MAGISTRSKO DELO
MAGISTRSKI ŠTUDIJSKI PROGRAM DRUGE STOPNJE GRADBENIŠTVO
Ljubljana, 2022
Hrbtna stran: 2022
MARIO FARIČ
POTRESNI ODZIV ENOSTRANSKO UTRJENIH PREKLADNIH DELOV KAMNITIH ZIDOV
MARIO FARIČ
gradbeništvo in geodezijo
Kandidat/-ka:
Mentor/-ica: Predsednik komisije:
Somentor/-ica:
Član komisije:
Ljubljana, 2022
Magistrsko delo št.:
Master thesis No.:
MARIO FARIČ
POTRESNI ODZIV ENOSTRANSKO UTRJENIH PREKLADNIH DELOV KAMNITIH ZIDOV
SEISMIC RESPONSE OF ONE SIDE STRENGTHENED STONE MASONRY
SPANDRELS
doc. dr. Matija Gams
»Ta stran je namenoma prazna.«
uresničitvi zastavljenih ciljev!
Velika zahvala pritiče tudi družini za neomajno podporo skozi študijska leta. Hvala, da niste nikoli podvomili v moj končni uspeh!
»Ta stran je namenoma prazna.«
Naslov:
Tip dokumenta: Magistrsko delo
Obseg in oprema: 84 str., 76 sl., 16 tab., 15 en., 12 pril.
Ključne besede: potresni odziv, kamniti zid, prekladni del zidu, enostranska utrditev, GFRP, eksperimentalna preiskava
Izvleček
V nalogi smo raziskovali potresno obnašanje prekladnega dela kamnitega zidu ter preučevali učinkovitost potresnega utrjevanja z ene strani. Vsebinsko je naloga sestavljena iz treh glavnih delovnih sklopov. V prvem sklopu smo za potrebe eksperimentalne preiskave sprojektirali in sestavili kompleksno preizkuševališče za prekladne dele zidov v naravni velikosti. V drugem delu smo na preizkuševališču preizkusili prekladni del kamnitega zidu v osnovnem in utrjenem stanju ter raziskovali izboljšanje potresnega odziva. Maltna obloga enostranske utrditve je bila debela približno 30 mm in armirana z mrežico iz steklenih vlaken (GFRP). Utrjeni zid je imel 2,8-krat večjo nosilnost in je dosegel največjo odpornost pri približno 33-krat večjem zamiku. Količina sipane energije se je povečala za približno 20-krat. Ključno vlogo za doseganje take učinkovitosti obloge so imela sidra. Uporabljeni sta bili dve vrsti posebnih sider, ki sta bili razviti ravno za ta namen. V tretjem sklopu smo analitično ocenjevali nosilnost preizkušenih zidov. Ugotovili smo, da ne obstaja veliko priporočil oziroma navodil za oceno odpornosti prekladnih delov in da so obstoječi modeli primerni predvsem za opečne zidove.
Za oceno odpornosti smo zato smiselno prilagodili enega od obstoječih modelov. Ocenjena nosilnost neutrjenega prekladnega dela je bila podcenjena za približno 25 %, ocenjena nosilnost utrjenega prekladnega dela pa precenjena za dobrih 20 %.
»Ta stran je namenoma prazna.«
Title:
Document type: Master's Thesis
Notes: 84 p., 76 fig., 16 tab., 15 eq., 12 ann.
Keywords: seismic response, stone masonry, spandrel, one sided reinforcement, GFRP, experimental research
Abstract
Seismic behaviour of stone masonry spandrels and one sided strengthening was investigated. The work was divided into three segments. In the first one a complex laboratory test setup for full scale masonry spandrels was designed and assembled. In the second part a stone masonry spandrel in reference and strengthened state was tested. The one sided mortar coating of strenghtened spandrel was about 30 mm thick and reinforced with glass fibre (GFRP) mesh. The strengthened wall had 2.8 times higher strength capacity and reached maximum resistance at about 33 times larger drift. The amount of dissipated energy was increased about 20 fold. The key for achieving such efficiency of strengthening was the use of two kinds of specially designed anchors. In the third segment, resistance of walls was estimated analytically.
Because very few models exist in literature, and even those that exist are for brick, not stone masonry, no model could be used directly. Therefore an existing model was sensibly adjusted for the present case.
The estimated resistance of a reference spandrel was underestimated by about 25 %, whereas the resistance of the strengthened spandrel was overestimated by about 20 %.
»Ta stran je namenoma prazna.«
BIBLIOGRAPHIC-DOCUMENTALISTIC INFORMATION AND ABSTRACT ... VII KAZALO SLIK ... XI KAZALO TABEL ... XV LIST OF FIGURES ... XVII LIST OF TABLES ... XXI OKRAJŠAVE IN SIMBOLI / ABBREVIATIONS AND SYMBOLS... XXIII
1 UVOD ... 1
1.1 Kratek pregled stanja in opis problema ... 1
1.2 Namen dela in cilji raziskave ... 2
2 SPLOŠNO O ZIDANIH KONSTRUKCIJAH ... 3
2.1 Obnašanje zidanih stavb med potresi ... 3
2.2 Konstrukcijski elementi zidanih stavb ... 6
2.3 Utrjevanje zidanih stavb ... 7
2.3.1 Ukrepi za zagotavljanje celovitosti obnašanja med potresom ... 7
2.3.2 Ukrepi za izboljšanje zasnove stavbe ... 11
2.3.3 Ukrepi za utrditev zidovja ... 11
2.3.4 Ukrepi za izboljšanje temeljev ... 19
3 PREKLADNI DELI ZIDOV ... 21
3.1 Preizkušanje prekladnih delov zidov ... 21
3.2 Obnašanje prekladnih delov zidov med potresi ... 24
3.2.1 Mehanizmi porušitve prekladnega dela zidu ... 24
3.2.2 Vpliv osne sile v prekladnem delu zidu ... 25
3.2.3 Vpliv načina podpiranja prekladnega dela zidu ... 25
3.3 Utrditvene tehnike prekladnih delov zidov ... 27
4 EKSPERIMENTALNA PREISKAVA PREKLADNEGA DELA KAMNITEGA ZIDU ... 29
4.1 Opis preizkušanca ... 29
4.2 Materialne karakteristike osnovnega preizkušanca ... 30
4.2.1 Kamen ... 30
4.2.2 Malta za zidanje ... 31
4.2.3 Tlačna trdnost zidovja ... 32
4.3 Karakteristike materialov za sanacijo in utrditev preizkušanca ... 33
4.3.1 Injekcijska masa za sanacijo razpok ... 34
4.3.2 Povezovalna sidra ... 34
4.3.3 Materiali za utrditev preizkušanca ... 34
4.4 Opis preizkuševališča ... 36
4.4.1 Členkasti podpori ... 37
4.4.2 Temeljna nosilca ... 39
4.4.3 Sistem za vnos tlačne sile ... 40
4.5 Gradnja preizkušanca ... 42
4.6 Sanacija in utrjevanje preizkušanca ... 44
4.7 Instrumentacija ... 48
4.8 Protokol obremenjevanja ... 50
4.8.1 Osnovno (neutrjeno) stanje ... 50
4.8.2 Utrjeno stanje ... 51
5 REZULTATI EKSPERIMENTALNE RAZISKAVE ... 53
5.1 Parametri potresne odpornosti prekladnih delov zidov ... 53
5.1.1 Histerezni odziv ... 53
5.1.2 Mejna stanja ... 53
5.1.3 Ovojnica histerezne krivulje ... 53
5.1.4 Kapaciteta sil in zamikov ... 54
5.1.5 Disipacija energije ... 54
5.2 Osnovno (neutrjeno) stanje ... 56
5.3 Utrjeno stanje ... 60
5.4 Primerjava rezultatov... 63
6 NOSILNOST PREKLADNEGA DELA ZIDU ... 65
6.1 Modeli za izračun nosilnosti prekladnih delov zidov ... 65
6.1.1 Osnovno zidovje... 66
6.1.2 Utrjen prekladni del ... 68
6.2 Izračun največje nosilnosti neutrjenega preizkušanca prekladnega dela zidu ... 70
6.2.1 Podatki o prekladnem delu zidu ... 70
6.2.2 Izračun upogibne nosilnosti ... 72
6.2.3 Izračun strižne nosilnosti ... 73
6.3 Izračun največje nosilnosti utrjenega preizkušanca prekladnega dela zidu ... 75
6.3.1 Prispevek strižne nosilnosti neutrjenega prekladnega dela ... 75
6.3.2 Prispevek strižne nosilnosti utrditve ... 75
6.3.3 Strižna nosilnost utrjenega prekladnega dela ... 76
6.4 Povzetek in primerjava z rezultati iz eksperimentalne preiskave ... 76
7 ZAKLJUČEK ... 79
VIRI ... 81
Slika 2:
Slika 3: Porušni mehanizmi zidu: a) upogibna porušitev v ravnini zidu – drobljenje na tlačenih robovih, b) zdrs zidu v vodoravni smeri, c) strižna porušitev zaradi prekoračitve nateznih trdnosti v diagonalni
smeri zidu – formiranje diagonalnih razpok... 5
Slika 4: Odziv monolitnega (levo) in večslojnega (desno) zidu na potresno obtežbo izven njegove ravnine. ... 6
Slika 5: Poškodovani prekladni deli zidov na zidani stavbi po potresu v Petrinji, december 2020. (foto: M. Dolšek, 2021) ... 7
Slika 6: Jekleni vezi in sidro na stičišču zidov (levo) (IV1, 2020), položaji jeklenih vezi v stavbi (desno) (Vugrinec, 1997). ... 8
Slika 7: Zibanje prekladnih delov zidu (levo) je omejeno z zidnimi vezmi (desno). ... 9
Slika 8: Utrjevanje lesenih stropov z dodatnim slojem opaža. (Tomaževič, 2009) ... 11
Slika 9: Injektiranje kamnitega zidovja v praksi. (IV2, 2020)... 13
Slika 10: Mehanizmi porušitve dvoslojnega kamnitega zidu: a) neobremenjen zid, b) zid, ki je izpostavljen vodoravni obtežbi, c) zid, ki je izpostavljen tlačni vertikalni obremenitvi. (Candela in sod., 2016) ... 14
Slika 11: Shematski prikaz povezovalnega sidra v dvoslojnem kamnitem zidu. ... 14
Slika 12:Vidni del povezovalnega sidra po vgradnji (levo) in dodatno sidranje armature s pomočjo povezovalnega sidra (desno). ... 15
Slika 13: Shematski prikaz blizu površine nameščenega FRP traku. ... 16
Slika 14: Shematski prikaz vgrajenih žic in sider v fuge (levo) (Fibrenet, 2019a) in detajli prečnega jeklenega sidra (desno) (Corradi, 2018). ... 17
Slika 15: Delaminacija tankega sloja zidu, utrjenega z GFRP oblogo v epoksidni matrici (levo), histerezni odziv zidov, utrjenih z GRFP oblogami v epoksidni matrici (desno). (Gams in sod., 2017) 18 Slika 16: Maltna obloga na kamnitem zidu, ojačana z GFRP mrežo: vgrajevanje (levo) in shematski prikaz (desno) (IV3, 2021). ... 18
Slika 17: Deformirana oblika modela analizirane neutrjene stene (levo), primerjava potisnih krivulj neutrjene stene v primeru upoštevanja oz. neupoštevanja prekladnih delov zidov v modelu (desno). (Beyer in sod., 2010) ... 21
Slika 18: Zidana stena z odprtinami (levo) in eksperimentalni model prekladnega dela zidu (desno). (Povzeto po: Rinaldin in sod., 2014) ... 22
Slika 19: Primerjava dveh različnih zasnov za izvedbo strižno-upogibnega testa prekladnega dela zidu.
