Diagnostika historických zděných konstrukcí

1. Úvod

Diagnostika cihelného zdiva zabudovaného v konstrukci není úplně jednoduchá. Je to dáno jednak značnou různorodostí zděných konstrukcí, u masivních konstrukcí heterogenitou zdiva (různé vlastnosti i skladba na povrchu a uvnitř) a v neposlední řadě dostupnými diagnostickými metodami. Cihelné zdivo totiž, na rozdíl např. od betonových konstrukcí, není ve středu zájmu firem vyvíjejících diagnostické přístroje, takže využíváme spíše tradiční metody.

Z hlediska spolehlivosti a únosnosti se obvykle zaměřujeme na zjištění pevnosti v tlaku, vazbu, poruchy (trhliny, vrásnění) a zásahy provedené v minulosti, z hlediska funkční způsobilosti jsou důležitými vlastnostmi degradace, vlhkost a salinita zdiva.

Cihelné zdivo je stavební hmotou výrazně kompozitní povahy, což s sebou přináší určitá pozitiva i negativa. Z výše uvedené historie cihelného zdiva vyplývá, že se můžeme setkat se zděnými konstrukcemi různého stáří, které většinou výrazně přesahuje běžně plánovanou dobu životnosti ostatních konstrukcí.

Mezi nejvýznamnější problémy zděných konstrukcí podle [1] patří:

• Nedostatečná prostorová tuhost zdiva; zajištění zdiva ve vodorovném směru buď žádné, anebo pouze pomocí železných kovaných táhel, někdy s diskutabilní funkčností.
• Stavební zásahy v minulosti; kdy při přestavbách docházelo k zeslabení průřezů či odstraňování částí nosného zdiva.
• Složení zdiva; zvláště u masivních konstrukcí může být dokonalá vazba pouze v povrchové vrstvě a uvnitř se skrývá směs kamene prolitá maltou, případně velké dutiny až kaverny.
• Neprovázanost zdiva; po odstranění omítky se může stát, že vizuálně kompaktní zdivo se skládá z více navzájem neprovázaných vrstev.
• Změny v užívání a změny zatížení konstrukce; jedná se o přitížení zdiva při nadstavbách a vestavbách, při změně účelu užívání stavby.
• Trvanlivost zdiva; jedná se jak o vliv střídavého zmrazování a rozmrazování, tak i o negativní vliv solí kyselin, které rozrušují zdivo krystalizačními tlaky.
• Vlhkost zdiva; kromě zhoršení provozně funkčních vlastností konstrukce má vliv rovněž na snížení únosnosti a urychlení degradačních procesů.
• Poruchy, zejména trhliny.

Ke stanovení pevnosti v tlaku cihelného zdiva je možné přistoupit dvěma různými způsoby:

• zkoušet zdivo jako celek, tedy kompozit složený ze zdicích prvků a malty,
• vyzkoušet zvlášť zdicí prvky a maltu, provést výpočet pevnosti a následně zhodnotit kvalitu vazby, míru vyplnění spár maltou, zvýšenou vlhkost a přítomnost trhlin.

Hodnocení zdiva jako celku v praxi naráží na řadu problémů – nejsme schopni stanovit zatěžovací schéma ani kritéria pro vyhodnocení zkoušek. Používané metody plochých lisů či zkoušení vyřezaných pilířů jsou příliš pracné a neprůkazné. Z toho důvodu se používá spíše postup, kdy zvlášť určíme pevnost v tlaku zdicích prvků f_b a malty f_m , vypočteme charakteristickou pevnost v tlaku zdiva f_k. V dalším kroku provedeme výpočet návrhové pevnosti v tlaku zdiva f_d se zohledněním faktorů, které snižují pevnost zdiva. [2]

2. Stanovení pevnosti v tlaku zdicích prvků

Pevnost v tlaku zdicích prvků je možné stanovit podle [2] několika způsoby:

Přímo zkouškami na tělesech odebraných z konstrukce:

• Zkouškou pevnosti v tlaku celých zdicích prvků. Nutné odebrat dostatečný (značný) počet zdicích prvků z různých částí konstrukce – prakticky těžko proveditelné.
• Zkouškou na reprezentativních částech zdicích prvků. Vhodné např. u plných cihel – tělesa lze vyrobit řezáním z částí cihel získaných odseknutím nebo jádrovým vrtáním.

