Analýza príčin presakujúcich trhlín v základovej doske

1. Úvod

Vyšetrovaný bytový a nákupný komplex pozostáva z nadzemnej päťposchodovej budovy a trojposchodovou podzemnou parkovacou garážou. Vodonepriepustnosť podzemných podlaží zabezpečujú železobetónová podzemná stena a základová doska, často označované ako „biela vaňa“ (obr. 1).

Obr. 1 Biela vaňa s horizontálnym rozperným rámom

Monolitická základová doska má pôdorysné rozmery približne 390 m × 105 m a hrúbku od 1,0 m do 1,5 m. Spodná plocha základovej dosky siaha do hĺbky od približne 14,3 m do 14,8 m pod úrovňou terénu a od 9,0 m do 9,5 m pod hladinou podzemnej vody. Pomer hladiny podzemnej vody k hrúbke podložia je menší ako 10, t. j. hraničná hodnota w_max pre vypočítanú šírku trhliny w_k je 0,2 mm [1], [2].

Celá základová doska je rozdelená do piatich sekcií; najväčšia sekcia č. 2 meria približne 102 m × 98 m. Spodná plocha základovej dosky je relatívne členitá šachtami a podzemnými stenami pod stĺpmi suterénu. Aby sa zmenšili účinky zmien objemu, základová doska bola rozdelená na 40 betónových sekcií s priemernou pôdorysnou plochou približne 100 m². Projekt vyžadoval aspoň sedem dní medzi betonážou susedných sekcií. V tomto relatívne krátkom čase bolo zmrašťovanie od vysychania betónu malé. Preto pri posudzovaní rizika vzniku trhlín v ranom veku nebolo zmrašťovanie pri vysychaní zohľadnené [3].

2. Presakujúce trhliny v základovej doske

Vo všeobecnosti sú široké trhliny v betóne nežiadúce, najmä v prvkoch pod úrovňou podzemnej vody. Poloha a orientácia presakujúcich trhlín v konečnej fáze v základovej doske sú znázornené na obr. 2.

Obr. 2 Rozdelenie presakujúcich trhlín v základovej doske

Z obr. 2 je zrejmé, že okrem iných dôvodov má atmosférická teplota počas betonáže významný vplyv na množstvo presakujúcich trhlín: v úsekoch betónovaných v chladnejších mesiacoch (úseky 1 a 2) sa vyskytlo neúmerne menej trhlín, ako v lete (úseky 3, 4 a 5). Celková dĺžka trhlín umožňujúcich presakovanie podzemnej vody cez základovú dosku do suterénu bola 2 681,6 m.

Podzemná voda presakovala cez trhliny aj niekoľko mesiacov po odstavení čerpacích studní. To znamená, že tieto trhliny majú väčšiu šírku, ako je šírka trhlín pre samoutesnenie. Na zmenšenie počtu presakujúcich trhlín sa mali urobiť konštrukčné, technologické a vykonávacie opatrenia, aby sa zabránilo tvorbe deliacich trhlín v základovej doske.

2.1 Konštrukčné opatrenia

Na spodnej ploche základovej dosky je dôležité vyhnúť sa náhlym výškovým zmenám, nakoľko môžu spôsobiť koncentráciu ťahových napätí, a tým zvýšiť možnosť vzniku trhlín. Ak toto kritérium nie je možné splniť, mali by sa uplatňovať tieto pravidlá:

• akákoľvek zmena hrúbky spodnej plochy základovej dosky by mala mať sklon ≤ 30°,
• v týchto miestach by sa malo umiestniť viac výstuže, aby sa obmedzila šírka lokálnych trhlín.

2.2 Technologické opatrenia

Počas tuhnutia a tvrdnutia sa betón zahrieva hydratáciou cementu. Zvýšenie teploty betónu závisí od množstva cementu C, hydratačného tepla cementu H_w a špecifickej tepelnej kapacity betónu c_c (c_c ≤ 2,5 J/mm³·K). Teoretický nárast teploty betónu možno vypočítať z rovnice:

Odporúčané technologické opatrenia možno zhrnúť:

• maximálna trieda pevnosti betónu C25/30 (po 56 alebo 90 dňoch),
• obsah cementu: c ≤ 320 kg/m³,
• cement s nízkou teplotou: ≤ 270 J/g po 7 dňoch podľa EN 197-1 [5],
• teplota čerstvého betónu: ≤ 15 °C,
• pomer voda/cement: w/c ≤ 0,6, atď.

