KONSTRUKCJE BUDOWLANE ISSN

Transkrypt

1 miesięcznik KONSTRUKCJE BUDOWLANE ISSN edycja 2015 poleca

2

3 konstrukcje budowlane VADEMECUM Wydawnictwo Polskiej Izby Inżynierów Budownictwa Sp. z o.o. 2015

4 Szanowni Państwo, Izba Projektowania Budowlanego, jako organizacja samorządu gospodarczego, grupująca firmy projektowo-inżynierskie w Polsce, jest zainteresowana i popiera wszelkie działania, w tym publikacje fachowe, poszerzające wiedzę techniczną związaną z budownictwem, a w szczególności upowszechniającą najnowsze osiągnięcia i wskazówki naukowców polskich uczelni technicznych. Oceniamy, że jest to dobra transmisja od szczebla nauki do praktyki gospodarczej zagadnień techniczno-technologicznych, ułatwiających wdrażanie postępu do polskiego budownictwa. Publikacja VADEMECUM Konstrukcje Budowlane w dziale pierwszym omawia: problematykę trwałości konstrukcji żelbetowych, co przy zapowiadanej konieczności przejścia na uwzględnianie w działalności budowlanej kosztów z całego cyklu życia obiektów budowlanych, jest bardzo istotne i potrzebne, konstrukcje stalowe o dużych rozpiętościach, których stosowanie ma swoje uzasadnienie w obecnych realiach gospodarczych, budownictwo na bazie drewna to również zagadnienia bardzo potrzebne specjalistom budownictwa, jako wpływające na zmniejszenie ilości CO2, powodowanej przez tą branżę, remonty i wzmocnienie konstrukcji murowanych, to także problematyka przydatna w świetle czekających Polskę działań, związanych z konieczną rewitalizacją obszarów zdegradowanych lub obiektów zabytkowych. W dziale VADEMECUM pt. Firmy, produkty, technologie zamieszczone zostały materiały informacyjno-reklamowe firm zajmujących się produkcją, projektowaniem i wykonawstwem różnych typów konstrukcji budowlanych. Wiedza i informacja zawarta w tych prezentacjach może być również przydatna w określonych segmentach działalności budowlanej. Polecam P.T. Czytelnikom korzystanie z VADEMECUM. Ksawery Krassowski Prezes Izby Projektowania Budowlanego 2 Vademecum Konstrukcje budowlane edycja 2015

5 WYDAWCA WYDAWNICTWO POLSKIEJ IZBY INŻYNIERÓW BUDOWNICTWA Sp. z o.o Warszawa ul. Kopernika 36/40, lok. 110 tel , faks biuro@inzynierbudownictwa.pl Prezes zarządu: Jaromir Kuśmider REDAKCJA Redaktor naczelna: Anna Dębińska Redaktor prowadzący: Piotr Bień Redaktorzy: Aneta Małek Justyna Mioduszewska Projekt graficzny: Jolanta Bigus-Kończak Skład i łamanie: Jolanta Bigus-Kończak Grzegorz Zazulak BIURO REKLAMY Szef biura reklamy: Dorota Błaszkiewicz-Przedpełska tel d.blaszkiewicz@inzynierbudownictwa.pl Zespół: Natalia Gołek tel n.golek@inzynierbudownictwa.pl Dorota Malikowska tel d.malikowska@inzynierbudownictwa.pl Urszula Obrycka tel u.obrycka@inzynierbudownictwa.pl Małgorzata Roszczyk-Hałuszczak tel m.haluszczak@inzynierbudownictwa.pl Monika Zajko tel m.zajko@inzynierbudownictwa.pl Martyna Brzezicka KONSTRUKCJE BUDOWLANE Szanowni Państwo, VADEMECUM Konstrukcje Budowlane to publikacja, w której zawarte są informacje z zakresu projektowania i budowy obiektów z wykorzystaniem różnych konstrukcji budynków. Ze względu na zastosowany materiał można podzielić je na: murowe, betonowe i żelbetowe, stalowe, aluminiowe oraz drewniane. Konstrukcje te charakteryzują się różnymi parametrami, jednak każda z nich powinna gwarantować bezpieczeństwo obiektu, przenosząc wszystkie obciążenia działające na dany budynek. W całym procesie budowlanym nie można również zapominać o przestrzeganiu podstawowych zasad BHP, aby uniknąć awarii czy katastrof budowlanych. W VADEMECUM Konstrukcje Budowlane jest dział Kompendium wiedzy, w którym autorzy z uczelni technicznych zwracają uwagę na zagadnienia, dotyczące najczęściej stosowanych konstrukcji żelbetowych, murowych, stalowych i drewnianych. W dalszej części publikacji przedstawiamy firmy, które oferują usługi takie jak projektowanie czy wykonawstwo, a także produkty i technologie wykorzystywane przy wznoszeniu budynków. Zapraszam na naszą stronę internetową na której znajdą Państwo zarówno artykuły zawarte w niniejszej publikacji, jak również inne związane z budownictwem np. mostowym, drogowym i kolejowym, energooszczędnym oraz hydroizolacjami. Zarówno VADEMECUM Konstrukcje Budowlane, jak i inne nasze publikacje, dostępne są w całości w postaci e-wydania. Zachęcam do zapoznania się ze wszystkimi wydaniami VADEMECUM. zdjęcia na okładce Fotolia.com: Andrew Tobin, Tiberius Gracchus, Hellen Sergeyeva, erodygin, thieury, Jérôme Rommé, PeJo druk CGS Drukarnia Sp. z o.o. Print Management: printcare nakład 3000 egz. miesięcznik poleca Anna Dębińska Redaktor naczelna Redakcja Katalogów Patronat Materiałów niezamówionych Redakcja nie zwraca. Wszystkie materiały objęte są prawem autorskim. Przedruk i wykorzystywanie opublikowanych materiałów w całości lub we fragmencie może odbywać się wyłącznie po wcześniejszym uzyskaniu pisemnej zgody od Wydawcy. Artykuły zamieszczone w VADEMECUM Konstrukcje Budowlane w dziale Kompendium wiedzy prezentują stanowiska, opinie i poglądy ich Autorów. Wszystkie reklamy oraz informacje zawarte w artykułach i prezentacjach zamieszczone w VADEMECUM Konstrukcje Budowlane w działach: Firmy, Produkty, Technologie oraz Przegląd Produktów i Realizacji, Wypowiedzi Ekspertów, a także w Indeksie firm pochodzą od firm i Wydawnictwo Polskiej Izby Inżynierów Budownictwa Sp. z o.o. nie ponosi za nie odpowiedzialności. Medialn

6

7 k o m p e n d i u m wiedzy Trwałość konstrukcji żelbetowych, dr hab. inż. Paweł Łukowski, prof. PW, dr hab. inż. Andrzej Garbacz, prof. PW Konstrukcje stalowe o dużych rozpiętościach, dr inż. Maciej Cwyl, dr inż. Stanisław Wierzbicki Naprawy i wzmocnienia konstrukcji murowych, dr hab. inż. Lech Rudziński, dr inż. Andrzej Kroner Budownictwo na bazie drewna, dr inż. Dorota Kram

