Zatěžovací zkoušky přesného zdiva Liapor

Novodobé přesné (kalibrované) zdicí prvky z jakéhokoliv materiálu, tedy i z lehkého betonu, zděné na maltu pro tenké spáry, nejsou v dosud platné ČSN 731101 vůbec zahrnuty, byť se i jejich statické parametry objevují v technických podkladech některých výrobců.
V evropských normách je již zdivo z přesných zdicích prvků zavedeno. Hodnoty statických charakteristik pro přesné zdivo ze všech materiálových variant zdicích prvků na maltu pro tenké spáry v nich existují v plném rozsahu [2, 3].
Příspěvek popisuje metodiku a hodnocení zatěžovacích zkoušek přesného zdiva Liapor na maltu pro tenké spáry (dále TVM), které slouží jako podklad pro stanovení hodnot návrhových charakteristik zdiva podle soustavy českých i evropských norem.

Metodika zkoušení - pevnost v tlaku zdiva z přesných tvárnic Liapor M, zděných na TVM podle ČSN EN/ČSN
Podle v současné době již zavedené definitivní evropské normy ČSN EN 1996-1-1 [2] se charakteristická hodnota pevnosti zdiva v tlaku fk stanoví obecně, buď z výsledků zkoušek podle EN 1052-1 [6], nebo je s využitím předchozích výsledků zkoušek vyjádřená podle obecného vztahu:

fk = K . fbα . fmβ [N/mm2] (1)

kde: fb je normalizovaná průměrná pevnost v tlaku zdicích prvků ve směru tlaku působícího na konstrukci v N/mm2;
fm je pevnost malty pro zdění v tlaku v N/mm2;
K je konstanta, která se upraví podle [2];
α; β jsou konstanty.

Přičemž omezení pro použití vztahu (1) musí být uvedena ve vztahu k hodnotám fb a fm; ke skupinám zdicích prvků podle [6] a k variačnímu koeficientu souboru výsledků zkoušek (vždy ≤ 25 %).
Pro jednovrstvé zdivo s přesnými zdicími prvky z lehkého betonu (skupina 1) na maltu pro tenké spáry zcela vyplněné maltou a uspořádané podle ustanovení [6] platí navíc tato upřesnění a omezení - tloušťka ložných spár je 0,50 až 3,0 mm a variační součinitel zdicích prvků je < 25 %.

• α = 0,85
• β = 0
• fb ≤ 50 N/mm2
• fm ≤ 10 N/mm2

Vzorec (1) je tak transponován do podoby:

fk = K . fb0,85 [N/mm2] (2)

