Naprawa ścian murowych

Zarysowania i spękania to najczęstsze uszkodzenia ścian murowych. Przyczyny ich powstawania wg [2] mogą być związane z:
– podłożem i sposobem posadowienia (niejednorodność podłoża, nierównomierne obciążenie gruntu, utrata stateczności podłoża, ruchy podłoża w gruntach wysadzinowych, szkody górnicze, zmiana warunków wodnych w gruncie),
– przeciążeniem (wywołanym wadliwym projektowaniem, wykonaniem, modernizacją lub zmianą funkcji obiektu),
–  czynnikami termicznymi (nierównomierna praca materiałów o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej w miejscu ich połączenia, nierównomierne nagrzewanie się fragmentów konstrukcji),
– skurczem i pęcznienie,
– wpływami dynamicznymi i wyjątkowymi (wstrząsy górnicze, drgania wzbudzane przez ruch pojazdów i maszyn przemysłowych, wstrząsy wywołane robotami budowlanymi – wbijanie pali, zagłębianie ścianek szczelnych).
Uszkodzenia wywołane są zazwyczaj kilkoma, wzajemnie powiązanymi przyczynami i mogą doprowadzić do obniżenia wartości użytkowej budowli, a nawet do jej awarii.

Rys. 1. Wzmocnienie ściany prętami stalowymi. 1 – pręt stalowy.

Metody naprawy zarysowanego muru
Często usuwanie przyczyn wywołujących zarysowania i spękania jest nieopłacalne lub niemożliwe. Aby usunąć lub zniwelować skutki zarysowania i spękania murów można:
– zmienić sztywność budynku przez zastosowanie wieńców, gorsetów lub dylatacji,
– ingerować w schemat statyczny pracy konstrukcji wywołując korzystniejsze przekazywanie sił na poszczególne elementy,
– wykonać przemurowania uszkodzonych fragmentów ścian,
– wykonać iniekcje powstałych rys,
– zastosować tynki zbrojone,
– zamontować stężenia murów w postaci ściągów i belek stalowych,
– stosować obejmy stalowe i żelbetowe w przypadku zarysowania filarków,
– zbroić spoiny zarysowanych fragmentów muru prętami stalowymi [2].

Rys. 2. Uproszczony model fragmentu muru wzmocnionego prętami.

Naprawa za pomocą zbrojenia
Zarysowane i spękane ściany murowe wzmacnia się między innymi przez zbrojenie spoin prętami stalowymi na zaprawie cementowej, przy czym ich średnica nie powinna przekraczać 10 mm ze względu na szerokość spoin i maksymalne wykorzystanie nośności pręta, wynikającej z przyczepności zaprawy oraz obwodu i długości pręta. Przed wzmocnieniem elementu wypełnia się zaprawą cementową wszystkie rysy i spękania, następnie usuwa tynk z obu stron ściany (co najmniej na 50 cm z obu stron pęknięcia lub rysy), usuwa zaprawę ze spoin na głębokość 2–3 cm (co najmniej z 2–3) spoin powyżej i poniżej rysy).
Po dokładnym oczyszczeniu spoin i powierzchni ściany z resztek zaprawy i po zmyciu ich wodą spoiny wypełnia się zaprawą cementową co najmniej marki M-7 i wciska w nią pręty stalowe odpowiedniej długości (rys. 1). Pręty daje się nie rzadziej niż co 3 spoinę. Po wciśnięciu prętów uzupełnia się zaprawę w spoinach, a po jej związaniu ścianę tynkuje się [1].

Spękane ściany można również zbroić prętami o konstrukcji spiralnej ze stali nierdzewnej jak to jest stosowane w systemie wzmocnień firmy Helifix [3]. Specyficzna konstrukcja prętów zapewnia dużą wytrzymałość na rozciąganie ściany i jednocześnie dużą odkształcalność pozwalającą na znaczne przemieszczenia konstrukcji. Pręty te o średnicy 4,5 mm do 8 mm i długości 7 m, mogą być stosowane jako zbrojenie podłużne ścian. Wysoka wytrzymałość stali oraz unikatowy kształt zbrojenia w połączeniu z odpowiednim zaczynem zapewnia bardzo efektywny rodzaj wzmocnienia, przenoszący naprężenia rozciągające w murze przy jednoczesnej znacznej odkształcalności konstrukcji. Staje się ona przez to mało wrażliwa na dalsze ewentualne przemieszczenia.

Rys. 3. Zależność koncentracji poziomych naprężeń rozciągających w pionowym przekroju (wg rys. 2) od długości zakotwienia Lz i średnicy f prętów.

