TYMCZASOWE WZMOCNIENIE ZAGROśONEGO AWARIĄ STROPU W HALI PRZEMYSŁOWEJ

Transkrypt

1 Dr inŝ. Szymon DAWCZYŃSKI, Dr inŝ. Jacek HULIMKA, Dr inŝ. Rafał KRZYWOŃ, Politechnika Śląska w Gliwicach TYMCZASOWE WZMOCNIENIE ZAGROśONEGO AWARIĄ STROPU W HALI PRZEMYSŁOWEJ TEMPORARY STRENGTHENING OF FLOOR AT RISK FROM FAILURE IN INDUSTRIAL ROOM Streszczenie W referacie przedstawiono konstrukcję Ŝelbetowo stalowego stropu technologicznego usytuowanego w hali przemysłowej. Zły stan techniczny płyty stropowej wskazywał na moŝliwość wystąpienia stanu awaryjnego całej konstrukcji, co w efekcie mogło spowodować uszkodzenie lub zniszczenie licznych urządzeń znajdujących się zarówno na, jak i pod przedmiotowym stropem. Na podstawie dostępnej dokumentacji technicznej, własnych inwentaryzacji oraz przeprowadzonych badań materiałowych autorzy referatu szczegółowo przeanalizowali przyczyny oraz zakres zaistniałych uszkodzeń, a takŝe określili niezbędne warunki dalszej bezpiecznej eksploatacji. Z uwagi na opisane w tekście referatu uwarunkowania technologiczne konieczne było zastosowanie rozwiązania tymczasowego, polegającego na wzmocnieniu płyty stropu dodatkowymi elementami stalowymi. Abstract The paper presents construction of large-surface, reinforced concrete and steel technological slab located in industrial room. Bad technical condition of the floor slab indicated possibility of the whole construction failure which could result in failure or damage to numerous facilities located both on, as well as under the subject floor. Based on analysis of the available technical documentation, inventory and material testing carried out by the authors of the paper, causes as well as the range of existing damages were examined in details and conditions required for further safe operation were determined. Due to technical conditions described in the paper, the use of temporary solution in the form of floor slab strengthening with steel sections was required, therefore, the strengthening by means of additional steel elements was designed. 1. Opis konstrukcji stropu Przedmiotowy strop technologiczny usytuowany jest na wysokości 4,50m nad poziomem posadzki parteru, w południowej (skrajnej) części duŝej hali przemysłowej. Wymiary tego stropu, mierzone w głównych osiach konstrukcyjnych całej budowli wynoszą odpowiednio: długość 72,0m (trzy moduły po 24,0m) i szerokość 28,0m (trzy moduły: 12,0m; 4,0m i 12,0m). Łączna powierzchnia stropu, po wykluczeniu istniejących otworów na komunikację pionową, wynosi około 2000m 2. Z uwagi na procesy technologiczne zlokalizowane w hali (lakiernia przemysłowa), na opisywanym stropie usytuowano osiem klimatyzatorów o wymiarach 5,6m 20,4m. WzdłuŜ zewnętrznej krawędzi stropu, szczelną ścianą osłonową wydzielona została specjalna przestrzeń opisana jako komora pyłowa. Komora ta, w całości odseparowana od procesów lakierniczych, stanowi czerpnię powietrza atmosferycznego niezbędnego do poprawnego funkcjonowania klimatyzatorów. Schemat rozmieszczenia 725

2 klimatyzatorów i usytuowania komory pyłowej, główne osie konstrukcyjne oraz ogólne wymiary stropu technologicznego pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Rzut stropu technologicznego liniami osiowymi pokazano układ stalowych słupów tropu Na podstawie oryginalnej dokumentacji technicznej [1], [2] oraz własnych pomiarów inwentaryzacyjnych stwierdzono, iŝ strop został wykonany jako Ŝelbetowa płyta monolityczna oparta na konstrukcji z kształtowników stalowych, tworzących układ Ŝeber i podciągów. śebra wykonane zostały z dwuteowników I300 i I360, ułoŝonych w rozstawie 2,00m, równolegle do osi podłuŝnej stropu. W kierunku poprzecznym Ŝebra oparte są na podciągach wykonanych z dwuteowników I400 i I450 w nieregularnym rozstawie, od 2,80m do 5,80m. Na górnych półkach Ŝeber stalowych oparto blachę fałdową T o grubości 0,88mm, którą wykorzystano do ukształtowania dolnej powierzchni płyty. Ze względu na brak zespolenia blachy z płytą betonową, naleŝy ją uznać jako deskowanie tracone. Z uwagi na opisane w dalszej części referatu uwarunkowania technologiczne i błędy wykonawcze, naleŝy takie rozwiązanie uznać nie tylko jako nieekonomiczne, ale równieŝ jako jedną z 726

