WYBRANE PROBLEMY PROSTOWANIA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH WYCHYLONYCH Z PIONU

Transkrypt

1 Krzysztof GROMYSZ Politechnika Śląska Tomasz NIEMIEC MPL Katowice sp. z o. o. WYBRANE PROBLEMY PROSTOWANIA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH WYCHYLONYCH Z PIONU Przedstawiono stosowane w Polsce metody rektyfikacji (prostowania) budynków. Prawidłową orientację w przestrzeni obiektu budowlanego (stropy poziome, ściany pionowe), uzyskać można bądź przez obniżanie części wyżej leżących bądź przez podnoszenie części położonych niżej. W pierwszym przypadku wybiera się w odpowiedni sposób grunt spod fundamentów; wykonując sieć otworów wiertniczych lub wycinając klin gruntu za pomocą łańcucha bez końca. W drugim przypadku, podnoszenie obiektu realizowane jest za pomocą podnośników albo wypiętrzając podłoże obiektu stosując iniekcje odpowiednim medium pod fundamentem budowli. Najczęściej stosowana obecnie jest metoda podnoszenia budowli z użyciem podnośników hydraulicznych. 1. WPROWADZENIE Na skutek eksploatacji górniczej występują na ogół ciągłe deformacje powierzchni. Najistotniejszy wpływ na budynki na terenach górniczych mają: odkształcenie poziome ε, obniżenie w, nachylenie T oraz krzywizna pionowa K (rys. 1). Rys. 1. Deformacje terenu górniczego. Wskaźniki deformacji terenu górniczego: T - nachylenie, ε odkształcenie poziome, K - krzywizna pionowa, w obniżenie na tle wychylonego budynku (1 eksploatacja)

2 Jak wykazały badania [5], w przypadku budynków mieszkalnych, wychylenie wynoszące mm/m jest uciążliwe, a wychylenie powyżej 25 mm/m jest niedopuszczalne. Takie wychylenie powinno być usunięte. Celem artykułu jest przedstawienie metod usuwania wychyleń budynków mieszkalnych ze szczególnym uwzględnieniem realizacji przeprowadzonych na terenie Polski. 2. METODY USUWANIA POCHYLEŃ BUDOWLI Wyróżnić można trzy metody rektyfikacji, czyli eliminowania pochyleń budynków (tablica 1) [2]. Pierwsza polega na usuwaniu gruntu spod wyżej położonej części obiektu (rys. 2a), druga na podnoszeniu niżej położonej części obiektów za pomocą podnośników (rys. 2b) [2], trzecia na równoczesnym obniżaniu wyżej położonej części obiektu i podnoszeniu części położonej niżej. Metoda: Tablica 1. Systematyka usuwania wychyleń budynków usuwania gruntu podnoszenia niżej spod wyżej położonej części bu- położonej części pośrednia obiektów dynku Sposób: grawitacyjno-wiertniczy wycinania warstw gruntu z wykorzystaniem podnośników sterowanych przemieszczeniem z wykorzystaniem podnośników sterowanych siłą z wykorzystaniem podnośników membranowych dźwigni jednostronnej iniekcji Rys. 2. Metody eliminowania wychyleń obiektów budowlanych: a) usuwanie gruntu spod wyżej położonej części obiektu, b) podnoszenie niżej położonej części obiektu

3 Niezależnie od przyjętej metody rektyfikacji, potrzebne jest określenie wartości i kierunku wychylenia obiektu. Przystępując do rektyfikacji budynków prefabrykowanych, określa się położenie wszystkich krawędzi ścian zewnętrznych. Wyniki tych pomiarów uwzględniają wówczas również niedokładności montażu konstrukcji, którą oszacować można na około 3mm/m. Dla budynku przewidzianego do rektyfikacji wyznacza się składowe pochylenia obiektu w dwóch kierunkach wzdłuż prostopadłych ścian. Następnie wyznacza się wektor pochylenia wypadkowego T max jako sumę wektorową obu prostopadłych składowych. Wektor ten wskazuje wartość i kierunek rektyfikowania budynku. Rektyfikacja sprowadza się do obrotu budynku w płaszczyźnie pionowej dookoła osi prostopadłej do kierunku wychylenia wypadkowego (rys. 3). W przypadku metod prostowania należących do grupy pierwszej będzie to oś 1, a w przypadku metod zaliczanych do grupy drugiej (podnoszenie) - oś 2. Dla metod pośrednich budynek jest obracany względem osi znajdującej się między osiami 1 i 2 [7]. Rys. 3. Usuwanie wychyleń jako obrót obiektu względem osi prostopadłej do kierunku wychylenia wypadkowego W pierwszej grupie metod prostowania wyróżnia się dwa sposoby. Sposób grawitacyjno wiertniczy, polega na wykonaniu odwiertów pod budynkiem. Część gruntu jest usuwana, a pozostała - znajdująca się pod budynkiem - ulega znacznemu osłabieniu. Wskutek tego zostaje wyczerpana nośność gruntu i budynek ulega nierównomiernemu osiadaniu i powraca do prawidłowej orientacji w przestrzeni. W sposobie drugim, pożądane położenie budynku względem pionu uzyskuje się przez wycinanie kolejnych warstw gruntu. W drugiej grupie metod usuwania wychyleń, w praktyce zastosowano trzy sposoby. Pierwszym jest rektyfikacja za pomocą podnośników hydraulicznych sterowanych indywidualnie przemieszczeniem, drugim rektyfikacja z wykorzystaniem podnośników sterowanych siłą, a trzecim - rektyfikacja z użyciem podnośników hydraulicznych płaskich (membranowych). Do metod pośrednich można zaliczyć dźwignię jednostronną, której zastosowanie powoduje, że część budynku znajdująca się wyżej zostanie opuszczana, a część znajdująca niżej będzie podnoszona. Do metod pośrednich zaliczono także sposób polegający na tłoczeniu do gruntu medium o właściwościach pęczniejących, wymuszającego przemieszczenia ku górze części budynku znajdującej się niżej.

