XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna XXIV Szczecin-Międzyzdroje, maja awarie budowlane

Transkrypt

1 XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna XXIV Szczecin-Międzyzdroje, maja 2009 awarie budowlane Prof. zw. dr hab. inŝ. TADEUSZ GODYCKI-ĆWIRKO, Dr hab. inŝ. KRYSTYNA NAGRODZKA-GODYCKA, prof. PG, Dr inŝ. RYSZARD WOJDAK, Politechnika Gdańska STAN AWARYJNY I SPOSÓB WZMOCNIENIA BETONOWEGO STROPU AULI SPZOZ-U W SZTUMIE FAILURE STATE AND STRENGHTENING OF REINFORCED SLAB-BEAM FLOOR OF BUILDING IN SZTUM Streszczenie W referacie został omówiony stan awaryjny Ŝelbetowej konstrukcji wsporczej stropu hali. Stan awaryjny został uzewnętrzniony powstaniem licznych rys pionowych i ukośnych na styku krótkich wsporników z opartymi na nich podciętymi belkami Ŝelbetowymi. Na podstawie analizy morfologii rys i analizy wytrzymałościowej ustalono stopień zagroŝenia bezpieczeństwa, jak teŝ zaprojektowano stalowe wzmocnienie złącza typu Gerbera, które zostało wykonane. Abstract Failure state of load bearing structure supporting RC floor in the building hall has been presented in this paper. This state occurred in expansion Gerber joints where diagonal as well as vertical cracks had been appeared in corbels and dapped-end beams. On the basis of existing state of the cracked corbels and their strength analysis the safety level was established as well as the strengthening of this joints was designed and realized. 1. Opis konstrukcji Konstrukcję wsporczą stropu Auli SPOZ w Sztumie stanowią dwa rzędy Ŝelbetowych słupów wewnętrznych oraz zewnętrzne podłuŝne mury ceglane grubości dwóch cegieł (51 cm) o wysokości około 6.9 m. W ścianach zewnętrznych znajdują się otwory okienne o wymiarach cm. Otwory okienne usytuowane są pomiędzy belkami poprzecznymi. Długość Auli jest ograniczona murowanymi ścianami szczytowymi o grubości 1.5 cegły. Stan murów jest dobry i w aspekcie bezpieczeństwa nie budzi zastrzeŝeń. Ogólny widok części budynku, w której znajduje się Aula przedstawia rys. 1.

2 Konstrukcje Ŝelbetowe Rys. 1. Część budynku, w której znajduje się Aula Zarys murów zewnętrznych i usytuowanie słupów wewnętrznych na przyjętej siatce osi podłuŝnych 2-2 i 3-3 oraz poprzecznych od B-B do H-H (rys. 2) jak teŝ przekroje poprzeczne słupów przedstawiono na rys. 2 Rys. 2. Rzut poziomy z usytuowaniem ścian, okien i słupów Na rysunku 3 przedstawiono przekrój w osi podłuŝnej Auli z widoczną od wewnątrz ścianą podłuŝną i Ŝelbetowym rusztem belek poprzecznych nawy środkowej wspartych na wspornikach bocznych podciągu w osi słupów 2-2 (rys. 2). 756