3 głównych przyczyn zaistniałego stanu przedawaryjnego. Do zbrojenia głównego płyty stropowej wykorzystano pręty 8mm ze stali A-III, ułoŝone po dwa w kaŝdej z dolnych fałd blachy. Zbrojenie rozdzielcze wykonano z prętów 6mm ze stali A-0. Projektowana klasa betonu płyt to, zgodnie z danymi na rysunkach archiwalnych, B20 (zgodnie z oznaczeniami stosowanymi w okresie projektowania). Z dostępnej oryginalnej dokumentacji jednoznacznie nie wynikała projektowana grubość płyty Ŝelbetowej, stąd określono ją na podstawie pobranych do badań próbek rdzeniowych, uzyskując wielkości od 135mm do 165mm (od dolnej fałdy deskowania do górnej powierzchni betonu konstrukcyjnego). W obrębie przedmiotowego stropu wykonano cztery róŝne typy posadzek (posadzka przemysłowa typu Duralit, lastriko, płytki ceramiczne oraz nadbeton w komorze pyłowej). 2. Opis uszkodzeń oraz analiza przyczyn stanu awaryjnego Inwentaryzacja uszkodzeń na górnej powierzchni płyty stropowej moŝliwa była tylko w przestrzeniach pomiędzy klimatyzatorami, procesy technologiczne prowadzone w lakierni wykluczały bowiem czasowy demontaŝ któregokolwiek z urządzeń, a sam sposób posadowienia oraz konstrukcja komór klimatyzatorów uniemoŝliwiały dotarcie do powierzchni płyty. Spośród zaobserwowanych uszkodzeń do najwaŝniejszych naleŝy zaliczyć silne zarysowania posadzek betonowych, liczne spękania i ubytki posadzek z Duralitu oraz lokalne silne wybrzuszenia wszystkich posadzek, świadczące o znacznym rozwarstwieniu betonu w płycie stropowej (rys. 2). Rys. 2. Przykłady uszkodzeń posadzki w komorze pyłowej i przestrzeniach między klimatyzatorami W najlepszym stanie technicznym znajdowała się posadzka z płytek ceramicznych, która wykonana była znacznie później niŝ pozostałe posadzki. NaleŜy zatem domniemywać, iŝ rzeczywisty stan techniczny płyty stropowej pod tą posadzką jest równie zły jak w pozostałych polach, a wykonana warstwa wykończeniowa zamaskowała tylko faktyczne uszkodzenia. Na wszystkich typach posadzek, bez wyjątku, zaobserwowano liczne ślady wielokrotnego i długotrwałego zawilgocenia, spowodowanego wyciekami wody z instalacji klimatyzatorów. Dodatkowo, wszystkie przejścia instalacji przez strop były wykonane niezgodnie ze sztuką budowlaną, bez wymaganych uszczelnień i zabezpieczeń (Rys. 3). Sytuacja ta spowodowała bezpośrednią penetrację wody do warstwy konstrukcyjnej, a zastosowane na dolnej powierzchni Ŝelbetowej płyty pełne deskowanie tracone z blachy uniemoŝliwiło swobodny odpływ wody. Szczelna warstwa zamykająca od dołu dostęp do 727

4 stropu przyczyniła się do rozprowadzenia w znacznych obszarach płyty wody wydostającej się z klimatyzatorów oraz z nieszczelnych przejść instalacyjnych. Rys. 3. Przykłady nieszczelnych przejść instalacyjnych wraz ze śladami okresowych zawilgoceń posadzki Jak naleŝało się tego spodziewać, długotrwały kontakt z wodą spowodował liczne, róŝnej intensywności uszkodzenia materiałów konstrukcyjnych, widoczne na całej praktycznie dolnej powierzchni stropu. Uszkodzenia te, o róŝnym stopniu intensywności, sygnalizowane były silną korozją blachy fałdowej, a w wielu miejscach całkowitym jej zniszczeniem (rys. 4). Rys. 4. Przykłady korozji i pęknięć blachy fałdowej deskowania traconego Podobnie, silnie zaawansowana korozja miała miejsce w przypadku stalowych prętów zbrojenia głównego płyty. Zgodnie z oryginalnym projektem budowlanym, pręty te ułoŝone zostały w kaŝdej z dolnych fałd blachy, czyli w miejscach, w których pod wpływem grawitacji zbierała się przeciekająca przez strop woda, nie mogąc znaleźć swobodnego ujścia. W wykonanych odkrywkach prętów w wielu miejscach ubytki korozyjne przekraczały 50% nominalnego przekroju poprzecznego prętów zbrojenia głównego. Kolejnym zaobserwowanym istotnym uszkodzeniem, wynikającym bezpośrednio z korozji zbrojenia głównego, a pośrednio ze stałej obecności wody, było odspojenie i odpadanie dolnej warstwy betonu, stanowiącej otulinę prętów zbrojeniowych. Fakt ten miał ogromne znaczenie ze względu na przyśpieszenie procesów korozji odsłoniętego zbrojenia. W trakcie wizji lokalnych obiektu stwierdzono, Ŝe stalowe Ŝebra i podciągi stropu, a takŝe stalowe słupy nośne, znajdują się w bardzo dobrym stanie technicznym, a zatem mogą być nadal bezpiecznie uŝytkowane. 728

