WPŁYW OSIADANIA PODŁOśA NA STAN STALOWEJ KONSTRUKCJI SZKIELETOWEJ

Transkrypt

1 Dr inŝ. Teresa PACZKOWSKA, Dr inŝ. Wiesław PACZKOWSKI, Dr inŝ. Tomasz WRÓBLEWSKI, Politechnika Szczecińska WPŁYW OSIADANIA PODŁOśA NA STAN STALOWEJ KONSTRUKCJI SZKIELETOWEJ THE INFLUENCE OF GROUND SETTLEMENT ON THE CONDITION OF SKELETON STEEL STRUCTURE Streszczenie Znaczne osiadanie gruntu w obszarze duŝego obiektu przemysłowego wywołało liczne uszkodzenia elementów stalowej konstrukcji szkieletowej. Poddano analizie część budynku wydzieloną za pomocą dylatacji. Stworzono model numeryczny konstrukcji. W analizie uwzględniono wpływ przemieszczeń podpór oraz uszkodzenia elementów konstrukcyjnych spowodowane ich wyboczeniem lub zerwaniem. Wskazano, Ŝe zniszczenia prętów układu stęŝeń miały pozytywny skutek dla słupów szkieletu przeciąŝonych na skutek osiadania podpór. Abstract An intensive process of ground settlement has caused considerable number of damages to a steel skeleton structure of a large industrial building. A separated by expansion joints segment of the structure was analysed. Numerical model of the structure was created. The analysis took into account displacements of foundation and all changes in the structure caused by buckling or rupture of steel members. It has been pointed out that bracing members damages had positive effect for columns overloaded by foundation displacements. 1. Wstęp W jednym z większych zakładów w regionie zaobserwowano pojawienie się zarysowań na nielicznych ścianach murowanych tam występujących. Proces rozrostu rys postępował szybko prowadząc do przejścia w otwarte pęknięcia. Wczesne zauwaŝenie rys i pęknięć pozwoliło na szybkie podjęcie działań kontrolno-zaradczych. Zintensyfikowano prowadzone systematycznie od lat pomiary geodezyjne słuŝące okresowym kontrolom stanu osiadań fundamentów i przystąpiono do prac petryfikacyjnych mających na celu wzmocnieniu gruntu w obrębie fundamentów zagroŝonej części budowli. Problemy związane z osiadaniem podłoŝa występowały juŝ w tym obiekcie wcześniej, w związku z czym zastosowanie odpowiednich działań zaradczych mieściło się w pewnej rutynie słuŝb technicznych. JednakŜe skala i tempo osiadań, które wystąpiły tym razem nie miały porównania z wcześniejszymi podobnymi przypadkami. Centralnym zagadnieniem powstałego problemu technicznego jest osiadanie podłoŝa i próby jego powstrzymania. Praca niniejsza dotyczy zagadnienia pochodnego, jakim jest wpływ zaistniałych osiadań na stalową konstrukcję nośną budynku wznoszącą się w obszarze ich występowania. 639

2 2. Opis konstrukcji budynku Przedmiotowy budynek jest obiektem halowym szkieletowym o konstrukcji stalowej, podzielonym na cztery niezaleŝne (wydylatowane), jednakowe części. Całość konstrukcji zaprojektowano ze stali St3(S, SX, SY) z wyjątkiem głównych belek rusztu stropu 54,30 m, których środkowe odcinki zaprojektowano ze stali 18G2A. Na rys. 1 pokazano przekrój poprzeczny budynku w osi 18 wraz z oznaczeniami literowymi osi podłuŝnych [2]. Rys. 1. Przekrój poprzeczny budynku w osi ze stęŝeniami Ze względu na sposób powiązania skrajnych części budynku za pomocą przegubowo połączonych rygli między osiami B i C oraz G i H do analiz wyodrębniono część zawartą między osiami C i G. Wymiary obiektu w planie wynoszą 324 m 91 m. Słupy szkieletu nośnego o wysokości 54,3 m są rozmieszczone na siatce o module 3,0 m oraz 4,5 m. PołoŜenie osi siatki słupów dla jednego segmentu pokazano na rys. 2. Osie podłuŝne oznaczono literami od C do G (w całej konstrukcji od A do H), osie poprzeczne liczbami od 15 do 21 (w całej konstrukcji od 1 do 28). Rozstaw słupów został dostosowany do rozwiązań konstrukcyjno-technologicznych. Wymogi technologiczne sprawiły, Ŝe słupy rzędów środkowych zostały przesunięte o 3,0 m poza osie główne siatki, dzięki czemu uzyskano potrzebną przestrzeń o szerokości 18,0 m. Głowice słupów połączono układem belek nazwanym rusztem belkowym. W polu F-G pomiędzy poziomami +12,00 m a +19,50 m usytuowany jest zespół zasobników. Konstrukcja nośna budynku głównego jest prętowym ustrojem przestrzennym o zróŝnicowanym rozstawie słupów o przekroju krzyŝowym i rygli połączonych ze sobą układem stęŝeń kratowych pionowych i poziomych. Przegrody poziome moŝna podzielić na: stropy główne złoŝone z Ŝelbetowych płyt monolitycznych i kratek stalowych, dach z prefabrykowanych płyt Ŝelbetowych (płyty panwiowe), stropy pośrednie aŝurowe i monolityczne. Stropy główne występujące na całej szerokości i długości budynku są usytuowane na poziomach: +10,50 m, +19,50 m, +25,50 m. Pomiędzy nimi znajdują się stropy pośrednie. Na poziomach +34,50 m oraz +45,0 m usytuowano poziome stęŝenia kratowe zapewniające niezmienność konturu poziomego budynku i współpracę elementów szkieletu. 640

