Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Únosnost pilířů a stěn, vliv vlhkosti na pevnost cihel

Datum: 3.9.2018  |  Autor: doc. Ing. Ivana Žabičková, CSc., VUT FAST Brno  |  Recenzent: doc. Ing. Jaroslav Solař, Ph.D., VŠB TU Ostrava

Únosnost hliněných konstrukcí staveb se dosud výpočtem neprokazuje pro nedostatek znalostí o chování hliněných těles pod zatížením. V článku jsou uvedeny výsledky šetření zatěžovacích zkoušek pilířů a krátkých stěn provedených v rámci grantu VUT a projektu OP RLZ pracovníky SHS, FA a FAST VUT v Brně.

1. Stávající hliněné konstrukce

V minulosti se stavěly hliněné domy podle zkušenosti místního stavitele, na našem území to byly obvykle jednopodlažní rodinné domy nebo hospodářské stavby (stodoly, sklady) i ohradní zdi. Přesto u nás najdeme i stavby vícepodlažní, např. třípodlažní sušárnu chmele v Odrlicích. Životnost těchto staveb je 100 až 300 let v závislosti na kvalitě provedení. Do dnešního dne stojí na našich vesnicích a okrajích měst tisíce hliněných domů skrytých pod vrstvou břizolitových nebo cementových omítek. Výstavba těchto domů byla ukončena zákonem ze dne 16. června 1914 č. 39 [1], který prosadil cihlářský průmysl.

Po celé století se považovalo za jedinou možnost opravy poruch příslušnou část zbourat a nahradit některým jiným stavivem. Teprve v posledních 15 letech se hliněné stavby začínají opravovat. Hlavním nepřítelem je zemní vlhkost a přetížení stavby. Životnost stávajících hliněných staveb, stavěných bez odborných znalostí, je tedy sto let a víc, což je odpovědí pro ty, kdo hliněné stavivo považují za podřadné.

Nové užití hliněného staviva nastalo s koncem 20. století, a to v souvislosti s rodícím se novým pohledem na kvalitu života na naší zemi. V současné době se hliněný materiál používá především na omítky, na stavbu příček a obezdívek a na výplňové konstrukce zděné nebo dusané. V naší zemi se pro nenosné hliněné konstrukce používá stejně jako v minulosti převážně hliněné zdivo, dusaná hlína si k nám cestu teprve nachází.

Proč se nestaví nosné hliněné konstrukce, když mají v naší zemi tak dlouhou tradici a jejich životnost je prokázaná? Vedou k tomu dva důvody. První důvod je finanční. Hliněná cihla je těžká a nedají se z ní vyrábět velké bloky. Zdá se, že maximální vhodná velikost je rozměr cihel, které vyrábí firma HELUZ, kde jejich tvárnice o velikosti 240/250/120 mm váží 11 kg. Malé rozměry cihel zvyšují pracnost při zdění, tím vzrůstá délka výstavby i cena stavby, protože už i v naší zemi začíná být lidská práce drahá. Cena vlastních cihel se zvyšuje o cenu dovozu, protože hliněné cihly jsou k mání pouze u výrobce.

Dalším a hlavním důvodem je nedostatek norem pro jejich navrhování. Na rozdíl od některých evropských zemí, kde kontinuita hliněné výstavby nebyla přerušena jako v naší zemi, u nás o hliněném stavivu není v současných normách ani zmínka. Nedostatek informací o tomto materiálu se dohání řadou zkoušek, nejčastěji v laboratořích vysokých škol, kde se hliněný stavební materiál a výrobky z něj stávají předmětem studentských prací diplomových a doktorských. Tak byla provedena řada zkoušek pevnosti cihel, malty a dusané hlíny včetně tepelných a sorpčních vlastností. Těmito zkouškami se ověřilo, že hliněné stavivo se chová obdobně jako každé jiné stavivo, od kterého se liší hlavně výslednými hodnotami. Mimo běžně zkoumané se však liší od ostatních staviv specifickými vlastnostmi, které ho staví do popředí. Je to jeho práce s vlhkostí v ovzduší, nepatrná energetická spotřeba při výrobě, snadný návrat do přírody po dožití stavby, práce se škodlivinami v ovzduší, prostupnost geomagnetického pole. Tyto a další vlastnosti ho činí zajímavým pro živé tvory, tedy i pro člověka, který je na hliněný materiál adaptován v průběhu celých dějin lidstva.