Normalizovaná pevnost v tlaku fb zdicích prvků, uvažovaná při navrhování podle [2], je průměrnou pevností v tlaku (zkoušené série tvárnic) určenou zkouškami podle ČSN EN 772-1 [5], dále násobenou součinitelem δ vlivu rozměrů zdicího prvku podle přílohy A normy ČSN EN 772-1[5]. V případě tvárnic Liapor byly pro hodnocení zdiva použity jako vstupní data následující parametry a hodnoty: skupina δ = 1,15.
Metodika použitá v soustavě evropských norem umožňuje obecně, ve všech případech a pro jakoukoliv kombinaci pevnosti zdicích prvků a malty, stanovit charakteristickou pevnost zdiva. Při vyhodnocení lze pak provést snadnou grafickou kontrolu pomocí funkčního grafu, resp. dopočítat (přepočítat) charakteristiky podle výsledků zkoušek na charakteristiky tabulkové, tj. charakteristiky pro třídy pevnosti zdicích prvků a malty. Úplnou soustavu návrhových hodnot pak lze obdržet s použitím soustavy diferencovaných dílčích součinitelů spolehlivosti zdiva γM v závislosti na kategorii výroby prvků a kategorizaci provádění zdiva podle NA.2.1. normy [2].
Česká norma pro navrhování zděných konstrukcí ČSN 731101 [1] udává pouze tabelární hodnoty pro ?starší? typy zdiva, postupně doplňované o hodnoty nových technologií, odvozených z nově prováděných experimentů. Pro případ přesného zdiva z lehkého betonu srovnatelné hodnoty v této normě (i mimo ni) dosud zcela absentovaly.
Pro odvození návrhových pevností fd,ČSN, ve smyslu [1] výpočtových pevností Rd = fd,ČSN, se použije, obdobně jako u stanovení přetvárných charakteristik E, α norem [1] a [8, 9] explicitně. Přitom se současně porovnávají celé bezpečnostní koncepty obou soustav norem (ČSN a ČSN EN) s cílem stanovení reálně spolehlivých hodnot tzv. globálních součinitelů spolehlivosti pro stanovení návrhových hodnot pevnosti v tlaku zkoušeného zdiva Liapor M na tenkovrstvou maltu. Statickým zkouškám bylo podrobeno šest nízkých zděných stěn pro stanovení pevnostních a přetvárných charakteristik zdiva z přesných tvárnic z liaporbetonu řady Liapor KM. Pracovalo se s tvárnicemi Liapor KM 247/240/248-12-1200, určenými pro zdivo tloušťky 240 mm.
Kritéria pro hodnocení posuzovaných vlastností přesných zdicích prvků jsou obecně uvedena v příslušných výrobkových specifikacích ČSN EN 771-3:2003/A1:2005 [4] a v návazném souboru zkušebních norem řady ČSN EN 772-XX, z nichž pro účely statických vyhodnocení pevnosti zdiva v tlaku je nejvýznamnější ČSN EN 772-1[5]. Při závěrečném vyhodnocování se pracovalo s reálnými hodnotami pevnosti zdicích prvků v době zkoušky, pro návrhový předpis vyhodnocené charakteristiky tedy leží na straně bezpečnosti.
Malty pro tenké spáry, respektive jejich pevnost v tlaku, není podle evropských norem součástí výpočtových vztahů pro stanovení pevnosti zdiva na TVM. České normy vůbec žádný vztah neuvádějí. Použitá malta byla přesto poměrně podrobně zkoušena, byla stanovena její objemová hmotnost, pevnost v tahu za ohybu a pevnost v tlaku. Nízké stěny byly zkoušeny ve stáří 28 dnů ± 1 den, pevnost malty byla stanovena rovněž v den zkoušky. Vyrovnanost zkoušených parametrů malty ukazovala na její dobrou kvalitu, jediné kritérium pro pevnost v tlaku v rozmezí od 5 do 10 MPa bylo splněno. Tloušťka při nanášení byla cca 3,0 mm, po vyzdění v průměru 2,0 mm, což leží v rozmezí 0,50 až 3,0 mm.
Nízké zděné stěny z tvárnic Liapor M vyzděné na tenkovrstvou maltu byly při zkouškách v TZUS Brno zatěžovány jednorázovým, rovnoměrně rozděleným a dostředně působícím zatížením v režimu podle ČSN EN 1052-1 [6] a podle ČSN 732061-1/2 v souladu s metodikou docenta Jaromíra K. Kloudy [7, 8, 9]. Pro oba případy zatěžování - monotónně stupňovitě vzrůstající zatížení podle [6] i pro zatěžování po stupních s odtížením vždy po dosažení dalšího zatěžovacího stupně na výchozí zatížení podle [7, 8, 9], byly zaznamenávány údaje svislých deformetrů. Byl pozorován a zaznamenáván vznik a rozvoj trhlin, úroveň posledního zatížení s měřenými hodnotami přetvoření před demontáží deformetrů, a konečně vyhodnocena skutečná rychlost zatěžování a charakter porušování každé zkoušené nízké zděné stěny.

¤ Obr. 1. Zdění zkušebních těles

¤ Obr. 2. Malta pro tenké spáry

Metodika zkoušení - přetvárné vlastnosti zdiva z přesných tvárnic Liapor M, zděných na TVM podle ČSN EN/ČSN
Významnou charakteristikou zdiva, vystihující jeho chování při působení zatížení, je tzv. pracovní diagram zdiva, popisující v grafické podobě závislost vzniklého napětí σy ve zdivu od působícího svislého zatížení na jeho svislém, příp. i vodorovném poměrném, přetvoření (εy, resp. εx). Charakter pracovního diagramu je různý pro jednotlivé materiály či jejich kombinace. Různý je i při odlišných způsobech, rychlosti či druzích zatěžování.
Pro postup vyhodnocení experimentálně zjištěných (měřených) hodnot souřadnic závislosti napětí v tlaku na poměrném přetvoření ve svislém směru jsou směrodatné kapitoly Moduly přetvárnosti a Pracovní diagram zdiva normy ČSN 731101 [1], určující závislost poměrného přetvoření zdiva ε (bez účinků dotvarování) na velikosti napětí σ vztahem pro součinitel přetvárnosti zdiva α = 1000. Po úpravě lze výraz napsat jako jednoparametrický:

