Wprowadzenie

Projektowanie konstrukcji murowych, w tym wykonywanych z ceramicznych elementów murowych, jest przedmiotem normy PN-B-03002:2007 Konstrukcje murowe. Projektowanie i obliczanie. Norma ta, oznaczana dalej jako PN 07, stanowi nowelizację PN-B-03002:1999 dotyczącej projektowania konstrukcji murowych niezbrojnych oraz PN-B-03340 dotyczącej projektowania konstrukcji murowych zbrojonych, oznaczanych dalej jako PN 99 i PN 99z.

Bezpośrednią przyczyną nowelizacji PN 99 i PN 99z była inicjatywa Związku Pracodawców Ceramiki i Silikatów opracowania poprawki do PN 99 zawierającej zmiany parametrów elementów murowych i wytrzymałości charakterystycznej murów. Propozycja poprawki wynikała z pozytywnych wyników badań murów wykonanych z elementów ceramicznych i silikatowych przeprowadzonych na zlecenie Związku w ITB w 2005 r.[ 1 ]. Ponieważ do norm PN 99 i PN 99z wydano już kilka zmian i poprawek (Az1/2001, Az2/2002 i Ap1/2001 do PN 99 oraz Az1/2003 do PN 99z), które utrudniają stosowanie norm w praktyce, Komitet Techniczny PKN nr 252 zdecydował, że nie będzie przygotowywał kolejnej zmiany do normy, a opracuje ich nowelizację. Istotnymi czynnikami podjęcia takiej decyzji było:

• zakończenie w ramach CEN (Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego) prac nad normą europejską dotyczącą projektowania konstrukcji murowych EN 1996, która składa się z następujących części:
  1. EN 1996-1-1:2005. Eurokod 6 - Projektowanie konstrukcji murowych - Część 1-1: Reguły ogólne dla zbrojonych i niezbrojonych konstrukcji murowych,
  2. EN 1996-1-2:2005. Eurokod 6 - Projektowanie konstrukcji murowych -Część 1-2: Reguły ogólne. Projektowanie z uwagi na pożar,
  3. EN 1996-2:2006. Eurokod 6 - Projektowanie konstrukcji murowych - Część 2: Wymagania konstrukcyjne, dobór materiałów i wykonanie muru,
  4. EN 1996-3:2006. Eurokod 6 - Projektowanie konstrukcji murowych - Część 3: Uproszczone metody projektowania konstrukcji murowych niezbrojonych,
  5. konieczność maksymalnego zbliżenia normy PN 07 do EN 1996,
  6. uwzględnienie doświadczeń ze stosowania obydwu norm „murowych”,
  7. wsparcie finansowe Związku Pracodawców Ceramiki i Silikatów, Stowarzyszenia Producentów Betonów, firmy Wienerberger oraz Instytutu Techniki Budowlanej.

Norma EN 1996 zostanie wdrożona do praktyki krajów członkowskich UE, w tym również do normalizacji polskiej już jako PN-EN 1996, w roku 2010 [2]. Przewiduje się jednak, że norma PN 07 będzie stosowana także po tym okresie, równolegle z PN-EN 1996.

Koegzystencja PN z PN-EN dotyczących obciążeń budowli oraz projektowania i obliczania konstrukcji, będzie trwała do czasu powołana wszystkich pakietów PN-EN w załączniku do Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 7 kwietnia 2004 r., w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Wynika to z faktu powołania PN w § 204 ust. 4 omawianego rozporządzenia, w brzmieniu: Warunki bezpieczeństwa konstrukcji (...) uznaje się za spełnione jeżeli konstrukcja ta odpowiada Polskim Normom, dotyczącym projektowania i obliczania konstrukcji.

W tym miejscu należy podkreślić, że wprowadzenie normy PN-EN 1996 automatycznie nie spowoduje - czego oczekuje wielu producentów elementów murowych - zwiększenia parametrów obliczeniowych murów, a w konsekwencji nośności obliczeniowych murów wykonywanych z ich wyrobów. Podane w EC6 parametry wytrzymałościowe murów są jedynie zalecane do przyjęcia przez poszczególne kraje członkowskie UE. Natomiast w załącznikach krajowych do EC6 mają być podawane parametry obliczeniowe stosowane obligatoryjnie na terenie danego państwa (NDP). W przypadku Polski, parametry krajowe - o ile nie będzie nowych wyników badań - będą zbliżone do podanych w aktualizowanych obecnie normach PN 99 i PN 99z. Podstawowe zmiany wprowadzone do PN 07 dotyczące murów z elementów ceramicznych zostaną poniżej omówione.