... 22
Slika 20: Potek momentne linije (modra črta) v slopih in prekladnem delu zidu za obe vrsti zasnove testa. ... 23
Slika 21: Izračun prečne sile v prekladnem delu zidu za obe vrsti zasnove testa. ... 23
Slika 22: Strižna porušitev prekladnih delov zidov v stari, neutrjeni zidani stavbi: celotna stavba (levo), detajl poškodovanega prekladnega dela zidu (desno). (Beyer in Dazio, 2012) ... 24
Slika 23: Upogibna porušitev prekladnih delov zidov v stari, neutrjeni zidani stavbi: celotna stavba (levo), detajl porušenega prekladnega dela zidu (desno). (Beyer in Dazio, 2012) ... 24
Slika 24: Primerjava histereznih krivulj, ki prikazujejo odnos med strižno silo in pomikom (črtkana črta: preizkušanec s tanko desko, polna črta: preizkušanec z debelo preklado). (Grazzioti in sod., 2014) ... 26
Slika 25: Strižna sila v prekladnem delu v odvisnosti od pomika: primerjava rezultatov med neutrjenim (črna črta) in utrjenim (rdeča črta) kamnitim vzorcem. (Rinaldin in sod., 2014) ... 28
Slika 26: Pogled (levo) in prečni prerez (desno) preizkušanca prekladnega dela zidu. ... 29
Slika 27: Armaturni načrt armiranobetonskih elementov za preizkušanec prekladnega dela zidu. ... 30
Slika 28: Kamen Credaro za gradnjo preizkušanca prekladnega dela zidu. ... 31
Slika 29: Testiranje tlačne (levo) in upogibne (desno) trdnosti. ... 32
Slika 30: Vzorci (levo) in zasnova testa za izvedbo tlačnih testov (desno). ... 33
Slika 31: Odnos med napetostjo in deformacijo za preizkušanec A3-1 (modra linija) in A3-2 (rdeča linija). ... 33
Slika 32: Povezovalno sidro, ki je bilo vgrajeno v preizkušanec prekladnega dela zidu. ... 34
Slika 33: Mreža iz steklenih vlaken za utrditev preizkušanca. ... 35
Slika 34: L-sidra (levo) in podložne mrežice (desno) iz steklenih vlaken. ... 36
Slika 35: Pogled na preizkuševališče za testiranje vzorca prekladnega dela zidu. ... 37
Slika 36: Prečni prerez jeklene pomične členkaste podpore. ... 38
Slika 37: Pritrjevanje merilne doze (levo) in sestavljena pomična členkasta podpora (desno). ... 39
Slika 38: Sestavljeno preizkuševališče z obema členkastima podporama in temeljnima nosilcema. ... 40
Slika 39: Shema sistema za vnos tlačne osne sile v zidna slopa. ... 41
Slika 40: Del vertikalnega jarma (levo) in oljna črpalka s plinskim akumulatorjem (desno). ... 41
Slika 41: Lepljenje AB temelja na temeljni nosilec (levo) in AB temelja po končanem lepljenju (desno). ... 42
Slika 42: Obdelava kamnov pred vgradnjo (levo) in zidanje prve vrste kamnov (desno). ... 42
Slika 43: Vgrajevanje manjših kamnov med oba sloja zidu (levo) in neenakomerna debelina fug (desno). ... 43
Slika 44: Lesena preklada (levo) in preizkušanec med gradnjo (desno). ... 43
Slika 45: Izravnava plasti malte pred vgradnjo AB preklade (levo) in vgrajena preklada (desno). ... 44
Slika 46: Preizkušanec prekladnega dela zidu po končani gradnji. ... 44
... 46
Slika 50: Dimenzije za razrez GFRP mreže. ... 47
Slika 51: Injektiranje smole pred vgradnjo L-sidra (levo) in preizkušanec s postavljeno mrežo (desno). ... 47
Slika 52: Glajenje površine ometa (levo) in končni izgled preizkušanca po utrditvi (desno). ... 48
Slika 53: Položaji merilnih mest. ... 49
Slika 54: Pozitivna (levo) in negativna (desno) smer obremenjevanja preizkušanca. ... 49
Slika 55: Skupna vertikalna sila v zidnih slopih neutrjenega preizkušanca prekladnega dela zidu. .... 50
Slika 56: Zgodovina obremenjevanja neutrjenega preizkušanca prekladnega dela zidu. ... 51
Slika 57: Skupna vertikalna sila v zidnih slopih utrjenega preizkušanca prekladnega dela zidu. ... 52
Slika 58: Zgodovina obremenjevanja utrjenega preizkušanca prekladnega dela zidu. ... 52
Slika 59: Shematski prikaz vhodne energije 𝐸𝑣ℎ𝑜 in histerezne energije 𝐸ℎ𝑖𝑠. ... 54
Slika 60: Histerezna krivulja zidu, ki je sposoben disipirati veliko energije (zgoraj) in zidu, ki je sposoben disipirati malo energije (spodaj). ... 55
Slika 61: Horizontalni pomik severne podpore. ... 56
Slika 62: Ovojnici za obe smeri obremenjevanja in povprečna ovojnica z označenimi mejnimi stanji. ... 57
Slika 63: Histerezni odziv in ovojnica neutrjenega preizkušanca. ... 58
Slika 64: Upogibne vertikalne razpoke za pozitivno smer obremenjevanja (levo) ter kombinacija strižnih in upogibnih razpok za negativno smer obremenjevanja (desno) pri zamiku prekladnega dela 0,2 %. Rdeča barva prikazuje lokacijo in širino razpok v povečanem merilu. ... 59
Slika 65: Strgana GFRP mreža (levo) in strižne razpoke na zadnji, neutrjeni strani utrjenega zidu (desno). ... 60
Slika 66: Ovojnici za obe smeri obremenjevanja in povprečna ovojnica z označenimi mejnimi stanji. ... 61
Slika 67: Histerezni odziv preizkušanca v utrjenem stanju. ... 62
Slika 68: Histerezni odziv neutrjenega (modra črta) in utrjenega (rdeča črta) preizkušanca ... 63
Slika 69: Prikaz predpostavljene porazdelitve napetosti po višini prekladnega dela zidu. (Rinaldin in sod., 2016) ... 66
Slika 70: Strižni test stika med oblogo in zidom. (Triller, 2019) ... 69
Slika 71: Preizkušanec pred začetkom preiskave (levo) in preizkušanec po koncu preiskave (desno). 70 Slika 72: Histerezni odziv in ovojnica preizkušanca. ... 71
Slika 73: Določitev efektivne dolžine preklopa kamnov. ... 72
Slika 74: Potek upogibnih razpok okoli lesene preklade. ... 73
Slika 75: Numerični model preizkušanca prekladnega dela zidu. ... 74
Slika 76: Potek strižnih napetosti po višini prekladnega dela zidu. ... 74
Tabela 3:
Tabela 4: Upogibna trdnost malte na prizmatičnih vzorcih. ... 32
Tabela 5: Izmerjene mehanske lastnosti zidovja. ... 32
Tabela 6: Mehanske lastnosti mreže za utrditev preizkušanca. (Fibrenet, 2019b) ... 35
Tabela 7: Protokol obremenjevanja neutrjenega preizkušanca prekladnega dela zidu. ... 50
Tabela 8: Protokol obremenjevanja utrjenega preizkušanca prekladnega dela zidu. ... 51
Tabela 9: Opis mejnih stanj za neutrjeni preizkušanec. ... 57
Tabela 10: Kapaciteta sil in zamikov neutrjenega preizkušanca. ... 59
Tabela 11: Energija neutrjenega preizkušanca. ... 60
Tabela 12: Opis mejnih stanj za utrjeni preizkušanec. ... 61
Tabela 13: Kapaciteta sil in zamikov utrjenega preizkušanca. ... 62
Tabela 14: Energija utrjenega preizkušanca... 63
Tabela 15: Analitično določene vrednosti nosilnosti preizkušancev. ... 76
Tabela 16: Primerjava analitično določenih vrednosti nosilnosti preizkušancev z rezultati eksperimenta. ... 77
»Ta stran je namenoma prazna.«
Figure 2:
Figure 3: Failure mechanisms of the wall: a) bending failure in the plane of the wall – toe crushing at compressed edges, b) slippage of the wall in the horizontal direction, c) shear failure due to exceeding
the tensile strength in diagonal direction of the wall – formation of diagonal cracks. ... 5
Figure 4: Out-of-plane behaviour of a monolithic wall (left) and a multi-wythe wall (right). ... 6
Figure 5: Damaged spandrels on a masonry building after the earthquake in Petrinje, December 2020. (Photo: M. Dolšek, 2021) ... 7
Figure 6: Steel ties and steel anchor plate at the corner (left) (IV1, 2020), positions of steel ties (right) (Vugrinec, 1997). ... 8
Figure 7: Rocking of spandrels (left) is limited by ties (right). ... 9
Figure 8: Strengthening wooden floors with an additional layer of boarding. (Tomaževič, 2009) ... 11
Figure 9: Injecting stone masonry in practice. (IV2, 2020) ... 13
Figure 10: Double leaf stone masonry wall failure mechanism: a) unloaded wall, b) wall subjected to a horizontal load, c) wall subjected to a compression vertical load. (Candela et al., 2016) ... 14
Figure 11: Schematic representation of an artificial diatone in double wythe stone wall. ... 14
Figure 12: Visible part of the artificial diatone after installation (left) and additional anchoring of reinforcement mesh (right). ... 15
Figure 13: Schematic representation of near surface mounted FRP strip. ... 16
Figure 14: Schematic representation of the embedded wires and anchors in the mortar joints (left) (Fibrenet, 2019a) and details of the transversal steel anchor (right) (Corradi, 2018). ... 17
Figure 15: Delamination of a thin layer of wall with GFRP reinforced coating in epoxy matrix (left), hysteretic response of walls with GRPF reinforced coating in epoxy matrix (right). (Gams et al., 2017) ... 18
