AWARIA WIEś OŚWIETLENIOWYCH STADIONU SPORTOWEGO

Transkrypt

1 JERZY SENDKOWSKI, ŁUKASZ TKACZYK, Biuro Budowlane Ankra Sp. z o.o. Kielce AWARIA WIEś OŚWIETLENIOWYCH STADIONU SPORTOWEGO FAILURE OF HIGH LIGHTING MAST OF SPORTS STADIUM Streszczenie W pracy opisano przypadek uszkodzenia stalowych rurowych wieŝ oświetleniowych stadionu sportowego. Przyczyną powstania uszkodzeń wieŝ, było niekontrolowane nagromadzenie się wód w rurach krawęŝników wieŝ w czasie eksploatacji, spowodowane brakiem otworów odwadniających. Po przeprowadzonych badaniach penetracyjnych, ultradźwiękowych i materiałowych ustalono zakres uszkodzeń i opracowano sposób naprawy. Konieczna była wymiana trzech dolnych krawęŝników wieŝ i naprawa pozostałych. Opracowano dwa warianty wymiany dolnych krawęŝników uszkodzonych wieŝ. Wymianę zrealizowano wg jednego z nich. Opracowany sposób wymiany dolnego krawęŝnika wieŝy uznano za oryginalny, poniewaŝ była moŝliwa wymiana krawęŝników w krótkim czasie i bez uŝycia dźwigu o duŝej nośności. Abstract In his paper ther is presented a failure of steel high lightning mast of sports stadium. The cause of failure was uncontrolled accumulation of water in bottom parts of steel curb elements that were made with tube without drains. There were some investigations conducted that allowed to decide which way of repair should be taken. There were three cube elements replaced and others were repaired. There were two ways of repair presented, but only one of them was conducted. The way of repair was recognized as original because of shorttime repair and using any crane. 1. Opis stalowych konstrukcji wieŝ oświetleniowych Przedmiotowe wieŝe to stalowe, rurowe wieŝe oświetleniowe o wysokości 48 m kaŝda. WieŜe powtarzalne. KaŜda wieŝa kratowa jest o przekroju trójkątnym, częściowo zbieŝna, u podstawy wieŝa ma wymiary boku trójkąta równobocznego ok. 8,0. U góry wieŝa ma wymiary boku trójkąta równobocznego ok. 5,385 m. Na poziomie ok. 18 m występuje załamanie zbieŝności. PowyŜej tej wysokości krawęŝniki wieŝy są równoległe. WieŜa wykonana z rur R35. KrawęŜniki główne T1 do T6 wykonano z rur φ , φ , φ , φ StęŜenia boczne, ukośne główne wykonano z rur φ , φ , φ , φ , φ StęŜenia boczne, belki poziome B1do B6 wykonano z rur φ , φ , φ Zastrzały Z1 do Z4 wykonano z rur φ , φ , φ Połączenia elementów wieŝ wykonano na śruby klasy 5.8 M20 i M16. Posadowienie wieŝ zrealizowano na palach, 4 pale o średnicy 0,5 m długości 7 m na jedną stopę. Pale zwieńczono oczepem płytą 3,3 3,3 m i grubości 1,0 m wykonaną z betonu B20 zakończoną cokołem o wymiarach 1,0 1,0 m, zbrojoną stalą AI-AIII. W cokole zabetonowano podpory wieŝy. Cokoły zwieńczono dodatkowo nad poziomem terenu belkami stalowymi, B01, B02. Na rysunku 1 pokazano przedmiotowe wieŝe oświetleniowe.