Kryteria podziału elementów ceramicznych na grupy

W normie PN 07 przyjęto za EN 1996-1-1:2005, oznaczanej dalej jako EC6, nieco inne kryteria podziału elementów murowych na grupy. Wyróżniono teraz cztery grupy elementów murowych, przy czym elementy murowe pełne i pionowo drążone podzielono na trzy grupy, a elementy poziomo drążone wydzielono jako grupę czwartą. Kryteria podziału na poszczególne grupy są analogiczne jak w PN 99 i uzupełnione o grubość ścianek wewnętrznych i zewnętrznych. Wartości parametrów decydujących o przypisaniu elementu do określonej grupy zależą teraz także od rodzaju materiału, z którego wykonany jest element murowy. Kryteria podziału na grupy elementów murowych ceramicznych podano w tablicy 1.

W przypadku elementów spełniających kryteria zarówno grupy 2 jak i grupy 3 zalicza się je do grupy 2.

Wytrzymałość muru na ściskanie

W normie PN 07 wytrzymałość charakterystyczną muru na ściskanie f_k wykonanego na zaprawie zwykłej lub lekkiej określa się z analogicznego wzoru jak w PN 99, w którym zmieniono wartości współczynników potęgowych z 0,65 i 0,25 na 0,7 i 0,3 - wartości zalecane w EC6. Obecnie wzór na f_k ma postać:

f_k = K f_b^0,7 f_m^0,3 (1) w którym:

f_b - znormalizowana wytrzymałość elementu murowego na ściskanie

f_m - wytrzymałość zaprawy na ściskanie

k - współczynnik ustalany dla określonego rodzaju wyrobów na podstawie wyników badań murów próbnych, przeprowadzonych wg PN-EN 1052-1:2000.

Wytrzymałość f_k murów z elementów murowych ceramicznych ze spoinami cienkimi nie była podawana w PN99, natomiast w PN07 określa się ją ze wzorów:

• gdy elementy murowe są grupy 1 i 4

f_k = K f_b^0,85 (2)

• gdy elementy murowe są grupy 2 i 3

f_k = K f_b^0,7 (3)

w których oznaczenia jak we wzorze (1).

W celu rozróżnienia starych i nowych wartości wprowadzono oznaczenie: K₉₉, które odnosi się do wartości w normie PN 99 oraz K₀₇- w normie PN 07.

Wartości współczynnika K₉₉ przyjęte w PN 99 dla murów na zaprawie zwykłej i lekkiej obliczono analizując wyniki badań murów, przy przyjęciu wytrzymałości znormalizowanej elementu murowego f_b z badań próbek wyprawianych zaprawą wartość K₀₇ w PN 07 obliczono na podstawie tych samych wyników badań murów ale dla wytrzymałości f_b z badania próbek szlifowanych - tak jak tego wymaga PN-EN 771-1. Biorąc pod uwagę, że wytrzymałość elementów murowych wyprawianych zaprawą jest od kilkunastu do dwudziestu kilku procent mniejsza od wytrzymałości elementów murowych szlifowanych, wyliczone wartości K₀₇ są z tego tytułu mniejsze o kilkanaście procent od wartości K₉₉.

Dodatkowym czynnikiem powodującym konieczność przyjęcia nowych, mniejszych wartości K jest zmiana wartości współczynników potęgowych we wzorach na wytrzymałość charakterystyczną murów f_k (ich zwiększenie o 0,05 w stosunku do przyjętych w PN 99, prowadzi do zwiększenia wytrzymałości f_k o około 20%, co przy oczywistym założeniu, że wytrzymałości charakterystyczne murów na ściskanie (wyniki badań) nie ulegają zmianie, wymaga zmniejszenia współczynnika K w tym samym stopniu tj. o około 20%.