3 Rys. 2. Rozstaw słupów w analizowanym segmencie konstrukcji W niniejszej pracy analizie statycznej poddano trzecią wydylatowaną część konstrukcji budynku. Stanowi ona fragment budynku głównego o wymiarach 72 m 36 m. Zawiera się między osiami poprzecznymi 15 do 21 i podłuŝnymi C do G. Wyodrębniono ją z całości konstrukcji z uwagi na dylatacje w osiach 15 i 21. W osiach poprzecznych 15, 18 i 21 występują pionowe stęŝenia kratowe, których siatki geometryczne są zróŝnicowane, dostosowane do wymagań technologii. StęŜenia pionowe podłuŝne rozmieszczone są w osiach C, E, G. 3. Model obliczeniowy Analizę konstrukcji przeprowadzono uwzględniając przestrzenny charakter jej pracy, tj. współpracę wszystkich elementów nośnych. Model obliczeniowy ramę przestrzenną składającą się z rygli, słupów i stęŝeń stworzono w programie Robot Millennium. Połączenia śrubowe rygli ze słupami są w istocie złączami o trudnej do liczbowego ujęcia podatności. Z uwagi na istniejące rozwiązanie konstrukcyjne przyjęto, Ŝe rygle są połączone ze słupami przegubowo (obrót jest moŝliwy na kierunku prostopadłym do osi pręta, wokół osi poziomej), podobnie jak poziome i pionowe stęŝenia kratowe połączone z pozostałymi elementami układu (obrót jest moŝliwy na obu kierunkach prostopadłych). W obliczeniach statycznych pominięto wpływ usztywnienia konstrukcji stropami monolitycznymi (występującymi nie we wszystkich polach danych kondygnacji, pozostałe pola wypełniają kratki pomostowe). StęŜenia poziome dachu, a takŝe wymodelowane stęŝenie zastępujące ruszt belkowy nie przenoszą obciąŝeń powierzchniowych przyłoŝonych do dachu (cię- Ŝaru śniegu i pokrycia). ObciąŜenie ścianami osłonowymi pominięto. W modelu obliczeniowym występuje 847 węzłów, 1328 prętów oraz 73 superpręty. Katalog zdefiniowanych profili obejmuje 90 róŝnych przekrojów prętów, w tym: 18 przekrojów słupów, 57 przekrojów rygli, 15 przekrojów stęŝeń. 641