Figure 16: GFRP mesh reinforced cementitious mortar coating on a stone wall: application (left) and schematic representation (right) (IV3, 2021). ... 18
Figure 17: Deformed shape of the model of the URM wall (left), comparison of the pushover curves of the URM wall in case of consideration or. disregarding the spandrels in the model (right). (Beyer et al., 2010) ... 21
Figure 18: Masonry wall with openings (left) and experimental model of spandrel (right). (Rinaldin et al., 2014)... 22
Figure 19: Comparison of two different test setups for shear-bending test on masonry spandrel. ... 22
Figure 20: Moment demand (blue line) on the piers and spandrel for the two different test setups. ... 23
Figure 21: Computation of shear force in spandrel for the two different test setups. ... 23
Figure 22: Shear failure of spandrels in an old URM structure: entire building (left), detail of a damaged spandrel (right). (Beyer and Dazio, 2012) ... 24
Figure 23: Flexural failure of spandrels in an old URM structure: entire building (left), detail of a failed spandrel (right). (Beyer and Dazio, 2012) ... 24
Figure 24: Comparison of hysteretic curves which are showing the relationship between shear force and displacement (dashed line: sample with thin wooden board, solid line: sample with thick wooden lintel). (Grazzioti et al., 2014) ... 26
Figure 25: Shear force in spandrel against displacement: comparison of results between unreinforced (black line) and reinforced (red line) rubble stone sample. (Rinaldin et al., 2014) ... 28
Figure 26: View (left) and cross section (right) of spandrel sample. ... 29
Figure 27: Reinforcement plan of r.c. elements for the spandrel sample. ... 30
Figure 28: The Credaro stone for construction of spandrel sample. ... 31
Figure 29: Testing of compressive (left) and flexural (right) strength. ... 32
Figure 30: Samples (left) and test setup used in compression tests (right). ... 33
Figure 31: Stress-strain curve for sample A3-1 (blue line) and A3-2 (red line). ... 33
Figure 32: Artificial diatone from the spandrel sample. ... 34
Figure 33: GFRP mesh for reinforcing the spandrel sample. ... 35
Figure 34: »L-shaped« GFRP connectors (left) and stress distribution GFRP devices (left)... 36
Figure 35: View of the test apparatus for testing the spandrel sample. ... 37
Figure 36: Cross section of steel sliding rotational support. ... 38
Figure 37: Attaching the load cell (left) and assembled sliding rotational support (right). ... 39
Figure 38: Assembled test apparatus for testing the spandrel sample. ... 40
Figure 39: Scheme of the system for applying the compressive axial load in piers. ... 41
Figure 40: Parts of vertical yoke (left) and oil pump with gas accumulator (right). ... 41
Figure 41: Bonding the r.c. foundation to the lever beam (left) and r.c. foundations after gluing (right). ... 42
Figure 42: Chiseling the stones before installation (left) and masonry of the first layer (right). ... 42
Figure 43: Installation of smaller stones between both wythes (left) and uneven thickness of joints (right). ... 43
Figure 44: Timber lintel (left) and sample during construction (right). ... 43
Figure 45: Leveling the mortar layer before installing the r.c. beam (left) and the built-in r.c. beam (right). ... 44
Figure 46: Finished spandrel sample. ... 44
Figure 47: Grouting (left) and injecting the cracks (right). ... 45
Figure 48: Drilling of hole for »L-shaped« GFRP connector (left) and artificial diatone (right). ... 45
with attached mesh (right). ... 47
Figure 52: Smoothing the plaster surface (left) and the final look of spandrel sample after reinforcement (right)... 48
Figure 53: Layout of the instruments. ... 49
Figure 54: Positive (left) and negative (right) direction of loading. ... 49
Figure 55: Total vertical force in piers of unreinforced spandrel sample. ... 50
Figure 56: Loading history for unreinforced spandrel sample. ... 51
Figure 57: Total vertical force in piers of reinforced spandrel sample. ... 52
Figure 58: Loading history for reinforced spandrel sample. ... 52
Figure 59: Schematic representation of input energy 𝐸𝑣ℎ𝑜 and hysteretic energy 𝐸ℎ𝑖𝑠. ... 54
Figure 60: Hysteretic curve of a wall capable of dissipating a lot of energy (above) and a wall capable of dissipating little energy (below). ... 55
Figure 61: Horizontal displacement of north support. ... 56
Figure 62: Envelopes for both loading directions and average envelope with marked limit states. .... 57
Figure 63: Hysteresis response and envelope of the unreinforced spandrel sample. ... 58
Figure 64: Flexural vertical cracks for positive direction of loading (left) and combination of shear- flexure crack pattern for negative direction of loading (right) of unreinforced spandrel sample at drift 0,2 %. The red colour shows the location and the width of the cracks on an enlarged scale. ... 59
Figure 65: Ripped GFRP mesh (left) and shear cracks in the back (unreinforced) side of the reinforced spandrel sample (right). ... 60
Figure 66: Envelopes for both loading directions and average envelope with marked limit states. .... 61
Figure 67: Hysteretic response of the reinforced spandrel sample. ... 62
Figure 68: Hysteretic response of unreinforced (blue line) and reinforced (red line) spandrel sample. ... 63
Figure 69: Assumed stress distribution along with the height of the spandrel sample. (Rinaldin et al., 2016) ... 66
Figure 70: Shear test of the coating to substrate bond. (Triller, 2019) ... 69
Figure 71: Sample before the start of the test (left) and sample after the end of the test (right). ... 70
Figure 72: Hysteretic response and envelope of the sample. ... 71
Figure 73: Determining the effective interlocking length of stones. ... 72
Figure 74: Flexural cracks around the timber lintel. ... 73
Figure 75: Numerical model of the spandrel sample. ... 74
Figure 76: Shear stresses along the height of the spandrel sample... 74
Table 3:
Table 4: Flexural strength of mortar on prismatic samples. ... 32 Table 5: Measured mechanical properties of masonry. ... 32 Table 6: Mechanical properties of GFRP mesh. (Fibrenet, 2019b) ... 35 Table 7: Loading protocol for unreinforced spandrel sample. ... 50 Table 8: Loading protocol for reinforced spandrel sample. ... 51 Table 9: Description of limit states for unreinforced spandrel sample. ... 57 Table 10: Force and drift capacity of unreinforced spandrel sample. ... 59 Table 11: Energy of unreinforced spandrel sample. ... 60 Table 12: Description of limit states for reinforced spandrel sample. ... 61 Table 13: Force and drift capacity of reinforced spandrel sample. ... 62 Table 14: Energy of reinforced spandrel sample. ... 63 Table 15: Analytically determined values of load bearing capacities of the spandrel samples. ... 76 Table 16: Comparison of analytically determined values of load bearing capacities of the spandrel samples with the results of the experiment. ... 77
»Ta stran je namenoma prazna.«
CRM Composite Reinforced Mortar – malta, ojačana s FRP DIC Digital Image Correlation
FCRM Fiber Reinforced Cementitious Matrix – malta, ojačana s FRP
FRP Fibre Reinforced Plastic – kompozitni material na polimerni osnovi, ojačan z vlakni GFRP Glass Fibre Reinforced Plastic – kompozitni material na polimerni osnovi, ojačan s
steklenimi vlakni
LVDT Linearno variabilni diferenčni pretvornik URM Unreinforced Masonry – neutrjeno zidovje
»Ta stran je namenoma prazna.«
izjema. V 70. letih prejšnjega stoletja je delež novo zgrajenih zidanih stavb pri nas znašal dobrih 50 % v tem obdobju zgrajenih stavb, medtem ko je ta delež v zadnjih 15 letih še vedno znašal 38 % (GURS, 2021). Čeprav delež novo zgrajenih zidanih stavb pri nas v zadnjih desetletjih počasi upada, vloge zidanih stavb v grajenem okolju nikakor ne smemo zanemarjati. Mnogo zidanih stavb je še danes dobro ohranjenih, kar dokazuje, da lahko zidane konstrukcije uspešno kljubujejo vplivom okolja in vsem obremenitvam, ki so jim podvržene v svoji življenjski dobi, če so le ustrezno zasnovane in kakovostno grajene.
