Wpływ zmian wilgoci i/lub temperatury na materiały budowlane

Wiele budynków ulega znacznej deformacji tuż po ich wybudowaniu. Proces ten może zakończyć się mniejszym lub większym uszkodzeniem konstrukcji murowej. W Polskiej Normie PN-B-03002 „Konstrukcje murowe –Projektowanie i obliczanie” (tzw. norma murowa), liczącej blisko 70 stron, na zagadnienia poświęcone zmianom i reakcjom konstrukcji murowych wynikających ze skurczu oraz odkształcalności termicznej materiałów budowlanych poświęcono 11 linijek. I nie jest to wina autorów normy, lecz tego, że norma ta zwana jest również normą „pomostową” i ma być łącznikiem pomiędzy starą wersją normy a Eurokodem 6.

Jeśli prześledzi się literaturę fachową, szczególnie anglosaską, to okazuję się, że temu zagadnieniu na Zachodzie poświęca się zwykle zdecydowanie więcej miejsca niż u nas. Bo rysy i przemieszczenia w obrębie budynku nie powstają jedynie, jak wiele osób sądzi, wskutek obciążeń, ale również dlatego że nie policzono, lub policzono błędnie rozszerzalności i skurcze materiałów budowlanych. Uszkodzenia budynków mogą także wynikać z tego, iż w nieprawidłowy sposób połączono ze sobą elementy mające odmienne właściwości fizyko-mechaniczne (np. konstrukcja murowa i konstrukcja stalowa). Tak więc kluczem do sukcesu (którym jest takie zaprojektowanie budynku, aby nie doszło w nim do rys lub przemieszczeń) jest nie tylko policzenie stanów granicznych nośności, ale również przewidywanie i uwzględnianie już na etapie projektowania, ruchów konstrukcji murowych oraz zachowania się materiałów budowlanych w warunkach rzeczywistych.

Tablica 11 normy murowej podaje następujące współczynniki skurczu oraz ekspansji termicznej, które należy przyjmować do obliczeń:

Za zmiany zachodzące w obrębie materiałów budowlanych odpowiedzialne są m.in.:

1. obciążenia (sprężyste/ niesprężyste deformacje/ pełzanie),
2. temperatura (rozszerzanie/ kurczenie),
3. wilgoć (pęcznienie/ skurcz),
4. krystalizacja soli rozpuszczalnych w wodzie (wzrost objętości).

Zmiany wymiarów materiałów budowlanych zachodzą niezależnie od naszej woli, nie pozostaje nam zatem nic innego, jak zaakceptować to, że one występują. Należy mieć przy tym na uwadze fakt, że dopóki zmiana wymiarów materiału budowlanego nie napotyka na swojej drodze żadnego oporu, dopóty wszystko jest w porządku. Problemy zaczynają się pojawiać dopiero wówczas, gdy ruch konstrukcji murowej, lub jej fragmentu, zostaje zablokowany. W takim przypadku zwykle dochodzi do lokalnego przekroczenia wytrzymałości konstrukcji murowej, lub też wytrzymałości materiałów, z których się ona składa. Stąd też wynika m.in. konieczność dylatowania budynku, dzielenia go na mniejsze fragmenty. Nieumiejętne zablokowanie ruchu konstrukcji murowej (poprzez np. brak dylatacji, zastosowanie zbyt wąskiej szczeliny dylatacyjnej, zastosowanie zbyt sztywnego materiału umieszczonego w przerwie dylatacyjnej, podzielenie budynku na zbyt wielkie fragmenty itd.) w większości przypadków kończy się zarysowaniem konstrukcji murowej. Dla dużej grupy budynków, ze względu na ich złożoność oraz szeroką gamę zastosowanych materiałów budowlanych, nie jesteśmy do końca w stanie przewidzieć i policzyć wszystkich zmian, jakie będą miały miejsce. Nie stoimy jednak na straconej pozycji. Niektóre z czynników (np. ekspansja materiału podczas zamrażania) możemy pominąć ze względu na ich znikomy wpływ.

