Posuzování vlivu trhlin na vzhled povrchových úprav betonu a železobetonu
Příspěvek upozorňuje na situace, které vznikají při posuzování trhlin v betonových a železobetonových konstrukcích. I když jsou trhliny podle ČSN EN 1992-1-1 v železobetonových konstrukcích obecně připuštěny a pouze jejich šířka musí být omezena s ohledem na funkčnost konstrukce. Tyto limity jsou dobře definovány s ohledem na vodotěsnost železobetonových konstrukcí nebo jejich trvanlivost, zcela však chybí kritéria, která by umožňovala posuzovat vliv trhlin na vzhled konstrukce. Velmi často tak nastává situace, kdy trhliny nejsou reklamovány jako potenciální statický defekt nebo vada, ovlivňující životnost konstrukce, ale výhradně jako vada estetická.
V příspěvku jsou uvedeny požadavky na projektanty, kteří by měli zejména v případě pohledových betonů připustné šířky trhlin definovat. Je uveden příklad ze zahraniční literatury, který na základě typu objektu a odstupu pozorovatele od konstrukčního prvku, definuje přípustnou šířku trhliny z estetického hlediska. Ujasnění těchto požadavků by výrazně eliminovalo případné spory mezi investorem, zhotovitelem a projektantem.
1. Úvod
Trhliny jsou ve stavebnictví fenoménem, který je vnímán velmi rozporně.
Typický je případ betonu a železobetonu. Z jeho principu vyplývá, že bez trhlin nemůže dojít k aktivaci výztuže, takže vznik trhlin je zcela zákonitý. Otázkou je tedy spíše přípustná šířka trhlin, resp. jejich počet.
V laické veřejnosti jsou naopak trhliny vnímány jako fatální defekt, který ohrožuje bezpečnost konstrukce i její vzhled, a to prakticky za jakékoliv situace.
Situaci navíc komplikuje skutečnost, že výpočetní posouzení šířky trhlin, resp. návrh konstrukce na definovanou šířku trhlin, je zatížen výraznými nejistotami a toleranční meze tohoto výpočtu se pohybují v řádech desítek procent. V zahraniční literatuře se uvádí horní tolarnanční mez až +90 %!
Je to dáno několika faktory:
Obr. 1 Graf definující přípustnou šířku trhliny v závislosti na typu objektu a odstupu pozorovatele
- Objemové změny betonu nejsou měřeným ani garantovaným parametrem. Hodnoty, uváděné v normách, nemusí odpovídat skutečnosti, a to mimo jiné i s ohledem na neustálé posuny v recepturách betonových směsí.Změny objemu frakcí hrubého kameniva, jeho typu i maximálního zrna, mohou vyvolat změny objemových změn v řádu desítek procent, a to i u betonů stejné pevnostní třídy. Objemové změny nejsou současně ani sledovaným ani garantovaným parametrem u cementu.
- Pokud známe objemové změny betonu, jedná se obvykle o objemové změny, zjišťované již na tuhnoucíma tvrdnoucím betonu, takže počátek sledování objemových změn se liší od okamžiku přidání vody do betonové směsi obvykle o 24 hodin. Neměříme tedy celé objemové změny betonu, ale pouze jejich část.
- Při vzniku trhlin v železobetonové konstrukci dochází k synergii celé řady procesů, které se na vzniku trhlin podílejí často obtížně specifikovatelným podílem. Staticky podmíněné trhliny jsou rozšiřovány v počátečních fázích teplotními dilatacemi konstrukce v souvislosti s vývojem hydratačního tepla a následně pak rozšiřovány objemovými změnami v souvislosti s nastavováním rovnovážné vlhkosti betonu ( jeho vysycháním).
Je proto zcela běžné, že i velmi precizní návrh železobetonové konstrukce na šířku trhlin vede ve skutečnosti k vytvoření trhlin dvojnásobné i větší šířky. U konstrukcí, navržených na šířku např. 0,3 mm se běžně zjišťují trhliny s šířkou 0,6 až 0,7 mm.
Následnou interpretaci stavu znesnadňuje i skutečnost, že i takřka identické konstrukce jsou obvykle realizovány v různých klimatických podmínkách a liší se tak okolní teplota, relativní vlhkost vzduchu i charakter a intenzita ošetřování betonu.