3 Godycki-Ćwirko T.: Stan awaryjny i sposób wzmocnienia betonowego stropu auli SPZOZ-u... Rys. 3. Przekrój podłuŝny w osi Auli Nad konstrukcją wsporczą stropu będącego przedmiotem analizy statyczno-wytrzymałościowej znajduje się dwuspadowy stromy dach, którego pokrycie stanowi dachówka ceramiczna. Więźbę dachową stanowi drewniana konstrukcja płatwiowo-kleszczowa z wieszakiem górnym. Krokwie dachu oparte są na murowanych zewnętrznych ścianach budynku oraz drewnianych słupach usytuowanych w płaszczyznach podciągów Ŝelbetowych w osiach 2-2 i 3-3 (rys. 2). Są to podciągi trójprzęsłowe o długości przęseł 7.0 m i przekroju poprzecznym cm z dwoma wspornikami. Przy tym rozwiązaniu więźba drewniana nie stanowi dodatkowego obciąŝenia dla środkowych i skrajnych belek stropu nad Aulą i tym samym cięŝar dachu nie dociąŝa zarysowanych wsporników nawy środkowej, o czym jest mowa w p.2. Geometrię więźby dachu i poprzeczny układ Ŝelbetowego rusztu belek stropu Auli pokazano na rysunku 4. Rys. 4. Drewniany dach i Ŝelbetowa konstrukcja wsporcza stropu Auli (przekrój poprzeczny) Konstrukcję nośną drewnianego pułapu stropu nad Aulą stanowi Ŝelbetowy ruszt podciągowo-belkowy oparty wewnątrz budynku na Ŝelbetowych słupach o przekroju cm. W nawach skrajnych Ŝelbetowe belki o przekroju poprzecznym cm opierają się na podłuŝ- 757

4 Konstrukcje Ŝelbetowe nych ścianach zewnętrznych, zaś z drugiej są monolitycznie połączone z podciągami w osiach 2-2 i 3-3 (rys. 2).W nawie środkowej belki poprzeczne opierają się przegubowo na krótkich wspornikach wystających z podciągów, z którymi są monolitycznie powiązane (rys. 5) Rys. 5. Fragment rusztu z widokiem belek nawy środkowej Szczegół przekroju podciągu w miejscu styku z belką przęsła skrajnego i belką przęsła środkowego na wsporniku bocznym podciągu pokazano na rysunku 6a. Dwa Ŝelbetowe podciągi podłuŝne o wymiarach poprzecznych b h = cm stanowią łącznie ze słupami trzy przęsłową ramę o długości kaŝdego przęsła ~7.00 m. Zewnętrzne skrajne słupy ramy posiadają krótkie wysięgi (0.77 m) poza oś słupa, które to wysięgi są zakończone przy krawędzi dolnej małymi wspornikami typu Gerbera o wymiarach a w h w = cm (rys. 6b). Na tych wspornikach z jednej strony oraz na murach z drugiej zostały wsparte krępe belki o przekroju poprzecznym posiadające długość ~2.70 m a) PRZEKRÓJ 2-2 b) PRZEKRÓJ 1-1 Belka nawy zewnętrznej 2 1 Belka nawy wewnętrznej 25x65 2 B Podciąg 1 Słup 35x Rys. 6. Fragment podciągu ze złączami przegubowymi a) przegub w bocznym wsporniku podciągu, b) przegub w osi podłuŝnej 758

5 Godycki-Ćwirko T.: Stan awaryjny i sposób wzmocnienia betonowego stropu auli SPZOZ-u Opis uszkodzeń Autorzy orzeczenia podczas wizji lokalnej w dniu stwierdzili liczne zarysowania w tym takŝe kilkunastomilimetrowe szczeliny i ubytki betonu (wykruszenia) występujące w obszarze styku podciętych końcówek belek nawy środkowej ze wspornikami podciągu wystającymi z bocznych wewnętrznych jego krawędzi. Na rysunku od 7 9 przedstawiono pęknięcia występujące w miejscu oparcia Ŝelbetowych belek przęsła środkowego na bocznych wspornikach podciągów. Na całkowitą liczbę 14 wsporników zarysowanych zostało 7. Stwierdzono, Ŝe zarysowania (pęknięcia) w stykach belek nawy środkowej ze wspornikami wystającymi z podciągów pojawiały się zawsze tylko z jednej strony (najczęściej we wspornikach podciągu w obszarze przecięcia osi 3-3, rys. 2). Rys. 7. Wsporniki usytuowane w obszarach przecięcia osi B-3 i C-3 Rys. 8. Wsporniki usytuowane w obszarach przecięcia osi D-2 i E-3 Rys. 9. Wsporniki usytuowane w obszarach przecięcia osi F-3 i G-2 759