ε = - (1,1/α) . ln [1 - (σ/1,1fms)] (3)

Obecně platí, že hodnota součinitele přetvárnosti α pro vyšetřovaný druh zdiva se určí z hodnot souřadnic [σ, ε] pracovního diagramu tak, aby křivka podle výše uvedeného vztahu pro ε co nejlépe vystihovala průběh diagramu napětí - poměrné přetvoření.
Dalším parametrem, popisujícím přetvárné vlastnosti zdiva, je jeho modul pružnosti, respektive modul přetvárnosti E. Metodiky pro jeho stanovení jsou podle ČSN a EN poněkud odlišné, co do způsobu zatěžování i úrovně zatížení při vyhodnocení, takže zjištěné hodnoty E podle obou norem nejsou zcela identické. Stejně tak jako součinitel přetvárnosti α podle ČSN a součinitel KE podle EN (má i jiný smysl).
Přetvárné chování každého měřeného vzorku bylo vždy hodnoceno komplexně již od samotného počátku, tj. co do rovnoměrnosti přetváření ve všech měřených místech, co do pravidelného a korektního zatěžování apod. V oblasti přetvárných vlastností zdiva je evropská normalizace poměrně skoupá. Vše, co je pro krátkodobé jednorázové tlakové zatížení udáno v ČSN EN 1996-1-1 [2] jako závazné, lze napsat takto: krátkodobý sečnový modul pružnosti E je nutné určit zkouškami podle EN 1052-1 [6], tj. pro tlak, který se rovná jedné třetině síly na mezi porušení zkušebního vzorku.
Vyhodnocení modulu pružnosti se podle EN 1052-1 [6] provádí pro hladinu zatížení 1/3, což je odlišné od vyhodnocení podle ČSN norem [8, 9], které se provádí pro hladinu zatížení 0,30, navíc při jiném způsobu zatěžování. U evropské zkoušky jde tedy o počáteční sečnový modul pružnosti, u české o počáteční modul přetvárnosti z celkových deformací ze zkoušky.

¤ Obr. 3. Osazení měřicích přístrojů

¤ Obr. 4. Porušení tlačené stěny

Metodika zkoušení - počáteční pevnost zdiva ve smyku z přesných tvárnic Liapor M, zděných na TVM podle ČSN EN 1052-3
Celoplošně aplikovaná malta pro tenké spáry vykázala při zkoušce zdiva vlastnosti charakterizované regresní rovnicí přímky:

y = 0,7625 . 0,4125

se spolehlivostí R2 = 0,8208.
Dosažené výsledky jsou o něco lepší než hodnoty povolované k užití normou ČSN EN 1996-1-1 (0,30 MPa pro počáteční pevnost ve smyku). Zkouška je dokumentována na obrázku 5.

¤ Obr. 5. Zkouška počáteční pevnosti ve smyku zdiva Liapor M na maltu pro tenké spáry