Sdružení hliněného stavitelství (dále SHS) od svého vzniku vyvíjí snahu přispět k poznání vlastností hliněného staviva, aby nedocházelo k jeho aplikaci formou pokus – omyl. Za tím účelem pořádá v rámci evropské spolupráce kurzy hliněného stavění pod názvem „Poznej hlínu“, které přesto, že jsou určeny pro řemeslníky, navštěvují z velké části projektanti, studenti a mladí lidé, kteří se chtějí věnovat hliněnému stavitelství profesionálně. SHS iniciovalo a podílelo se na tvorbě rekvalifikačních kurzů, kde je možno získat kvalifikace Zhotovitel hliněných staveb – zedník, omítkář a dekoratér omítek, které jsou součástí národního systému kvalifikací.

Experimentální šetření, které probíhalo původně jako grant VUT v Brně, později po založení sdružení pod hlavičkou SHS, bylo vždy řízeno finančními možnostmi a zaměřeno pro praktické využití výsledků experimentů. Přestože první experimenty probíhaly před 20 lety, byly to první zatěžovací zkoušky u nás, kdy byly šetřeny nejenom hliněné vzorky, ale i celé pilíře, při dalších zkouškách před 10 lety byla šetřena únosnost krátkých stěn. Podle mých znalostí s výjimkou dusaných stěn na ČVUT v Praze se zatím nikdo hliněným tělesům nevěnoval.

2. Zkoušky hliněných vzorků a pilířů (grant VUT 1996)

Zkoušky byly prováděny v době, kdy jsme se potřebovali rozhodnout, zda vlastnosti hliněného staviva jsou dostatečné pro užití v současných stavbách. Bez větších znalostí jsme ověřovali řadu jeho možností. Zkoušeli jsme vliv různých příměsí na pevnost cihel, ověřovali jsme kvalitu dvou ručních lisů (typ Kopic a Hugo) a porovnávali ji s ruční výrobou cihel (vyrobili jsme 250 cihel a desítky trámečků) a ve spolupráci s Ing. Habartou z FAST VUT v Brně jsme porovnávali únosnost pilířů vyzděných z těchto cihel s jejich pevností. Dále jsme zkoušeli i přídavek POP vláken, které jsme později z ekologických důvodů zavrhli.)

Tab. 1 Přehled vyrobených cihel
Označení cihelZpůsob výrobyObjem. složení směsi
hlína : písek : příměs
PříměsRozměry
[mm]
Počet cihel
[ks]
Pevnost v tlaku
[MPa]
Aručně24 : 30 : 0290/150/100293,160
LAlis Kopicdtto290/160/100462,917
Bručně24 : 15 : 10sláma295/150/95202,089
LBlis Kopicdttosláma295/160/100551,785
Cručně24 : 15 : 10ovčí vlna280/130/95702,917
Elis Hugo24 : 30 : 0290/160/83364,485
Tab. 2 Přehled pilířů
PilířPočetDruh cihelPočet vrstevRozměry
[mm]
Pevnost pilíře v tlaku
[MPa]
Pevnost cihel v tlaku pevnost pilíře v tlaku
P11LA11300/300/12001,4032,079
P21LA111,2842,272
P31A111,1892,658
P41LB110,7782,294
P51LB110,6672,676
P61B110,6333,300
P71C111,0562,762
P81C111,4332,036
P91C111,5331,903
P101E130,8565,239
2.1 Výsledky experimentálního šetření v roce 1996

Přes určité množství začátečnických chyb jsme zjistili:

