האם יש סדקים בהגדרת הבטון הסדוק?

דמיינו לעצמכם שתי חברות ביטוח, השולטות על 65% מהשוק העולמי בתחומן, וכל המחוקקים והמומחים בתחום ממונים או יהיו ממונים על ידן. וגם... התגלתה מחלה יחסית נדירה, העשויה להצדיק את הכפלת מחיר הביטוח ושילוש הרווחים. המומחים מטעם שתי החברות קובעים, שכל חולה "שקיים סיכון שיחלה במחלה" חייב להיות מבוטח, בלי הגדרה ברורה מי אכן נמצא בסיכון. האם המחלה קיימת? כן. האם כדי להיות מבוטח מובטח, עדיף לקחת את הביטוח הזה? כן. אבל, האם יש סבירות סטטיסטית לחייב את כל האנושות לעשות ביטוח כאשר מקרי המחלה הם בודדים?...

אנו נדון בסוגיה זו בהקשר לבטון סדוק. כלומר, הקביעה כי הבטון סדוק או לא סדוק, היא החלטה תכנונית המשפיעה מאוד על התכנון ועוד יותר, על עלות העיגון.

אין ספק כי התופעה נחקרה לעומק ולרוחב ברחבי העולם, ונמצא, כי לסדק רחב יש השפעה על תסבולת העוגן, ויש הגדרות ברורות בתקנים הבינלאומיים לגביו. השאלה אינה מה התסבולת על עוגן המותקן בסדק, אלא מה הסבירות לעוגן באפליקציה רגילה להיות מותקן בסדק דומה לזה המוגדר בתקנים.

רוב המחקרים בנושא, שלא לומר כולם, ממומנים על ידי ספקי עוגנים. אותם ספקים, מרוויחים פי ארבע יותר כאשר הבטון מוגדר כסדוק. לפיכך, ברור כי הם מעוניינים לשכנע את המתכננים שהבטון כל הזמן סדוק. ננסה לבחון את הרשום בתקנים ובמחקרים שונים ולבחון את הגורמים ליצירה או להגדלה של סדק במקום בו מותקן העוגן.

סיכון הסתברותי לבטון סדוק

מה אומרים התקנים באירופה?

ההגדרה הראשונה מבוססת על נוסחה מתמטית:σL + σR ≤ 0

σR לחץ בבטון כתוצאה מדפורמציות (0 N/mm2 באזור לחץ, 3 N/mm2 אם לא ידוע).

σL לחץ בבטון כתוצאה מכוח המופעל עליו (לדוגמה, מהתקנה של עיגון).

כיוון שהלחצים בדרך כלל לא ידועים, התקן הבריטי הוסיף הדרכה לעזרת המתכננים1:

"קיבולת העוגנים אינה מושפעת מנוכחות סדקים בעת ההתקנה אלא מהתנועות הבאות של סדקים אלה. רק עומסים שיופעלו לאחר ההתקנה של העוגנים הינם רלוונטיים". במילים אחרות: כדי שהבטון יהיה מוגדר כסדוק לתכנון עוגנים, צריך שהעומסים המופעלים על העוגן יגרמו להופעת/הרחבת סדק, או שהלחצים על האזור בבטון יגרמו להופעת/הרחבת סדק. כלומר, כנגד הדעה הרווחת, דווקא בבניין ישן, הסיכון ליצירת סדק שלא נגרם על ידי העוגן עצמו, נמוך מהסיכון בבניין חדש. לכן, מוסיף תקן ההדרכה הבריטי: "בבית בשימוש, שבו אין דעיכה ואין סבירות להגדלה משמעותית של העומסים, אפשר להתקין את כל העוגנים", כולל אלו המיועדים רק לבטון לא סדוק.

והתקן אומר עוד: "העומסים המופעלים על העוגנים משתנים עם הזמן והמיקום, ולכן, כל שיקול ריאלי להעמסה יהיה במונחים של הסתברות". סדקים בבטון מתרחשים ברווח קבוע ביניהם. האם עוגן המותקן בדיוק על סדק הוא סיכוי הסתברותי? "פירוש הדבר, שככל שיש יותר עוגנים מחוברים ביחד, הסיכון ההסתברותי שכולם יהיו מותקנים בבטון סדוק, יורד".

העומס הנישא על ידי העוגנים הוא בדרך כלל בלתי תלוי בהעמסה המוטלת על המבנה ולכן, יש עניין של סבירות משולבת. "כלומר, היחס בין גודל העומס המופעל על הסטרוקטורה ועל העוגן משחק תפקיד. ככל שהעומס המופעל על העוגן גדול, כפי הנראה הוא ישפיע יותר על הבטון, מצד אחד, אבל מצד שני, כנראה נשתמש בעוגנים עמוקים וניכנס יותר לעומק הבטון ואז הסיכוי למצוא סדקים, יפחת..." ולסיכום: "בטון לא סדוק הינו בטון שבו העוגן לא הותקן בסדק, או שבו אין סבירות גבוהה שהסדק הקיים שבו הותקן העוגן יתרחב לאורך השנים".