4 2.1. Metody polegające na usuwaniu gruntu Sposób grawitacyjno-wiertniczy W sposobie grawitacyjno-wiertniczym [7] w celu obniżenia części obiektu znajdującej się wyżej wybiera się odpowiednią bryłę gruntu spod fundamentu za pomocą poziomych otworów wiertniczych (rys. 4). W efekcie wymusza się zmiany właściwości gruntu zalegającego pod fundamentem, a w szczególności zmianę jego ściśliwości. To zjawisko wykorzystuje się do przeprowadzenia kontrolowanego nierównomiernego osiadania budynku, co w konsekwencji prowadzi do jego wyprostowania. W zależności od potrzeb, wierci się otwory pod fundamentem w pionie, poziomie lub ukośnie, na głębokości poniżej 1 m pod podstawą fundamentu. Dodatkowe zalewanie wykonanych otworów wodą, szczególnie w przypadku gruntów lessowych, przyśpiesza proces zmian w podłożu i uzyskuje się pożądany obrót bryły obiektu [13]. Otwory wykonuje się za pomocą wiertnicy poruszającej się na specjalnie przygotowanych prowadnicach ułożonych na dnie wcześniej wykonanego wykopu w bezpośrednim sąsiedztwie rektyfikowanego obiektu (rys. 4b). Do wykonania otworów stosuje się świdry, których średnica zależy od rodzaju gruntu, w którym mają być prowadzone odwierty. a) b) Rys. 4. Sposób grawitacyjno wiertniczy: a) idea sposobu, b) przykład realizacji Pod wpływem ciężaru rektyfikowanego obiektu wykonane otwory zaciskają się, co w następstwie doprowadza do kontrolowanego nierównomiernego osiadania obiektu, a przez to do jego obrotu. Regulacji prędkości osiadań dokonuje się przez nawilżanie otworów. Ten sposób rektyfikacji obiektów budowlanych jest powszechnie stosowany na terenie Ukrainy [13]. Projektowanie pionowej rektyfikacji opisane w pracy [13], w zakresie gruntów cechującymi się parametrami: 10 < E 20 MPa, tg 0,3, c 0,05 MPa, opiera się na Winklerowskim modelu podłoża. Odmianę sposobu grawitacyjno wiertniczego zastosowano również w Polsce do rektyfikacji dwóch budynków 11-kondygnacyjnych o rzucie 12,6 23,6 m w Raciborzu [9]. Przyczyną wychylenia budynków było ich posadowienie na war-

5 stwie namułów zmiennej grubości. Rektyfikowane budynki o konstrukcji prefabrykowanej (ściany nośne wykonane z elementów kanałowych typu Żerań grubości 240 i 380 mm, stropy z płyt kanałowych rozpiętości 2,4 oraz 4,8 i 6,0 m) były posadowione na fundamentach płytowych grubości 0,7 m, pod którymi wykonano częściową wymianę gruntu (podsypka piaskowa grubości 1,5 m). Grunt spod budynku usuwano wykonując otwory wiertnicze średnicy 150 mm i długościach do 13 m. W pierwszym etapie wykonywano otwory bez orurowania, bezpośrednio pod płytą fundamentową, a następnie otwory orurowane na głębokości 0,6 m pod płytą fundamentową. Spod każdego z fundamentów wydobyto około 25 m 3 gruntu, co spowodowało obrót budynków o około 10 mm/m. Po dokonaniu rektyfikacji budynki zostały ustabilizowane odcinkowymi palami MEGA, które przekazały obciążenie na warstwę nośnego podłoża, zalegającą poniżej warstwy gruntu słabego. Autor w pracy [9] proponuje odmienne w stosunku do przedstawionego w [13] podejście do obliczania rozstawu i liczby otworów pod budynkiem. Metoda przedstawiona w [9] wykorzystuje geometryczne zależności opisujące niezbędny do usunięcia nadmiar gruntu spod części budynku znajdującej się wyżej. Zakładając, że teoretyczna oś obrotu budynku powinna przechodzić przez najniżej położone naroże podstawy fundamentu (punkt 1, rys. 5) i być prostopadła do kierunku wypadkowego wychylenia, potrzebne obniżenia naroży fundamentu można określić z zależności: s 1=0, s 2=T 1 l 1, s 3=T 2 l 2, s 4= T 1 l 1+T 2 l 2, (1) a bryła gruntu przeznaczonego do wybrania ograniczona jest liniami prostymi (rys. 5). Na rysunku 5 przedstawiono za [9] przykład dobierania długości otworów po podzieleniu fundamentu na 3 strefy. W poszczególnych strefach określono, że jest niezbędne wykonanie odpowiednio 1, 3, 5 otworów na szerokość c fundamentu, liczoną wzdłuż jego długości. W rozpatrywanym przypadku szerokość c określa się z zależności: c d 2 / 4s (2) gdzie d - średnica otworu, s - średnie obniżenie fundamentu w strefie położonej najbliżej punktu 1 (rys. 5). Należy zauważyć, że s=s 4/6, natomiast średnie obniżenia fundamentu w następnych strefach wynoszą 3s 4/6 i 5s 4/6. Koncepcja prostowania wychylonych z pionu budynków przez wykonanie odwiertów z poziomu terenu, poprowadzonych pod kątem 45 0 do jego powierzchni, została podana w patencie i ofercie [11]. W myśl tego sposobu odwierty mają być prowadzone w układzie przecinających się w planie wachlarzy, z pozostawieniem trójkątnych przykrawędziowych sektorów nienaruszonego podłoża (rys. 6). Po wyprostowaniu obiektu, w celu utrwalenia jego położenia, wskazywano [11] na konieczność wypełnienia betonem szczelin pozostałych w gruncie. Na terenie Rybnika w 1998 r. podjęto jedną nieudaną próbę rektyfikacji budynku według patentu [11].

