OPERACYJNA ANALIZA MODALNA W BADANIU KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH

Mariusz ŻÓŁTOWSKI

OPERACYJNA ANALIZA MODALNA

W BADANIU KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH

…przez pierwsze pół życia traci się zdrowie, żeby zdobyć pieniądze.

Przez drugie pół życia traci się pieniądze, żeby odzyskać zdrowie…

…smutna to prawda…

Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu

Technologiczno−Przyrodniczego w Bydgoszczy

2012

OPERACYJNA ANALIZA MODALNA W BADANIU KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH

Niniejsze opracowanie jest poświęcone badaniom jakości materiałów i konstrukcji budowlanych z wykorzystaniem bezinwazyjnej metody oceny stopnia ich degradacji – operacyjnej analizy modalnej. W tej pracy rozpatrzono trzy istotne problemy:

– wykorzystanie procesów drganiowych w badaniu jakości konstrukcji budowlanych;

– opracowanie metodyki i realizacja badań degradacji materiałów i konstrukcji bu- dowlanych z wykorzystaniem operacyjnej analizy modalnej;

– wnioskowanie i walidacja otrzymanych wyników badań oraz określenie kryteriów stanu jakości destrukcji wybranych materiałów i konstrukcji budowlanych.

Treści tego opracowania szeroko ilustrowane wynikami ciekawych badań przed- stawiają w szczegółach całą metodykę badań oraz procedury wnioskowania oceny stanu degradacji konstrukcji budowlanych. Wskazują też na nowe zagadnienia utrzymania stanu zdatności konstrukcji budowlanych w aspekcie zarządzania i bezpieczeństwa. Ma to umożliwiać bezdemontażową i szybką ocenę stanu i zaawansowanie procesów de- strukcji materiałów, budowli i budynków, co w praktyce budowlanej stwarza często wiele różnych problemów.

Treści zawarte w tej książce przeznaczone są dla szerokiego kręgu odbiorców, pracowników przedsiębiorstw budowlanych, doktorantów oraz studentów i słuchaczy kierunku inżynieria produkcji i budownictwo.

Recenzenci: prof. dr hab. inż. Henryk TYLICKI – UTP, Bydgoszcz

prof. dr inż. Leonel CASTANEDA – EAFIT Medellin, Colombia

© Copyright by Mariusz ŻÓŁTOWSKI, 2012 r.

© Copyright by Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego, 2012 r.

Wydawnictwo dofinansowane z środków projektu nr WND-POIG.01.03.01-00-212/09

„Techniki wirtualne w badaniach stanu, zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska eksploatowanych maszyn” współfinansowanego przez Unię Europejską ze środków

Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.

Cytaty zaczerpnięto z wielu dostępnych ksiąg cytatów

Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego Redaktor Naczelny – prof. dr hab. inż. Józef Flizikowski

ul. Ks. A. Kordeckiego 20, 85-225 Bydgoszcz, tel. 52 3749482, 52 3749426 e-mail: wydawucz@utp.edu.pl http://www.wu.utp.edu.pl

Wyd. I. Nakład 100 egz. Ark. aut. 13,1. Ark. druk. 13,2. Zamówienie nr 24/2012 Zakład Małej Poligrafii UTP Bydgoszcz, ul. Ks. A. Kordeckiego 20

…piszę z przymrużeniem oka - perspektywa lepsza…

SPIS TREŚCI

1. WPROWADZENIE ... 5

2. MATERIAŁY BUDOWLANE ... 7

2.1. Rodzaje materiałów budowlanych ... 7

2.2. Cechy fizyczne materiałów budowlanych ... 10

2.3. Właściwości mechaniczne materiałów budowlanych ... 16

2.4. Badania wybranych właściwości materiałów ... 20

2.5. Uszkodzenia obiektów budowlanych ... 39

2.6. Akty normatywne ... 43

3. DEGRADACJA STANU KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH ... 47

3.1. Zmiany potencjału użytkowego konstrukcji ... 47

3.2. Degradacja stanu konstrukcji budowlanej ... 56

3.3. Sterowanie jakością budowli ... 69

3.4. Zarządzanie cyklem życia konstrukcji budowlanej ... 89

3.5. Bezpieczeństwo – ocena i projektowanie ... 93

4. PROCESY DRGANIOWE W BUDOWNICTWIE ... 97

4.1. Drgania w budownictwie ... 97

4.2. Miary procesu drganiowego ... 103

4.3. Pomiary drgań ... 115

4.4. Systemy pomiarowe drgań ... 122

4.5. Modelowanie dynamiki konstrukcji ... 131

5. ŚRODOWISKO ANALIZY MODALNEJ ... 138

5.1. Podstawy analizy modalnej ... 138

5.2. Rodzaje analizy modalnej ... 142

5.3. Operacyjna analiza modalna ... 147

5.4. Eksperymenty analizy modalnej ... 159

5.5. Analiza modalna w badaniu konstrukcji ... 166

6. NARZĘDZIA PROGRAMOWE ... 174

6.1. Programowane badania degradacji (LMS) ... 174

6.2. Badania przemysłowe ... 179

6.3. Strategie utrzymania zdatności konstrukcji ... 188

6.4. Systemy informatyczne w badaniach stanu konstrukcji ... 195

7. PODSUMOWANIE ... 205

LITERATURA ... 207

…jeśli będziesz krzyczał, wielu cię usłyszy;

jeśli będziesz pisał, wielu cię zrozumie…

1. WPROWADZENIE

Badania materiałów i konstrukcji budowlanych prowadzone są w aspekcie badania ich stanu degradacji, co warunkuje podejmowanie koniecznych często działań zapobie- gawczych nieuchronnych uszkodzeń. Konstrukcje budowlane, takie jak: budynki, wy- sokie maszty, kominy, fundamenty pod maszyny, dachy wspornikowe i inne, są podda- wane znacznym obciążeniom dynamicznym, które są dobrze odzwierciedlane w generowanych procesach drganiowych. Drgania te mogą mieć wpływ na stan użyt- kowania budowli poprzez zmniejszenie komfortu pracujących tam ludzi, jak też mogą osiągać poziom zagrażający bezpieczeństwu konstrukcji. Obciążenia dynamiczne mogą więc powodować skutki niszczące w budynkach o różnych typach konstrukcji, a także mogą doprowadzać do katastrofalnego ich zniszczenia [11,15,46,73].

Badania stanu degradacji prowadzi się zarówno w laboratoriach jak, i w warun- kach eksploatacji, przy czym preferowane są tu nieniszczące metody oceny stanu de- gradacji. Przeprowadzenie badań laboratoryjnych elementów lub modelowej całej kon- strukcji pozwala na realną ocenę jej stanu degradacji. Wymaga to jednak stosowania metodyki poprawnej budowy układu (ustrój i obciążenie), poprawnego prowadzenia samego badania i ostatecznie, odpowiedniej interpretacji uzyskanych wyników. Powyż- sze warunki łatwiej spełnią budowle w przypadku oddziaływań statycznych, natomiast określenie odpowiedzi obiektów budowlanych przy obciążeniu dynamicznym należy do zbliżonych i nowych zagadnień badawczych. Znaczne koszty przeprowadzenia badań (laboratoryjnych) obiektów, w skali naturalnej lub pomniejszonej na tzw. stole wstrzą- sowym, powodują sporadyczne ich stosowanie. Z kolei badania „in situ”, tj. pomiary odpowiedzi rzeczywistych budynków nie przynoszą informacji o wytężeniu konstrukcji, ponieważ najczęściej ograniczają się do rejestracji przyśpieszeń wywołanych wstrząsa- mi. Obecnie alternatywnym (często korzystniejszym) sposobem badań stają się symula- cje komputerowe. Wymagają one budowy precyzyjnego przestrzennego modelu geome- trycznego budynku oraz przyjęcia odpowiedniego zaawansowanego modelu pod względem obciążenia i materiału. Analizy komputerowe omawianego typu na złożo- nych, powłokowo-przestrzennych modelach budynków ścianowych, w zakresie linio- wo-sprężystym w Polsce nie są powszechne.

Współczesna dynamika konstrukcji w inżynierii budowlanej wykorzystuje różne nowe narzędzia badawcze z obszaru identyfikacji stanu, takie jak: metoda elementów brzegowych, metoda elementów skończonych i ostatnio metody analizy modalnej, które pozwalają poprzez modelowanie i badania zmian stanu na lepsze zrozumieniu zacho- wania się złożonych konstrukcji, optymalizację w procesie ich projektowania i ocenę degradacji stanów aktualnych, często niebezpiecznych.

Uznając potrzebę doskonalenia metod badania jakości murowych konstrukcji bu- dowlanych dla potrzeb oceny ich stanu, jak i oceny współczynników bezpieczeństwa muru (PN-B-03002, pkt. 3.1.3 oraz 4.6), w tej książce podjęto próbę opracowania me- todyki badania oceny jakości destrukcji istniejących wybranych konstrukcji budowla- nych za pomocą metody operacyjnej analizy modalnej. Konsekwencją tego postępowa- nia są także propozycje budowy strategii zarządzania i utrzymania zdatności istnie- jących konstrukcji budowlanych.