4 Na rys. 3. pokazano stworzony model konstrukcji. Rys. 3. Widok przestrzenny modelu obliczeniowego konstrukcji 4. Charakterystyka osiadania podpór W miesiącach letnich roku 2005 zaobserwowano wzmoŝone osiadanie podpór. Skala przemieszczeń była na tyle duŝa, Ŝe uruchomiono prace petryfikacyjne mające na celu powstrzymanie procesu osiadania. Wzrastające i zróŝnicowane przemieszczenia fundamentów w sposób niekorzystny oddziaływują na opierającą się na nich konstrukcję nośną. Podstawę do oceny wpływu osiadania fundamentów na wytęŝenie stalowej konstrukcji nośnej dają pomiary geodezyjne osiadań. Z punktu widzenia oceny stanu konstrukcji posiadane wyniki pomiarów geodezyjnych są waŝnym, ale niewystarczającym źródłem informacji o rzeczywistym stanie przemieszczeń podpór. Mówiąc o rzeczywistym stanie przemieszczeń podpór mamy na myśli te przemieszczenia, których pojawienie się spowodowało wystąpienie napręŝeń i deformacji w konstrukcji stalowej niezaleŝnie od napręŝeń pochodzących od innych czynników (cięŝar własny, obcią- Ŝenia technologiczne, obciąŝenie wiatrem i śniegiem, obciąŝenie temperaturą technologiczną, które występuje lub nie zaleŝnie od pracy urządzeń). Pomiary geodezyjne kontrolujące zachowanie się fundamentów prowadzono na obiekcie od ponad 30 lat. Pierwszej zarejestrowanej dacie pomiaru przypisano dzień zerowy (0). W opisie zmienności przemieszczeń w czasie stosuje się ciągłą numerację dni licząc od ustalonego dnia 0. JuŜ w trakcie prowadzenia prac petryfikacyjnych doszło do nagłego przyspieszenia procesu osiadań. W okresie od dnia do dnia 11983, czyli w ciągu 105 dni, osiadania w niektórych miejscach osiągnęły wartość 7 cm. W skali zmian zachodzących w podłoŝu proces ten moŝna określić jako nagły. Gwałtowny wzrost przemieszczeń podłoŝa doprowadził do pojawienia się nowych uszkodzeń konstrukcji nie występujących w pierwszej fazie przyspieszonych osiadań. Na rys 4. pokazano plany warstwicowe pionowych przemieszczeń podłoŝa w obszarze analizowanego segmentu konstrukcji. Dzień (rys. 4a) pokazuje stabilną sytuację, jaka charakteryzowała stan podłoŝa przed przyrostem osiadań. W ciągu niecałego roku (349 dni) 642

5 doszło do zasadniczych zmian w stanie przemieszczeń pokazanym na rys. 4b. Sytuację po kolejnych 105 dniach intensywnych osiadań pokazano na rys. 4c. a) 19-Nov04 G F E D C b) 03-Nov05 G F E 0 0 D C c) 16-Feb06 G F E D C Rys. 4. Plany warstwicowe stanu przemieszczeń podłoŝa w dniu: a) 11529; b) 11878; c)

6 5. Formy uszkodzeń konstrukcji stalowej Przemieszczenia podłoŝa widoczne na planach warstwicowych na rys. 4 naleŝy uznać za bardzo duŝe zarówno co do bezwzględnej wartości jak i gradientu. Ich występowanie spowodowało powstanie licznych uszkodzeń konstrukcji w obrębie analizowanego segmentu. W sumie zaobserwowano i opisano 50 uszkodzeń konstrukcji. Nie odnotowano uszkodzeń słupów, rygli pełnościennych ani połączeń słup-rygiel wykonanych jako połączenia doczołowe. Główne uszkodzenia wystąpiły w prętach pionowych stęŝeń układu. Charakter uszkodzeń pokrywał się z podanymi w operatach geodezyjnych przemieszczeniami. Nie zanotowano ani jednego przypadku niezgodności pomierzonego rozkładu przemieszczeń podłoŝa z formą zniszczenia elementu konstrukcji stalowej. Na rys. 6 pokazano najbardziej efektowne zniszczenie rozciąganego krzyŝulca stęŝenia pionowego polegające na wyrwaniu pręta z blachy węzłowej. W innych rozciąganych prętach stęŝeń uszkodzenia polegały najczęściej na pękaniu spoin czołowych umieszczonych poprzecznie do osi pręta. Na rys. 7 i 8 pokazano z kolei przykładowe przypadki wyboczenia ściskanych prętów stęŝeń. Pojawienie się dodatkowych przemieszczeń węzłów w prętach ściskanych wywołane przemieszczeniami podpór musiało prowadzić do występowania rozmaitych form utraty stateczności. Na podkreślenie zasługuje fakt, Ŝe liczne uszkodzenia prętów stęŝeń pionowych zadziałały korzystnie na konstrukcję. Najbardziej zagroŝonymi a jednocześnie najwaŝniejszymi z punktu widzenia bezpieczeństwa konstrukcji elementami są słupy nośne. Nierównomierne osiadanie podłoŝa wprowadziło do niektórych słupów dodatkowe obciąŝenie od słupów sąsiednich. ObciąŜenia te były przenoszone przez krzyŝulce stęŝeń pionowych. Zrywanie się i wyboczenie przeciąŝonych prętów prowadziło ostatecznie do zmniejszenia przekazywanych na sąsiednie słupy obciąŝeń. Rys. 6. Wyrwana blacha węzłowa rozciąganego krzyŝulca stęŝeń 644

