PL214295B1 - Sposób wykonywania nośnych złączy naprawczych w betonowych i murowanych konstrukcjach budowlanych - Google Patents

Description

Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 24.05.2004 (19) PL (11) 214295 (13) B1 (51) Int.Cl.

E04G 23/00 (2006.01) E04G 23/02 (2006.01) E04B 1/38 (2006.01) E04B 1/68 (2006.01)

Sposób wykonywania nośnych złączy naprawczych w betonowych i murowanych konstrukcjach budowlanych

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	POLITECHNIKA KRAKOWSKA IM. TADEUSZA KOŚCIUSZKI, Kraków, PL
28.11.2005 BUP 24/05	(72) Twórca(y) wynalazku:
	ROMAN CIESIELSKI, Kraków, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	ARKADIUSZ KWIECIEŃ, Kraków, PL
31.07.2013 WUP 07/13	(74) Pełnomocnik:
	rzecz. pat. Andrzej Stachowski

PL 214 295 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykonywania nośnych złączy naprawczych w betonowych i murowanych konstrukcjach budowlanych, uszkodzonych w wyniku nierówno-miernego osiadania lub działania sił dynamicznych.

Po ustaniu oddziaływania będącego przyczyną uszkodzenia budowle funkcjonują w nowoustalonym stanie równowagi statycznej. Cechuje je jednak zmniejszona odporność na dodatkowe obciążenia - na które były odporne przed wystąpieniem awarii. Nawet stosunkowo nieznaczne obciążenia, przykładowo związane z wahaniami poziomu wód gruntowych, niewielkimi drganiami sejsmicznymi i parasejsmicznymi, zmiennymi polami temperatur - powodują, dalszą narastającą destrukcję uszkodzonego budynku. Powiększanie się stopnia degradacji obiektu, którego dotychczasowy stan pozwalał na jego użytkowanie, może spowodować utratę równowagi statycznej ze skutkiem wyłączenia budynku z eksploatacji.

Dotychczas znane sposoby naprawy i wzmacniania uszkodzonych budynków bazują głównie na zmianie zaistniałego w konstrukcji stanu naprężenia. Sposoby czynne wprowadzają w ustrój konstrukcyjny sprężenie przeciwdziałające obciążeniom już działającym i spodziewanym. Najczęściej polegają one na: zmianie układu lub reakcji podpór, sprężeniu kablami, ściągami stalowymi lub taśmami kompozytu. Zwiększenie nośności lub sztywności sposobami biernymi polega na wprowadzeniu dodatkowych elementów w warunkach konstrukcji odciążonej, celem przejęcia sił przez te elementy już na wczesnym etapie obciążenia. Jedno z takich rozwiązań przedstawione w polskim opisie patentowym nr 171900 dotyczy naprawy konstrukcji murowanej, zwłaszcza obiektu zabytkowego. Szczelinę pękniętej konstrukcji najpierw wypełnia się przez kolejne: przedmuchanie i ewentualne zagruntowanie powierzchni szczeliny, osadzenie wtryskiwaczy, powierzchniowe zamknięcie szczeliny masą szybkotwardniejącą, przykładowo zaczynem cementowym modyfikowanym zestawem epoksydowym oraz ciśnieniowe wypełnień substancją wiążącą. Następnie, po stężeniu zaczynu cementowego wierci się siatkę otworów usytuowanych przemiennie z obu stron wzdłuż szczeliny, pochylonych pod kątem w kierunku szczeliny, wprowadza w nie pręty zbrojeniowe, otwory zamyka końcówkami iniekcyjnymi i wtłacza kompozycję żywicy epoksydowej. Po usunięciu końcówek iniekcyjnych powierzchnię złącza wykańcza się zabiegami maskującymi.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr 6,478,561 znany jest sposób wykonywania złącza nośnego przez ciśnieniowe wypełnienie szczeliny złącza polimerową masą z kształtkowym zbrojeniem rozproszonym.

