1. WZMOCNIENIA – INFORMACJE OGÓLNE

W ciągu ostatnich dwóch dekad przemysł budowlany znalazł się pod coraz większą presją, aby zmniejszyć swój ślad węglowy i ponownie wykorzystać istniejące zasoby budowlane, aby sprostać rosnącym wymaganiom społeczno-gospodarczym, szczególnie w środowiskach miejskich, gdzie okres eksploatacji znacznej części budynków i mostów o konstrukcji żelbetowej dobiega końca i wymagają one modernizacji lub rozbiórki. Koniec okresu eksploatacji to niejedyna przyczyna wzmacniania istniejących konstrukcji. Inne przyczyny mogą obejmować:

·      zmianę sposobu użytkowania lub funkcji użytkowej budynku,

·      powiększenie wymiarów zewnętrznych budynku,

·      dodanie kolejnych kondygnacji w zagęszczonym środowisku miejskim, które sprawia, że rozbudowa horyzontalna nie jest możliwa,

·      wprowadzenie nowych przepisów budowlanych,

·      błędy lub inne nieprawidłowości w pierwotnej konstrukcji oraz

·      konieczność rozwiązania innych problemów związanych z trwałością spowodowanych znanymi zagrożeniami, takimi jak pożary lub trzęsienia ziemi.

1. ROZWIĄZANIA ZWIĄZANE ZE WZMACNIANIEM I PROCES ICH WYBORU

Te potencjalne oszczędności są jednak w dużym stopniu uzależnione od zdolności projektanta konstrukcji w zakresie wyboru i zdolności branży budowlanej do dostarczania i wdrażania odpowiednich rozwiązań wzmacniających, które eliminują zidentyfikowane lokalne i/lub globalne nieprawidłowości. Większość projektów wzmacniających będzie zazwyczaj obejmować wiele rozwiązań, lecz w niektórych przypadkach realizacja takich przedsięwzięć będzie niemożliwa ze względu na ograniczenia architektoniczne, operacyjne lub geometryczne, brak wiedzy w zakresie projektowania i/lub realizacji czy niedostępność odpowiedniego sprzętu, co zawęża listę potencjalnych rozwiązań. Na wybór właściwego rozwiązania wpływają dodatkowo towarzyszące im zalety i wady – nie są one „złotymi środkami”, które w cudowny sposób rozwiązują wszelkie nieprawidłowości konstrukcyjne. Kolejnym aspektem jest możliwość błędnego wdrożenia tych rozwiązań, które mogą prowadzić do wzmocnienia określonej części konstrukcji, ale osłabienia innej, co zilustrowano w poniższych dwóch przykładach – jednego na poziomie lokalnym, a drugiego na poziomie globalnym:

·      Poziom lokalny: zagęszczenie płyty za pomocą nadlewki betonowej, ale zignorowanie dodatkowych obciążeń wywieranych na belki podpierające.

·      Poziom globalny: wysoka koncentracja ścian wypełniających, usztywniających po jednej stronie konstrukcji zwiększająca wymagania dotyczące obciążenia po jej drugiej stronie, dająca efekt odwrotny do zamierzonego.

Na poziomie „lokalnym” nieprawidłowości mogą dotyczyć poszczególnych elementów betonowych, takich jak belki, słupy, płyty, ściany i fundamenty, które nie wykazują wystarczającej nośności, aby zapobiegać zniszczeniom wskutek rozciągania, sprężania, zginania, ścinania, ścinania przy przebiciu, skręcania i innych skutków spowodowanych nowymi wymaganiami w zakresie obciążenia.  

Rozwiązania dla poszczególnych elementów obejmują między innymi:

·      nadlewki lub płaszcze betonowe, jak pokazano na Rysunku 1,

·      zbrojenie wklejane,

·      płaszcze stalowe,

·      płyty przypowierzchniowe (NSM) lub klejone,

·      folie i taśmy z polimerów wzmocnionych włóknami (FRP),

·      sprężenia zewnętrzne. 