Podatki (GURS, 2021) kažejo, da je pri nas do začetka 20. stoletja prevladovala gradnja kamnitih zidanih stavb, nato pa je začel naraščati delež novo zgrajenih opečnih zidanih stavb, še posebej v obdobju po prvi svetovni vojni. Številne izmed teh so zgrajene na potresno aktivnih območjih, zato so v svoji življenjski dobi pogosto izpostavljene potresnemu gibanju tal. V zidanih konstrukcijah, ki običajno prenašajo samo vertikalno obtežbo, se tako pojavijo še potresne sile. To so sile v vodoravni smeri konstrukcije, ki v konstrukcijskih elementih povzročajo dodatne upogibne in strižne, včasih pa tudi osne obremenitve. Če so zidane konstrukcije dobro zasnovane in kakovostno zgrajene iz kvalitetnih materialov, se med močnimi potresi pogosto niti ne poškodujejo preveč, pa čeprav sploh niso projektirane na potresno obtežbo.
Žal pa je veliko starih zidanih stavb močno ranljivih na potres. Številne stavbe, ki sicer niso poškodovane, saj jih kakšen močnejši potres nikoli ni prizadel, bi se v primeru močnega potresa lahko tudi porušile. Takšni so predvsem stari kamniti zidani objekti, ki bi jih bilo v nekaterih primerih celo najustrezneje porušiti, saj ne zagotavljajo niti minimalnih kriterijev nosilnosti in s tem tudi varnosti.
Vendar pa so ti objekti zaradi svoje zgodovinske vrednosti pogosto uvrščeni med spomenike arhitekturne in kulturne dediščine, kar pomeni, da je rušenje objekta po navadi prepovedano. Poleg tega se večina sodelujoče stroke v procesu odločanja glede nadaljnjih ukrepov ranljivih stavb običajno zavzame za njihovo utrditev in ne porušitev.
Nekatere zidane stavbe so zaradi različnih vplivov v njihovi dolgi življenjski dobi tudi poškodovane, kar se navadno izraža v obliki večjih ali manjših razpok. Kljub očitnim poškodbam in pogosto tudi vprašljivi varnosti konstrukcije pa te stavbe še vedno nudijo dom številnim posameznikom in družinam.
V takih stavbah bi lahko bila v primeru močnejšega potresa ogrožena celo človeška življenja. Jasno je torej, da je treba take stavbe popraviti in utrditi.
Poznamo številne ukrepe, s katerimi lahko utrdimo ranljive in poškodovane zidane stavbe. Za tanke razpoke v zidovju se pogosto uporablja injektiranje s cementnimi in epoksidnimi masami, kar je za kamnite zidove še posebej primeren utrditveni ukrep. Z injektiranjem zapolnimo praznine v večslojnih zidovih in zunanje sloje učinkovito povežemo med seboj. Poznamo tudi prefugiranje, kjer malto slabše kakovosti nadomestimo z močnejšo in po možnosti v spojnice vgradimo še armaturo. Kamnite zidove
lahko utrdimo tudi z raznimi tradicionalnimi metodami oblaganja (npr. nanos cementnega ometa, v katerega je vgrajena armaturna mreža, oblaganje osnovnega zidovja z betonom ipd.). Med sodobnejše tehnike utrjevanja zidovja prištevamo predvsem uporabo sintetičnih materialov, ki temeljijo na kompozitni polimerni (angl. fibre reinforced plastic/polymer) osnovi. Nekateri izmed naštetih ukrepov zahtevajo, da se med izvedbo utrditve izseli stanovalce, kar je v praksi pogosto neizvedljivo, še posebej v stavbah, kjer je lastništvo stanovanj deljeno.
Utrditev zidanih stavb praviloma predstavlja zelo zahteven inženirski poseg. Stare zidane stavbe so bile pogosto načrtovane po zastarelih predpisih za potresno odporno projektiranje ali pa sploh niso bile projektirane ob upoštevanju predpisov, saj so bile zgrajene še pred njihovo uveljavitvijo. Poleg tega je pri takih stavbah pogosto vprašljiva tudi kvaliteta gradnje in uporabljenih materialov, kar pomeni, da je pri oceni dejanskega stanja in pred izbiro utrditvenega ukrepa praviloma potrebno opraviti preiskave kvalitete materiala in konstrukcije. Tudi načrti stavbe in opisi posegov v nosilno konstrukcijo zaradi morebitnih adaptacij pogosto niso na voljo. Ocena dejanske potresne odpornosti obstoječe nosilne konstrukcije starejših zidanih stavb je zato velikokrat negotova, kar nam močno otežuje izbiro primernega utrditvenega ukrepa zidanih elementov.
Pri zidanih konstrukcijah poznamo dva ključna nosilna elementa – zidni slop in prekladni del zidu. V preteklosti je bilo opravljenih mnogo raziskav potresne odpornosti zidnih slopov. Njihov vpliv na konstrukcijo, obnašanje med potresi in pristopi k analizi so zato že dodobra raziskani. Precej manj pa so raziskani prekladni deli zidov. To se kaže predvsem v pomanjkanju predpisov oziroma priporočil za oceno njihove nosilnosti, kar lahko pri izbiri in računski potrditvi izbranega utrditvenega ukrepa povzroča številne težave. Kljub temu je bilo v zadnjih 15 letih predvsem na področju eksperimentalnega raziskovanja prekladnih delov opravljenih nekaj raziskav (npr. Gattesco in sod., 2008; Beyer in sod., 2010; Rinaldin in sod., 2014).
1.2 Namen dela in cilji raziskave
Namen naloge je razviti učinkovit in inovativen način utrditve ranljivih zidanih stavb, pri čemer se osredotočimo na kamnite zidane stavbe. Pri tem želimo upoštevati pogoje trajnostne rabe materialnih virov, zato bodo naši načini utrditve temeljili na uporabi kompozitnih materialov, ki so ojačani s steklenimi vlakni (GFRP). Poleg tega želimo, da bo izvedba utrditve ekonomsko upravičena in da med posegom v konstrukcijo začasna izselitev stanovalcev ne bo nujno potrebna.
Da bi dosegli predstavljen namen, smo si zastavili naslednje cilje:
- razviti učinkovito metodo za utrjevanje kamnitega zidovja le z ene strani, - za utrjevanje uporabiti sodobnejše materiale (uporaba kompozitnih materialov), - raziskati obnašanje prekladnih delov kamnitih zidov pri potresni obtežbi,
- razviti, sprojektirati in sestaviti preizkuševališče za preizkušanje prekladnih delov zidovja, - učinkovitost utrjevanja preveriti z eksperimentalnimi raziskavami na neutrjenem in utrjenem
preizkušancu prekladnega dela zidu in
- oceniti ustreznost obstoječih analitičnih modelov za napoved odpornosti prekladnih delov.
- stavba med potresom ne deluje celovito (elementi niso povezani), - stavba ima neustrezno zasnovo,
- materiali za zidanje so slabe kvalitete, kakovost grajenja pa vprašljiva in
- temeljenje je pomanjkljivo (težave se lahko pojavijo tudi s temeljnimi tlemi oz. terenom).
Stavba potresne obtežbe ne prevzema kot celota, ko elementi nosilne konstrukcije med seboj niso ustrezno povezani. Zidana stena kot ločen element namreč sama ne more prevzeti močne potresne sile pravokotno na svojo ravnino. Razpoložljivo potresno odpornost stavbe se lahko v celoti izkoristi le, če so zidovi med seboj povezani s horizontalnimi zidnimi vezmi in togimi stropnimi ploščami. To omogoča, da se celotna potresna obremenitev porazdeli na posamezne zidove v razmerju njihovih togosti. V splošnem predpostavka togih stropov pri novih zidanih konstrukcijah največkrat velja, pri starih pa pogoj zaradi podajnih stropov navadno ni izpolnjen. Omenjen koncept je prikazan na sliki 1.