2.3 Vykonávacie opatrenia

Vykonávacie opatrenia na zmenšenie ťahových napätí sú jednou z ekonomických metód na zmiernenie rizika vzniku tepelných trhlín v ranom veku. Medzi tieto možnosti patrí plánovanie: objemu ukladaného betónu, postupu výstavby, rozmiestnenia pracovných škár, tepelnoizolačné opatrenia (napr. chladenie betónu počas jeho transportu) a 7 dňové ošetrovanie po jeho uložení.

2.4 Výstuž na kontrolu trhlín

Vo vodonepriepustných betónových konštrukciách sa očakáva, že navrhnutá plocha výstuže A_s,prov by mala byť výrazne väčšia ako A_s,min. Z hľadiska používateľnosti vodonepriepustných betónových konštrukcií sa vyžadujú menšie šírky trhlín, napr. 0,2 mm [6], [7].

Pre diskutovanú základovú dosku bola navrhnutá a použitá oceľová výstuž s priemerom Ø16 mm a rozstupom 140 mm (A_s = 28,7 cm² pre oba povrchy) určená podľa rakúskej smernice [8]. Ako je vyššie uvedené, niekoľko konštrukčných a technologických opatrení nespĺňalo požiadavky uvedenej smernice (trieda pevnosti betónu, cement bez C₃A a pod.). Porovnanie požadovanej plochy ocele A_s,prov na kontrolovanie šírky trhlín a rôzne pevnosti v betónu tlaku podľa troch noriem je znázornené na obr. 3. Výpočty boli urobené pre trhliny päť dní po uložení betónu, medzná šírka trhlín 0,2 mm, priemer výstuže 25 mm a hrúbka základovej dosky 1,0 m.

Obr. 3. Potrebná plocha výstuže pre rôzne triedy betónu a vybrané normy

Výstuž má byť umiestnená čo najbližšie k povrchu, ale nie menej ako sú minimálne požiadavky na krytie výstuže. Zistilo sa, že namiesto navrhovanej krycej vrstvy 35 mm bolo krytie výrazne väčšie (55 až 70 mm). Zvýšená hrúbka betónovej krycej vrstvy spôsobuje širšie trhliny.

3. Zhrnutie a závery

Na základe veľkého množstva presakujúcich trhlín, výsledkov skúmania technickej dokumentácie a skúseností možno vyvodiť tieto závery:

1. Zmeny teploty v masívnych základových doskách sú hlavnou príčinou vzniku trhlín v ranom veku. Pri posudzovaní rizika vzniku trhlín v ranom veku je možné neuvažovať vysychanie a autogénne zmrašťovanie betónu.
2. Namiesto použitia veľkého množstva výstuže sa odporúča znížiť pevnosť a hydratačné teplo prehodnotením zloženia a ošetrovania masívneho betónu.
3. Zmenšenie teploty čerstvého betónu počas jeho ukladania je tiež účinný spôsob na zmenšenie napätia v ťahu a tým k vzniku trhlín.
4. Pri použití betónu s vyššou pevnosťou je potrebné zvýšiť množstvo výstuže, ktoré je potrebné na zmenšenie šírky trhlín.
5. Presakovanie podzemnej vody cez deliace trhliny v základovej doske bolo úspešne utesnené injektovaním polyuretánovou živicou.

Poďakovanie

Táto práca vznikla s podporou výskumného projektu VEGA č. VEGA 1/0358/23 „Navrhovanie a zosilňovanie betónových konštrukcií s ohľadom na životné prostredie“.

Literatúra

1. German Committee for Structural Concrete). (2003). Richtlinie Wasserunduchlässige Bauwerke aus Beton (WU-Richtlinie), Berlin.
2. CEN. (2006). Design of Concrete Structures – Part 3: Liquid Retaining and Containment Structures. EN 1992-3, Brussels.
3. Bamforth, P. B. (2007). Early-age thermal crack control in concrete. CIRIA C660, London.
4. Lohmeyer, G., and Ebeling, K. (2009). Weisse Wannen einfach und sicher. Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf, Germany.
5. CEN. (2012). Cement – Part 1: Composition, specification and conformity criteria for common cements. EN 197-1, Brussels.
6. Edvardsen, C. (1999). “Water permeability and autogenous healing of cracks in concrete”. ACI Mat. Journal, 96(4), pp. 448-454.
7. ACI 2004. ACI (American Concrete Institute). (2004). “Cracking of Concrete Members in Direct Tension”. ACI 224.2R-92, Farmington Hills, MI.
8. ASCT. (2002). Richtlinie: Wasserundurchlässige Betonbauwerke – Weiße Wannen, Vienna.