Ważne miejsce w dotychczasowych uznanych już sposobach badania jakości zaj- mują często stosowane badania nieniszczące elementów murowych w warunkach eks- ploatacyjnych, prowadzonych bezpośrednio na obiekcie.. Znane są literaturowo metody sklerometryczne (metoda pomiaru odcisku, metoda pomiaru odskoku), metody impul- sowe (ultradźwiękowe, młoteczkowe), metody radiologiczne (radiograficzne, radiome- tryczne), metody elektromagnetyczne (magnetyczna, dielektryczna) oraz metody spe- cjalnych (np. metody elektryczne) [12,15,23,76].

Badania eksploatacyjne całych konstrukcji są mniej popularne, a zatem istnieje po- trzeba ciągłego doskonalenia metod badania konstrukcji, szczególnie tych którym towa- rzyszą duże obciążenia dynamiczne. Wprowadzane do budownictwa nowe materiały i technologie oraz nowe rozwiązania konstrukcyjne, umożliwiają zwiększenie wydajno- ści i jakości wytworów, lecz towarzyszą im często groźne i duże obciążenia dynamicz- ne. Tym zagadnieniom poświęca się ostatnio coraz więcej uwagi. Analizę własności dynamicznych konstrukcji prowadzi się głównie poprzez analizę zachowania się mode- lu dynamicznego badanej konstrukcji, który jest realizowany poprzez analityczny opis wielkości charakteryzujących dynamikę układu, albo też metodami eksperymentalnymi prowadzonymi bezpośrednio na obiektach rzeczywistych.

Nowe narzędzia w tym obszarze badań dotyczą możliwości wykorzystania metod analizy modalnej, a także nowoczesnego pozyskiwania i przetwarzania procesu drga- niowego - do oceny jakości konstrukcji i elementów murowych, które stanowią podsta- wę rozważań tej książki. W praktycznych zastosowaniach pozwalają one na lepsze zrozumienie zachowania się złożonych konstrukcji, optymalizację w procesie ich pro- jektowania i ocenę stanów niebezpiecznych. W tym ostatnim obszarze lokują się treści podejmowanej tematyki, poszukujące miar oceny stanu degradacji konstrukcji i elemen- tów murowych nowych, wieloletnich, a często o nieznanym stanie destrukcji i niezna- nym współczynniku bezpieczeństwa murów wielu budynków i budowli.

Podane w tej książce wybrane informacje stanowią podstawy zastosowań analizy modalnej, która w krajach o wysoko rozwiniętej technologii jest powszechnie stosowana w praktyce jako narzędzie wspomagania procesu projektowania obiektów budowlanych, w których istotnym wskaźnikiem jakości konstrukcji jest jej zachowanie w warun- kach dynamicznych. Analiza modalna jest stosowana głównie na etapie badania i do- skonalenia konstrukcji prototypu, badania konstrukcji w czasie eksploatacji, a także oceny stanu i modyfikacji istniejących konstrukcji.

Opisane metody analizy modalnej oparte są na pomiarach sygnału drganiowego, z którego wyznacza się (dla różnych stanów badanych konstrukcji lub elementów mu- rowych) parametry modelu modalnego, o wartościach zmiennych odpowiednio do mie- rzonego stanu degradacji. Znajomość zagadnień analizy modalnej jest nieodzowna dla inżynierów konstruktorów, jak również inżynierów zajmujących się eksploatacją zło- żonych obiektów budowlanych. Coraz częściej funkcje te są integrowane w złożonych systemach informatycznych wspomagających procesy badań eksperymentalnych, prze- twarzania, wnioskowania i archiwizacji wyników eksperymentu identyfikacyjnego.

Zastosowanie nowoczesnych technologii informacyjnych w realizację analizy modalnej powoduje, że otrzymane modele stają się bardziej wiarygodne i mogą być wykorzy- stywane do rozwiązywania wielu problemów związanych z konstruowaniem złożonych obiektów budowlanych o zadanych własnościach dynamicznych.

Oddając do rąk szerokiego grona Czytelników to opracowanie, autor liczy na przychylne i życzliwe jego przyjęcie, przyjmując na siebie wszelką krytykę za niedo- skonałości merytoryczne i edytorskie.

2. MATERIAŁY BUDOWLANE

2.1. RODZAJE MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

Istnieje wiele kryteriów podziału materiałów budowlanych. Jednym z nich jest po- dział ze względu na stopień przeróbki surowca. Tak więc ze względu na sposób otrzy- mywania rozróżnia się materiały budowlane: pochodzenia naturalnego (np. kamień, piasek, glina, drewno, trzcina) i pochodzenia przemysłowego (np. cement, cegły, wapno, beton, szkło, metale, tworzywa sztuczne) [46].

W zależności od budowy fizycznej materiałów, to jest od rodzaju tworzywa (surow- ca), jaki wykorzystano do ich produkcji – wyroby budowlane można podzielić na [46,54]:

ƒ naturalne materiały kamienne – wyroby ze skał i produkty otrzymywane z ich prze- robu, jak np. kamień łamany, kruszywo, wełna mineralna,

ƒ ceramikę budowlaną – np. cegły, pustaki, dachówki, kafle, umywalki, miski ustępowe,

ƒ mineralne spoiwa budowlane – cement, wapno, gips,

ƒ zaczyny i zaprawy budowlane – wapienne, cementowe, gipsowe, gliniane i mieszane,

ƒ betony – zwykły, wysokowartościowy i beton specjalny,

ƒ wyroby z zaczynów, zapraw i betonów – gipsowe, wapienno-piaskowe (silikatowe), cementowe,

ƒ betony lekkie – kruszywowe, z wypełniaczami organicznymi, komórkowe, pianobe- ton, autoklawizowane,

ƒ szkło budowlane – szyby okienne, kształtki szklane (luksfery), szkło piankowe, wata szklana,

ƒ drewno i materiały drewnopochodne – np. deski, bale, klepki podłogowe (parkiet), panele podłogowe, sklejka, płyty wiórowe, płyty spilśnione, okna, drzwi,

ƒ tworzywa sztuczne i malarskie materiały budowlane – np. materiały do izolacji (m.in. styropian, folie), wykładziny podłogowe, tapety, kleje, farby,

ƒ lepiszcza bitumiczne i wyroby z nich – asfalt, smoła, papa, lepik,

ƒ metale i wyroby z metali – wyroby stalowe, żeliwne, aluminiowe, miedziane, cyn- kowe – stal zbrojeniowa (do żelbetu), kształtowniki, rury, blachy, zawory hydrau- liczne, wanny, grzejniki, okucia budowlane (m.in. klamki, zawiasy, zamki),

ƒ materiały i wyroby instalacyjne oraz termoizolacyjne – rury (np. metalowe, betono- we lub z tworzyw sztucznych), otuliny np. poliuretanowe, korkowe.

Innym kryterium podziału materiałów budowlanych jest podział z uwagi na ich za- stosowanie: do budowy dróg, do robót hydrotechnicznych, do budowy mieszkań, itd.

Natomiast w zależności od zastosowania w budynku materiały można podzielić na:

ścienne, stropowe, podłogowe, wykończeniowe, dachowe, pokryciowe, kominowe, dźwiękochłonne, do instalacji wodnych, gazowych, kanalizacyjnych itd. [46].

Wyroby budowlane dzieli się także – w rozumieniu pracy konstrukcji budowlanej – na:

materiały konstrukcyjne (skały lite, drewno, beton zwykły, stal) oraz materiały niekonstruk- cyjne (tworzywa sztuczne, betony lekkie, wełna mineralna, szkło). Ze względu na przezna- czenie i funkcje pełnione w poszczególnych elementach obiektów budowlanych, określone wyroby i materiały budowlane wchodzą w skład różnych technologii budowlanych.

Materiały i wyroby budowlane można także klasyfikować ze względu na ich prze- znaczenie oraz funkcje, jakie spełniają w obiekcie budowlanym, do realizacji którego zostaną zastosowane i wówczas rozróżniamy [47,54]:

• materiały konstrukcyjne – przystosowane do przenoszenia obciążeń działających na obiekt budowlany, np. cegła, stal (m.in. pręty zbrojeniowe i kształtowniki), beton, żelbet (beton zbrojony),

• materiały izolacyjne – do izolacji ciepłochronnej (styropian, wełna mineralna, szkło piankowe, gazobeton), do izolacji przeciwwilgociowej i przeciwwodnej (np. papy, le- piki, smoły, folie z tworzyw sztucznych), do izolacji akustycznej – przeciwdźwięko- wej (np. płyty korkowe, paździerzowe i styropianowe, wata szklana, wełna mineralna),

• materiały instalacyjne – np. rury i kształtki (stalowe, miedziane i z tworzyw sztucz- nych), przewody i oprawy elektryczne, armatura instalacji wodno-kanalizacyjnej (m.in. zawory hydrauliczne, krany, hydranty pożarowe, odpowietrzniki), centralne- go ogrzewania (m.in. grzejniki, termostaty, zawory) i wentylacyjnej (m.in. kratki, dyfuzory, przepustnice, zawory),

• materiały wykończeniowe – do wykończenia ścian, podłóg i innych elementów, np.

farby, lakiery, tapety, deszczułki posadzkowe, panele podłogowe i okucia budowlane.