2 874 Sendkowski J. i inni: Awaria wieŝ oświetleniowych stadionu sportowego Rys. 1. Widok wieŝ oświetleniowych 2. Uszkodzenia stalowych konstrukcji wieŝ Pod koniec 2009 roku w okresie silnych mrozów (do -24 C) zauwaŝono pęknięcia dolnych krawęŝników na wszystkich czterech wieŝach. Dwa krawęŝniki na dwóch wieŝach były tak znacznie uszkodzone, Ŝe natychmiast zabezpieczono wieŝe przed katastrofą budowlaną. Zabezpieczenie pokazano na rysunku 2. Największe uszkodzenia wystąpiły na dolnych krawęŝnikach. Na rysunku 3 pokazano największe powstałe uszkodzenia dolnych krawęŝników wieŝ. Rys. 2. Widok tymczasowego zabezpieczenia dwóch stalowych wieŝ oświetleniowych Rys. 3. Widok uszkodzeń krawęŝników wieŝ oświetleniowych w wyniku nagromadzenia się w nich wody

3 Konstrukcje stalowe Wyniki badań nieniszczących Przeprowadzono badania wizualne, penetracyjne i ultradźwiękowe oraz materiałowe czterech wieŝ. Do badań penetracyjnych wykorzystano zestaw penetratorów MR68C, MR79, MR70. Badania ultradźwiękowe wykonano defektoskopem ultradźwiękowym Krautkramer USM 25S, wyposaŝonym w głowice czołowe i skośne na fale podłuŝne i poprzeczne K5K, MB4S, MWB70-4, MWB45-4. Na rysunku 4 pokazano przykładowe wskazania dla głowic skośnych potwierdzających pękniecie rur krawęŝników na całą grubość ścianki. Rys. 4. Widok przykładowych wskazań dla głowic skośnych potwierdzających pękniecie rur krawęŝników na całą grubość ścianki Z badań ultradźwiękowych wynikło, Ŝe widoczne oraz inne zidentyfikowane pęknięcia sięgają całej grubości elementu. Pęknięcia te wymagały naprawy. Do rozpoznania właściwości mechanicznych stali zastosowanej na wykonanie elementów nośnych wieŝ, uŝyto testera EQUOTIP 3. Dla elementów konstrukcji nośnej wieŝ twardość zawierała się w przedziale 144 do 173 HB. Granica wytrzymałości R m zawierała się w przedziale 482 MPa do 579 MPa z odchyleniem standardowym 5.8 do 7.0%. Na podstawie przeprowadzonych badań moŝna stwierdzić, Ŝe badana stal konstrukcji nośnych wieŝ to stal o wytrzymałości zgodnej z przyjętą w projekcie konstrukcyjnym stalą R35. Otrzymana z badania twardość wskazuje, Ŝe wydłuŝalność oraz odporność na kruche pękania moŝe być ograniczona. 4. Naprawa wieŝ W wyniku przeprowadzonych badań, podjęto decyzję o wymianie trzech krawęŝników wieŝy i naprawie pozostałych krawęŝników ze zdiagnozowanymi pęknięciami. Opracowano dwa warianty wymiany uszkodzonych krawęŝników wieŝ oświetleniowych. Na rysunku 5 pokazano I wariant wymiany. Na rysunku 6 pokazano II wariant wymiany uszkodzonych krawęŝników wieŝ. Wymianę uszkodzonych krawęŝników T1 zrealizowano wg wariantu I pokazanego na rysunku 5. W pierwszej kolejności przeprowadzono zmontowanie konstrukcji pomocniczej wg rys. 5. Podnośnik hydrauliczny został zamontowany przez pasowanie, tak aby jego ruch roboczy był ograniczony do wartości wynikających z zasady prac wirtualnych wieŝy, tj. ok. 10 mm. Zrealizowano to, poprzez poluzowanie śrub na dolnych kołnierzach przeciwległych do wymienianego krawęŝnika, Ŝebrach stęŝeń skośnych i poprzecznych. Następnie ustabilizowano dolne lewe zakończenie stęŝenia (długie) do płyty dolnej i prawe górne (długie) do stęŝenia poziomego przy uŝyciu specjalnie przygotowanych obejm. Następnie podczepiono demontowany krawęŝnik do dźwigu przy uŝyciu pasów transportowych. W dalszej kolejności odkręcono i odsunięto prawy (krótki) dolny koniec i lewy (krótki) górny koniec stęŝenia, tak aby ich rozstawione pod kątem 60 o Ŝebra nie przeszkadzały przy wysuwaniu krawęŝnika.

