איך להתייחס לאישור לרעידת אדמה בתחום העיגון

מתי צריך לבצע בדיקת שליפה לעוגנים?

8 בדצמבר 2019

איפה הסדקים בהגדרה של בטון סדוק ?

דמיינו שתי חברות ביטוח ששולטות על 65% מהשוק העולמי בתחום שלהן, 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.

גרף בטון סדוק

אין ספק, והתופעה נחקרה לעומק ולרוחב במחקרים בעולם, שיש השפעה של סדק רחב על תסבולת העוגן, ויש הגדרות ברורות בתקנים בינלאומיים לגביו. השאלה אינה מה התסבולת של עוגן מותקן בסדק, אלא מה הסבירות שעוגן באפליקציה רגילה יהיה מותקן בסדק דומה לזה שמוגדר בתקנים.

רובם אם לא כל המחקרים בנושא ממומנים על ידי ספקי עוגנים — אותם ספקים שמרוויחים פי–4 יותר כשהבטון מוגדר כסדוק. ובוודאי שלספקים יש 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 הראשונה מבוססת על נוסחה מתמטית:

σ_Ls + σ_Rs ≤ 0

σ_Rs — מאמץ בבטון כתוצאה מדפורמציות (0 נ׳/ממ״ר באזור לחיצה, 3 נ׳/ממ״ר אם לא ידוע)
σ_Ls — מאמץ בבטון כתוצאה מכוח המופעל עליו, לרבות פעולת העיגון עצמו

בגלל שהמאמצים בדרך כלל לא ידועים למתכנן העיגון, התקן הבריטי הוסיף הדרכה בדיוק למצב הזה.

רגע — כמה עומס בכלל צריך כדי לפתוח סדק של 0.3 מ״מ?

התקן מדבר על סדק ברוחב 0.3 מ״מ. אבל אף אחד לא שואל את השאלה הפשוטה: מה צריך לקרות בתקרה כדי שסדק כזה בכלל ייפתח?

אפשר פשוט לחשב את זה. לקחנו תקרה רגילה לגמרי — 20 ס״מ, בטון C30/37, קוטר 12 כל 15 ס״מ בתחתית, כיסוי 25 מ״מ — והרצנו את נוסחת רוחב הסדק של התקן עצמו:

כדי להגיע לרוחב של 0.3 מ״מ צריך מאמץ בברזל של 348 נ׳/ממ״ר — כ–80% מחוזק הכניעה התכנוני.
זה מומנט של כ–41 קנ״מ למטר, בערך 80% מכושר הנשיאה של החתך.
בתקרה שעובדת בשירות רגיל, במאמץ ברזל של 250 נ׳/ממ״ר, הסדק יוצא 0.185 מ״מ.

מה זה אומר בפועל: 0.3 מ״מ זה לא הסדק של תקרה רגילה. זה הסדק של תקרה שעובדת כמעט על הגבול העליון שלה. רוב התקרות בשטח, רוב הזמן, נמצאות הרבה מתחת לזה — ובכל זאת הסיווג מחיל את אותו סדק על כל תקרה, בלי לשאול איפה היא נמצאת בטווח.

הנחיות התקן הבריטי

”קיבולת העוגנים אינה מושפעת מנוכחות סדקים בעת ההתקנה“ — אלא מהתנועות הבאות של אותם סדקים. רק עומס שיופעל לאחר התקנת העוגנים רלוונטי. כדי שהבטון יוגדר כסדוק לתכנון עוגנים, צריך שהעומסים המופעלים על העוגן יגרמו להופעת או להרחבת סדק.

”בבניין בשימוש, שבו אין פינוי ואין סבירות של הגדלה משמעותית של העומסים, אפשר להתקין בו את כל סוגי העוגנים“ — כולל אלה המיועדים רק לבטון לא סדוק.

העומסים המופעלים על העוגנים משתנים עם הזמן והמיקום, ולכן כל שיקול ריאלי של העמסה יהיה במונחי הסתברות. ככל שיש יותר עוגנים בחיבור, כך קטנה ההסתברות שעוגן מסוים יישב בדיוק על סדק.

ההגדרה שמתקבלת: בטון לא סדוק הוא בטון שבו אין עוגן שהותקן בסדק, או שבו אין סבירות גבוהה שהסדק הקיים שבו הותקן העוגן יתרחב לאורך שנים.

זאת אומרת שההגדרה של בטון סדוק או לא סדוק הינה הסתברותית, מבוססת על גורמי השפעה על הבטון. ננסה להבין מהם גורמי ההשפעה שאנו צריכים להתחשב בהם.