  1. Důležitost dobré kvality namíchané směsi, nutnost jejího rozmělnění až na nejjemnější částice.
  2. Přímou závislost pevnosti v tlaku na velikosti stlačení směsi ve formě.
  3. Pozitivní vliv ovčí vlny na pevnost, avšak její špatné rozmíchávání ve směsi.
  4. Negativní vliv slaměné řezanky na pevnost cihel. (Pozdějšími zkouškami jsme si ověřili, že ke snížení dochází, když je sláma rozřezaná pouze napříč stébly, tj. zůstává ve tvaru trubiček, zatímco při rozmělnění i v podélném směru pevnosti zvyšuje).
  5. Lis Hugo se ukázal účinný, proto zkoušky v roce 1997 byly prováděny s cihlami lisovanými v tomto lisu. Dřevěný lis Kopic se neosvědčil.
    Obr. 1 Pracovní diagramy cihel různého složení (viz tabulka 1)
    Obr. 1 Pracovní diagramy cihel různého složení (viz tabulka 1)
  6. Podstatným výsledkem bylo zjištění, že se hliněný materiál při zatížení chová jako každý jiný stavební materiál. Zatěžovací zkoušky ukázaly, že pevnost pilířů se proti pevnosti cihel, ze kterých byla provedeny, snížila 1,9–5,2×, což byla mnohem příznivější hodnota než údaje v literatuře, kterou jsme tehdy měli k dispozici, kde byla uváděna mezi 7–12×. Tyto hodnoty nedávaly velkou naději na únosnost hliněných konstrukcí obecně, když pevnosti cihel se pohybují nejčastěji mezi 3 a 6 MPa. Tyto hodnoty neodpovídaly ani srovnání s hliněnými stávajícími stavbami, které při běžné údržbě slouží svému účelu po staletí.
Vzorek LA3 před zkouškou pevnosti v tlaku
Vzorek LA3 po zkoušce pevnosti v tlaku

Vzorek LA3 před zkouškou a po zkoušce pevnosti v tlaku
Zdění pilířů pro zatěžovací zkoušky
Zdění pilířů pro zatěžovací zkoušky
Pilíř v lisu před zatěžovací zkouškou
Pilíř v lisu před zatěžovací zkouškou
Typické trhliny po zatěžovací zkoušce
Typické trhliny po zatěžovací zkoušce

Obr. 2 Zatěžovací zkoušky cihel a pilířů

3. Zkoušky hliněných vzorků a pilířů (grant VUT 1997)

Zkoušky probíhaly v roce povodní, bylo vyrobeno a následně zkoušeno 14 sad cihel po 3–6 kusech. Zkoušky byly provedeny v prosinci 1997.

Pro rozšíření znalostí o hliněných cihlách ve vztahu k vodě byly provedeny zkoušky rychlosti vysychání hliněných cihel nových i starých, které byly odebrány ze stávajícího domu a zkoušky pevností cihel ze zaplavených domů. Vzorky cihel byly odebrány ze tří rozbořených domů na předměstí Kroměříže v zaplaveném území po opadnutí vody. Z každého domu byly dle možností odebrány cihly suché i mokré. Po vysušení ve vnitřním prostředí laboratoře pak byly podrobeny pevnostním zkouškám. Ukázalo se, že i vzorky odebírané z jednoho objektu byly rozdílné ve své struktuře, což bylo patrné i při vizuálním hodnocení.

Časové průběhy vysychání jednotlivých druhů cihel byly odlišné u cihel nových a starých. Výsledky pevností cihel ze záplav byly neočekávané a doporučuje se sledování zpevňování promočené cihly věnovat i nadále.

Tab. 3 Vybrané sady cihel a jejich vlastnosti
Označení cihelPříměsMnožství příměsiPrůměrná objem. hmotnost
[kg/m3]
Pevnost v tahu
[MPa]
Pevnost v tlaku
[MPa]
Tah/tlak
[%]
A19530,6865,6711,9
C1cement0,5 % hmotn.18740,5893,5416,6
W2vápno0,5 % hmotn.17850,3122,3913,1
S1sláma0,3 % hmotn.18250,6733,8917,3
S2sláma0,6 % hmotn.17680,7513,4022,1
S3sláma0,9 % hmotn.16930,5712,9119,6
V1ovčí vlna0,25 % hmotn.18820,7533,8519,6
V3ovčí vlna0,5 % hmotn.19241,0184,9920,4
Hstaré cihly18660,7639,518,0
Zvysušené cihly ze záplav16123,42
Obr. 3a Pracovní diagram V1
Obr. 3b časový průběh vysychání starých cihel

Obr. 3c Pracovní diagram V3
Obr. 3d časový průběh vysychání nových cihel

Obr. 3 Pracovní diagramy V1, V3 a časové průběhy vysychání cihel starých a nových