Znane są również sposoby polegające na natrysku modyfikowanych betonów z zastosowaniem zbrojenia tradycyjnego lub rozproszonego stalowego bądź niemetalicznego, oraz powierzchniowe wzmacnianie za pomocą oklejania kompozytowymi nakładkami z tkaniny nośnej w postaci taśmy, maty lub siatki z włókna węglowego, szklanego lub aramidowego.

Znany jest także sposób przedstawiony w amerykańskim opisie patentowym nr 6,532,714, przeznaczony zwłaszcza do łączenia płyt betonowych nawierzchni drogowej. Sposób polega na nacięciu tarczą z powierzchni łączonych elementów głębokich rowków, ukierunkowanych poprzecznie do szczeliny złącza. W rowki wsunięte zostają płaskowniki zbrojenia z włókien szklanych, korzystnie perforowane otworami a następnie szczeliny złącza i rowków wypełniane są polimerową matrycą trwale sprężysto-plastyczną. Specyficzna budowa złącza nadaje mu charakter przegubowy, wymagany dla tych warunków pracy.

Stosowane dotychczasowo sposoby wzmacniania uszkodzonych budowli inżynierskich dążą do przywrócenia pierwotnej sztywności i właściwości obiektu jakie miał on w stanie przed uszkodzeniem oraz do dodatkowego zesztywnienia konstrukcji z ograniczeniem odkształceń nowowykonanych złączy naprawczych. Przy wykonywaniu nośnych złączy naprawczych wypełnianych masą polimerową dobór matrycy nie uwzględnia rzeczywistych parametrów wytrzymałościowych materiału konstrukcji budowlanej, stosowane są handlowo dostępne masy - głównie dla złączy uszczelniających, a wyróżniane parametrami elastyczności.

Sposób według wynalazku zbliżony jest do metod biernych jako że zachowuje w łączonych elementach budowli pierwotny lub nowoustalony w wyniku redystrybucji stan naprężeń powstały po wystąpieniu uszkodzenia, ale nie wymaga odciążenia konstrukcji. Sposób ten wykorzystuje znaną technologię wykonywania złącz, polegającą na: wykonaniu otworów kontrolnych przenikających szczelin złącza, przygotowaniu powierzchni szczeliny(przedmuchanie i zagruntowanie), osadzeniu

PL 214 295 B1 wtryskiwaczy, zewnętrznym zamknięciu szczeliny, ciśnieniowym wypełnieniu szczeliny polimerową matrycą trwale sprężysto-plastyczną usunięciu wtryskiwaczy i wykończeniu powierzchni złącza.

Istota rozwiązania dotyczy szczególnego doboru materiału polimerowej matrycy dla każdego złącza naprawczego zależnie od jego konstrukcji, z dopasowaniem matrycy polimerowej do wytrzymałości łączonych materiałów oraz warunków pracy obiektu.

Zgodnie z wynalazkiem, sposób wykonywania nośnych złączy naprawczych w betonowych i murowanych konstrukcjach budowlanych, polegający na wykonaniu otworów przenikających szczelinę złącza, przygotowaniu powierzchni szczeliny, osadzeniu wtryskiwaczy, zewnętrznym zamknięciu szczeliny, ciśnieniowym wypełnieniu szczeliny polimerową matrycą trwale sprężystoplastyczną usunięć wtryskiwaczy i wykończeniu powierzchni złącza, charakteryzuje się tym, że polimerową matrycę dobiera się tak, by wytrzymałość złącza (R_z) wynosiła 0,5 do 0,9 wytrzymałości materiału konstrukcji (Rk), moduł sprężystości Young'a (E_z) matryc był mniejszy od modułu (Er) materiału konstrukcji, a przy odkształceniu złącza do wartości eksploatacyjnej (s_p), naprężenie eksploatacyjne (σι) - występujące równocześnie w złączu i materiale konstrukcyjnym - było mniejsze od wytrzymałości złącza (R_z) i granicy sprężystości złącza (R_sz).