6 Konstrukcje Ŝelbetowe Na rysunku 10 przedstawiono szczegół jednego z najbardziej spękanych styków podciętej belki nawy środkowej ze wspornikiem bocznym podciągu na przecięciu osi D-2. Rys. 10 Szczegół zniszczenia ( w osiach D-2) styku belki poprzecznej ze wspornikiem podciągu W tym przegubie widać wyraźnie niedostatecznie wysuniętą ze wspornika podciągu pionową pętlę zbrojenia głównego. Ten mankament konstruowania (pętla pionowa zamiast poziomej) jak teŝ błąd wykonawstwa (cofnięte zbrojenie), jest częstą przyczyną awarii a niekiedy nawet katastrof polegających na gwałtownym niesygnalizowanym wyczerpaniu nośności. W analizowanym przypadku nie moŝna jednoznacznie ustalić w jakim czasie eksploatacji nastąpiły tak znaczne uszkodzenia konstrukcji z uwagi na to, Ŝe zostały one zauwaŝone dopiero po zdjęciu podsufitki, które miało miejsce w ostatnim czasie podczas remontu kapitalnego, po kilkudziesięciu latach uŝytkowania zasłoniętego stropu. Na uwagę zasługuje fakt, Ŝe zarysowanie stref podporowych belek przęsła środkowego występują jednostronnie. Ten obraz zarysowania moŝe świadczyć o tym, Ŝe rysy które pojawiły się z uwagi na działanie siły poziomej, wystąpiły w złączu słabszym przy utrudnionym poślizgu w obu złączach. Poślizgowi w przegubach nie sprzyjała dodatkowo papierowa przekładka. Natomiast przedwczesne odgięcia pionowe prętów wspornika przykładowo pokazanych na rysunku 10 sprzyjały pojawienie się pęknięć i wykruszeń betonu w miejscach podparcia belek podciętych krótkimi wspornikami. 3. Analiza stanu istniejącego Z badań wytrzymałości betonu wykonanych metodą nieniszczącą za pomocą młotka Schmidta typu N wynika, Ŝe wytrzymałości kostkowa betonu oscyluje w przedziale od MPa do MPa. Dodatkowo do analizy przyjęto wytrzymałość stali zbrojeniowej gładkiej o granicy plastyczności f yk = 230 MPa oraz wytrzymałość obliczeniową f y = 190 MPa. Szczegółowe wyniki obliczeń statycznych wykonane programem Robot Millennium V.20.1 Wielkości statyczne (momenty, siły tnące i siły normalne) od obciąŝeń obliczeniowych i charakterystycznych, wyliczono z przestrzennego układu szkieletu Ŝelbetowego belek, Ŝeber, podciągów i słupów. W obliczeniach uwzględniono obciąŝenie ustroju cięŝarem własnym, śniegiem i obciąŝeniem uŝytkowym stropodachu p 1 = 1.2 kn/m 2 i p 2 = 3.0 kn/m 2. Wielkości statyczne od obciąŝeń charakterystycznych zostały wykorzystane do wyliczenia globalnych współczynników bezpieczeństwa. Przykładowo na rys.11 przedstawiono maksymalne wartości sił tnących przynaleŝne do obciąŝeń charakterystycznych. 760