Na sliki 1, a je povezava med zidovi slaba, kar med potresom povzroči, da se želi zid, ki je postavljen pravokotno na smer delovanja potresa, ločiti od zidov, ki stojijo v smeri delovanja potresa. Pri takšnem odzivu so običajno tudi stropne konstrukcije šibke in niso sposobne zadržati zidu pred padcem izven njegove ravnine. Tipično so take stropne konstrukcije leseni stropi, pri katerih stropniki niso sidrani v zid, zidovi pa so brez vodoravnih vezi. Če so povezave na stičiščih zidov dobre in so zidovi povezani med seboj z zidnimi vezmi, je odziv stavbe med potresom boljši (slika 1, b). Še vedno pa je pri lesenih stropih vpliv upogiba (predvsem dolgih) zidov izven svoje ravnine zelo močan, kar zmanjšuje potresno
Slika 1: Odziv stavbe glede na kakovost povezave zidov: a) slaba povezava med zidovi in podajna stropna konstrukcija, b) dobra povezava med zidovi in podajna stropna konstrukcija, c) dobra povezava med zidovi in
toga stropna konstrukcija.
Figure 1: Response of structures with different connections: a) poor connection between walls and weak floor structure, b) proper connection between walls but weak floor structure, c) proper connection between walls and
strong floor structure.
odpornost stavbe. Tudi tak odziv ni primeren, saj zaradi podajnih stropov ne moremo zagotoviti enakomerne distribucije potresne obtežbe na vse nosilne zidove, zato se lahko zgodi, da se nekateri zidovi preveč obremenijo in porušijo. To lahko pripelje do postopne porušitve preostalih zidov. V celoti lahko vso razpoložljivo potresno odpornost zidane stavbe izkoristimo le v primeru »škatlastega«
obnašanja konstrukcije (slika 1, c). V tem primeru je medsebojna povezava sosednjih zidov in povezava
zidov s togo stropno konstrukcijo dovolj močna, da se lahko potresna obtežba razporedi v razmerju togosti nosilnih zidov.
Ugoden odziv na potresno obtežbo lahko pričakujemo pri stavbah, ki so v tlorisu čim bolj simetrično zasnovane v obeh glavnih smereh. S tem zagotovimo, da se težišče togosti stavbe ne odmakne preveč od masnega težišča, s čimer se prepreči nastanek prevelikih torzijskih nihanj. Pri zidanih stavbah je še posebej pomembno, da zagotovimo dovolj velik delež strižnih sten v obeh glavnih smereh, ki prevzemajo vodoravne potresne sile. Slaba tlorisna zasnova stavbe je prikazana na sliki 2. Iz slike je razvidno, da je v vzdolžni smeri stavbe (smer X) delež nosilnih zidov bistveno manjši kot v prečni smeri (smer Y). Med potresom se zelo slabo obnašajo tudi stavbe, ki niso pravilne po višini. Tipično so v stavbah, v katerih se v pritličnih prostorih nahajajo trgovine, izložbe ipd., veliko večje okenske odprtine kot v višjih nadstropjih. Svetla višina prve etaže je zato običajno precej visoka, kar lahko privede do t. i. koncepta mehke etaže.
Slika 2: Neenakomerna porazdelitev nosilnih zidov stavbe.
Figure 2: Uneven distribution of the load-bearing walls of the building.
Tudi če so zidovi ustrezno medsebojno povezani z vertikalnimi vezmi in togimi stropnimi ploščami ter imajo dobro razporeditev konstrukcijskih elementov, lahko pride do porušitve zaradi nezadostne trdnosti zidovja. V kamnitih zidanih konstrukcijah je sredinski del zidu pogosto zapolnjen z malto in materiali slabše kvalitete. Malta je lahko tudi sicer šibka, saj je pretežen del starih stavb grajen z malto brez ali pa z zelo malo cementa. V splošnem velja, da je nepovezano zidovje kompozitni material z relativno veliko tlačno trdnostjo, relativno nizko strižno trdnostjo in zanemarljivo majhno natezno trdnostjo, kar pomeni, da dobro prenaša gravitacijske obtežbe, na potresno obtežbo pa je zelo ranljivo. Še posebej je občutljivo na potresno obtežbo izven svoje ravnine.
Mehanizem porušitve posameznega zidu v stavbi je odvisen od njegovega položaja v stavbi, geometrije zidu (razmerja med višino in dolžino), mehanskih karakteristik materialov zidu, pogojev vpetosti na podprtih robovih ter razmerja med navpičnimi obremenitvami in vodoravno potresno obtežbo.
Nenazadnje je mehanizem porušitve odvisen tudi od smeri delovanja vodoravne obtežbe, ki lahko prevladujoče deluje bodisi v ravnini zidu bodisi pravokotno nanjo (Tomaževič, 2009). Vztrajnostne sile, ki delujejo na zid v njegovi ravnini, povzročijo, da se zid obnaša kot strižna stena. Pri tem se običajno pojavi eden izmed treh porušnih mehanizmov, ki so prikazani na sliki 3.
Slika 3: Porušni mehanizmi zidu: a) upogibna porušitev v ravnini zidu – drobljenje na tlačenih robovih, b) zdrs zidu v vodoravni smeri, c) strižna porušitev zaradi prekoračitve nateznih trdnosti v diagonalni smeri zidu –
formiranje diagonalnih razpok.
Figure 3: Failure mechanisms of the wall: a) bending failure in the plane of the wall – toe crushing at compressed edges, b) slippage of the wall in the horizontal direction, c) shear failure due to exceeding the tensile
strength in diagonal direction of the wall – formation of diagonal cracks.
Upogibna porušitev (slika 3, a) nastane, če je natezna trdnost zidovja dovolj velika in če geometrija zidu dopušča visoko razmerje upogibni moment-strig, kar običajno velja za visoke in ozke zidove. V takih zidovih pride do drobljenja zidakov na tlačenih robovih zidu. Če so navpične obremenitve zidu majhne in če je slaba tudi kakovost malte, lahko potresne sile povzročijo prestrig zidu na dva dela (slika 3, b), pri čemer zgornji del zidu drsi po eni od naležnih reg. Strižna porušitev (slika 3, c) pa nastane, ko glavne natezne napetosti, ki jih povzroči kombinacija navpičnih in vodoravnih sil, v osrednjem območju zida presežejo natezno trdnost zidovja. V zidu nastanejo značilne poševne razpoke. Pri starih kamnitih zidanih stavbah je strižna porušitev zidovja z diagonalnimi razpokami najpogostejši porušni mehanizem.
Vsi trije zgoraj predstavljeni porušni mehanizmi so med večino raziskovalcev splošno sprejeti. Potrjeni so bili z opazovanjem po potresu poškodovanih tradicionalnih (tj. starih) zidanih stavb. Za novejše tipe zidanih konstrukcij pa lahko v nekaterih literaturah (npr. Lee in sod., 2008, Masoudi, 2018, Como in sod., 2019) zasledimo še četrti porušni mehanizem, in sicer t. i. »zibanje« zidu (angl. rocking). Mnenja glede slednjega so precej deljena. Medtem ko ga nekateri raziskovalci upoštevajo kot enakovreden porušni mehanizem preostalim trem, so drugi mnenja, da je »zibanje« odziv zidu in ne njegov porušni mehanizem. Končna porušitev je kvečjemu upogibna porušitev z drobljenjem zidakov na tlačenih delih robov.
V starih kamnitih zidanih stavbah lahko pogosto najdemo večslojne zidove, kjer so sloji med seboj šibko povezani ali pa sploh niso povezani. To povzroči, da se začnejo sloji med potresno obtežbo ločevati med seboj, še posebej pri obtežbi izven ravnine zidu (slika 4). Omenjen odziv je zelo odvisen od kakovosti gradnje oziroma natančnosti zidanja. Da bi zagotovili celovito obnašanje zidu, je treba v prečni smeri povezati sloje. To lahko storimo z vgradnjo vezi med sloje (t. i. povezovalna sidra oz. diatoni) ali z injektiranjem votlin zidovja z raznimi cementnimi mešanicami (glej točko 2.3.3.1).
Slika 4: Odziv monolitnega (levo) in večslojnega (desno) zidu na potresno obtežbo izven njegove ravnine.
Figure 4: Out-of-plane behaviour of a monolithic wall (left) and a multi-wythe wall (right).
Tudi če so zidane konstrukcije zgrajene ustrezno, kar pomeni, da so dobro zasnovane, da je v obeh smereh postavljenih dovolj strižnih sten, ki so med seboj ustrezno povezane z vertikalnimi vezmi in togo stropno konstrukcijo, kar zagotavlja primerno distribucijo obtežbe na vse nosilne zidove in da so uporabljeni kvalitetni materiali, lahko konstrukcija še vedno odpove zaradi neprimernih tal, na katerih je zgrajena. Tak primer je na primer utekočinjanje tal (likvefakcija) in nastanek večjih plazov, pri katerih so zidane konstrukcije (še posebej nepovezane) praviloma povsem nemočne.