5 3. Badania materiałowe i wytrzymałościowe W celu wykonania pełnej i szczegółowej oceny technicznej konstrukcji stropu oraz określenia niezbędnych warunków dalszej jego bezpiecznej eksploatacji, wykonano dodatkowe badania materiałowe. W tym celu pobrano z płyty pięć próbek rdzeniowych o średnicy 103mm, obejmujących pełną grubość stropu wraz z warstwami posadzki i deskowania traconego z blachy. Z uwagi na odmienne warunki eksploatacji, próbki do badań pobrano zarówno z komory pyłowej, jak i z dostępnej przestrzeni pomiędzy klimatyzatorami (w miejscach nie kolidujących z instalacjami podwieszonymi do stropu na niŝszej kondygnacji). Pierwsza z pobranych próbek nie mogła zostać wykorzystana do badań wytrzymałościowych, z uwagi na ukrytą wadę betonu (rys. 5). Dopiero po wycięciu pełnego rdzenia okazało się, Ŝe w miejscu tym w stropie istniała znaczna pustka, będąca efektem złego zagęszczania mieszanki betonowej w trakcie wykonywania płyty. Rys. 5. Widok pobranej próbki z pierwotną wadą betonu Podobnie, do badań wytrzymałościowych nie nadawała się kolejna z pobranych próbek (rys. 6). W tym wypadku wadą dyskwalifikującą było rozwarstwienie betonu próbki (jak i całej konstrukcji płyty w miejscu jej pobrania) powstałe najprawdopodobniej w wyniku rozsadzenia betonu przez powiększające swą objętość produkty korozji zbrojenia. Na fotografii ukazującej powierzchnię rozwarstwienia (rys. 6.b) wyraźnie widać zasięg występowania poszczególnych rodzajów korozji. I tak, jaśniejsze pola usytuowane bliŝej zewnętrznej krawędzi przekroju próbki świadczą o istnieniu korozji z dostępem tlenu atmosferycznego, natomiast pozostałe, ciemniejsze przebarwienia (znajdujące się bliŝej środka przekroju próbki) wyznaczają obszar beztlenowej korozji prętów zbrojenia. NaleŜy w tym miejscu zauwaŝyć, Ŝe drugi z opisanych typów korozji jest tutaj tym groźniejszy, Ŝe proces korozyjny pozostaje praktycznie niezauwaŝalny na zewnątrz konstrukcji, trudno jest zatem wiarygodnie oszacować jego wielkość i zasięg. 729