7 Godycki-Ćwirko T.: Stan awaryjny i sposób wzmocnienia betonowego stropu auli SPZOZ-u... Rys. 11. Maksymalne siły tnące dla obciąŝeń charakterystycznych Z przeprowadzonych obliczeń statycznych wynika, Ŝe decydujące o bezpieczeństwie stropu nad Aulą Ŝebra nawy środkowej o wymiarach b = 25 cm, h = 65 cm zapewniają współczynnik bezpieczeństwa z uwagi na zginanie przy obciąŝeniu p 1 = 1.2 kn/m 2 s 1 = 2.4 natomiast przy p 2 = 3.0 kn/m 2 s 2 = Z analizy statyczno-wytrzymałościowej wynika, Ŝe nośność wsporników podciągu z uwagi na stal (f yk = 230 MPa) jest wielokrotnie większa od nośności ze względu na beton (f ck = 15 MPa). PowyŜszy wniosek wynika z obliczeń wykonanych kilkoma metodami, których wyniki zestawiono w tablicy 1. Tablica 1 Nośność wsporników [kn] Nośność z uwagi na ścinanie F Vu Mattock 2,3 ACI H=0 ACI H=9 kn ACI H=18 kn z uwagi na stal F Vu,s 430, ,5 z uwagi na beton F Vu,c 198,9 112,7 112,7 112,7 Walraven 4 F Vu = 260,3 kn Z postanowień najbardziej konserwatywnej normy amerykańskiej ACI-318 uzyskano nośność z uwagi na beton równą V max = kn, co przy obciąŝeniu uŝytkowym p 1 = 1.2 kn/m 2 daje współczynnik bezpieczeństwa s 1 = 112.7/49.8 = 2.26 zaś dla p 2 = 3.0 kn/m 2 s 2 = 112.7/70.49 = Wnioski końcowe i zalecenia Przeprowadzona analiza statyczno-wytrzymałościowa umoŝliwiła stwierdzenie, Ŝe przyczyną zarysowań wsporników była nieprawidłowo ukształtowana dylatacja, która uniemoŝliwiała swobodny przesuw poszczególnych fragmentów elementów Ŝelbetowego rusztu. W wyniku działania sił poziomych wywołanych skurczem i temperaturą. Nie ma wątpliwości, Ŝe do przyrostu rozwartości rys przyczyniło się takŝe źle ukształtowane zbrojenie główne wsporników. 761

8 Konstrukcje Ŝelbetowe Wsporniki belek podciętych przęsła środkowego stropu, wykazują mniejsze rozwartości w porównaniu do rys występujących w bocznych wspornikach podciągów. Fakt ten moŝna tłumaczyć tym, Ŝe zbrojenie stref przypodporowych belek, zostało lepiej wykonane. Podobną diagnozę moŝna postulować w stosunku do bocznych wsporników podciągów, które nie uległy zarysowaniu. W tym stanie rzeczy powstaje pytanie czy wzmocnieniu naleŝy poddać tylko wsporniki zarysowane, czy teŝ wzmocnić wszystkie. Wiele wskazuje na to, Ŝe zarysowanie wsporników, obecnie nie zarysowanych moŝe nigdy w przyszłości nie nastąpić. Za wzmocnieniem wszystkich wsporników przemawia fakt, Ŝe opracowany przez autorów sposób wzmocnienia jest skuteczny zarówno dla wsporników podciągu jak i wsporników belek, przy czym wzmocnienie jest proste w realizacji i montaŝu, co widać z rysunku koncepcji wzmocnienia, jak teŝ zdjęcia jego wykonania (rys. 12). Z powyŝszych względów wzmocnieniu poddano wszystkie wsporniki boczne wystające z obu podciągów. a) b) podci¹ g 35*145 6 M24 kl.5.8 ebro 25*65 5 belka 25*50 wspornik podci¹ gu 25* M24 kl.5.8 Rys. 12. Wzmocnienie wsporników a) rysunek, b) realizacja Za wzmocnieniem wszystkich wsporników przemawia równieŝ to, Ŝe nie moŝna wykluczyć iŝ obecnie niewykorzystane poddasze moŝe być w przyszłości eksploatowane. Literatura 1. ACI Standard Code Building Code Requirements for Reinforced Concrete and Commentary, American Concrete Institute Mattock A.H.: Shear Friction and High-Strength Concrete, ACI Structural Journal, V. 98, No. 1, January February Nagrodzka Godycka K.: Wsporniki Ŝelbetowe. Badania, teoria, projektowanie. Monografia nr 21, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk Walraven J., Frénay J., Pruijssers A.: Influence of Concrete Strength and Load History on the Shear Friction Capacity of Concrete Members, Journal Prestressed Concrete Institute, January February