הדוגמה הקלאסית: קורת בטון על שתי תמיכות

קורת בטון על שתי תמיכות

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

האם זה כל הזמן נכון?

המצב בוודאי לא נכון בלוחות דרוכים.
המתיחה והלחיצה באזור התמיכות נמוכות בהרבה, ומעל התמיכה הסימן יכול אפילו להתהפך — ואז דווקא הבטון ב”רצפה“ יהיה אזורית במתיחה.
המתיחה והלחיצה גם גדולות בהרבה בשכבות החיצוניות של הבטון, ובמרחק גדול מהתמיכות.
התקן האירופאי מתייחס לעוגן המותקן בבטון שבו מופיע סדק לכל עובי החתך ברוחב 0.3 מ״מ לאחר התקנת העוגן. במציאות הסדקים אינם כאלה.

הפצת מאמצים בבטון

גם אם נדמיין קורה בעובי 40 ס״מ, ונניח ש–20 ס״מ העליונים במתיחה ו–20 ס״מ התחתונים בלחיצה, ונתקין עוגן באורך 30 ס״מ — אז בהתקנה מצד הרצפה אני אגיע דווקא לאזור הבטון שנמצא במתיחה, ולהפך. כל המחקרים וכל התקנים בנויים סביב התמונה הפשטנית, בזמן שהמציאות בשטח מגוונת הרבה יותר.

אזורי מתיחה ולחיצה בבטון

הסדק הוא טריז, לא חריץ

זו כנראה הנקודה הכי פשוטה במאמר הזה, וגם הכי מפתיעה.

כשמסתכלים על סדק בתחתית תקרה רואים רוחב מסוים בפני השטח — נניח 0.3 מ״מ. אבל סדק כפיפה לא נשאר באותו רוחב לעומק. הוא מצטמצם ככל שנכנסים פנימה, עד שהוא נסגר לגמרי.

והעוגן שלך לא יושב בפני השטח. הוא יושב 60, 80 או 120 מ״מ פנימה. שם הסדק כבר צר בהרבה.

עומק עיגון	רוחב ממוצע לאורך העוגן בתנאי הייחוס (0.3 מ״מ בפני השטח)	רוחב ממוצע לאורך העוגן בתקרה בשירות רגיל
60 מ״מ	0.245 מ״מ	0.151 מ״מ
80 מ״מ	0.227 מ״מ	0.140 מ״מ
120 מ״מ	0.191 מ״מ	0.118 מ״מ

המקרה הכי נפוץ שיש: תלייה מתחת לתקרה של 20 ס״מ, עוגן בעומק 80 מ״מ. העוגן פוגש בממוצע כ–0.14 מ״מ — פחות ממחצית מה–0.3 מ״מ שלפיו הוא נבדק ואושר.

ואיך בודקים את העוגן במעבדה? בדגם הבדיקה מסדקים את כל עובי האלמנט ומחזיקים את הסדק ברוחב אחיד לכל אורך העוגן. כלומר בודקים את העוגן בתנאי חמור יותר ממה שהוא באמת יפגוש בתקרה.

ויש כאן גם סתירה פשוטה: אילו הסדק היה 0.3 מ״מ בעומק העוגן, הוא היה רחב מ–0.3 מ״מ בפני השטח — והתקרה כבר הייתה חורגת מהמגבלה שמגדירה מלכתחילה ”בטון סדוק“.

חשוב לומר במדויק: זה לא אומר שהסדק רדוד. סדק כפיפה מגיע עד הציר הנייטרלי — באותה תקרה של 20 ס״מ הוא מגיע לעומק של כ–16.5 ס״מ, כלומר הוא עובר את כל אורך העוגן. הסדק עמוק. הוא פשוט צר שם.

כשל שליפה וכשל חרוט בטון: מתי הסדק משפיע?

ההפחתה של תסבולת העוגן בבטון סדוק בכשל שליפה מגיעה מתהליכי התרחבות שגורמים לתזוזה ולשחרור של עוגנים מכניים, או לניתוק הדבק מהבטון בעיגון כימי. אם האזור שבו נמצא החיבור לא יכול להתרחב — כי הבטון בו בלחיצה — זה פשוט לא יכול לקרות.

לגבי כשל לפי חרוט הבטון, נוכחות הסדק יכולה בהחלט לגרום להפחתה המתאימה להגדרות של בטון סדוק, כי הסדק יכול לפצל את חרוט הבטון כמו בבטון שכולו במתיחה.

