem rów nom iernie rozło­

żonym , w je d n y m cyklu, aż do zniszczenia. O dczyt siły i przem ieszczeń prow adzono co 150 kN za p om ocą siłom ierza i czujników indukcyjnych (rys. 1 i 2) o dokładności odczytu 0,002 mm. W m odelach serii B i C dokonyw ano ponadto pom iaru odkształceń prętów zbrojenio­

w ych za pom ocą tensom etrów foliow ych naklejanych w środku ich długości.

R ów nolegle prow adzone badania tow arzyszące obejm ow ały w yznaczenie wytrzymałości na ściskanie oraz zginanie zapraw y na próbkach prostopadłościennych w g zaleceń norm y PN- 85/B -04500 [5] oraz oznaczenie w ytrzym ałości na ściskanie cegły na całych elem entach mu­

row ych w g norm y europejskiej PrEN 772-1:1995 [6] i na dwóch zespolonych połów kach ce­

gieł w g norm y krajow ej PN -70/B -12016 [7], W ykonano rów nież próby rozciągania stali na podstaw ie norm y P N -91/H -04310 [8]. Z godnie z zaleceniam i norm y PN /B -03002:1999 [9]

w ykonano dodatkow o oznaczenie w ytrzym ałości na ściskanie i m odułu sprężystości muru na 6 elem entach próbnych typu M o w ym iarach 66,5 x 51 x 12 cm.

3. Wyniki badań towarzyszących

W artości w ytrzym ałości na ściskanie i zginanie zapraw y oraz w ytrzym ałości na ściskanie cegły zestaw iono w tablicy 1. W tablicy 2 podano natom iast w artości siły zryw ającej, wy­

trzym ałości na rozciąganie, granicy plastyczności i m odułu sprężystości uzyskane z próby rozciągania prętów gładkich i spiralnych.

W tablicy 3 zestaw iono uśrednione wyniki otrzym ane z badań elem entów próbnych typu M. D oraźny m oduł sprężystości w yznaczono zgodnie z n orm ą [9] z przedziału naprężeń ści­

skających

0

T ablica 1 W yniki badań tow arzyszących zapraw y i cegły

WYZNACZANA WARTOŚĆ

ZAPRAWA CEGŁA

PN-85/B-04500 T51 PrEN 772-1:1995 (61 PN-70/B-12016 m

‘ "HU

__125__ J +

wartość wartość v [ * ł wartość v i * 1

W y trz y m a ło ść n a ś c is k a n ie [M P a ] 7,2 6 ,6 69 ,7 3,8 4 7 ,2 6,2

W y trz y m a ło ść n a z g in a n ie [M P a] 2,4 5,5 - - - -

T ablica 2 W yniki badań tow arzyszących stali zbrojeniow ej

PRĘTY GŁADKIE PRĘTY SPIRALNE

PN-91/H-04310F81 PN-91/H-04310 [81

W Y Z N A C Z A N A W A R T O Ś Ć

---- '

wartość v r%i wartość v[% ]

Siła zryw ająca [kN ] 23,1 0,9 8,4 0,8

W ytrzym ałość n a ro z c ią g a n ie [M P a ] 817 0,9 970 0,8

Granica p la sty c z n o ś c i [M P a ] 760 0,7 910 0,7

Moduł sp ręży sto ści [M P a ] 204 000 1,2 - -

T ablica 3 W yniki badań m uru

ELEMENTY PRÓBNE TYPU M

PN-B-03002:1999 [91

W Y Z N A C Z A N A W A R T O Ś Ć

g

F

j j g f e

Hi

fi

<0

__

wartość V [91]

W ytrzym ałość m u ru n a ś c is k a n ie [M P a ] 15,4 6,9

Moduł sp rę ży sto ści [M P a ] 12 135 9,4

W spółczynnik P o is s o n a 0,23 6,8

4. Wyniki i analiza badań zasadniczych

W tablicy 4 zestaw iono średnie w artości w ytrzym ałości na ściskanie, m odułu sprężysto­

ści i w spółczynnika Poissona uzyskane z badań m odeli w szystkich serii. W ytrzym ałość na ściskanie elem entów badaw czych niezbrojonych wynosi 14,0 M Pa i je s t o 10% m niejsza od wytrzymałości norm ow ych elem entów próbnych typu M. Porów nanie uśrednionych zależno­

ści o-e dla m odeli niezbrojonych serii A i elem entów próbnych typu M pokazano na rys. 3.