Nepřímo pomocí NDT zkoušek přímo na zabudovaných prvcích v konstrukci:

• Tvrdoměrnými zkouškami, např. pomocí tvrdoměru Schmidt LB. Obecné či směrné regresní vztahy je většinou nutné upřesnit na celých zdicích prvcích nebo reprezentativních částech z vývrtů (stačí menší počet těles).
• Jinou vhodnou metodou (musí mít vztah k pevnosti zdicích prvků), např. „Kučerovou vrtačkou“ KV-3, případně tvrdoměrem Silver Schmidt N (pro cihly lepší kvality).

Odběr celých zdicích prvků je značně problematický. Proto se využívá zejména nedestruktivní metoda tvrdoměru Schmidt LB s upřesněním na několika celých prvcích nebo tělesech z jádrových vývrtů. [2]

Kromě upřesnění nedestruktivních zkoušek mají jádrové vývrty značný význam pro ověření skladby masivních zdí v celé jejich tloušťce (obr. 1).

Obr. 1: Jádrový vývrt do masivní hradby hradu Špilberku. Za první povrchovou cihlou se nachází rozrušené smíšené zdivo s převahou kamene a strávenou vápennou maltou.

Pevnost v tlaku na vzorcích odebraných z konstrukce

Pevnost v tlaku zdicích prvků se určuje podle ČSN EN 772-1+A1 [3] jako průměrná pevnost v tlaku stanoveného počtu vzorků celých zdicích prvků (obr. 2). Minimální počet vzorků je šest, ale tento počet je v případě diagnostiky zděných konstrukcí třeba upravit dle velikosti konstrukce. Norma připouští rovněž zkoušet reprezentativní části zdicích prvků, např. vyrobených z jádrových vývrtů (obr. 2). Tato reprezentativní tělesa (např. krychle) se mají vyřezat z různých míst prvku (myšleno na okraji, uvnitř). V tom případě se počet zkušebních těles logicky zvyšuje.

a

b

Obr. 2: Vzorky cihel odebrané z konstrukce. Vlevo (a) celý zdící prvek, vpravo (b) reprezentativní části tvaru krychle vyřezané z jádrového vývrtu o průměru Ø 75 mm.

Pevností v tlaku zdicích prvků, uvažovanou při návrhu, je normalizovaná pevnost v tlaku f_b. Normalizovaná pevnost v tlaku zdicích prvků se získá z pevnosti zjištěné ve stavu přirozené vlhkosti (6 ±2 %), a vynásobí se součinitelem vlivu výšky a šířky zdicích prvků δ^NP2.

Pevnost v tlaku zjištěná nedestruktivně – Schmidt LB

Obr. 3: Tvrdoměr Schmidt LB pro zkoušení zdicích prvků

Tvrdoměrné metody zkoušení cihel jsou modifikací metod používaných pro beton, podle ČSN 73 1373 [4] a ČSN 73 2011 [5]. Z odrazových tvrdoměrů byl pro účely zkoušení cihelných zdicích prvků vyvinut typ Schmidt LB (obr. 3). Zásadním rozdílem proti tvrdoměru Schmidt L na beton je pouze výrazně menší poloměr kulové plochy razníku – razník je zakulacený.

Pro cihly bylo vytvořeno několik různých regresních vztahů na různých pracovištích, např. regresní vztah pro staré cihly v širším okolí Brna (Ústav SZK, VUT FAST v Brně): [2]

kde je

R

hodnota odrazu z tvrdoměru Schmidt LB

Poznámka: Obecný regresní vztah mezi tvrdostí a pevností v tlaku je nutné vždy upřesnit pomocí součinitele upřesnění α. K upřesnění vztahu nám slouží celé zdicí prvky vyjmuté z konstrukce nebo reprezentativní části zdicích prvků.