8 Kompendium wiedzy Trwałość to zdolność materiału lub konstrukcji do utrzymania wymaganych właściwości użytkowych w czasie. Budowla, której zdolność do prawidłowego spełniania założonych funkcji uległa pogorszeniu, wymaga przeprowadzenia naprawy, czyli podjęcia działań, mających na celu przywrócenie obiektowi właściwego stanu użytkowania. Jeżeli konieczne jest odtworzenie całkowicie lub w znacznym stopniu zniszczonego obiektu, mamy do czynienia z rekonstrukcją. dr hab. inż. Paweł Łukowski, prof. PW dr hab. inż. Andrzej Garbacz, prof. PW Politechnika Warszawska TRWAŁOŚĆ KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH Przystosowanie konstrukcji do nowych warunków użytkowania wymaga modernizacji, a w przypadku zwiększonych obciążeń wzmocnienia. W celu poprawy trwałości konstrukcji stosuje się ochronę antykorozyjną [1]. Beton jest materiałem względnie tanim, jeśli chodzi o wznoszenie konstrukcji, ale jego naprawa lub wymiana podczas użytkowania obiektu jest kosztowna. W Normie Europejskiej PN-EN 206 [2] sformułowano wymagania dotyczące trwałości betonu, a w Eurokodzie 2 (EN ) [3] ogólne wymagania trwałości konstrukcji żelbetowych. Naprawom elementów i konstrukcji żelbetowych poświęcona jest obszerna seria Norm Europejskich PN-EN 1504 (dziesięć części) [4]. Pierwszym i niezbędnym etapem każdej naprawy jest diagnostyka konstrukcji określenie jej stanu oraz przyczyn zaistniałych uszkodzeń. Podstawowe rodzaje uszkodzeń betonu (rys. 1) to spękania i ubytki. W odniesieniu do rys ważne jest położenie wobec zbrojenia, a także szerokość, długość i głębokość. Rysy oraz ubytki betonu mogą być powierzchniowe, o znaczeniu głównie estetycznym lub głębokie potenrysa beton skażony / skarbonatyzowany skorodowane zbrojenie wykruszenie odspojenie Rys. 1. Schematyczne przedstawienie uszkodzeń żelbetu wg [1] Mechaniczne USZKODZENIA BETONU Inne fizyczne Chemiczne Karbonatyzacja KOROZJA ZBROJENIA Prądy błądzące Szkodliwe zanieczyszczenia Objawy uszkodzeń Wprowadzone podczas produkcji Rys. 2. Podstawowe przyczyny uszkodzeń konstrukcji żelbetowych wg [5] cjalnie sięgające strefy zbrojenia. Występują także: wady złączy, tzn. uszkodzenia na styku warstw betonu układanego w różnym czasie lub w miejscu celowo wprowadzonego podziału Ze środowiska zewnętrznego uszkodzenia powierzchni: pylenie, brak odporności na ścieranie, przebarwienia, złuszczenia i odpryski wady struktury materiału: segregacja, skupiska ziaren kruszywa, lokalnych pustek lub obszarów niedostatecznie 6 Vademecum Konstrukcje budowlane edycja 2015

9 Kompendium wiedzy zagęszczonych ( struktura plastra miodu, raki ) deformacje kształtu: ugięcia i zwichrowania. W przypadku elementu żelbetowego szczególnie istotne znaczenie ma postęp karbonatyzacji zobojętnienia otuliny betonowej oraz stopień jej skażenia. Przyczyny uszkodzeń Pierwotnymi przyczynami występowania uszkodzeń mogą być błędy projektowe (w tym nietrafny dobór rozwiązania materiałowo-technologicznego), wykonawcze i eksploatacyjne. W Normie Europejskiej PN-EN 206 określono klasy ekspozycji betonu, to znaczy warunki, w jakich może on być użytkowany (tab. 1 i 2) oraz podstawowe zalecenia dotyczące składu betonu w odniesieniu do poszczególnych klas ekspozycji (tab. 1). Materiał w konstrukcji podlega działaniu czynników korozyjnych o charakterze chemicznym, biologicznym, mechanicznym i innym fizycznym (rys. 2). Do przyczyn mechanicznych należą uderzenia, przeciążenia, przemieszczenia (osiadanie), a także wibracje bądź wybuch. Pod wpływem oddziaływania środowiska zewnętrznego może wystąpić korozja chemiczna betonu, korozja elektrochemiczna zbrojenia, a także korozja fizyczna betonu destrukcja mrozowa bądź cieplno- -wilgotnościowa, zmęczenie mechaniczne oraz erozja. Niszczenie może następować w wyniku oddziaływania organizmów żywych, np. owadów, grzybów, bakterii (korozja biologiczna), a także wandalizmu człowieka. Jak wykazuje doświadczenie, najczęstszymi przyczynami niszczenia obiektów betonowych w Polsce są [6]: korozja mrozowa, następująca w wyniku powtarzającego się zamrażania i rozmrażania wody w porach betonu, zwłaszcza w połączeniu z oddziaływaniem środków odladzających skażenie betonu i w jego wyniku korozja chemiczna (np. korozja siarczanowa, kwasowa itp.) betonu lub zbrojenia utrata zdolności ochronnych otuliny betonowej wobec zbrojenia w wyniku procesów karbonatyzacji zobojętnienia betonu lub uszkodzeń mechanicznych (spękania otuliny mogą być zarówno Tablica 1. Klasy ekspozycji betonu wg PN-EN 206 Klasa X0 Opis środowiska 1. Brak zagrożenia korozją lub agresją środowiska Betony bez zbrojenia i innych elementów metalowych: dowolne oddziaływania środowiska z wyjątkiem zamrażania/rozmrażania, ścierania lub agresji chemicznej. Betony zbrojone lub zawierające inne elementy metalowe: warunki bardzo suche 2. Korozja spowodowana karbonatyzacją Beton zawierający zbrojenie lub inne elementy metalowe, narażony na kontakt z powietrzem i wilgocią XC1 XC2 XC3 XC4 Suche lub stale mokre Mokre, sporadycznie suche Umiarkowanie wilgotne Cyklicznie mokre i suche 3. Korozja spowodowana chlorkami niepochodzącymi z wody morskiej Beton zawierający zbrojenie lub inne elementy metalowe, narażony na kontakt z wodą zawierającą chlorki, w tym sole odladzające, pochodzące z innych źródeł niż woda morska XD1 Umiarkowanie wilgotne XD2 Mokre, sporadycznie suche XD3 Cyklicznie mokre i suche 4. Korozja spowodowana chlorkami pochodzącymi z wody morskiej Beton zawierający zbrojenie lub inne elementy metalowe, narażony na kontakt z chlorkami pochodzącymi z wody morskiej, znajdującymi się w wodzie lub w powietrzu XS1 XS2 XS3 Narażenie na działanie soli zawartych w powietrzu, ale nie na bezpośredni kontakt z wodą morską Stałe zanurzenie Strefy pływów, rozbryzgów i aerozoli 5. Agresja spowodowana zamrażaniem/rozmrażaniem przy udziale środków odladzających lub bez ich udziału Beton w stanie mokrym, narażony na znaczącą agresję spowodowaną cyklicznym zamrażaniem/rozmrażaniem XF1 Umiarkowane nasycenie wodą bez środków odladzających XF2 Umiarkowane nasycenie wodą ze środkami odladzającymi XF3 Silne nasycenie wodą bez środków odladzających XF4 Silne nasycenie wodą ze środkami odladzającymi lub wodą morską 6. Agresja chemiczna Beton narażony na agresję chemiczną gruntów naturalnych lub wody gruntowej (tabl. 2) XA1 Środowisko chemicznie mało agresywne XA2 Środowisko chemicznie średnio agresywne XA3 Środowisko chemicznie silnie agresywne Tablica 2. Wartości graniczne dotyczące klas ekspozycji w przypadku agresji chemicznej gruntu naturalnego i wody gruntowej wg PN-EN 206 Charakterystyka chemiczna XA1 XA2 XA3 Woda gruntowa SO 4 2 mg/l 200 i 600 > 600 i > i ph 6,5 i 5,5 < 5,5 i 4,5 < 4,5 i 4,0 CO 2 mg/l agresywny 15 i 40 > 40 i 100 > 100 aż do nasycenia NH 4 + mg/l 15 i 30 > 30 i 60 > 60 i 100 Mg 2+ mg/l 300 i > i Grunt > aż do nasycenia SO 4 2 mg/kg całkowite i > i > i Kwasowość według Baumanna Gully ego ml/kg > 200 niespotykane w praktyce edycja 2015 Konstrukcje budowlane Vademecum 7

