Autorzy: dr inż. Andrzej Moczko, mgr inż. Mateusz Moczko
Hala Stulecia we Wrocławiu jest powszechnie uznawana za jeden z kamieni milowych konstrukcji żelbetowych na świecie. Została zaprojektowana przez niemieckiego architekta i konstruktora Maxa Berga, we współpracy z Güntherem Trauerem, odpowiedzialnym za obliczenia konstrukcyjne [1]. W2006 r. Hala Stulecia została umieszczona na UNESCO World Heritage List, jako pionierskie osiągnięcie architektury i sztuki budowlanej dwudziestego wieku.
Konstrukcję Hali Stulecia stanowią dwa niezależne od siebie żelbetowe układy konstrukcyjne (rysunek 1). Podstawę stanowią cztery główne filary podporowe, tworzące cztery wielkie arkady absyd o rozpiętości 41 m i wysokości 16,7 m. Górną część konstrukcji stanowi kopuła o średnicy 65 m i wysokości 23 m, składająca się z 32 żelbetowych żeber opartych u dołu na rozciąganym pierścieniu głównym, a u góry związanych w ściskanym pierścieniu betonowym o średnicy 14,4 m, który zaznaczono na rysunku 1 czerwoną strzałką.
W artykule przedstawiono wyniki badania jakości betonu w górnym pierścieniu kopuły i porównano je z uzyskanymi podczas badania cech mechanicznych i fizycznych betonu w innych elementach konstrukcyjnych kopuły Hali Stulecia [2 ÷ 5].
Opis badań
Badania poligonowe betonowego górnego pierścienia, wieńczącego na górze kopuły jej żebra, obejmowały:
● określenie wytrzymałości betonu na ściskanie na podstawie laboratoryjnych badań odwiertów rdzeniowych;
● określenie wytrzymałości betonu na ściskanie na podstawie nieniszczących pomiarów metodą „pull-out”;
● laboratoryjną ocenę nasiąkliwości badanego betonu;
● sprawdzenie głębokości karbonatyzacji przypowierzchniowej warstwy betonu.
Opracowany program badawczy pierścienia górnego zakładał pobranie odwiertów rdzeniowych o średnicy zbliżonej do 100 mm, w dziesięciu miejscach pomiarowych, rozmieszczonych równomiernie po obwodzie pierścienia. Wszystkie odwierty pobrano zgodnie z [6] w kierunku zgodnym z kierunkiem betonowania, wycinając je pionowo w dół na górnej powierzchni badanego pierścienia, ze względu na brak innej możliwości.
Oględziny pozyskanych odwiertów kontrolnych wykazały, że badany beton został wykonany na kruszywie bazaltowym z niewielkim dodatkiem kruszywa naturalnego i charakteryzuje się dobrym uziarnieniem (fotografia 1). Z odwiertów rdzeniowych wycięto próbki laboratoryjne o wymiarach h ≈ φ ≈ 100 mm. Oznaczenia poszczególnych próbek do badań przyjęto analogicznie do oznaczenia odwiertów, z których zostały one wycięte, przy czym w przypadku odwiertu O-1 udało się wyciąć dwie próbki do badań, oznaczając je odpowiednio O-1/A (zewnętrzny fragment odwiertu O-1) oraz O-1/B (fragment odwiertu położony głębiej – od 10 do 20 cm). Do badań wytrzymałościowych w próbie ściskania osiowego przeznaczono próbki oznaczone jako O-1/B, O-2, O-4, O-7, O-8 oraz O-10. Pozostałe, a więc O-1/A, O-3, O-5, O-6 oraz O-9 wykorzystano do oznaczenia nasiąkliwości badanego betonu. Na powierzchni świeżych przełomów wszystkich próbek określono zasięg karbonatyzacji przypowierzchniowej warstwy betonu.
Niezależnie od badania odwiertów rdzeniowych, w sąsiedztwie ich wycięcia przeprowadzono pomiary wytrzymałości betonu metodą „pull-out” w sześciu miejscach pomiarowych, wykorzystując zestaw pomiarowy CAPO-Test duńskiej firmy Germann Instruments. Jego działanie polega na pomiarze wartości siły niezbędnej do wyrwania z betonu stalowej kotwy, którą stanowi stalowy pierścień rozprężany w specjalnie do tego celu wykonanym frezie. Pierścień ten, dzięki właściwemu doborowi proporcji wymiarów do głębokości położenia kotwy oraz wymiarów samej kotwy wymusza złożony stan naprężenia, który w efekcie prowadzi do zniszczenia, charakteryzującego się ścisłą korelacją pomiędzy rejestrowaną siłą wyrywającą kotew a wytrzymałością betonu na ściskanie (rysunek 2). Korelacja ta ma charakter ogólny, to znaczy jest w zasadzie niezależna od wpływu parametrów materiałowych i technologicznych [7].