6 a) b) c) Rys. 5. Zasada obliczania ilości gruntu potrzebnego do wybrania oraz rozmieszczenia otworów pod budynkiem (opis w tekście) Rys. 6. Koncepcja prostowania obiektów przez wykonywanie otworów z poziomu terenu Sposób wycinania warstw gruntu Sposób wycinania warstw gruntu polega na usuwaniu jego nadmiaru za pomocą urządzenia skrawającego. Urządzenie to zostało wykonane wykorzystując przenośnik zgrzebłowy i łańcuch założony na odpowiednio napędzane koła gwiezdne. W skład mechanizmu wchodzą: łańcuch urabiający, silniki hydrauliczne, napinacze łańcucha i regulatory prędkości. Zasada działania urządzenia polega na usuwaniu gruntu spod wyżej położonej części obiektu przez poruszający się łańcuch [10].

7 Łańcuch urabiający (tzw. łańcuch bez końca), napędzany silnikiem i przesuwany poziomo pod budynkiem wycina warstwę podłoża. Wskutek tego następuje obniżenie fundamentu, a przy odpowiednio dobranej grubości wyciętego gruntu dochodzi do redukcji pochylenia budynku. Urządzenie napędzające łańcuch porusza się po specjalnie przygotowanym torowisku zabudowanym w dnie wykopu (rys. 7). Opisany sposób zastosowano do rektyfikacji trzech budynków jednorodzinnych na terenie Rybnickiego Okręgu Węglowego w latach osiemdziesiątych [10]. Proces prostowania trwał od roku do dwóch lat i poza utrudnieniami w użytkowaniu obiektów pociągnął za sobą, mimo wzmocnień budynków (rys. 7), liczne ich uszkodzenia. Rys. 7. Metoda wycinania warstw gruntu (pokazano zasadę usuwania składowej pochylenia) Jako zaletę metod rektyfikacji polegających na usuwaniu gruntu spod obiektu należy wskazać brak ingerencji w konstrukcję budynku w trakcie prowadzenia rektyfikacji. Do wad tej grupy zalicza się jednak: zagłębianie budynku w gruncie, co może powodować, w zależności od sytuacji podtapianie piwnic lub konieczność przebudowania infrastruktury wokół obiektu, uszkodzenia obiektów w trakcie wycinania warstw gruntu, szeroki zakres prac przygotowawczych, konieczność dysponowania dużymi przestrzeniami wokół rektyfikowanych obiektów.

8 Zdaniem autorów artykułu, metody polegające na usuwaniu gruntu spod budynku sprawdzają się w przypadku gruntów lessowych (doświadczenia ukraińskie [13]). Przy gruntach niejednorodnych i zwięzłych sterowanie procesem osiadania obiektu jest utrudnione. Skutkiem tego są skokowe przyrosty odkształceń gruntu pod prostowanym obiektem i brak pełnej kontroli nad procesem rektyfikowania Metody polegające na podnoszeniu budynków Rektyfikacja wychylonych z pionu budynków przez nierównomierne podnoszenie jest technologią stosunkowo nową, stosowaną na szerszą skalę w Polsce od 1994 r. Metoda ta polega na nierównomiernym podnoszeniu budynku za pomocą układu podnośników wbudowanych w ścianach kondygnacji piwnicznej budynku [3]. Proces prostowania składa się z trzech faz (rys. 8). W pierwszej doprowadza się do rozerwania budynku. Powstaje pozioma szczelina biegnąca między podnośnikami. W przypadku budynków o ścianach żelbetowych przebieg tej szczeliny zdeterminowany jest rozwiązaniami konstrukcyjnymi (połączeniem elementów prefabrykowanych albo przekrojem, w którym rozcięto zbrojenie, w przypadku konstrukcji monolitycznych). W konstrukcjach murowanych szczelina biegnie pod wbudowanym wzmocnieniem ścian. Powstanie tej szczeliny jest stymulowane poprzez sekwencyjne wymuszanie przemieszczeń w poszczególnych podnośnikach. Rys. 8. Fazy rektyfikacji przez nierównomierne podnoszenie Faza druga to równoległe podnoszenie. Wszystkie podnośniki wykonują jednakową liczbę kroków, w wyniku czego budynek jest podnoszony na wysokość mm. Jest to konieczne, aby w następnym etapie prostowania krawędzie obracanej części budynku i pozostającej w gruncie nie zahaczały o siebie. Faza trzecia sprowadza się do nierównomiernego podnoszenia budowli. Każdy obiekt przeznaczony do prostowania wymaga szeregu zabiegów przygotowawczych, obejmujących: wykucie wnęk pod podnośniki, wykonanie niezbędnych wzmocnień, zabudowę podnośników w kondygnacji piwnicznej, czasowe odcięcie instalacji centralnego ogrzewania, gazowej i wodnokanalizacyjnej.