S výskytem trhlin je tedy nezbytné počítat a zabývat se prakticky vždy návrhem šířky trhlin i s uvážením výše uvedených nejistot.
2. Přípustné šířky trhlin
Pro posouzení šířky trhlin najdeme nejvhodnější oporu v ČSN EN 1992-1-1, Eurokód 2: „Navrhování betonových konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby“.
V článku 7.3 „Omezení trhlin“ se konstatuje:
Trhliny musí být omezeny tak, aby nedošlo k narušení řádné funkce nebo trvanlivosti konstrukce, popř. k nepříznivému ovlivnění jejího vzhledu.
Trhliny jsou obvyklé u železobetonových konstrukcí, namáhaných obybem, smykem, kroucením nebo tahem, vyvozeným buď z přímého zatížení, nebo s omezením vynucených nebo vnesených přetvoření.
Trhliny mohou vznikat i z jiných příčin, např. vlivem plastického smršťování, nebo vlivem rozpínavých chemických reakcí ve ztvrdlém betonu. Tyto trhliny mohou být nepřijatelně široké, ale jejich vyloučení, popř. omezení, není předmětem této kapitoly.
Vznik trhlin lze připustit, aniž by se omezovala jejich šířka, za předpokladu, že se nenaruší funkčnost konstrukce.
Omezení vypočtené šířky trhlin wmax se má stanovit s ohledem na předpokládanou funkci a charakter konstrukce, jakož i na náklady spojené s omezováním šířky trhlin.
Z těchto citací mimo jiné vyplývá, že šířku trhlin není třeba omezovat, pokud se nenaruší funkčnost konstrukce.
Proto je nezbytné definovat ty funkční parametry, které jsou z hlediska výskytu trhlin rozhodující.
Jedná se především o vodotěsnost betonových, resp. železobetonových konstrukcí, dále o jejich životnost a jejich vzhled.
2.1 Omezení šířky trhlin z hlediska vodotěsnosti
Požadavky na trhliny z hlediska vodotěsnosti nalezneme jednak v ČSN EN 1992-3 „Eurokód 2 Navrhování betonových konstrukcí – Část 3: Nádrže na kapaliny a zásobníky“ jednak v ČSN 73 1208.
V ČSN EN 1992-3 se shodou okolností opět v článku 7.3 „Omezení trhlin“ šířka trhlin dává do souvislosti s třídou nepropustnosti konstrukce (třída 0 až třída 3).
U třídy nepropustnosti 1 (průsak je omezen na malé množství, připouští se několik povrchových skvrn nebo vlhkých míst) musí být v případě, že trhliny budou procházet přes celou tloušťku průřezu, jejich šířka maximálně wk1, přičemž hodnota wk1 je definována v závislosti na podílu hydrostatického tlaku a tloušťky stěny nádrže. Pro poměr hD/h ≤ 5 je přípustná šířka 0,2 mm (v ČSN 731208 0,15 mm) při poměru hD/h ≥ 35 pak 0,05 mm. Pro mezilehlé hodnoty lze lineárně interpolovat. V této souvislosti se konstatuje, že u těchto trhlin lze očekávat, že se trhliny, prostupující celým průřezem samoutěsní (v prvcích, vyrobených z betonu vhodného složení a nevystaveného během provozu významným změnám zatížení nebo teploty). Pokud nejsou k dispozici spolehlivější informace, lze předpokládat samoutěsnění trhlin, pokud rozmezí poměrných přetvoření za provozních podmínek je menší než 150 × 10−6, tedy 150 μm.
Naopak se uvádí, že „Jestliže samoutěsnění je nepravděpodobné, jakákoliv trhlina, procházející celou tloušťkou průřezu, může vést k průsakům bez ohledu na jejich šířku.“
Přitom je třeba zdůraznit, že kapalina se trhlinou může šířit nejen v důsledku hydrostatického přetlaku a řídit se tedy tzv. Darcyho zákonem, ale může být transportována i kapilární elevací, tedy za situace, kdy hydrostatický přetlak v kořeni trhliny je prakticky zanedbatelný. Z hlediska vodotěsnosti je tedy definice přípustné šířky trhlin přípustná šířka trhlin závislá na řadě okolností, zejména však na pohybu trhliny v důsledku teplotních či jiných dilatací, vyvolaných např. přitěžováním či odhlehčováním konstrukce.
