18 Wiadomości Konserwatorskie 18/2005

Praca dopuszczona do druku po recenzjach

NAUKA

Natalia STAWISKA, Bohdan STAWISKI

Rewaloryzacja muróww obiektach zabytkowych

1. Wprowadzenie

W starych remontowanych budynkach bardzo częstostajemy przed problemem ich rewaloryzacji, przystosowa-nia do nowych obciążeń, nowych zadań w budynku. Zwięk-szone obciążenia wymagają sprawdzenia nośności murów,a pojawiają się one z powodu zamiany lekkich stropów namasywne albo nadbudowania dodatkowych kondygnacji,czy też z powodu wyburzenia części ścian. Czasem wszyst-kie te przyczyny występują równocześnie. Dążenie do mak-symalnego wykorzystania nośności ścian rodzi pytania o wy-trzymałość cegły, wytrzymałość zaprawy, bo te parametryplus geometria przegród są podstawą określenia nośnościścian – to jeden problem do rozwiązania, a drugi to bardzoczęsto konieczność uciąglenia popękanych murów, tak abynie uszkodzić zabytkowego charakteru obiektu, a także abywzmocnienia od razu po wykonaniu współpracowały z mu-rem bez potrzeby wystąpienia wstępnych odkształceń, któ-re powodują mikrorysy wzdłuż starych pęknięć występują-cych przed remontem. Jak badać wytrzymałość cegieł, wy-trzymałość zaprawy, jak wzmacniać mury nie ingerującw ich wygląd? Odpowiedzi na te pytania zawarte są w dal-szej części artykułu.

2. Specyfika konstrukcji murowych

Mur jest konstrukcją złożoną z dwóch bardzo różniącychsię między sobą elementów – cegieł i zaprawy łączącej ele-menty murowe (tak obecnie nazywają cię cegły w normachi literaturze technicznej), a także poprawiającej niedostatkielementów ceramicznych, szczególnie w zakresie niedosko-nałości geometrycznych. Badania wytrzymałości można prze-prowadzić na elementach murowych zgodnie z zasadamibadania cegieł według normy PN-70/B-12016, ale wiąże sięto z dość dużymi uszkodzeniami muru w celu wykucia kil-ku całych cegieł. Jest to zadanie wykonalne, chociaż rzadkostosowane. Poza tym jedno badanie nie gwarantuje, że np.na innych kondygnacjach jest taka sama cegła.

Ze zbadaniem wytrzymałości zaprawy są jeszcze więk-sze problemy. Pobranie próbki zaprawy z muru do badańwytrzymałościowych jest praktycznie nierealne chociaż-by z tego powodu, że grubość zaprawy między cegłamiwynosi 1,5 cm, a do badań wymagany jest element o prze-kroju 4 x 4 cm. Analiza chemiczna składu zaprawy (eks-

trakcja) jest na tyle mało dokładna, że przeprowadzaniejej traci sens, gdyż uzyskiwany efekt jest porównywalnyz oceną intuicyjną.

3. Badania wytrzymałości poszczególnychskładników muru metodą ultradźwiękową

3.1. Badania cegieł

W literaturze były prezentowane próby zastosowaniametody ultradźwiękowej do badania murów metodą prze-puszczania ultradźwięków łącznie przez cegły i zaprawę.Dokładność otrzymywanych wyników takim sposobembyła nie zadowalająca z powodu między innymi różnego,często nie dokładnego wypełnienia spion, szczególnie do-tyczy to spoin pionowych. W prezentowanych dalej bada-niach odstąpiono od metody skrośnego przepuszczaniaimpulsu ultradźwiękowego przez całą grubość muru. Za-stosowano głowice eksponencjalne o punktowym kontak-cie z badanym materiałem. Badano więc oddzielnie cegłyi oddzielnie zaprawę między cegłami. Głowice przykłada-no do tej samej powierzchni na stałej bazie pomiarowejwynoszącej 70 mm (rys. 1). Rejestrowano czas przejścia falipowierzchniowej, a następnie wyliczano prędkość Cp.

W celu otrzymania zależności korelacyjnej pomiędzyprędkością fali powierzchniowej Cp a wytrzymałością ce-gły fe wykuto z murów kilku przedwojennych budynkówpo kilka cegieł, w których uprzednio pomierzono prędko-ści fali powierzchniowej (w 6 obszarach każdej z cegieł).Cegły przecięto i połączono zaprawą zgodnie z procedurąnormową. Po badaniu niszczącym w maszynie wytrzyma-

Rys. 1. Sposób badania cegieł i zaprawy między nimi za pomo−cą głowic eksponencjalnych

Wiadomości Konserwatorskie 18/2005 19

łościowej otrzymano pary liczb Cp – fe. Otrzymano zbiórwyników o wytrzymałościach normowych z przedziału3-12 MPa (rys. 2).