Badania wytrzymałości odwiertów rdzeniowych zostały przeprowadzone na próbkach betonowych o wymiarach h ≈ φ ≈ 95 mm, zgodnie z [8], z wykorzystaniem wzorcowanej maszyny wytrzymałościowej typu Walter BAI. W celu zapewnienia równoległości powierzchni czołowych badanych próbek dostosowano je do badań za pomocą kapslowania nakładkami piaskowymi. Szczegółowe wyniki przeprowadzonych badań zestawiono w tabeli 1.
Uzyskane wyniki są następujące:
■ średnia wytrzymałość betonu na ściskanie fcm, is = 27,7 MPa;
■ najmniejsza uzyskana wartość wytrzymałości fis, lowest = 21,7 MPa;
■ odchylenie standardowe wytrzymałości s = 4,45 MPa;
■ współczynnik zmienności wytrzymałości n = 16,1%;
■ średnia wartość gęstości pozornej ρ = 2339 kg/m3.
Badania wytrzymałości na ściskanie obejmowały także wykonanie bezpośrednich pomiarów na obiekcie metodą „pull-out” w trybie pomiarowym CAPO-Test. Szczegółowe wyniki badania wytrzymałości betonu na ściskanie metodą „pull-out” w przypadku poszczególnych miejsc pomiarowych zestawiono w tabeli 2.
Uzyskane wyniki to:
● średnia wytrzymałość betonu na ściskanie fcm, is = 42,4 MPa;
● najmniejsza uzyskana wartość wytrzymałości fis, lowest = 38,5 MPa;
● odchylenie standardowe wytrzymałości s = 3,83 MPa;
● współczynnik zmienności wytrzymałości n = 9,0%.
Analiza uzyskanych wyników badań przeprowadzonych metodą „pull-out” wykazała niespodziewanie duże wartości wytrzymałości betonu na ściskanie, znacznie większe od uzyskanych w wyniku badania odwiertów rdzeniowych. Różnica ta wynosi ponad 50%, co jest zastanawiające, ponieważ dotychczasowe doświadczenia [7] świadczyły jednoznacznie o bardzo dużej zbieżności wyników badania wytrzymałości metodą CAPO-Test z wynikami uzyskiwanymi w czasie badań laboratoryjnych odwiertów rdzeniowych, które zwykle są uważane za punkt odniesienia w przypadku oceny jakości badanego betonu. Stwierdzone różnice są, w przypadku betonów historycznych, które uległy w znacznym stopniu procesowi karbonatyzacji warstwy przypowierzchniowej, prawdopodobnie spowodowane faktem, iż pomiary metodą „pull-out” wykonuje się w takim przypadku w głęboko skarbonatyzowanej warstwie betonu, której rzeczywista wytrzymałość istotnie się różni od wytrzymałości środkowej warstwy betonu konstrukcyjnego.
Wyniki badania zasięgu procesu karbonatyzacji przekroju betonowego
Oceny zasięgu procesu karbonatyzacji przypowierzchniowej warstwy betonu dokonano za pomocą testu fenoftaleinowego (Deep Purple Test). Badania przeprowadzono na świeżych przełomach betonowych, powstałych po zniszczeniu badanych próbek w maszynie wytrzymałościowej.
Szczegółowe wyniki, uzyskane w poszczególnych miejscach pomiarowych:
■ odwiert O-1/B – grubość warstwy skarbonatyzowanej ok. 35 mm;
■ odwiert O-2 – grubość warstwy skarbonatyzowanej ok. 22 mm;
■ odwiert O-4 – grubość warstwy skarbonatyzowanej ok. 42mm (fotografia 2);
■ odwiert O-7 – grubość warstwy skarbonatyzowanej ok. 40 mm;
■ odwiert O-8 – grubość warstwy skarbonatyzowanej ok. 39 mm;
■ odwiert O-10 – grubość warstwy skarbonatyzowanej ok. 37 mm.