Obciążenia (sprężyste/ niesprężyste deformacje / pełzanie)

W normie murowej poświęcono bardzo dużo miejsca liczeniu stanów granicznych nośności, więc projektant nie powinien mieć kłopotów z wyliczeniem odpowiednich parametrów muru. Polska norma murowa nie podaje jednak wartości pełzania lub plastycznej deformacji materiałów budowlanych poddawanych obciążeniom.
W literaturze angielskojęzycznej pełzaniem określa się zjawisko, w czasie którego pod wpływem obciążenia dochodzi do nieodwracalnej deformacji konstrukcji murowej lub betonowej. Rozmiary odkształcenia zależą od wielkości przyłożonego obciążenia, czasu przez jaki ono działa lub działało oraz wieku konstrukcji. Amerykańskie Stowarzyszenie Brick Industry Association podaje do obliczeń następujące wartości współczynnika pełzania:

• Konstrukcje murowe z ceramiki – zjawisko pełzania dotyczy przede wszystkim spoiny. W wielu przypadkach wielkość tego ruchu może być pomijana w obliczeniach, warto jednak wiedzieć, że współczynnik pełzania dla tego typu konstrukcji murowej wynosi 0,10x10^-4 mm/mm per MPa.
• Konstrukcje murowe z bloczków betonowych – wykazują większy współczynnik pełzania ze względu na zawartość cementu w elementach murowych. Współczynnik pełzania wynosi 0,36x10^-4 mm/mm per MPa.
• Beton – o ile w dwóch poprzednich przypadkach pełzanie konstrukcji było na niewielkim poziomie, o tyle zjawisko to może stać się problemem w budynkach opartych na konstrukcji szkieletu betonowego, bowiem pełzanie dla wysokowytrzymałych elementów betonowych jest mniejsze niż dla betonów o niskich wytrzymałościach. Pełzanie jest nieznacznie większe w betonach opartych na lekkich kruszywach niż w betonach ze standardowymi wypełniaczami. W wysokich budynkach, stawianych w technologii szkieletu, całkowite skurczenie się betonowych kolumn, które jest wynikiem elastycznych i nieelastycznych deformacji, jak również siły grawitacji, może być znaczące i wynosić powyżej 25 mm na każde 24 m wysokości. Wartości te są na tyle duże, że nieuwzględnienie tego typu zachowania się betonu prowadzi zwykle do uszkodzenia ścian wypełniających budynek.

Temperatura

Wszystkie materiały budowlane zwiększają swoje wymiary i kurczą się w rytm zmian temperatury otoczenia. Teoretycznie zmiany te są odwracalne. W konstrukcjach murowych, gdzie występuje zablokowanie ruchu związanego ze zmianą temperatury, pojawiają się naprężenia. Wielkość pojawiającego się naprężenia można wyliczyć mnożąc współczynnik rozszerzalności termicznej przez różnicę temperatur oraz moduł Younga materiału budowlanego. Za różnicę temperatury należy przyjąć średnie wartości dla danego elementu budynku. Temperatura na powierzchni materiału budowlanego zależy m.in. od orientacji ściany względem stron świata, koloru cegły, oraz typu ściany (z izolacją lub bez). Należy brać pod uwagę fakt, że temperatura na powierzchni muru jest zwykle znacznie wyższa niż temperatura atmosfery. Ściany zlokalizowane w kierunku południowym zbudowane z cegły o ciemnej powierzchni mogą nagrzewać się do temperatury 60-65°C, podczas gdy powietrze jest nagrzane „tylko” do 38°C. Z drugiej strony w niektórych regionach Polski temperatura w zimie spada do -30°C. Tak więc, przy obliczaniu należy również uwzględniać lokalne warunki klimatyczne. W okolicach Suwałk temperatury zimą są znacznie niższe niż w okolicach Wrocławia. Stąd też różnice temperatur zima/lato, jakie przyjmuje się do obliczeń będą różne. Jeśli jesteśmy już przy zmianach konstrukcji murowych powodowanych przez temperaturę, to należy zwrócić szczególną uwagę na projektowanie narożników budynków. W tych miejscach bardzo często widoczne są uszkodzenia. Wynikają one z tego, że (jak wspomina norma murowa) szczególnie w tych miejscach występuje koncentracja naprężeń termicznych. Dylatację powinno umieszczać się w bezpośrednim sąsiedztwie narożnika. Tablica 11 normy murowej podaje współczynniki ekspansji termicznej dla materiałów budowlanych, lecz nie podaje tej wartości dla zapraw. Współczynnik rozszerzalności termicznej zapraw zależy od rodzaju zastosowanego lub zastosowanych spoiw. Przyjmuje się, że współczynnik ten waha się w granicach od 7,0 (zaprawa wapienna) do 13,5x10^-6/K (zaprawa cementowa). Pośrednie wartości występują dla mieszanek cementowo-wapiennych i zależą od proporcji składników wiążących.