Poszukiwaną zależność aproksymowano funkcjami:• potęgową,• wykładniczą.Przedstawione wyniki, ze względu na wąski zakres ba-

danych cegieł, nie upoważniają do uogólniania otrzyma-nych zależności na wszystkie cegły, ale można je wykorzy-stywać do badania cegieł w starych murach przy niezbytwysokich wytrzymałościach, maksymalnie do 15 MPa (wła-ściwie bez cegły klinkierowej). Dysponując krzywą skalo-wania, po zmierzeniu średniej prędkości fali powierzchnio-wej w cegle znajdującej się w murze łatwo i szybko możnaocenić wytrzymałość cegieł nie wyjmując ich z muru. Przy-kład z badań wytrzymałości cegieł w obiekcie zabytkowymsprzed około 100 lat przedstawiono w tab. 1.

3.2. Badanie wytrzymałości zapraw

Dla zapraw nie ma możliwości wykonania próbek wy-ciętych ze spoin i z tego względu konieczne jest inne po-dejście. W celu ustalenia w miarę uniwersalnej zależnościpomiędzy wytrzymałością zaprawy a prędkością fali po-wierzchniowej skorzystano z tego, że zaprawa składa się

Rys. 2. Wyznaczona zależność korelacyjna dla cegieł ceramicz−nych z przełomu XIX−XX wieku pomiędzy wytrzymałością naściskanie fc a prędkością fali powierzchniowej Cp

Tablica 1. Dziennik pomiarów ultradźwiękowych cegieł w ścia−nach starych budynków murowanych

Nr Lp. Droga Czas Prędkość Wytrzym. Wytrzym.budynku t−t0 średnia

1 [mm] [µs] Cp [m/s] fc [MPa] fcśr

1 1 70 95,9 730 6,4 8,22 70 100,2 698 63 70 82,6 847 8,14 70 72,4 967 10,35 70 86 817 7,66 70 83,7 836 87 70 71,2 983 10,78 70 82,5 848 8,2

2 1 70 101 433 3,6 52 70 114,5 611 5,13 70 117 598 4,94 70 116 3 55 70 109,5 639 5,46 70 117,7 595 4,97 70 124,5 562 5,58 70 110 636 5,3

tylko z piasku i spoiwa. Piaski naturalne, kwarcowe różniąsię między sobą nieznacznie, a spoiwo to cement i wapno.Po wykonaniu wielu prób z różnymi proporcjami składni-ków zaprawy stwierdzono, że zależności korelacyjne dla tegomateriału nie ulegają takim zmianom (przesunięciomw układzie współrzędnych fc – Cp) jak dla betonu. W jed-nej z wcześniejszych prac [2] wykazano, że dla zapraw ce-mentowych słabych o proporcji składników 1:8, krzywa ska-lowania może być opisana równaniem

fc = 0,174exp 2,2822Cp [MPa] (r = 0,89) (1)

a dla zapraw mocnych o proporcji składników 1:3 równaniem

fc = 22,81-41,67Cp+16,56Cp2 [MPa] (2)

Dla zapraw o składach 1:3, 1:6 i 1:8 analizowanych łącz-nie, otrzymano następujące równania:Funkcja liniowa

fc = -5,5+7,671 Cp [MPa] r = 0,73 (3)

Funkcja potęgowa

fc = 2,71Cp1,85 [MPa] r = 0,74 (4)

Funkcja wykładnicza

fc = 0,659exp1,44Vp [MPa] r = 0,75 (5)

Dla przedziału prędkości Cp od 1 do 2 km/s powyższekrzywe leżą bardzo blisko siebie. Poza tym przedziałem je-dynie zależność liniowa zaczyna oddalać się od pozostałych.Ostatecznie do wyznaczenia wytrzymałości zaprawy zale-cono zależność (5), szczególnie wtedy gdy brak jest infor-macji o składzie zaprawy (a tak jest najczęściej).