6 a) b) Rys. 6. a) Widok rozwarstwionej próbki; b) Powierzchnia rozwarstwienia próbki wraz z śladami korozji Z pozostałych próbek rdzeniowych, do badań niszczących w maszynie wytrzymałościowej wycięto walce o wysokości 102mm. Po wyrównaniu powierzchni czołowych próbek poddano je ściskaniu, aŝ do zniszczenia. Ze względu na wymiary geometryczne i proporcje badanych elementów walcowych, moŝna w przybliŝeniu przyjąć, Ŝe otrzymane wyniki odpowiadają wartościom uzyskiwanym na tradycyjnych, normowych próbkach kostkowych o krawędzi 150mm. Uzyskane z badań wartości siły niszczacej i wytrzymałości na ściskanie pozwoliły na zakwalifikowanie betonu płyty stropowej do klasy B20 (według oznaczeń klas betonów obowiązujących w okresie projektowania konstrukcji). Klasa ta jest zgodna z klasą betonu podawaną w udostępnionej autorom badań oryginalnej dokumentacji projektowej. NiezaleŜnie od laboratoryjnych badań wytrzymałościowych, przeprowadzono równieŝ dodatkowe pomiary sklerometryczne wytrzymałości betonu na ściskanie. Badania te przeprowadzono przy uŝyciu młotka Schmidta typu N. Badania wykonano po uprzednim wycięciu fragmentów blachy w miejscach nie wykazujących uszkodzeń korozyjnych. W efekcie przeprowadzonych obliczeń, po uwzglednieniu współczynników korekcyjnych z uwagi na ułoŝenie młotka w trakcie badań i współczynnika redukcyjnego ze wzgledu na wiek betonu, otrzymano wyniki pozwalające na zakwalifikowanie betonu płyty do klasy B17,5 praktycznie na granicy klasy B20 (według oznaczeń obowiązujących w okresie projektowania i wykonania konstrukcji). Oprócz opisanych badań wytrzymałościowych przeprowadzono równieŝ na pobranych betonowych próbkach podstawowe badania chemiczne, mające na celu określenie rozkładu odczynu ph na głębokości badanych elementów. W przypowierzchniowych warstwach próbek, w miejscach występowania korozji blachy, odczyn ph był znacznie niŝszy niŝ w analogicznych miejscach, w których taka korozja nie występowała. Wyniki te świadczą o zaawansowanej karbonatyzacji powierzchniowej warstwy betonu (otuliny zbrojenia) wszędzie tam, gdzie przerwana została szczelność blachy, a w efekcie o zwiększonym zagroŝeniu korozją prętów zbrojeniowych w miejscach silnej korozji blachy. Dodatkowe badania chemiczne na zawartość chlorków i siarczków nie wykazały w badanym betonie ich podwyŝszonego poziomu, co świadczy o niskiej agresji chemicznej środowiska. 730

7 4. Tymczasowe wzmocnienie stropu Na podstawie wyników przeprowadzonych badań, po analizie zakresu, charakteru i intensywności stwierdzonych wad i uszkodzeń stropu oraz szczegółowej analizie przyczyn ich powstania, autorzy uznali stan techniczny badanej konstrukcji jako zły. W celu wyeliminowania istniejących uszkodzeń i niedopuszczenia do powstawania nowych, zalecono przeprowadzenie generalnego remontu konstrukcji płyty. Po szczegółowej analizie, jako rozwiązanie najwłaściwsze zarówno z technicznego, jak i ekonomicznego punktu widzenia, zalecono rozbiórkę płyty stropu i jej odtworzenie z wykorzystaniem istniejących stalowych Ŝeber i podciągów, w technologii i z materiałów właściwie dobranych do panujących warunków i zagroŝeń eksploatacyjnych. Po konsultacjach z właścicielem i uŝytkownikiem obiektu odstąpiono jednak od takiego rozwiązania z dwóch zasadniczych względów. Procesy technologiczne prowadzone w hali stanowczo wykluczały moŝliwość wyłączenia lakierni z eksploatacji na czas wystarczający do wykonania prac związanych z całkowitym wyburzeniem i odtworzeniem stropu. Ponadto, zgodnie z zamierzeniami uŝytkownika, planowany okres eksploatacji hali w jej obecnej funkcji wynosił w chwili opracowywania ekspertyzy około trzech lat. Po tym okresie, z uwagi na cykl produkcyjny, przewidywano generalny remont i modernizację całego obiektu, z wymianą urządzeń produkcyjnych, w tym zainstalowanych na stropie klimatyzatorów. Biorąc pod uwagę powyŝsze czynniki przedstawiono rozwiązanie alternatywne, polegające na wykonaniu tymczasowego wzmocnienia istniejącej konstrukcji stropu. W przeprowadzonych w tym celu obliczeniach, ze względu na bardzo zróŝnicowany stan prętów zbrojenia płyty i znaczny stopień korozji blachy fałdowej, nie uwzględniono współpracy betonu ze zbrojeniem. Przyjęto zatem wyłącznie przekrój betonowy, wykonany z betonu klasy B17,5 (zgodnie z wynikami przeprowadzonych wcześniej badań). Ponadto, po analizie aktualnych warunków uŝytkowania stropu, zmniejszono jego obciąŝenie uŝytkowe do 5kN/m 2, nie dopuszczając równocześnie do wystąpienia obciąŝeń skupionych o wartości przekraczającej 1kN. Przy tak przyjętych warunkach, otrzymane wyniki obliczeń wykazały konieczność podwójnego zgęszczenia stalowych Ŝeber bezpośrednio podpierających płytę. We wszystkich polach stropu wykazanych jako uszkodzone naleŝało zatem wykonać dodatkowe Ŝebra pośrednie, szczelnie przylegające do płyty i podpierające jej konstrukcję w połowie rozpiętości pomiędzy oryginalnymi Ŝebrami. Do ich wykonania zalecono kształtowniki IPE160, których długość miała być dobierana indywidualnie do rozpiętości kaŝdego ze wzmacnianych pól stropu. Ponadto, zaproponowane rozwiązanie przewidywało wykonanie dodatkowych stalowych podciągów podpierających konstrukcję Ŝeber w połowie ich rozpiętości. Podciągi te zaprojektowano z kształtowników IPE200. Połączenia nowych elementów konstrukcyjnych z istniejacym rusztem stalowym zalecono wykonać jako skręcane, przy uŝyciu dodatkowych nakładek z kątowników, co pozwoliło na uniknięcie osłabienia istniejących belek oraz ich kłopotliwego oczyszczania z palnych powłok malarskich. Połączenia pomiędzy projektowanymi Ŝebrami i dodatkowymi podciągami zaprojektowano jako spawane. Przed przystąpieniem do prac mających na celu wykonanie dodatkowego rusztu stalowego, zalecono usunięcie skorodowanych fragmentów blachy fałdowej z dolnej powierzchni stropu. Ponadto, we wszystkich miejscach odspojenia otuliny zbrojenia oraz wystąpienia ubytków betonu, zalecono wykonanie napraw i reprofilacji w dowolnym systemie do napraw betonu konstrukcyjnego, po uprzednim właściwym opracowaniu powierzchni oryginalnego betonu i usunięciu produktów korozji zbrojenia. W niezaleŝnym opracowaniu, dotyczącym instalacji klimatyzatorów, przedtawiono szczegółowe zalecenia dotyczące eliminacji przecieków wody. 731