Ze względu na przeznaczenie i funkcje pełnione w poszczególnych elementach obiektów budowlanych, określone wyroby i materiały budowlane wchodzą w skład różnych technologii budowlanych. Rozbudowując i konkretyzując udział materiałów budowlanych ze względu na przeznaczenie i zastosowanie przy realizacji obiektów budowlanych oraz ich poszczególnych ustrojów i elementów, można zastosować nastę- pujący podział [47,54]:

1) Grunty budowlane.

2) Spoiwa mineralne:

– cementy,

– spoiwa wapienne, – spoiwa gipsowe.

3) Woda do zapraw i betonów.

4) Kruszywa budowlane:

– naturalne kruszywa kamienne do betonu zwykłego, – kruszywa kamienne, łamane do betonu,

– kruszywa mineralne lekkie, – kruszywa do zapraw i wypraw.

5) Zaczyny i zaprawy budowlane:

– zaczyny budowlane, – zaprawy cementowe,

– zaprawy cementowo-wapienne, – zaprawy wapienne,

– zaprawy gipsowe i gipsowo-wapienne, – zaprawy szlachetne.

6) Betony zwykłe, konstrukcyjne i betony lekkie:

– beton jako tworzywo, – mieszanki betonowe, – masy betonowe, – beton towarowy,

– beton lekki ze sztucznych i naturalnych kruszyw.

7) Wyroby walcowane ze stali:

– walcówka i pręty gorąco walcowane, – kształtowniki gorąco walcowane, – kształtowniki gięte na zimno, – blachy stalowe.

8) Materiały drzewne i drewnopochodne:

– tarcica iglasta ogólnego przeznaczenia, – tarcica liściasta ogólnego przeznaczenia, – drewno klejone,

– płyty drewnopochodne, – sklejka szalunkowa.

9) Materiały ścienne:

– ceramiczne materiały ścienne, – pustaki betonowe,

– wyroby z betonów komórkowych, – materiały wapienno-piaskowe, – szklane wyroby ścienne, – gipsowe materiały ścienne, – kamienne materiały ścienne.

10) Materiały stropowe:

– pustaki ceramiczne, – pustaki i kształtki betonowe, – pustaki gipsowe,

– kształtki szklane.

11) Materiały izolacyjne:

– wyroby do izolacji przeciwwilgociowych,

– wyroby do izolacji cieplnych i przeciwdźwiękowych, – folie i kity chemoodporne,

– środki impregnacyjne i grzybobójcze.

12) Materiały dekarskie:

– materiały bitumiczne, – dachówki,

– płyty azbestowo-cementowe, – blachy,

– wyroby dekarskie z tworzyw.

13) Materiały elewacyjne:

– wyprawy tynkowe,

– warstwy elewacyjne ścian, murowane, – okładziny elewacyjne profilowane, – kamienne okładziny elewacyjne.

14) Materiały podłogowe:

– wyroby podłogowe z drewna,

– materiały podłogowe z tworzyw sztucznych i gumy, – wyroby podłogowe tekstylne,

– materiały podłogowe mineralne,

– listwy podłogowe i wykładziny stopni schodowych, – materiały pomocnicze do robót podłogowych.

15) Materiały okładzinowe:

– wyroby okładzinowe ceramiczne, – wyroby okładzinowe szklane, – materiały okładzinowe kamienne, – wyroby okładzinowe gipsowe,

– wyroby okładzinowe z tworzyw sztucznych, – tapety.

16) Materiały malarskie:

– pigmenty,

– podstawowe spoiwa farb wodorozcieńczalnych, – gotowe wyroby malarskie.

17) Materiały szklarskie:

– szkło płaskie ciągnione, – szkło płaskie Antisol,

– szkło płaskie walcowane surowe i wzorzyste, – szkło płaskie zbrojone gładkie i wzorzyste, – szkło płaskie zespolone,

– skrzydła drzwiowe ze szkła hartowanego.

18) Wyroby do instalacji i sieci wodociągowej i kanalizacyjnej.

19) Materiały i wyroby instalacyjne elektryczne.

20) Wyroby instalacyjne gazowe.

21) Wyroby instalacyjne telekomunikacyjne.

2.2. CECHY FIZYCZNE MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

W budownictwie stosuje się wiele różnych materiałów. Materiały te, aby mogły na- leżycie spełniać swe przewidziane funkcje w okresie eksploatacji budowli, muszą mieć pewne właściwości, które nazywamy cechami technicznymi. W budownictwie mamy do czynienia nie tylko z materiałami, których cechy techniczne są od dawna dobrze znane (tab. 2.1), ale również z materiałami nowymi, których cechy należy dopiero ustalić.

Na podstawie wieloletnich obserwacji zachowania się materiałów w różnych kon- strukcjach, różnej temperaturze i różnych warunkach pracy ustalone zostały wytyczne dla odbioru materiałów przydatnych dla budownictwa. Oprócz laboratoryjnych badań cech technicznych materiałów stosuje się również badania ich cech zewnętrznych – przede wszystkim badania makroskopowe, a w razie potrzeby nawet mikroskopowe. Użycie do budowy ścian niewłaściwej cegły ceramicznej może spowodować na ścianach wykwity, powstające np. w skutek wykrystalizowania się soli zawartych w tworzywie, z którego pro- dukowano cegłę. Nadmierna nasiąkliwość materiałów może spowodować, że w warunkach zimowych wskutek zamarzania zakumulowanej wody wystąpi rozsadzenie materiału.

Oprócz tego zwiększenie stopnia zawilgocenia materiału powoduje zmianę jego właściwo- ści cieplnych (wzrost przewodności ciepła) [38,46]. Ważne jest również sprawdzenie za- chowania się materiału w warunkach działania ognia. Przykłady takie można by mnożyć.

Wynika z tego konieczność bliższego zaznajomienia się z cechami technicznymi materiału.

Nasiąkliwość. Jest to zdolność pochłaniania wody przez materiał przy ciśnieniu atmos- ferycznym i jest jednym z decydujących czynników świadczących o przydatności mate- riału do celów budowlanych. Nasiąkliwość zależy od szczelności materiału, rodzaju porów (otwarte lub zamknięte) oraz ich wielkości. Im większa szczelność i więcej zam-

kniętych porów, tym bardziej materiał odporny jest na działanie czynników atmosfe- rycznych. Rozróżnia się nasiąkliwość: wagową, objętościową i względną.

Nasiąkliwość wagowa (masowa). Jest to stosunek masy wody pochłoniętej przez prób- kę materiału o masie mn, badanego pod ciśnieniem atmosferycznym, do masy próbki w stanie suchym ms. Badania przeprowadza się na próbkach o kształcie prawidłowym lub nieprawidłowym, zbliżonym do sześcianu o boku 4 do 7 cm. Nasiąkliwość wagową nw w % wyznacza się wg wzoru [46]:

s s n

w m

m n m −

= 100% (2.1)

Nasiąkliwość ma znaczny wpływ na przewodność cieplną materiału. Przyrost wil- gotności o 1% może zwiększyć przewodność cieplną o kilkanaście procent.

Nasiąkliwość objętościowa. Określa się ją (w procentach) stosunkiem objętości wody pobranej przez badany materiał do objętości tego materiału w stanie suchym. Nasycenie próbek materiału wodą może być wykonane albo tylko przez zanurzenie w wodzie lub dodatkowo w procesie gotowania w ciągu 3 godz. (nasiąkliwość wagowa po gotowa- niu). Nasiąkliwość objętościową oblicza się ze wzorów:

V m

n_o = mⁿ − ^s 100% (2.2)

V m n_og m^ng − ^s

= 100% (2.3)

gdzie:

mn – masa próbki nasyconej wodą bez gotowania, ms – masa próbki wysuszonej do stałej masy, mng – masa próbki nasyconej wodą po gotowaniu, V – objętość próbki.

Nasiąkliwość osiąga swoją najwyższą wartość nomax, gdy próbkę nasyca się w próżni lub gdy próbka przez dłuższy czas znajduje się we wrzącej wodzie. Nasiąkliwość objętościową materiału wchłaniającego wodę pod ciśnieniem niższym od atmosferycz- nego lub podczas gotowania określa się jako nasycalność.

Nasiąkliwość względna. Jest to stosunek nasiąkliwości objętościowej próbki po goto- waniu nog do jej porowatości p i określa się ze wzoru [38]:

p

n

= n

Stopień nasycenia. Stopień nasycenia próbek określa się ze wzoru

max o

o

n

k = n (2.5)

gdzie:

no – wg wzoru,

nomax – nasiąkliwość objętościowa po gotowaniu lub pod ciśnieniem niższym od atmosferycznego.

Stopień nasycenia ma znaczenie dla materiałów podlegających działaniu mrozu.