Uwzględniając powyższe oraz nowe, dostępne wyniki badań wytrzymałości murów przeprowadzonych w ostatnich latach (wyniki badań są własnością producenta który może ale nie musi ich udostępniać), przyjęte w PN 07 wartości K₀₇ dla murów wykonywanych z ceramicznych elementów murowych podano w tablicy 2. Dla porównania w tablicy 2 podano wartości K₉₉, jak również wartości K zalecane w EC 6.

Dla murów wykonywanych na zaprawie do cienkich spoin z uwagi na brak dostatecznej liczby badań takich murów, przyjęto zasadę wyliczenia wartości K₀₇ przy założeniu, że wytrzymałość tych murów powinna być zbliżona do wytrzymałości murów wykonanych na zaprawie zwykłej klasy M 5 (wymagana minimalna klasa zaprawy do cienkich spoin).

W przypadku murów na zaprawie lekkiej, podane propozycje współczynnika K₀₇ oparto o wynik badania murów z elementów murowych grupy 2, w których uzyskano K = 0,23, przyjmując w efekcie K = 0,25 i odpowiednio przyjmując K = 0,30 dla grupy 1 i K = 0,20 dla grupy 3 i 4.

Przykładowo, w tabl. 3, 4 i 5 zestawiono wartości f_k dla murów wykonanych z ceramicznych elementów murowych na zaprawie zwykłej, obliczone przy przyjęciu K₀₇, jak w tabl. 2. Dla porównania, w tablicach tych podano również wartości f_k zalecane w PN 99.

Jak widać, w zdecydowanej większości przypadków wytrzymałości charakterystyczne murów f_k obliczone wg PN 07 są większe od analogicznych wartości f_k zalecanych w PN 99, w skrajnych przypadkach nawet o 25%.

Dalsza korekta wartości współczynnika K₀₇ wymaga przeprowadzenia odpowiednich badań wytrzymałościowych murów.

Wytrzymałość muru na ścinanie

W zależności od kierunku działania siły ścinającej w stosunku do spoin wsporych, rozróżnia się wytrzymałość muru na ścinanie:

• w kierunku równoległym do spoin wspornych f_vk
• w kierunku prostopadłym do spoin wspornych f_vvk

Wytrzymałości charakterystyczne muru na ścinanie w kierunku równoległym do spoin f_vk, zarówno w przypadku murów z wypełnionymi jak i niewypełnionymi spoinami pionowymi wyznacza się ze wzorów jak w PN 99. Nowa norma podobnie jak w PN 99 nie podaje wytrzymałości na ścinanie muru zawierającego warstwę izolacji przeciwwilgociowej, stwierdzając potrzebę wyznaczania jej doświadczalnie zgodnie z PN-EN 1052-4.

Przyjęte w PN 07 wartości f_vko dla murów z elementów ceramicznych zestawiono w postaci tabelarycznej (tablica 6) w zależności od rodzaju użytej zaprawy zachowując wartości f_vko i ograniczenia f_vk przyjęte w PN 99.

Wytrzymałość muru na ścinanie w kierunku prostopadłym do spoin wspornych f_vvk jest pomijana w większości norm krajów zachodnich, w tym również w EC6. W PN 07 zachowano dotychczasowe wartości f_vvk przyjęte w PN 99 rozszerzając je dodatkowo dla przypadku elementów murowych o f_b < 5 MPa.

Wyniki badań dotychczasowych oraz charakter zniszczenia badanych murów, wskazują, że wytrzymałość na ścinanie w kierunku prostopadłym do spoin wspornych zależy przede wszystkim od wytrzymałości elementów murowych. W związku z czym wartości f_vvk podane w tablicy 7 uogólniono dopuszczając ich przyjmowanie dla murów wykonanych przy użyciu wszystkich rodzajów zapraw, w tym również murów z niewypełnionymi spoinami pionowymi.

Wytrzymałość muru na zginanie

Norma PN 99 rozróżniała:

• wytrzymałość muru na zginanie w kierunku prostopadłym do płaszczyzny ściany określaną jako wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu oraz
• wytrzymałość na rozciąganie osiowe.