4. Zkoušky hliněných vzorků a krátkých stěn (projekt OP RLZ 2008)

Zkoušky hliněných cihel a krátkých stěn proběhly v roce 2008 na pracovišti FAST VUT v rámci řešení projektu SHS „Hlína dnes“. Pro zkoušky byly použity cihly před výpalem z cihelny Bořinov, zdicí malta byla vyrobena z pytlované směsi Standard (výrobce Hliněný dům s.r.o.). V rámci experimentálního šetření byly mimo jiné provedeny zkoušky pevnosti cihel, zdící malty a dvou typů krátkých stěn. První typ tvořilo 6 ks krátkých stěn o rozměrech 0,60 × 0,30 m, výška cca 0,95 m (13 vrstev cihel) vyzděných na polokřížovou vazbu, druhý typ tvořilo 6 ks krátkých stěn o rozměrech 0,6 × 0,15 m, výška stejná, vazba běhounová. Mimoto byla zjišťována pevnost cihel o různé vlhkosti.

Obr. 4 Vystrojení krátkých stěn tl. 0,30 m
Obr. 4 Vystrojení krátkých stěn tl. 0,30 m

Obr. 4 Vystrojení krátkých stěn tl. 0,30 m
Obr. 5 Vystrojení krátkých stěn tl. 0,15 m
Obr. 5 Vystrojení krátkých stěn tl. 0,15 m

Obr. 5 Vystrojení krátkých stěn tl. 0,15 m

Zkoušky prováděl Ing. Sochor ve spolupráci s pracovníkem ústavu Ing. Hlaváčem, Ph.D. Průměrné rozměry zdících prvků (cihel plných nepálených) byly 62,4×137,3×281,8 mm. Průměrná hmotnost cihly 4,89 kg, objemová hmotnost 2028 kg.m−3. Průměrná pevnost cihel v tlaku byla 6,50 N.mm−2, v tahu ohybem 2,49 N.mm−2. Hmotnostní vlhkost při zkoušce byla 4,0%.

Pevnost v tahu ohybem
Pevnost v tahu ohybem
Pevnost v tlaku
Pevnost v tlaku

Obr. 6 Měření pevnosti cihel

Pevnost malty byla zkoušena na trámečcích 40×40×160 mm. Průměrná pevnost malty v tlaku byla zjištěna 1,55 MPa, v tahu ohybem 0,43 MPa. Hmotnostní vlhkost při zkoušce byla 1,5%.

Zatěžovací zkoušky krátkých stěn po vycentrování probíhaly v zatěžovacích cyklech. V průběhu zatěžovacích zkoušek byly zaznamenávány deformace svislé i vodorovné, po skončení zkoušky bylo vždy zakresleno porušení stěny.

Obr. 7a Zdění krátkých stěn
Obr. 7b Vysychání po dobu 2 měsíců

Obr. 7 Zdění krátkých stěn, vysychání po dobu 2 měsíců
Tab. 4 Výsledky zatěžovacích zkoušek
Pilíř
č.
Šířka/Tl./Výška
[mm]
Vlhkost hm.
[%]
Obj. hmotn.
[kg.m3]
Pevnost v tlaku [MPa] Pevnost cihel pevnost stěny
Vznik trhlinMez pevnosti
1600/300/9504,819681,812,723,59
24,918772,122,933,07
34,818152,012,833,23
44,618061,822,743,57
54,819061,642,733,96
65,118872,132,803,05
7600/150/9504,020012,372,962,74
84,118302,203,022,95
93,718172,443,252,66
104,018302,662,922,44
113,518362,563,032,54
123,418252,603,222,50
Obr. 8 Poměrné přetvoření pilíře P3
Obr. 8 Poměrné přetvoření pilíře P3
 
Obr. 9 Porušení pilířů trhlinami v polovině šířky a tloušťky doprovázené dalšími poruchami
Obr. 9 Porušení pilířů trhlinami v polovině šířky a tloušťky doprovázené dalšími poruchami
Obr. 9 Porušení pilířů trhlinami v polovině šířky a tloušťky doprovázené dalšími poruchami

Obr. 9 Porušení pilířů trhlinami v polovině šířky a tloušťky doprovázené dalšími poruchami

5. Zkoušky pevnosti hliněných cihel v závislosti na vlhkosti (projekt OP RLZ 2008)

Hmotnostní vlhkost krátkých stěn byla stanovena na vzorcích odebraných z měření zkušebních těles, ihned po jejich zkoušce pevnosti v tlaku. Vlhkost se stanovila dle ČSN EN 772-1 [2], jako procentuální podíl hmotnosti vody obsažené ve vlhkém vzorku ku hmotnosti téhož vzorku ve vysušeném stavu. Hodnoty hmotnostní vlhkosti jsou dle normy ČSN P 73 0610 [3] zatříděny do tabulky dle několika stupňů vlhkosti.