2.2 Šířka trhlin z hlediska trvanlivosti železobetonu
Častým argumentem pro reklamaci trhlin je jejich schopnost transportovat k výztuži plynný oxid uhličitý, tedy vyvolávat karbonataci betonu, případně chloridové ionty z posypových solí.
Tyto aspekty jsou již v citované ČSN EN 1992-1-1 zohledněny na straně 8 v tabulce 7.1N „Doporučené hodnoty wmax (mm). V závislosti na stupni prostředí ve smyslu ČSN EN 206-1 je definovaná maximální přípustná šířka trhlin. V případě koroze vlivem karbonatace (XC) je pro prvé dva stupně (X0, XC1) přípustná šířka 0,4 mm s poznámkou, že pro tyto stupně nemá šířka trhliny vliv na trvanlivost a uvedená hodnota má zajistit přijatelný vzhled. Pokud nejsou kladeny požadavky na vzhled, lze uvedenou hodnotu zvětšit!
V případě stupně XC2, XC3 a XC4 je pak maximální šířka trhliny omezena hodnotou 0,3 mm. V případě stupně XD (koroze způsobená chloridy jinými než z mořské vody) je pro stupně XD1 a XD2 maximální šířka trhliny 0,3 mm. Stupeň XD3 (koroze způsobená chloridy, prostředí střídavě mokré a suché) sice v tabulce uveden není, ale popis prostředí XD3 a XD2 je prakticky shodný.
Z uvedených skutečností lze tedy dovodit, že posuzování železobetonových konstrukcí z hlediska trvanlivosti je šířka trhliny 0,3 mm ve většině běžných případů (karbonatace betonu, transport chloridových iontů) 0,3 mm akceptovatelná.
2.3 Šířka trhliny z hlediska vzhledu konstrukce
Přítomnost trhliny v povrchu železobetonové konstrukce přes všechna výše uvedená racionální zdůvodnění nevylučuje, že trhliny mohou být vnímány rušivě ať již jako psychologický aspekt, naznačující problematickou stabilitu konstrukce, tak i jako prostý vzhledový defekt.
Žádný obecně platný normový předpis nemůže z estetického hlediska definovat přípustnou šířku trhliny. Současně však je nelogické, aby technická pravidla (viz např. Technická pravidla ČBS 03 Pohledový beton (červen 2009), ale i srovnatelné zahraniční předpisy problematiku výskytu trhlin např. v pohledovém betonu prakticky zcela pomíjely. V tabulkách, které charakterizují třídy pohledovéh betonu (všeobecné požadavky) se mezi kritéria uvádí struktura povrchu, pórovitost, vyrovnaná barevnost, charakter pracovních spár, rovinnost. O přípustnosti či nepřípustnosti trhlin je však zcela pomlčeno. V této situaci tedy neexistuje sebemenší opora pro posouzení trhlin jako vizuální vady. Prakticky jakákoliv trhlina může být tedy úspěšně reklamována jako vada estetická a skutečnosti, uvedené v citované ČSN 1992-1-1 mohou být jako ryze technické nikoliv estetické odmítnuty.
3. Trhliny a vzhled konstrukce
Při definici přípustné šířky trhliny z vizuálního hlediska je třeba akceptovat několik předpokladů:
- Žádný normový předpis nemůže definovat obecně platnou vizuálně akceptovatelnou šířku trhliny. Ta se musí řídit řadou velmi specifických aspektů.
- Šířka trhlin, resp. jejich vizuální dopad na vzhled konstrukce, musí být vždy posuzován z běžné „provozní“ vzdálenosti, tedy obvykle z výše očí pohybující se osoby v dané prostoře. Tímto způsobem jsou hodnoceny jak podlahové konstrukce (viz ČSN 74 4505), tak i keramické obklady (ČSN 73 3451 „Obecná pravidla pro navrhování a provádění keramických obkladů“).
- Esteticky přípustnou šířku trhliny musí vždy definovat architekt nebo projektant v závislosti na celkové architektonické koncepci objektu i na základě případných individuálních požadavků investora.
