WPŁYW UKSZTAŁTOWANIA DACHU NA STAN BEZPIECZEŃSTWA LEKKICH HAL STALOWYCH INFLUENCE OF THE SHAPE OF ROOF ON SAFETY LEVEL LIGHT STEEL HALLS

Transkrypt

1 MARIAN GWÓŹDŹ* WPŁYW UKSZTAŁTOWANIA DACHU NA STAN BEZPIECZEŃSTWA LEKKICH HAL STALOWYCH INFLUENCE OF THE SHAPE OF ROOF ON SAFETY LEVEL LIGHT STEEL HALLS Streszczenie Wraz ze zmianami systemowymi, jakie zachodziły w Polsce w latach 90. XX wieku zaczęto budować liczne lekkie stalowe hale wielkogabarytowe, wykorzystując nowe technologie w zakresie materiałów i wyrobów budowlanych oraz nowe rozwiązania konstrukcyjne. Standardem architektonicznym, większości realizacji tej kategorii budynków są płaskie dachy, attyki na całym obwodzie i często świetliki, o dużej powierzchni, wyprowadzone ponad poziom połaci dachu. Takie ukształtowanie dachu hali w warunkach klimatycznych Polski, stwarza zagrożenie bezpieczeństwa budynku, zwłaszcza gdy dominującym obciążeniem grawitacyjnym jest obciążenie śniegiem. Słowa kluczowe: dach, śnieg, lekka hala Abstract Simultaneously with political changes which have been occurring in Poland from the nineties of the previous century a lot of large-size light steel halls have been built. New systems of load-bearing structure have been designed for them in many cases; furthermore, new technologies as well as new materials have been applied frequently. Flat roofs, attics built all over the roof circumference and, in addition, great-areal lanterns raised above the roof level are usually representative of such category of buildings. Under climate conditions typical for Poland territory this shape of the roof is the source of the imminence of building safety, especially if the snow load is a dominant gravitational action. Keywords: roof, snow, light steel hall * Prof. dr hab. inż. Marian Gwóźdź, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska.

2 Wstęp Bezpieczeństwo wielkogabarytowych budynków halowych zaprojektowanych i wybu-dowanych w Polsce w latach zostało zakwestionowane w wyniku serii awarii i katastrof budowlanych do jakich doszło w latach Poważna awaria centrum handlowego Leroy Merlin w Gdańsku w roku 2005 [1], była pierwszym sygnałem potencjalnych zagrożeń bezpiecznej eksploatacji tej grupy obiektów. Zawalenie się dachu hali wystawowej MTK w Chorzowie w styczniu 2006 r. jest najpoważniejszą katastrofą budowlaną lekkiej konstrukcji stalowej w Polsce. Wspomniane niepowodzenia budowlane są znane nie tylko w środowisku architektów i konstruktorów lecz także szerokiej opinii publicznej. Nie są nagłaśniane dość liczne przypadki napraw i wzmocnień nowych hal wielkogabarytowych już po kilkuletniej eksploatacji, a nawet w trakcie ich budowy. Cechy wspólne, charakterystyczne dla tych obiektów, to zastosowanie nowoczesnej lekkiej obudowy ścian i pokrycia dachu oraz rozwiązania architektoniczne dachów płaskich z attykami, licznymi świetlikami, czasem połaciami wielopoziomowymi o dużej powierzchni. Obciążenia weryfikujące nośność takich dachów to działania klimatyczne: śnieg, wiatr, wilgotność powietrza i dobowe wahania temperatury. Formowaniu się worków śnieżnych dodatkowo sprzyjają wszelkie płotki, reklamy i przewody wentylacyjne (il. 1). W artykule przedstawiono wpływ ukształtowaniem dachu na formowanie się pokrywy śnieżnej, na przykładzie zawalonej hali pawilonu MTK w Chorzowie. Jest to przypadek reprezentatywny pod względem architektonicznym i jednocześnie najpełniej udokumentowany pod względem meteorologicznym. Ponadto wskazano podstawowe wymagania bezpieczeństwa, jakie należy formułować w projektach budowlanych obiektów wieloprzestrzennych, opierając się na zaleceniach współczesnej generacji norm europejskich, a w szczególności na rekomendacjach eurokodu PN-EN 1990 i Il. 1. Dach hali z attykami i przewodem wentylacyjnym o dużej średnicy Ill. 1. Flat roof above the hall with attics and ventilation pipe of large diameter