4 876 Sendkowski J. i inni: Awaria wieŝ oświetleniowych stadionu sportowego Rys. 5. Schemat ideowy wariantu I wymiany uszkodzonego krawęŝnika T1 wieŝy

5 Konstrukcje stalowe 877 Rys. 6. Schemat ideowy wariantu II wymiany uszkodzonych krawęŝników T1 wieŝy Kolejno odkręcono wszystkie pozostałe śruby mocujące stęŝenia do wymienianego krawę- Ŝnika. Następnie podniesiono konstrukcję wieŝy przy uŝyciu podnośnika hydraulicznego do uzyskania minimalnej szczeliny, niezbędnej do wysunięcia krawęŝnika i odłoŝenia go na bok przy uŝyciu dźwigu. Po czym przystąpiono do montaŝu nowego krawęŝnika. W nowym wymienianym krawęŝniku wieŝy wykonano otwór odwadniający. Zawieszono na dźwigu nowy krawęŝnik, zawieszenie zrównowaŝono by krawęŝnik zajął właściwą pozycję. Wpasowano krawęŝnik w poprzednie miejsce. Wprowadzono 3 śruby w górny kołnierz. Opuszczono konstrukcję wieŝy na podnośniku. Wprowadzono 3 śruby w dolne kołnierze. Uzupełniono następnie komplet śrub w kołnierzach górnych i dolnych. Wprowadzono komplet śrub w stęŝenia. Całkowicie opuszczono podnośnik. Dokręcono wszystkie śruby kluczem dynamometrycznym. Naprawiono wykryte inne pęknięcia krawęŝników wieŝ. Naprawa polegała na zablokowaniu czoła rozwijającego się pęknięcia, oraz wykonaniu poprzez spawanie nakładki z wygiętej do krzywizny krawęŝnika blachy na długości przekraczającej długość pęknięcia. Sposób naprawy wykrytych pęknięć w czasie diagnostyki wieŝy pokazano na rysunku 7. Przeprowadzono badania jakości wykonanych prac spawalniczych. Opracowano stosowny protokół z badań.

6 878 Sendkowski J. i inni: Awaria wieŝ oświetleniowych stadionu sportowego Rys. 7. Sposób naprawy pęknięcia na elemencie T3 krawęŝnika A wieŝy 4 Po montaŝu i naprawie pozostałych uszkodzeń dokonano sprawdzenia geometrii wieŝy. Sporządzono operat geodezyjny. Wykonano otwory odwadniające na wszystkich krawęŝnikach wieŝy. Sprawdzono, czy w kotwach nie gromadzi się woda. Wykonano prace porządkowe na konstrukcji wieŝy. 5. Obliczenia sprawdzające Przeprowadzono obliczenia statyczne i dynamiczne wieŝ za pomocą programu Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2010 korzystając z zaleceń podanych w wielu pozycjach literaturowych [1 19]. Wykonano obliczenia wytęŝenia poszczególnych elementów wieŝy. Przeprowadzono weryfikację modelu, obliczono przemieszczenia liniowe i kątowe wieŝy. W obliczeniach uwzględniono cięŝar własny konstrukcji, wpływ konstrukcji wsporczych lamp, wiatr na konstrukcję wieŝy, lampy i drogę kablową, cięŝar lamp, drogi kablowej, galerii i podestów. Globalne wytęŝenie wieŝ po naprawie, przy istniejących na wieŝy lampach wynosi dla krawęŝników 95%, dla skratowania 86%. Stan przemieszczeń otrzymany z obliczeń pod pełnym obciąŝeniem spełniał warunek H/100 <0,48m. Natomiast pomierzone przemieszczenia odchyłek geometrycznych po wymianie uszkodzonych krawę- Ŝników wieŝy świadczą, Ŝe moŝemy mówić o spełnieniu stanu uŝytkowalności wieŝ w sensie jej odkształcalności, podatności, nabytych imperfekcji geometrycznych.