Wilgotność powietrza

Za wyjątkiem metali, materiały budowlane pochłaniając wilgoć zwiększają swoją objętość. Dla jednych zmiany te są nieodwracalne, dla innych odwracalne lub częściowo odwracalne.

Cegła ceramiczna – temu materiałowi należy poświęcić więcej miejsca, ponieważ w normie murowej przyjęto, że ceramika się kurczy, stąd też w Tablicy 11 normy znalazła się wartość -0,2 mm/m, gdy tymczasem źródła amerykańskie i kanadyjskie podają, że ceramika rozszerza się. Okazuje się, że zarówno twórcy polskiej normy jak i Amerykanie czy Kanadyjczycy mogą mieć rację.
W cegle ceramicznej występują dwa rodzaje zmian. Tuż po wyciągnięciu cegły z pieca rzeczywiście występuje niewielki skurcz materiału. Związane jest to ze spadkiem temperatury cegły po procesie wypału. Od momentu, gdy temperatura cegły zrówna się z temperaturą otoczenia, w wyniku pochłaniania wilgoci z atmosfery rozpoczyna się kolejny etap związany ze zmianą wymiaru cegły i jest nim zwiększanie się jej objętości. Stwierdzono, że jest to proces stały i nieodwracalny, o stopniowo zmniejszającej się szybkości. Największe zmiany objętości obserwuje się w ciągu pierwszych kilku tygodni „życia” cegły (do 50%). Również później zachodzą zmiany jej objętości, choć nie są one tak dramatyczne jak w początkowym okresie – pozostałe 50% zostaje osiągnięte w ciągu pierwszych 15 lat „życia” cegły. Wielkość i szybkość ekspansji cegły, a z nią również konstrukcji murowej uzależniona jest m.in. od składu surowcowego cegły, w mniejszym stopniu od temperatury wypału. Na proces ten wpływ ma również sposób formowania cegły. Cegły, które posiadają luźną, mało zwartą strukturę wykazują większe zmiany objętościowe niż cegły prasowane o gęstej, zwartej strukturze. W poniższej tablicy podane są współczynniki ekspansji dla poszczególnych typów cegieł.

Krystalizacja soli rozpuszczalnych w wodzie

Krystalizacja soli wiąże się z dodatnimi zmianami objętości. Jeśli proces ten odbywa się wewnątrz materiału budowlanego, to rezultatem krystalizacji może być poważne uszkodzenie materiału (cegły, okładziny ściennej, tynku). Tego typu procesy są trudne do przewidzenia, co do ich lokalizacji jak i wielkości zmian objętości. Dlatego lepiej jest tego typu zjawiskom zapobiegać. Duża w tym rola wykonawcy, który tak powinien prowadzić prace budowlane, aby na ich końcu budynek zawierał jak najmniej wilgoci pochodzącej z wody technologicznej.

Podsumowanie

W artykule tym nie wyczerpano całości zagadnienia. Mam nadzieję, że skłoni on projektantów, aby myśleli nie tylko o obciążeniach, ale również o temperaturze i wilgotności, w jakiej budynek będzie pracował. Mury, a za nimi budynki reagują i odpowiadają na to, co dzieje się w ich otoczeniu. Nieuwzględnianie tego, że wymiary budynków zmieniają się wraz ze zmianą temperatury oraz wilgotności, jak również tego, że niektóre elementy murowe w naturalny, właściwy im sposób kurczą się, a inne pęcznieją może doprowadzić do poważnego uszkodzenia ścian. Poniższe równanie uwzględnia większość znaczących ruchów, jakie mogą wystąpić wewnątrz materiałów budowlanych. Powinno się je stosować po to, aby mieć pewność, że zaprojektowany budynek będzie się zachowywał zgodnie z naszymi przewidywaniami.

m_u=(k_e + k_f +k_tΔT)L

gdzie:

Do obliczeń można przyjmować wartości średnie podawane w tablicach. Należy jednak przy tym pamiętać, że chociaż postępując w ten sposób nie popełniamy błędu, to jednak może to powodować przeszacowanie lub niedoszacowanie wyników. Dlatego też bardziej właściwym postępowaniem jest sytuacja, kiedy projektant stara się dowiedzieć u producentów materiałów budowlanych jak najwięcej o oferowanych przez nich wyrobach. Im więcej wiemy, tym lepiej nie tylko dla nas, ale również dla konstrukcji murowej.