Wprowadzenie

W ciągu ostatnich dwóch dekad budownictwo znalazło się pod rosnącą presją zmniejszenia swojego śladu węglowego i ponownego wykorzystania istniejących zasobów budowlanych, 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.

Wybór między wzmocnieniem istniejącej konstrukcji a jej rozbiórką i odbudową nie zawsze jest łatwy i zależy od aktualnego stanu konstrukcji, wytycznych inwestora oraz znaczenia kulturowego, historycznego i społecznego konstrukcji. Jeżeli projektant konstrukcji stwierdzi, że wzmocnienie całej konstrukcji jest możliwe, dowody wskazują, że czas realizacji inwestycji (zdefiniowany jako czas liczony od zatrzymania użytkowania budynku lub mostu do jego ponownego oddania do eksploatacji) jest krótszy o 15–70% w porównaniu z wyburzeniem i wybudowaniem budynku lub mostu od nowa. Oprócz oszczędności czasu wzmocnienie konstrukcji może skutkować zmniejszeniem wykorzystania zasobów o 10–75% dzięki oszczędnościom związanym z robocizną i materiałami, które bezpośrednio wpływają na oddziaływanie budynku na środowisko i jego ślad węglowy [1]. Innymi czynnikami, które są istotne z perspektywy klientów, są szybszy zwrot z inwestycji i niższy poziom inwestycji początkowej.

Rozwiązania związane ze wzmocnieniem 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”:

1. Poziom lokalny: zagęszczenie płyty za pomocą nadlewki betonowej, ale zignorowanie dodatkowych obciążeń wywieranych na belki nośne.
2. Poziom globalny: wysoka koncentracja ścian poddanych obciążeniu ścinającemu po jednej stronie konstrukcji zwiększająca zapotrzebowanie na obciążenie 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, 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 w Rysunek 1,
• zbrojenia wklejane,
• płaszcze stalowe,
• płyty przypowierzchniowe (NSM) lub klejone,
• folie i taśmy z polimerów wzmocnionych włóknami (FRP),
• sprężenia zewnętrzne.

Rysunek 1: Przygotowanie do wykonania nadlewki betonowej / płaszcza betonowego na słupach

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

• ściany wypełniające pracujące na ścinanie, jak pokazano na Rysunku 2,
• stężenia stalowe,
• mikropale,
• izolacja podłoża,
• urządzenia do rozpraszania energii / tłumienia.

Rysunek 2: Przykładowa ściana działająca na ścinanie, wykonana między słupami

Wzmacnianie elementów betonowych o niedostatecznej nośności na ścinanie

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 podłogę, które musi być przenoszone przez wszystkie elementy konstrukcyjne – płyty, belki, słupy i fundamenty. Zazwyczaj po weryfikacji projektant może stwierdzić, że belki nie mają wystarczającej wytrzymałości zarówno ze względu na zginanie, jak i na ścinanie, lub, w niektórych przypadkach, tylko na ścinanie. Przypomnijmy, że w większości norm projektowych, takich jak norma EN 1992-1-1:2004 [2], punkt 6.2, nośność elementu betonowego na ścinanie zależy od następujących sześciu parametrów:

1. wytrzymałość betonu,
2. szerokość i wysokość przekroju,
3. głębokość skuteczna do wzmocnienia na zginanie mierzona od góry włókna ściskanego,
4. długość podpory,
5. ilość wzmocnienia wzdłużnego,
6. ilość zbrojenia na ścinanie (lub poprzecznego).

Zastosowanie szeregu potencjalnie dostępnych rozwiązań na poziomie „lokalnym” w celu poprawy co najmniej jednego z tych parametrów zwiększa nośność na ścinanie w różnym stopniu, ale wiąże się to z kompromisem pod względem zakresu prac, 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 zapotrzebowania na ścinanie pojedynczej belki, mogą spowodować obciążenie innej belki i wymagać przeniesienia obciążenia na fundamenty. W związku z tym potencjalny zakres rozwiązań podnoszących poziom parametrów od (1) do (6) może odzwierciedlać Tabela 1:

Bezpośrednie zwiększenie ilości zbrojenia na ścinanie powoduje proporcjonalny wzrost nośności na ścinanie, a rozwiązania dostępne obecnie w branży są zazwyczaj nieznacznie inwazyjne i zmniejszają stopień zagrożenia, na które są narażone inne elementy konstrukcyjne. 

Wklejane zbrojenie na ścinanie zwiększające nośność na ścinanie

W ostatnich latach rozwój i dostateczny poziom zaawansowania technologii kotwienia wklejanego 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.

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

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

Montaż rozwiązania jest podobny do kotew wklejanych – polega na wierceniu do stałej głębokości osadzenia prostopadłej do powierzchni betonu, dokładnym oczyszczeniu wywierconych otworów z zanieczyszczeń, iniekcji żywicy, a następnie wprowadzaniu 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 wzmocnienie 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 wzmocnienia na zginanie

Nowe rozwiązanie wzmacniające – wklejane zbrojenie na ścinanie „HIT-Shear” firmy Hilti

Nowe rozwiązanie wzmacniające Hilti HIT-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 zabezpieczającej, również dostępnej w wykonaniu ze stali węglowej i stali nierdzewnej dla każdej średnicy pręta.