10 Kompendium wiedzy Tablica 3. Wartości graniczne dotyczące składu betonu zalecane przez PN-EN 206 przy różnych klasach ekspozycji Klasa Maksymalne w/c Minimalna klasa wytrzymałości Minimalna zawartość cementu (kg/m 3 ) Minimalna zawartość powietrza (%) Inne wymagania X0 C12/15 XC1 0,65 C20/ XC2 0,60 C25/ XC3 0,55 C30/ XC4 0,50 C30/ XD1 0,55 C30/ XD2 0,55 C30/ XD3 0,45 C35/ XS1 0,50 C30/ XS2 0,45 C35/ XS3 0,45 C35/ XF1 0,55 C30/ XF2 0,55 C25/ ,0 XF3 0,50 C30/ ,0 XF4 0,45 C30/ ,0 XA1 0,55 C30/ XA2 0,50 C30/ XA3 0,45 C35/ kruszywo zgodne z PN- -EN o odpowiedniej mrozoodporności cement odporny na siarczany następstwem procesów korozji zbrojenia, jak i ich przyczyną). Szczególny przypadek stanowi korozja wewnętrzna betonu, będąca następstwem niewłaściwego dobrania jego składników, np. alkaliczna reakcja kruszywa z cementem. Zarysowania konstrukcji żelbetowych występują w następstwie zmian objętościowych twardniejącego betonu oraz oddziaływań środowiska. Rysy są do pewnego stopnia związane z samą naturą żelbetu. Przyczynami zarysowań mogą być również: błędy projektowe, np. zbyt mała ilość zbrojenia błędy technologiczne, np. zbyt długie przerwy technologiczne przy układaniu warstw mieszanki betonowej, niedostateczne zagęszczenie mieszanki, niewłaściwa pielęgnacja betonu oraz zbyt płytka i porowata otulina zbrojenia przeciążenia podczas użytkowania powodujące lokalne przekroczenie granicznych naprężeń rozciągających, np. uderzenia bądź udary cieplne. Diagnostyka stanu materiału i konstrukcji Racjonalna ocena możliwości i celowości naprawy konstrukcji wymaga diagnozy stanu technicznego obiektu, uwzględniającej przyczyny powstania uszkodzeń i przewi- dywany dalszy czas użytkowania. Rozważania techniczne powinny być uzupełnione o aspekt ekonomiczny. Diagnoza stanu konstrukcji prowadzi do podjęcia decyzji o naprawie (rys. 3). Istotnym elementem diagnostyki obiektu jest ocena stanu materiału w elemencie lub konstrukcji (rys. 4). Badania wykonywane na obiekcie można ogólnie podzielić na niszczące, semi-nieniszczące i nieniszczące [7]. Badania niszczące wiążą się z poważnym naruszeniem struktury materiału, wymagającym dokonania istotnej naprawy. Metody semi-nieniszczące wiążą się z niewielką ingerencją w strukturę materiału i wymagają, co najwyżej, naprawy powierzchniowej, można tu zaliczyć badanie przyczepności przez odrywanie ( pull-off ). Badania nieniszczące polegają na stosowaniu takich metod, które nie powodują ingerencji w strukturę Tablica 4. Normy Europejskie z serii PN-EN 1504 Numer EN badanego materiału i nie wywołują jego uszkodzenia, tym samym nie zachodzi potrzeba naprawy. Do nieniszczących metod badania można zaliczyć zwłaszcza: metodę sklerometryczną (np. młotek Schmidta) oraz metody akustyczne (metody ultradźwiękowe i metoda impact-echo). Naprawy i ochrona konstrukcji w świetle Norm Europejskich Europejski Komitet Normalizacyjny (CEN) opracował serię 10 norm pod ogólnym tytułem Products and systems for the protection and repair of concrete structure Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji z betonu (tab. 4). Normy te odnoszą się do materiałów stosowanych praktycznie we wszystkich etapach naprawy i ochrony konstrukcji żelbetowych. Tytuł Definicje, wymagania, kontrola jakości i ocena zgodności Systemy ochrony powierzchniowej betonu Naprawy konstrukcyjne i niekonstrukcyjne Łączenie konstrukcyjne Iniekcja betonu Kotwienie stalowych prętów zbrojeniowych Ochrona zbrojenia przed korozją Sterowanie jakością i ocena zgodności Ogólne zasady stosowania wyrobów i systemów Stosowanie wyrobów i systemów na placu budowy oraz kontrola jakości prac 8 Vademecum Konstrukcje budowlane edycja 2015

11 Kompendium wiedzy DIAGNOZA STANU TECHNICZNEGO aktualny stan konstrukcji, łącznie z uszkodzeniami ukrytymi i potencjalnymi porównanie wzniesionej konstrukcji z założeniami projektu warunki podczas wznoszenia budowli obecne oddziaływanie środowiska dotychczasowy przebieg użytkowania przyszłe wymagania ANALIZA DECYZJA odłożenie naprawy / zmniejszenie obciążeń ponowna analiza nośności i ewentualnie obniżenie dopuszczalnych obciążeń konstrukcji ochrona / ograniczenie dalszych uszkodzeń, bez ulepszania konstrukcji ulepszenie, wzmocnienie lub renowacja części lub całości konstrukcji naprawa części lub całej konstrukcji między innymi iniekcje scalające i wypełniające rysy, częściowa wymiana i uzupełnienie zbrojenia oraz uzupełnianie ubytków w strefie zbrojenia. W normie PN-EN sformułowano 6 zasad (tab. 5) dotyczących naprawy betonu i 5 zasad (tab. 6) ochrony zbrojenia. Zasady te należy rozumieć jako ogólne cele, jakie zamierza się osiągnąć, wykonując naprawę lub ochronę. Zasadom przyporządkowano odpowiednie metody technicznej realizacji. Od wczesnych lat osiemdziesiątych rozwijane i stopniowo wdrażane [9] są elektrochemiczne metody napraw. Atrakcyjność tych metod w naprawach żelbetu wynika zwłaszcza z ich bezinwazyjnego charakteru. Ograniczenie stanowi wciąż niedostateczne rozpoznanie skutków ubocznych. ASPEKT EKONOMICZNY Rys. 3. Przesłanki i możliwe warianty decyzji o naprawie Analiza dokumentacji Ocena oddziaływania środowiska Rys. 4. Badanie stanu materiałów w konstrukcji [8] Analiza cieplnowilgotnościowa rozbiórka części lub całości konstrukcji Ustalenie miejsc, w których może nastąpić stymulowanie procesów korozji Pomiary nieniszczące dla ustalenia miejsc rozwoju korozji Odkrywki Pobranie próbek do badań laboratoryjnych Badanie skażenia betonu i zdolności dopasowywania powierzchni stali Ustalenie miejsc potencjalnie największego zagrożenia korozyjnego Wytypowanie miejsc i dokonanie pomiarów uszkodzeń zbrojenia Bezpośrednie pomiary na prętach Wstępne obserwacje konstrukcji Pomiary głębokości zobojętnienia betonu Ocena stopnia zaawansowania procesów korozji i prognozowanie trwałości konstrukcji Zgodnie z normą PN-EN wyróżnia się, w zależności od rodzaju i zakresu naprawianych uszkodzeń: naprawy niekonstrukcyjne (powierzchniowe, kosmetyczne), których celem jest przywrócenie kształtu i estetyki obiektu reprofilacja; naprawy powierzchniowe Ustalenie zakresu naprawy mogą obejmować zarówno elementy nośne jak i nienośne, ale bez ingerencji w ich pracę statyczną naprawy konstrukcyjne, obejmujące elementy nośne obiektu i związane z ingerencją w ich pracę statyczną; celem jest poprawa nośności elementu; należą tu Ochrona przed korozją W celu przeciwdziałania skutkom korozji stosuje się: ochronę konstrukcyjną przez odpowiednie ukształtowanie konstrukcji, zmniejszające agresywne oddziaływanie środowiska projektowanie konstrukcji, tak aby powierzchnia betonu narażona na działanie czynników korozyjnych była jak najmniejsza, bez miejsc, w których mogłyby się zbierać agresywne pyły, ciecze lub opary; do ochrony konstrukcyjnej zalicza się także zapewnienie odpowiedniej grubości otuliny betonowej w żelbecie ochronę materiałowo-strukturalną, czyli zwiększenie odporności materiału na działanie agresywnych środowisk przez odpowiedni dobór składu i struktury materiałów ochronę powierzchniową, czyli zwiększenie odporności konstrukcji przez ograniczenie lub odcięcie dostępu środowiska agresywnego; rozważa się trzy metody ochrony powierzchniowej: impregnację hydrofobizującą, impregnację i nakładanie powłok (rys. 5). Impregnacja poprawia niektóre jego właściwości, zwłaszcza odporność na wilgoć, szczelność i wytrzymałość mechaniczną w strefie przypowierzchniowej. Jeśli zamierzony efekt impregnacji ogranicza się do zwiększenia odporności powierzchni betonu na wnikanie wody, mówimy o hydrofobizacji. Systemy ochrony powierzchniowej o szczególnych właściwościach (duża edycja 2015 Konstrukcje budowlane Vademecum 9