Rozróżnienie to nie miało konsekwencji przy wymiarowaniu konstrukcji murowych, ponieważ w przypadku obliczania murów poddanych osiowemu rozciąganiu, norma zalecała aby wytrzymałości charakterystyczne na rozciąganie osiowe f_tk były przyjmowane jak dla przypadku zginania w kierunku prostopadłym do płaszczyzny spoin wspornych (f_xkl bądź f_xk2).

Z tego też względu w PN 07 zrezygnowano z uwzględnienia wytrzymałości muru na rozciąganie osiowe przyjmując tylko jedno pojęcie wytrzymałości muru na zginanie. Stanowisko takie reprezentuje zarówno EC6 jak i normy różnych krajów europejskich, które nie rozróżniają wytrzymałości dla murów zginanych prostopadle do ich płaszczyzny i zginanych w swojej płaszczyźnie. Normy te podają jedynie wartości wytrzymałości na zginanie (flexural strength) podkreślając, że chodzi o wytrzymałość na zginanie muru obciążonego prostopadle do swojej płaszczyzny. Tylko do takiej wytrzymałości odnoszą się również metody badań wytrzymałości muru przyjęte w PN-EN 1052-2:2001.

PN 07 jak również PN 99 stwierdzają, że podane wytrzymałości muru na rozciąganie przy zginaniu należy przyjmować tylko dla przypadku sprawdzania nośności ścian nie przenoszących obciążeń pionowych i poddanych jedynie obciążeniu wiatrem.

Przyjęte w PN 07 charakterystyczne wartości wytrzymałości na zginanie f_xkl i f_xk2 dla murów z elementów ceramicznych zestawiono w tablicy 8. Wartości te są zgodne z podanymi w EC6.

Częściowe współczynniki bezpieczeństwa muru γ_m

Podane w EC6 wartości współczynnika bezpieczeństwa muru γ_M są wielkościami, które nie uwzględniają niepewności modelu konstrukcji przyjmowanego do obliczania jej nośności, i jako takie nie mogą być bezpośrednio porównywane z wartościami γ_m w PN 07.

O jakości muru, poza poprawnością jego wykonania, decyduje jakość materiałów, z których mur został wykonany tj. kategoria elementów murowych i rodzaj użytej zaprawy. W PN 99 wartości współczynnika γ_m uzależniono od kategorii elementów murowych (kategoria I i II) oraz kategorii wykonawstwa (kategoria A i B), pomijając wpływ rodzaju zastosowanej zaprawy.

Zgodnie z przyjętą w Eurokodach filozofią częściowych współczynników bezpieczeństwa [3], [4], EC6 podaje wartości częściowych współczynników bezpieczeństwa przyporządkowanych wytrzymałości materiału jako γ_M bez żadnych dodatkowych wskazówek dotyczących przyjęcia odpowiednich γ_m. Wartości γ_M, dla muru uzależniono od pięciu kategorii wykonawstwa bez określenia wymagań jakie one powinny spełniać (EC6 zaleca jedynie rozróżniać je m. in., w zależności od kwalifikacji zespołu wykonującego roboty murarskie nadzorowanego przez wykonawcę lub osobę niezależną od wykonawcy, oceny na budowie jakości zaprawy i betonu, sposobu przygotowania zaprawy) oraz trzech rodzajów zastosowanej zaprawy (projektowanej, przepisanej i dowolnej). Minimalna wartość γ_M przyjęta w EC6 wynosi 1,5, maksymalna 3,0.

W PN 07 liczbę kategorii wykonawstwa ograniczono jak dotychczas do dwóch, przyjmując ustalone w PN 99 wartości częściowych współczynników bezpieczeństwa muru, podobnie jak w EC6, odpowiednio do kategorii elementów murowych, kategorii wykonania robót na budowie i rodzaju użytej zaprawy.

Przyjęte w PN 07 wartości γ_m odpowiadają wartościom γ_M w EC6 przyporządkowanym kategoriom wykonawstwa 2 i 3 (w PN 07 kategorii A i B) co oznacza, że współczynnik γ_Rd charakteryzujący relację pomiędzy γ_M a γ_m równy jest jedności, a co za tym idzie γ_m uwzględnia wszystkie niekorzystne odchyłki przyporządkowane wytrzymałości materiału jak również wynikające z niepewności modelu obliczeniowego nośności konstrukcji murowej.