9 Obecnie w Polsce rozwinęły się trzy sposoby rektyfikacji budynków przez nierównomierne podnoszenie. Różnią się one jedynie typem stosowanych podnośników i rodzajem sterowania (sterowanie przemieszczeniem tłoka podnośnika, sterowanie siłą w podnośniku). Poszczególne systemy, ze względu na nośność pojedynczego podnośnika, są przypisane do danego rodzaju rektyfikowanego obiektu Usuwanie wychyleń za pomocą podnośników sterowanych przemieszczeniem. Prostowanie za pomocą tego rodzaju podnośników polega na zabudowaniu w ścianach piwnic zestawu podnośników. Podnośniki sterowane komputerowo, o nośności 450 kn są umieszczane w specjalnie do tego celu wykutych otworach lub w otworach okiennych kondygnacji piwnicznej [3]. Umiejscowienie podnośników (rys. 9) wynika z rozkładu naprężeń w przewidywanej płaszczyźnie rozerwania budynku. Ponadto projektując rozkład podnośników dodatkowo zabezpiecza się kominy i schody prowadzące do piwnicy oraz różnego rodzaju przybudówki. Na czas rektyfikacji stosuje się zabezpieczenie budynku. Najczęściej wykonuje się je w postaci dwóch ceowników umieszczonych po obu stronach rozrywanych ścian. a) b) Rys. 9. Przykładowe rozmieszczenie podnośników sterowanych przemieszczeniem w budynku jednorodzinnym: a) rzut kondygnacji piwnicznej, b) przekrój W przypadku prostowania budynku za pomocą podnośników sterowanych przemieszczeniem zachowuje się dany krok podnoszenia, równy od 0,2 do 0,5 mm. Podnoszenie budynku odbywa się kolejnymi przebiegami. Przebiegów takich, w zależności od wychylenia, przeciętnego kroku i położenia podnośnika w budynku może być kilkaset. Na przykład w budynku, którego jeden narożnik jest obniżony w stosunku do drugiego o 1 m, liczba kroków o skoku 0,5 mm w części podnośników wyniesie aż 2000.

10 Jeżeli przechylenie budynku przekracza 190 mm, ograniczony wysuw tłoka podnośnika wymusza okresowe jego podkładanie klockami drewnianymi (rys 10). Sposobem tym wyprostowano kilkaset budynków jednorodzinnych, kilka segmentów budynków czterokondygnacyjnych oraz kościół. Ze względu na nośność jednego podnośnika, opisany sposób nadaje się w szczególności do rektyfikacji budynków jednorodzinnych. Rys. 10. Podnośniki sterowane przemieszczeniem zabudowane w kondygnacji piwnicznej budynku Usuwanie wychyleń za pomocą podnośników sterowanych siłą W przypadku tego sposobu prostowania budynków sterowanie odbywa się indywidualnie w każdym podnośniku przez wymuszanie siły. Siła zostaje wymuszana przez podanie oleju pod danym ciśnieniem. Ze względu na wysuw tłoka, wynoszący 60 cm (rys. 11), w przypadku małych budynków lub niewielkich wychyleń podkładanie podnośników w trakcie rektyfikacji nie jest konieczne. Nośność jednego podnośnika, przedstawionego na rys. 11, wynosi 600 kn. Dlatego metoda ta jest powszechnie stosowana w prostowaniu budynków kilkukondygnacyjnych. Zakres prac związanych z procesem prostowania jest podobny do zakresu prac przy rektyfikacji za pomocą podnośników sterowanych przemieszczeniem. W przypadku prowadzenia rektyfikacji budynków, w których ściany piwnic wykonane są jako żelbetowe monolityczne, przed przystąpieniem do rektyfikacji jest niezbędne rozcięcie wszystkich prętów zbrojenia ścian.

