Badania wstępne kotew: jak wyznaczyć obciążenie próbne

Badanie wstępne to badanie na budowie przeprowadzane na 5 kotwach, które wykazuje, czy kotwa przeniesie oddziaływanie charakterystyczne N_Ek (obciążenie bez współczynników) w materiale podłoża, dla którego producent nie podaje danych. Norma BS 8539:2012+A1:2021 nazywa je uproszczoną metodą badań nośności dopuszczalnej (załącznik B.2.3.1).

Stosuje się je, gdy dla danego podłoża nie jest dostępna kotwa z odpowiednią Europejską Oceną Techniczną (ETA), co w praktyce dotyczy zwykle murów, lub gdy stan betonu podważa wartości podane w ETA. Kotwa musi jednak być typem dopuszczonym przez producenta do danej kategorii podłoża. 5 kotew obciąża się tylko do obciążenia próbnego, a nie do zniszczenia, dzięki czemu badania powodują mniej uszkodzeń niż badania niszczące. Zobacz kiedy potrzebne są badania na budowie.

Kotwy do badania wstępnego osadza się specjalnie w tym celu i nigdy nie wykorzystuje się ich w obiekcie. Należy je osadzić w podłożu odpowiadającym temu w obiekcie, w miejscu, w którym ewentualne uszkodzenia nie zaszkodzą konstrukcji i dadzą się naprawić. Powinny znajdować się w dużej odległości od kotew użytkowych, a przy braku miejsca nigdy bliżej niż 3 × h_ef.

Obciążenie próbne to oddziaływanie charakterystyczne pomnożone przez współczynnik badania, a następnie podzielone przez współczynnik redukcyjny α_dist i współczynnik warunków Ω:

N_test = N_Ek × ν_test ÷ (α_dist × Ω) (równanie B.4 normy BS 8539)

• N_Ek, oddziaływanie charakterystyczne, to obciążenie przypadające w projekcie na jedną kotwę, bez współczynników bezpieczeństwa. Podaje je projektant.
• ν_test, współczynnik badania, zależy od materiału kotwy, materiału podłoża oraz tego, czy obciążenie jest długotrwałe, czy krótkotrwałe. Zobacz tabelę poniżej.
• α_dist, współczynnik redukcyjny, uwzględnia podpory mostka ustawione tak blisko kotwy, że mogą spinać podłoże i zawyżać wynik. Wynosi 1,0, gdy nogi są wystarczająco rozstawione. Zobacz dobór mostka.
• Ω, współczynnik warunków, uwzględnia różnice między badaniem a rzeczywistym użytkowaniem, np. badanie w suchych warunkach kotwy, która będzie pracować w wilgoci. O wartości Ω decyduje projektant.

Nasz kalkulator obciążenia próbnego przeprowadzi Cię przez te kroki.

Kotwy nylonowe mają wyższe współczynniki ze względu na pełzanie. Nylon utrzymywany przez długi czas pod obciążeniem powoli się odkształca, dlatego kotwa, która krótko wytrzymuje obciążenie próbne, może w trakcie eksploatacji ulec zniszczeniu przy niższym obciążeniu.

Projektant dobiera Ω, analizując, czym rzeczywiste użytkowanie kotwy będzie się różnić od badania. Każda odpowiedź daje określoną wartość:

• Jak długo będzie działać obciążenie? Dla obciążeń krótkotrwałych, np. kotwienia rusztowań lub prac wysokościowych, Ω = 1,0. Dla stałego obciążenia rozciągającego Ω = 0,9.
• Czy kotwa będzie w użytkowaniu bardziej wilgotna lub cieplejsza niż podczas badania? Jeśli w użytkowaniu będzie mokra, a badana jest na sucho, Ω = 0,8. Jeśli będzie pracować w temperaturze wyższej niż normalny zakres temperatur eksploatacji podany przez producenta, a badana jest w temperaturze normalnej, Ω = 0,8.
• Czy kotwy robocze mogą trafić w słabsze miejsce niż kotwy badane? Na ścianie otynkowanej, gdzie spoiny są niewidoczne lub nie da się zapewnić osadzenia kotew w cegłach, a kotwy badane są osadzone w pełnej cegle, Ω = 0,75.
• Czy beton będzie zarysowany? Dla kotwy przeznaczonej do betonu w strefie rozciąganej Ω = 0,7.

Gdy występuje więcej niż jeden warunek, projektant podaje jedną wartość Ω dla danego przypadku. Niniejszy poradnik nie podaje zasady ich łączenia; należy skonsultować się z projektantem.

αdist zależy od rozstawu podpór adist oraz efektywnej głębokości zakotwienia hef. adist mierzy się do osi podpór punktowych albo jako odległość w świetle między podporami ciągłymi. Wartości podawane przez Staht, 127 mm dla mostków standardowych t25 i t60 oraz 375 mm i 575 mm dla mostków szerszych, to odległość w świetle między stopkami wzdłuż mostka (karty katalogowe Staht), czyli podstawa, na której opiera się publikowana w branży tabela mostków. Takie założenie jest po bezpiecznej stronie: stopki mostka czteronożnego znajdują się w rzeczywistości dalej od kotwy, więc rozstaw w świetle daje nieco wyższe obciążenie próbne, nigdy niższe.