3 2. Opis konstrukcji dachu hali MTK w Chorzowie 233 Schemat stalowej konstrukcji nośnej hali MTK pokazano na il. 1. Wymiary pawilonu w rzucie poziomym wnosiły 97,36 102,88 m, a jego wysokość 10,18 m. Na całym obwodzie budynku zaprojektowano attyki, o wysokości około 0,60 m. W części środkowej dachu wykonano centralny świetlik o rzucie poziomym 47,00 52,75 m, z dachem płaskim, podniesionym około 3,00 m ponad poziom połaci dolnej. Na dachu znajdowało się ponadto 8 świetlików obwodowych o wymiarach w rzucie poziomym 6,00 6,00 m i wysokości 2,00 m. Słupy ramowe główne, były zlokalizowane na przecięciu osi E` i M` z osiami 6, 11 i 15, por. il. 1. Słupy podpierały ruszt kratownicowy, uformowany z podciągów kratowych w osiach E` i M`, o zmiennej rozpiętości i dźwigarów kratowych głównych w osiach 6, 11 i 15, o rozpiętości 47,00 m. Ruszt wypełniono quasi-strukturą prętową, na której oparto lekkie pokrycie dachu, złożone z blachy trapezowej ocieplonej styropianem, z izolacją przeciwwilgociową z papy termoizolacyjnej. Według inwentaryzacji powypadkowej, masa pokrycia dachu nie przekraczała wartości g k = 25 kg/m 2. Szczegółowy opis konstrukcji nośnej hali MTK zamieszczono między innymi w pracy [2]. Il. 2. Schemat stalowej hali MTK w Chorzowie Ill. 2. Scheme of steel hall MTK in Chorzów W projekcie budowlanym dach hali zaprojektowano ze spadkami połaci 3% oraz klasycznym system odwodnienia w postaci rynien i rur spustowych, rozmieszczonych przy okapach wyższej i niższej części dachu [3]. W projekcie wykonawczym, zamieniono jednak cały system odwodnienia, projektując dach płaski bez spadków. Zamiast rynien i rur spustowych, zaprojektowano wpusty dachowe, usytuowane w środkowej

4 234 części każdej połaci. Oczekiwano, że woda opadowa będzie spływała do wpustów w miejscach największych ugięć kratowych płatwi dachowych, a z nich rurami odpływowymi 32 mm. Wszystkie podciągi i płatwie kratowe zaprojektowano jednak bez podniesienia wykonawczego, nawet przy rozpiętości kratownicy głównej l= 47,00 m. Przeprowadzone kontrolne obliczenia statyczne dla obciążenia dachu ciężarem własnym i równomierną pokrywą śniegu o masie s = 0,8 70 = 56 kg/m 2, wykazały ugięcia połaci świetlika centralnego o strzałce 24 cm oraz połaci dolnej o strzałce 18 cm. 3. Oddziaływania klimatyczne w obrębie hali MTK Cykl inwestycyjny pawilonu MTK w Chorzowie był krótki. Decyzje o zatwierdzeniu projektu budowlanego i pozwolenie na budowę zostały wydane w maju 1999 r., a montaż stalowej konstrukcji nośnej zakończono już w listopadzie 1999 r. Hala została zgłoszona do odbioru w kwietniu 2000 r. Przytoczone powyżej daty są ważne, ponieważ wg dokumentacji powykonawczej, już w styczniu 2000 r., a więc jeszcze w trakcie budowy, mogło dojść do pierwszego przeciążenia konstrukcji nośnej hali. Według zachowanej korespondencji uczestników procesu inwestycyjnego, w trakcie intensywnych opadów śniegu w styczniu 2000 r., na płaskim dachu utworzyła się pokrywa śnieżna o grubości rzeczywistej h 50 cm. Wyniki pomiarów grubości pokrywy śnieżnej na gruncie, pochodzące ze stacji hydrologiczno-meteorologicznej IMiGW w Katowicach-Muchowcu, pokazano na il. 2a. Jak wynika z il. 3a, w trzeciej dekadzie stycznia, grubość pokrywy śnieżnej osiągnęła wartość charakterystyczną dla strefy klimatycznej Katowic h k = 0,30 m. Był to śnieg świeży o gęstości 150 kg/m 3. Stosunek C = 150h/245h k można interpretować jako globalny empiryczny współczynnik kształtu dachu. Wartość tego współczynnika wg danych z il. 3a wynosi C = 150 0,5/245 0,3 = 1,02 > 0,80 i jest większa od wartości przyjętej w projekcie wykonawczym dla dachów płaskich C = 0,8 wg normy PN-80/B Z wykresu temperatur dobowych pokazanych na il. 3c wynika ponadto, że zima 1999/2000 była łagodna i okresowo bezwietrzna, ze średnią temperaturą około 0 C. W połączeniu z dużymi strzałkami ugięć połaci, mogło dojść do redystrybucji obciążenia śniegiem (topnienia śniegu w ciągu dnia i zamarzania nocą). Dach jednak szybko i sprawnie odśnieżono, wykorzystując ciężki sprzęt i profesjonalne ekipy montażowe. Do udokumentowanego przeciążenia dachu hali MTK doszło w sezonie 2001/2002. Dynamika pogodowa była jednak w tym roku inna niż opisana powyżej. Zima była mroźna, por. il. 4c i okresowo wietrzna, z prędkością wiatru w porywach v k = m/s. W styczniu 2002 r. wg danych na il. 4a, grubość pokrywy śnieżnej na gruncie przekroczyła nieznacznie poziom charakterystyczny h x = 0,30 m. Na dachu hali uformował się ogromny worek śnieżny przy świetliku głównym, wzdłuż osi 15. Został on zinwentaryzowany i opisany w dokumentacji powykonawczej. Wysokość worka przy ścianie świetlika wg tych danych wynosiła h 3,00 m, a w odległości 4,5 m od osi 15 zmniejszyła się do wartości 0,70 m. Wynika stąd, że wartość maksymalna empirycznego współczynnika kształtu dachu nierównomiernej pokrywy śnieżnej C = 170 3,00/245 0,3 = 6,9 > 2,5 była większa od wartości C = 2,5 wg normy PN-80/B Efektem lokalnego przeciążenia była awaria dźwigara kratowego głównego, w którym doszło do zerwania śrub w styku montażowym.