Stupeň vlhkostivelmi nízkánízkázvýšenávysokávelmi vysoká
Vlhkost w [%] hmotnostiw < 33 ≤ w < 55 ≤ w < 7,57,5 ≤ w ≤ 10w > 10
Závislost vlhkosti na pevnosti v tlaku a v tahu za ohybu

Zkoušky pevnosti v tlaku a v tahu za ohybu byly prováděny na třech vzorcích z každé vlhkosti. Rozdělení se provedlo tak, aby se měřily pevnosti v jednotlivých stupních vlhkosti od 0% vlhkosti až po výrobní 21% vlhkost, i když hliněné cihly s vysokou vlhkostí přes 10 % nespadají do stavebních látek. Vysušovalo se přirozeným odpařováním vody stejně jak procházejí hliněné cihly při výrobě v cihelně. Po stanovení stupně vlhkosti váhový úbytkem bylo k rovnoměrné distribuci po celém vzorku použito neprodyšného zabalení do polypropylenové folie po dobu 7 dnů. Před a po stanovení pevnosti v tlaku a pevnosti v tahu za ohybu byly vzorky zváženy s přesností vážení 1,0 g, a po měření byla stanovena vlhkost zaokrouhlením na celé %.

Tab. 5 Pevnosti cihel plných nepálených v závislosti na vlhkosti
Hmotnostní vlhkost [%]048121621
Pevnost v tahu ohybem [MPa]4,4402,4951,6270,6630,3580,066
Pevnost v tlaku [MPa]8,7896,6502,2700,9270,2100,059
Obr. 10 Porovnání závislosti pevnosti v tlaku a pevnosti v tlaku ohybem na vlhkosti
Obr. 10 Porovnání závislosti pevnosti v tlaku a pevnosti v tlaku ohybem na vlhkosti
 

Poznámka: Zkoušky krátkých stěn a vlhkosti byly financovány JMK v rámci projektu OP RLZ Hlína dnes (žadatel projektu SHS, partner projektu VUT), reg. č. CZ.04.1.03 /3.3.11/3131

Seznam literatury

  1. Zákon č. 39 ze dne 16. června 1914
  2. ČSN EN 772-1. Zkušební metody pro zdicí prvky – Část 1: Stanovení pevnosti v tlaku.
  3. ČSN P 73 0610. Hydroizolace staveb – Sanace vlhkého zdiva – Základní ustanovení.
 
Komentář recenzenta
doc. Ing. Jaroslav Solař, Ph.D., VŠB TU Ostrava
Jedná se o velmi zajímavý příspěvek, jehož výsledky mohou být přínosné pro odborníky zabývající se problematikou hliněných staveb, přírodních stavebních materiálů, lidových staveb (problematika existujících staveb postavených před několika desetiletími), statickým působením zděných konstrukcí. Velmi zajímavá jsou zjištění týkající se poměrně vysokých pevností u cihel z nepálené hlíny v tlaku. Tuto skutečnost prakticky potvrzuje existence staveb s nosnými stěnami z nepálených cihel (tzv. vepřovic). Přínosné je také zjištění vlivu hmotnostní vlhkosti cihel na jejich pevnost v tlaku a v tahu za ohybu. Příspěvek jednoznačně doporučuji k publikování.
English Synopsis
Load Bearing Capacity of Pillars and Walls, Impact of Humidity on Brick Strength, Experimental Investigation

The trend of the earth building material use is not only for plaster but also for the construction of buildings, as well as repairs of clay buildings, which also require the need to determine the load-bearing capacity of whole walls, not just bricks. The loadability of the walls and the influence of moisture on brick strength have been subjected to experimental investigation of SHS o.s. within the framework of the OP HRD project, the load-bearing capacity of the pillars was examined by FA and FAST staff within the BUT grants.

 

Hodnotit:  

Datum: 3.9.2018
Autor: doc. Ing. Ivana Žabičková, CSc., VUT FAST Brno   všechny články autora
Recenzent: doc. Ing. Jaroslav Solař, Ph.D., VŠB TU Ostrava



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)