מחקרים מהשנים האחרונות, כמו של אקנשו שרמה, בדקו נושא אחר — את תרומת הזיון המשלים — אבל התוצאה שלהם רלוונטית מאוד כאן: הם מראים שתקן העיגון האירופאי מפחית בצורה משמעותית את השפעת ברזל הזיון בחישוב חרוט הבטון. זה הגיוני: כללי העיגון אינם מביאים בחשבון את הזיון בכשל חרוט, למרות שתפקידו של הזיון הוא בדיוק לספוג מתיחה בבטון. במחקר נוסף מראה רסול ניפורוש שתרומת הזיון גדולה יחסית יותר ככל שהאלמנט דק יותר.

זאת אומרת שאם קורת הבטון עבה, יש סבירות גדולה שיהיה בה ברזל זיון עבה או צפוף שישפר משמעותית את תסבולת הכשל לפי חרוט הבטון. ואם הקורה דקה — התרומה היחסית של הזיון דווקא גדולה יותר, וגם הסבירות שסדק יגיע לעומק המשמעותי קטנה יותר.

השפעת סוגי עוגנים שונים על יצירת סדקים

ידוע שאזור המתיחה שמייצרים העוגנים גורם לסדק להופיע במיקום העוגן. אבל האם קיים הבדל בין סוגי עוגנים שונים בתהליך הזה?

עוגני חץ - השפעה על הבטון

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

עוגני חץ ועוגנים דינמיים

אזור ההשפעה של עוגן חץ בתוך הבטון רחב מאוד. המתיחה מופעלת כבר בשלב ההתקנה, כדי לפתוח את הקליפסים, והיא נמשכת גם ללא הפעלת עומס חיצוני (יורדת עם הזמן עד כ–60% מהערך ההתחלתי). זו הסיבה שהתקנת עוגן חץ קרוב לקצה בטון יכולה לפעמים לשבור את הבטון עוד לפני הפעלת מלוא הכוח על העוגן עצמו.

ברגים ועוגנים כימיים - השפעה על הבטון

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

ברגי בטון בהברגה ישירה ועוגנים כימיים מפזרים את המאמצים לאורך ההדבקה או ההברגה, ואינם מפעילים מתיחה ללא הפעלת מתיחה חיצונית על העוגן. ההשפעה שלהם על הבטון פחות רחבה.

אני סבור שנוכחות המתיחה הקבועה שנגרמת על ידי עוגן חץ ועוגן דינמי, בשילוב עם אזור ההשפעה הרחב, הם גורמים המשפיעים על יצירת סדק במיקום העוגן. גם כשברגי בטון או עוגנים כימיים נמצאים במתיחה, המתיחה מגיעה בשיאה לכשליש מתסבולת העוגן.

ומה אם העוגן עובד רק בגזירה?

הרבה חיבורים בשטח — פרופיל על קיר, מסילה, זווית נושאת — מעמיסים על העוגן גזירה בלבד, בלי מתיחה. במקרה כזה כדאי לעצור ולשאול מה בכלל הסיווג ”סדוק“ משנה.

כשעוגן עובד בגזירה בלבד, שלוש בדיקות יכולות לקבוע:

כשל הפלדה — תכונה של הפלדה של העוגן. לא משתנה בין בטון סדוק ללא סדוק.
כשל קצה בטון — תלוי במרחק מהקצה, בקוטר העוגן, באורך העברת העומס ובחוזק הבטון. ההבדל בין סדוק ללא סדוק הוא מקדם של התקן (1.7 מול 2.4) — לא נתון שנמדד על המוצר.
כשל pry-out — תלוי בקשיחות העוגן ובהתנהגות התזוזה שלו, וזה זהה בשני המצבים.

ומה שכן נבדק באישור לבטון סדוק — היכולת של העוגן לשמור על כוח ההתפשטות כשסדק נפתח ונסגר תחת מתיחה — פשוט לא מופעל כאן.

שימו לב לניסוח המדויק: אין כאן חוסר בנתונים. כל מה שצריך כדי לחשב זמין גם לעוגן שאושר לבטון לא סדוק בלבד — תסבולת הפלדה מוצהרת, הקוטר ואורך העברת העומס מוצהרים, ומקדמי הבטון הסדוק שייכים לתקן. את החישוב אפשר לעשות היום, במלואו, בלי להמציא שום נתון. מה שחוסם זה תחום התחולה של האישור, לא חסר בו. האיסור פורמלי.

ולכן — לא הנחיה לשטח: התקן עדיין מחייב עוגן מאושר לבטון סדוק כשהבטון סדוק, וזו טענה עקרונית שמופנית לגופי התקינה. ועוד: ”גזירה בלבד“ זה תנאי מחמיר יותר ממה שהוא נשמע — חיבור במרווח, ריסון של הפרופיל והזזות גדולות כולם מכניסים מתיחה. יש גם הסתייגות אחת אמיתית שנשארת: עוגן חץ שמאבד את מתח הקדם שלו בסדק נע כבר אינו במצב שבו נבדק — וזו שאלה של שימושיות לאורך זמן, לא של יכולת לחשב.