Gdy stopień nasycenia jest duży (powyżej 85%), wówczas woda, która przeniknęła do porów, nie mogąc pomieścić się w nich po zamarznięciu, rozsadza tworzywo.

Gęstość. Jest to masa jednostki objętości materiału Va bez uwzględnienia porów, wyra- żona w g/cm³ lub w kg/m³:

Va

= m

ρ ^, ₃

cm

g _(2.6)

gdzie:

m – masa próbki, g (kg),

Va – objętość próbki bez porów i kapilarów, cm³ (m³).

Pomiar gęstości wykonuje się za pomocą piknometru lub w objętościomierzu Le Chateliera, w którym dokładność pomiaru dla praktyki budowlanej jest wystarczająca.

Gęstość objętościowa. Jest to masa jednostki objętości badanego materiału wysuszone- go do stałej masy wraz ze znajdującymi się w nim porami i kapilarami. Określamy go ze wzoru:

n

o V

= m

ρ

cm

g _(2.7)

gdzie:

m – masa suchej próbki materiału, g (kg),

Vn – objętość próbki w stanie naturalnym, cm³ (m³).

Oznaczenie gęstości objętościowej próbek o kształcie nieregularnym odbywa się za pomocą metody hydrostatycznej.

Szczelność. Szczelność s określa się stosunkiem gęstości objętościowej materiału do jego gęstości:

ρ ρ

s= 100% (2.8)

Wartość szczelności oznacza, jaką część całkowitej objętości w procentach zajmuje masa badanego materiału bez porów, np.: dla szkła, stali s = 1, w przypadku materiału porowatego ≤ 1. Porowatość p materiału oznacza, jaką część całkowitej objętości w procentach stanowi objętość porów:

ρ ρ

ρ

p −

= 100% = (1 – s)100% = (1 )

ρ ρ

− ^{100% (2.9)}

Przewodność cieplna. Jest cechą charakteryzującą zdolność danego materiału do prze- wodzenia ciepła od jednej powierzchni do drugiej, jest ona określana współczynnikiem przewodności cieplnej λ [W/m · K]. Wartość współczynnika λ określa ilość ciepła przechodząc przez powierzchnię 1 m² przegrody grubości 1 metra w ciągu jednej go- dziny, w założeniu różnicy temperatury obu powierzchni ściany równej 1°C. Współ-

czynnik ten zależny jest od wilgotności, temperatury, porowatości, struktury materiału i składu chemicznego.

Dla materiałów stosowanych w budownictwie λ wynosi od 0,033 do 1,75 W/m·°C (dla betonów). Wartość λ ustala się np. za pomocą aparatów Bocka, Poensgena lub komo- ry klimatyzacyjnej. Opór cieplny przegrody jednolitej (jednorodnej) lub warstwy jednoli- tej przegród wielowarstwowych o stałej grubości oblicza się na podstawie wzoru [38,47]:

λ

R = d

w którym:

R – opór cieplny przegrody (warstwy) jednolitej o stałej grubości, w m²⋅K/W, d – grubość przegrody (warstwy), w m,

λ – współczynnik przewodzenia ciepła.

Opór cieplny przegrody budowlanej, składającej się z kilku warstw, jest równy sumie oporów przewodzenia ciepła przez poszczególne warstwy:

n n n

d d

R d R

R

R^{= 1 + 2 +...+ =}

λ

λ

λ

Oprócz oporu cieplnego, jaki stawia przepływającemu ciepłu materiał przegrody, wy- stępują:

– opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody – Ri = 0,12 [m²⋅K/W], – opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody – Re = 0,04 [m²⋅K/W].

Współczynnik przenikania ciepła przegród bez mostków termicznych ko należy obliczać według wzoru:

e i

o R R R

k = + 1+ _(2.12)

w którym:

Ri, Re – opory przejmowania ciepła, R – opór cieplny przegrody budowlanej.

Wilgotność: % zawartość wody w materiale:

W = (mw – ms )/ms (2.13) gdzie:

ms – masa próbki suchej, mw – masa próbki wilgotnej.

Nasiąkliwość: % zawartości wody w materiale:

– wagowa:

Nw = [(mn – ms )/ms ]100% (2.14)

gdzie:

mn – masa próbki nasyconej wodą, – objętościowa:

No = [( mn – ms )/Vs ]100% (2.15)

Przepuszczalność pary wodnej:

p Ft

md

= ∆

δ ^(2.16)

gdzie:

m – masa pary wodnej, d – grubość próbki, p – różnica ciśnień.

Współczynnik rozmiękania:

K =

s n

R

R _(2.17)

gdzie:

Rn – wytrzymałość w stanie nasycenia wodą, Rs – wytrzymałość w stanie suchym.

WŁAŚCIWOŚCI CIEPLNE

Przewodność cieplna: λ – współczynnik przewodności cieplnej to ilość ciepła przecho- dzącego przez badany materiał:

h t t F

b Q

) (₂− ₁

= ⋅

λ ^(2.18)

gdzie:

Q – ciepło, b – grubość, h – czas,

F – powierzchnia.

Zależy on od: wielkości i struktury porów, wilgotności materiału, gęstości pozor- nej, temperatury i składu chemicznego.

Współczynnik przenikania ciepła (przenikanie ciepła przez przegrodę):

U = ^_{ 2} ^_

W 

grubość przegrody m K

λ (2.19)

Opór cieplny:

R = grubość przegrody₌ ¹

λ U (2.20)

Im R jest większe tym „cieplejsza” ściana.

Rozszerzalność cieplna:

t l d_t l

∆

= ∆

0

(2.21) gdzie:

∆l – różnica długości na początku i końcu pomiaru,

l

∆t – różnica temp.

15 Tablica 2.1. Zestawienie zbiorcze fizycznych właściwości materiałów budowlanych [38] wysokiej

2.3. WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

Do charakterystycznych właściwości mechanicznych określanych dla (tab. 2.4 i 2.5) materiałów budowlanych należą:

• wytrzymałość na ściskanie,

• wytrzymałość na rozciąganie,

• wytrzymałość na zginanie,

• wytrzymałość na ścinanie, a także:

– twardość (odporność na wgniatanie), – ścieralność (odporność na ścieranie), – udarność (odporność na uderzenia), – sprężystość,

– kruchość.

Wytrzymałość na ściskanie (rc) – jest to największy opór, jaki stawia materiał siłom ściskającym, przeciwstawiając się zniszczeniu. Badanie wytrzymałości na ściskanie polega na przyłożeniu obciążenia, którego konsekwencją jest przybliżenie cząstek ciała do siebie. Wartość liczbowa tej wytrzymałości stanowi iloraz siły ściskającej, która spowodowała zniszczenie struktury materiału i powierzchni, na którą działa siła ściska- jąca. Wytrzymałość na ściskanie – (Rc) – jest to największe naprężenie, jakie wytrzy- muje próbka badanego materiału podczas ściskania. Określa się ją wzorem [38,47]:

Rc = Fⁿ

A [MPa] (2.22)

gdzie:

Fn – siła ściskająca (niszcząca) próbkę,

A – przekrój poprzeczny próbki ściskanej, prostopadły do kierunku działania siły.

Próbki do badania mają kształt sześcianów, prostopadłościanów lub walców.

O wytrzymałości na ściskanie decyduje kierunek działania siły w stosunku do włókien lub warstw materiału. W przypadku materiałów o niejednolitej budowie zależy ona także od stopnia zawilgocenia materiału i temperatury. Wartość wytrzymałości na ści- skanie materiałów budowlanych waha się w szerokich granicach: od 0,5 MPa – dla płyt torfowych, do 1000 MPa (1 GPa) i więcej – dla wysokogatunkowej stali (tab. 2.2).

Tablica 2.2. Wartości wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie niektórych materiałów [54]

Materiał Wytrzymałość na ściskanie [MPa] Wytrzymałość na rozciąganie [MPa]

Żeliwo

Stal budowlana zwykła Szkło

Ceramika porowata Drewno (wzdłuż włókien) Granit

Beton zwykły Tworzywa sztuczne

590 ÷ 980 294 ÷ 440 340 ÷ 980 4,9 ÷24,5 39,2 ÷ 59,0

118 ÷ 236 8,8 ÷ 59,0 5,9 ÷ 480

137 ÷ 176 294 ÷ 490 9,8 ÷ 77,5 0,2 ÷ 1,96 77,5 ÷ 147 4,4 ÷ 7,75 0,78 ÷ 4,90

88 ÷ 775

Wytrzymałość na rozciąganie (Rr) – jest to największy opór, jaki stawia materiał siłom rozciągającym, przeciwstawiając się zniszczeniu. Badanie wytrzymałości mate- riałów na rozciąganie polega na przyłożeniu siły, której konsekwencją jest oddalanie cząstek ciała od siebie. Wartość liczbowa wytrzymałości na rozciąganie stanowi iloraz siły rozciągającej powodującej rozerwanie materiału i powierzchni przekroju poprzecz- nego, na którą działa siła. Wytrzymałość na rozciąganie – (Rr) – jest to największe na- prężenie, jakie wytrzymuje próbka badanego materiału podczas rozciągania. Wyraża się ją następującym wzorem:

Rr = F^r

A ^{[MPa] (2.23)}

gdzie:

Fr – siła niszcząca próbkę, [N],

A – przekrój poprzeczny próbki rozciągającej, prostopadły do kierunku działa- nia siły, [m²].