Do h_ef = 150 mm. Jeśli adist wynosi co najmniej 3 × hef, αdist = 1,0. Jeśli adist jest mniejsze niż 3 × hef, ale większe niż 1,5 × hef, αdist = 0,4 + adist ÷ (5 × hef) (równanie B.12 normy BS 8539). BS 8539 ogranicza też wymagany rozstaw do 450 mm, ale do hef = 150 mm wartość 3 × hef nigdy nie przekracza 450 mm, więc to ograniczenie nie zmienia wyniku. Jeśli adist wynosi 1,5 × hef lub mniej, mostek jest za wąski dla tej metody: należy użyć szerszego. W betonie badanie wstępne wymaga ponadto, aby najbliższa podpora znajdowała się dalej niż 1,0 × hef od kotwy, co sprawdza przykład obliczeniowy B.

Głębiej niż 150 mm. Równanie B.12 nie ma zastosowania. W betonie najbliższa podpora musi znajdować się co najmniej 1,5 × hef od kotwy, co oznacza adist co najmniej 3 × hef. W murze obowiązują zasady dla cegieł i bloczków. EOTA TR 053 nie wymaga redukcji w murach wielowarstwowych z małych cegieł pełnych, np. pełnych cegieł ceramicznych, pod warunkiem że rozstaw podpór przekracza 1,5 × hef i pozostawia miejsce na powstanie stożka zniszczenia. Zobacz dobór mostka.

hef to głębokość do najniższego punktu, w którym kotwa przenosi obciążenie na podłoże. Dla kołków nylonowych przyjmuje się hef jako 50% nominalnej głębokości osadzenia.

Kotwa wklejana w cegle pełnej przenosi długotrwałe obciążenie rozciągające. Projektant podaje NEk = 0,9 kN, hef = 60 mm oraz jeden współczynnik Ω = 0,9 dla obciążenia długotrwałego. ν_test dla kotwy nienylonowej w murze przy obciążeniu długotrwałym wynosi 4.

Z mostkiem standardowym Staht t25 (rozstaw podpór a_dist = 127 mm, odległość w świetle między stopkami wzdłuż mostka (karta katalogowa Staht)):

• 3 × hef = 180 mm, czyli więcej niż 127 mm, więc stosuje się αdist. 127 mm to więcej niż 1,5 × h_ef (90 mm), więc obowiązuje równanie B.12.
• α_dist = 0,4 + 127 ÷ (5 × 60) = 0,4 + 0,423 = 0,823.
• N_test = 0,9 × 4 ÷ (0,823 × 0,9) = 3,6 ÷ 0,741 = 4,86 kN.

Z mostkiem Staht Bridge 375-25 (a_dist = 375 mm):

• 375 mm to więcej niż 3 × hef (180 mm), więc αdist = 1,0.
• N_test = 3,6 ÷ (1,0 × 0,9) = 4,00 kN.

Szerszy mostek eliminuje redukcję, więc kotwy bada się obciążeniem 4,00 kN zamiast 4,86 kN. W murze ceglanym stopki mostka należy ustawić na cegłach sąsiadujących z tą, w której osadzona jest kotwa. Zobacz badania w murze.

Kotwy do prac wysokościowych osadza się w starszym betonie o niepewnym stanie, dlatego projektant zleca badania wstępne. NEk = 3,0 kN, hef = 50 mm, obciążenie krótkotrwałe, więc Ω = 1,0. ν_test dla kotwy nienylonowej w betonie przy obciążeniu krótkotrwałym wynosi 2.

• Z mostkiem standardowym Staht t60 adist = 127 mm, odległość w świetle między stopkami wzdłuż mostka (karta katalogowa Staht), czyli mniej niż 3 × hef (150 mm) i więcej niż 1,5 × h_ef (75 mm), więc stosuje się równanie B.12.
• Najbliższa podpora, w odległości 63,5 mm, znajduje się dalej niż 1,0 × h_ef (50 mm), czego wymagają badania wstępne w betonie podczas obciążania do obciążenia próbnego.
• α_dist = 0,4 + 127 ÷ (5 × 50) = 0,4 + 0,508 = 0,908.
• N_test = 3,0 × 2 ÷ (0,908 × 1,0) = 6,0 ÷ 0,908 = 6,61 kN.

Kołki nylonowe mają mocować tymczasowe wygrodzenie do starszego betonu o niepewnym stanie, dlatego projektant zleca badania wstępne. NEk = 0,4 kN, obciążenie krótkotrwałe, więc Ω = 1,0. Nominalna głębokość osadzenia wynosi 70 mm, więc hef = 35 mm. ν_test dla nylonu przy obciążeniu krótkotrwałym wynosi 3,5.

• Z mostkiem standardowym Staht t25 adist = 127 mm, odległość w świetle między stopkami wzdłuż mostka (karta katalogowa Staht), czyli więcej niż 3 × hef (105 mm), więc α_dist = 1,0.
• Najbliższa podpora, w odległości 63,5 mm, znajduje się dalej niż 1,0 × h_ef (35 mm).
• N_test = 0,4 × 3,5 ÷ (1,0 × 1,0) = 1,40 kN.