Rysunek 1: Przykładowa nadlewka betonowa / płaszcz betonowy na słupach

Wzmocnienie na poziomie „globalnym” zazwyczaj obejmuje rozwiązywanie problemów związanych z całą konstrukcją, takich jak sejsmiczne, pożarowe, zmęczeniowe i wiatrowe, poprzez wdrażanie rozwiązań takich jak:

·      ściany wypełniające, usztywniające, jak pokazano na Rysunku 2,

·      tężniki stalowe,

·      mikropale,

·      izolacja podłoża,

·      urządzenia do rozpraszania energii / tłumienia.

Rysunek 2: Przykładowa ściana wypełniająca, usztywniająca między słupami

3. WZMACNIANIE PŁYT BETONOWYCH I FUNDAMENTÓW O NIEDOSTATECZNEJ NOŚNOŚCI NA ŚCINANIE PRZY PRZEBICIU

Zakładając, że budynek, który wcześniej miał charakter biurowy, został przekształcony w budynek usługowy ze względu na zmianę właściciela, większa liczba kondygnacji zwiększy obciążenie wywierane na przykład na strop, które musi być przenoszone przez wszystkie elementy konstrukcyjne – płyty, słupy i fundamenty. Zazwyczaj po weryfikacji projektant może stwierdzić, że płyta płaska może nie jest wystarczająco nośna zarówno ze względu na zginanie, jak i na ścinanie przy przebiciu, lub, w niektórych przypadkach, tylko na ścinanie przy przebiciu. Przypomnijmy, że w większości norm projektowych, takich jak norma EN 1992-1-1:2004 [2], punkt 6.4, nośność elementu betonowego na ścinanie przy przebiciu zależy od następujących pięciu parametrów:

1) wytrzymałość betonu,

2) wysokość użyteczna do wzmocnienia na zginanie mierzona od góry włókna ściskanego,

3) wielkość podpory i obwodu kontrolnego

4) ilość zbrojenia podłużnego

5) ilość zbrojenia na przebicie

Zastosowanie szeregu potencjalnie dostępnych rozwiązań na poziomie „lokalnym” w celu poprawy co najmniej jednego z tych parametrów zwiększa nośność na ścinanie przy przebiciu w różnym stopniu, ale wiąże się to z kompromisem pod względem inwazyjności, kosztów, dostępności i innych aspektów. Niektóre modyfikacje mogą z kolei okazać się niewykonalne, takie jak zwiększenie wytrzymałości betonu, z którego wykonano istniejącą belkę. Inne, takie jak dodanie większej liczby podpór w postaci dodatkowych słupów w celu zmniejszenia wymagań dotyczących ścinania przy przebiciu, mogą wymagać przeniesienia obciążenia na fundamenty. W związku z tym zakres rozwiązań Hilti podnoszących poziom parametrów od (1) do (5) przedstawiono w Tabeli 1Tabeli 1:

Tabela 1: Potencjalne rozwiązania wzmacniające beton o niedostatecznej nośności na ścinanie przy przebiciu

Bezpośrednie zwiększenie ilości zbrojenia na przebicie powoduje proporcjonalny wzrost nośności na przebicie, a rozwiązania dostępne obecnie w branży są zazwyczaj minimalnie inwazyjne i zmniejszają zakłócenia, na które są narażone inne elementy. Zastosowanie wszystkich innych rozwiązań zwykle powoduje jednak nieproporcjonalny (niedostateczny) wzrost nośności na przebicie, z wyjątkiem nadlewki betonowej, co wiąże się z pewnymi kompromisami.

4. ZBROJENIE NA PRZEBICIE MONTOWANE PÓŹNIEJ W CELU ZWIĘKSZENIA NOŚNOŚCI

W ostatnich latach rozwój i dostateczny poziom zaawansowania technologii kotwienia montowanego później doprowadziły do jej wykorzystania w zastosowaniach wykraczających poza mocowania stal-beton i połączenia beton-beton. Jednym z zastosowań w zakresie wzmacniania jest nadlewka betonowa, w przypadku której zarówno łączniki klejone, jak i łączniki mechaniczne mają na celu wzmacnianie powierzchni styku między istniejącym a nowym betonem. Więcej szczegółów na temat wzmacniania za pomocą nadlewek betonowych można znaleźć w Podręczniku - Połączenia beton do betonu [3] lub w specjalnym opracowaniu [4].