Dotychczasową tablicę γ_m w PN 99 rozbudowano dodatkowo, za EC6, o wartości γ_m dla zakotwienia stali zbrojeniowej oraz nadproży (przyjmując również wartości γ_M z EC6 jako γ_m ). Wartości częściowych współczynników bezpieczeństwa dla muru - γ_m przyjęte w EC6 oraz w PN 07 do obliczeń konstrukcji w sytuacjach trwałych i przejściowych podano w tablicy 9 (wytłuszczonym drukiem).

Dla porównania w tablicy 10 podano wartości γ_m przyjęte w brytyjskiej normie BS 5628-1:2005 dotyczącej konstrukcji murowych niezbrojonych, wartości te są znacznie wyższe od podanych w PN 07.

Wymiarowanie konstrukcji murowych niezbrojnych

Rozdział w PN 07 dotyczący wymiarowania konstrukcji murowych niezbrojnych został - analogicznie jak w PN 99 - podzielony na:

• ściany obciążone głównie pionowo,
• ściany obciążone siłą skupioną,
• ściany obciążone głównie poziomo,
• ściany usztywniające.

Punkt dotyczący ścian obciążonych głównie pionowo w zasadzie nie uległ zmianom - opracowano tekst jednolity uwzględniający opublikowane wcześniej zmiany i poprawki do normy.

W przypadku ścian obciążonych siłą skupioną wprowadzono inny, zgodny z EC6, zapis warunku do sprawdzania stanu granicznego nośności. Obecnie określa się nośność obliczeniową ściany N_Rd, będącą iloczynem pola oddziaływania obciążenia skupionego, obliczeniowej wytrzymałości muru i współczynnika β. W PN 99 sprawdzano czy lokalne średnie naprężenie ściskające pod obliczeniowym obciążeniem skupionym spełniało, m.in., warunek:

σ_d ≥ f_d

z tym, że norma nie precyzowała postępowania, gdy warunek ten nie był spełniony.

Zasady obliczania ścian obciążonych głównie poziomo, pozostały bez zmian i w pełni odpowiadają zaleceniom EC6.

Punkt normy PN 07 dotyczący ścian usztywniających został przeredagowany, uściślony i uzupełniony rysunkami ułatwiającymi praktyczne stosowanie podanych tam wymagań.

Treść rozdziału rozszerzono, za EC6, o zasady określania grubości efektywnej dla różnego rodzaju rozwiązań konstrukcyjnych ścian, co pozwala na sprawdzanie nośności tych ścian wg metody podanej w PN 07 dla przekrojów prostokątnych.

Wymagania konstrukcyjne

Wymagania konstrukcyjne podane w PN 07 dotyczące zapewnienia trwałości konstrukcji murowych zostały w pełni przyjęte za EC6. Odnoszą się one w szczególności do doboru materiałów murowych (elementów murowych, zapraw, zbrojenia) i dotyczą zasad ich stosowania w zależności od warunków środowiskowych na działanie których konstrukcja będzie narażona oraz sposobu jej zabezpieczenia przed działaniem czynników niekorzystnych. W PN 07, za EC6, przyjęto również nowe oznaczenia i definicje klas ekspozycji.

Pozostałe wymagania, zawarte w tym rozdziale dotyczą ogólnych zasad projektowania i wykonywania ścian, których spełnienie upoważnia projektanta do nie sprawdzania stanu granicznego użytkowalności konstrukcji. Większość tych zasad została powtórzona za PN 99. Zasadnicza zmiana dotyczy tylko odległości przerw dylatacyjnych, które w PN 07 zostały w istotny sposób ograniczone w stosunku do PN 99.

Doboru elementów murowych dokonuje się w zależności od przewidywanych warunków środowiskowych w jakich będzie się znajdować konstrukcja murowa, posługując się tablicą 11.