Vyhodnocení zkoušek a závěr
Na základě provedených a vyhodnocených zkoušek nízkých zděných stěn z přesných tvárnic Liapor M v tloušťce 240 mm na maltu pro tenké spáry byla stanovena základní soustava návrhových parametrů pro stanovení výpočtové pevnosti v tlaku podle ČSN 731101 (viz tabulku 1) a podle ČSN EN 1996-1-1 (viz tabulku 3).
Porovnáním s tabulkou 2E.3 změny 5 k ČSN 731101 [1] zpracované docentem Jaromírem K. Kloudou na základě rozsáhlého experimentálního ověření [11] je zřejmá pro Liapor M na obyčejnou maltu (v rozmezí pevnostních tříd M 2,5 až M 20, krajní hodnoty) statická výhodnost zdiva na maltu pro tenké spáry (viz tabulku 2).
Co se týká pevnosti v tlaku zdiva, lze konstatovat, že hodnoty vypočtené podle evropského předpisu pro zjednodušené výpočetní metody podle normy ČSN EN 1996-3 [3] se od hodnot stanovených podle podrobného předpisu [2] téměř neliší. Obojí proto byly použity pro porovnání s výsledky zkoušek a dalšími rozbory. Při aplikaci zjednodušených výpočtů lze použít zvýrazněných políček v tabulkách pro příslušné zdivo z přesných zdicích prvků z lehkého betonu, uvedených v Národní příloze normy [2].
Na základě provedených a vyhodnocených zkoušek nízkých zděných stěn z přesných tvárnic Liapor M v tloušťce 240 mm na maltu pro tenké spáry byly získány experimentální závislosti napětí a svislých poměrných přetvoření těchto nízkých stěn, mimo jiné byly stanoveny i hodnoty modulů pružnosti (přetvárnosti) a odvozeny hodnoty součinitele přetvárnosti zdiva α (viz tabulku 4).

	pro fb = fu; δ = 1,0	pro fb = δfu; δ = 1,15
pro fb = 9 N/mm2	Rd = 2,5 N/mm2	Rd = 2,8 N/mm2
pro fb = 12 N/mm2	Rd = 3,2 N/mm2	Rd = 3,6 N/mm2
pro fb = 16 N/mm2	Rd = 4,0 N/mm2	Rd = 4,6 N/mm2

Tab. 1. Výpočtové pevnosti zdiva Liapor M tloušťky 240 mm na TVM podle metodiky ČSN 73 1101 [1]

Liapor M/OB	M 20	M 2,5
pro fb = 9 N/mm2	Rd = 2,4 N/mm2	Rd = 1,5 N/mm2
pro fb = 12 N/mm2	Rd = 3,0 N/mm2	Rd = 1,8 N/mm2
pro fb = 16 N/mm2	Rd = 3,6 N/mm2	Rd = 2,2 N/mm2

Tab. 2. Výpočtové pevnosti zdiva Liapor M tloušťky 240 mm na maltu obyčejnou podle ČSN 73 1101 [1]

Liapor M/TVM	fk [N/mm2]	fd [N/mm2]
pro fb = 9 N/mm2	5,2	2,3
pro fb = 12 N/mm2	6,6	3,0
pro fb = 16 N/mm2	8,4	3,8

Tab. 3. Charakteristické a přepočtené výpočtové pevnosti zdiva Liapor M tloušťky 240 mm na TVM podle ČSN EN 1996-1-1

	α	αČSN
EM	1406	1337
CM	1358	1158
ECM	1382	1248

Tab. 4. Součinitelé přetvárnosti α Liapor M tloušťky 240 mm na TVM podle metodiky ČSN 73 1101 [1]

Poznámka:
α - součinitel přetvárnosti zdiva odvozený z obecné formulace podle ČSN 731101
αČSN - součinitel přetvárnosti zdiva odvozený ze zkušebních relací podle ČSN [1]
EM - označení série zkoušek podle ČSN EN 1996-1-1 [2]
CM - označení série zkoušek podle dosavadní ČSN 73 1101 [1]
ECM - označení zdvojené série zkoušek dle ČSN i EN [1, 2]