תמונות נוספות מהמחקר

פירוט טכני - עוגנים

נתוני מחקר

תוצאות בדיקות

גרף השוואה

סיכום

לכאורה התקנים האירופאים שמגדירים מהו בטון סדוק זהים בתקן לבטון ובתקן לעוגנים, עם הגדרה של אפשרות להופעת סדק ברוחב 0.3 מ״מ. אבל בזמן שסדק בעומק קטן מאוד מספיק כדי שהבטון יקבל הגדרה של בטון סדוק — כי אין שום התייחסות לעומק הסדק — ההשפעה שלו על עוגן המותקן באותו סדק תהיה מינורית אם העומק נמוך.

זה מסביר למה בבדיקות רגילות לא תוכלו אף פעם להרגיש את ההשפעה של ”בטון סדוק“: אם היא קיימת, מדובר בתופעה שמתפתחת עם הזמן, ובסבירות הקשורה לסוג התכנון ולמיקום התקנת העוגנים.

לפי דעתי, ברוב המקרים הבטון הינו לא סדוק, או שאפשר לגרום לכך שהתכנון יהיה לבטון לא סדוק.

הכלל שאנחנו מציעים — והוא הפוך מהנהוג

אם מחברים את הכל: הסדק שהתקן לוקח כייחוס מתאים לתקרה שעובדת כמעט על הגבול; ברוחב, במקום שבו העוגן באמת יושב, הוא פחות ממחצית מזה; והסדק האחיד לכל העובי שייך לסוג מבנים מסוים — קירות יצוקים לתוך ריסון, רצפות על הקרקע, מאגרי מים — ולא לתקרות ולתחתיות שבהן מבוצע רוב העיגון.

הכלל: כשאין מנגנון מציאותי שבו יכול להופיע סדק כזה באזור העיגון — יש לקבוע שהבטון לא סדוק. רק כשנשאר ספק אמיתי — לקבוע שהוא סדוק.

זו הצעה ולא תיאור של המצב החוקי: התקן קובע את ברירת המחדל בכיוון ההפוך. אבל ברירת מחדל היא בסך הכל שאלה של מי צריך להוכיח, ומקומה על המקרה הפחות שכיח. מסגרת שמחייבת להפריך את החריג בכל מקרה, בעזרת מידע שאין בידי מתכנן העיגון, תחזיר ”סדוק“ בכל פעם.

וכשהספק אמיתי, התשובה לא משתנה: מתכננים לבטון סדוק. הקנס הוא עלות ידועה, והחלופה היא סיכון לא ידוע.

הנחיות תכנון מעשיות

תכנון לרעידת אדמה: הבטון סדוק בכל מקרה.

תכנון עיגון בהתקנה באזורי בטון במתיחה:

הבטון לא סדוק כאשר:

מפזרים את העומס על מספר גדול של עוגנים, ובעדיפות בורגי בטון או עוגנים כימיים.
מתקינים עוגן מכני שמתחבר באזור בלחיצה (עמוק יותר בחתך).
באזור שבו מותקנים העוגנים אין סבירות להופעת סדק בעומק קרוב לעומק ההתקנה.
לא צפויים שינויי העמסה משמעותיים על הבטון או על העוגן לאחר ההתקנה.

הבטון סדוק כאשר:

החיבור בוצע על ידי מעט עוגנים וקצרים באזור במתיחה.
צפויים שינויי העמסה משמעותיים על הבטון או על העוגן לאחר ההתקנה (שיגרמו למתיחה ולסדקים).
העיגון נמצא במקום שבו התכן צופה במפורש סדק רחב — אזור מפרק פלסטי, מיקום סדק מתוכנן, או אלמנט שתוכנן לסידוק ריסון לכל העובי. תכן סדוק רגיל אינו נחשב: כל אלמנט מזוין מתוכנן במצב סדוק, ולכן זה לבדו אינו קובע דבר.

בהתקנה באזורי בטון בלחיצה — הבטון לא סדוק.

מקורות

BBA Guidance no. 39 — Anchor Bolts for Use in Concrete, British Board of Agrément, מהדורה 4, 2015.
מחקר אקנשו שרמה — Sharma, Eligehausen & Asmus, Institute of Construction Materials, Stuttgart, 2017.
מחקר רסול ניפורוש — Nilforoush, Nilsson & Elfgren, Journal of Structural Engineering 144(4), 2018.
הגרסה האקדמית המלאה, בגישה חופשית: doi.org/10.5281/zenodo.22172139