2.2 Konstrukcijski elementi zidanih stavb
Vztrajnostne sile, ki delujejo na stavbo zaradi pospeškov temeljnih tal med potresom, stavbo deformira- jo. Med potresom se v nepovezanih zidanih stavbah običajnih dimenzij, kjer lahko vpliv prevrnitvenega momenta zanemarimo, navadno najbolj poškodujejo vertikalni zidni slopi med okenskimi in vratnimi odprtinami (angl. piers). Zidni slopi so med seboj povezani s t. i. prekladnimi deli zidov (angl. spandrels), ki se lahko v nekaterih primerih med potresi močno poškodujejo. Običajno se v njih pojavijo značilne diagonalne razpoke (strižne poškodbe), ki smo jih lahko opazili tudi na nekaterih poškodovanih zidanih stavbah po potresu leta 2020 v Petrinji na Hrvaškem. Na sliki 5 so z rdečimi črtami označene diagonalne razpoke na eni izmed poškodovanih stavb. Včasih se prekladni del poruši tudi upogibno, kar se običajno kaže z vertikalnima razpokama na obeh koncih prekladnega dela zidu. Taka porušitev je značilna za nepovezane konstrukcije, ki niso odporne na zibanje njenih nosilnih elementov.
Slika 5: Poškodovani prekladni deli zidov na zidani stavbi po potresu v Petrinji, december 2020. (foto: M.
Dolšek, 2021)
Figure 5: Damaged spandrels on a masonry building after the earthquake in Petrinje, December 2020. (Photo:
M. Dolšek, 2021)
2.3 Utrjevanje zidanih stavb
Če se po pregledu poškodovanih zidanih stavb in/ali opravljenih računskih analizah izkaže, da je treba stavbo utrditi, se izdela načrt utrditve. V njem se upoštevajo vse pomanjkljivosti, ki so bile naštete pod točko 2.1. Skladno s tem se ukrepi za utrditev v splošnem razdelijo v naslednje štiri kategorije:
- ukrepi za zagotavljanje celovitega odziva stavbe (povezovanje zidov, povečevanje togosti stropov, sidranje stropov v zidove, utrditev stikališč zidov),
- ukrepi za izboljšanje zasnove stavbe (izboljšanje porazdelitve zidov v obeh smereh), - ukrepi za utrditev zidovja in
- ukrepi za izboljšanje temeljev.
2.3.1 Ukrepi za zagotavljanje celovitosti obnašanja med potresom
Povezovanje zidov je običajno prvi in najpomembnejši korak pri utrjevanju potresno ranljivih zidanih stavb, saj lahko le s celovitim obnašanjem konstrukcije med potresom izkoristimo razpoložljivo potresno odpornost in zmožnost sipanja energije. Raziskave obnašanja modelov dvonadstropnih kamnitih hiš z lesenimi stropi na potresni mizi so namreč pokazale, da se sposobnost sipanja energije poveča za več kot dvakrat, če so zidovi povezani z jeklenimi vezmi (Tomaževič in sod., 1993 in 1996).
To sta z eksperimentalnimi raziskavami potrdila Benedetti in Pezzoli (1996). Povezanost zidov in celovito obnašanje je pomembno tudi za računske metode, po katerih vrednotimo potresno odpornost zidanih konstrukcij. Predpostavka, da stropi med potresom delujejo kot toge šipe, preko katerih se potresna obtežba prenaša na posamezne zidove v razmerju njihovih togosti, je namreč temeljna predpostavka večine računskih modelov.
2.3.1.1 Povezovanje zidov v vodoravni smeri
Eden izmed najbolj tradicionalnih pristopov medsebojnega povezovanja zidov temelji na uporabi jeklenih zidnih vezi, ki so položene v predhodno izrezane vodoravne utore, na vogalih pa sidrane s pomočjo jeklenih sidrnih ploščic (slika 6, levo). Priporočeno je, da so vezi vgrajene simetrično na obeh straneh zidu. Pri manjših stavbah s tankimi zidovi je včasih sicer dovolj samo ena vez, ki pa mora v primeru večslojnega zidu vedno potekati na strani zidu in ne skozi zid. Želeno je tudi, da so vezi položene čim bližje stropu. V praksi je to običajno tik pod stropom. Vezi se vgradijo v vse zidove (obodne in notranje), tako kot je razvidno iz slike 6, desno. Alternativno se lahko jeklene vezi (jeklene palice) postavijo diagonalno čez prostor. S tem se bistveno izboljša togost stropa v njegovi ravnini.
Pomembno je, da se strop dobro poveže z vsemi zidovi, sicer celovitega odziva stavbe ne bomo dosegli.
Slika 6: Jekleni vezi in sidro na stičišču zidov (levo) (IV1, 2020), položaji jeklenih vezi v stavbi (desno) (Vugrinec, 1997).
Figure 6: Steel ties and steel anchor plate at the corner (left) (IV1, 2020), positions of steel ties (right) (Vugrinec, 1997).
Da bi preprečili razpokanje zidov in zibanje prekladnih delov med potresom (slika 7), se lahko jeklene vezi tudi naknadno prednapnejo. V tem primeru se uporabljajo večje sidrne glave in močnejše sidrne plošče, običajno pa tudi debelejše jeklene palice kot sicer. Prednapetje vezi lahko dosežemo na več načinov. Ena izmed možnosti je segrevanje jeklenih vezi do želenega raztezka, nato pa sidranje vezi.
Druga, bolj pogosto uporabljena varianta pa je privijanje matic do izračunanega raztezka. Pri vseh načinih prednapenjanja je pomembno, da so v izračunih sile prednapetja upoštevane izgube in da so v vseh zidovih kontrolirane napetosti. Prevelika sila prednapetja ima lahko negativne učinke na sam zid, kot tudi na njegov odziv med potresom. Še posebej so na to občutljivi večslojni zidovi in zidovi z nizko tlačno trdnostjo.
Slika 7: Zibanje prekladnih delov zidu (levo) je omejeno z zidnimi vezmi (desno).
Figure 7: Rocking of spandrels (left) is limited by ties (right).
Vgradnja tradicionalnih jeklenih vezi predstavlja relativno grob poseg v stavbo, zato so se v zadnjih desetletjih začele razvijati novejše metode povezovanja stavbe s sodobnimi sintetičnimi materiali.
Pomembno je, da so nove metode v primerjavi s tradicionalnimi enako (ali bolj) učinkovite pri povezovanju stavbe in zagotavljanju »škatlastega« obnašanja. Večina teh metod temelji na kompozitnih materialih, ki so izdelani iz polimerne matrice, ojačane z vlakni (angl. fibre reinforced plastic – FRP).
Ta vlakna so karbonska (angl. carbon fibre reinforced plastic – CFRP) ali steklena (angl. glass fibre reinforced plastic – GFRP), včasih pa tudi aramidna (angl. aramid fibre reinforced plastic – AFRP).
Glavna prednost novih tehnik je, da so manj invazivne, čistejše in enostavnejše za vgradnjo, poleg tega pa zmanjšujejo neprijetnosti za prebivalce (npr. začasna izselitev iz stavbe ni potrebna). Tudi cena je postala v zadnjem času sprejemljiva. Njihovo masovno uporabo so v preteklosti zavirale predvsem nekatere tehnološke težave, kot sta na primer tehnologija lepljenja in sidranja. Na to temo so bile opravljene številne raziskave (npr. Capozucca, 2007), v zadnjih letih pa je bilo predlaganih precej inovativnih rešitev, kot so na primer t. i. »spike« sidra (Fagone in Ranocchai, 2016). Ena izmed glavnih slabosti novejših sintetičnih materialov je slabo raziskan vpliv časa na njihove lastnosti, še posebej morebitne izgube nosilnih lastnosti.
Vezi iz FRP materialov, ki nadomeščajo tradicionalne jeklene vezi, se lahko na nivoju stropov vgradijo samo iz zunanje strani stavbe. Raziskave (Tomaževič in sod., 2008) so pokazale, da je tehnologija povezovanja zidov s FRP lamelami izredno učinkovit ukrep za zagotavljanje celovitosti obnašanja starih zidanih stavb med potresom. Opravili so primerjalne raziskave na modelih enakih hiš z lesenimi stropi v pomanjšanem merilu. Na potresni mizi so najprej raziskali obnašanje nepovezanega modela, nato pa še obnašanje s polimernimi trakovi utrjenega modela stavbe. Izkazalo se je, da polimerne lamele učinkovito nadomestijo jeklene vodoravne vezi. Če so lamele nalepljene še v navpični smeri in na koncih ustrezno sidrane, pa konstrukcijo še dodatno utrdijo.
2.3.1.2 Utrditev in sidranje stropov
Ena izmed možnosti za izboljšanje celovitega obnašanja stavbe je tudi utrditev stropov. V večini obstoječih zidanih stavb, ki jih je treba utrditi, so stropi leseni. Sestava takih stropov od spodaj navzgor
je običajno: omet s spodnje strani, leseni tramovi, pesek (zvočna izolacija), lesene deske ali plošče in pohodni sloj z zgornje strani. Takšna tla so v svoji ravnini preveč podajna, da bi lahko enakomerno razporedila potresno obtežbo na vse zidove, pogosto pa prešibka tudi za vertikalno obtežbo, zato jih je običajno treba utrditi že zaradi povečanja nosilnosti in/ali zmanjševanja pomikov ter vibracij izven svoje ravnine. Kljub temu pa so nekateri raziskovalci z eksperimentalnimi in analitičnimi analizami dokazali, da lahko podajnost lesenih stropov, ob pogoju dobrega sidranja v nosilne zidove, ugodno vpliva na obnašanje zidanih stavb med potresi (Kariotis in sod., 1988). Ne glede na način utrditve stropa je potrebno posebno pozornost nameniti stiku med utrjenim stropom in nosilnimi zidovi. Če namreč utrjen strop ni dobro sidran v nosilne zidove, ni sposoben prerazporediti potresne obtežbe na zidove v razmerju njihovih togosti.
