איך לדעת אם הבטון סדוק בתכנון עוגנים

דמיינו שתי חברות ביטוח ששולטות על 65% מהשוק העולמי בתחום שלהם ושכל המחוקקים והמומחים בתחום הינם ממונים או יהיו ממונים על ידן. וקיימת מחלה יחסית נדירה שיכולה להצדיק את הכפלת מחיר הביטוח ושילוש הרווחים. והמומחים הממומנים על ידי החברות קובעים שכל חולה "שקיים בו סיכון לקבל את המחלה" חייב לעשות את הביטוח בלי הגדרה ברורה מי 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 לקחת ביטוח כשמקרי המחלה הם בודדים. מאמר זה ידון בסוגיה זו בנושא בטון סדוק.

מתי לקבוע בתכנון שהבטון סדוק או לא סדוק, זו החלטה תכנונית שתשפיע מאוד על התכנון ועוד יותר על עלות העיגון.

אין ספק, והתופעה נחקרה לעומק ולרוחב במרחקים בעולם שיש השפעה של סדק רחב על תסבולת העוגן ויש הגדרות ברורות בתקנים בינלאומיים לגביו. השאלה אינה מה התסבולת על עוגן מותקן בסדק אלא מה הסבירות לעוגן באפליקציה רגילה להיות מותקן בסדק דומה לזו מוגדר בתקנים

רובם אם לא כל המחקרים בנושא ממומנים על ידי ספקי עוגנים. אותם ספקים שמרוויחים פי-4 יותר כשהבטון מוגדר כסדוק. ובוודאי שלספקים רצון לשכנע את המתכננים שהבטון כל הזמן סדוק. ננסה לבחון את הרשום בתקנים, במחקרים שונים ולבחון את הגורמים ליצירת או להגדלת סדק במקום שבו מותקן העוגן.

מה אומרים התקנים האירופאים ?

ההגדרה ראשונה הינה מבוססת על פורמולה מתמטיקה : L + sR s≤ 0

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

Ls לחץ בבטון כתוצאה מכוח אשר מופעל עליו (כדוגמה מהתקנת של עיגון)

בגלל שהלחצים בדרך כלל לא ידועים, התקן הבריטי הוסיף הדרכה לעזרת המתכננים* :

1. "קיבולת העוגנים אינה מושפעת מנוכחות סדקים בעת ההתקנה אלא בגלל התנועות הבאות של סדקים אלה. רק עומס שיופעל לאחר ההתקנה של עוגנים רלוונטיים". (the capacity of the anchors is not influenced by the presence of cracks at the time of the installation but rather the subsequent movement of these cracks. Only loads applied after the installation of the anchors are of interest) או במילים אחרות, כדי שהבטון יהיה מוגדר כסדוק לתכנון עוגנים, צריך שהעומסים מופעלים על העוגן יגרמו להופעת/הרחבת סדק או שהלחצים על האזור בבטון יגרמו להופעת/הרחבת סדק. זאת אומרת, כנגד הדעה הרווחת, שדווקא בבניין ישן, הסיכוי של יצירת סדק שלא נגרם על ידי העוגן עצמו נמוך מבניין חדש. בגלל זה, מוסיף התקן ההדרכה הבריטי :"בבית בשימוש, שבו אין דעיכה ואין סבירות של הגדלה משמעותית של העומסים, אפשר להתקין בו כל העוגנים" -כולל אלו המיועדים רק לבטון לא סדוק- (In an existing building in use, ie where decanting does not take place, anchors can be installed in any location provided it is unlikely that a significant increase in loading will occur after the installation of anchors.)
2. העומסים המופעלים על העוגנים משתנים עם הזמן והמיקום ולכן כל שיקול ריאלי של העמסה תהיה במונחים של הסתברות.( imposed loads applied to floors vary with time and space and thus any realistic consideration of loading will be in terms of probability)* סדקים בבטון מתרחשים ברווח קבוע ביניהם. האם עוגן מותקן בדיוק על סדק הוא סיכוי הסתברותי."זה אומר שככל שיש יותר עוגנים מחוברים, ככל שהסיכוי הסתברותי של בטון סדוק יורד או, שהגדלת מספר עוגנים מפחית את סיכוי שהבטון יהיה סדוק סטטיסטי."
3. העומס הנישא על ידי עוגנים הוא בדרך כלל בלתי תלוי בהעמסה המוטלת על המבנה ולכן יש עניין של סבירות משולבת. (the load carried by anchors is generally independent of the imposed loading applied to the structure and thus there is joint probability involved)* "זה אומר שהיחס בין גודל העומס מופעל על הסטרוקטורה ועל העוגן משחק תפקיד. וככל שהעומס מופעל על העוגן גדול, ככל שכנקרה הוא ישפיע יותר על הבטון מצד אחד, אבל מצד שני ככל שכנראה נשתמש בעוגנים עמוקים, וככל שניכנס יותר לעומק הבטון ככל שסיכוי למצור סדקים יפחת..."