W sposobie dla każdego złącza naprawczego narzuca się jego eksploatacyjną, wymaganą odkształcalność (ε_Ε), a ponadto przed wypełnieniem szczeliny polimerową matrycą określa się, przez pobranie próbki z uszkodzonej konstrukcji i jej zbadanie, wytrzymałość (Rk) i moduł sprężystości Young'a (E_k) materiału konstrukcji. Następnie dla tak wyznaczonych parametrów konstrukcji i dla narzuconej eksploatacyjnej odkształcalności (ε_Ε) danego rodzaju (złącza) - dobiera się skład polimerowej matrycy uwarunkowany tymi parametrami.

Korzystnie, przed aplikacją do szczeliny tak dobranej matrycy polimerowej wykonuje się z tej matrycy znormalizowaną próbkę złącza, aby sprawdzić jego rzeczywiste parametry.

Tak szczególny dobór złącza powoduje, że w przypadku wystąpienia dodatkowego obciążenia połączone elementy konstrukcyjne mogą ulegać wzajemnym, ograniczonym przemieszczeniom wytrącając w ten sposób energię odkształcenia bez wprowadzania dodatkowych, niekorzystnych naprężeń w osłabioną konstrukcję budowli. W przypadku osiągnięcia naprężeń granicznych znacznemu odkształceniu lub zniszczeniu ulega sprężysto-plastyczne złącze, a nie element konstrukcyjny budowli. Jest to szczególnie istotne dla budynków zabytkowych, gdyż uzyskuje się konstrukcję o wytrzymałości zbliżonej do pierwotnej, ale zwiększonej podatności. Konstrukcja może przenosić dodatkowe obciążenia przy zredukowanych siłach wewnętrznych i bez dalszej destrukcji obiektu.

Ponadto, korzystnym dla wyższych wytrzymałości R_z i granicy sprężystości złącza R_sz jest, by przed wypełnianiem polimerową matrycą w przestrzeń szczeliny wprowadzić zbrojenie z włókien węglowych, szklanych lub aramidowych.

Złącze może być również wzmocnione przez oklejenie kompozytową nakładką z tkaniny nośnej w postaci taśmy, maty lub siatki z włókna węglowego, szklanego lub aramidowego. Nakładki mogą być naklejone z jednej lub z obu stron konstrukcji. Nakładki przenoszą naprężenie rozciągające, natomiast polimer głównie naprężenia ściskające, ścinające i skręcające a ponadto zabezpiecza przed delaminacją.

Jeżeli złącze doczołowe lub pachwinowe ma mieć charakter przegubów; wówczas przed wypełnianiem strefy szczeliny matrycą polimerową połączenie wzmacnia się przewlekając krzyżowo przez szczelinę złącza tkaninę nośną, której końce po obu stronach konstrukcji odgina się w przeciwne kierunki i klei do zewnętrznych powierzchni konstrukcji. Korzystne jest wcześniejsze zukosowanie krawędzi szczeliny złącza. Końce tkaniny nośnej mogą być oklejone dodatkową nakładką z tkaniny nośnej.

Sposób według wynalazku zobrazowany jest opisem przykładowego wykonania złączy naprawczych w budynku uszkodzonym przez nierównomierne osiadanie. Na fig. 1 zamieszczona jest charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa wykorzystywana przy doborze złącza, kolejne figury 2, 3, 4, 5 i 6 przedstawiają poprzeczne przekroje złącz o różnej budowie i wytrzymałości.

Przyjęty dla przykładu budynek murowany został uszkodzony przez nierównomierne osiadanie spowodowane wzrostem naprężeń w podłożu, zaistniałym wyniku budowy w bezpośrednim sąsiedztwie wysokiego budynku biurowego. Od strony nowo wzniesionego budynku, na parterze i 1-szym piętrze, dwukondygnacyjnego budynku murowanego wystąpiły pęknięcia ścian nośnych, przebiegając przez przekątne naroża otworów okiennych. W okresie ostatnich 4 miesięcy pęknięcia

PL 214 295 B1 nie powiększają się a tylko zmieniają się okresowo z temperaturą - co pozwala przyjąć, że ustalił się nowy stan równowagi statycznej.