12 Kompendium wiedzy Tablica 5. Zasady i metody naprawy betonu według PN-EN Oznaczenie Zasada Metoda PI MC CR SS PR RC Ochrona przed wnikaniem (Protection against Ingress) Ograniczenie zawilgocenia (Moisture Control) Odbudowanie elementu (Concrete Restoration) Wzmacnianie (Structural Strengthening) Odporność na czynniki fizyczne (Physical Resistance) Odporność na czynniki chemiczne (Resistance to Chemicals) impregnacja iniekcja powłoki ochronne impregnacja/hydrofobizacja/uszczelnianie powłoki ochronne (osłony/okładziny) ochrona elektrochemiczna betony i zaprawy betony natryskowe częściowa wymiana iniekcja dodatkowe pręty, płyty, taśmy zwiększenie przekroju sprężanie impregnacja powłoki ochronne impregnacja powłoki ochronne Tablica 6. Zasady i metody dotyczące ochrony zbrojenia według PN-EN Oznaczenie Zasada Metoda RP IR CC Utrzymanie lub przywrócenie stanu pasywnego stali zbrojeniowej (Preserving or Restoring Passivity) Podwyższenie oporności elektrycznej otuliny betonowej (Increasing Resistivity) Kontrola obszarów katodowych (Cathodic Control) (cienkowarstwowe/ uszczelnianie) (grubowarstwowe) (uzupełnienia lokalne) (uzupełnienia rozległe) zwiększenie grubości otuliny wymiana betonu realkalizacja (elektrochemicznie) usunięcie chlorków ograniczenie zawilgocenia impregnacja/uszczelnianie powłoki ochronne (okładziny) ograniczenie dostępu tlenu powłoki ochronne CP Ochrona katodowa (Cathodic Protection) zewnętrzne źródło prądu CA Kontrola obszarów anodowych (Control of Anodic Areas) chemoodporność, odporność na uderzenia, wysoki stopień wodoszczelności) określa się jako powłoki lub wyprawy specjalne. W zależności od stopnia agresywności środowiska w stosunku do materiałów konstrukcyjnych należy stosować odpowiedni rodzaj ochrony (tab. 7). Dobór materiałów do napraw i ochrony W normie PN-EN przydatność materiału naprawczego lub ochronnego jest definiowana jako zapewnienie skutecznej i trwałej naprawy lub ochrony bez niepożą- powłoki na zbrojeniu inhibitory korozji danych efektów wobec naprawianej konstrukcji, innych konstrukcji, wykonawców, użytkowników, osób trzecich i środowiska. Wymagania przydatności materiału obejmują cechy chemiczne, mechaniczne i inne fizyczne wymagane w celu zapewnienia trwałości i stabilności naprawianego betonu i całej konstrukcji. Przyporządkowując poszczególne materiały funkcjom, jakie spełniają w różnych etapach naprawy, można wyróżnić [10]: ochronę zbrojenia powłoki ochronne o spoiwie cementowym (alkalizacja), bądź żywicznym, najczęściej epoksydowym (szczelność) przygotowanie podłoża betonowego: materiały impregnacyjne najczęściej preparaty mineralne zawierające krzemiany (silikatyzacja), silikony i siloksany, bądź żywiczne o niskiej lepkości środki gruntujące stosowane przed nakładaniem polimerowych materiałów naprawczych lub ochronnych, najczęściej syntetyczne żywice materiały do wykonywania warstw łączących zazwyczaj modyfikowane zaczyny lub mikrozaprawy cementowe środki iniekcyjne uszczelniające i/lub wzmacniające stosowane są preparaty mineralne (cementowe i krzemianowe) lub polimerowe (epoksydowe, poliuretanowe i akrylowe) ładunki klejowe służące do osadzania kotew w elementach betonowych; ładunek zawiera mieszankę żywic i wypełniacza mineralnego oraz utwardzacza w dokładnie odmierzonej ilości; reakcja utwardzania zaczyna się, gdy obracająca się kotew spowoduje rozerwanie opakowania ładunku i wymieszanie składników uzupełnianie ubytków, zarówno głębokich, sięgających zbrojenia (naprawy konstrukcyjne), jak i płytkich (naprawy powierzchniowe); są to szpachlówki i zaprawy o spoiwie cementowym (modyfikowanym polimerami) lub żywicznym (epoksydowym lub akrylowym); do tej grupy materiałów zalicza się także beton natryskowy (stosuje się kompozyty cementowe modyfikowane polimerami oraz pyłem krzemionkowym, a także włóknami stalowymi lub polipropylenowymi) ochronę powierzchniową wybór rozwiązania materiałowego zależy od stopnia i rodzaju agresywności środowiska; stosowane są zarówno powłoki mineralne, jak i żywiczne. Kontrola jakości prac Część 10 normy PN-EN 1504 zawiera zalecenia stosowania wyrobów lub systemów naprawczych na placu budowy oraz kontroli jakości przeprowadzonych prac zależnie od przyjętej metody naprawy. Wyróżnia się cztery zasadnicze etapy kontroli jakości: ocena stanu podłoża przed i/lub po przygotowaniu sprawdzenie tożsamości wszystkich stosowanych wyrobów 10 Vademecum Konstrukcje budowlane edycja 2015

