ZESZY TY N A U K O W E PO L IT EC H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: B U D O W N IC T W O z.89
2000 N r kol. 1482
Łukasz D R O B IEC
BADANIA NOŚNOŚCI NA ŚCISKANIE MURÓW ZE ZBROJENIEM W SPOINACH WSPORNYCH
Streszczenie. W referacie przedstaw iono w yniki badań zbrojonych m urów ściskanych.
B adaniu poddano elem enty próbne w ykonane z cegły pełnej n a zapraw ie cem entowo- wapiennej o stosunku cem entu, w apna i piasku 1: 1: 6. Zbrojenie w postaci dw óch prętów gładkich o średnicy 6 m m um ieszczono w co szóstej spoinie w spom ej. O trzym ane wyniki badań porów nano z rezultatam i uzyskanym i dla m odeli niezbrojonych. B adania pozw oliły na określenie w pływ u zbrojenia n a nośność na ściskanie oraz m oduł sprężystości m uru. Ponadto pom iar odkształceń za p o m o c ą tensom etrów um ożliw ił w yznaczenie poziom u w ytężenia zbrojenia w ściskanym murze.
INVESTIGATIONS OF COMPRESSIVE STRENGTH OF MASONRY WITH BED JOINT REINFORCEMENT
Sum m ary. The results o f the investigations o f com pressed reinforced m asonry are pre
sented in this paper. Investigations w ere m ade on test specim ens, w hich w ere executed from clay brick and cem ent-lim e m ortar on relation o f cem ent, lim es and o f sand 1: 1: 6. As rein
forcem ent tw o sm ooth roads o f 6 m m in diam eter in every sixth bed jo in t w ere used. R e
ceived results o f investigations w ere com pared w ith results obtained for m odels un
reinforced. The investigations m ade it possible to determ ine the influence o f reinforcem ent on com pressive strength and m odulus o f elasticity o f m asonry. B esides m easurem ent o f defor
m ations w ith strain gauge m ade it possible to delim itation the level o f strain o f reinforcem ent in com pressed wall.
1. Wprowadzenie
K onstrukcje m urow e znane s ą od stuleci, a pierw sze w zm ianki o zastosow aniu w nich zbrojenia p o chodzą z początku ubiegłego w ieku, kiedy to brytyjski inżynier M arc Brunei w 1813 r. w ykonał zbrojony m urow any kom in pew nych zakładów przem ysłow ych w pobliżu Londynu [1], W Polsce pierw sze inform acje o zbrojonych m urach znaleźć ju ż m ożna w pu
blikacji W. A dam skiego [2] z 1949 r. O becnie m ury ze zbrojeniem w spoinach w spom ych stosuje się najczęściej w elem entach zginanych, takich ja k nadproża [1, 3, 4, 5], w elem entach ściskanych o m ałym przekroju (filarki m iędzyokienne i słupy) [6, 7] oraz w celu połączenia nieprzew iązanych ścian w zajem nie prostopadłych [3, 4, 5], Ponadto niektórzy producenci
elem entów m urow ych zalecają profilaktyczne stosowanie tego typu zbrojenia, szczególnie w m urach nośnych obiektów narażonych na działanie w pływ ów sejsm icznych bądź parasej- sm icznych. Z brojenie to często w ykorzystyw ane je st w ięc rów nież w elem entach obciążonych głów nie pionow o. P ozytyw ny je g o w pływ , poprzez ograniczenie odkształceń, na nośność na ściskanie elem entów o m ałym przekroju je s t niepodw ażalny, co znalazło sw oje odzw iercie
dlenie w kolejnych edycjach norm y murowej. Inaczej być m oże w ścianach m urow anych, których szerokość je s t znacznie w iększa od grubości, a odkształcenia są ju ż często ograniczo
ne przez prostopadłe ściany usztyw niające. Ponadto w prow adzenie w spoiny karbu w postaci prętów stalow ych o większej sztyw ności zam iast w zm acniać m oże rów nież osłabiać kon
strukcję.
W prezentow anych badaniach określono w pływ zbrojenia na nośność m urów poddanych obciążeniom pionow ym . Zastosow ano m ożliw ie największe średnice prętów przy m inim al
nym procencie zbrojenia. Porów nano w ytrzym ałość na ściskanie i m oduł sprężystości ele
m entów zbrojonych i niezbrojonych oraz w yznaczono siły rozciągające w prętach zbrojenio
wych.