V nekaterih primerih lesene strope zamenjamo z masivnimi monolitnimi armiranobetonskimi ploščami ali prefabriciranimi ploščami, vendar se moramo pri tem zavedati, da tak ukrep navadno prinese občutno povečanje mas na nivoju medetažnih konstrukcij, kar lahko v nekaterih primerih celo poslabša odpornost stavbe na potresno obtežbo. Še posebej so na tak ukrep občutljive stavbe, ki so zgrajene iz materialov slabe kvalitete in večslojni zidovi, kjer so sloji med seboj slabo povezani. Tak poseg v konstrukcijo je običajno tudi precej drag.
Alternativno se lahko zamenja samo del klasičnega lesenega stropa. Pri tem pristopu s tal odstranimo pesek in ga zamenjamo s tanko betonsko ploščo. Z dobro povezavo med lesenimi stropniki in betonom lahko dosežemo sovprežno delovanje in s tem občutno izboljšanje togosti in nosilnosti tal. To povezavo zagotavljamo s pomočjo jeklenih čepov. Če je betonska plošča dobro povezana z zidovi, se celovitost odziva stavbe močno izboljša. Prednost tega pristopa je tudi enostavna in poceni izvedba, ki je še posebej primerna za manjše zgradbe. Slabosti pa se kažeta predvsem v povečani masi stropov in v zahtevah pri dimenzioniranju veznih čepov. Pristop z delno ali popolno zamenjavo stropa je pogosto zavrnjen zaradi pogojev kulturne dediščine, saj z ukrepom močno posežemo v konstrukcijo.
Poleg zgoraj opisanih ukrepov poznamo še več drugih načinov utrditve šibkih lesenih stropov, ne da bi jih delno ali v celoti zamenjali. Preprost način njihove utrditve je vgradnja dodatnega sloja lesenih plošč ali desk, ki se usmerijo pravokotno na obstoječo plast (slika 8). Nov sloj desk se lahko položi na obstoječe deske na zgornji strani stropa, lahko pa se pritrdi na spodnjo stran primarnih lesenih nosilcev.
Pomembno je, da so stropniki dobro povezani z nosilnimi zidovi. Lesen strop se lahko utrdi tudi s pomočjo diagonalno nameščenih jeklenih trakov, vendar morajo biti trakovi nujno sidrani v zidove (v zunanje sloje). Sidranje se običajno izvede z uporabo jeklenih sider in jeklenih kotnikov. Glavne prednosti opisanih metod so predvsem relativno enostavna izvedba in njihova nizka cena, masa stavbe se bistveno ne spremeni, posegi v konstrukcijo pa so minimalni. Na drugi strani med slabosti prištevamo to, da togost in nosilnost na tak način utrjenih stropov nista tako visoki, kot bi bili v primeru armiranobetonskih plošč, poleg tega pa so ukrepi močno odvisni od kakovosti sidranja stropa v nosilne zidove. Pri novejših pristopih se včasih namesto jeklenih trakov uporabijo FRP trakovi, ki se na strop prilepijo v diagonalnih smereh. Ta način utrditve so podrobneje opisali Frumento in sod. (2006).
Lesene strope se lahko utrdi tudi z uporabo FRP ali jeklenih trakov na spodnji površini nosilcev. FRP trakovi se običajno prilepijo z epoksidnimi smolami, medtem ko lahko jeklene trakove prilepimo, privijačimo ali pribijemo na nosilce.
Slika 8: Utrjevanje lesenih stropov z dodatnim slojem opaža. (Tomaževič, 2009) Figure 8: Strengthening wooden floors with an additional layer of boarding. (Tomaževič, 2009) 2.3.1.3 Utrditev vogalov in stikov zidov
Vogali in stiki zidov so območja, kjer stare zidane stavbe med potresi pogosto najhitreje utrpijo poškodbe. Zaradi prevrnitvenih sil se na teh območjih v zidovih pojavljajo največje dodatne tlačne ali natezne obremenitve. Stičišča zidov je treba utrditi, ko stik dveh pravokotnih zidov ni ustrezen. Stičišča kamnitih zidov najlažje utrdimo s prezidavo z večjimi in kvalitetnejšimi kamni pravilnih oblik ob upoštevanju zidarskih zvez. Stikovane zidove pogosto še dodatno sidramo z jeklenimi ploščatimi sidri.
2.3.1.4 Povezovanje zidov z navpičnimi zidnimi vezmi
Starejše zidane stavbe običajno nimajo navpičnih vezi. Povezanost takšnih stavb zagotovimo z navpičnimi zidnimi vezmi, ki se lahko izvedejo podobno, kot vodoravne – z armaturo v za to izrezanih utorih. Lahko pa se vogali oziroma stičišča zidov odstranijo in se navpične vezi sezidajo kot v novih konstrukcijah. Za take posege so po priporočilih iz literature bolj primerne stavbe iz opeke ali opečnih votlakov, medtem ko naj bi bile kamnite stavbe za ta način utrditve manj primerne (Tomaževič, 2009).
Vogali kamnite stavbe so namreč običajno najbolj kvalitetno sezidana območja (zidanje z obdelanimi kamni), zato bi morali izsekati utore oziroma odstraniti dele kamnitih zidov ravno na mestih, kjer je kakovost zidovja najboljša.
2.3.2 Ukrepi za izboljšanje zasnove stavbe
Ta skupina ukrepov najpogosteje zajema dodajanje novih sten ali utrjevanje obstoječih zidov. S tem zagotovimo, da je konstrukcija bolj tlorisno in višinsko pravilna, kar zmanjša verjetnost pojava t. i.
mehke ali šibke etaže. Pri velikih stavbah so nove stene običajno armiranobetonske z novimi temelji.
Izbira lokacije novih zidov je navadno zelo omejena s funkcionalnostjo stavbe. Za izboljšanje zasnove je možno dodati tudi nove ali pa zapreti obstoječe odprtine v stenah, ugodnejše obnašanje stavbe med potresom pa lahko dosežemo še z utrditvijo izbranih obstoječih zidov. Za to imamo na voljo različne tehnologije, ki so opisane v nadaljevanju. Glavni cilj ukrepov za izboljšanje zasnove stavbe je doseči podoben delež sten v obeh pravokotnih smereh, obenem pa zagotoviti, da sta središče mas in središče togosti etaž čim bližje, kar zmanjša torzijsko podajnost konstrukcije.
2.3.3 Ukrepi za utrditev zidovja
Poznavanje kakovosti zidov obstoječe stavbe je eden izmed najpomembnejših vidikov razumevanja njenega mehanskega obnašanja in potresnega odziva. Za zidane konstrukcije je značilno, da lahko
njihove mehanske lastnosti zelo variirajo, predvsem zaradi razlik v obliki in dimenzijah nosilnih zidov, razlik v mehanskih karakteristikah malte, razlik v kakovosti medsebojnih povezav slojev ipd. Poleg tega na njihove lastnosti pomembno vpliva tudi tehnika gradnje. Znano je, da so se tehnike gradnje skozi zgodovino pogosto spreminjale, običajno pa so bile močno vezane na določeno geografsko območje.
Zato za zidane konstrukcije ni mogoče enostavno standardizirati utrditvenih ukrepov, temveč je potrebno analizirati vsako stavbo posebej in šele nato izdelati načrt utrditve.
Izbira utrditvenega ukrepa je torej odvisna predvsem od tipa in kakovosti zidovja, zasnove stavbe, nenazadnje pa tudi od zahtevane stopnje povečanja odpornosti zidu. Izbrana utrditev mora biti učinkovita, enostavna in ekonomsko izvedljiva, pri zgodovinsko pomembnih stavbah pa mora izpolnjevati tudi osnovne zahteve glede spomeniške zaščite. V preteklosti se je že večkrat izkazalo, da neustrezna ojačitev sploh ne izboljša potresnih lastnosti. Ker je pravilna izbira utrditvenega ukrepa zelo pomembna, mora njegova izbira temeljiti na predhodnih eksperimentalnih potrditvah.
Utrditvene tehnike zidov lahko razdelimo v dve glavni kategoriji in sicer na tradicionalne in sodobne.
Glavna razlika med njimi je v uporabljenih materialih. Tradicionalne tehnike utrjevanja temeljijo pretežno na jeklu in betonu, medtem ko sodobne tehnike uporabljajo različne FRP tehnologije in sodobne sanacijske malte. Tradicionalne tehnike so preizkušene, preverjene in učinkovite, vendar njihova uporaba pogosto zahteva grobe posege v konstrukcijo in nemalokrat tudi začasno izselitev stanovalcev. Sodobne tehnologije so v splošnem čistejše in hitrejše, bile pa naj bi tudi podobno ali celo bolj učinkovite. Skladno s temo magistrske naloge se bomo pri kratkem pregledu v nadaljevanju osredotočili predvsem na tehnike utrjevanja, ki so primerne za kamnite zidove.
