Awaria stropu

Fot. 1. Widok budynku magazynu płodów rolnych od strony ściany szczytowej

Wstęp
Błędy projektowe oraz wykonawcze popełnione na etapie projektowania oraz wznoszenia budynku mają istotny wpływ na bezpieczeństwo konstrukcji i bezpieczeństwo jego użytkowania. Jednak niewłaściwa eksploatacja w bardzo istotny sposób może przyczynić się do powstania bezpośredniego zagrożenia bezpieczeństwa użytkowania oraz bezpieczeństwa konstrukcji obiektu [1].

Usuwanie usterek w budynkach zrealizowanych w początkowym okresie XX wieku jest trudne z uwagi na bardzo częsty brak dokumentacji projektowej na podstawie, której zostały one zrealizowane. Dodatkowym utrudnieniem jest to, że budynki te są najczęściej cały czas eksploatowane, a ich całkowite lub częściowe wyłączenie z eksploatacji powoduje poważne utrudnienia organizacyjne [2]. Celem artykułu jest przedstawienie wpływu błędów wykonawczych oraz niewłaściwej eksploatacji stropu nad przyziemiem budynku magazynu płodów rolnych. Kumulacja tych destrukcyjnych oddziaływań po latach użytkowania obiektu doprowadziła do powstania stanu awaryjnego. W artykule przedstawiono również przyjęty sposób usunięcia usterek.

Dane ogólne
Budynek magazynu został zrealizowany w końcu XIX wieku w technologii tradycyjnej, jako dwukondygnacyjny, nie podpiwniczony (fot. 1). Główna bryła budynku była prostokątem o wymiarach zewnętrznych ok. 20 m × ok. 38 m. Mury zewnętrzne w poziomie przyziemia o grubościach od 51 cm do 80 cm wykonano z cegły ceramicznej pełnej z lokalnymi przemurowaniami z kamienia naturalnego. W poziomie poddasza mury zewnętrzne wykonano z cegły ceramicznej pełnej o grubości 51 cm. Strop nad przyziemiem wykonany został jako strop żelbetowy, monolityczny, w którym płyty jednokierunkowo zbrojone oparte zostały na monolitycznych żebrach i podciągach (fot. 2). Płyta stropowa o grubości 8 cm oparta była na poprzecznych żebrach, rozmieszczonych w osiach 2÷8 o wymiarach w przekroju poprzecznym 22 cm × 40 cm i rozstawie osiowym co 230÷235 cm oraz podłużnych podciągach o wymiarach 29 cm × 60 cm w rozstawie osiowym co 490 cm. Podciągi w osiach B, C i D zrealizowano jako 8-przęsłowe belki oparte na ścianach szczytowych oraz na podporach pośrednich wykonanych jako słupy murowane z cegły ceramicznej pełnej o wymiarach w przekroju poprzecznym 54 cm × 54 cm. Żebra poprzeczne wykonstruowane zostały jako 4-przęsłowe i podobnie jak podciągi podłużne oparte zostały na wewnętrznych słupach murowanych oraz zewnętrznych ścianach podłużnych (fot. 3). Przekrycie budynku stanowił dach drewniany stromy. Więźba dachowa wykonstruowana została jako dach drewniany o konstrukcji płatwiowo–kleszczowej, pokrycie stanowiły warstwy papy ułożone na deskowaniu (wierzchnia warstwa papy termozgrzewalnej ułożona była na 3 warstwach papy asfaltowej przyklejonej na lepiku asfaltowym). Słupy drewnianej więźby dachowej w poziomie poddasza rozmieszczone zostały bezpośrednio nad słupami murowanymi w poziomie przyziemia. Budynek posiadał wewnętrzną klatkę schodową z żelbetową, monolityczną płytą biegową.