כאמור, ההגדרה של בטון סדוק או לא סדוק היא הסתברותית ומבוססת על גורמי ההשפעה על הבטון. ננסה להבין מה הם גורמי ההשפעה שאנו צריכים להתחשב בהם, ונפתח בגורמים שאינם קשורים לעוגן עצמו, אלא לאזור בבטון שבו מותקן העוגן.

קורת בטון על שתי תמיכות

הדוגמה המפורסמת ביותר להגדרת בטון סדוק בתחום העיגון, הינה קורת בטון על שתי תמיכות:

הבטון בחלק העליון בלחיצה והתחתון במתיחה. סביר להניח לפיכך, כי בתקרה, הבטון במתיחה צריך להיות מוגדר כסדוק וברצפה, הבטון שבלחץ - אינו סדוק. האם הנחה זו נכונה תמיד?

ראשית, המצב ודאי לא נכון בלוחות דרוכים. המתיחה/הלחיצה באזור של התמיכות, הרבה יותר נמוכות. מעל התמיכה, הוא גם יכול להיות הפוך ואז דווקא הבטון ב"רצפה" יהיה אזורי במתיחה. נוסף לכך, אם התמיכות אינן נמצאות בקצה הקורה, אז דווקא הבטון ברצפה יהיה בלחיצה, ובתקרה הוא גם יהיה בלחיצה.

המתיחה/הלחיצה הן הרבה יותר גדולות בשכבות הראשונות של הבטון ובמרחק גדול מהתמיכות. גם אם נדמיין קורה בעובי 40 ס''מ ונניח שה-20 ס''מ העליונים במתיחה וה-20 ס''מ התחתונים בלחיצה, ונניח שאני מתקין עוגן באורך 30 ס''מ, הרי דווקא בהתקנה ברצפה, אני אתחבר לאזור בטון במתיחה, וההפך.

האם הבטון במתיחה, משפיע על העוגן כשהוא נמצא בצד של הכנסת העוגן, או בצד של חיבור העוגן?

כל המחקרים והתקנים מבוצעים על בסיס של בטון במתיחה הומוגנית וכך גם נבדקים העוגנים לבטון סדוק.

זה אולי יכול לשקף מצב של התקנת עוגן קטן בעומק נמוך, אבל, עוגנים יותר גדולים מותקנים בדרך כלל יותר עמוק, ואזור ההתקנה נמצאת בדרך כלל מעבר לעומק הסדק וכולל בתוכו שכבת בטון במתיחה ובלחיצה.

בואו נבחן את שני המצבים:

1 - התקנה דרך בטון במתיחה לאזור בלחיצה.

2 - התקנה דרך בטון בלחיצה לאזור במתיחה.

ההפחתה של תסבולת העוגן בבטון סדוק בכשל pull-out מגיעה מתהליכי התרחבות, אשר גורמים לתזוזה ולשחרור של עוגן מכאני או לניתוק הדבק מהבטון בעיגון כימי. במידה והאזור שבו נמצא החיבור הוא במקום שלא יוכל להתרחב (0.3 מ''מ לבטון מוגדר כסדוק), כי הבטון בו בלחץ, זה לא יכול לקרות.

תסבולת הכשל לפי קונוס הבטון

לגבי כשל לפי קונוס הבטון, נוכחות סדק עמוקה עשויה בהחלט לגרום להפחתה המתאימה להגדרות של בטון סדוק, כיוון שהסדק עשוי לגרום לפיצול קונוס הבטון (ראו ציור) כמו בבטון שכולו במתיחה.

מחקרים רבים אשר נערכו בשנתיים האחרונות, כמו זה של אקנשו שרמה2, מוכיחים, כי התקן האירופאי לתכנון עוגנים ETA כמעט ולא מתחשב בנוכחות ובהשפעת ברזל זיון בבטון, בחישוב של תסבולת הכשל של העוגן לפי קונוס הבטון. (למרות שתפקיד הברזל זיון בבטון הינו בדיוק לקבל את הכוחות במתיחה שגורמים לסדק בבטון). במחקר אחר, רסול ניפורוש3 מסביר, כי ההשפעה של ברזל זיון גדולה יותר כאשר הקורה דקה יותר.

מקור התמונה: what is cracked & uncracked concrete, Vipul Chouan, Ask Hilti

זאת אומרת, אם קורת הבטון עבה, יש סבירות גדולה שיהיה הרבה ברזל זיון עבה או צפוף שישפר בצורה משמעותית את תסבולת הכשל לפי קונוס הבטון. ואם קורת הבטון דקה, ולמרות שברזל הזיון פחות צפוף, בכל זאת השפעתו תהיה יחסית גדולה. כלומר, הסבירות הנדרשת להפחית את התסבולת בחישוב של כשל לפי קונוס הבטון בבטון לא סדוק, הינה נמוכה.