5 a 235 b c Il. 3. Charakterystyka pokrywy śnieżnej, wilgotność i temperatura w sezonie zimowym 1999/2000 Ill. 3. Characteristic of snow, cover and temperature in winter 1999/2000

6 236 a b c Il. 4. Charakterystyka pokrywy śnieżnej, wilgotność i temperatura w sezonie zimowym 2001/2002 Ill. 4. Characteristic of snow, cover and temperature in winter 2001/2002

7 a 237 b c Il. 5. Charakterystyka pokrywy śnieżnej, wilgotność i temperatura w sezonie zimowym 2005/2006 Ill. 5. Characteristic of snow, cover, and temperature in winter 2005/2006

8 238 Do kolejnego przeciążenia dachu hali MTK doszło z początkiem stycznia 2006 r., gdy po intensywnych opadach śniegu uformowała się równomierna pokrywa śnieżna o grubości cm. Charakterystykę pokrywy śnieżnej na gruncie w sezonie zimowym 2005/2006, wg danych IMiGW pokazano na il. 5. Przy bezwietrznej pogodzie (v = 0 4 m/s), uformowała się równomierna pokrywa śnieżna, a jej maksymalna grubość osiągnęła w dniu 21 stycznia wartość h = 36 cm oraz masę 80 kg/m 2. Przeprowadzone po katastrofie hali MTK, bezpośrednie pomiary ciężaru pokrywy śniegowo-lodowej zalegającej na zachowanych fragmentach dachu wykazały wartości S k = 1,01 1,45 kn/m 2, wobec pomierzonego w sąsiedztwie hali ciężaru śniegu na gruncie g k = 0,83 kn/m 2. Dla uśrednionego ciężaru śniegu i lodu zalegającego na dachu hali MTK, dostajemy oszacowanie empirycznego współczynnika kształtu dachu hali MTK C = 1,23/0,83 = 1, Wnioski Udokumentowane obciążenia śniegiem dachu hali MTK w Chorzowie wskazują, że norma PN-80/B-02010, nie stanowiła wystarczającej podstawy do prognozowania w projekcie budowlanym obciążenia śniegiem. Definicja zapisana w p tej normy: grubość charakterystyczna pokrywy śnieżnej g k grubość warstwy śniegu na gruncie (o średniej masie 245 kg/m 3 przypis własny), która może być przekroczona przeciętnie raz w ciągu 5 lat w świetle danych IM i GW zamieszczonych na rys. 2 4 była poprawna. Jednak prognozy wieloletniej obciążenia śniegiem na gruncie w normie PN-80/B nie zamieszczono. Odpowiednią formułę ekstrapolacyjną g T, dla okresu powrotu obciążeń maksymalnych T 5 lat podaje eurokod PN-EN : g T = g k {1 0,78v[ln( ln(1 1/T)) + 0,58]}/(1 + 2,59v) (1) gdzie: g k charakterystyczne obciążenie gruntu o okresie powrotu 50 lat (s k wg nowej mapy klimatycznej Polski, zamieszczonej w załączniku krajowym do normy PN-EN ), v współczynnik zmienności (v = 0,7 dla miejscowości położonych do 300 m n.p.m.). Przeprowadzone pomiary ciężaru pokrywy śnieżnej na dachu hali MTK w 2006 r. oraz wcześniejsza inwentaryzacja wyjątkowej zaspy śnieżnej jaka uformowała się przy świetliku głównym na dachu hali w 2002 r., nie potwierdzają wartości współczynników kształtu dachu C wg PN 80/B (przyjęte do normy w latach wg badań kanadyjskich). Współczynniki C należy dla dachów płaskich zweryfikować uwzględniając warunki klimatyczne Polski. W projektach budowlanych zaleca się różnicować wymagania bezpieczeństwa wg eurokodu PN-EN 1990 (klasy konsekwencji CC1 CC3 i klasy niezawodności RC1 RC3) oraz uwzględniać obciążenie śniegiem wg PN-EN

9 Literatura 239 [1] Kajfasz S., Po katastrofie hali MTK w Katowicach wybrane problemy i uwagi, Inżynieria i Budownictwo, nr 12/2006. [2] Biegus A., Rykaluk K., Katastrofa hali Międzynarodowych Targów Katowickich w Chorzowie, Inżynieria i Budownictwo, nr 4/2006. [3] Mendera Z., Analiza przyczyn katastrofy hali wystawowej w Katowicach, XXIII Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane, Katowice 2007.