Fot. 2. Wnętrze magazynu (przyziemie)

Opis usterek i uszkodzeń stropu nad przyziemiem
W trakcie tzw. rocznego przeglądu budynku stwierdzono rozległe uszkodzenia płyt pomiędzy układem żeber i podciągów. W widoku od spodu stropu stwierdzono korozję prętów zbrojeniowych płyt – pręty główne o średnicy ∅8 mm rozmieszczone w rozstawie od 90 mm do 130 mm posiadały otulinę betonową o przeciętnej grubości 14 mm, pręty rozdzielcze o średnicy ∅6 mm w rozstawie od 80 mm do 220 mm posiadały otulinę betonową o średniej grubości 30 mm. Na części powierzchni płyt widoczne były pręty zbrojenia głównego, które były całkowicie pozbawione otuliny. Poprzeczne żebra posiadały liczne uszkodzenia i ubytki betonu na dolnej powierzchni oraz uszkodzone krawędzie, powstałe prawdopodobnie w wyniku uszkodzeń mechanicznych jako następstwo uderzeń wózkiem widłowym (fot. 4). Na podciągach widoczne były ubytki otuliny betonowej oraz ślady rozległej korozji odkrytych prętów zbrojeniowych. W strefach przypodporowych podciągów na ich bocznej powierzchni widoczne były ukośne zarysowania. Kąt pochylenia rys był zbliżony we wszystkich przęsłach i wynosił ok. 45°. W przypadku 2. i 7. przęsła (przedostatnie) ukośne uszkodzenia były pęknięciami wskrośnymi. Na stropie w poziomie poddasza w miejscach występowania pęknięć wskrośnych podciągów podłużnych w okresie minionym ustawione były maszyny służące do suszenia i pakowania płodów rolnych – występowała tam więc koncentracja obciążeń o charakterze statycznym i dynamicznym.


Fot. 3. Rzut przyziemia obiektu

W wykonanych odwiertach płyt stropowych stwierdzono, że wbudowany beton charakteryzuje się znaczną porowatością i wykonany został na kruszywie otoczakowym o maksymalnej średnicy ziaren 25 mm (fot. 6). Żebra i podciągi wykonane zostały z betonu charakteryzującego się dużą zawartością frakcji piaskowych (< 2 mm). Na powierzchni murowanych słupów nie stwierdzono poziomych ani pionowych zarysowań czy pęknięć mogących świadczyć o przeciążeniu. Elementy drewnianej więźby dachowej posiadały lokalne ubytki drewna (ślady) powstałe w wyniku żerowania larw i owadów, ponadto niektóre elementy drewniane były lokalnie zawilgocone w wyniku nieszczelności pokrycia dachowego.


Fot. 4. Przykładowe uszkodzenie żebra poprzecznego stropu nad przyziemiem – ubytki otuliny prętów zbrojeniowych

Analiza stanu technicznego stropu nad przyziemiem
Analiza stanu technicznego stropu nad przyziemiem w aspekcie bezpieczeństwa użytkowania magazynu przeprowadzona została w oparciu o wyniki następujących badań:

1. pH betonu,
2. sklerometrycznych,
3. wytrzymałości betonu na ściskanie.

W analizie wykorzystano również rezultaty przeprowadzonych sprawdzających obliczeń statyczno-wytrzymałościowych. Do obliczeń wykorzystano program bazujący na założeniach Metody elementów skończonych. Płyta wymodelowana została 3-węzłowymi elementami płaskimi, natomiast żebra i podciągi 2-węzłowymi elementami prętowymi. W każdym węźle elementy miały 6 stopni swobody. Beton zamodelowano jako materiał sprężysty. Ugięcia obliczone zostały w stanie zarysowanym przy uwzględnieniu spadku sztywności elementu w wyniku zarysowania.


Fot. 5. Przykładowe uszkodzenie podciągu podłużnego stropu nad przyziemiem – ukośne pęknięcie skrośne oraz ubytki otuliny prętów zbrojeniowych

Analiza morfologii rys podciągów pozwoliła na sformułowanie tezy, że ich zarysowania w miejscu oparcia podciągów na słupach murowanych w osiach B, C oraz D były następstwem osiadania słupów w początkowym okresie eksploatacji obiektu oraz następstwem braku dodatkowego zbrojenia w miejscach połączenia żeber z podciągami. W przypadku uszkodzeń w miejscu połączenia podciągów i żeber (w miejscach, gdzie brak podpór w postaci słupów murowanych) przyczyną zarysowania był brak dodatkowego zbrojenia w miejscach połączenia żeber z podciągami. W przypadku przęseł nr 2 i 7 (przedostatnich) pęknięcia wskrośne podciągu (fot. 5) oprócz wymienionych wcześniej przyczyn spowodowane były dodatkowym lokalnym przeciążeniem wywołanym ustawieniem maszyn (suszarko-pakowarek) i składowaniem w ich bezpośrednim sąsiedztwie płodów rolnych w workach.