13 Kompendium wiedzy Ochrona powierzchniowa impregnacja powłoki wyprawy wykładziny hydrofobizacja cienkowarstwowe częściowe wypełnienie grubowarstwowe uszczelnienie Rys. 5. Sposoby ochrony powierzchniowej Tablica 7. Rodzaje ochrony konstrukcji przed korozją w zależności od agresywności środowiska; + oznacza konieczność stosowania danego rodzaju ochrony Ochrona Stopień agresywności środowiska wg PN-EN 206 (por. tabl. 1 i 2) słaby, XA1 średni, XA2 silny, XA3 Konstrukcyjna Materiałowo-strukturalna Powierzchniowa ograniczająca + Powierzchniowa odcinająca + zapewnienie wymaganych warunków przed i/lub podczas stosowania wyrobów ocena właściwości końcowych w stanie utwardzonym. Najistotniejszym etapem kontroli jakości jest określenie stanu podłoża przed lub po jego przygotowaniu. Właściwe przygotowanie powierzchni betonu, a w konsekwencji uzyskanie wysokiej przyczepności materiału naprawczego do podkładu betonowego, jest jednym z głównych czynników wpływających na skuteczność napraw [11]. Liczny zestaw badanych cech zaproponowano do oceny właściwości końcowych w stanie utwardzonym, która może być w pewnym stopniu utożsamiana z oceną skuteczności naprawy. Podsumowanie Naprawy konstrukcji żelbetowych stanowią złożone i trudne technicznie zadanie. Opracowanie podstaw naukowych i wynikających stąd zaleceń technicznych przeprowadzania napraw wymaga całościowego ujęcia. Wiele uporządkowania i nowych inspiracji przynosi seria Norm Europejskich EN 1504 dotyczących wyrobów i systemów do napraw i ochrony konstrukcji betonowych. Stanowią one próbę sformalizowanego ujęcia zagadnienia napraw według współczesnego stanu wiedzy i techniki. Należy jednak zauważyć, że dziedzina ta znajduje się nadal w dynamicznym rozwoju i jest przedmiotem licznych dyskusji. Literatura 1. Czarnecki L., Emmons P.H., Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych, Polski Cement, Kraków, PN-EN 206 Beton Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. 3. PN-EN :2005 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków. 4. PN-EN Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji z betonu. 5. Czarnecki L., Łukowski P., Naprawa konstrukcji betonowych użytkowanych w warunkach zagrożeń chemicznych, Materiały Budowlane, nr 12/2005, str Czarnecki L., Uszkodzenia i naprawy betonu, Inżynieria i Budownictwo, nr 2/2002, str Runkiewicz L., Badania konstrukcji żelbetowych, Wydawnictwo Biuro Gamma, Instrukcja Instytutu Techniki Budowlanej nr 361/99: Zasady oceny bezpieczeństwa konstrukcji żelbetowych, ITB, Warszawa, Czarnecki L., Naprawy elektrochemiczne, Materiały Budowlane, nr 8/2001, str Czarnecki L., Łukowski P., Garbacz A., Materiały do napraw konstrukcji żelbetowych oraz technologie ich stosowania w: Naprawy i wzmocnienia konstrukcji budowlanych. Konstrukcje żelbetowe, Tom I Wykłady, Polski Związek Inżynierów i Techników Budownictwa, Gliwice, 2014, str Czarnecki L., Courard L., Garbacz A., Ocena skuteczności napraw wpływ jakości podkładu betonowego, Inżynieria i Budownictwo, nr 12/2007, str edycja 2015 Konstrukcje budowlane Vademecum 11

14 Kompendium wiedzy Wraz z postępem technicznym w budownictwie rosną oczekiwania i możliwości wznoszenia obiektów o coraz większych rozpiętościach, warunkowanych względami architektonicznymi lub funkcjonalno-użytkowymi. Stal, dzięki dobrym parametrom wytrzymałościowym i wysokiej niezawodności, stwarza najszersze możliwości realizacji tego typu obiektów. Konstrukcje o dużych rozpiętościach najczęściej znajdują zastosowanie w budownictwie użyteczności publicznej, budownictwie przemysłowym i mostownictwie. dr inż. Maciej Cwyl dr inż. Stanisław Wierzbicki Politechnika Warszawska KONSTRUKCJE STALOWE O DUŻYCH ROZPIĘTOŚCIACH Do obiektów użyteczności publicznej należą pawilony wystawowe, sale audytoryjne i teatralne, hale sportowe i widowiskowe, dworce kolejowe i terminale lotnicze oraz stadiony z przekryciami trybun lub pełnymi zadaszeniami. Obiekty przemysłowe to najczęściej hangary i obiekty magazynowe. We współczesnych realizacjach ustrojów stalowych spotyka się różne rodzaje konstrukcji pozwalające na uzyskanie bardzo dużych rozpiętości sięgających nawet kilkuset metrów. Począwszy od elementów belkowych poprzez ustroje kratowe i ramowe dochodzimy do rozwiązań pozwalających na osiągnięcie największych rozpiętości, a więc łukowych, przestrzennych (strukturalnych) i cięgnowych. Początki rozwoju konstrukcji stalowych dużych rozpiętości sięgają XIX wieku, kiedy rozpoczęto produkcję stalowych lin wykorzystywanych w mostownictwie. Pierwsza połowa XX wieku zapoczątkowała zastosowanie konstrukcji stalowych dużych rozpiętości w budownictwie kubaturowym. Jednymi z pierwszych przykładów mogą tu być np. hangar z 1916 r. na dawnym lotnisku Kraków-Rakowice czy wybudowane w 1952 r. cięgnowe przekrycie Areny w Raleigh. Znacznie późniejsze, ale też o większych rozpiętościach przykłady tego typu realizacji obiektów sportowych to: przekrycie obiektów zespołu olimpijskiego w Mona- chium (fot.1), konstrukcja kopuły Big Egg w Tokio (fot. 2) i zadaszenie stadionu Georgia Dome w Atlancie (fot. 3). Jak wynika już z pierwszych przykładów, konstrukcje o dużych rozpiętościach nie są na ogół wykonywane w rzucie prostokątnym, mają charakter indywidualny, raczej okrągły lub owalny. Są projektowane indywidualnie pod kątem określonego obiektu, a typizowane ze względów technologicznych dopiero w poszczególnych elementach konstrukcji. W przypadku konstrukcji stalowych dużych rozpiętości bardzo istotne znaczenie odgrywa masa własna. Jest to jedno z głównych obciążeń i z tego względu niska masa konstrukcji jest bardzo ważnym czynnikiem decydującym o zastosowanym rodzaju rozwiązania projektowego. Wynikającym z kryterium masy konstrukcji jest kolejny charakterystyczny aspekt projektowy stosowanie stali o podwyższonej wytrzymałości (S355, S460 itp.) oraz w możliwie dużej ilości lekkich elementów linowych, wstępnie sprężonych i ustrojów prętowych z dużą liczbą elementów rozciąganych. Racjonalne jest ograniczanie w ustrojach prętowych ilości elementów ściskanych, dla których warunki smukłości skutkują zwiększonymi przekrojami i w efekcie większą masą całej konstrukcji. W kontekście masy konstrukcji ważne jest także zastosowanie lekkie- go przekrycia dachowego. Powszechne w tego rodzaju obiektach jest stosowanie lekkich stalowych blach fałdowych o dużej sztywności, płyt z tworzyw sztucznych i elastycznych membran rozpinanych jako powłoka na prętowej konstrukcji nośnej. Generalne dążenie do osiągnięcia jak najniższej masy konstrukcji ma jednak także niekorzystne strony konstrukcja jest bardziej wrażliwa na oddziaływania wiatru, który staje się jednym z najważniejszych czynników projektowych wpływających na kształtowanie i zachowanie się konstrukcji. Zagadnienia te są szczególnie istotne w przypadku obiektów częściowo otwartych lub z dużymi otworami (np. bramy w hangarach), w których wiatr operuje zarówno na powierzchnie zewnętrzne jak i od strony wewnętrznej. W takich przypadkach bardzo często występuje podrywanie" konstrukcji. Pojawia się więc kwestia zmiany Fot. 1. Stadion Olimpijski w Monachium (1972 r.) [3] 12 Vademecum Konstrukcje budowlane edycja 2015