2. Elementy badawcze
Elem enty badaw cze w ykonano z cegły pełnej na zapraw ie cem entow o-w apiennej o sto
sunku cem entu, w apna i piasku 1 : 1 : 6 . Badaniom poddano dwie serie elem entów badaw czych oznaczonych ja k o A i B. Seria A obejm ow ała sześć elem entów niezbrojonych, a seria B sześć elem entów ze zbrojeniem w spoinach w spom ych. Elem ent badaw czy serii A pokaza
no na rys. 1.
Rys. 1. Element badawczy serii A F ig .l. Test specimen o f A series
B adania nośności na ściskanie murów.. 33
K ształt elem entów badaw czych serii B, ze zbrojeniem um ieszczonym w nieprzew iązanych spoinach w spom ych, był identyczny ja k elem entów serii A. Zbrojenie w ykonano w postaci dwóch prętów gładkich o średnicy 6 m m ze stali nierdzewnej 1H18N9T, układanych w co szóstej spoinie poziom ej (procent zbrojenia około 0,05% ). Pręty um ieszczono we w zajem nym rozstaw ie co 13 cm. W celu zapew nienia należytego zakotw ienia i uniem ożliw ienia poślizgu na końcach prętów przyspaw ano odcinki płaskow nika grubości 6 mm. W idok elem entu ba
daw czego serii B i szczegóły rozm ieszczenia zbrojenia pokazano na rys. 2.
Rys.2. Element badawczy serii B Fig.2. Test specimen o f B series
W szystkie elem enty badano w jed n y m cyklu aż do zniszczenia. Pom iaru odkształceń do
konyw ano co 150 kN za pom ocą czujników indukcyjnych na bazie pom iarow ej 60 x 60 cm (rys. 1 i 2). Pom iaru odkształceń prętów zbrojeniow ych dokonano za p om ocą tensom etrów foliow ych naklejonych w środku ich długości.
B adania m ateriałow e polegały n a w yznaczeniu w ytrzym ałości na ściskanie i zginanie za
prawy w g w y ty czn y ch norm y PN -85/B -04500 [8] oraz w ytrzym ałości na ściskanie cegły wg zaleceń daw nej norm y krajow ej PN -70/B -12016 [9], Ponadto badaniu poddano rów nież pręty zbrojeniow e. W yznaczono siłę zryw ającą, w ytrzym ałość na rozciąganie i granicę plastyczno
ści stali. D odatkow o za p o m o cą ekstensom etru określono rów nież m oduł sprężystości stali.
3. Badania towarzyszące
N a w ykonanie w szystkich elem entów badaw czych potrzebnych było 19 zarobów zaprawy.
Z każdego zarobu pobrano po trzy próbki do badań. U średnione wartości w ytrzym ałości na zginanie i ściskanie ze w szystkich zarobów zaprawy oraz w ytrzym ałości na ściskanie z sze
ściu próbek cegły zestaw iono w tabl. 1. D odatkow o uzyskane z poszczególnych zarobów za
prawy w artości w ytrzym ałości pokazano na w ykresie na rys. 3.
Tablica 1 W yniki badań zapraw y i elem entów m urow ych
W Y Z N A C Z A N A W A R T O Ś Ć
Z A PR A W A C E G Ł A
PN -85/B-04500 [8] PN -70/B-12016 [9]
l i
|- .125_JV"
W ytrzym ałość na ściskanie [MPa] 7,2 47,2
W spółczynnik zm ienności [%] 6,6 6,2
W ytrzymałość na zginanie [MPa] 2,4 -
W spółczynnik zm ienności [%] 5,5
-
Q_
2 4 .
2 ■ 1 -■
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 --- — . . z a r ó b z a p r a w y
□ w y trz y m a ło ś ć na zginanie ■ w y tr z y m a ło ś ć na ś c iska n ie
Rys.3. W ytrzymałość na zginanie i ściskanie zaprawy Fig.3. Mortar bending and compressive strength
U zyskane z badań 6 prętów zbrojeniow ych wartości siły zryw ającej, w ytrzym ałości na rozciąganie, granicy plastyczności i m odułu sprężystości podano w tablicy 2.
B adania nośności n a ściskanie murów.. 35
Tablica 2 W yniki badań stali zbrojeniowej
PARAMETR Siła
zrywająca
Wytrzymałość na rozciąganie
Granica pla
styczności
Moduł sprę
żystości
WARTOŚĆ 23,1 kN 817 M Pa 760 M Pa 204 000 M Pa W SPÓŁCZYNNIK
ZMIENNOŚCI 0,9 % 0,9 % 0,7 % 1 ,2 %
j
4. Badania zasadnicze i analiza wyników
U średnione w artości w ytrzym ałości na ściskanie, m odułu sprężystości i w spółczynnika Poissona uzyskane z badań m odeli serii A i B zestaw iono w tablicy 3. Przebiegi zależności naprężenie - odkształcenie dla niezbrojonych elem entów badaw czych pokazano na rys. 4, a dla m odeli zbrojonych n a rys. 5.