Badania numeryczne
Opisane metody naprawy nie precyzują warunków doboru średnicy prętów (podane są tylko wartości graniczne wynikające z grubości spoiny poziomej) jak i długości ich zakotwienia po obu stronach rysy.
W celu rozpoznania pracy naprawianego muru wykonano obliczenia numeryczne fragmentu poddanego poziomemu rozciąganiu (rys. 2). Obliczenia przeprowadzono przy pomocy programu Robot, stosując mikromodelowanie uproszczone. Poszczególne komórki muru (cegły i spoiny) modelowano jako tarcze izotropowe pracujące w płaskim stanie naprężenia. Stosowano prostokątne, izoparametryczne elementy ośmiowęzłowe. Przyjęto dla cegły E = 2500 MPa i m = 0,11, a dla zaprawy E = 550 MPa i m = 0,20. W obliczeniach zmieniano długość zakotwienia Lz zbrojenia i jego średnicę f. Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunkach 3 i 4.

Jak widać z rys. 3 ze wzrostem długości zakotwienia Lz, niezależnie od średnicy prętów, następuje zmniejszenie koncentracji naprężeń smax/sśr w murze w pionowym przekroju A-A usytuowanym na końcach prętów. Dla wartości Lz » 100 cm stosunek ten przyjmuje w przybliżeniu wartość 1,3. Przy mniejszej długości zakotwienia koncentracja naprężeń jest szczególnie niekorzystna, ze względu na możliwość powstania wtórnych rys pionowych w murze zaraz poza obszarem wzmocnionym. Z rys. 3 wynika, że minimalna, bezpieczna długość zakotwienia Lz powinna w przybliżeniu wynosić co najmniej 100 cm niezależnie od średnicy prętów.
Stosunek naprężeń stycznych tmax/tśr w poziomym przekroju w miejscu kontaktu między prętem a zaprawą zwiększa się ze wzrostem długości Lz. Dla prętów o mniejszej średnicy występuje większa koncentracja naprężeń stycznych w pobliżu istniejącej rysy (rys. 4), co może spowodować wystąpienie rys ukośnych w murze lub utratę przyczepności między prętami i zaprawą.

Rys. 4. Zależność koncentracji poziomych naprężeń stycznych w miejscu kontaktu prętów i zaprawy od długości zakotwienia Lz i średnicy f prętów.

Z rysunków 3 i 4 wynika, że zwiększanie długości zakotwienia wpływa korzystnie na koncentracje naprężeń rozciągających w murze i niekorzystnie na koncentracje naprężeń stycznych w miejscu kontaktu prętów z zaprawą. Przy ocenie przydatności zastosowania zbrojenia do napraw zarysowanych konstrukcji murowych autorzy proponują rozważyć następujące warunki:

gdzie:
Φ – średnica pręta,
σ – poziome naprężenia rozciągające w murze,
h – odległość między prętami,
t – grubość muru,
f_d – wytrzymałość obliczeniowa stali,

gdzie:
L_z – długość zakotwienia pręta po jednej stronie rysy (rys. 1),

gdzie:
Φ, h, t – jak we wzorze (1),
Lz – jak we wzorze (2),
u_a – obwód pręta,
R – wytrzymałość na wyrywanie (w zależności od rodzaju pręta).

Wnioski
W przypadku napraw zarysowanych ścian murowych za pomocą zbrojenia, jego minimalna długość zakotwienia po każdej stronie rysy nie powinna być krótsza niż Lz = 100 cm. Przy większych wartościach Lz, niezależnie od średnicy prętów, następuje redukcja naprężeń rozciągających w murze na końcu wzmacnianego obszaru i zmniejsza się prawdopodobieństwo wystąpienia pionowych rys wtórnych. Stosowanie prętów o mniejszej średnicy zwiększa koncentrację naprężeń stycznych na kontakcie pręta z zaprawą w pobliżu istniejącej rysy, co może powodować powstawanie rys ukośnych w tym miejscu.

Literatura
[1] Zaleski S.: Remonty budynków mieszkalnych. Poradnik. Arkady, Warszawa, 1997.
[2] Małyszko L. Orłowicz R.: Konstrukcje murowe zarysowanie i naprawy. Wydawnictwo Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. Olsztyn, 2000.
[3] Katalog firmy HELIFIX. Systemy naprawy i wzmacniania konstrukcji murowych. Standardy naprawy. Budosprzęt, Bytom, 1999.

dr inż. Jacek Kindracki, Sławomir Leleń
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie