- ul. Leśna 24, 82-204 Warzenko
- info@schalform.com
Użytkownik stojący przed doborem odpowiedniego systemu deskowania ściennego spotyka się z jego charakterystyką, określającą jego wytrzymałość na parcie świeżej mieszanki betonowej. Parametr ten jest jednocześnie podstawowym kryterium, w oparciu o który nieoficjalnie klasyfikuje się systemy ścienne w trzech kategoriach – deskowania lekkie (o wytrzymałości do 40kN/m2), średnie (do 60kN/m2) oraz ciężkie (do 80-100kN/m2). Niejednokrotnie okazuje się jednak, że pomimo powszechnego posługiwania się tym parametrem, wiedza na temat rzeczywistego parcia mieszanki, a także czynników mających wpływ na jego wartość jest niewielka, nawet wśród kadry kierowniczej na budowach.
Niezrozumiałe są również skutki parcia świeżego betonu na ściany deskowania, które determinują określone zasady jego montażu, opisywane szczegółowo w instrukcjach użytkowania, dedykowanych danym systemom. Dopóki poruszamy się w typowych zastosowaniach i korzystamy wyłącznie ze sprawdzonych, wysokiej jakości komponentów o nienagannym stanie technicznym, wiedza czerpana wyłącznie z instrukcji producentów jest wystarczająca do prawidłowego przeprowadzenia montażu deskowania. Gorzej jednak kiedy w realizacji wykracza się poza standardowe zastosowania – wówczas nieświadomość nawet podstawowych zasad mechaniki i dystrybucji obciążeń w deskowaniu skutecznie uniemożliwia jego odpowiednie zmontowanie i niesie dla użytkownika realne zagrożenie podczas prac betoniarskich. Jednakże nawet prawidłowo zmontowane deskowanie nie zwalnia użytkownika ze świadomości czynników mających wpływ na wielkość parcia mieszanki – te bowiem zależą wyłącznie od technologii i warunków prowadzenia prac oraz wiedzy technicznej pracowników. I wówczas nawet prawidłowo zmontowane, ale nieodpowiednio dobrane pod względem wytrzymałości deskowanie (najczęściej z chęci zmniejszenia nakładów poniesionych na zakup bądź dzierżawę sprzętu) ulega awarii, ponieważ podczas pracy zostało wygenerowane parcie mieszanki przekraczające deklarowaną przez producenta wytrzymałość.
Świeża mieszanka betonowa do momentu rozpoczęcia procesu wiązania (skutkującego jej twardnieniem) zachowuje się w sposób podobny do cieczy i podlega zasadom mechaniki płynów. Najważniejszym wnioskiem wynikającym z tego jest fakt, że mieszanka, podobnie jak każda ciecz, przybiera kształt naczynia, w którym się znajduje – w naszym przypadku jest to deskowanie. Nie bez przyczyny zatem chcąc wykonać konstrukcję z betonu w pierwszej kolejności wykonuje się szalunek o geometrii odpowiadającym żądanemu elementowi. Ponadto, mieszanka betonowa ułożona w deskowaniu, wywiera na jego ścianki równomierny, prostopadły do jego powierzchni nacisk. Pozwala to zrozumieć konieczność dodatkowego zabezpieczenia nachylonego do powierzchni gruntu deskowania, które w trakcie betonowania ma tendencję do podnoszenia się. Im większy kąt nachylenia deskowania, tym wartość siły Fy skierowanej ku górze wzrasta.
Ciśnienie mieszanki betonowej działa na całą konstrukcję deskowania w miejscu jej ułożenia, dlatego podczas prowadzenia prac wymaga się w miarę równomiernego jej układania, eliminując ryzyko miejscowego przeciążenia elementów deskowania. Mieszanka, działając na powierzchnię czynną deskowania, generuje w nim szereg sił, powodujących ściskanie, rozciąganie, zginanie oraz ścinanie poszczególnych jego elementów. Wszystkie te siły, powstające podczas układania oraz wibrowania mieszanki muszą zostać rozpoznane, zarejestrowane oraz uwzględnione na etapie projektowania deskowania. Z punktu widzenia mechaniki właściwym jest zatem mówienie, że zadaniem deskowania, oprócz nadania kształtu konstrukcji, jest przeciwdziałanie powstałemu wewnątrz niego ciśnieniu mieszanki.
Na podstawie postanowień normy DIN-4235 przyjmuje się, że opisując rozkład ciśnienia wewnątrz deskowania, pochodzącego od świeżej mieszanki betonowej, można posługiwać się ciśnieniem hydrostatycznym do głębokości efektywnego zasięgu wibratora Hs. Wynosi ona w przybliżeniu 20cm więcej, niż rzeczywista głębokość zanurzenia wibratora Hr. Wartość parcia hydrostatycznego zależy wprost proporcjonalnie od głębokości i wynosi p=γh (rys. 2a). Poniżej tej głębokości uznaje się, że mieszanka jest w pełni zawibrowana i uspokojona, a generowane przez nią parcie mieszanki wykreśla linię przyrostu ciśnienia w kształcie zbliżonym do paraboli, przyjmując w najniższych punktach deskowania wartość pmax (rys. 2b).
W celu określenia wartości ciśnienia panującego wewnątrz deskowania pmax, pochodzącego od parcia świeżej mieszanki, norma PN-EN 12812:2008 (Deskowanie – Warunki wykonania i ogólne zasady projektowania) zezwala stosować jedną z metod, opisaną w następujących opracowaniach:
Model przyrostu wartości parcia świeżej mieszanki, opisany w normie DIN-18218 zakłada, że poniżej głębokości efektywnego zasięgu wibratora Hs, wartość parcia na ściany deskowania osiąga swoją wartość pmax. Wówczas ideowy wykres ilustrujący przyrost ciśnienia w relacji do głębokości przybiera kształt linii prostej (rys. 2d). Jest to pewne uproszczenie, zwiększające wyliczone wartości względem rzeczywiście otrzymanych i niewątpliwie wpływające korzystnie na bezpieczeństwo pracy. W rzeczywistości wykres ilustrujący przyrost parcia wewnątrz deskowania przybiera kształt paraboli, stopniowo przechodząc do wartości maksymalnej (rys. 2c). Oznacza to, że bez żadnego ryzyka przekroczenia maksymalnej wartości parcia pmax możliwe jest zagłębienie wibratora w głąb mieszanki o wartość ΔHR. Ponadto, model ten nie uwzględnia rzeczywistego początku wiązania mieszanki, która wcześniej ułożona w głębszych warstwach deskowania tężeje, stopniowo zmniejsza swój nacisk na ściany deskowania (rys. 2e).
Uwzględniając postanowienia normy, maksymalna wartość ciśnienia w deskowaniu pmax, generowanego przez parcie świeżej mieszanki betonowej można wyznaczyć z następującej relacji:
pmax = GCKT(0,48V + 0,74) [kN/m2], gdzie: (1)
G – ciężar objętościowy świeżej mieszanki betonowej, wynoszący 25kN/m3 ,
C – współczynnik uwzględniający obecność domieszek opóźniających wiązanie, równy:
C = 0,065Tv + 1, gdzie: (2)
Tv – czas opóźnienia wiązania betonu [h],
KT – współczynnik uwzględniający temperaturę układanej mieszanki betonowej w °C:
KT = 1,45 – 0,03T (3)
Zaproponowana powyżej, uproszczona metoda, ograniczona została w stosowaniu to betonów o konsystencjach K2/K3, o temperaturach od +5°C do +30°C. W przypadku konieczności określenia maksymalnego parcia pmax dla innych mieszanek, niespełniających powyższych ograniczeń, należy korzystać ze wzorów z tabeli 1 oraz 2 normy DIN-18218 oraz nomogramów.
Model przyrostu parcia mieszanki opracowany przez CIRIA jest zbliżony do tego, reprezentowanego w normie DIN – przyrost parcia mieszanki następuje wraz ze wzrostem głębokości, przechodząc z wartości parcia hydrostatycznego do wartości maksymalnej pmax. Nieco odmienny jest jednak sposób obliczenia maksymalnej wartości parcia – ten wprost uwzględnia kształt deskowania, a także wysokość słupa betonu ponad punktem pomiarowym, czego brakuje w normie DIN. Istotną różnicą jest również niezwiązanie wielkości parcia mieszanki z jej konsystencją. Wartość maksymalnego parcia pmax wyznacza się jako mniejszą z poniższych wartości:
lub pmax=DH, gdzie:
D – ciężar objętościowy świeżej mieszanki betonowej, wynoszący 25kN/m3
C1 – współczynnik zależny od rozmiaru i kształtu deskowania, wynoszący C1 = 1,0 dla ścian lub C1 = 1,5 dla słupów (element jest słupem, jeżeli długości obydwu krawędzi elementu są mniejsze niż 2,0m),
C2 – współczynnik uwzględniający obecność domieszek opóźniających wiązanie,
R – szybkość betonowania w m/h,
K – współczynnik uwzględniający wpływ temperatury, gdzie:
Analizując przedstawione powyżej zależności pozwalające wyliczyć matematycznie wielkość parcia mieszanki pozwalają dostrzec istotne czynniki, które wpływają na jego wielkość. Najogólniej można je uszeregować w trzech grupach:
Jednym z parametrów określającym świeżą mieszankę betonową jest jej klasa konsystencji. Za jej pomocą określa się płynność mieszanki, która odpowiednio dobrana, zapewnia łatwość przemieszczania się jej w formie (deskowaniu) przy określonym sposobie układania. W zależności od składu mieszanka może przyjmować konsystencję bardzo gęstą, zbliżoną swoją spoistością do plasteliny, jak również płynną, zachowującą się niemalże jak woda. Pozwala to dopasować płynność mieszanki do stopnia skomplikowania formy, a także zagęszczenia zbrojenia.
Obowiązująca norma PN-EN 206:2014-04 (Beton – Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność) wyszczególnia pięć różnych metod klasyfikacji konsystencji mieszanek betonowych, różniących się między sobą kryteriami i przyjętymi metodami badań. Każda z nich jednakże szereguje mieszanki po kątem ich konsystencji od plastycznych, tych najbardziej spoistych, do płynnych, zwanych również ciekłymi. Najbardziej popularna w Polsce metoda klasyfikacji mieszanek pod kątem ich konsystencji polega na pomiarach opadu stożka betonowego (badanie wg PN-EN 12350-2), która pozwala przyporządkować mieszankę do następujących klas konsystencji (tab.1):
Klasa konsystencji | Opad stożka w cm | Zastosowanie mieszanki |
S1 Wilgotna | 1-4 | Konsystencja najbardziej gęsta, przeznaczona do elementów betonowych ubijanych ręcznie lub wibroprasowanych, o prostych przekrojach i rzadko zbrojonych (np. bloczki betonowe, krawężniki) |
S2 Gęstoplastyczna | 5-9 | Elementy betonowe o nieskomplikowanych kształtach, zagęszczane ręcznie lub za pomocą wibrowania powierzchniowego. |
S3 Plastyczna | 10-15 | Elementy betonowe i żelbetowe, normalnie zbrojone (1-2,5%), zagęszczane za pomocą wibratorów wgłębnych. |
S4 Półciekła | 16-21 | Elementy o normalnych i skomplikowanych kształtach, normalnie lub gęsto zbrojone, zagęszczane za pomocą wibratorów wgłębnych. Mieszanki transportowane pompami. |
S5 Ciekła (płynna) | >21 | Elementy o skomplikowanych kształtach, gęsto zbrojone. |
Nietrudno jest na podstawie powyższej tabeli domyśleć zależności pomiędzy parciem mieszanki na ściany deskowania i jej konsystencją. Mieszanki najbardziej spoiste wykazują największe tarcie wewnętrzne pomiędzy składnikami, które ogranicza swobodne rozlewanie się stożka. W skutek tego mieszanka taka w najmniejszym stopniu napiera na ściany deskowania wywołując na jego powierzchni parcie. Z kolei mieszanki płynne, o niewielkiej spoistości, spowodowanej niskim tarciem wewnętrznym, dążą do natychmiastowego rozpłynięcia się na płaskiej powierzchni, przez co, umieszczone w deskowaniu, wywierają na jego ściany duży nacisk. Zmiana wielkości parcia mieszanki betonowej, określona dla tych samych warunków, ale dla mieszanek o różnych klasach konsystencji, przedstawiona została na poniższym nomogramie:
Konsystencja mieszanki jest jednym z najistotniejszych czynników wpływających na ostateczną wartość parcia mieszanki. Każdorazowa zmiana konsystencji, przy zachowaniu niezmienionych warunków betonowania, skutkuje inną wartością jej parcia na ściany deskowania. Klasa konsystencji mieszanki najczęściej dobierana jest na etapie zamawiania betonu przez budowę.
Uznaje się, że najkorzystniejsza temperatura wiązania betonu i przyrostu jego wytrzymałości wynosi 15-20°C. Obniżona temperatura opóźnia i wydłuża proces wiązania, a także spowalnia twardnienie. Pośrednio wpływa ona zatem również na parcie mieszanki, która wraz z obniżaniem swojej temperatury, zwiększa nacisk na ściany deskowania. W tabeli 2 (poniżej) przedstawiono zmianę wartości parcia mieszanki w zależności od jej temperatury, przy założeniu niezmienionego składu oraz warunków układania.
temp. mieszanki [° C] | parcie mieszanki pmax [kN/m2] |
5 | 44,8 |
10 | 39,6 |
15 | 34,5 |
20 | 29,3 |
25 | 24,1 |
30 | 19,0 |
Domieszki opóźniające wiązanie
betonu są powszechnie stosowanymi dodatkami, mającymi za zadanie opóźnić proces
twardnienia betonu, czyli przechodzenia mieszanki ze stanu plastycznego w
sztywny. Znajdują one zastosowanie szczególnie podczas technologii wymagających
nieprzerwanego betonowania lub w przypadku znacznego oddalenia budowy od węzła
betoniarskiego. Opóźnienie wiązania betonu każdorazowo zwiększa maksymalną
wartość parcia mieszanki na ściany deskowania pmax.
opóźniacz wiązania betonu [h] | parcie mieszanki pmax [kN/m2] |
1 | 32,5 |
2 | 34,5 |
5 | 40,4 |
10 | 50,3 |
15 | 60,2 |
20 | 70,2 |
Kształt deskowania nie wpływa w bezpośredni sposób na wartość parcia mieszanki. Czynnik ten jest jednak niemożliwy do pominięcia, jeżeli dostrzeżemy, że szybkość napełnienia formy mieszanką betonową zależy bezpośrednio od jej wymiarów w rzucie. Innymi słowy dwa, identycznie prowadzone procesy betonowania mogą w inaczej ukształtowanym szalunku wywołać odmienne stany naprężenia. Prześledźmy zmianę parcia mieszanki podczas betonowania w takich samych warunkach 20mb ściany żelbetowej o wysokości 3m i zmieniającej się grubości:
grubość ściany [cm] | czas napełniania deskowania [h] | szybkość betonowania [m/h] | parcie mieszanki pmax [kN/m2] |
10 | 0,6 | 5,0 | 83,6 |
15 | 0,9 | 3,3 | 62,3 |
20 | 1,2 | 2,5 | 51,7 |
25 | 1,5 | 2,0 | 45,3 |
30 | 1,8 | 1,7 | 41,0 |
35 | 2,1 | 1,4 | 38,0 |
Zmiana grubości ściany powoduje, że przy niezmiennych warunkach betonowania potrzeba dłuższego czasu, aby napełnić deskowanie, przez co wolniej następuje przyrost słupa betonu. Ta wielkość wpływa liniowo na maksymalne parcie mieszanki. Innymi słowy – jeśli betonujemy wolniej to otrzymujemy mniejsze parcie. Zgubne jest zatem rozumowanie niektórych wykonawców, którzy bagatelizują prawidłowe usztywnienie deskowania twierdząc, że cienka ściana generuje mniejsze parcie na deskowanie niż standardowa.
Świeża mieszanka betonowa do momentu rozpoczęcia wiązania zachowuje się podobnie do cieczy i podlega prawom mechaniki płynów. Oczywistym jest już zatem, że rozkład ciśnienia wywieranego przez mieszankę jest równomierny w każdym kierunku i jest zawsze prostopadły do ścian deskowania, w którym się znajduje. Ich nachylenie nie wpływa więc w żaden sposób na wartość tego ciśnienia. W przypadku jednak nachylenia deskowania nie bez znaczenia jest pojawienie się w deskowaniu dodatkowych sił, dążących do jego podniesienia, skierowanych pionowo w górę (rys. 1b). Siły te zależą bezpośrednio od wartości ciśnienia wewnątrz deskowania. Koniecznym jest zatem zwrócenie szczególnej uwagi podczas betonowania nachylonych form oraz zadbanie o ich odpowiednie zakotwienie bądź balastowanie.
Ten czynnik ma stosunkowo niewielki wpływ na ostateczną wielkość parcia mieszanki. Zwiększenie chropowatości poszycia szalunku zmniejsza wartość ostatecznej wartości parcia mieszanki. Szczęśliwie dla użytkowników deskowań w systemach szalunkowych najczęściej wykorzystuje się dedykowaną do tego sklejkę szalunkową, a rozwiązania z desek lub innych poszyć stosuje się relatywnie rzadko, w mało odpowiedzialnych zadaniach lub w przypadku indywidualnych form, których wypełnianie jest starannie przygotowywane i jest monitorowane.
Szybkość wypełniania formy determinuje tempo realizacji robót. Każdy wykonawca dąży, aby zadania realizować możliwie najszybciej, dlatego zawsze będzie poszukiwać sposobów szybszego wykonania pracy. Jednym ze sposobów jest zintensyfikowanie betonowania, dzięki czemu szybciej nastąpi wypełnienie szalunku. Rozważając zagadnienie kształtu deskowania oraz konsystencji mieszanki można zwrócić uwagę, że zaprezentowane zwiększenie szybkości betonowania zawsze wiąże się ze wzrostem wartości parcia mieszanki (rys. 3, tab. 6). Obserwację tę potwierdza również analiza matematycznych wzorów, pozwalających określić pmax, przedstawionych zarówno w normie DIN, jak i modelu CIRIA. Szybkość układania mieszanki w deskowaniu jest niezwykle istotnym czynnikiem, wpływającym na wartość parcia.
Do zagadnienia można jednak podejść od strony użytkownika danego systemu deskowania ściennego, zaprojektowanego do przeniesienia parcia mieszanki o określonej, maksymalnej wartości, przykładowo 60kN/m2, który chciałby ustalić tempo betonowania, aby nie przekroczyć nośności deskowania. Niezbędne będzie wówczas odpowiednie przekształcenie wzoru (1), pozwalające wyznaczyć szybkość betonowania v, w relacji do określonej wartości pmax.
parcie mieszanki pmax [kN/m2] | efektywny zasięg wibratora Hs [m] | głębokość zanurzenia wibratora Hr [m] | dopuszczalna szybkość betonowania |
30 | 1,2 | 1 | 0,8 |
40 | 1,6 | 1,4 | 1,6 |
50 | 2 | 1,8 | 2,4 |
60 | 2,4 | 2,2 | 3,1 |
70 | 2,8 | 2,6 | 3,9 |
80 | 3,2 | 3 | 4,7 |
90 | 3,6 | 3,4 | 5,5 |
deklarowana szybkość betonowania | parcie mieszanki pmax [kN/m2] |
0,5 | 26,1 |
1 | 32,5 |
1,5 | 38,9 |
2 | 45,3 |
2,5 | 51,7 |
3 | 58,0 |
Głębokość zanurzenia buławy wibratora ma wpływ na maksymalną wartość parcia mieszanki betonowej, ponieważ, jak to wspomnieliśmy na początku niniejszego artykułu – przyjmuje się, że strefa oddziaływania ciśnienia hydrostatycznego odpowiada w przybliżeniu głębokości zanurzenia wibratora. Wówczas im głębiej w formie znajdować się będzie wibrator, tym wyższa będzie wartość osiągniętego ciśnienia hydrostatycznego. Istotne to jest szczególnie podczas betonowania wysokich ścian, podczas którego należy zadbać o właściwy sposób układania mieszanki, aby uniknąć konieczności zbyt głębokiego jej zagęszczania. Wpływ głębokości zanurzenia wibratora na wartość otrzymanego parcia hydrostatycznego mieszanki można prześledzić na podstawie tabeli 5. Przyjmuje się, że dla betonów płynnych, analizując wpływ głębokości wibrowania na wartość parcia mieszanki, należy dodatkowo uwzględnić szybkość układania mieszanki oraz czas jej wiązania. Założenia przyjęte podczas wyprowadzania matematycznych zależności, pozwalających wyznaczyć wartość ciśnienia mieszanki, określone zostały dla jej stanu poprawnego zagęszczenia. Oznacza to, że zmiana czasu wibrowania nie wykazuje wpływu na wielkość uzyskanego parcia.