Badania zapraw do ustalenia zależności korelacyjnychprowadzono na próbkach φ = f = 8 cm. Przechodząc naobecnie obowiązujące beleczki 4 x 4 x 16 cm

fcbel.=1,5·fcϕ8

Opracowaną metodę badań zastosowano do zbadaniawytrzymałości zaprawy w murach wieży ciśnień wznie-

Nr Lp. Czas Prędkość Wytrzymałośćobszaru przejścia Cp [m/s] beleczkowa

µs fc [MPa]

1 1 141,5 5962 130 6603 105,4 8604 133,6 6395 125,1 6296 125,4 690

Średnia 689,5 2,67

2 1 106,2 8512 131 6543 128,5 6724 112,8 7885 111,2 8026 128,3 671

średnia 739,7 2,87

Tablica 2. Dziennik pomiarów ultradźwiękowych i obliczeń pręd−kości fali powierzchniowej Cp i wytrzymałości zaprawy fc

20 Wiadomości Konserwatorskie 18/2005

Rys. 3. Wierzchnia warstwa w spoinach pokazanej budowli wykonywana była z zaprawy ce−mentowej o innym składzie niż zaprawa wewnątrz muru i była skarbonizowana

Rys. 4. Sposób badania zaprawy między cegłami z wykorzystaniem głowic eksponencjalnych

sionej we Wrocławiu w po-czątku XX wieku. Do badańnie nadawała się wierzchniawarstwa zaprawy gdyż była tozaprawa do sopinowania ce-gieł, a ponadto wierzchniawarstwa zawsze jest silnieskarbonizowana (rys. 3).

W związku z tym usuwa-no tę zaprawę do głębokościokoło 3 cm i badano ultra-dźwiękami z wykorzystaniemgłowic o eksponencjanych fa-lowodach. Do badań wyko-rzystano również wykuciaw murach. Sposób prowadze-nia badań pokazano na rys. 4.

Badania wykonano na sta-łej bazie pomiarowej 70 mmgłowicami o częstotliwości 100kHz. Przykład fragmentudziennika pomiarów pokazanow tab. 2.

Dla kilkudziesięciu obsza-rów pomiarowych otrzymanośrednią wytrzymałość fcbel == 2,73 MPa i odchylenie stan-dardowe sfbel = 0,17MPa.

Chcąc określić wytrzyma-łość zaprawy (klasę zaprawy)na podstawie badań w kon-strukcji należy pamiętać, że za-prawa w murze nie jest za-gęszczona tak jak np. beton.Jest rzucona dość przypadko-wo na cegłę, znajduje sięw murze w różnych miej-scach, w różnych stanach za-gęszczenia (inaczej zagęszczo-ne mogą być spoiny pionowe,inaczej poziome). W warun-kach laboratoryjnych ta samazaprawa jest równomiernie za-gęszczona w foremkach,w każdej próbce i na podsta-wie tych elementów określasię klasę zaprawy. Pomimo ko-rzystnych warunków zagęsz-czania zaprawy w próbkachnp. zaprawa klasy M2 podczasbadań próbek może wykazy-wać zmiany wytrzymałości od1,6 do 3,5 MPa, klasa M5 od3,6 do 7,5 MPa a klasa M20odpowiednio 15,1 do 50 MPa.W związku ze specyfiką za-gęszczania zaprawy w murze,podczas badań „in situ” po-winny decydować maksymal-ne otrzymane wartości. Poda-jąc średnie wartości i odchyle-nie standardowe możemyokreślić prawdopodobień-stwo, z jakim wyznaczona jestwytrzymałość. Dla cytowa-

Wiadomości Konserwatorskie 18/2005 21

Rys. 8. Wzmacnianie nad−proży prętami wprowadzany−mi ukośnie do nadproży

Rys. 6. Naprawa ścian z pęknięciami pionowymi i ukośnymi

Rys. 7 Możliwe sposoby wzmacniania nadproży

Rys. 5. Spiralne pręty stosowane do naprawy popękanych ścianmurowanych

nych wyżej badań zaprawę zakwalifikowano do klasy M2 –średnia wytrzymałość fcśr = 2,73 MPa przy odchyleniu stan-dardowym sfbel = 0,17MPa.

Przedstawione rezultaty badań aplikacyjnych wskazująna dużą wiarygodność i przydatność prezentowanej meto-dy do zastosowania w praktyce zarówno do badań kontrol-nych, jak i do celów rzeczoznawstwa budowlanego.

4. Naprawy murów spękanych

W literaturze technicznej znanych jest szereg metodwzmacniania murów [3, 4, 5]. Stosuje się różnego rodzajusposoby „ściągania” rozdzielonych części muru z zastoso-

22 Wiadomości Konserwatorskie 18/2005

padającej warstwy elewacyjnej w murach bazyliki św. An-toniego w Rybniku stosując pręty spiralne wkręcane na su-cho w nawiercone otwory φ 6,5 mm dla prętów o średnicyφ 8mm. Przedstawiona metoda stosowana jest również przynaprawie nowych murów warstwowych.

Ostatnio autorzy zalecili zdylatowanie warstwy ze-wnętrznej muru warstwowego z powodu dużych odkształ-ceń termicznych. Wzdłuż dylatacji konieczne było gęstekotwienie obu warstw muru i do tego zastosowano wkrę-cane pręty spiralne (rys.9).

