PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/200628

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁYA

RT

YK

UŁ

Y P

RO

BL

EM

OW

E

Identyfikacja parametrów materia-łowych w zrealizowanych elemen-tach obiektów budowlanych lub konstrukcjach inżynierskich stano-wi istotny aspekt badań nauko-wych. Właściwy dobór metod badawczych, poprawna interpre-tacja wyników badań i analiz oraz dobór odpowiednich technologii weryfikacji założeń i wniosków muszą być udokumentowane zasobem wiedzy i doświadczeniem projektantów, wykonawców oraz użytkowników. Przepisy Ustawy Prawo budowlane [14] nakładają na wszystkich uczestników proce-su inwestycyjnego obowiązek per-manentnej kontroli realizowanych i eksploatowanych obiektów.

1. Identyfikacja parametrów wytrzymałościowych elementów betonowych

Wytrzymałość betonu w eks-ploatowanych obiektach należy oceniać na podstawie wyników

badań przeprowadzanych meto-dami niszczącymi, nieniszczącymi lub w efekcie porównania uzyska-nych rezultatów. W celu zwięk-szenia dokładności oceny wytrzy-małości i jednorodności betonu w konstrukcjach budowlanych należy równolegle stosować kilka diagnostycznych metod badaw-czych, wykorzystując również specjalistyczne metody uzasad-nione naukowo i przystosowane do praktyki budowlanej.Na rysunku 1 przedstawiono przykłady obiektów o konstruk-cji żelbetowej, których elementy poddano różnorodnym badaniom zmierzającym w efekcie do okre-ślenia rzeczywistej wytrzymało-ści i klasy betonu. Wytrzymałości gwarantowane oraz charakterysty-ki jednorodności betonu interpre-towano na podstawie wytycznych określonych w normie [9].Najbardziej miarodajną do okre-ślania rzeczywistej wytrzymałości betonu w użytkowanych obiek-

tach, zdaniem autorów publikacji, jest metoda niszcząca, polegająca na wycinaniu odwiertów rdzenio-wych. Próbki do badań pobiera-no z miejsc, w których osłabie-nie przekroju nie miało wpływu na bezpieczeństwo konstrukcji, co potwierdzano w wyniku obli-czeń analitycznych. Technologia pobierania próbek oraz sposób realizacji pomiarów są sankcjo-nowane postanowieniami normy [11]. W trakcie badań stosowa-no odwierty o średnicach 100, 50 i 25 mm, przyjmując zasadę, aby średnica mikroodwiertów była większa od trzykrotnej wielokrot-ności największego wymiaru kru-szywa. Wysokość pozyskanych próbek sprowadzano do wielkości odpowiadającej co najmniej śred-nicy próbki, odcinając warstwę brzegową o wysokości około 1/5 średnicy odwiertu. Sposób prze-prowadzenia badań i interpreta-cję uzyskanych wyników regulują przepisy normy [10].

Badania wytrzymałości betonu w konstrukcjach inżynierskich z uwzględnieniem normatywów europejskichDr Inż. Janusz Krentowski, prof. dr hab. inż. Rościsław Tribiłło, Katedra Mechaniki Konstrukcji, Politechnika Białostocka

Rys. 1. Przykłady monolitycznych konstrukcji żelbetowych badanych przez autorów pracy

PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/2006

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

29

AR

TY

KU

ŁY

PR

OB

LE

MO

WE

Uzasadnieniem wykonania badań niszczących jest ich duża dokład-ność, lecz uciążliwości w fazie pozyskiwania próbek wynikają-ce z uwarunkowań technicznych, czasochłonność, z uwagi na dwuetapowość badań, a przede wszystkim ograniczenia związane z niebezpieczeństwem obniżenia nośności osłabianych elemen-tów, skłaniają do wykorzystywania mniej dokładnych, lecz znacznie efektywniejszych czasowo, metod pomiarowych. Powszechnie stoso-wane od lat metody nieniszczące umożliwiają oznaczenie jakości i wytrzymałości betonu w zrealizo-wanej konstrukcji.