Tablica 3 W yniki badań elem entów badaw czych serii A i B
W Y Z N A C Z A N A W A R T O Ś Ć
S E R IA A S E R IA B
fi jjl
W ytrzym ałość na ściskanie [MPa] 14,11 16,22
W spółczynnik zm ienności [%] 3,9 2,2
M oduł sprężystości [MPa] 13 600 14 400
W spółczynnik zm ienności [%] 8,0 7,7
W spółczynnik Poissona 0,2 0,15
W spółczynnik zm ienności [%] 14,5 12,5
Rys.4. Zależność o - e dla elem entów badawczych serii A Fig.4. ct - e relationship for A series
Rys.5. Zależność a - e dla elem entów badawczych serii B Fig.5. cr - e relationship for B series
W prezentow anych w tablicy 3 oraz na rys. 4 i 5 w ynikach badań serii A i B widać nie
znaczne różnice. Ś rednia w artość nośności na ściskanie dla zbrojonych m odeli serii B je st o około 15% w yższa n iż nośność modeli niezbrojonych. U zyskany w zrost zw iązany je st ze znacznym zm niejszeniem przez stal zbrojeniow ą odkształceń m odeli w kierunku podłużnym . Elem enty niezbrojone serii A niszczyły się bowiem w sposób klasyczny poprzez podział na pionow e słupki, natom iast w m odelach serii B stal zbrojeniow a istotnie ograniczyła zaryso
w anie na pow ierzchniach bocznych. W elem entach ze zbrojeniem rysa niszcząca przebiegała
B adania nośności na ściskanie murów. 37
zaw sze w zdłuż w ew nętrznej pionow ej spoiny nieprzew iązanej. W idok typow ego zarysow ania elem entów obu serii pokazano na rys. 6.
Rys.6. Typow y obraz zarysowania elem entów badawczych: a) niezbrojonych, b) ze zbrojeniem Fig.6. Typical picture o f scratch o f investigative elements: a) un-reinforced, b) reinforced
N ieznaczne zarysow anie płaszczyzn bocznych zbrojonych elem entów badaw czych serii B w stosunku do zarysow ania m odeli niezbrojonych m ożna zobrazow ać na w ykresie na rys. 7, gdzie pokazano w ydłużenie poziom ych czujników bazy pom iarowej pod w pływ em naprężeń ściskających.
18,0
16,0
14.0
12.0
Ł 10.0
— 8,0 t> 6,0 4.0
2.0
0,0
0,0000 0,2000 0,4000 0,6000 0,8000 1,0000 1,2000 1,4000 1,6000
seria A seria B | w ydłużenie [mm]
Rys.7. W ydłużenie poziom e m odeli serii A i B Fig.7. Horizontal extension m odels o f A and B series
Pierw sze rysy podczas badania m odeli serii A oraz B zaobserw ow ano w przedziale 0,55 4- 0,6 m aksym alnego naprężenia ściskającego. N a rys. 7 widać, że w tym w łaśnie prze
dziale następuje w yraźny w zrost w ydłużeń rejestrow any przez czujniki indukcyjne.
W m om encie zniszczenia elem entów niezbrojonych w ydłużenie uzyskane z pom iaru na bazie o długości 60 cm w ynosiło średnio około 1,4 m m i było ponad trzykrotnie większe od odpow iadającego m u w ydłużenia modeli ze zbrojeniem przy podobnym poziom ie naprę
żeń. Szerokość rysy, przechodzącej w środkowej części niezbrojonych elem entów badaw czych by ła średnio o 1 m m w iększa od rysy na płaszczyźnie bocznej m urów zbrojonych.
Zbrojenie w postaci prętów um ieszczonych w spoinach w spom ych m iało w ięc istotny w pływ na ograniczenie zarysow ania elem entów, przy czym należy pam iętać, że badanie w y
konano w jednoosiow ym stanie naprężenia, który w zasadzie nigdy nie w ystępuje w rzeczy
wistej konstrukcji. D latego w pływ tego typu zbrojenia na sposób zarysow ania i nośność na ściskanie w m urach ograniczonych w kierunku podłużnym słupami żelbetow ym i lub ścianami poprzecznym i będzie zapew ne nieco inny.