2.3.3.1 Tradicionalne utrditvene tehnike
Najbolj razširjena tradicionalna tehnika utrjevanja kamnitih zidov je injektiranje (slika 9), ki je primerna za sanacijo manjših razpok in zapolnitev votlin v notranjosti zidovja. Za kamnite zidove je namreč značilna tipična troslojna sestava, pri čemer sta zunanja sloja običajno višje kvalitete, medtem ko je notranji sloj slabo zapolnjen z nekvalitetnimi materiali in poln votlin. Z injektiranjem z injekcijskimi mešanicami (najpogosteje na cementni ali epoksidni osnovi) lahko te votline s predpisanimi tehnološkimi postopki učinkovito zapolnimo. S tem se izboljša homogenost zidovja, strjena injekcijska masa pa učinkovito poveže posamezne sloje zidov, kar prepreči razpadanje oziroma razslojevanje zidovja med potresi in poveča njegovo odpornost. To sta eksperimentalno potrdila Sheppard in Terčelj (1980), ki sta za nekatere preizkušance dokazala več kot dvakratno povečanje strižne nosilnosti.
Prednosti injektiranja se kažejo predvsem v tem, da se ob občutnem povečanju trdnosti ohranita debelina in izgled stene. Poleg tega imamo možnost prilagoditve sestave injekcijske mešanice glede na zahteve varovanja kulturne dediščine, zato lahko tehniko včasih uporabimo tudi za spomeniško zaščitene konstrukcije. Glavna slabost injektiranja je predvsem visoka cena.
Slika 9: Injektiranje kamnitega zidovja v praksi. (IV2, 2020) Figure 9: Injecting stone masonry in practice. (IV2, 2020)
Kadar je malta med kamni zelo slaba, lahko izvedemo prefugiranje zidovja. S postopno zamenjavo nekvalitetne malte z močnejšo cementno malto se odpornost zidovja na navpično in vodoravno obtežbo lahko zelo izboljša. Vendar Gams in sod. (2014) ugotavljajo, da lahko zamenjava šibke malte z močnejšo zmanjša kapaciteto pomikov, zato je potrebno biti pri izbiri takega načina utrjevanja zelo previden. Če so naležne rege med kamni dovolj ravne in če nam oblika kamnov ter postopek zidanja to omogočata, lahko v spojnice vgradimo še jekleno armaturo. Gams in sod. (2014) ugotavljajo, da se lahko z vgradnjo armature poleg nosilnosti poveča tudi duktilnost zidovja. V praksi je pri kamnitih zidovih oblika reg običajno nepravilna, zato se prefugiranje izvaja ročno. Ker je uporaba strojne opreme omejena, je delo zelo zamudno. Postopek prefugiranja poteka tako, da se obstoječa malta postopoma odstrani približno do tretjine globine zidu in nadomesti z novo. Da ne bi ogrozili stabilnosti zidu, se postopek najprej izvede iz ene, ko nova malta doseže zadostno trdnost pa še iz druge strani zidu.
Zelo primerna tehnika za utrjevanje kamnitih zidov je tudi oblaganje z malto ali betonom, ki jo je podrobneje opisal Tomaževič (2009). Klasično so obloge armirane z jekleno armaturno mrežo, ki je položena v cementni omet debeline približno 3 cm, ali pa beton debeline več kot 6 cm (ElGawady, 2004). Obloge se praviloma nanašajo na obe strani zidu, armatura na obeh straneh pa se poveže s sidri.
Ta tehnologija utrjevanja zidovja je najbolj razširjena. Z njo povečamo togost, duktilnost in nosilnost zidovja (Sheppard in Terčelj, 1980; Abrams in Lynch, 2001; Tomaževič, 2009; Churilov in Dumova- Jovanovska, 2012), vendar se moramo zavedati, da gre za izredno invaziven in navzven viden poseg, zato (po navadi) ni primeren za utrditev stavb kulturne dediščine. Z nanosom novih slojev se povečata masa in debelina zidov, kar poveča obremenitve, ki jih moramo prenesti do temeljnih tal in zmanjša uporabna površina prostorov. Povečana masa lahko povzroči še neugodne spremembe dinamičnih lastnosti, kar lahko povzroči povečanje potresnih sil. Oblaganje zidov je običajno tudi precej zamuden in drag postopek, ki zahteva začasno izselitev uporabnikov stavbe.
Velika slabost večslojnih kamnitih zidov je njihovo razslojevanje v primeru slabe gradnje brez medsebojnega povezovanja slojev. Dvoslojni (slika 10, a) in troslojni zidovi so običajno podvrženi dvema različnima mehanizmoma porušitve zaradi razslojevanja. Na sliki 10, b je prikazana porušitev sloja izven ravnine zaradi delovanja horizontalne obtežbe, na sliki 10, c pa porušitev zaradi prevelikih tlačnih obremenitev zidu.
Slika 10: Mehanizmi porušitve dvoslojnega kamnitega zidu: a) neobremenjen zid, b) zid, ki je izpostavljen vodoravni obtežbi, c) zid, ki je izpostavljen tlačni vertikalni obremenitvi. (Candela in sod., 2016) Figure 10: Double leaf stone masonry wall failure mechanism: a) unloaded wall, b) wall subjected to a
horizontal load, c) wall subjected to a compression vertical load. (Candela et al., 2016)
Zato lahko tudi v najbolj starih večslojnih kamnitih zidovih včasih najdemo medsebojno povezavo slojev. Najpogosteje so se take povezave izdelale z vgraditvijo večjih in obdelanih kamnov (veznih kamnov), ki jih v italijanščini imenujejo diatoni. Ti so vgrajeni v prečni smeri zidu čez vse sloje in pomembno vplivajo na mehanske lastnosti zidovja. Če je veznih kamnov (diatonov) v zidovju premalo ali jih sploh ni, se lahko izdelajo umetni diatoni (angl. artificial diatones), ki jih imenujemo tudi povezovalna sidra. Sestavljeni so iz jeklenih navojnih palic, ki se vstavijo v predhodno izvrtane luknje v steni, okoli pa zainjektirajo s posebno injekcijsko mešanico. Včasih se okoli jeklenih palic vgradijo še ovoji iz tkanine, ki se lahko razširijo in prilagodijo površini luknje (slika 11). Injekcijska mešanica se v tem primeru vgradi med palice in tkanino, ki prepreči pronicanje injekcijske mase v zelo oddaljene pore zidu in njeno izcejanje na obeh površinah zidu.
Slika 11: Shematski prikaz povezovalnega sidra v dvoslojnem kamnitem zidu.
Figure 11: Schematic representation of an artificial diatone in double wythe stone wall.
Slika 12: Vidni del povezovalnega sidra po vgradnji (levo) in dodatno sidranje armature s pomočjo povezovalnega sidra (desno).
Figure 12: Visible part of the artificial diatone after installation (left) and additional anchoring of reinforcement mesh (right).
Povezovalna sidra učinkovito povežejo sloje med seboj, zato se obnašanje zidov med potresi izboljša (Candela in sod., 2016). Potresna obtežba se namreč učinkoviteje razporedi na vse sloje in močno izboljša odpornost zidov izven njihove ravnine. Poleg tega se poveča odpornost stene na navpične obremenitve, prednost pa se kaže tudi v tem, da se debelina sten ne poveča, saj se lahko jeklene palice odrežejo in skrijejo pod omet. Če je gostota vgrajenih povezovalnih sider dovolj velika, lahko kamniti zid obravnavamo kot monoliten. Glavna slabost takega utrditvenega ukrepa je predvsem njegova cena, saj gre za drag poseg, ki je obenem tudi močno invaziven in ireverzibilen.
2.3.3.2 Utrditvene tehnike, ki temeljijo na uporabi FRP materialov
Obstaja veliko sodobnih utrditvenih tehnik, ki temeljijo na uporabi FRP materialov. Za te materiale je značilno, da imajo visoko natezno trdnost (odvisna je od vrste vlaken). Zato se v konstrukcije navadno vgrajujejo z namenom prevzemanja nateznih obremenitev. Vlakna v FRP materialih, ki se uporabljajo za utrjevanje zidov, so običajno karbonska, steklena ali aramidna. FRP utrditveni izdelki so na trgu na voljo v različnih oblikah: lamele, palice, tkanine (običajno enosmerne) in mreže (običajno dvosmerne).
Lepljenje FRP ojačitev na zid se izvede z lepilom na epoksidni osnovi ali s cementno malto.
FRP ojačitve lahko pokrivajo celotno površino stene (na primer pri raznih tehnikah oblaganja). Druga možnost je, da se FRP ojačitve vgradijo lokalno, na mestih največjih napetosti. Za površinsko uporabo je primernejša uporaba mreže ali tkanine, medtem ko je za lokalno uporabo primernejša uporaba trakov ali palic. Trakovi in palice so lahko zalepljeni na površino stene (površinsko nameščena FRP ojačitev) ali nameščeni v predhodno izrezanih utorih (blizu površine nameščena FRP ojačitev). Postavitev FRP materialov je lahko zelo različna in je odvisna od vrste izdelka. Trakovi so pogosto zlepljeni v diagonalnem vzorcu, mreže pa se navadno nanesejo na eno ali obe strani zidu po celotni površini. Izbira najustreznejše rešitve za določeno stavbo je naloga inženirja.