11 Rys. 11. Podnośniki sterowane siłą Po zakończeniu nierównomiernego podnoszenia rozcięte zbrojenie jest odtwarzane. Po ukończeniu rektyfikacji prowadzony jest dalszy remont budynku polegający na wypełnieniu szczelin powstałych w kondygnacji piwnicznej oraz wnęk po podnośnikach, tynkowaniu ścian, wykonaniu wylewek w piwnicach do żądanego poziomu oraz, w razie konieczności, dobudowaniu schodów. Sukces rektyfikacji wykonywanej za pomocą podnośników sterowanych siłą zależy w dużym stopniu od doświadczenia osoby obsługującej podnośniki Usuwanie wychyleń za pomocą podnośników membranowych Podnośniki w tym sposobie stanowią wypełniane olejem membrany o początkowej wysokości równej 60 mm i średnicy 520 mm (rys. 12). Specjalnie dobrany kształt podnośnika sprawia, że po wypełnieniu olejem zwiększa on swoją wysokość o 60 mm. Okrągłe, drewniane podkładki przekazujące siłę z podnośnika na budynek mają średnicę 440 mm, co przy ciśnieniu w układzie hydraulicznym wynoszącym 13 MPa daje siłę przekazywaną na budynek z jednego podnośnika równą 2000 kn. W praktyce, w trakcie rektyfikacji siła ta nie przekracza 1200 kn. W omawianym sposobie podnośniki są zasilane centralnie z jednej pompy olejowej a sterowanie odbywa się przez wymuszanie ciśnienia oleju indywidualnie w każdym podnośniku. Duża powierzchnia oporowa podnośnika sprawia, że mimo znacznej siły docisku przekazywanej na fundament i rektyfikowaną część budynku naprężenia pod podnośnikiem nie przekraczają 10 MPa i mogą być przenoszone przez beton średniej klasy. Konstrukcja podnośnika oraz system sterowania zapewniają pełną kontrolę przemieszczeń pionowych, co gwarantuje zachowanie stałości powierzchni podnoszonej części budynku.

12 a) b) Rys. 12. Podnośniki membranowe: a) podnośniki przygotowane do zabudowania w konstrukcji, b) układ dwóch podnośników membranowych zabudowanych w kondygnacji przyziemia Wzmocnienie ścian projektuje się, w zależności od nośności ściany i zastosowanego w niej zbrojenia, z dwóch kształtowników stalowych umieszczonych po dwóch stronach ściany (rys.13a) lub w postaci układu kształtowników i prętów (rys. 13b). a) b) Rys. 13. Najczęściej projektowane rodzaje wzmocnień ścian kondygnacji piwnicznych

13 a) wzmocnienie z dwóch kształtowników stalowych umieszczonych po dwóch stronach ściany: 1 podnośnik membranowy, 2 okute blachą podkładki, 3 stalowa obręcz wypełniona piaskiem, 4 otwór w ścianie 600/220 mm, 5-200, 6-25 co 300 mm, 7 bl /500, , 9 poszerzenie żeber fundamentowych, 10 żebro fundamentowe, 11 płyta ścienna, b) wzmocnienie w postaci układu kształtowników i prętów. 1 płyta fundamentowa, 2 - monolityczna ściana piwnic, 3 poszerzenie ściany, 4 otwór w ścianie 600/220 mm, 5-200, 6-25 co 300 mm, 7 bl /500, , 9 poszerzenie żeber fundamentowych, 10 żebro fundamentowe, 11 płyta ścienna Metody pośrednie Pośrednie metody rektyfikacji można uznać za kombinację prostowania przez usuwanie gruntu i nierównomiernego podnoszenia Dźwignia jednostronna Dźwignia jednostronna polega na podnoszeniu nadmiernie obniżonej części obiektu budowlanego przy jednoczesnym podkopaniu części przeciwległej. Sposób został zastosowany w praktyce do wyprostowania 13-kondygnacyjnego budynku w Rzeszowie, wychylonego około 40 cm [12]. Budynek był posadowiony na namułach w stanie plastycznym i miękkoplastycznym, a pod jedną z jego krawędzi występowała soczewka z piasku, grubości około 2 m. Grunty nośne występowały na głębokości 12 m. Takie warunki posadowienia spowodowały w konsekwencji pochylenie budynku: osiadanie jednej z krawędzi wyniosło około 35 cm, a przeciwległej około 14 cm. Różnica osiadań wynosiła więc 21 cm. W celu wyprostowania budynku wzmocniono skrzynię fundamentową oraz dobudowano do niej wspornik (rys. 14). Pod wspornikiem wprowadzono pale Wolfsholza, a następnie podnośnikami hydraulicznymi opartymi na tych palach i oddziałującymi na dobudowany do fundamentu wspornik podnoszono część fundamentu, który osiadł więcej (rys. 14). W tym celu zainstalowano sześć podnośników, każdy o udźwigu 200 ton. Dzięki pracy podnośników, a także podkopaniu części budynku, która cechowała się mniejszym osiadaniem, maksymalne osiadanie zmniejszyło się o 3 cm, natomiast osiadanie krawędzi przeciwnej zwiększyło się o 13 cm. Tak więc różnica osiadań po wyprostowaniu wynosiła tylko 5 cm. Opisany sposób nadaje się do stosowania tylko wówczas, gdy kierunek pochylenia budynku jest równoległy do jego układu konstrukcyjnego, a warstwa nośna gruntu nie zalega zbyt głęboko.