Interesujące w yniki w pływ u zbrojenia w spoinach w spom ych na nośność m uru na ściska
nie uzyskano w badaniach na uniw ersytecie w K arlsruhe [10]. Ściskaniu osiow em u poddano tam m ury z cegły pełnej zbrojone w łóknem szklanym i zbrojeniem w postaci dw óch prętów o średnicy 5 m m , połączonych poprzecznym i prętam i <j> 3 mm. Zbrojenie w łóknem szklanym nie dało efektów , a w przypadku zbrojenia prętam i tylko w jednej z trzech serii uzyskano w y
raźny, około 20% w zrost nośności.
W prezentow anych badaniach w artość m odułu sprężystości elem entów badaw czych ze zbrojeniem w spoinach w spom ych jest, podobnie ja k nośność, rów nież w iększa od wartości m odułu m urów serii A. Jednakże tu różnica je st niewielka, rzędu kilku procent. Zw iązane jest to m iejscem poprow adzenia siecznej, która zgodnie z zaleceniam i norm y murowej [11] po
w inna przechodzić przez punkty na krzyw ej ct-s odpow iadające naprężeniom 0 i 0,33 a max.
N iew ielkie różnice w początkowej fazie obciążenia pom iędzy uśrednionym i w ykresam i za
leżności naprężenie-odkształcenie dla obu serii badaw czych tłum aczą nieznaczne różnice w w artościach m odułu sprężystości. D opiero po uzyskaniu około 40% nośności w ykres o-e dla m urów niezbrojonych ulega w iększem u pochyleniu. W idok uśrednionych zależności naprę
żenie - odkształcenie dla serii A i B pokazano na rys. 8.
Badania nośności na ściskanie murów. 39
Rys.8. Uśrednione zależności naprężenie - odkształcenie dla modeli serii A i B Fig.8. Average stress — strain relationships for A and B series
W artość w spółczynnika P oissona w yznaczona dla elem entów serii B je s t natom iast nie
znacznie m niejsza od w artości uzyskanej z badań m odeli niezbrojonych, co zw iązane je st z mniejszymi odkształceniam i poziom ym i m urów ze zbrojeniem , jeszcze przed w ystąpieniem zarysowania.
Średnie odkształcenie stali zbrojeniow ej, określone za pom ocą pom iaru tensom etrycznego, wynosiło w chw ili tu ż przed zniszczeniem elem entów około l,3%o, a odkształcenie odczytane w chw ili zniszczenia m odeli około 2% o. N a rys. 9 przedstaw iono przebieg odkształceń stali zbrojeniowej w zależności od poziom u naprężeń ściskających w murze.
W pierw szym okresie obciążenia, gdy elem ent nie je st jeszcze zarysow any, zbrojenie pracuje nieznacznie, a dopiero po osiągnięciu około 70% nośności na ściskanie odkształcenia stali zaczynają narastać. O dkształcenia rzędu l,3%o rejestrow ane tuż przed zniszczeniem modeli odpow iadają sile rozciągającej 7,7 kN , a wartość odkształceń rów na 2%o, odczytana w chwili zniszczenia w yw ołana była siłą rozciągającą 11,9 kN. Siły te stanow ią odpow iednio około 30% i 50% siły zryw ającej pręty oraz 35% i 55% siły, przy której następuje uplastycznienie pręta. B adania tensom etryczne w ykazały w ięc, że m im o m inim alnego procentu zbrojenia na
prężenia w stali p rzekraczają nieznacznie 50% jej granicę plastyczności.
-te n so m e tr B-1 —o — tensom etr B -2 —A — tensom etr B -3 -te n so m e tr B -4 — t ensomet r B - 5 te n s o m e trB -6
0,0005 0,0015
Rys.9. Odkształcenia tensometrów w zależności od poziomu naprężeń ściskających w murze Fig.9. Steel strain in dependence on level o f masonry compressive stress
P odobne w artości naprężeń w stali uzyskano podczas badań na rozciąganie m urów zbrojo
nych, przeprow adzonych w Stanach Zjednoczonych [12]. W chwili zniszczenia próbek stal o w ytrzym ałości na rozciąganie 807 M Pa, przy procencie zbrojenia m uru 0,25% , w ykazyw ała odkształcenie rzędu 1,7 %o.
5. Wnioski
N a podstaw ie przeprow adzonych badań trudno je st szeroko w nioskow ać o w pływ ie zbro
je n ia um ieszczanego w spoinach w spom ych na nośność na ściskanie m uru z cegły pełnej.