Wyniki badań pH w wykonanych odkrywkach, w postaci odbarwienia powierzchni betonu pod wpływem cieczy pomiarowej tzw. „Rainbow Test” (fot. 7), pozwoliły na stwierdzenie, że pH betonu na całej grubości płyty (pH ≤ 7) jest mniejsze od wartości granicznej 11,8, co oznacza, że beton utracił naturalną zdolność ochrony zbrojenia przed korozją [4, 5]. Potwierdziła to widoczna w wykonanych odkrywkach korozja powierzchniowa i wżerowa prętów zbrojeniowych.

Wyniki badań sklerometrycznych betonu wbudowanego w strop nad przyziemiem wykazały, że jednorodność betonu jest niedostateczna.

Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie, odnoszące się do próbek betonu pobranych ze stropu nad przyziemiem pokazały, że z uwagi na niewielką wytrzymałość na ściskanie (f_ci = 4,6 MPa, f_cm = 5,4 MPa) beton nie spełniał wymagań dla betonu konstrukcyjnego [7] – przyjęto, że jest to beton niekonstrukcyjny, o parametrach odpowiadających betonowi podkładowemu, tzw. „chudemu” betonowi.


Fot. 6. Odwiert stropu nad przyziemiem – porowata struktura betonu konstrukcji stropu (na dole) oraz warstwy gładzi betonowej na stropie (na górze); izolacja przeciwwilgociowa wykonana z papy smołowej

W celu określenia wytężenia stropu wykonano sprawdzające obliczenia statyczno-wytrzymałościowe, które przeprowadzone zostały dla następujących założeń: przyjęto

1. charakterystyczną wytrzymałość betonu na ściskanie f_ck = 3,6 MPa,
2. charakterystyczną wytrzymałość stali f_yd = 120 MPa (z uwagi na okres realizacji obiektu),
3. w obliczeniach uwzględniono rzeczywisty stopień zbrojenia.

Rozstaw prętów zbrojeniowych oraz ich średnicę przyjęto na podstawie wyników skanowania powierzchni płyt, żeber i podciągów aparatem typu Ferroskan PS200 firmy Hilti. Wyniki pomiarów Ferroskanem zweryfikowane zostały w miejscach wykonanych odkrywek.

Obliczenia wykonano dla przypadku:

1. stropu obciążonego tylko ciężarem własnym (brak składowania płodów rolnych w poziomie poddasza),
2. stropu obciążonego ciężarem własnym oraz obciążeniem zmiennym o wartości p = 2,0 kN/m² odpowiadającym specyfice użytkowania poddasza budynku magazynu płodów rolnych (przypadek składowania płodów rolnych w poziomie poddasza – analogia do przypadku poddaszy użytkowanych jako magazyny lub kondygnacje techniczne).

Wyniki obliczeń pokazały, że elementy konstrukcyjne stropu nad przyziemiem nie spełniają normowych warunków Stanu Granicznego Nośności (SGN) oraz Stanu Granicznego Użytkowalności (SGU), określonych w normie PN-B-03264:2002 oraz PN-B-03264:2002/Ap1:2004 Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Obliczenia statyczne i projektowanie – przeciążenie elementów stropu występowało zarówno w stanie istniejącym (gdy strop nie był obciążony płodami rolnymi) oraz tym bardziej, gdy na stropie składowane są płody rolne.


Fot. 7. Uszkodzony fragment podciągu podłużnego poddany doraźnej analizie chemicznej w zakresie ochrony stali (pH < 7)

Projekt usunięcia usterek i uszkodzeń
Uwzględniając stan techniczny stropu nad przyziemiem zaproponowane zostały warianty jego naprawy [6, 8–10]:

Wariant 1
Całkowita rozbiórka budynku i jego odtworzenie z dostosowaniem nośności elementów konstrukcyjnych do aktualnych wymagań użytkownika. Rozwiązanie to nie zostało przyjęte do realizacji ze względu na narzuconą przez konserwatora zabytków konieczność zachowania istniejącej bryły budynku.