Innym zastosowaniem systemu kotew wklejanych w zakresie wzmacniania jest niedawno opracowane rozwiązanie wzmacniające Hilti „HIT-Punching Shear”, które bezpośrednio zwiększa nośność na ścinanie przy przebiciu elementów z betonu zbrojonego, jak pokazano na Rysunku 3Rysunku 3, podobnie jak strzemiona betonowane.

Rysunek 3: Pręty Hilti HIT-RE 500 V4, HAS(-U) i zestaw wypełniający stosowane jako wklejane wzmocnienie na przebicie

Rozwiązanie to montuje się w podobny sposób jak kotwy wklejane – polega na wierceniu do stałej głębokości osadzenia prostopadłej do powierzchni betonu, dokładnym oczyszczeniu wywierconych otworów z zanieczyszczeń, iniekcji żywicy, a następnie wkładaniu prętów. Po utwardzeniu żywicy nakrętki można dokręcić do maksymalnej określonej wartości momentu.

Uwaga: O ile nie zostanie to wyraźnie uwzględnione w projekcie, należy w miarę możliwości unikać wiercenia i cięcia przez zbrojenie na zginanie, aby zapobiec dalszemu osłabieniu konstrukcji. Jeśli nie można tego uniknąć, na przykład aby ułatwić wiercenie w obszarach o dużym zagęszczeniu zbrojeń, za wyraźną zgodą projektanta odpowiedzialnego za projekt należy stosować dodatkowe środki, aby zrekompensować utratę zbrojenia na zginanie.

5. NOWE ROZWIĄZANIE WZMACNIAJĄCE HILTI „HIT-PUNCHING SHEAR”
Nowe rozwiązanie wzmacniające Hilti HIT-Punching Shear składa się z następujących elementów:

Rozwiązanie stanowi połączenie żywicy iniekcyjnej HIT-RE 500 V4 z prętami gwintowanymi Hilti HAS w rozmiarach M12, M16, M20 i M24, z których każdy jest dostępny w wykonaniu ze stali węglowej i stali nierdzewnej do użytku wewnętrznego lub zewnętrznego. Elementy stalowe są uzupełniane za pomocą zestawu wypełniającego Hilti, który składa się z podkładki infekcyjnej i sferycznej, nakrętki i opcjonalnej nakrętki kontrującej, również dostępnej w wykonaniu ze stali węglowej i stali nierdzewnej dla każdej średnicy pręta.

Uniwersalność tego systemu obejmuje następujące parametry:

·      Grubość płyty między 200-1100 mm, z minimalną wysokością użyteczną 160 mm.

·      Montaż od góry lub od dołu płyty z określonymi zakresami długości prętów w zależności od grubości płyty i średnicy pręta.

·      Wytrzymałość betonu między C20/25 i C50/60.

·      Beton suchy lub nasycony wodą oraz otwory wypełnione wodą.

·      Temperatura maksymalna w perspektywach krótko- i długoterminowej odpowiednio +40°C i +24°C.

·      Elementy poddane obciążeniom statycznym i quasi-statycznym.

6. ELASTYCZNOŚĆ W TWOICH RĘKACH – WYKORZYSTAJ MOŻLIWOŚCI PROFIS ENGINEERING

Oprogramowanie do projektowania oparte na chmurze PROFIS Engineering firmy Hilti zawiera nowy dedykowany moduł do oceny i wzmacniania elementów betonowych o niedostatecznej nośności na ścinanie przy przebiciu, który pomaga projektantom konstrukcji w ocenianiu nośności istniejących elementów i ich wzmacnianiu, zapewniając tym samym bezpieczniejszy i bardziej wydajny przepływ prac. Nowy moduł wzmacniania na przebicie w oprogramowaniu PROFIS Engineering umożliwia:

·  Wybór słupów prostokątnych i okrągłych, końców ścian i naroży ścian na płytach oraz określenie ich właściwości materiałowych i geometrii.