Pobrano kilka próbek ze ścian nośnych budynku wykonanego z muru ceglanego na zaprawie wapiennej a następnie poddano je badaniom wytrzymałościowym uzyskując średnie wartości Rk = 2,0 MPa i Ek = 1700 MPa. Analiza występujących i mogących wystąpić w otoczeniu obciążeń, zabudowa i warunki eksploatacyjne pozwalają przyjąć dla złącza dopuszczalne eksploatacyjne naprężenia m = 0,7 MPa i odkształcenie eksploatacyjne złącza ε_β = 0,06. Przyjęty do naprawy polimer izocjanowo-krzemianowy, oznaczony na wykresie literą A, osiąga wytrzymałość Rz = 1,3 MPa przy ε = 0,42 oraz granicę sprężystości złącza R_sz = 0,9 MPa przy ε = 0,075, w zakresie odkształceń sprężystych ma moduł Young'a Ez = 12 MPa przebiegiem według dolnej charakterystyki pokazanej na wykresie fig. 1. Wrysowana dla porównania charakterystyka polimera B wyróżniona jest odpowiednio parametrami: R = 1,3 MPa przy ε = 0,8 i Ez= 6,7 MPa. Oba polimery A i B spełniaj warunki R_z w zakresie (0,5 - 0,9) R_k i Ez < E_k, jednak prawidłowym dla złącza jest tylko polimer A. Polimer B osiąga naprężenia eksploatacyjne m dopiero przy odkształceniu ε = 0,4, co występuje już w zakresie plastycznych odkształceń z rozległymi pasmami ścinania i dyskwalifikuje go w tych warunkach jako materiał konstrukcyjny.

Zakreskowane pod krzywymi pola na wykresie fig. 1 są miarą energii zgromadzonej w materiałach konstrukcji i złącza. Uszkodzenie budynku nastąpiło w wyniku przekroczenia naprężeń Rk. Wypełnienie i spojenie konstrukcji polimerowym materiałem podatnym, o mniejszym module Young'a niż materiał konstrukcji, powoduje powstanie układu szeregowego, z równomiernym przyrostem naprężeń w materiale kruchym i podatnym.

Wielkość zgromadzonej energii odpowiada sumie pól zakreskowanych co uwidacznia zapas naprężenia, a zatem i energii, jaką układ z podatnym złączem naprawczym może skumulować dodatkowo przy wzroście w nim naprężenia powyżej aj_.

Po wstępnym dobraniu polimeru wykonano próbkę złącza i sprawdzono jego rzeczywiste parametry. Następnie znaną technologią wykonano następujące czynności: wiercenie otworów kontrolnych przenikających szczelinę złącza, przedmuchanie szczeliny sprężonym powietrzem i zagruntowanie jej powierzchni, osadzenie wtryskiwaczy i zamknięcie szczeliny z zewnątrz przy pomocy masy szybkotwardniejącej, przeprowadzenie ciśnieniowej iniekcji polimeru, a po jego stwardnieniu usunięcie wtryskiwaczy i dokonanie końcowych czynności maskowania i wykończenia elewacji.

Opisany powyżej przykład dotyczył warunków w których obciążenia mogło prze nosić złącze wykonane wyłącznie z matrycy polimerowej 2, bez dodatkowych środków wzmacniających. Złącze takie przedstawia schemat fig. 2.

Przy większych obciążeniach złącze podatne wykonywane sposobem według wynalazku wzmacniane może być przez: zbrojenie rozproszone 3 z włókien węglowych, szklanych lub aramidowych - którego schemat pokazuje fig. 3, oklejenie strefy wykonanego złącza kompozytową nakładką 4 z tkaniny nośnej w postaci taśmy, maty lub siatki z włókna węglowego, szklanego lub aramidowego - którego schemat z obustronną nakładka 4 przedstawia fig. 4. Kolejne schematy złącz pokazane na fig. 5 i 6 dotyczą złącz przegubowych doczołowego i pachwinowego wykonywanych w przypadku gruntownego remontu budynku. Przed wypełnianiem matrycą polimerową 2 połączenie wzmacnia się przewlekając krzyżowo przez szczelinę złącza tkaninę nośną 5, której końce po obu stronach odgina się w przeciwne kierunki i klei do zewnętrznych powierzchni konstrukcji 1. Krawędzie łączonych elementów konstrukcji 1 powinny być zukosowane, tak aby nie uszkadzały pracujących nakładek kompozytowych 4.