Jeśli wszystkie 5 kotew wytrzyma obciążenie próbne, oddziaływanie charakterystyczne można przyjąć jako nośność dopuszczalną w danym podłożu: NR,all = NEk (równanie B.5 normy BS 8539). Kotwę można wtedy stosować przy tym obciążeniu.

Jeśli kotwa nie osiągnie obciążenia próbnego, o dalszym postępowaniu decyduje projektant, a rozstrzygają o tym dwa pytania. Czy na danym obiekcie można po prostu zastosować więcej kotew, np. osadzając je gęściej? I czy kotwa uległa zniszczeniu blisko obciążenia próbnego, np. powyżej 0,8 × N_test?

• Tak w obu przypadkach: pozostać przy tej kotwie i zastosować ich więcej, przy niższej nośności dopuszczalnej wyznaczonej jak poniżej.
• Nie w którymkolwiek przypadku: zmienić specyfikację na większą średnicę, głębsze osadzenie lub inny typ kotwy i przeprowadzić dla niej nową serię badań wstępnych.

Wyznaczanie niższej nośności dopuszczalnej:

1. Obciążyć wszystkie 5 kotew próbnych do zniszczenia, powoli, notując dla każdej obciążenie przy pierwszym przemieszczeniu. Aby oszczędzić konstrukcję, można przerwać przy przemieszczeniu ok. 1,0 mm i przyjąć to obciążenie jako obciążenie niszczące.
2. Ze średniego obciążenia niszczącego Nu,ave: NR,all = Nu,ave × αdist × Ω ÷ ν_ave (równanie B.6).
3. Z najniższego obciążenia niszczącego Nu,low: NR,all = Nu,low × αdist × Ω ÷ ν_low (równanie B.7).
4. Przyjąć niższą z tych wartości, nie większą niż średnie obciążenie przy pierwszym przemieszczeniu N_1st,m.
5. Zwiększyć liczbę kotew: n' = n0 × NEk ÷ NR,all (równanie B.8), gdzie n0 to pierwotnie planowana liczba. Zaokrąglić w górę.

W przykładzie A z mostkiem t25 obciążenie próbne wynosiło 4,86 kN. Jedna kotwa ulega zniszczeniu przy 4,2 kN, czyli powyżej 0,8 × 4,86 = 3,89 kN, a na obiekcie można zastosować więcej kotew. Wszystkie 5 obciąża się do zniszczenia: 4,2, 5,6, 6,1, 5,3 i 6,4 kN. Średnie obciążenie przy pierwszym przemieszczeniu wynosi 2,3 kN.

• Nu,ave = 27,6 ÷ 5 = 5,52 kN, a Nu,low = 4,2 kN.
• α_dist × Ω = 0,823 × 0,9 = 0,741.
• Ze średniej: 5,52 × 0,741 ÷ 5 = 0,818 kN.
• Z najniższej: 4,2 × 0,741 ÷ 4 = 0,778 kN.
• NR,all = 0,778 kN, wartość niższa. Jest mniejsza niż N1st,m (2,3 kN), więc obowiązuje.
• Zaplanowano 24 kotwy: n' = 24 × 0,9 ÷ 0,778 = 27,8, więc potrzeba 28 kotew.

BS 8539 podaje trzy inne ścieżki, każda oparta na badaniach do zniszczenia.

• Bez ETA, podejście statystyczne (załącznik B.2.3.2): od 5 do 15 kotew obciąża się do zniszczenia. NRk1 = αdist × NRu,m × (1 − K × v) × Ω, gdzie NRu,m to średnie obciążenie niszczące, v współczynnik zmienności (nie więcej niż 30%), a K współczynnik statystyczny: 3,40 dla 5 badań, 2,57 dla 10 i 2,33 dla 15. NR,all = NRk1 ÷ ν, nie więcej niż N_1st,m. Projektant dobiera ν, np. od 3 do 4 dla obciążeń statycznych lub 5 dla kołków nylonowych.
• Kotwa z ETA w murze spoza zakresu ETA, od 5 do 15 badań (załącznik B.2.2.1): NRk1 = αdist × NRu,m × (1 − K × v) × β, przy czym β pochodzi z ETA (1, jeśli nie podano), nie więcej niż nośność charakterystyczna z ETA. W tym przypadku β zastępuje Ω. Następnie NR,all = NRk1 ÷ γM ÷ γF, gdzie γM pochodzi z ETA, a γF wynosi 1,35 dla oddziaływań stałych, 1,5 dla oddziaływań zmiennych lub 1,4, gdy są one nieznane lub mieszane, i nie więcej niż N1st,m.
• Kotwa z ETA, 15 lub więcej badań (załącznik B.2.2): metoda badań na budowie według odpowiedniego Europejskiego Dokumentu Oceny (EAD) i powiązanego Raportu Technicznego EOTA.

Im więcej kotew zbada się do zniszczenia, tym wyższa będzie prawdopodobnie nośność dopuszczalna, ale badania do zniszczenia powodują większe uszkodzenia.