וסיכם "בטון לא סדוק הינו בטון שבו העוגן לא הותקן בסדק או שבו אין סבירות גבוהה שהסדק הקיים שבו הותקן העוגן יתרחב לאורך שנים".

זאת אומרת שההגדרה של בטון סדוק או לא סדוק הינו הסתברותי, מבוסס על גורמי השפעה על הבטון. ננסה להבין מכאן מהם גורמי ההשפעה שאנו צריכים להתחשב בהם ונתחיל עם אלו שלא קשורים לעוגן עצמו, אבל לאזור בבטון שבו מותקן העוגן.

הדוגמה הכי מפורסמת להגדרת בטון סדוק בתחום העיגון הינה קורת בטון על 2 תמיכות. הבטון בחלק העליון בלחיצה והתחתון במתיחה. ומשם הדעה הפשוטה שבתקרה הבטון במתיחה צריך להיות מוגדר כסדוק וברצפה הבטון בלחץ, לא סדוק.

האם זה כל הזמן נכון ?

• נתחיל שהמצב בוודאי לא נכון בלוחות דרוכים.
• המתיחה/הלחיצה באזור של התמיכות הרבה יותר נמוכות ומעל התמיכה, הוא גם יכול להיות הפוך ואז דווקא הבטון ב"רצפה" תהיי אזורית במתיחה...ואם התמיכות לא נמצאות בקצה הקורה, אז דווקא הבטון ברצפה יהיה בלחיצה ובתקרה יהיה בלחיצה...

המתיכה/הלחיצה גם הרבה יותר גדולה בשכבות הראשונות של הבטון ובמרחק גדול מהתמיכות.

התקן אירופאי מתייחס לעוגן מותקן בבטון שבו מופיע סדק לכל עובי הבטון ברוחב 0.3 מ''מ לאחר התקנת העוגן. במציאות, הסדקים אינם לכל האורך אבל בעומק מוגבל מאוד. 

• גם אם נדמיין קורה בעובי 40 ס''מ. ואם נניח שה-20 ס''מ העליונים במתיכה וה-20 ס''מ התחתונים בלחיצה, ונניח שאני מתקין עוגן באורך 30 ס''מ. 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. זה אולי יכול לשקף מצב של התקנת עוגן קטן בעומק נמוך אבל, עוגנים יותר גדולים מותקנים בדרך כלל יותר עמוק, ואזור ההתקנה כולל לפעמים בתוכו שכבת בטון במתיחה ובלחיצה.

בואו נבחן את שני המצבים :

1. התקנה דרך בטון במתיחה באזור לחיצה
2. התקנה דרך בטון בלחיצה באזור מתיחה

הפחתה של תסבולת העוגן בבטון סדוק בכשל pull-out מגיע מתהליכי התרחבות שגורמים לתזוזה ולשחרור של העוגנים מכנים או לניתוק הדבק מהבטון בעיגון כימי. במידה והאזור שבו נמצא החיבור הינו באזור שלא יוכל להתרחב (0.3 מ''מ לבטון מוגדר כסדוק), כי הבטון בו בלחץ, זה לא יכול לקרות.

לגבי כשל לפי קונוס הבטון, נוכחות הסדק יכולה בהחלט לגרום להפחתה המתאימה להגדרות של בטון סדוק כי הסדק יכול לגרום לפיצול קונוס הבטון (ראה ציור מצורף) כמו בבטון שכולו במתיחה.

במחקרים רבים בשנתיים האחרונות כמו של אקנשו שרמה** מוכיחים שהתקן לעיגון ETA מפחית בצורה משמעותית בהשפעת הברזל זיון בחישוב של קונוס הבטון. (די הגיוני כי התקן האירופאי לעיגון ETA לא לוקח בחשבון בכשל לפי קונוס הבטון בברזל כשתפקידו הינו בדיוק לספוג את המתיחה בבטון). במחקר אחר רסול ניפורוש3*, מסביר שההשפעה של הברזל זיון גדולה יותר כשהקורה דקה יותר.