14 ` Rys. 14. Metoda dźwigni jednostronnej Iniekcja Iniekcja polega na tłoczeniu pod znacznym ciśnieniem medium o dużej zdolności penetracji i właściwościach wiążących do podłoża części obiektu budowlanego znajdującej się zbyt nisko. Sposób został zastosowany z pozytywnym skutkiem na terenie Katowic. Przez tłoczenie zaczynu cementowego pod ciśnieniem około 0,8 MPa powstrzymano wychylanie się a także częściowo wyprostowano dwa sąsiadujące ze sobą wielokondygnacyjne segmenty (7 i 9 kondygnacji) [1]. Podobny sposób rektyfikacji mieszkalnego wieżowca w Berlinie przedstawiono w [6]. Ze studni zlokalizowanej w pobliżu rektyfikowanego obiektu wykonano pod nim układ poziomych rur iniekcyjnych. Rurami tymi pompowano zaczyn cementowy pod ciśnieniem, a otwieranie odpowiednich zaworów umożliwiło iniekcję we właściwych miejscach pod fundamentem. 3. PRZYKŁADY REALIZACJI PIONOWYCH REKTYFIKACJI Poniżej przedstawiono proces prostowania dwóch budynków na terenie Polski. Budynki te cechowały się odmiennymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi: konstrukcja pierwszego była ramowa a drugiego ścianowa [14].

15 3.1. Prostowanie budynku o konstrukcji ramowej Rektyfikacji poddano trzy segmenty budynku szkoły. Wychylenie segmentów wynosiło od 21 mm/m do 40 mm/m. Wszystkie prostowane segmenty są dwukondygnacyjne, niepodpiwniczone o ramowej konstrukcji nośnej. Rzut segmentów wynosi 13,00 13,12 m (rys. 15). Fundamenty segmentów stanowią żelbetowe ławy, w których utwierdzono monolityczne słupy długości 2 m i przekroju cm. Monolityczne słupy, wyposażone w stalowe okucia z kątowników, stanowią oparcie dla słupów żelbetowej prefabrykowanej ramy [15, 16]. Dolne fragmenty słupów ram prefabrykowanych są także wyposażone w okucia z kątowników. Połączenie słupów prefabrykowanych ram z monolitycznymi słupami wykonane było przy pomocy blach przykładkowych spawanych do okuć (rys. 16). W trakcie prostowania obiektu, rozcięto blachy przykładkowe. Takie położenie rozcięcia konstrukcji zapewniało, że reakcję ze słupa stanowiła jedynie siła osiowa bez udziału momentów zginających [15]. W związku z tym w trakcie prostowania należało przejąć jedynie siłę osiową ze słupa. Siła działająca w podnośnikach musiała pokryć się zatem z osią słupa. Wobec powyższego, zabudowano podnośniki tłokowe symetrycznie po dwóch stronach słupów. Przekazanie siły z podnośników na słup zapewniły siły tarcia wywołane między sześcioma elementami stalowo betonowymi a słupem. W celu zabudowania elementów stalowo - betonowych w każdym słupie wykonano trzy otwory. Przez otwory te przeprowadzono śruby M24 klasy 8,8. Następnie na tych śrubach osadzono elementy stalowo betonowe. W każdej śrubie wywołano siłę równą 160 kn, co zapewniło możliwość wywołania między boczną powierzchnią słupów a elementami stalowo betonowymi sił tarcia równoważących reakcję przekazywaną z podnośników. Zrealizowane rozwiązanie przedstawiono na rysunku 16.

16 Rys. 15. Rzut jednego segmentu budynku szkoły (przekroje A-A i B-B przedstawiono na rysunku 5) Po przeprowadzeniu prostowania elementy stalowo betonowe zostały zdemontowane. Powstałe w ścianach osłonowych przestrzenie (rys. 17) zamurowano. W wyniku przeprowadzonej rektyfikacji segmentom szkoły przywrócono pełną wartość użytkową.

17 a) b) Rys. 16. Przekazywanie sił z podnośników na słupy żelbetowe przez siły tarcia wywołane między elementami stalowo betonowymi a słupem a) schemat konstrukcji, b) przykład realizacji a) b) Rys. 17. Przemieszczenie podnoszonej części budynku względem części pozostającej w gruncie: a) widok z zewnątrz budynku, b) wnętrze podnoszonego budynku 3.2. Prostowanie budynku o konstrukcji ścianowej Prostowany obiekt to trzysegmentowy jedenastokondygnacyjny budynek mieszkalny wielkopłytowy systemu Fabud T. Różnokierunkowe wychylenie segmentów wynosiło do 26 mm/m (rys. 18a, b). Poprzeczne ściany budynku znajdują się w osiowych rozstawach równych 6,0, 4,8, 3,6 oraz 2,4 m. Poprzeczne ściany