2. Badania nieniszczące

Metoda ultradźwiękowa [7] bada-nia wytrzymałości betonu na ści-skanie polega na pomiarze pręd-kości rozchodzenia się podłużnych fal ultradźwiękowych w bada-nym elemencie konstrukcyjnym. W zależności od celu badania, określa się wytrzymałość betonu na ściskanie w poszczególnych miejscach pomiarowych lub śred-nią wytrzymałość betonu w kon-strukcji. Ograniczenia w jej stoso-waniu wynikają z gabarytów ele-mentów, możliwości obustronnego dostępu do badanych powierzchni oraz osiągalności specjalistycznej aparatury pomiarowej.Najpopularniejszym sposobem klasyfikowania parametrów zreali-

zowanych elementów konstrukcji betonowych i żelbetowych jest nie-niszcząca metoda badań jakości betonu przy wykorzystaniu młotka Schmidta, w której wytrzymałość i jednorodność betonu określa się za pomocą pomiaru liczby odbicia, a następnie statystycznej analizy wyników pomiarów na podstawie zależności empirycznych. W normie [6], opublikowanej w roku 1975, sformułowano tezę, że meto-da sklerometryczna służy do bada-nia wytrzymałości na ściskanie. Kilkadziesiąt lat później w normie [12] ograniczono jej stosowanie do oceny jednorodności betonu w konstrukcji oraz do wyznaczania obszarów i fragmentów konstrukcji, w których beton ma niską jakość. W uwagach uzupełniono, że meto-da nie jest traktowana jako alter-natywa do oznaczania wytrzyma-łości betonu na ściskanie według normy [10], ale z zastosowaniem właściwej korelacji może pozwolić na szacowanie wytrzymałości kon-strukcji. Nie sprecyzowano jednak z jaką dokładnością możemy inter-pretować tak oszacowany wynik.W badaniach nieniszczących beto-nu istotny jest dobór właściwych zależności korelacyjnych, któ-rych błędne stosowanie wpływa na rozbieżności w wynikach nawet w zakresie 100% [1, 3]. Zależności te wyznacza się metodą dokład-nego określenia związków empi-rycznych na podstawie statystycz-nej analizy korelacyjnej wyników

badania próbek betonowych, zwaną skalowaniem lub metodą dobierania hipotetycznej krzywej regresji odpowiednio do składu, technologii wykonania, warunków pielęgnacji oraz wieku i wilgotności betonu [2, 12]. Rozwój technologii betonu oraz zastosowanie nowych składników w postaci domieszek i dodatków do jego produkcji, wiek oraz warunki eksploatacyjne wpły-wają na te zależności oraz dokład-ność ocen.

3. Technologia realizacji badań sklerometrycznych

Na przestrzeni lat zmianom ule-gały wytyczne realizacji pomiarów [6, 10], lecz interpretacja wyników zawsze była dyskusyjna w aspekcie dokładności uzyskiwanych rezul-tatów. Zharmonizowanie polskich norm badań nieniszczących z nor-mami europejskimi wymaga wery-fikacji dotychczasowych metod badawczych w zakresie sposobu realizacji pomiarów i oceny dokład-ności wyników.W celu określenia średniej wytrzy-małości betonu na ściskanie w ele-mencie lub fragmencie konstrukcji, wykonanym z jednej partii betonu, wymagane jest przeprowadzenie badań w co najmniej 12 miej-scach o powierzchni około 50 cm2 (rys. 3a) [13]. Miejsca do badań należy wybierać równomiernie na całej powierzchni badanych elementów lub fragmentów kon-