Wytrzymałość na zginanie (Rz) – jest to największy opór, jaki stawia materiał siłom zewnętrznym powodującym zginanie, aż do jego złamania. Wartość liczbowa wytrzy- małości na zginanie stanowi iloraz niszczącego momentu zginającego do wskaźnika wytrzymałości przekroju elementu zginanego. Wytrzymałość na zginanie – (Rz) – jest to naprężenie, które określa stosunek niszczącego momentu zginającego do wskaźnika wytrzymałości przekroju elementu zginanego.

Rz = ^M

W [MPa] (2.24)

w którym:

M – moment zginający, [N·m], W – wskaźnik wytrzymałości, [m³].

Moment zginający wyznacza się w zależności od sposobu obciążenia belki. Jeśli siła (skupiona) niszcząca działa w środku rozpiętości (belki) badanej próbki między dwoma podporami, moment zginający M wynosi:

M =

4

Fl[N·m] (2.25)

w którym:

F – siła niszcząca, [N],

l – rozpiętość próbki między podporami, [m].

Jeśli natomiast na belkę (badaną próbkę) działa obciążenie ciągłe o wartości q [N/m], to wartość momentu zginającego wyznacza się wzorem:

M = ²

8 q l⋅

[N·m] (2.26) gdzie:

q – obciążenie ciągłe próbki materiału, [N/m], l – rozpiętość belki między podporami, [m].

Przy oznaczaniu wytrzymałości na zginanie zniszczenie materiałów zwykle za- czyna się w dolnej rozciąganej strefie. Jest to wynikiem tego, że w większości materia- łów (poza stalą i drewnem) wytrzymałość na ściskanie jest większa niż wytrzymałość na rozciąganie. Duża wytrzymałość na zginanie charakteryzuje materiały o wysokiej wytrzymałości zarówno na ściskanie, jak i na rozciąganie. Do tej grupy należą: drewno, stal, aluminium, co powoduje że dobrze pracują w konstrukcjach belki z tego rodzaju materiału.

Współczynnik rozmiękania (r_m) można wyliczyć ze wzoru:

Rm = Rw/Rc (2.27)

gdzie:

Rw – wytrzymałość na ściskanie próbki nasyconej wodą, Rc – wytrzymałość na ściskanie próbki suchej.

Podatność na rozmiękanie, wyznacza się przy pomocy współczynnika rozmięka- nia (k), który może być wyliczany z wykorzystaniem wartości wytrzymałości na ści- skanie, jak również na podstawie wartości wytrzymałości materiału na zginanie.

Podatność na rozmiękanie

Destrukcyjny wpływ wody na cechy wytrzymałościowe materiału określa się za pomocą współczynnika rozmiękania. Wyraża się go wzorem:

r = ^{c( n )}

c( s )

R

R lub r = ^{zg( n )}

zg( s )

R

R (2.28)

gdzie:

Rc(n), Rzg(n) – wytrzymałość na ściskanie (zginanie) próbki materiału w stanie nasycenia wodą, [MPa],

Rc(s), Rzg(s) – wytrzymałość na ściskanie (zginanie) próbki materiału w stanie suchym, [MPa].

Twardość – jest to odporność materiału na odkształcenie trwałe, wywołane wciskaniem w jego powierzchnię innego materiału o większej twardości. Im większa jest twardość, tym materiał jest trudniejszy w obróbce, a także odporniejszy na zarysowania po- wierzchni i zużycie pod wpływem działań mechanicznych. Twardość jest właściwością materiału charakteryzującą jego odporność na odkształcenia pod wpływem nacisku sił skupionych na jego powierzchnię. Od rodzaju materiału zależy sposób oznaczenia twardości. Najczęściej są stosowane metody statyczne, np. Brinella, Rockwella, oraz metoda dynamiczna Shore’a.

Dla materiałów kamiennych stosuje się np. skalę Mohsa. Metoda Janki służy okre- śleniu twardości drewna. Jej miarą jest wartość siły, która powoduje zagłębienie stalo- wej kulki na głębokość jej promienia w próbce. Twardość metali i tworzyw sztucznych mierzy się najczęściej metodą Brinella, polegającą na wciśnięciu kulki stalowej, a sto- sunek siły do pola odcisku na powierzchni próbki jest miarą twardości.

Nie ma prostej zależności między wytrzymałością a twardością. Materiały o róż- nych wytrzymałościach mogą mieć mniej więcej jednakową twardość. O wielkości twardości decyduje charakter wiązania, typ struktury i mikrostruktury materiału.

Sprężystość – jest to zdolność materiału do powracania do pierwotnej postaci po usu- nięciu siły zewnętrznej, która spowodowała odkształcenie materiału. Inaczej: spręży- stość – jest to zdolność materiału do przyjmowania pierwotnej postaci po usunięciu siły, pod wpływem której próbka materiału zmieniła swój kształt. Sprężyste właściwości materiału charakteryzuje współczynnik sprężystości E obliczany wg wzoru:

E =

ε

σ

w którym:

σ – naprężenie powstające przy (rozciąganiu lub) ściskaniu siłą Fn [kN] próbki o przekroju A [cm²], mianowane w [MPa], (Pa)

ε – odkształcenie sprężyste wywołane naprężeniem σ, obliczone ze stosunku zmiany długości ∆l do długości pierwotnej l, (wydłużenie względne wywo- łane przez naprężenie), bezmianowe [–],

natomiast:

σ = ε E = Fn/A [MPa], oraz: ε = ∆l / l *100% [%] (2.30) a w tym:

Fn – siła ściskająca (rozciągająca), [kN],

∆l – zmiana długości, [cm], A – pole przekroju próbki, [cm²], l – długość, pierwotna, [cm].

Kruchość (k) – przyjęto, że jest to stosunek wytrzymałości na rozciąganie (Rr) do wy- trzymałości na ściskanie (Rc). Wielkość tę oblicza się wg wzoru:

k = ^r

c

R

R ^(2.31)

Jeżeli wartość k < 1/8, to mamy do czynienia z materiałem kruchym (żeliwo, szkło, skały, beton zwykły, ceramika). Materiały kruche po przekroczeniu pewnej war- tości naprężenia ulegają zniszczeniu, nie wykazując żadnych odkształceń plastycznych.

Charakteryzują się dużymi różnicami wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie, np.

wytrzymałość na rozciąganie materiałów kamiennych wynosi 1/40 – 1/60 wytrzymało- ści na ściskanie. Kruche pękanie polega na zahamowaniu odkształcenia plastycznego przez spiętrzenie dyslokacji na przeszkodach (np. granica ziaren). Odpowiednia liczba dyslokacji jest przyczyną koncentracji naprężeń, które są źródłem powstawania ognisk mikropęknięć.

Ścieralność (s) – jest to podatność materiału na ścieranie. Ścieralność oznacza się na tarczy Böhmego, jako zmniejszenie wysokości próbki podczas badania normowego.

s = (M/A)*(1/ρ_p) [cm] (2.32)

gdzie:

M – strata masy próbki po 440 obrotach tarczy, [g], A – powierzchnia próbki, [cm²],

ρp – gęstość pozorna próbki, [g/cm³].

Inaczej ścieralność jest to podatność materiału do zmniejszenia objętości lub masy pod wpływem działania sił ścierających. Ścieralność zależy od budowy materiału, jego twardości i elastyczności. Miarą ścieralności jest pomiar strat na wysokości lub ubytku masy próbki w wyniku ścierania. Oznaczenie przeprowadza się w specjalnych apara- tach, takich jak wymieniona wyżej tarcza Boehmego dla materiałów kamiennych lub betonów, a także aparat Alpha dla drewna, aparat Stuttgart dla wyrobów podłogowych z tworzyw sztucznych, bęben Los Angeles dla kruszyw do nawierzchni drogowych.

Badaniu temu poddaje się materiały, które w warunkach eksploatacji w konstrukcjach budowlanych podlegają ścieraniu. Obejmuje ono materiały na podłogi, stopnie schodowe, nawierzchnie drogowe i lotniskowe, okładziny zbiorników na materiały sypkie.

Odporność na uderzenia. Jest to zdolność przeciwstawienia się nagłym siłom uderze- niowym. Określa się ją energią potrzebną do stłuczenia lub przełamania badanych pró- bek materiału. Właściwość ta jest ważna dla materiałów posadzkowych, okładzin, na- wierzchni drogowych i chodnikowych. Zależy ona głównie od struktury krystalicznej materiału.