Doboru rodzaju zaprawy dokonuje się zgodnie z PN-EN 998-2, posługując się tablicą 12, w której przyjęto oznaczenie zaprawy jako P, M i S, gdzie:

P - zaprawa stosowana w przypadku murów narażonych na słabe działanie czynników zewnętrznych;

M - zaprawa stosowana w przypadku murów narażonych na średnio intensywne działanie czynników zewnętrznych;

S - zaprawa stosowana w przypadku murów narażonych na intensywne działanie czynników zewnętrznych;

Zgodnie z PN 07, mur w ścianie piwnicznej zabezpieczony w sposób należyty przed przenikaniem wody uważać można za znajdujący się w środowisku klasy MX2.

Przerwy dylatacyjne. Dotychczasowe obserwacje zachowania się ścian murowanych stosowanych w Polsce w okresie ostatnich kilkunastu lat, wskazują na niewłaściwą ocenę odkształceń termicznych ścian w procesie ich projektowania. Wyraża się to w praktyce przyjmowaniem zbyt dużych odległości przerw dylatacyjnych, a w konsekwencji samoistnym dylatowaniem się ścian w warunkach ich użytkowania.

W związku z powyższym, podane w PN 07 odległości przerw dylatacyjnych z uwagi na odkształcenia termiczne murowanych ścian zostały uzależnione od znacznie większej liczby czynników niż w PN 99. Obecnie zależą one od: rodzaju ściany (jedno- i dwuwarstwowa, samonośna i nośna), materiału elementu murowego, rodzaju zaprawy (zwykła, lekka i do cienkich spoin) oraz sposobu wykonania muru (ze spoinami pionowymi wypełnionymi lub nie wypełnionymi).

Zalecane w PN 07 maksymalne odległości pomiędzy przerwami dylatacyjnymi podano w podziale na ściany szczelinowe i ściany jedno- lub dwuwarstwowe, różnicując przy tym:

• dla ścian szczelinowych - wymagania dla warstwy zewnętrznej i warstwy wewnętrznej ściany,
• dla ścian jedno- lub dwuwarstwowych - wymagania dla murów z wypełnionymi spoinami i murów z niewypełnioną spoiną pionową.

Biorąc pod uwagę odkształcalność termiczną elementów murowych, maksymalne odległości pomiędzy przerwami dylatacyjnymi zróżnicowano w zależności od dwóch rodzajów materiałów elementów murowych, tj.: murów z elementów ceramicznych i murów wykonywanych z innych elementów (tablica 13). Przy ustalaniu zalecanych wartości L_i przyjęto, że najkorzystniejsze termiczne warunki pracy w konstrukcji ma warstwa wewnętrzna ściany szczelinowej, najniekorzystniejsze zaś, warstwa zewnętrzna.

Odległości między przerwami dylatacyjnymi, podane w tablicy 13, dotyczą budynków z oddzieloną konstrukcją dachową i ocieplonym stropem nad najwyższą kondygnacją. Można je uważać za miarodajne również dla budynków ze stropodachami wentylowanymi, w których temperatura konstrukcji stropu jest zbliżona do temperatury ocieplonego stropu przekrytego dachem.

W przypadku zastosowania w spoinach wspornych zbrojenia o przekroju nie mniejszym niż 0,03% przekroju poprzecznego muru, podane w tablicy 13 wartości L_i . można zwiększyć o 20%.

Piśmiennictwo

[1] Jarmontowicz R., Sieczkowski J.: Badania wytrzymałościowe murów z ceramicznych i silikatowych elementów murowych. „Materiały Budowlane”, nr 9/2006

[2] Lewicki B.: Eurokody i ich wdrażanie do praktyki polskiej. IX Konferencja Naukowo-Techniczna „Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego”. Cedzyna koło Kielc, 24-26 kwietnia 2006 r. Materiały konferencyjne. ITB. Warszawa 2006

[3] Lewicki B.: Zapewnienie bezpieczeństwa konstrukcji. Komentarz naukowy do PN-B-03264:2002, ITB, Warszawa 2005

[4] Lewicki B.: Wdrażanie Eurokodów do praktyki polskiej - Wymagany poziom bezpieczeństwa konstrukcji - XXII Konferencja WPPK, Szczyrk 2007

dr Roman Gajownik, inż. Jan Sieczkowski
Ceramika Budowlana nr 2/2007 oraz nr 3/2007