Przeprowadzone badaniawykazały, że grubości przypowierzchniowej warstwy betonu, która uległa procesowi karbonatyzacji w badanych próbkach, jest dość znaczna i wynosi średnio ok. 36 mm.
Wyniki badania nasiąkliwości betonu
Zbadano pięć próbek wyciętych z odwiertów rdzeniowych, pobranych z pierścienia górnego kopuły. Pomiary wykonano zgodnie z procedurami zawartymi w [9]. Szczegółowe wyniki oznaczenia nasiąkliwości badanego betonu zestawiono w tabeli 3.
Analizując wyniki badań, stwierdzono, że uzyskane wartości nasiąkliwości są relatywnie niskie, gdyż wynoszą 4,25 – 5,41%, przy współczynniku zmienności równym 8,9%, co świadczy o dużej jednorodności tej cechy. Średnia wartość nasiąkliwości badanego betonu wynosi ok. 5,0% i jest równa wartości powszechnie przyjmowanej za dopuszczalną (5%) [9].
Podsumowanie
Uzyskane wyniki badania jakości betonu w górnym pierścieniu kopuły Hali Stulecia we Wrocławiu świadczą o wyjątkowo dobrej jego jakości. Parametry wytrzymałościowe odpowiadają bowiem obecnym wymaganiom stawianym klasie wytrzymałości C20/25. Bardzo dobrą jakość badanego betonu potwierdziły także wyniki oznaczenia nasiąkliwości, której wartość wynosi średnio ok. 5%. Biorąc pod uwagę poziom technologii betonu na początku ubiegłego wieku, należy uznać ten wynik za nadspodziewanie dobry. Jednocześnie stwierdzono znaczne zaawansowanie procesu karbonatyzacji przypowierzchniowej warstwy betonu. Głębokość karbonatyzacji wynosi średnio ok. 36 mm. Fakt ten jest prawdopodobnie jedną z głównych przyczyn różnej wartości wytrzymałości betonu na ściskanie uzyskanej w wyniku badania odwiertów rdzeniowych i metodą CAPO-Test. Zaobserwowane zjawisko jest najprawdopodobniej spowodowane zaawansowanym wiekiem badanego betonu (ponad 100 lat) i związanymi z tym istotnymi zmianami zachodzącymi w strukturze jego warstwy przypowierzchniowej oraz procesem jej karbonatyzacji. Zagadnienie to wymaga dalszych prac badawczych, ze szczególnym uwzględnieniem betonów historycznych, w przypadku których możliwość wiarygodnego stosowania nowoczesnych nieniszczących metod diagnostycznych ma niezwykle istotne znaczenie.
Literatura
[1] Ilkosz J. Centennial Hall and an exhibition area – Max Berg’s master piece. 2015. National Museum in Wrocław.
[2] Onysyk J, Biliszczuk J, Prabucki P, Sadowski K, Toczkiewicz R. Strengthening the 100-year-old reinforced concrete dome of the Centennial Hall in Wrocław. Structural Concrete. 2014; 1: 30 – 37.
[3] Jasieńko J, Moczko A, Moczko M, Dżugaj R. Badanie cech mechanicznych i fizycznych betonu w pierścieniu obwodowym kopuły Hali Stulecia we Wrocławiu. Wiadomości Konserwatorskie. 2010; 27: 21 – 34.
[4] Jasieńko J, Moczko A, Moczko M, Wala D. 2011. „Beton Hali Stulecia (UNESCO List) we Wrocławiu”. Wiadomości Konserwatorskie. 2011; 30: 168 – 177.
[5] Jasieńko J, Moczko A, Moczko M. Badania cech betonu w konstrukcji wsporczej kopuły Hali Stulecia we Wrocławiu. Materiały Budowlane. 2015; 11: 1 – 2.
[6] PN-EN 12504-1:2019 Badania betonu w konstrukcjach – Część 1: Odwierty rdzeniowe – wycinanie, ocena i badanie wytrzymałości na ściskanie.
[7] Moczko AT, Carino NJ, Petersen CG. CAPO–Test to estimate concrete strength in bridges. ACI Materials Journal. 2016; vol. 113, Nr 6: 827 – 836.
[8] PN-EN 12390-3:2019 Badania betonu – Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania.
[9] PN-88/B-06250 Beton Zwykły. 1988.