2.4. BADANIA WYBRANYCH WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW 2.4.1. Badania materiałów budowlanych i elementów murowych

Właściwości i podział materiałów budowlanych i elementów murowych zostały szeroko omówione w wielu pracach [11,38,46,54,73,76], gdzie Autorzy podają najnow- sze klasyfikacje rodzajów i własności elementów murowych, zasady prowadzenia ich badań (nieniszczących i niszczących), a szczegółowo omawiają podstawowe badania cech pod względem wytrzymałości na ściskanie, rozciąganie i ścinanie. Charakteryzują też inne właściwości elementów murowych (nasiąkliwość, mrozoodporność, zawartość soli rozpuszczalnych, odporność na działanie kwasów lub zasad, rozszerzalność czerepu ceramicznego, odkształcalność termiczna) ważne dla potencjalnego użytkownika.

Wśród metod diagnostycznych w ostatnim czasie wiele uwagi poświęcane jest me- todom badań nieniszczących, z powodzeniem wykorzystywanych do oceny jakości półwyrobów, wyrobów końcowych, urządzeń i konstrukcji w budownictwie [11,46,73,76]. Do metod nieniszczących można zaliczyć: emisję akustyczną, metody ultradźwiękowe, metody termowizyjne, laserowe i inne. Metody ultradźwiękowe do badań murów mimo wielu prób napotykają na kłopoty wiążące się z dużą niejednorod- nością struktury muru.

Metoda ultradźwiękowa – użycie jej do badań muru komplikuje się z powodu jego niejednorodności strukturalnej – dostęp z dwu stron. Pomiar prędkości przepływu fali ultradźwiękowej integruje element murowy i zaprawę w materiał homogeniczny, tak jak zakłada się to w obliczeniach konstrukcji, w związku z czym uzyskany wynik dotyczy istotnie wytrzymałości muru.

Metoda Impact – Echo jest przydatna do ujawnienia ukrytych w konstrukcji wad i uszkodzeń – rysunek 2.1.

Rys. 2.1. Idea pomiaru w metodzie „impact-echo”

Monitorowanie rys powinno obejmować: położenie i przebieg rys, rozwarcie, głę- bokość i długość rysy, przesuw jej krawędzi, punkty zakończenia rozwidleń, zmiany kierunków tj.: wydłużenia rys istniejących i pojawienie się nowych. Przemieszczenia krawędzi rys w czasie obserwowane jest za pomocą wycechowanych wskaźników lub za pomocą suwmiarki – rysunek 2.2.

Rys. 2.2. Widok pomiaru rys w materiale

Metoda emisji akustycznej polega na rejestracji sygnałów akustycznych emitowa- nych w konstrukcji podczas niszczenia (rys. 2.3).

Rys. 2.3. Sygnał emisji akustycznej w badaniach wad konstrukcji

Nieniszczące badania stanu elementów murowych konstrukcji budowlanych – uzasadniają potrzebę poszukiwania nowych metod ich diagnozowania.

Stosowanymi najczęściej w budownictwie metodami nieniszczącymi są zatem ba- dania sklerometryczne (metoda pomiaru odcisku lub odskoku), impulsowe (ultradźwię- kowe i młoteczkowe) oraz wykorzystywane do lokalizacji zbrojenia metody radiolo- giczne i elektromagnetyczne [38,46,73]. Metoda sklerometryczna jest bardzo poręczna, ale za jej pomocą wyznaczyć można jedynie wytrzymałość cegły użytej do wykonania muru i jej jednorodność wytrzymałościową. Do tego celu metoda sklerometryczna jest w pełni przydatna.

Podstawowy problem to, jak zawsze w przypadku nieniszczących metod badania, należyte wyskalowanie przyrządu. Jest rzeczą charakterystyczną, że prędkość fal ultra- dźwiękowych przez mur jest bardzo bliska prędkości przechodzenia przez cegłę, co ułatwia skalowanie przyrządu [38,73,76]. Przy interpretacji wyników badań trzeba też zwrócić uwagę na wpływ czynników ubocznych, takich jak wilgotność i obciążenie muru [46,72,76].

Podstawowe wymagania stawiane elementom murowym wynikają wprost z kontroli produkcji elementów murowych, gdzie klasyfikuje się je jako elementy kategorii I lub II.

Do kategorii I zalicza się elementy murowe, których producent deklaruje, że:

– mają one określoną wytrzymałość na ściskanie,

– w zakładzie stosowana jest kontrola jakości, której wyniki stwierdzają, że prawdo- podobieństwo wystąpienia średniej wytrzymałości na ściskanie mniejszej od wy- trzymałości zadeklarowanej jest nie większa niż 5%.

Do kategorii II zalicza się elementy murowe, których producent deklaruje ich wy- trzymałość średnią, a pozostałe wymagania kategorii I nie są spełnione.

Badania wytrzymałości – próbki w postaci odwiertów o dowolnej średnicy. Próbki te wykonywane mogą być w kierunku pionowym i poziomym do płaszczyzny ściany (rys. 2.4).

Rys. 2.4. Odwierty badanych próbek

Najbardziej wiarygodną metodą określania wytrzymałości muru w istniejącej kon- strukcji jest zbadanie wytrzymałości próbek muru pobranych z konstrukcji. Normowe elementy próbne muru mają jednak stosunkowo duże wymiary i w związku z tym oko- liczności pobrania z istniejącej konstrukcji próbek muru o takich wymiarach jest moż- liwe rzadko. Dodatkową trudność stanowi transport wyciętych elementów próbnych w warunkach zapewniających, że elementy te nie rozsypią się w drodze na części. Kie- dy wycina się z muru próbki prostopadłościenne mniejszych wymiarów niż normowe, wytrzymałość ich przeliczyć trzeba na wytrzymałość normową. W tym celu niezbędne jest posłużenie się nie zawsze znanymi współczynnikami korekcyjnymi, ustalanymi statystycznie. Przedział wartości tych współczynników jest duży. Stosunek wytrzyma- łości próbki złożonej z dwóch elementów murowych do wytrzymałości normowej muru wahać się może od 1,3 do 1,8 [8], zależnie od wymiarów i wytrzymałości elementów murowych oraz grubości i wytrzymałości zaprawy.

W przypadku muru z nie perforowanych elementów murowych (cegła pełna, bloczki z betonu komórkowego) wycinać można odwiertnicami próbki walcowe z mu- ru, analogicznie jak w przypadku konstrukcji betonowych. Z natury rzeczy próbki takie zawierać powinny część elementu murowego i część spoiny, wypełnionej zaprawą, w związku z czym średnica próbek powinna być możliwie duża. W piśmiennictwie podawane są niekiedy dość optymistyczne oceny metody – nawet przy średnicy próbek

125 mm – kiedy próbki pobierane były w kierunku prostopadłym do spoin wspornych [46]. Obszerne badania stosunku wytrzymałości próbek średnicy 150 mm, pobieranych w kierunku prostopadłym do płaszczyzny ściany – a więc równoległym do spoin wspornych – do wytrzymałości muru, wyznaczonej na normowych elementach prób- nych, przeprowadził Wittig [46]. Próbki ściskane były po tworzącej, czyli w kierunku działania obciążenia w murze, a stosunek tak wyznaczonej wytrzymałości próbki do wy- trzymałości normowej muru wyznaczono na 0,83, niestety bez podania wielkości rozrzutu wyników, czyli dokładności oceny. Stwierdza się jedynie, że jest to metoda bardziej wia- rygodna niż metody nieniszczące, których błąd oceny szacuje się na do ± 30%. Z uwagi na dynamiczne działanie odwiertnicy wytrzymałość na ściskanie muru nie może być mniejsza niż 0,3 ÷ 0,5 MPa.

Badania odwiertów murowych prowadzić można w różny sposób, co nie pozostaje bez wpływu na uzyskane wyniki. Współczynniki korekcyjne próbki (wytrzymałość normowa muru) wyznaczać trzeba, posługując się normowymi elementami próbnymi.

Wartości częściowych współczynników bezpieczeństwa muru ustala się odpo- wiednio do kategorii kontroli produkcji elementów murowych oraz do kategorii wyko- nania robót na budowie. Rozróżnia się:

– kategorię A wykonania robót – kiedy roboty murarskie wykonuje należycie wyszko- lony zespół pod nadzorem majstra murarskiego i stosuje się zaprawy produkowane fabrycznie. Jeżeli zaprawy wykonywane są na budowie, kontroluje się dozowanie składników, a także wytrzymałość zaprawy, a jakość robót kontroluje osoba o od- powiednich kwalifikacjach, niezależna od wykonawcy,

– kategorię B wykonania robót – kiedy warunki określające kategorię A nie są speł- nione, w takim przypadku nadzór nad jakością robót może wykonywać osoba od- powiednio wykwalifikowana, upoważniona przez wykonawcę.

Decyzję o przyjęciu kategorii wykonawstwa podejmuje projektant konstrukcji od- powiednio do oceny wykonawcy potwierdzonej obserwacjami na budowie. Dla wyjąt- kowych sytuacji obliczeniowych, niezależnie od kategorii produkcji elementów muro- wych i kategorii wykonawstwa, można przyjąć: dla muru – γm = 1,3, dla zakotwień stali zbrojeniowej – γm = 1,15, dla stali zbrojeniowej – γm = 1,0.