15 Kompendium wiedzy znaku sił wewnętrznych w jej elementach i wynikające stąd problemy konstrukcyjne z zapewnieniem stateczności ściskanym elementom ustroju nośnego. Sytuacja jest dodatkowo pogarszana nierównomiernym oddziaływaniem wiatru na poszczególne fragmenty budowli. Oddzielnym zagadnieniem dotyczącym oddziaływania wiatru jest ustalenie właściwego modelu obciążenia przy nietypowych i stosunkowo złożonych kształtach przekryć, normowe uproszczone schematy obciążenia wiatrem są często niewystarczające. W takich przypadkach pozostają badania modelu obiektu w tunelu aerodynamicznym lub modelowanie numeryczne oddziaływania wiatru przy pomocy specjalistycznego oprogramowania CFD (Computational Fluid Dynamics). Także obciążenie śniegiem, które w typowych obiektach nie powoduje zwykle większych problemów, w przypadku konstrukcji stalowych o dużych rozpiętościach nabiera innego wymiaru. Pierwszym powodem takiego stanu rzeczy są znaczne wymiary obiektów, które utrudniają ewentualne usuwanie śniegu z dachu. Drugim, ważniejszym w kontekście odśnieżania dachu problemem, jest rodzaj poszycia. Jak napisano wyżej, często są to membrany lub lekkie płyty z tworzyw sztucznych (np. poliwęglanowe), które są podatne na mechaniczne uszkodzenia, a usuwanie z takich powierzchni śniegu jest problematyczne. Niezwykle ważne jest więc w takich przypadkach umiejętne ustalenie wszystkich możliwych wariantów obciążenia śniegiem, tak aby ograniczyć do absolutnego minimum ewentualną konieczność interwencji związanych z odśnieżaniem dachu. Rozwiązania konstrukcji dużych rozpiętości W przekryciach typowych obiektów o dużych rozpiętościach, najczęściej znajdują Fot. 2. Stadion Tokyo Dome (1988 r.) [1] Fot. 3. Georgia Dome w Atlancie (1992 r.) [3] zastosowanie konstrukcje belkowe, ramowe, ramowo-kratowe oraz łukowe pełnościenne i kratowe. Tego rodzaju rozwiązania są najbardziej powszechne ze względu na możliwość typizacji, stosunkowo niskie koszty, a przede wszystkim rodzaje budynków, w których mogą być stosowane, takich jak sklepy, galerie handlowe, obiekty sportowe (typu halowego), hangary, teatry i sale wystawowe. Rozpiętości tego rodzaju konstrukcji mogą w skrajnych przypadkach sięgać nawet m, przy czym te najbardziej powszechne ograniczają się zazwyczaj do około m. Konstrukcje belkowe Stosowanie konstrukcji belkowych o dużych rozpiętościach jest uzasadnione wówczas, gdy podpory nie mogą przejąć poziomych sił podporowych. Przy zastosowaniu podparć ścianami murowanymi, słupami betonowymi czy jednogałęziowymi słupami stalowymi kiedy możliwości przeniesienia sił poziomych są ograniczone, jednym z najwłaściwszych rozwiązań konstrukcji dachu są właśnie dźwigary belkowe walcowane, ażurowe i blachownicowe przy rozpiętościach nawet do 50 m. Należy jednak zaznaczyć, że generalnie konstrukcje takie nie są zbyt ekonomiczne z punktu widzenia zużycia stali. Są natomiast proste i tanie w wytwarzaniu oraz przyjazne z punktu widzenia montażu na placu budowy. Konstrukcje ramowe pełnościenne Kolejną grupę ustrojów konstrukcyjnych ramowe pełnościenne, na ogół o zmiennym przekroju lub kratownicowe stosuje się przy większych rozpiętościach. Ramy pełnościenne mogą osiągać rozpiętości dochodzące nawet do 100 m, a ramy kratownicowe do 120 m i więcej. Znajdują one zastosowanie w konstrukcjach m.in. hangarów lotniczych, dużych hal sportowych i widowiskowych. Typowy układ ramowy dwuprzegubowy, zarówno pełnościenny jak i kratowy powoduje, że możliwe jest zastosowanie mało skomplikowanych, przegubowych oparć na fundamentach, co znacznie upraszcza kwestie zakotwienia i pozwala ograniczyć wielkość fundamentów. Pewną niedogodnością jest tu jednak konieczność przekazania na fundamenty i przejęcia przez nie znacznych sił poziomych, co albo znacznie ogranicza korzystny wpływ przegubowego oparcia na wielkość fundamentów albo prowadzi do zastosowania dodatkowych elementów w postaci np. ściągów podposadzkowych przejmujących te siły. Często też stosuje się układy ramowe bezprzegubowe, pozwalające kosztem wielkości fundamentów zmniejszyć jednostkowe zużycie stali. Tego typu rozwiązania, szczególnie w przypadku ram pełnościennych, pozwalają uzyskać wysokości konstrukcji w kalenicy poniżej 1/50 rozpiętości, co jest bardzo korzystne z punktu widzenia wykorzystania kubatury budynku. edycja 2015 Konstrukcje budowlane Vademecum 13