8 5. Podsumowanie Przedstawiona w referacie konstrukcja zagroŝonej awarią płyty Ŝelbetowej stropu technologicznego w hali przemysłowej uległa licznym uszkodzeniom w wyniku niezbyt trafnie dobranych na etapie projektowania rozwiązań konstrukcyjnych, wad i błędów wykonawczych oraz niewłaściwych procesów technologicznych, które w trakcie uŝytkowania powodowały permanentne zalewanie stropu wodą z klimatyzatorów. Woda ta, penetrując w głąb konstrukcji i nie znajdując moŝliwości swobodnego ujścia przez tracone deskowanie z blachy fałdowej, powodowała przez lata intensywną korozję betonu i stali. Stan techniczny płyty wymagał podjęcia szybkich działań, mających na celu umoŝliwienie dalszego bezpiecznego jej uŝytkowania. Pierwotna decyzja (najwłaściwsza ze względów ekonomicznych i technicznych) o wyburzeniu istniejącej płyty i wykonaniu w jej miejscu nowej, po konsultacjach z uŝytkownikiem została zmieniona. Zdecydowano się na rozwiązanie tymczasowe, uwzględniające uwarunkowania technologiczne i plany remontowe. Po wykonaniu dodatkowych obliczeń, bazując na bezpiecznych załoŝeniach, zalecono wykonanie dodatkowego stalowego rusztu podpierającego płytę, złoŝonego z Ŝeber i podciągów usytuowanych pomiędzy istniejącymi elementami nośnymi. Zaprojektowane rozwiązanie, przy przestrzeganiu przez uŝytkownika przyjętych ograniczeń obciąŝeń uŝytkowych, zapewnia moŝliwość bezpiecznej eksploatacji konstrukcji w stosunkowo krótkim okresie pozostałym do przewidywanej modernizacji całej hali. Literatura 1. Niedbalski K.: Projekt techniczny /zamienny/ budowlany konstrukcji stalowej rusztu w poz. +4,50m w rozbudowanej hali malarni. Etap I. Przedsiębiorstwo Techniczno- Handlowe TIMCAR Sp. z o.o., ul. Wspólna 62, Warszawa. Grudzień 1988r. - luty 1989r. 2. Niedbalski K.: Projekt techniczny budowlany rusztu na poziomie +7,50m wraz z płytą stropową. Przedsiębiorstwo Projektowania i Realizacji Inwestycji MOTOPROJEKT, ul. Wspólna 62, Warszawa. Styczeń 1990r. 3. Ajdukiewicz A., Hulimka J., Dawczyński S.: Ekspertyza stanu technicznego stropu Ŝelbetowego w poziomie +4,50m w obiekcie 3.1 (lakiernia) w rejonie klimatyzatorów (osie /R-U). Luty 2006r. 4. Hulimka J., Krzywoń R.: Projekt wzmocnienia stropu Ŝelbetowego w poziomie +4,50m w obiekcie 3.1 (lakiernia) w rejonie klimatyzatorów (osie /R-U). Kwiecień 2006r. 732