Podstawową informacją dla analizy istniejącej konstrukcji jest znajomość modułu sprężystości muru. Zależność pomiędzy naprężeniem a odkształceniem charakteryzują wartości granicznych odkształceń εl i εu, które zaleca się przyjmować odpowiednio do wyników badań. Obecnie istnieją możliwości techniczne wykonywania odwiertów w ścianach o średnicy około 150 mm. Próbki pobrane do odwiertów wykonywane mogą być w kierunku pionowym lub poziomym do płaszczyzny pionowej ściany. Na podsta- wie badań można przyjąć, że zależności pomiędzy wytrzymałością określoną na prób- kach wyciętych z muru, a jego wytrzymałością charakterystyczną na ściskanie dla kie- runku poziomego i pionowego wynosi około: ƒk,mean = (0,75/0,83)ƒk,mean*m, gdzie:

ƒk,mean – średnia wytrzymałość na ściskanie uzyskana z odwiertów, m < 1 – współczyn- nik przyjmowany w zależności od stanu konstrukcji murowej.

W krajach Europy zachodniej i USA w celu oceny bezpieczeństwa istniejących konstrukcji murowych podejmuje się badania muru na ściskanie za pomocą poduszek ciśnieniowych (flat-jacks), wprowadzanych w spoiny poziome muru, opróżnione uprzednio z zaprawy. Szereg wiadomości na temat tej metody podano już w naszym piśmiennictwie, ale praktycznie nie znalazła ona dotychczas jeszcze zastosowania.

Odmienność metody w stosunku do klasycznej oceny bezpieczeństwa konstrukcji na

podstawie znajomości wytrzymałości muru polega na tym, że tutaj przedmiotem badań nie jest wytrzymałość muru, a możliwość bezpiecznego przeniesienia przez mur określo- nej siły, odpowiadającej przewidywanemu obciążeniu konstrukcji. Jest tu więc analogia do obciążenia próbnego konstrukcji, kiedy przedmiotem badania jest nie nośność kon- strukcji, a możliwość bezpiecznego przeniesienia określonego obciążenia konstrukcji.

Badania muru na ściskanie za pomocą poduszek ciśnieniowych (flat-jacks), wprowadzanych w spoiny poziome muru, po usunięciu z nich zaprawy (rys. 2.5).

Rys. 2.5. Istota metody „flat-jacks”

Stosowane do badań poduszki ciśnieniowe mają kształt prostokątny, o stosunku bo- ków 1:2 lub zaokrąglony, aby lepiej dopasować się do opróżnionego piłą tarczową miej- sca w spoinie. Poduszki wykonane są ze stali nierdzewnej o grubości 0,8 do 1,0 mm i mają grubość około 10 mm. Pole powierzchni poduszki wynosić powinno co najmniej 80 000 mm². Spoiny poziome, w które wprowadzane zostać mają poduszki ciśnieniowe, poróżnia się z zaprawy za pomocą piły tarczowej na głębokość nie mniejszą niż 2/3 grubości muru. Spoiny winny być oddalone od siebie 430 do 500 mm, co odpowiada w przybliżeniu długości poduszki. Na powierzchni muru wydzielonej przez spoiny, w których umieszczone są poduszki ciśnieniowe, nakleja się czopki służące do pomiaru (za pomocą tensometru nasadowego) odkształcenia muru pod działaniem naprężenia σp

wywołanego przez poduszki ciśnieniowe. Obie poduszki ciśnieniowe zasilane są przez jedną pompę. Naprężenia σp wywołane w murze wyznacza się ze wzoru: σp = Km · Ka · p, gdzie: Km – wartość stała uwzględniająca charakterystykę poduszki i sztywność spawane- go połączenia blach poduszki na obwodzie (wielkość tę wyznacza się, skalując poduszkę w prasie wytrzymałościowej), Ka – stosunek pola pustej spoiny (po usunięciu zaprawy) do pola poduszki, p – ciśnienie wywołane w poduszce przez pompę zasilającą.

Pomiary prowadzi się zwykle do naprężenia w murze odpowiadającego maksy- malnemu obciążeniu badanego elementu konstrukcji w przewidywanych warunkach użytkowania obiektu lub niewiele większego. Z reguły jest to naprężenie nieprzekracza- jące 0,5 szacowanej wytrzymałości muru. Badania można też doprowadzić do napręże- nia bliskiego wytrzymałości, ale nie zawsze jest to potrzebne z uwagi na cel badania, a ponadto przy większym wytężeniu – pojawiają się już rysy na murze.

W trakcie badania prowadzony jest pomiar odkształceń muru. Wyraźne odchyle- nie wykresu σ(ε) od prostej jest – obok pojawienia się rys w murze – oznaką znacznego wytężenia muru i powoduje zwykle przerwanie badań.

σp=Km ∗Ka∗p

Drogą, jaką postępuje się najczęściej w praktyce, jest ocena wytrzymałości muru istniejącej konstrukcji na podstawie znajomości wytrzymałości na ściskanie elementów murowych fB i zaprawy fm. Dodatkowymi czynnikami, które uwzględnić trzeba przy ocenie wytrzymałości muru to jego struktura, a więc prawidłowość wiązania elemen- tów, obecność lub brak spoiny podłużnej w murze grubość spoin wspornych itp.

W myśl PN-B-03002:1999 wytrzymałość charakterystyczną muru na ściskanie fk wy- znacza się ze wzoru: f_k = ⋅K f_b^{0,65 0,25}f_m , gdzie: K – współczynnik wyznaczany empirycz- nie, fb – „znormalizowana” wytrzymałość na ściskanie elementów murowych – iloczyn wartości fB i wartości δ – podanego w PN-B-03002:1999 współczynnika sprowadzają- cego wartość fB do wytrzymałości kostki fb o boku 100 mm, fm – wytrzymałość na ści- skanie zaprawy.

Jak wynika z powyższego, decydujące znaczenie dla wytrzymałości muru ma wy- trzymałość na ściskanie elementów murowych. Dwukrotny wzrost wartości fb powoduje wzrost fk o 57%, a dwukrotny wzrost wartości fm – tylko o 19%, czyli trzy razy mniej.

Przy ocenie wytrzymałości muru na ściskanie trzeba więc przede wszystkim starać się ocenić możliwie dokładnie wartości fb.

Najbardziej wiarygodną metodą, jakkolwiek nie zawsze możliwą do zastosowania, jest wyjęcie elementu murowego z badanej konstrukcji i wyznaczenia wartości fB zgod- nie z wymaganiami normy. W przypadku nieperforowanych elementów murowych zamiast wyjmować cały element można pobrać odwiertnicą próbkę walcową materiału, z którego wykonane zostały elementy murowe i na tej podstawie wyznaczyć wytrzyma- łość fB elementu murowego. Średnica próbek wynosi zwykle 50-60 mm, a współczyn- nik korekcyjny, przeliczający wytrzymałość próbki na wytrzymałość cegły fB wynosi 0,90 [49]. Błąd oceny wartości fB – ± 10 ÷ 15%. Wytrzymałość cegły można badać także młotkiem Schmidta po jego wyskalowaniu, a młotek Poldiego jest do tego celu nieprzydatny [11,73].

Wytrzymałość zaprawy na ściskanie ustala się z reguły „na wyczucie”, skrobiąc ją ostrym narzędziem, albo wykorzystując badania przyczepności zaprawy do elementów murowych – metodą „pull-off”(rys. 2.6).

Rys. 2.6. Badania przyczepności zaprawy

Podobnie, oglądając tylko i postukując młotkiem, ustala się zwykle także fB pusta- ków (PN-B-03002:1999). Niezbędna jest w tym celu jednak dostateczna znajomość rodzaju pustaków, stosowanych w budownictwie w latach, kiedy wznoszono budynek.

Z natury rzeczy obowiązuje ocena fB z odpowiednim zapasem z uwagi na możliwość błędu ± 30 ÷ 50%. Alternatywą – w przypadku, kiedy ocena „na wyczucie” nie jest dostateczna – jest wyjęcie pustaka z muru.

Odmienną metodą badania możliwości bezpiecznego przeniesienia przez ścianę określonej siły, odpowiadającej przewidywanemu obciążeniu konstrukcji jest poddanie ściany ściskaniu za pomocą płaskich poduszek ciśnieniowych (flat-jacks), wprowadza- nych w poziome spoiny muru, opróżnione uprzednio z zaprawy – rysunek 2.5 [46].

Poduszki ciśnieniowe wykonane są ze stali nierdzewnej grubości 0,8 do 1,0 mm, a same mają grubość około 10 mm. Obie poduszki, górna i dolna, zasilane są przez jedną pom- pę. Spoiny poziome, w które mają być wprowadzone poduszki, opróżnia się z zaprawy za pomocą piły tarczowej na głębokość nie mniejszą niż 2/3 grubości muru. Spoiny oddalone od siebie są od 430 do 500 mm, co odpowiada w przybliżeniu długości po- duszki. Obciążenie prowadzi się aż do wywołania w murze naprężeń, odpowiadających maksymalnemu przewidywanemu obciążeniu konstrukcji, mierząc jednocześnie od- kształcenia muru. Wyraźne wychylenie wykresu σ(ε) od prostej, a także pojawienie się rys w murze jest oznaką znacznego wytężenia muru i oznacza z reguły przerwanie dal- szego badania. Naprężenia σp można uważać za naprężenia w stanie jednoosiowym, a błąd ich oszacowania wynosi około 15%.