Uniwersalność tego systemu uzyskano dzięki wysokowydajnej żywicy, która umożliwia jej zastosowanie w betonie:

• o dowolnej grubości w zakresie 200–2200 mm,
• o dowolnej wytrzymałości w zakresie C20/25 i C50/60,
• suchym lub nasyconym wodą oraz w otworach wypełnionych wodą,
• przy temperaturze maksymalnej w perspektywach krótko- i długoterminowej odpowiednio +60°C i +43°C.
• elementy poddawane obciążeniu statycznemu, quasi-statycznemu i zmęczeniowemu.

Podczas gdy montaż w betonie jest rzeczywiście możliwy z każdej strony, na przykład od góry do dołu lub od dołu do góry w belce lub w płycie, kluczową cechą omawianego systemu jest montaż prętów gwintowanych do określonej długości montażowej, , która jest funkcją grubości, , i otuliny resztkowej, , która zapobiega, z perspektywy montażu, odpryskiwaniu betonu na powierzchni przeciwległej do otworu wierconego. Otulina resztkowa, jak pokazano na Rysunek 4, zmienia się w zależności od średnicy pręta.

Z perspektywy projektu stała długość montażowa zapewnia bezpieczne kotwienie prętów, aby odtworzyć model kratownicowy utworzony przez strzemiona betonowane. 

Rysunek 4: Przekrój przedstawiający głębokość montażową i otulinę resztkową rozwiązania wzmacniającego HIT-Shear

Zakres zastosowania rozwiązania zgodnie z niemiecką aprobatą krajową

Z względu na brak istniejącego Europejskiego Dokumentu Oceny (EAD) lub zharmonizowanej normy europejskiej (hEN) rozwiązanie wzmacniające Hilti HIT-Shear zostało zweryfikowane pod kątem przydatności do tego zastosowania wzmacniającego przez Deutsches Insitut für Bautechnik (DIBt) i uzyskało „ogólne pozwolenie na stosowanie w branży budowlanej” aBG, o numerze Z-15.5-383 [4]. Dzięki temu spełnia krajowe wymagania dotyczące robót budowlanych zawarte w MVV TB (Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen), które stanowią wzorcowe przepisy administracyjne i techniczne zasady budowlane wdrażane na poziomie federalnym w Niemczech.

Elastyczność w Twoich rękach – wykorzystaj możliwości PROFIS Engineering

Oprogramowanie do projektowania PROFIS Engineering firmy Hilti zawiera nowy dedykowany moduł do oceny i wzmacniania elementów betonowych o niedostatecznej nośności na ścinanie, 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 ścinanie w oprogramowaniu PROFIS Engineering umożliwia:

• wybór belek, słupów, płyt i ścian oraz określanie ich właściwości i geometrii,
• weryfikację nośności istniejących elementów betonowych zgodnie z normą EN 1992-1-1:2004 + załącznik krajowy lub SIA 262:2017 [5].
• wzmacnianie z możliwością wyboru jednej z czterech średnic elementów wzmacniających ze stali węglowej lub nierdzewnej i swobodnego wprowadzania rozstawu i odległości od krawędzi,
• podział elementu na poszczególne strefy i wykorzystanie metody krzyżulców ukośnych, aby zmaksymalizować nośność przy jak najmniejszym wzmocnieniu,
• generowanie kompleksowych raportów projektowych zawierających wszystkie weryfikacje, szczegóły zbrojeń i instrukcje montażu.

Podsumowanie

Modernizacja 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 liniowych lub płytowych elementów betonowych z zastosowaniem różnych metod, z których jedne są mniej inwazyjne od innych. Zastosowanie wklejanych wzmocnień na ścinanie, takich jak rozwiązanie Hilti z prętami gwintowanymi HAS(-U) i żywicą HIT-RE 500 V4, jest nowatorskim przykładem metody o nieznacznym stopniu inwazyjności, która może znacznie zwiększyć nośność na ścinanie elementu konstrukcyjnego.

Ponieważ Instytut DIBt przyznał mu, jako systemowi, ogólną ocenę techniczną zezwalającą na stosowanie w branży budowlanej (aBG), projektanci mogą wykorzystywać 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. Dzięki intuicyjnemu interfejsowi nowy moduł wzmacniania na ścinanie pozwala na oszczędność czasu na etapie projektowania.

Aby rozpocząć projektowanie odwiedź stronę: https://www.hilti.pl/content/hilti/E3/PL/pl/projektowanie/oprogramowanie/profis-engineering-suite.html

Dokumenty referencyjne

1. N. Addy, “Making sustainable refurbishment of existing buildings financially viable”, in Sustainable Retrofitting of Commercial Buildings - Cool Climates, S. Burton, red., Abingdon, Routledge, 2015, str. 57-73.
2. EN 1992-1-1:2004: “Eurokod 2 -- Projektowanie konstrukcji z betonu -- Część 1-1: Reguły ogólne oraz reguły dla budynków”, Bruksela: CEN, 2004.
3. K. S and G. Genesio, “Whitepaper on Shear-friction Applications and Concrete Overlays”, Hilti AG, Liechtenstein, grudzień 2023.
4. Deutsches Institut für Bautechnik, “Z-15.5-383 - Hilti Querkraft-Verstärkungssystem mit Hilti HIT-RE 500 V4”, DIBt, Berlin, 2024.
5. SIA, “SIA 262: Concrete Structures,” SIA, Zürich, 2017.