7 Rys. 7. Wyboczenie krzyŝulca z efektem lokalnej utraty stateczności ścianki Rys. 8. Wyboczenie dwugałęziowego krzyŝulca stęŝeń 6. Ocena stanu konstrukcji Konstrukcja została zaprojektowana metodą napręŝeń dopuszczalnych na podstawie normy [3]. Sprawdzenie stanu wytęŝenia konstrukcji z uwzględnieniem aktualnego stanu deformacji podłoŝa i zaistniałych uszkodzeń dokonano metodą stanów granicznych na podstawie normy [4]. Przeprowadzone pomiary pionowości słupów wykazały, Ŝe mimo uszkodzeń niektórych prętów stęŝeń pionowych nie wystąpiły odchyłki wymagające uwzględnienia efektów II rzędu. Cały system kratowych stęŝeń pionowych w dwóch prostopadłych kierunkach, sztywne tarcze poziome stropów Ŝelbetowych oraz kratowe stęŝenia poziome wyŝszych kondygnacji zapewniły konstrukcji odpowiednią stateczność ogólną, która nie została zagroŝona w wyniku zaistnienia lokalnych przypadków utraty stateczności pojedynczych elementów. Posiadany model komputerowy konstrukcji oraz systematycznie prowadzone pomiary geodezyjne pozwoliły na ciągły monitoring stanu wytęŝenia. W celu zapewnienia konstrukcji odpowiedniego bezpieczeństwa wprowadzono całkowity zakaz obciąŝania stropów, które były zaprojektowane na obciąŝenia eksploatacyjne sięgające 10 kn/m 2. Dodatkowo przeprowadzono pomiary tensometryczne stanu wytęŝenia słupów [5]. Pomiary przeprowadzono półtrepanacyjną metodą Mathara. W wybranych punktach pasów słupów naklejono rozety tensometryczne złoŝone z trzech tensometrów. Dwa z nich umieszczone były równoległe i prostopadle do osi słupa, trzeci zaś na osi dzielącej zewnętrzny kąt między dwoma pierwszymi na połowę. Pomiar odkształceń odbywał się przed i po nawierceniu półtrepanacyjnego otworu 645

8 (rys. 9). Oszacowane napręŝenia średnie w osi słupów na podstawie pomiaru napręŝeń w pasach dały najwyŝszą wartość na poziomie 160 MPa, co przy niewielkim udziale momentów zginających oraz smukłości rzędu λ = 41,5 nie dawało podstaw do obawy o stan wytęŝenia słupów. Rys. 9. Wykonywanie otworu w pasie słupa do półtrepanacyjnej metody Mothara. 7. Uwagi końcowe W pracy przedstawiono przypadek powaŝnego uszkodzenia stalowej konstrukcji nośnej na skutek osiadania podłoŝa. Doszło do lokalnych uszkodzeń elementów konstrukcji, nie została natomiast naruszona jej integralność. BieŜący monitoring stanu konstrukcji oraz jej maksymalne odciąŝenie pozwoliły na utrzymanie eksploatacji obiektu. Układ stęŝeń konstrukcji słu- Ŝący zapewnieniu jej ogólnej stateczności stał się czynnikiem powodującym niekorzystne dociąŝenie niektórych słupów, co stało się źródłem największego zagroŝenia bezpieczeństwa konstrukcji. Paradoksalnie, uszkodzenia niektórych prętów stęŝeń prowadzące do ich całkowitego lub częściowego wyłączenia się z pracy poprawiły bezpieczeństwo dociąŝonych słupów. Redystrybucja sił wewnętrznych w konstrukcji spowodowana uszkodzeniami prętów przebiegała w sposób skomplikowany, ale moŝna ją było śledzić dzięki modelowi komputerowemu konstrukcji. Przemieszczenia podłoŝa jest to proces, któremu nie moŝna zapobiec przez wprowadzenie racjonalnych zmian w konstrukcji stalowej. Przyjęto w tej sytuacji strategię bieŝącego śledzenia stanu konstrukcji i pogodzenia się z uszkodzeniami prętów o drugorzędnym znaczeniu dla jej bezpieczeństwa. Intensywne prace wzmacniające podłoŝe doprowadziły ostatecznie do takiej jego stabilizacji, Ŝe moŝliwe stało się przystąpienie do odtworzenia stalowej konstrukcji nośnej. Zmiany w konstrukcji uwzględniają nowe warunki określone zaistniałymi przemieszczeniami podpór. Literatura 1. Biegus A.: Stalowe budynki halowe. Arkady, Warszawa Paczkowska T., Paczkowski W.: Stan awaryjny i wzmocnienie słupów stalowych w budynku przemysłowym. XXII Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane, Szczecin-Międzyzdroje maj PN-62/B Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie. 4. PN/B Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie. 5. Protokół nr 1/2006. Pomiary napręŝeń. PTU MEGA-ERG Sp. z o.o., luty