Przedstawioną metodyką można posłużyć się również, kiedy znana jest wytrzyma- łość na ściskanie elementów murowych (np. na podstawie pobranych odwiertów z ele- mentów murowych) i wytrzymałość zaprawy (np. na podstawie próby młotkiem murar- skim), a także – warunek niezbędny – współczynnik zmienności ν_x (np. metody ultradźwiękowej). Wytrzymałość charakterystyczną muru fk wyznaczyć można, posłu- gując się danymi z PN-B-03002:1999 stanowiącymi uogólnienie zebranych wyników badań. Wartości te ustalone zostały dla murów z cegły (elementy murowe grupy 1) przy ν_x = 0,15, a dla murów z pustaków i podobnych elementów murowych grupy 2 – przy νx = 0,22 [12]. Kiedy wartości νx ustalone na podstawie badań diagnostycznych są inne niż 0,15 wzgl. 0,22, wartości fk podane w PN-B-03002:1999 trzeba skorygować.

Badania wytrzymałości muru na ścinanie wzdłuż spoin metodą – „In situ”.

Rys. 2.7. Idea metody „in-situ”

Kiedy brak jest danych dotyczących jednorodności wytrzymałościowej muru, utożsamia się ją zwykle z jednorodnością wytrzymałościową elementów murowych, ustalaną najczęściej za pomocą badań sklerometrycznych.

2.4.2. Badania wybranych właściwości materiałów Badania materiałów budowlanych dzielimy na:

a) badania laboratoryjne – wymagają specjalistycznego sprzętu i wyszkolonego per- sonelu, okresowość badań laboratoryjnych to ok. 2-3 miesiące,

b) sprawdzenie cech zewnętrznych – proste badania, które może wykonywać prak- tycznie każdy (producent, hurtownik, kierownik budowy), stosując się do odpo- wiednich norm, producent musi codziennie sprawdzać jakość swoich wyrobów.

Procedura badań cech zewnętrznych – z każdej badanej partii materiału losuje się próbki w ilości określonej w normie (5/10/15) i odkłada je w słupy (np. pustaki DZ-3), palety (cegły, pustki ścienne) lub stosy (p. Ackermana, rurki drenarskie). Z tych odło- żonych próbek losuje się „na ślepo” (tzn. nie sugerując się wyglądem zewnętrznym próbek) po jednej próbce z każdego stosu, palety bądź słupa.

Oględziny próbek polegają na sprawdzeniu:

– kształtu, wymiaru i grubości żeber, – wielkości, liczby rys i pęknięć,

– wad powierzchniowych (plamy, zgrubienia, bruzdy), – wzajemnych prostopadłości powierzchni krawędzi, – barwy i jej jednolitości,

– deformacji ścian wewnętrznych otworu rurki, – dźwięku (poprzez uderzenia młotkiem),

– przełomu (badanie to świadczy o jednorodności masy), – liczby wyrobów połówkowych.

Procedura badań laboratoryjnych – z każdej dziennej partii materiału wybiera się

„losowo” 3 sztuki i odkłada w suche, zadaszone miejsce. Badania w laboratorium prze- prowadza się średnio, co 2-3 miesiące. Po tym czasie wybiera się „na ślepo” próbki w ilości, która zależy od rodzaju badań i tak do badania:

– masy i gęstości – 6 szt,

– nasiąkliwości – 6 szt, dopuszczalne wyniki zależą od grupy i klasy wyrobów, – mrozoodporności – 6 szt,

– odporności na zmianę temperatur – 7 szt. (dot. pustaków do przew. spalinowych), – szkodliwej działalności marglu – 5 szt,

– obecności soli rozpuszczalnych – 4 szt.

Oznaczanie cech fizycznych materiałów budowlanych

Oznaczanie gęstości – przeprowadza się – zależnie od stopnia wymaganej dokład- ności – w piknometrze (pomiar dokładny) lub w objętościomierzu Le Chateliera, które- go budowę przedstawiono na rysunku 2.8.

Rys. 2.8. Objętościomierz Le Chateliera

Przed przystąpieniem do oznaczania gęstości należy przygotować próbkę materia- łu. W tym celu z różnych miejsc danego materiału odłupuje się kawałki (okruchy) o łącznej masie ok. 500 g. Całą próbkę rozciera się na proszek i przesiewa przez sito tkane o wymiarze boku oczka 0,5 mm. Po dokładnym wymieszaniu masę próbki, zmniejszonej przez kwartowanie (ćwiartowanie) do ok. 130 g proszku, ponownie się rozdrabnia, tak, aby całość przeszła przez sito o boku oczka 0,08 mm. Następnie po wsypaniu próbki do parownicy suszy sie ją w suszarce w temperaturze 105 ÷ 110°C do stałej masy. Po ostygnięciu proszek wsypuje się małymi porcjami do objętościomierza Le Chateliera napełnionego benzenem lub spirytusem skażonym. Ciecz przed wsypa- niem proszku powinna sięgać poziomu zerowego. Proszek wsypuje się tak długo, aż ciecz osiągnie poziom 20 cm³. Pozostałość proszku się waży i z różnicy mas określa się ilość proszku wsypanego do objętościomierza. Ze stosunku masy wsypanego proszku do jego objętości "absolutnej" wyznacza się wartość gęstości. Należy wykonać dwa oznaczenia i za wynik badania przyjąć średnią arytmetyczną z tych oznaczeń. Różnica pomiędzy wynikami dwóch oznaczeń, które podlegają uśrednieniu, nie powinna być większa niż 0,02 g/cm³. Poniżej w tablicy 2.3 przedstawiono charakterystyczne wartości gęstości właściwej dla różnych materiałów budowlanych [38].

Tablica 2.3. Przykładowe wartości gęstości właściwej

Oznaczanie gęstości pozornej – przeprowadza się następującymi metodami:

– bezpośrednią na próbkach regularnych, jeżeli uwarstwienie, pęknięcia i inne cechy strukturalne nie stanowią przeszkody w uzyskaniu próbki o kształcie prostej bryły geometrycznej,

– hydrostatyczną, gdy materiał nie odpowiada wymaganiom poprzedniego punktu.

Do oznaczenia gęstości pozornej metodą bezpośrednią przygotowuje się sześć próbek w kształcie sześcianu lub walca. Bok sześcianu lub wysokość i średnica walca powinny wynosić ok. 50 mm. Próbka może mieć też postać prostopadłościanu o wymia- rach boków 40 ÷ 60 mm. Każdą próbkę suszy się w temperaturze 105÷110°C do stałej masy i waży z dokładnością do 0,02 g. Wymiary próbki mierzy się z dokładnością do 0,1 mm i oblicza objętość próbki z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku.

Określając gęstość pozorną materiału metodą hydrostatyczną – z partii badanego materiału należy wybrać sześć próbek o kształcie nieregularnym, jednak zbliżonym do graniastosłupa lub sześcianu o wymiarach 40 x 60 mm. Łączna masa próbek nie może być mniejsza niż 0,25 kg. Wszystkie próbki należy oczyścić z gliny, kurzu itp. zanie- czyszczeń oraz ponumerować farbą niezmywalną w wodzie. Następnie próbki wysu- szone do stałej masy w temperaturze 105 ÷ 110°C nasyca się wodą do stałej masy. Po nasyceniu wodą każdą próbkę przeciera się lnianą ściereczką i następnie waży z do- kładnością do 0,02 g w powietrzu (m1) oraz całkowicie zanurzoną w zlewce z wodą na wadze hydrostatycznej (m2). Objętość próbki V oblicza się według wzoru:

(

)

V cm

ρ ^{ }

=   (2.33)

w którym:

m1 – masa próbki zważonej w powietrzu, [g],

m2 – masa próbki zważonej na wadze hydrostatycznej, [g], ρ – gęstość wody, g/cm³ (przyjmuje się ρ = 1 g/cm³).

Oznaczanie gęstości pozornej dla materiałów sypkich, takich jak żwir czy tłuczeń prze- prowadza się w następujący sposób: około 10 kg luźno nasypanego materiału (np. kru- szywa) suszy się do stałej masy w temperaturze 105 ÷ 110°C i waży się z dokładnością do 1 g. Po ostygnięciu kruszywo wsypuje się do metalowego objętościomierza ukazanego na rysunku 2.9, potrząsając i ubijając ubijakiem. Podziałka zakończona jest tarczą, która opiera się na powierzchni materiału luźno nasypanego. Objętość wsypanego materiału wskazuje na podziałce poprzeczka opierająca się z góry na krawędziach cylindra.

Rys. 2.9. Oznaczanie gęstości pozornej dla materiałów sypkich