·  Weryfikację nośności istniejących elementów betonowych zgodnie z normą EN 1992-1-1:2004.

· Wzmacnianie zgodnie z aBG Z.15-5.387 [5] w połączeniu z normą DIN EN 1992-1-1/NA:2013, z możliwością wyboru jednej z czterech średnic elementów zbrojenia ze stali węglowej lub nierdzewnej i swobodnego wprowadzania rozstawu i odległości od krawędzi,

·  Swobodne ręczne wprowadzanie rozstawów promieniowych i liczby elementów wzmacniających w każdym obwodzie.

·  Generowanie kompleksowych raportów projektowych zawierających wszystkie weryfikacje, szczegóły zbrojeń i instrukcje montażu.

7. PODSUMOWANIE

Przekształcanie i ponowne wykorzystywanie starszych konstrukcji może przynieść wiele korzyści w stosunku do budowania nowych. Każda konstrukcja wymaga jednak spełnienia określonych celów po wzmocnieniu. W oparciu o wybraną koncepcję projektowania projektant konstrukcji może skoncentrować się na niedostatecznej nośności na ścinanie przy przebiciu płyt lub fundamentów przez zastosowaniem różnych metod, z których jedne są mniej inwazyjne od innych. Zastosowanie wklejanych wzmocnień na przebicie, takich jak rozwiązanie Hilti z prętami gwintowanymi HAS(-U) i żywicą HIT-RE 500 V4, jest nowatorskim przykładem minimalnie inwazyjnej metody, która może znacznie zwiększyć nośność na ścinanie przy przebiciu elementu konstrukcyjnego.

Ponieważ zostało odpowiednio ocenione i instytut DIBt przyznał mu, jako systemowi, dopuszczenie do stosowania w budownictwie ogólnym (aBG), projektanci mogą stosować znane podejście projektowe oparte na Eurokodzie 2 zintegrowane z pakietem oprogramowania PROFIS Engineering firmy Hilti, aby uzyskać wykonalne rozwiązanie, które pozwala na dostosowywanie kluczowych parametrów konstrukcyjnych, takich jak średnica i rozstaw. Dzięki intuicyjnemu interfejsowi, nowy moduł wzmacniania na przebicie pozwala inżynierom oszczędzać czas na etapie projektowania, co przynosi wartość dla klientów i jednocześnie przyczynia się do bezpieczniejszego i bardziej elastycznego środowiska budowlanego.

Aby dowiedzieć się więcej, zapoznaj się z naszym opracowaniem, które stanowi rozwinięcie niniejszego artykułu.

Katalog produktów do wzmacniania konstrukcji: Zestaw do wzmacniania na ścinanie i przebicie HIT - Wzmocnienia konstrukcyjne - Hilti Polska

Podręcznik projektowania wzmacniania na ścianie: Wzmocnienie konstrukcji żelbetowych na ścinanie

Nagranie z webinarium: Wzmacnianie konstrukcji żelbetowych na ścinanie - Enigneering ...

Aby rozpocząć projektowanie, odwiedź stronę https://profisengineering.hilti.com/

Edytorial: Wzmacnianie elementów żelbetowych na ścinanie - Hilti Polska

8. DOKUMENTY REFERENCYJNE

1. N. Addy, „Making sustainable refurbishment of existing buildings financially viable”, w: Sustainable Retrofitting of Commercial Buildings - Cool Climates, S. Burton, red., Abingdon, Routledge, 2015, str. 57-73.

2. EN 1992-1-1:2004: “Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings [Eurokod 2 - Projektowanie konstrukcji z betonu - Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków]”, Brussels: CEN, 2004.

3. „Concrete-to-Concrete Connections Handbook”, Hilti AG, Liechtenstein, May 2024.

4. „Whitepaper on Shear-friction Applications and Concrete Overlays”, Hilti AG, Liechtenstein, Dec. 2023.

5. Deutsches Institut für Bautechnik, „Z-15.5-387 - Hilti Durchstanzverstärkungssystem mit Hilti HIT-RE 500 V4”, DIBt, Berlin, 2025.