S použitím těchto hodnot, získaných teoretickým výpočtem z měřených parametrů přetvoření, zpracovaných do normalizovaných pracovních diagramů a následně metodou nejmenších čtverců (tedy stejně jako se aplikovalo při zpracování [11] změn normy [1] pro nové zdicí technologie) vychází i příslušné hodnoty tečnových modulů pružnosti (přetvárnosti) Et0 podle [1]. Součinitel přetvárnosti byl při dobré shodě s vyjádřením pevnosti (Rd) vyjádřen ještě z normových vztahů ve všech souvislostech norem [1, 8, 9]. Tyto hodnoty αČSN se ukazují jako reálné pro použití ve výpočtech podle [1]. Výsledná výpočtová hodnota součinitele přetvárnosti α pro hodnocené zdivo Liapor M na TVM maltu je navržena α = 1200 pro navrhování podle ČSN 73 1101.
Návrhová hodnota součinitele přetvárnosti hodnoceného zdiva Liapor M na TVM maltu je pro výpočty podle ČSN EN 1996-1-1 stanovena hodnotou KE = 1000.
Na základě již provedených vlastních i zahraničních experimentů lze všeobecně konstatovat, že přesné zdivo, provedené zpravidla ze zdicích prvků s tloušťkou rovnou tloušťce stěny, má výrazně lineárnější průběh pracovního diagramu. Rovněž charakter jeho porušování je často kvazi-křehký, někdy i téměř křehký.
První trhlinky na povrchu zdicích prvků vznikaly ve zkušebních tělesech zděných na maltu pro tenké spáry až na hladině zatížení blízké mezi porušení (cca 90 % únosnosti) při zkouškách podle ČSN EN 1996-1 [2] a také u zkoušek podle ČSN 73 1101 [1] (cca 86 % únosnosti). Charakter přetváření byl pravidelný, bez vzniku trhlin, porušení bylo klasické, napříč průřezem stěny. Toto chování svědčí o optimálním působení tenkovrstvé malty v ložných spárách zkoušeného zdiva. Získané pevnosti jsou o něco vyšší než uvádí Eurokód, lze tedy na straně bezpečnosti využívat všech jeho ustanovení pro stanovení návrhových charakteristik pro tento typ zdiva. Podíl ?trvalých přetvoření? u zkoušek podle [1, 7] činil při poslední měřené úrovni 0,7ftst [26-28 %] celkového přetvoření, což lze rovněž hodnotit velice kladně. Závěr: Aplikace TVM u zdiva z Liaporu je velmi efektivní.

Použitá literatura
[1] ČSN 73 1101 Navrhování zděných konstrukcí, vč. změn a-9/1982, b-3/1987, změny 3/1996, změny 4/1998 a změny 5/1999 [2] ČSN EN 1996-1-1 Navrhování zděných konstrukcí, Část 1 - 1: Obecná pravidla pro vyztužené a nevyztužené zděné konstrukce, CNI Praha 2007
[3] ČSN EN 1996-3 Navrhování zděných konstrukcí, Část 3: Zjednodušené metody výpočtu nevyztužených zděných konstrukcí, CNI Praha 2007
[4] ČSN EN 771-3:2003/A1:2005 Specifikace zdicích prvků, Část 1: Betonové tvárnice s hutným nebo pórovitým kamenivem, CNI Praha 2003, 2005
[5] ČSN EN 772-1 Zkušební metody pro zdicí prvky, Část 1: Stanovení pevnosti v tlaku, CNI Praha 2001
[6] EN 1052-1 Zkušební metody pro zdivo, Část 1: Stanovení pevnosti v tlaku, CNI Praha 2003
[7] Klouda, J. K.: Metodika experimentálního vyšetřování mechanických vlastností zdiva z přesných zdicích prvků na zdicí maltu pro tenké spáry dle ČSN a EN [MEX/KKS: Modul DBM.23.12 ČSN/EN]. AB CONTTMAIN International, inovační centrum Brno, II/96 - I/98
[8] ČSN 73 2061-1 Zatěžovací zkoušky zdiva, Část 1: Všeobecná ustanovení
[9] ČSN 73 2061-2 Zatěžovací zkoušky zdiva, Část 2: Pevnost v tlaku
[10] Klouda, J. K.: Vyhodnocení výsledků zatěžovacích zkoušek zdiva z přesných tvárnic z lehkého betonu Liapor M 240/12/1200 na maltu pro tenké spáry. TZUS Praha, s.p. - 0090 VVI Brno 2007
[11] Klouda, J. K.: Vyhodnocení výsledků zatěžovacích zkoušek nízkých zděných stěn ze zdících prvků z lehkého betonu z Liaporu na maltu obyčejnou a lehkou. Souhrnná zpráva jako podklad pro Změnu 5 k ČSN 73 1101
[12] AB CONTTMAIN International, inovační centrum Brno, 1999