Przy budynkach uszkodzonych osiadaniem stosowane są złącza według schematów fig. 1, 2 lub 3, które w wymienionej kolejności cechują się malejącą odkształcalnością ε i wzrostem wytrzymałości R. W budynkach uszkodzonych siłami poziomymi wywołanymi działaniem dynamicznym, sejsmicznym lub parasejsmicznym oraz narażonych na wpływy dynamiczne po wystąpieniu uszkodzenia stosowane są złącza: według fig. 2 - w celu zabezpieczenia przed wstrząsem wtórnym działaniami dynamicznymi o znacznej energii, według fig. 3 - przy konieczności ograniczenia odkształceń i długotrwałym działaniu wymuszenia dynamicznego przykładowo w zabytkowych budowlach przy magistralach komunikacyjnych, ochronie przed drganiami przemysłowymi, według fig. 4 - w warunkach występowania bardzo dużych sił i konieczności ograniczenia wielkości odkształceń. Złącza przegubowe według schematów fig. 5 i 6 stosowane są głównie w celu modyfikacji właściwości dynamicznych budynku, obniżenia częstotliwości drgań własnych zwiększenia tłumienia i zdolności

PL 214 295 B1 pochłaniania energii. Wprowadzenie złącz podatnych w punktach zniszczenia - strefach trwałego uplastycznienia elementów konstrukcji zmienia schemat statyczny budynku, co pozwala sterować odpowiedzią dynamiczną i przez to wielkością sił działających na budynek.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wykonywania nośnych złączy naprawczych w betonowych i murowanych konstrukcjach budowlanych, polegający na wykonaniu otworów przenikających szczelinę złącza, przygotowaniu powierzchni szczeliny, osadzeniu wtryskiwaczy, zewnętrznym zamknięciu szczeliny, ciśnieniowym wypełnieniu szczeliny polimerową matrycą trwale sprężysto-plastyczną, usunięciu wtryskiwaczy i wykończeniu powierzchni złącza, znamienny tym, że szczelinę wypełnia się polimerową matrycą której wytrzymałość <R_z) wynosi 0,5 do 0,9 wytrzymałości materiału konstrukcji (Rk), moduł sprężystości Young'a (E_z) jest mniejszy od modułu (E_k) materiału konstrukcji, przy czym przed wypełnieniem szczeliny polimerową matrycą określa się przez pobranie próbki z uszkodzonej konstrukcji i jej zbadanie, wytrzymałość (Rk) i moduł sprężystości Young'a (E_k) materiału konstrukcji.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla każdego złącza naprawczego parametry polimerowej matrycy dobiera się według wyznaczonych przed pełnieniem szczeliny parametrów wytrzymałości (R_k) i modułu sprężystości Young'a (Ek) materiału konstrukcji dla narzuconej eksploatacyjnej odkształcalność <e_p) wykonywanego złącza.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla uzyskania wyższych wytrzymałości <Rz) i granicy sprężystości (Rsz) złącza w przestrzeń szczeliny przed jej wypełnianiem polimerową matrycą wprowadza się zbrojenie (3) z włókien węglowych, szklanych lub aramidowych.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że połączenie wzmacnia się przez oklejenie strefy wykonanego złącza kompozytową nakładką (4) z tkaniny nośnej w postaci taśmy, maty lub siatki z włókna węglowego, szklanego lub aramidowego.
5. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że strefę złącza okleja się nakładkami (4) z obu stron konstrukcji.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed wypełnianiem szczeliny matrycą polimerową połączenie wzmacnia się przewlekając krzyżowo przez szczelinę złącza tkaninę nośną (5), której końce po obu stronach konstrukcji odgina się w przeciwne kierunki i klei do powierzchni zewnętrznych konstrukcji.
7. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że przed przewlekaniem tkaniny nośnej <5) ukosuje się krawędzie szczeliny złącza.
8. 8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że na końce tkaniny nośnej <5) nakleja się dodatkową nakładkę (4) z tkaniny nośnej.