Wzrost w ytrzym ałości elem entów próbnych w zględem w iększych elem entów badaw czych można zapewne tłum aczyć w pływ em kształtu, jednakże analizując przebieg obu krzywych widać znaczne różnice w zachow aniu się obu m urów pod w pływ em obciążenia. Kąt pochyle­

nia stycznej do krzyw ej naprężenie-odkształcenie elem entów badaw czych serii A zm niejsza się stopniowo w m iarę w zrostu naprężeń ściskających, natom iast dla elem entów próbnych je st on prawie stały i dopiero po osiągnięciu około 85% w ytrzym ałości na ściskanie styczna ulega gwałtownemu pochyleniu.

92 Ł. Drobiec

Tablica 4 W yniki badań zasadniczych

PARAMETR SERIA A SERIA BI SERIA B il SERIA CI SERIA CII

Stal - okrągła okrągła spiralna spiralna

P rocent zbrojenia [%] - -0,05 -0,1 -0,05 -0,1

W ytrzym ałość na ściskanie [MPa] 14,0 16,2 13,6 14,8 12,2

W spółczynnik zm ienności [%] 3,6 2,2 - - -

M oduł sprężystości [MPa] 13 940 14 440 14610 12 040 13 330

W spółczynnik zm ienności [%] 10,0 7,7 - - -

W spółczynnik Poissona 0,2 0,15 0,26 0,14 0,19

W spółczynnik zm ienności [%] 9,3 12,5 - - -

0 ,0 0 0 0 0 .0 0 0 5 0 ,0 0 1 0 0 ,0 0 1 5 0 ,0 0 2 0 0 ,0 0 2 5 0 ,0 0 3 0

| —o — s e ria A —o — p ró b k i ty p u M |

Rys. 3. Z ależność a - e d la elem entów badaw czych serii A i elem entów próbnych typu M Fig, 3. a - e relationship for A series and m odels o f M type

Porów nując zestaw ione w tablicy 4 wartości w ytrzym ałości na ściskanie elem entów zbro­

jonych i niezbrojonych należy stw ierdzić, że jedynie w w ypadku m ałego procentu zbrojenia (m odele BI i CI) uzyskano niewielki w zrost w ytrzym ałości sięgający 16% i 6%. W wypadku m odeli B il i CII (w iększy procent zbrojenia) odnotow ano spadek w ytrzym ałości muru. Prze­

bieg uśrednionych zależności o -e dla modeli w szystkich serii pokazano na rys. 4.

Z m niejszenie w ytrzym ałości elem entów silniej zbrojonych zw iązane je s t ze zm ianą sposo­

bu ich zniszczenia. M ury niezbrojone niszczyły się bowiem klasycznie, poprzez rysy prosto­

padłe do spoin w spornych, które podzieliły elem ent na kilka pionow ych słupków (rys. 5a).

Elem enty zbrojone niszczyły się zaś przez zarysow anie podłużne, rów noległe do płaszczyzny licow ej, które dzieliło badany elem ent na dw ie niezależne tarcze (rys. 5b). Z m iana sposobu zniszczenia św iadczy o ograniczeniu przez stal zbrojeniow ą odkształceń muru w kierunku podłużnym . Spadek w ytrzym ałości elem entów silniej zbrojonych zw iązany je s t z wystąpie­

niem efektu karbu w postaci sztyw nych prętów w odkształcalnym murze.

Rys. 4. U średnione z a le ż n o ś c i a - e d la e le m e n tó w b a d a w c z y c h w sz y s tk ic h serii Fig. 4. A verage a - e re la tio n s h ip f o r m o d e ls o f all s e rie s

Rys. 5. T y pow y o b ra z z a r y s o w a n ia e le m e n tó w b a d a w c z y c h : a) n ie z b ro jo n y c h , b) ze z b ro je n ie m Fig. 5. T ypical p ic tu re o f s c ra tc h o f in v e s tig a tiv e e le m e n ts : a) u n -re in fo rc e d , b ) re in fo rc e d

Elementy o m niejszym procencie zbrojenia (serie BI i CI) charakteryzow ały się w iększą liczbą rys o większych rozw artośćiach niż m odele serii B il i CII. W elem entach o większym zbrojeniu zaobserw ow ano natom iast lokalne w ykruszenia w okolicach położenia prętów, świadczące o w ystąpieniu karbu w postaci w kładki zbrojeniow ej o znacznie większej sztyw­

ności. Na rys. 6 pokazano w ykres odkształceń stali zbrojeniow ej w zależności od poziom u naprężeń ściskających w murze. Jako pierw sze do pracy w łączają się pręty spiralne (w iększa przyczepność zbrojenia do zapraw y w spoinie). W cześniej odkształcają się pręty w m urach o większym procencie zbrojenia (p = 0,1% ).

94 Ł. Drobiec

R ys. 6. W y k re s o d k s z ta łc e ń stali z b ro je n io w e j w z a le ż n o ś c i o d p o z io m u n a p rę ż e ń ś c is k a ją c y c h w m u rz e F ig . 6 . G ra p h o f stee l d e fo rm a tio n s in d e p e n d e n c e fro m lev el o f th e m a so n ry c o m p re ss iv e stre n g th

- sena Cl sena Cll |

0,003

£

P orów nanie w ytężenia rozciąganych prętów zbrojeniow ych znajdujących się w m urze z zależnością o r £ uzyskaną z próby rozciągania pręta okrągłego pokazano na rys. 7. Pręty w m urze o procencie zbrojenia 0,05% (seria BI) osiągają poziom naprężeń rozciągających rów­

ny 53% granicy plastyczności stali i 49% jej w ytrzym ałości na rozciąganie, zaś pręty w murze o procencie zbrojenia 0,1% (seria B il) charakteryzują się naprężeniam i na poziom ie 39% gra­

nicy plastyczności stali i 36% jej w ytrzym ałości na rozciąganie. W przypadku prętów spiral­

nych poziom w ytężenia wynosi 49% granicy plastyczności stali i 44% jej w ytrzym ałości na rozciąganie dla modeli serii CI oraz 30% granicy plastyczności stali i 26% jej wytrzymałości na rozciąganie dla modeli serii CII.

R ys. 7. P o ró w n a n ie z a le ż n o ś c i o r e d la p rę tó w w m u rz e i u z y sk a n e j z p ró b y ro z c ią g a n ia stali

F ig . 7. C o m p a ris o n o f cą-e d e p e n d e n c e fo r ro d s lo c a te d in m a so n ry w ith o ,-e o b ta in e d fro m ro d te n sile te sts

- p r ó b a r o z c ią g a n ia p r ę tó w z e sta«

1H18N9T - p rę ty z b ro je n io w e w

m o d e la c h serii BI

Podobne do przedstaw ionych powyżej w yniki w pływ u zbrojenia w spoinach wspornych na nośność m uru na ściskanie uzyskano w badaniach na uniw ersytecie w K arlsruhe [10]. Ści­

skaniu osiowemu poddano tam m ury z cegły pełnej ze zbrojeniem składającym się z dwóch prętów o średnicy 5 mm, połączonych poprzecznym i prętam i 03 mm (procent zbrojenia około 3%). Jedynie w jednej z trzech serii badaw czych uzyskano w yraźny, około 20% w zrost wy­

trzymałości. D odatkow o badaniom poddano m odele ze zbrojeniem w postaci prętów z w łókna szklanego. Zbrojenie to rów nież nie dało zadow alających rezultatów.

5. Wnioski

Prezentow ane badania pozw oliły jed y n ie sondażow o określić w pływ zbrojenia po­

dłużnego, układanego w spoinach w spornych, na nośność i odkształcalność muru. N a pod­

stawie przedstawionej analizy w yników stw ierdza się, że:

□ Z brojenie podłużne w ilości p = -0 ,1 % , ułożone w spoinach w spornych spow odo­

wało zm niejszenie w ytrzym ałości muru na ściskanie.

□ N iew ielki w zrost w ytrzym ałości m uru na ściskanie uzyskano w elem entach badaw ­ czych ze zbrojeniem podłużnym w ilości p = -0 ,0 5 % .

□ Z astosow anie podłużnych prętów zbrojeniow ych w płynęło na zm ianę sposobu zniszczenia m odeli: ograniczyło zarysow anie licowych płaszczyzn badanych ele­

m entów , a zniszczenie nastąpiło przez rozłupanie m uru na dw ie części w płaszczyź­

nie przechodzącej przez spoinę podłużną.

□ N aprężenia rozciągające w prętach zbrojeniow ych m urów o m niejszym procencie zbrojenia osiągnęło poziom rów ny około 50% granicy plastyczności stali.

□ Ze w zględu na zm ianę sposobu niszczenia muru ew entualne stosow anie zbrojenia podłużnego o dużym procencie nasycenia pow inno być uzależnione od rów nocze­

snego zastosow ania prętów poprzecznych.

LITERATURA

1. Tim perm an P., Rice J. A.: Bed jo in t reinforcem ent in m asonry. Proceedings o f the Fourth International M asonry C onference, London, O ctober 1995, vol. 2, s. 451 + 453.

2. Adamski W.: M ury zbrojone. Inżynieria i Budow nictw o, nr 3, 1949, s. 111 -¡- 118.

96 Ł. Drobiec

3. D anielecki W.: K onstrukcje zespolone m urow e zbrojone i ceglano-żelbetow e, Bi A, W ar­

szaw a 1954.

4. Żenczykow ski W.: Rozprawy inżynierskie XIV. Podstawy w ytrzym ałościow e obliczeń statycznych konstrukcji m urow anych z cegły. PW N, W arszawa 1954.

5. PN-85/B -04500, Zapraw y budow lane. Badania cech fizycznych i w ytrzym ałościow ych.

6. PrEN 772-1:1995, M ethods o f test for m asonry units - part 1: D eterm ination o f compers- sive strength. CEN /TC 125 N 305, July 1995.

7. P N -70/B -12016, W yroby ceram iki budow lanej. Badania techniczne.

8. P N -91/H -04310, P róba statyczna rozciągania metali.

9. P N -B -03002:1999, K onstrukcje m urow e niezbrojone. Projektow anie i obliczanie.

10. Flohrer C., H ilsdorf H.K.: Enhanced ductility o f m asonry loaded in com pression. Pro­

ceedings o f 6,h International B rick/B lock M asonry Conference, Rom e, 1982, s. 1129- 1141.

Recenzent: Prof. dr inż. B ohdan Lewicki A bstract

R esearches o f com pressive strength, m odulus o f elasticity and P oisson’s ratio o f masonry with oblong bed jo in t reinforcem ent are presented in this paper. Test sam ples were m ade from clay bricks and cem ent-lim e mortar. As reinforcem ent two sm ooth and two helical rods o f 6 mm in diam eter and m ade o f stainless steel were used. They w ere put in every 3 and 6 bed jo in t (percentage o f reinforcem ent about 0,1% and 0,05% ). Elem ents were tested in hydraulic press. A dditionally strain gauge m easurem ent o f reinforced bars deform ations were made. All sam ples were loaded continuously until their com plete destruction. The results o f investiga­

tions were com pared with the results o f un-reinforced samples.

It was proved that sm all bed jo in t reinforcem ent (0,05% ) increase the value o f masonry com pressive stress. Sam ples with bigger percentage o f reinforcem ent (0,1% ) had less value of the com pressive stress. M oreover, the reinforcem ent was changing the m anner o f failure of the test sam ples.

A ppointed level o f tensile stress in reinforced bars (sam ples with sm ooth bars - 0,05% per­

centage o f reinforcem ent) is about 50% o f yield point o f steel.