Pevnost v tlaku zjištěná nedestruktivně – jiné možnosti

Výroba tvrdoměru Schmidt LB však byla bohužel ukončena a nedestruktivní stanovení pevnosti v tlaku zdicích prvků se stává velmi náročnou disciplínou.

Hlavním cílem tohoto výzkumu je ověřit použitelnost vybraných NDT metod pro stanovení pevnosti v tlaku cihel plných pálených zabudovaných v konstrukci. Použité metody jsou Silver Schmidt (obr. 4), a to konkrétně typy N (Normal), L (Light) a L s hřibovým nástavcem, který je primárně určen pro stanovení odbedňovacích pevností betonových konstrukcí. Další použitelnou metodou se jeví upravená vrtačka s označením KV-3 (obr. 4), vyvinutá společností KIKTEC ve spolupráci s TZÚS Praha. Princip této metody je založen na závislosti mezi pevností v tlaku a odporu materiálu proti vnikání vrtáku za daného přítlaku, počtu otáček a průměru vrtáku. Hlavní výhodou této metody je, že jsme tímto přístrojem schopni stanovit rovněž pevnost malty v tlaku. Další její výhodou je fakt, že povrch zkušebních vzorků není potřeba upravovat obroušením. To je významné právě u památkových objektů. Minimalizuje se totiž nutnost odstranění omítky zdiva. [6]

a

b

Obr. 4: Testování zkušebních vzorků NDT metodami, a – pomocí tvrdoměru Silver Schmidt, b – pomocí vrtačky KV-3

Pro nalezení regresních křivek mezi veličinami stanovenými NDT metodami bylo potřeba pevnost vzorků stanovit také destruktivně. Pevnosti z destruktivního měření byly získány jako poměr maximálně dosažené síly k zatěžovací ploše. Takto získané pevnosti bylo nutné upravit součinitelem δ^NP2, který zahrnuje vliv rozměrů zkušebních těles změřených po úpravě povrchu.

Zkušební soubor tvořilo celkem 180 zkušebních těles. Rozsah pevností od 6,5 do 42,7 MPa svědčí o dobře zvoleném zkušebním souboru. Je v něm totiž zastoupená celá škála pevností.

Nejvhodnější regresní křivka pro stanovení pevnosti v tlaku zdicích prvků f_b,u z koeficientu vrácené energie Q stanovené tvrdoměrem Silver Schmidt N byla stanovena jako polynom 2. stupně: [6]

kde je

Q

koeficient vrácené energie stanovený pomocí tvrdoměru Silver Schmidt N.

Nejvhodnější regresní křivka pro stanovení pevnosti v tlaku zdicích prvků f_b,u z hloubky závrtu vytvořené pomocí vrtačky KV-3 byla stanovená jako mocnina funkce 1. stupně: [6]

kde je

d_m

průměrná hloubka vrtu zhotoveného vrtačkou KV-3.

Metody tvrdoměru Silver Schmidt N i upravené vrtačky KV-3 se tedy jeví jako využitelné v praxi diagnostických průzkumů cihelného zdiva. Pro vytvoření obecných regresních vztahů bude však zapotřebí zkušební soubor rozšířit a zahrnout spolehlivost tak, aby vztahy měly 90% bezpečnost.