במקרה זה, העוגן לא גורם למתיחה אבל כן גורם ללחץ בבטון. כלומר, הסבירות שהעוגן יותקן על סדק שישפיע על הבטון, היא מאוד נמוכה.

ידוע, כי אזור המתיחה שמייצרים העוגנים גורם לסדק להופיע במקום העוגן. אך, האם קיים הבדל בין סוגי עוגנים שונים בתהליך זה?

מקור התמונה: Turning the screw on stud anchors, Engineers Journal, 05-05-15

במקרה של עוגני חץ ועוגני דינמי, כל הלחצים בזמן המתיחה מופעלים על אזור קטן הנמצא מסביב לכנפיים, אולם ההשפעה על הבטון מאוד רחבה. המתיחה מופעלת בזמן ההתקנה, כדי לפתוח את הכנפיים, ונמשכת גם ללא הפעלת לחץ חיצוני, אשר יורד עם הזמן עד 60% מהחוזק ההתחלתי. זאת הסיבה שהתקנת עוגן חץ קרוב לקצה בטון, עלולה לגרום לפעמים לשבירת הבטון, לפני הפעלת כל הכוח על העוגן עצמו.

מקור התמונה: Turning the screw on stud anchors, Engineers Journal, 05-05-15

ברגים בהברגה ישירה ועוגנים כימיים מפזרים את הלחצים לאורך ההדבקה/ההברגה ואינם מפעילים מתיחה ללא הפעלת מתיחה חיצונית על העוגן. ההשפעה שלהם על הבטון היא פחות רחבה.

למרות שלא מצאתי מחקר שתומך בדבר, אני סבור כי הנוכחות של מתיחה קבועה שנגרמת על ידי עוגני חץ ועוגני דינמי, משולבת עם אזור ההשפעה הרחב, היא גורם המשפיע על יצירת סדק במיקום העוגן. גם כשברגי בטון או עוגנים כימיים נמצאים במתיחה, המתיחה נמצאת במקסימום, בשליש מתסבולת העוגן. זה לא המצב כשמתקינים עוגני חץ, שבהם המתיחה שמיוצרת בבטון בזמן ההתקנה עשויה להתקרב לתסבולת העוגן.

גישת התקן הבריטי

בניגוד להמלצת החברות המובילות בעולם בתחום העיגון (כגון הילטי או פישר) להגדיר כל בטון כסדוק עד שלא הוכח אחרת, אני בעד הגישה של התקן הבריטי המופיע לעיל. לפי דעתי, ברוב המקרים, הבטון לא סדוק או אפשר לגרום לכך שהתכנון יהיה לבטון לא סדוק. להלן סיכום הדרך הנכונה, לדעתי, להתייחס לבטון בתכנון עוגנים:

1. תכנון לרעידת אדמה: הבטון סדוק בכל מקרה.

2. תכנון עיגון בהתקנה באזורי בטון במתיחה: הבטון לא סדוק כאשר:

* מפזרים את העוגנים במספר גדול ובעדיפות לברגי בטון או לעוגנים כימיים.

* מתקינים עוגן מכני שמתחבר באזור בלחיצה (יותר עמוק).

* לא צפויים שינויים של העמסה משמעותית על הבטון או על העוגן לאחר ההתקנה.

* אזור ההתקנה במתיחה (כמו תקרה) קרוב יותר מאזור התמיכה (כמו עמוד).

הבטון סדוק אם:

* החיבור בוצע על ידי מעט עוגנים והם קצרים.

* צפויים שינויים של העמסה משמעותית על הבטון או על העוגן לאחר ההתקנה.

* החיבור מבוצע על ידי עוגנים כימיים מעטים (עם הפחתה חלקית, אם העוגן הכימי מגיע עד אזור הלחיצה בבטון).

3. תכנון עיגון בהתקנה באזורי בטון בלחיצה:

* הבטון לא סדוק.

מקורות

1 BBA Guidance no. 39

2 "Comprehensive Experimental Investigations on Anchorages with Supplementary Reinforcement" Akanshu Sharma, Rolf Eligehausen, Jorg Asmus, Institute of Construction Materials, Stuttgart, 2017

3 "Experimental Evaluation of Influence of Member Thickness, Anchor Head Size, Orthogonal Surface Reinforcement on the Tensile Capacity of Headed Anchors in Uncracked Concrete" Rasoul Nilforoush, Martin Nilsson, S.M. Asce, Lennart Elfgren, Journal Structure Engineering 2018,144(4):04018012

הכותב הינו מהנדס, חברת אדיט בע''מ