Wariant 2
Wykonanie stropu technicznego powyżej istniejącego stropu nad przyziemiem. Rozwiązanie nie zostało przyjęte do realizacji ze względu na docelowe istotne zmniejszenie wysokości użytkowej kondygnacji poddasza oraz konieczność wykonania dodatkowych podpór, które w poziomie przyziemia zaburzyły by układ funkcjonalno-użytkowy,

Wariant 3
Wzmocnienie poszczególnych elementów stropu nad przyziemiem (żeber, podciągów) stalowymi obejmami (fot. 8) oraz nadbetonowanie istniejącej płyty stropowej. Ten wariant prac remontowo-naprawczych został przewidziany do realizacji.
Zadaniem obejm stalowych było przejęcie sił wewnętrznych (momentów oraz sił ścinających) dla przyjętego stanu obciążenia. Przekroje elementów stalowych zostały tak dobrane, aby wielkość wytężenia przekroju, w przypadku składowania na stropie obciążenia zmiennego o wartości p = 2,0 kN/m², nie przekraczała 80% jego nośności. Opracowane rozwiązanie projektowe przewidywało wzmocnienie płyty stropowej poprzez jej nadbetonowanie – przyjęto, że w stanie projektowanym istniejąca płyta pozostanie nierozebrana i zostanie wykorzystana jako szalunek dla nowej płyty stropowej. W obliczeniach pominięto współpracę obu płyt w przenoszeniu obciążeń – założono, że wszystkie obciążenia przekazywane na wzmocnione żebra i podciągi przenosi nowa płyta stropowa. Przyjęto, że w stanie projektowanym istniejąca płyta przenosi tylko i wyłącznie swój ciężar własny – w obliczeniach sprawdzających istniejącej płyty stropowej uwzględniono jej częściowe odciążenie poprzez usunięcie warstwy gładzi betonowej stanowiącej posadzkę oraz tymczasowe obciążenie montażowe (0,5 kN/m²). Zaprojektowano połączenie obu płyt za pomocą trzpieni stalowych ∅8 mm osadzonych w istniejącej płycie z użyciem żywicy epoksydowej. Rozstaw trzpieni przyjęto jako 8 szt./1 m². Na czas betonowania przewidziano podstemplowanie istniejącej płyty stropowej regulowanymi rozporami stalowymi.


Fot. 8. Koncepcja rozwiązania projektowego wzmocnienia podciągu stropu nad przyziemiem budynku (wg Wariantu 3)

Równolegle z opracowaniem koncepcji wzmocnienia stropu nad przyziemiem podjęte zostały działania mające na celu przygotowanie dokumentacji remontowej obejmującej przeprowadzenie kompleksowych prac remontowo-naprawczych w budynku, w tym wzmocnienia elementów drewnianej więźby dachowej oraz przebudowę pokrycia.

Literatura:
  1.    Urban A.: Katastrofy budowlane w 2006 i analiza katastrof w latach 1995-2006, Materiały XXIII Konferencji Awarie Budowlane, Szczecin-Międzyzdroje 2007, 185–198.
  2.    Mitzel A., Stachurski W., Suwalski J.: Awarie konstrukcji betonowych i murowych, Arkady, 1982.
  3.    Ściślewski Z.: Ochrona konstrukcji żelbetowych, Arkady, Warszawa 1999.
  4.    Neville A.M.: Właściwości betonu. Wydawnictwo Polski Cement, Kraków, 2000.
  5.    Jamroży Z.: Beton i jego technologie, PWN, Warszawa, 2005.
  6.    Czarnecki L., Emmons P., H.: Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych, Wydawnictwo Polski Cement, 2002.
  7.    Praca zbiorowa (edytor: B. Lewicki): Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Komentarz naukowy do PN-B-03264:2002. Tom 1, Wydawnictwo ITB, Warszawa, 2005.
  8.    Starosolski W.: Konstrukcje żelbetowe wg PN-B-03264:2002, PWN, Warszawa, 2003.
  9.    Masłowski E., Spiżewska D.: Wzmacnianie konstrukcji budowlanych, Arkady, 2000.
10.    Runkiewicz L.: Diagnostyka i wzmacnianie konstrukcji żelbetowych, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce, 1999.

dr inż. Maciej Niedostatkiewicz
Politechnika Gdańska
Pracownia Projektowo-Inżynierska Maciej Niedostatkiewicz
mgr inż. Tomasz Majewski
Pracownia Projektowo-Inżynierska Tomasz Majewski


CZYTAJ WIĘCEJ

Stropodachy płaskie z odwodnieniem wewnętrznym cz. 1*
Stropodachy płaskie z odwodnieniem wewnętrznym, cz. 2
Co mają wieńce stropowe do kominów
Ocieplenie stropodachu bez mostków termicznych
Renowacja hydroizolacji stropów nad obiektami podziemnymi

---