3. Stanovení pevnosti v tlaku malty

Obr. 5: Upravená vrtačka KV-3 pro zkoušení pevnosti malty ve spárách zdiva

Pevnost malty lze stanovit různými způsoby – nedestruktivními metodami, jako jsou tvrdoměrné zkoušky, dále odběrem zkušebních vzorků nebo také chemickým rozborem. Podle ČSN EN 1015-11 [7] lze také pevnost malty stanovit na zkušebních trámcích o rozměrech 160 × 40 × 40 mm, případně na tělesech vyrobených z odebraných vzorků malty. Pevnost malty v tlaku na stávajících konstrukcích se však v praxi určuje zpravidla upravenou vrtačkou, mezi odbornou veřejností nazývanou „Kučerova vrtačka“. Původně se jednalo o upravenou ruční vrtačku. Následně byla vyvinuta elektrická „Kučerova vrtačka“ s označením PZZ 01, ta se však v praxi příliš neujala. Nejnovějším typem „Kučerovy vrtačky“ je typ KV-3 (obr. 5), s jejíž pomocí je možné stanovit pevnost v tlaku jak malty, tak i zdicích prvků.

4. Stanovení pevnosti zdiva v tlaku

Z pevnosti v tlaku zdicích prvků a pevnosti v tlaku malty se vypočte charakteristická pevnost zdiva v tlaku f_k se dle ČSN 73 0038. [1]

Při hodnocení zdiva je však zapotřebí zohlednit další vlastnosti mající vliv na únosnost celé konstrukce. Mezi ně patří zejména:

• pravidelnost vazby zdiva;
• vyplnění spár maltou;
• zvýšená vlhkost zdiva;
• svislé a šikmé trhliny ve zdivu.

Na základě těchto vlastností se vypočte návrhová pevnost zdiva v tlaku f_d. Výpočty a hodnoty koeficientů jsou uvedeny v ČSN 73 0038. [1]

5. Stanovení vlhkosti a salinity zdiva

Průzkum vlhkosti zdiva

Průzkum vlhkosti se může provádět destruktivním nebo nedestruktivním způsobem. Při destruktivním způsobu se odebírají vzorky zdiva pomocí elektrického vrtacího kladiva a sekáče. Zásady lze shrnout následovně:

• Vzorky se odebírají v různých místech, v různých výškách a hloubkách, ze strany vnějšího i vnitřního líce zdiva, nadzemního i podzemního;
• Hloubka odběru má být 100 mm až 150 mm pod povrchem zdiva;
• Odebírají se různé materiály (cihla, malta, kámen, případně jiné). [9]

Vlhkost v odebraných vzorcích se zjišťuje v laboratoři gravimetricky (hmotnostní metodou). Dostatečně přesná je i metoda karbidová, která umožňuje stanovit vlhkost na vzorcích přímo na stavbě.

Nedestruktivní průzkum vlhkosti zdiva, ale zejména omítek a potěrů, se provádí s využitím elektrických měřicích přístrojů. Přednostně se mají používat přístroje založené na principu měření elektrické kapacity, neboť jimi zjištěné výsledky nejsou ovlivňovány vodivými elektrolyty ve zdivu. [9] Dosah běžně dostupných komerčních přístrojů je však poměrně malý, cca 2–4 cm. Pro stanovení vlhkosti ve větší hloubce zdiva jsou vhodnější mikrovlnné přístroje, jež měří útlum elektromagnetických vln. [10].

Při použití všech nedestruktivních metod je třeba výsledky porovnávat s obsahy vlhkosti zjištěnými hmotnostní analýzou v odebraných vzorcích. Hlavní výhodou nedestruktivního měření je velmi rychlé plošné stanovení vlhkostní mapy (obr. 6).

Obr. 6: Vlhkostní mapa vytvořená z měření kapacitním vlhkoměrem KAKASO v uzlových bodech á 25 cm. Vlhkost upřesněna na základě vlhkosti odebraného vzorku zdiva.