16 Kompendium wiedzy Ustroje przestrzenne Układy ramowe, zarówno pełnościenne jak i kratowe mogą być projektowane także jako ustroje przestrzenne, pozwalające uzyskiwać znaczne rozpiętości przy ograniczonej liczbie podpór wewnętrznych. Przykładem może tu być konstrukcja dachu, zlokalizowanej na granicy Gdańska i Sopotu, jednej z największych hal widowiskowo-sportowych w Polsce. Środkowa część konstrukcji zadaszenia (nad płytą/areną) została zaprojektowana jako przestrzenny ustrój kratowy oparty w narożach na czterech trzonach w rozstawie 66,6x70,6 m. Ustroje przestrzenne sprawdzają się też w przypadku częściowo lub całkowicie rozsuwanych zadaszeń stadionów. Konstrukcje wspornikowe Modyfikacją układów ramowych są powszechne w przypadku średniej wielkości stadionów, wspornikowe konstrukcje zadaszeń trybun. Są one projektowane zazwyczaj jako kratownicowe o zmiennej wysokości i wysięgach dochodzących nawet do 50 m. W przypadku większych wysięgów, wsporniki mogą być dodatkowo podwieszone linami do wystawionych ponad poszycie słupów pełniących funkcje masztów. Modyfikacją układów wspornikowych może być podparcie wsporników, usytuowanymi wzdłuż trybun, ramami lub łukami. Pozwala to uzyskać większe długości wsporników oraz znacznie ograniczyć przekroje wsporników i podpierających je słupów. Tego typu rozwiązania są też stosowane w przypadku dachów stadionów z rozsuwaną środkową częścią. Ustroje łukowe Innym rozwiązaniem przekryć o dużych rozpiętościach są ustroje łukowe stosowane w pawilonach wystawowych, halach sportowych, hangarach lotniczych czy przykryciach stadionów. Pozwalają one na uzyskanie podobnych, a nawet większych niż w przypadku układów ramowych, rozpiętości przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia stali. Największe rozpiętości konstrukcji łukowych są osiągane w przypadku przekryć stadionów przykładem jest tu kratowy łuk nad stadionem Wembley o rozpiętości około 315 m i wyniosłości 133 m. Przy rozpiętościach do około 30 m łuki są zazwyczaj elementami jednogałęziowymi, podczas gdy przy większych rozpiętościach względy ekonomiczne przemawiają często za ustrojami kratowymi, przestrzennymi. Najczęściej stosowane są łuki dwuprzegubowe, czasami trójprzegubowe i bezprzegubowe. Pierwsze rozwiązanie jest najprostsze w zastosowaniu, a ostatnie charakteryzuje się najbardziej korzystnym rozkładem momentów zginających i najmniejszą masą. Łuki bezprzegubowe są jednak najbardziej wrażliwe na zmiany temperatury i wymagają największych fundamentów. Trójprzegubowe ustroje łukowe z kolei są najbardziej wymagające w fazie montażu konieczne jest stosowanie specjalistycznych rusztowań i urządzeń dźwigowych. W większości przypadków łukowe konstrukcje o dużych rozpiętościach, podobnie jak układy ramowe, wymagają przejęcia sił rozporowych przekazywanych na fundamenty najczęściej stosowane są sprężane ściągi podposadzkowe. Typowe przekroje łuków pełnościennych to rury okrągłe, przekroje skrzynkowe oraz dwuteowe. W przypadku łuków przestrzennych, kratowych najczęściej stosowane są kształtowniki rurowe. Wysokość konstrukcyjna łuków, szczególnie pełnościennych, może być mniejsza niż 1/100 ich rozpiętości, a więc są to ustroje o dużej smukłości. Biorąc pod uwagę, że w tego typu konstrukcjach występują znaczne siły ściskające, szczególnego znaczenia nabiera prawidłowe uwzględnienie kwestii wyboczenia łuku zarówno w jego płaszczyźnie jak i z płaszczyzny. Ustroje strukturalne Kolejną grupą konstrukcji stosowaną dla przekryć o dużych rozpiętościach są ustroje strukturalne. Przekrycia strukturalne będąc wieloogniwowymi, wzajemnie uzupełniającymi się ustrojami prętowymi, wykorzystują przestrzenną pracę poszczególnych elementów prętowych, wykazując przy tym dużą sztywność przy stosunkowo niskim zużyciu materiału. Siatki geometryczne przekryć strukturalnych mają regularny kształt i powtarzalne moduły. Pręty tworzące strukturę rozmieszczone są warstwowo, elementy pomiędzy warstwami mają stałą długość, a przekrycie zazwyczaj jednakową wysokość. Obecnie stosowane rozwiązania pozwalają na realizowanie konstrukcji o rozpiętościach dochodzących nawet do 400 m. Możemy je podzielić na jednowarstwowe (powłokowe), dwu- lub trójwarstwowe w układach jedno- i dwukrzywiznowych. Rozróżniając sposoby ich prefabrykacji wyróżnia się systemy z oddzielnych prętów i węzłów, systemy rusztów kratowych i układy mieszane. Tego rodzaju przekrycia stosowane są obecnie również ze stopów aluminiowych, dających większą lekkość konstrukcji dachu. W przypadku przekryć strukturalnych wielowarstwowych stosunek wysokości konstrukcji do jej rozpiętości zawiera się na ogół w przedziale 1/60-1/100, a w przypadku konstrukcji powłokowych stosunek ten może być znacznie mniejszy. Ze względu na rodzaje węzłów i stosowanie jednogałęziowych prętów struktury, do tego rodzaju konstrukcji wykorzystuje się głównie kształtowniki rurowe okrągłe lub zamknięte kwadratowe. Konstrukcje cięgnowe Odrębnym, najszybciej rozwijającym się obecnie typem przekryć o dużych rozpiętościach są konstrukcje cięgnowe. Składają się one z pokrycia, układów cięgnowych i konstrukcji wsporczej. Należą one do najbardziej korzystnych ekonomicznie przekryć stadionów, pływalni i dużych obiektów sportowych. W tego rodzaju obiektach bez podparć pośrednich możliwe jest uzyskiwanie przekryć o rozpiętościach do 400 m. Ze względu na dużą różnorodność obiektów, dla których stosuje się przekrycia cięgnowe, ustroje te można podzielić na: ustroje cięgnowe płaskie ustroje cięgnowe przestrzenne przekrycia cięgnowe typu zamkniętego przekrycia cięgnowe typu otwartego. Rozwiązania te mogą się wzajemnie przenikać mogą więc być mieszane i stosowane wymiennie, zależnie od oczekiwanego efektu architektonicznego. Wiotkie i lekkie elementy linowe są podatne na drgania, a niewielkie ich przekroje skutkują znacznymi przemieszczeniami konstrukcji pod wpływem obciążeń grawitacyjnych i wiatru przemieszczenia te, przy bardzo dużych rozpiętościach osiągają czasami wartości kilku metrów. Niewielka masa i bardzo mała sztywność ustrojów linowych wymusza stosowanie elementów usztywniających, sztywnego pokrycia, dociążenia warstwami poszycia lub cięgien napinających, które umożliwiają wstępne sprężenie konstrukcji. Rozwiązania takie są konieczne ze względu na ssące działanie wiatru na lekką konstrukcję oraz inne oddziaływania dynamiczne. Sprężenie cięgien umożliwia 14 Vademecum Konstrukcje budowlane edycja 2015