5. PodsumowaniePrzytoczone sposoby badania murów a właściwie cegieł

i zaprawy między cegłami a także nowe sposoby wzmac-niania ścian popękanych pokazują, że problem remontu,naprawy lub rewaloryzacji budynków starych z ścianamimurowanymi jest dobrze rozwiązany i nie ma przeszkóddo stosowania opisanych metod na szeroką skalę.

LITERATURA

[1] RUNKIEWICZ L., Stosowanie metod nieniszczących w rze-czoznawstwie budowlanym. 27 KKBN, Międzylesie 1998.

[2] STAWISKI B., Nieniszczące badania zapraw budowlanychw konstrukcjach. Prace Naukowe Instytutu BudownictwaPolitechniki Wrocławskiej. Seria Konferencje 1991.

[3] THIERY J., ZALESKI S., Remonty budynków i wzmac-nianie konstrukcji. Arkady, Warszawa 1982.

[4] MASŁOWSKI E., SPIŻEWSKA D., Wzmacnianie kon-strukcji budowlanych. Arkady, Warszawa 2000.

[5] Praca zbiorowa pod red. L. Runkiewicza, Błędy i uszko-dzenia budowlane oraz ich usuwanie. WEKA, Warszawa2001.

[6] MALCZYK A.,WŁASZCZUK M., Stany awaryjne i spo-soby zabezpieczania konstrukcji murowych bazyliki w Rybni-

ku. XX Konf. Nauk.-Techn. Awarie budowlane.Szczecin-Międzyzdroje 2001.

EXAMINATIONS AND REPAIRSOF OLD AND DAMAGED

BRICKWORK

Old buildings made of brick are usually exposed,to a large extent, to getting damp due to lack of ap-propriate damp-courses. After the reasons for damp-ness have been eliminated and the walls have beendehumidified we often face a problem of their res-toration and adjustment to new loads or to new tasksto be performed in the building. There occur ques-tions regarding the strength of brick and mortarwhich constitutes the basis for determining the loadcapacity of the walls and quite often it is also neces-sary to bond the cracked walls without affecting thehistoric qualities of the building. The paper presentsthe methods of conduct addressing the asked ques-tions. How to measure the strength of brick andmortar and how to strengthen the brickwork with-out affecting its appearance?

Rys. 9. Przykład kotwienia warstwy zewnętrznej do muruz pustaków przy pomocy spiralnych prętów wkręcanych

waniem np. śrub rzymskich, klamrowania, kotwieniaw stropach itd. Skuteczność tych metod można ocenić dwo-jako: w skali makro (gdy chodzi o bezpieczeństwo całegobudynku to zdają one egzamin), w skali mikro (wzdłuż sta-rych rys po naprawie mogą pojawić się rysy o małej roz-wartości). Jest to związane z tym, że zanim ściąg lub klamrazacznie współpracować ze ścianą, pojawiają się pewne od-kształcenia wystarczające do powstania włoskowatej rysy,oczywiście w najsłabszym miejscu, czyli na dawnym pęk-nięciu. Szczególnie sprzyjają temu drgania, np. komunika-cyjne. Zjawisko to było obserwowane przez kilka lat na jed-nym z wyremontowanych budynków we Wrocławiu.

Od pewnego czasu pojawiły się na rynku specjalne ele-menty do naprawy uszkodzonych (popękanych) murów.Są to skręcone spiralnie pręty ze stali austenicznej, nierdzew-nej (rys. 5).

W celu przywrócenia murom ciągłości pręty spiralneo średnicach od 4,5 do 8 mm układa się w oczyszczonychz zaprawy, do głębokości 6cm od powierzchni, spoinachpoziomych, w co 5-6 spoinie. Długość prętów powinna za-pewniać taki stan, aby od rysy do końca pręta było co naj-mniej 50 cm. Przy narożach położonych bliżej niż 50 cmod rysy pręty można zagiąć wzdłuż ściany. Po włożeniu prę-tów spoiny należy wypełnić wtłaczaną, niekurczliwą, tik-sotropową zaprawą cementową lub zaprawami żywiczny-mi. Ostatnio autorzy zalecili tę metodę do wzmocnieniasilnie popękanych ścian kościoła z surowymi ceglanymi ścia-nami (rys. 6, 7).

Spiralnymi prętami stalowymi można wzmacniać ścia-ny również w taki sposób, że po nawierceniu otworu wkle-ja się pręty np na żywicę poliestrową. Nawiercając otworyukośnie do rysy (rys. 8) można zużywać mniej prętów, gdyżzakotwienie pręta poza rysą może być dużo krótsze, np.10 cm, 15cm w zależności od wytrzymałości łączonych ma-teriałów. W publikacji [6] podano przykład zakotwienia od-