Definovaná šířka trhlin bude zásadním způsobem ovlivňovat statický návrh konstrukce, tedy zejména stupeň jejího vyztužení, a tím i tedy celkovou cenu. Projektant statik i zhotovitel musí mít zcela jednoznačné zadání z hlediska maximální přípustné šířky trhliny, protože splnění některých zvlášť náročných požadavků může vést i k celkové změně statické koncepce objektu a použití např. předpjatých konstrukčních prvků.
Reagovat lze i vhodným členěním ploch, tedy vytvářením geometricky předem definovaných imperfekcí, které by výskyt náhodných divokých trhlin eliminovaly. V případě betonových podlah je typickým opatřením tohoto typu provádění řezaných smršťovacích spár v pravoúhlém, obvykle čtvercovém rastru.
Teoreticky lze reagovat na požadavky související s eliminací trhlin i použitím pružných povrchových úprav. V těchto případech je však třeba velmi pečlivě vážit parametry použitých hmot v závislosti na vnějším prostředí. Tažnost povrchových úprav se uvádí buď velmi neurčitě nebo nepřesně. Rozhodujícím kritériem není schopnost „přemosťování trhliny dané šířky“, ale překlenutí trhliny, jejíž šířka se může z počáteční úrovně např. 0,1 mm zvětšit např. na 0,6 mm, nebo trhliny, která má šířku 0,2 mm, ale v důsledku teplotních dilatací dochází při hlubokých záporných teplotách k jejímu rozevření např. o 0,3 mm.
Spolehlivou orientaci tedy mohou poskytnout pouze údaje podle ČSN EN 1062-7 „Nátěrové hmoty – povlakové materiály a povlakové systémy pro vnější zdivo a betony – Část 7: Stanovení schopnosti přemosťování trhlin“.
4. Celkové závěry
Vznik trhlin v betonových a železobetonových konstrukcích je ve většině případů zcelka běžný a zákonitý. Připouštějí to i obecně platné předpisy typu ČSN EN 1992-1-1 (Eurokód 2) s tím, že pouze doporučují omezení šířky trhlin s ohledem na funkčnost konstrukce. Prakticky zcela se však pomíjí aspekt estetický, tedy vliv trhlin na vzhled objektu. To vytváří často nepřehlednou situaci ve vztahu mezi projektantem, zhotovitelem a investorem, kdy jsou často reklamovány jakékoliv trhliny a složitě hledány argumenty pro či proti jejich přípustnosti.
Proto je zcela nezbytné, aby součástí projektového architektonického řešení byla i definice přípustné šířky trhlin z hlediska vzhledu konstrukce. Velmi rozumná kritéria v tomto směru obsahuje článek, popisující návrh a hodnocení šířky trhlin v nově budovaném objektu universitního typu v Londýně (1). Přiložený graf, převzatý z této publikace, uvažuje s trhlinami s šířkou do 0,4 mm a v závislosti na typu objektu a vzdálenosti, ze které je povrch pozorován, definuje přípustnou šířku. Jedná se o jistě subjektivní návod, který lze případně upravit, přesto jeho existence by měla být nedílnou součástí projektů, využívajících pohledové betony, ale i všech železobetnových konstrukcí, jejichž povrchy nejsou zakryty pružnými povrchovými úpravami. Je přitom třeba počítat s tím, že příliš náročné požadavky v tomto směru nutně povedou k vzrůstu nákladů na vyztužení konstrukce, a to i s ohledem na značné nejistoty ve výpočtech šířky trhlin.
Literatura
- [1] Martin, J.: Omezující požadavek, Beton, TKS č. 2/2013, s. 20–23
The article draws attention to situations, which are created when cracks in concrete and reinforced concrete structures are evaluated. Despite cracks being in general allowable in reinforced concrete structures as per ČSN EN 1992-1-1, only the width of cracks must be limited with respect to functionality of the structure. These limits are well defined with respect to water impermeability of reinforced concrete structures or their durability, but we are missing criteria, which would allow for evaluation of influence of the cracks on visual appearance of the structures. Therefore very frequently situation arises, when cracks are not warranty claimed as a potential static defect or a flaw, or as an aspect influencing lifespan of the structure, but solely as an aesthetic defect.