7 Konstrukcje stalowe 879 Etykieta Limit górny W limicie Kolor Min Max Współczynnik wytęŝeniowy 1, ,01 0,95 Rys. 8. Model obliczeniowy wieŝy i wytęŝenia naprawionych elementów wieŝ.

8 880 Sendkowski J. i inni: Awaria wieŝ oświetleniowych stadionu sportowego 6. Wnioski 1. Przyczyną uszkodzenia krawęŝników wieŝy było, przedostanie się wód opadowych do wnętrza rur krawęŝników wieŝy, ich nagromadzenie, a później zamarznięcie przy braku otworów odpływowych. 2. Elementy rurowe kotew wykonane były jako szczelne i w nich nie było moŝliwości gromadzenia się wody. 3. Na podstawie przeprowadzonej analizy statycznej i dynamicznej wynika, Ŝe wieŝe oświetleniowe po naprawie spełniają warunki stanu granicznego nośności i uŝytkowalności z uwzględnieniem obciąŝenia wiatrem wg normy wiatrowej PN-B-02011: 1977/Az.1/ Zaproponowany sposób wymiany krawęŝników naleŝy uznać za oryginalny i niezwykle ekonomiczny, bo odbył się bez demontaŝu wieŝ i uŝycia sprzętu o duŝym udźwigu. 7. Literatura 1. Łubiński M., śółtowski W.: Konstrukcje metalowe Cz. I i II Arkady Poradnik projektanta konstrukcji metalowych pod redakcją Wł. Boguckiego, Arkady Kozłowski T.: Stalowe maszty i wieŝe radiowe i telewizyjne. Arkady, Warszawa Rykaluk K.: Konstrukcje stalowe, kominy, wieŝe, maszty. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław PN-90/B Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie. 6. PN-B-03204:2002. Konstrukcje stalowe. WieŜe i maszty. Projektowanie i wykonanie. 7. PN-EN :2008. Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 3-1: WieŜe, maszty i kominy. WieŜe i maszty. 8. PN-B-06200:2002. Konstrukcje stalowe. Warunki wykonania. 9. Instrukcja ER-01. Eksploatacja wieŝ i masztów. Załącznik do Zarządzenia nr 31 Prezesa Zarządu TP S.A. z dnia r., Warszawa Kurzawa Z., Chybiński M.: Wpływ warunków eksploatacji na stan techniczny stalowych wieŝ kratowych. XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie budowlane. Szczecin-Międzyzdroje 2009, s Bródka J.: Przebudowa i utrzymanie konstrukcji stalowych. Mostostal-Projekt S.A., Politechnika Łódzka, Warszawa, Łódź Spal L.: Przebudowa konstrukcji stalowych. Arkady, Warszawa Ziółko J.: Utrzymanie i modernizacja konstrukcji stalowych. Arkady, Warszawa Bródka J.: Ocena bezpieczeństwa wzmacnianych elementów stalowych według PN-90/B InŜynieria i Budownictwo nr 11/1993, s Bródka J.: Obliczanie stalowych elementów wzmacnianych w wyniku zwiększenia przekroju. InŜynieria i Budownictwo nr 7-8/1995, s Wichtowski B., Jarosińska M, Woźniak Z.: Badania głównych elementów stalowej konstrukcji hali po około 100 latach eksploatacji. 56 Konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB Problemy naukowo-badawcze budownictwa. Kielce-Krynica 2010, s Rykaluk K.: ObciąŜenie wiatrem wieŝ stalowych. InŜynieria i Budownictwo nr 10/2003, s Tymczasowe wytyczne wzmacniania elementów konstrukcji stalowych przy pomocy spawania pod obciąŝeniem. Izba Projektowania Budowlanego. Warszawa Kurzawa Z., Chybiński M.: Wpływ warunków eksploatacji na stan techniczny stalowych wieŝ kratowych. XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie budowlane. Szczecin-Międzyzdroje 2009, s