Wpływ temperatury otoczenia na wielkość uzyskanego parcia mieszanki jest niezwykle istotny, ponieważ oddziaływanie te rzutuje na czas wiązania świeżego betonu. Wiemy już, że każdorazowe schładzanie mieszanki zwiększa jej parcie na deskowanie. Zjawisko to jest bardzo istotne, ponieważ, chcąc zachować określoną wielkość ciśnienia wewnątrz deskowania, np. aby nie przekroczyć jego wytrzymałości podczas prac w niskich temperaturach, należy zmniejszyć tempo betonowania. Z punktu widzenia użytkownika może się zatem okazać, że analogiczne elementy konstrukcji, wykonywane w różnych porach roku, konieczne będzie wykonywać w różnym tempie.
Wpływ temperatury otoczenia na dopuszczalną szybkość betonowania w deskowaniu o wytrzymałości 60kN/m2 przedstawiono w poniższej tabeli.
temperatura otoczenia [°C] | dopuszczalna szybkość betonowania [m/h] |
5 | 3,6 |
10 | 4,1 |
15 | 4,7 |
20 | 5,5 |
25 | 6,7 |
Parcie mieszanki betonowej oraz jego uwarunkowania to zagadnienie dość skomplikowane, z uwagi na jego złożoność. Na podstawie kilku przykładów dostrzegliśmy, że zmiana tylko jednego z parametrów powoduje zauważalne rezultaty, co w przypadku zaistnienia kilku jednocześnie nie możliwe jest do przewidzenia bez odpowiedniego sprawdzenia matematycznego. Sytuację utrudnia dodatkowo fakt, że zaprezentowane korelacje wynikają z modeli teoretycznych, szczęśliwie dla użytkownika nieco zawyżających wyniki. Należy to jednak traktować jako pewnego rodzaju współczynnik bezpieczeństwa, ponieważ w warunkach budowy niemożliwe jest zachowanie pełnej zgodności z zaprojektowanym programem betonowania oraz należytej precyzji. Coraz powszechniejszy na rynku brak specjalistów powoduje, że współcześnie na budowach pracują niewykwalifikowani cudzoziemcy, o wątpliwej znajomości procesów budowlanych, dla których jedynym celem jest jak najszybsze wykonanie pracy. Wspomniałem na wstępie, że nawet wśród kadry kierowniczej dostrzega się całkowite niezrozumienie zagadnienia parcia mieszanki, co spowodowane jest brakiem polskiego odpowiednika normy DIN-18218, lakoniczną literaturą oraz symbolicznym sygnalizowaniem tematu podczas toku studiów inżynierskich. Jest to moim zdaniem spory problem, ponieważ praktyka pokazuje, że do większości awarii deskowania dochodzi z powodu jego przeciążenia, wynikającego wprost z przekroczenia dopuszczalnego parcia mieszanki. W przypadku jakichkolwiek niepewności, szczególnie podczas realizacji nietypowych zadań lub wykorzystując indywidualne rozwiązania, warto oprócz wyliczeń matematycznych posłużyć się specjalistycznym sprzętem pomiarowym, który zamocowany w istotnych miejscach deskowania, pozwoli na bieżąco monitorować stan naprężenia w jego wnętrzu i w odpowiedni sposób sterować procesem betonowania.
Powyższa publikacja autorstwa Kamila Długosza ukazała się w numerze 70 kwartalnika Rusztowania i Deskowania.
Warzenko 84-208, ul. Leśna 24,
info@schalform.com
(+48) 792 929 977
SCHALFORM.COM
Copyright © 2023. All rights reserved.