N iem niej w yniki badań pozw alają stwierdzić, że:
□ Z brojenie spoin w spom ych w postaci dw óch prętów gładkich, w zajem nie niepo
w iązanych nie zm niejsza nośności m uru na ściskanie.
□ U zyskany 15% w zrost nośności m uru zbrojonego w stosunku do elem entów nie- zbrojonych zw iązany je s t z ograniczeniem przez stal odkształceń w kierunku po
dłużnym .
□ Z astosow anie zbrojenia znacznie ograniczyło zarysow anie płaszczyzn bocznych badanych elem entów oraz spow odow ało zm ianę sposobu zniszczenia elementu, przez rozłupanie m uru na dw ie części płaszczyzną przechodzącą przez spoinę po
dłużną.
B adania nośności n a ściskanie murów. 41
□ N aprężenia rozciągające w stali przekroczyły niew iele ponad 50% jej granicę pla
styczności.
□ N ależy się spodziew ać, że znacznie większy w zrost nośności uzyska się przez za
stosow anie typow ego zbrojenia strukturalnego, ja k rów nież i zbrojenia rozproszo
nego w postaci siatek o drobnych oczkach ż prętów o niew ielkich przekrojach.
LITER A TU R A
1. T im perm an P., Rice J. A.: B ed jo in t reinforcem ent in m asonry, Proceedings o f the Fourth International M asonry C onference, London, O ctober 1995, vol. 2, pp. 451 + 453.
2. A dam ski W.: M ury zbrojone, Inżynieria i B udow nictw o, nr 3, 1949, s. 111 -s- 118.
3. A m rhein J. E: R einforced m asonry engineering handbook, fifth edition updated, M asonry Institute o f A m erica, N ew Y ork 1998.
4. Schneider K. J., S chubert P., W orm uth R.: M auerwerksbau, 6 A uflage, W erner Verlag, D üsseldorf 1999.
5. B ouineau A.: M aconneries arm ees dans les joints horizotaux. Le m ur en europe du nord.
L 'u tilisatio n de la Pierre Tendre en 15 cm d'epaisseur, A nnales de L 'in stitu t Technique du B atim ent, n r 511, 1993.
6. D ajun D ., Juan Z., X izhao L.: Experim ental research on strength o f brick m asonry with new type transverse steel, Journal o f Building Structures, vol. 9, nr 1, 1988, pp. 53 + 58.
7. D ajun D.: S tudies on brick m asonry under com pression, M aterials A nd Structures, vol.
30, m ay 1997, pp. 247 + 252.
8. PN -85/B -04500, Zapraw y budow lane. B adania cech fizycznych i w ytrzym ałościow ych.
9. P N -70/B -12016, W yroby ceram iki budow lanej. B adania techniczne.
10. F lohrer C., H ilsd o rf H.K.: Enhanced ductility o f m asonry loaded in com pression, Pro
ceedings o f 6 th International Brick/B lock M asonry Conference, Rom e 1982, pp. 1 1 2 9 + 1 1 4 1 .
11. PN -99/B -03002, N iezbrojone konstrukcje m urow e. Projektow anie i obliczanie konstruk
cji.
12. A tkinson R.H ., H am m ons M .I.: Tension stiffening behavior o f reinforced m asonry, Jour
nal o f S tructural Engineering, vol. 123, no. 5, 1997, pp. 597 + 603.
Recenzent: Prof.zw .dr inż. B ohdan Lewicki
A bstract
R esearches o f com pressive strength, m odulus o f elasticity and Poison’s ratio o f masonry w ith bed jo in t reinforcem ent are presented in this paper. Test sam ples w as m ade from clay bricks and cem ent-lim e m ortar. As reinforcem ent two sm ooth rods o f 6 m m in diam eter, made from stainless steel, in every 6 bed jo in t was used (percentage o f reinforcem ent about 0,05%).
Elem ents w ere tested in hydraulic press. Readings o f load and displacem ent w ere m ade every 150 kN by m eans o f a dynam om eter and inductive sensors w ith an accuracy o f 0,002 mm.
A dditionally strain gauge m easurem ent o f reinforced bars deform ations w ere made. A ll sam ples w ere loaded continuously until their com plete destruction. Results o f investigations were com pared w ith results o f unreinforced samples.
It appeared that bed jo in t reinforcem ent with big stiffness does not dim inish m asonry com pressive stress. O btained 15% increase o f com pressive stress connected is w ith lim itation by steel o f deform ations in oblong direction. R einforcem ents are lim ited scratch o f surface side o f investigative elem ents. A ppointed level o f tensile stress in reinforced bars carried out about 50% tensile stress answ ering o f yield point o f steel.