Rys. 2. Odwierty rdzeniowe, przed i po badaniu w maszynie wytrzymałościowej

PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/200630

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁYA

RT

YK

UŁ

Y P

RO

BL

EM

OW

E

strukcji. W każdym z miejsc pomia-rowych należy dokonać co najmniej pięciu miarodajnych odczytów, o czym stanowią zapisy obowiązu-jącej przed laty normy [7]. Za wynik badania należy uznać wartość śred-nią ze wszystkich odczytów, przyj-mując poprawkę uwzględniającą wpływ ustawienia młotka i wyrazić tak uściślony wynik w postaci jed-nej liczby. Uzyskanie wiarygodnego oszaco-wania liczby odbicia, według aktu-alnej normy [12], w danym miejscu pomiarowym, wymaga wykonania co najmniej dziewięciu odczytów. Miejsce pomiarowe powinno mieć wymiary co najmniej 300 x 300 mm, a sąsiednie miejsca nie mogą być oddalone od siebie i od krawę-dzi badanego elementu o mniej niż 25–30 mm (rys. 3b).Praktyczną wadą metody sklero-metrycznej jest konieczność prze-prowadzenia kontrolnych badań sprawdzających zależności R-L

na pewnej liczbie odwiertów, a także fakt, że uzyskane wyniki odpowia-dają wytrzymałościom powierzch-niowych warstw betonu, różnych od betonu położonego w kolej-nych warstwach. Przy masowej ilości kontrolowanych elementów wskazane jest zastosowanie skle-rometrów wyposażonych w inter-fejs umożliwiający cyfrową reje-strację wyników badań. Badania z użyciem sklerometru w wersji tzw. Digital.

4. Ograniczenia metody. Porównanie wyników badań wg norm [6] i [12]

W latach osiemdziesiątych, w okre-sie obowiązywania norm [4, 6] najpowszechniej projektowano i realizowano elementy konstrukcji budynków i obiektów inżynierskich z betonu niskich klas B150 (B15) – B250 (B25) [5]. Ograniczenia w sto-sowaniu metody sklerometrycznej

wynikały z wad na powierzchni ele-mentów objawiających się rakami, spękaniami, wypłynięciem mlecz-ka cementowego lub grubego kru-szywa, a także efektami procesów karbonizacji czy przemarzania. Niemiarodajne wyniki uzyskiwano również wybierając do badań miej-sca w strefach lokalizacji prętów zbrojeniowych, na przykład dolne powierzchnie żeber lub podciągów (rys. 4, 5).Procesy rozwoju technologii, zachodzące w ostatnich latach, spowodowały powszechne wyko-rzystanie betonów o wysokich wytrzymałościach, zaliczanych do klas B30, B37, B45 czy B50 lub C30/37, C35/45, C40/50 [9]. Elementy konstrukcyjne wykonane z betonów o wysokich wytrzyma-łościach są niejednokrotnie znacz-nie przezbrojone. Rozstawy prętów sl w słupach (rys. 6, 7), belkach czy płytach stropowych często są zbliżone do wartości określo-nych w normie [8] jako minimalne, na przykład sl > φ, a w strefach połączeń zbrojenia konstrukcyjne-go ulegają dalszemu zmniejsze-niu. Małe rozstawy prętów zbrojenia praktycznie uniemożliwiają miaro-dajne dokonanie odczytu, ponieważ niedopuszczalne jest dokonywanie pomiarów bezpośrednio ponad prętem zbrojeniowym. Przykładem mogą być słupy uzwojone, w któ-rych maksymalny procent zbrojenia wynoszący 8% jest często prze-kraczany, szczególnie w strefach

Rys. 3. Porównanie proporcji miejsc badawczych wg wytycznych norm [6] i [12]

~ 300 mm

~ 3

00 m

m

1 2 3

4 5 6

7 8 9

1 23

4 5

~ 70 mm

~ 7

0 m

m

min

. 20

mm

min. 30 mmmin. 25 mm

POLE POMIAROWE o powierzchni ~50 cm

wg PN-74/B-06262

2

POLE POMIAROWE o powierzchni ~900 cm

wg PN-EN 12504-2:2002

2

Rys. 4. Rozstaw prętów zbrojenia podciągu uniemożliwiający badania „od dołu”

PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/2006

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

31

AR

TY

KU

ŁY

PR

OB

LE

MO

WE

połączeń prętów. Rozwiązaniem w takim przypadku jest zastosowa-nie metody niszczącej, lecz miejsca poboru próbek należy uzasadnić na podstawie obliczeń stanu wytę-żenia elementu.Rozstawy zbrojenia stosowane dla płyt w budynkach szkieletowych lub stropach bezgłowicowych, unie- możliwia dokonanie badań „od dołu”. Badaniom nieniszczącym mogą być poddane górne po- wierzchnie, zwykle o mniejszej inten-sywności ułożonego zbrojenia. Zastosowanie w trakcie pomiarów wszystkich wytycznych normy [12] jest uzasadnione jedynie w odniesie-niu do elementów o dużej powierzch-ni, na przykład płyt stropowych lub

fundamentów, a często praktycznie niemożliwe do zrealizowania w przy-padku belek czy słupów. Autorzy pracy w ciągu kilku lat realizowali badania wielu obiektów o konstrukcji żelbetowej, zarów-no monolitycznej, jak o prefabry-kowanej. Od chwili uaktualnienia stosownej normy [12], prowadzo-no porównawcze analizy wyników uzyskanych przy wykonaniu pięciu, sześciu oraz dziewięciu odczytów w każdym miejscu pomiarowym (tabela 1, 2). Efektem kilkuletnich prac jest stwierdzenie, że zwiększenie liczby odczytów w miejscu pomiarowym z pięciu do dziewięciu nie wpływa istotnie na zwiększenie dokładno-

ści uzyskanych wyników. W obu przypadkach realizacji sklerome-trycznych badań nieniszczących, określenie wytrzymałości betonu w uzytkowanych elementach kon-strukcyjnych zawsze może być obarczone błędem.

5. Wnioski

W badaniach diagnostycznych użytkowanych konstrukcji budow-lanych należy uwzględnić niebez-pieczeństwo popełnienia trudnego do oszacowania błędu w ocenie cech materiałów budowlanych. Badania wytrzymałości przy wyko-rzystaniu metod niszczących mogą być realizowane z wykorzysta-niem ograniczonej liczby odwier-tów pobranych z miejsc o zróż-nicowanej jednorodności betonu. Badania nieniszczące, weryfikowa-ne poprzez sprawdzenie krzywych regresji umożliwiają kontrolę jako-ści betonu w użytkowanej konstruk-cji w znacznie większym zakresie. Jednoczesne zastosowanie badań metodami nieniszczącymi i nisz-czącymi prowadzi do zmniejsze-nia liczby odwiertów osłabiających nośność konstrukcji, a równocze-śnie pozwala zwiększyć dokładność uzyskanych rezultatów. Autorzy realizują badania nienisz-czące wykorzystując, zgodnie z [6], pięć odczytów w miejscu pomiarowym. Wyniki pomiarów weryfikowano w efekcie wykona-nia badań wytrzymałościowych.