V návrhu normy ČSN P 73 0610 z r. 2000 [9] je uvedena klasifikace vlhkosti zdiva, vyvolaná účinky zemní vlhkosti, srážkové vody a kondenzující vlhkosti. Tato klasifikace, uvedená v tab. 1, se má vztahovat na konstrukce staveb určených pro pobyt osob, vyzděných z cihel pálených, vápenopískových nebo z kamenů, u nichž se předpokládá nasákavost vyšší než 10 % hmotnostních. Zmíněné hodnocení je poněkud zavádějící, odpovídá materiálům s nasákavostí cca 20 % (např. klasickým páleným cihlám nebo vápenné maltě). Dle německé odborné literatury např. [11] je však třeba porovnávat vlhkost materiálů s jejich celkovou nasákavostí a zohlednit i výskyt hygroskopických solí a kondenzační vlhkosti.

Průzkum salinity zdiva

Průzkum salinity je podle [9] zaměřen na druhy a obsah solí tvořících výkvěty – především chloridy, sírany a dusičnany. Odběr vzorků pro laboratorní analýzy se provádí destruktivně:

• vzorky se odebírají ze zdicích prvků a malty, z různých míst a hloubek pod povrchem;
• přednostně se odebírají vzorky zdicí malty z ložných spár a z hloubky do 20 mm pod lícem zdiva;
• vzorky se obvykle odebírají ve svislém profilu nad sebou;
• počet vzorků bývá nižší než u vlhkosti, nejméně by se měly odebrat 2 vzorky nad sebou.

Pro objektivní analýzu se používají metody hmotnostní, titrační, iontová chromatografie a spektrometrie. Kritéria pro hodnocení salinity jsou uvedena rovněž v ČSN P 73 010 [9], případně ve směrnici WTA 4-5-99 [11].

6. Literatura

1. ČSN 73 0038 Hodnocení a ověřování konstrukcí – doplňující ustanovení. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2019.
2. CIKRLE, P., a kol. NDT Zkoušení ve stavebnictví. Příručka kurzu CŽV. Brno: Ústav stavebního zkušebnictví, VUT v Brně FAST, 2010. s. 1–133. ISBN: 978-80-214-4198- 9.
3. ČSN EN 772-1+A1 (722635) Zkušební metody pro zdicí prvky. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2016.
4. ČSN 73 1373 (731373) Nedestruktivní zkoušení betonu – Tvrdoměrné metody zkoušení betonu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
5. ČSN 73 2011 (732011) Nedestruktivní zkoušení betonových konstrukcí. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2012.
6. Bartoň, V., Cikrle, P., & Šnédar, J. (2024). The Determination of Compressive Strength of Masonry Elements of Monuments by the NDT Methods. In Y. Endo & T. Hanazato (Eds.), Structural Analysis of Historical Constructions (SAHC 2023). Springer Nature Switzerland.
7. ČSN EN 1015-11 Zkušební metody malt pro zdivo – Část 11: Stanovení pevnosti zatvrdlých malt v tahu za ohybu a v tlaku. Praha: ÚNMZ, 2020.
8. KV-3 Přístroj pro zjišťování pevnosti zdicích prvků a malty (Kučerova vrtačka): Návod k použití. Praha, Technický a zkušební ústav Praha, s. p., 2020.
9. ČSN P 73 0610 (730610) A Hydroizolace staveb – Sanace vlhkého zdiva – Základní ustanovení. Praha: Český normalizační institut, 2000.
10. Bayer, K., Köhler, W., Schuh, H., Wendler, E. Nedestruktivní měření vlhkosti zdiva – porovnání různých metod v praxi. In Sanace budov proti nadměrné vlhkosti. Průzkumy, způsoby sanace, praktická opatření. Zpravodaj STOP, sv. 19, 1/2017, s. 20–27. Praha: Společnost pro technologie ochrany památek, z. s., 07/2017.
11. Ettel, W.-P., Diecke, W., Wolf, H.-D. Bautenschutztaschenbuch: Schutz der Bauwerke vor Wässern und aggressiven Medien. Berlin, München: Verlag für Bauwesen, 1992. ISBN 10: 3-345-00418-6.

Poděkování

Tento výsledek byl realizován za finanční podpory projektu FAST-J-23-8316 Stanovení vybraných vlastností zdících prvků pro rekonstrukce památek.