זאת אומרת, שאם 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 שהברזל זיון פחות צפוף, בכל זאת השפעתו תהיה גדולה. זאת אומרת שהסבירות שנדרשת להפחית התסבולת בחישוב של כשל לפי קונוס הבטון בבטון לא סדוק נמוכה.

שימו לב שלגבי עוגנים כימיים המצב יותר מורכב כי חלק מהחיבור בהדבקה נמצא בבטון באזור במתיחה וחלק לא וכתוצאה מכך, יש אולי לקחת בחשבון השפעה לפחות חלקית כבטון סדוק בהתאם לאחוז ההדבקה הנמצא באזור מתיחה.

במקרה זה, העוגן לא גורם למתיחה אבל ללחץ בבטון. זאת אומרת, שהסבירות שהבטון יותקן על סדק שישפיע על העוגן מאוד נמוכה.

ידוע שהאזור מתיחה שמייצרים העוגנים גורם לסדק להופיע במיקום העוגן. אבל האם קיים הבדל בין סוגי עוגנים שונים על תהליך זה?

מקור התמונה: הפעלת הבורג על עוגני הרבעה "כתב העת המהנדסים, 05-05-15"

העוגני חץ ועוגני דינמי, כל הלחצים בזמני מתיחה ממוקמים על אזור קטן הנמצא מסביב לכנפיים אבל ההשפעה בבטון מאוד רחבה. המתיחה מופעלת בזמן ההתקנה -כדי לפתוח את הכנפיים- ונמשכת גם ללא הפעלת לחץ חיצוני (יורד עם הזמן עד 60% מהחוזק ההתחלתי. זאת הסיבה שהתקנת עוגן חץ קרוב לקצה בטון יכולה לגרום לפעמים לשבירת הבטון לפני הפעלת כל הכוח על העוגן עצמו.).

מקור התמונה: הפעלת הבורג על עוגני הרבעה "כתב העת המהנדסים, 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 פחות רחבה.

למרות שלא מצאתי מחקר שתומך בדבר, אני סבור שהנוכחות של מתיחה קבועה שנגרמת על ידי עוגן חץ ו עוגן דינמי , משולבת עם אזור ההשפעה הרחב הינם גורמים המשפיעים 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 יכולה להתקרב לתסבולת העוגן.

לסיכום :

כנגד דעות החברות המובילות בעולם בתחום העיגון כגון הילטי או פישר שממליצות להגדיר בכל בטון כסדוק עד שלא הוכח אחרת, אני בעד הגישה של ההדרכה של התקן הבריטי ,שתואמת יותר את מה שחוויתי ב-15 שנות ניסיון שלי בתחום.

לפי דעתי ברב המקרים, הבטון הינו לא סדוק או אפשר לגרום לכך שהתכנון יהיה לבטון לא סדוק. ניסיתי לנסח סיכום לגבי מה שאני סבור שהינה הדרך יותר נכונה 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 של עוגנים ובעדיפות ב בורג בטון או ב עוגנים כימיים .
• מתקינים עוגן מכני שמתחבר באזור בלחיצה (יותר עמוק)
• לא צפוי שינויים של העמסה משמעותית על הבטון או על העוגן לאחר ההתקנה.
• האזור התקנה במתיחה (כמו תקרה) נמצא קרוב מאזור תמיכה (כמו עמוד).

הבטון סדוק כאשר :

• החיבור בוצע על ידי מעט עוגנים וקצרים.
• צפוי שינויים של העמסה משמעותית על הבטון או על העוגן לאחר ההתקנה.
• החיבור מבוצע על ידי עוגנים כימיים מעטים (עם הפחתת חלקית אם העוגן כימי מגיע עד אזור הלחיצה בבטון).

3 - תכנון עיגון בהתקנה באזורי בטון בלחיצה :

• הבטון לא סדוק

מקורות :

* BBA Guidance no. 39

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

* 3 "חיזוק ביכולת המתיחה של עוגנים ראשים בבטון לא מפוטר" Rasoul Nilforoush, Martin Nilsson, SM Asce, Lennart Elfgren, Journal Structure Engineering 2018,144 (4): 04018012