Rys. 5. Lokalizacja miejsc badawczych – duże rozstawy prętów zbrojeniowych

strzemiona ∅ 8 mm co 10/15/20 cmSt3S-b

60 cm

D/2 = 30 cm

s = 5,0 cm > ∅ = 3,2 cml

17 ∅ 32 mm RB500W

strzemiona ∅ 8 mm St3S-b

B ETO N C40 /5 017 ∅ 32 mm

RB500W

B ETON C 40/5 0

B ETON C 3 0/37

0,60 m

0,40 m

1,20 m

1,20 m

A A

B BB − B

A − A

2 x 17 ∅ 32 mm RB500W

St3 S-b

strzemiona ∅ 8 mm

Cnom > ∅ 3,2 cm

Cno

m >

∅ 3

,2 c

m

B = H x tg α

0,30 m0,30 m

H

1

B ETON C 3 0/37

Rys. 6. Układ zbrojenia w słupie o przekroju kołowym

PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/200632

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁYA

RT

YK

UŁ

Y P

RO

BL

EM

OW

E

Przedstawione w pracy wyniki ana-liz porównawczych przy wykonaniu 5, 6 oraz 9 odczytów pozwalają wnioskować, że otrzymane różni-ce nie są istotne przy założeniu szacunkowego charakteru metody sklerometrycznej [12]. W efekcie przeprowadzonych prac autorzy dowodzą, iż zwiększenie ilości odczytów z pięciu do dziewięciu, a także zwiększenie powierzchni miejsca pomiarowego, nie zmie-nia radykalnie uzyskanych wyni-ków i nie wpływa na zwiększenie dokładności metody. Zmiana przepisów o normalizacji

[15] z 12 września 2002 r., usank-cjonowała zasadę, że stosowanie normatywów projektowania i reali-zacji konstrukcji obiektów inżynier-skich jest dobrowolne, co umoż-liwia uczestnikom procesu inwe-stycyjnego zastosowanie uzasad-nionej naukowo własnej interpre-tacji przedmiotowego zagadnienia, odrębnie do stanowiska określone-go w aktualnej normie [12].

BIBLIOGRAFIA[1] Runkiewicz L., Metody nieniszczące sto-sowane do oceny właściwości materiałów budowlanych w diagnostyce budowlanej. Inżynieria i Budownictwo, nr 9/2005, Warszawa

[2] Brunarski L., Ocena wytrzymałości betonu w konstrukcji. IV Konferencja Naukowo-Techniczna – Warsztat Pracy Rzeczoznawcy Budowlanego, Kielce 1998[3] Brunarski L., Runkiewicz L., Podstawy i przykłady stosowania metod nieniszczących w badaniach konstrukcji z betonu. Wydawnictwa Instytutu Techniki Budowlanej, Warszawa 1983[4] PN-76/B-03264 Konstrukcje betonowe, żelbetowe sprężone – Obliczenia statyczne i projektowanie[5] PN-88/B-06250 Beton zwykły[6] PN-74/B-06262 Nieniszczące badania konstrukcji z betonu – Metoda sklerometryczna – Badania wytrzymałości betonu na ściskanie za pomocą młotka Schmidta typu N[7] PN-74/B-06261 Nieniszczące badania konstrukcji z betonu – Metoda ultradźwiękowa[8] PN-B-03264:2002 Konstrukcje betonowe, żelbetowe sprężone – Obliczenia statyczne i projektowanie[9] PN-EN 206-1 Beton – część 1 – Wymagania, wykonywanie, produkcja i zgodność[10] PN-EN 12390-3: 2002 Badania betonu – Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania[11] PN-EN 12504-1: 2002 Badania betonu w konstrukcjach – Część 1: Odwierty rdzeniowe – Wycinanie, ocena i badanie wytrzymałości na ściskanie[12] PN-EN 12504-2: 2002 Badania betonu w konstrukcjach – Część 2: Badania nieniszczące – oznaczanie liczby odbicia[13] Instrukcja ITB nr 210 „Metoda sklerometryczna do badań wytrzymałości betonu w konstrukcji”[14] Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane. Dz. U. nr 207 z 2003 r., poz. 2016 (tekst jednolity) z późniejszymi zmianami[15] Ustawa z dnia 12 września 2002 r. Ustawa o normalizacji. Dz. U. nr 169 z 2002 r. z późniejszymi zmianami

Artykuł opracowano w ramach pracy własnej W/IIB/07/06.

Rys. 7. Lokalizacja miejsc badawczych – małe rozstawy prętów zbrojeniowych

Tabela 1. Wyniki pomiarów liczby odbicia żelbetowej ściany monolitycznej

Tabela 2. Wyniki pomiarów liczby odbicia żelbetowego słupa monolitycznego