18 nośne, podłużne ściany osłonowe, a także podłużną wewnętrzną ścianę usztywniającą w przyziemiu wykonano w postaci żelbetowych płyt prefabrykowanych grubości 20 cm (rys. 18d). Budynek posadowiono na płycie fundamentowej grubości 60 cm z żebrem fundamentowym wysokości 60 cm i szerokości 30 cm (rys. 18c).Do przeprowadzenia prostowania budynku wykorzystano system 50 podnośników membranowych. Podnośniki tego systemu mają średnicę 520 mm, wysokość początkową 60 mm, zakres pracy 60 mm. Ciśnienie oleju w podnośnikach w trakcie pracy wynosi do 13 MPa. Podnośniki membranowe zostały umieszczone w otworach wykonanych w kondygnacji przyziemia, w miejscu oparcia płyt ściennych na żebrach fundamentowych (rys. 18c). Szerokość płyt ściennych wynosząca 200 mm wymuszała konieczność ich poszerzenia w celu zapewnienia pełnego oparcia podnośników na podnoszonej części budynku. a) b) c) d) Rys. 18. Jedenastokondygnacyjny budynek mieszkalny a) widok ogólny, b) zmiana szerokości przerwy dylatacyjnej powstała wskutek wychylenia, c) przekrój poprzeczny, d) układ ścian nośnych kondygnacji przyziemia, rozmieszczenie podnośników

19 Powierzchnię tę uzyskano przez zabudowanie po dwóch stronach ścian dziesięciu elementów stalowo betonowych (rys. 19). Zabudowanie tych elementów wiązało się z wykonaniem pięciu otworów w ścianach nośnych nad każdym podnośnikiem. Samo prostowanie polegało na zadawaniu przemieszczeń poszczególnym podnośnikom. Po zakończeniu prostowania zdemontowano elementy stalowo - betonowe. Przeprowadzona rektyfikacja budynku jedenastokondygnacyjnego przywróciła pełną wartość użytkową obiektu. W trakcie rektyfikacji następowała zmiana schematu statycznej pracy budynku. Obciążenie ze ścian budynku na fundament było przekazywane, nie jak w trakcie eksploatacji w postaci obciążenia liniowego, lecz w postaci sił skupionych. Dlatego wymagane było obliczeniowe sprawdzenie stanów granicznych nośności wybranych fragmentów budynku, fundamentów oraz podłoża. a) b) Rys. 19. Konstrukcja ścianowa. Przekazywanie obciążenia z podnośnika na ścianę przez tarcie: a) szkic rozwiązania, b) przykład realizacji Przy wyznaczaniu wartości sił w podnośnikach zastosowano uproszczone podejście, w którym modeluje się jedynie dwie pierwsze kondygnacje budynku (rys. 20a). Następnie w poziomie górnych krawędzi ścian i stropu tego modelu jest przykładane obciążenie pionowe wynikające z ciężaru kolejnych kondygnacji. Obciążenie pionowe jest wyznaczane z dwóch możliwych schematów pracy stropów. Schemat pierwszy (rys. 20b) zakłada że stropy wszystkich kondygnacji opierają się na ścianach poprzecznych oznaczonych na rysunku 18d osiami: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. W schemacie drugim (rys. 20c) przyjmuje się, że obciążenie jest przekazywane zarówno na nośne ściany poprzeczne, jak i na ściany podłużne. Rzeczywista praca stropów zastosowanych w rozważanym budynku znajduje się w zbiorze rozwiązań, którego kresami górnym i dolnym są przyjęte schematy.

20 a) b) c) Rys. 20. Zasada wyznaczania siły w podnośnikach a), b), c) opis w tekście

21 4. NACHYLENIE BUDYNKU JAKO KRYTERIUM ODPOWIEDZIALNOŚCI ZA SZKODY GÓRNICZE W Tablicy 2. przedstawiono granice kategorii terenów górniczych ze względu na wartości pochyleń, dopuszczalne limity pochyleń dla budynków dwu-, pięcioi jedenastokondygnacyjnych. Na podstawie badań i wywiadów z użytkownikami budynków, określono granicę odczuwania pochylenia (10 mm/m) oraz granice małej (do 15mm/m), średniej (do 20 mm/m) oraz dużej uciążliwości (25 mm/m). W polskim porządku prawnym nie jest stosowana rekompensata za uciążliwości użytkowania z uwagi na ponadnormatywne pochylenie (np. 20 mm/m), więc jedyną alternatywą naprawy szkody jest rektyfikacja budynków, chyba, że koszt naprawy rażąco przekracza wartość obiektu wówczas stosowana jest wypłata jednorazowego odszkodowania. Przekroczenie w budynku stanów granicznych nośności skutkować może awarią bądź katastrofą budowlaną. Dla budynków dwukondygnacyjnych graniczną wartością pochylenia jest 50 mm/m, dla budynków pięciokondygnacyjnych 40 mm/m, natomiast dla budynków jedenastokondygnacyjnych 30 mm/m (Tablica 2). Pochylenie skutkuje mimośrodowym przenoszeniem sił w ścianach piwnicznych oraz ścianach budynku, co jest zjawiskiem niekorzystnym dla rozkładu sił w konstrukcji budowli. Wyprostowanie (rektyfikacja) budynku jest celowa ze względów technicznych, eliminuje bowiem mimośrodowe przenoszenie sił.

22 Tablica 2. Nachylenie jako kryterium odpowiedzialności za szkody górnicze [1] Gil-Kleczeńska B.: Odporność obiektów kubaturowych na wpływ eksploatacji górniczych w aspekcie ich użytkowania, Prace Głównego Instytutu Górnictwa. Konferencje nr 3. Ochrona powierzchni i obiektów budowlanych przed szkodami górniczymi, Katowice 1997 [2] Gil-Kleczeńska B.: Techniczno-ekonomiczne zasady ochrony budynków przed szkodami górniczymi. Prace Głównego Instytutu Górnictwa. Konferencje nr 20. Ochrona powierzchni i obiektów budowlanych przed szkodami górniczymi. Katowice 1997 [3] Instytut Techniki Budowlanej. Praca Naukowo-Usługowa nr SK-407/OG-591: Opinia dotycząca prostowania budynków wychylonych na skutek eksploatacji górniczej. Gliwice 1995 [4] Kowalski A., Jędrzejec E., Kwiatek J.: Kategorie deformacji terenów górniczych. IV Dni Miernictwa Górniczego i Ochrony Terenów górniczych. Rytro 1997 [5] Kwiatek J. i zespół: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych. Katowice 1997

23 5. UWAGI KOŃCOWE Znaczne pochylenie wpływać może negatywnie na użytkowanie budynku dwojako: 1. poprzez dyskomfort użytkowania, 2. przekraczając stany graniczne nośności. W polskim porządku prawnym nie jest stosowana rekompensata za uciążliwości użytkowania z uwagi na ponadnormatywne pochylenie, więc jedyną alternatywą naprawy szkody jest rektyfikacja budynków. Tym bardziej, że przekroczenie stanów granicznych nośności skutkować może awarią bądź katastrofą budowlaną. Wychylenie obiektu budowlanego jest często traktowane jako trwała wada, której nie można usunąć. Często pochylenie jest akceptowane przez użytkowników, którzy godzą się z występowaniem niedogodności z nim związanych. Tymczasem w ostatnich latach na terenie Polski rozwinęło się szereg metod umożliwiających skuteczne usuwanie wychyleń. Prostowanie budynków jest zagadnieniem interesującym z technicznego punktu widzenia. Należy jednak pamiętać, że znaczne wychylenie obiektów, to także poważny problem społeczny. Dotychczas budynki o wychyleniu przekraczającym 5% były wyburzane. Obecnie, dzięki możliwości prostowania, znaczna część wychylonych obiektów jest rektyfikowana. Piśmiennictwo 1. Ajdukiewicz A.: Szkieletowy budynek żelbetowy zagrożony lokalną deformacją podłoża. Inżynieria i Budownictwo nr 2, Gromysz K.: Repairs of Vertically Deflected Buildings. IABSE COLLOQUIUM Berlin Saving Buildings in Central and Eastern Europe. Raport. 3. Gromysz K.: o metodach eliminowania wychyleń obiektów budowlanych. Inżynieria i Budownictwo. 6/2006, s Gromysz K., Starosolski W.: Badanie niszczące zespolonego stropu deskowego w skali naturalnej. XLVI Konferencja Naukowa Krynica 2000, tom II. 5. Kawulok M.: Ocena właściwości użytkowych budynków z uwagi na oddziaływania górnicze. Prace naukowe Instytutu Techniki Budowlanej, Warszawa Kiełbasiewicz W., Kosydor P., Pluciński P.: Bazy parcel i obiektów powierzchniowych oraz system prognozowania WK902 w ochronie terenów górniczych w LGOM. Materiały konferencji naukowo-technicznej: Informatyka w geodezji górniczej. Kraków, AGH Kwiatek J. i inni: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych. Wydawnictwo Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice 1997.

24 8. Kwiatek J., Gil-Kleczyńska B.: Aktualne problemy ochrony obiektów budowlanych na terenach górniczych. Materiały konferencji naukowo technicznej. Ochrona środowiska terenów górniczych. Zarząd Główny SITH. Krynica Kwiatek J.: Grawitacyjno wiertniczy sposób prostowania wysokich obiektów na terenach górniczych. Ochrona Terenów Górniczych nr Niemiec T., Gromysz J.: Metody prostowania budynków przechylonych. Budownictwo Górnicze i Tunelowe nr 3/ Pallado J.: Sposób rektyfikacji obiektów budowlanych. Zgłoszenie patentowe nr Data zgłoszenia oraz opracowana w oparciu o zgłoszenie Oferta na rektyfikację budowli odchylonych od pionu wskutek odkształceń podłoża pod wpływem eksploatacji górniczej, ruchów tektonicznych lub nierównomiernego osiadania terenu. Polcon Ltd, Katowice Rossiński B.: Błędy w rozwiązaniach geotechnicznych. Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa Szokarew S., Klepikowa N. S., Pogorzelski B.: o eliminacji nadmiernych przechyleń obiektów budowlanych. Inżynieria i Budownictwo nr 3/ Gromysz K., Niemiec T.: Usuwanie wychyleń budynków o szkieletowym i ścianowym ustroju nośnym. XXIII Konferencja Naukowo Techniczna Awarie Budowlane s Główne Biuro Studiów i Projektów Górniczych. Wykaz elementów konstrukcyjno budowlanych EKB. Katowice Główne Biuro Studiów i Projektów Górniczych. Zestaw elementów szkieletu dla budynków szkolnych. Elementy słupowo ryglowe na kruszywie lekkim. Katowice, listopad 1985.