17 Kompendium wiedzy Fot. 4. Konstrukcja dachu Stadionu Narodowego w Warszawie jednocześnie formowanie różnych kształtów dachów oraz pozwala na prawidłową pracę konstrukcji przy niesymetrycznych obciążeniach. Najbardziej rozpowszechnionym kształtem tego rodzaju przekryć są dachy owalne i kołowe, które stosowane są na przekrycia stadionów, aren sportowych i widowiskowych [6]. Wykorzystuje się w nich cięgna z lin i prętów stalowych, wykonywanych ze stali o podwyższonej zawartości węgla, z dodatkiem chromu, niklu i miedzi, uzyskujących wytrzymałości do 2400 N/mm 2. Jednym z najbardziej rozpoznawalnych przekryć tego rodzaju na terenie Polski jest dach Stadionu Narodowego z powierzchnią przekraczającą m 2, na którą wykorzystano ponad 37 km lin stalowych (fot. 4). Sprężona konstrukcja eliptycznego dachu przypominająca koło rowerowe z napiętymi szprychami jest przestrzennym ustrojem cięgnowym utrzymującym w części środkowej iglicę o masie około 190 ton. Główna konstrukcja stalowa zadaszenia stadionu ma masę około ton, a konstrukcje pomocnicze z iglicą, około 2400 ton. Liny o masie około 1700 ton (wraz z okuciami) są podtrzymywane przez wieńczący koronę dachu stadionu, oparty na 72 rurowych słupach stalowych, obwodowy ring ściskany o przekroju rurowym Ø 1820x80 mm oraz podwieszone do 72 zastrzałów z odciągami. Najtrudniejszym technologicznie etapem robót było podniesienie linowej konstrukcji dachu wraz z iglicą, przeprowadzone w ciągu 3 tygodni, na przełomie 2010 i 2011 r. Obiekt oddano do użytku w kwietniu 2012 r. Stadion może jednocześnie pomieścić ponad 58 tys. osób w czasie meczu piłkarskiego i 72 tys. osób na widowisku koncertowym. Uwagi końcowe Rozwój masowych imprez sportowych, wystawiennictwa i widowisk powoduje, że wzrasta zapotrzebowanie na obiekty o dużych rozpiętościach bez wewnętrznych podpór pośrednich. Stosuje się nowe, coraz lepsze poszycia wykonane z tkanin z włóknem szklanym pokrytych PTFE, nowe rodzaje lin i cięgien z coraz lepszymi splotami i bardziej odpornych na pełzanie pod długotrwałym obciążeniem. Stal jako materiał konstrukcyjny w stosunku do jej ceny i parametrów wytrzymałościowych jest obecnie najlepszym materiałem pozwalającym na projektowanie przekryć o dużych rozpiętościach. Jednocześnie coraz lepsze narzędzia do analizy konstrukcji pozwalają bezpiecznie projektować ustroje o najbardziej nawet wyrafinowanych i złożonych kształtach, co z kolei wychodzi naprzeciw oczekiwaniom dotyczącym zaspokajania rosnących wymagań estetycznych, jakie są stawiane nowoprojektowanym obiektom. Literatura 1. Karczewski J. A., Wierzbicki S., Przestrzenne konstrukcje przekryć stadionów w Japonii, Inżynieria i Budownictwo, 2003, część 1, nr 6, str Kobielak S., Przekrycia stalowe dużych rozpiętości, Warsztat pracy projektanta konstrukcji, Szczyrk, 7-10 marca 2012, tom I, str Tofil J., Rozwój współczesnych przekryć o konstrukcji cięgnowej, Biblioteka cyfrowa Politechniki Krakowskiej, str Kubicki J., Kośnik J., Stadion Narodowy, BOSZ, Olszanica, Cwyl M., Konstrukcje cięgnowe w budownictwie wielkopowierzchniowym, Świat Szkła 11 (113), Warszawa, edycja 2015 Konstrukcje budowlane Vademecum 15

18 Kompendium wiedzy Konstrukcje murowe, zwane również ścianami, stanowią jeden z najważniejszych elementów konstrukcyjnych we wszelkiego typu obiektach. Od ich stanu technicznego zależy w dużej mierze trwałość innych elementów. Dlatego tak ważna jest diagnostyka ścian, wczesne wykrywanie usterek i ich monitorowanie, aby móc przeprowadzić w odpowiednim momencie naprawę. dr hab. inż. Lech Rudziński dr inż. Andrzej Kroner Politechnika Świętokrzyska NAPRAWY I WZMOCNIENIA KONSTRUKCJI MUROWYCH Rodzaje ścian Ściany w zależności od charakteru pracy statycznej i przeznaczenia dzieli się na konstrukcyjne i niekonstrukcyjne. Ściany konstrukcyjne, zwane również nośnymi, przenoszą obciążenia od ciężaru własnego oraz obciążenia przekazywanego ze stropów, dachu, balkonów, schodów, a także od parcia gruntu itp. Minimalna grubość ścian konstrukcyjnych z muru o wytrzymałości charakterystycznej f k 5 N/mm 2 powinna wynosić 100 mm, a w przypadku wytrzymałości f k < 5 N/mm mm. Minimalna grubość ścian usztywniających powinna wynosić 180 mm. Ściany niekonstrukcyjne, do których zalicza się ściany działowe i osłonowe, w obliczeniach uważa się za nieprzejmujące obciążeń od innych elementów budynku, przez co można je usunąć bez szkody dla nośności całej konstrukcji budynku, np. w razie potrzeby zmiany wystroju bądź funkcji użytkowej pomieszczeń. Ściany osłonowe stanowią wypełnienie zewnętrzne konstrukcji nośnej budynku. Przenoszą one obciążenia od ciężaru własnego oraz wiatru w obrębie jednego pola wypełnienia konstrukcji, np. między słupami i poziomymi ryglami konstrukcji szkieletowej budynku. Ściany działowe są przegrodami wewnętrznymi oddzielającymi pomieszczenia budynku. Zgodnie z normą PN-EN :2009 rozróżnia się następujące rodzaje ścian (rys. 1): jednowarstwowa (rys. 1a, b) ściana bez ciągłej spoiny pionowej (podłużnej) lub szczeliny na całej wysokości muru dwuwarstwowa (rys. 1c) ściana składająca się z dwóch równoległych murów ze spoiną podłużną wypełniona całkowicie zaprawą murarską, połączonych ze sobą Rys. 1. Rodzaje ścian: a) jednowarstwowa, b) jednowarstwowa z ociepleniem, c) dwuwarstwowa, d) szczelinowa: 1 warstwa nośna, 2 tynk, 3 izolacja termiczna, 4 siatka, 5 szczelina powietrzna, 6 kotwy 16 Vademecum Konstrukcje budowlane edycja 2015

19 Kompendium wiedzy kotwami w sposób zapewniający wspólne przenoszenie obciążeń szczelinowa ze szczeliną wypełnioną materiałem nienośnym (rys. 1d) ściana składająca się dwóch równoległych, pionowych warstw muru, połączonych ze sobą trwale kotwami lub zbrojeniem w spoinach wspornych, z których jedna lub obie przenoszą obciążenie pionowe; przestrzeń między obu warstwami stanowi szczelinę niewypełnioną, wypełnioną lub częściowo wypełnioną nienośnym materiałem termoizolacyjnym szczelinowa z wypełnioną szczeliną ściana składająca się z dwóch równoległych murów ze szczeliną wypełnioną w pełni betonem lub zaprawą murarską, zespolonych za pomocą kotew lub zbrojenia w spoinach wspornych w sposób zapewniający wspólne przenoszenie obciążeń. Diagnostyka konstrukcji murowych Diagnostyka techniczna to określenie stanu technicznego konstrukcji na podstawie zgromadzonej o niej wiedzy, w tym także wyników przeprowadzonych badań. W przypadku konstrukcji murowych główne działania diagnostyczne można przedstawić schematycznie, jak na rysunku 2. Analiza dokumentacji archiwalnej pozwala na rozpoznanie rozwiązań konstrukcyjno- -technologicznych remontowanego obiektu, w tym zmian dokonywanych w konstrukcji. Wizja lokalna, czyli oględziny ocenianej konstrukcji, pozwala na: ustalenie przedmiotu, celu oraz zakresu oceny określenie rodzaju i funkcji, jaką element spełnia w ustroju ustalenie warunków pracy elementu murowego, a w szczególności warunków wilgotnościowych lub ewentualnego źródła skażenia ocenę wstępną stanu cegły, zaprawy i tynku oraz stwierdzenie ewentualnych zarysowań i ich charakteru. Obserwacje wizualne powinny umożliwić ustalenie ewentualnych miejsc występowania uszkodzeń, określenie ich rozmieszczenia, wstępną ocenę przyczyn uszkodzeń, niewłaściwe wykonanie lub niewłaściwe zastosowanie elementów konstrukcyjnych, Wizja lokalna. Ustalenie przedmiotu, celu i zakresu oceny konstrukcji Ustalenie rodzaju elementów i ich pracy w ustroju konstrukcyjnym. Ocena agresywności środowiska Wizualna ocena stanu technicznego muru (cegły i zaprawy oraz tynku) Ustalenie miejsc badań i metod (niszczących i nieniszczących) cech fizycznych oraz mechanicznych Badanie stopnia skażenia Analiza stanów granicznych nośności i użytkowania konstrukcji Ocena stanu technicznego konstrukcji Wnioski dotyczące materiałów i elementów konstrukcji oraz dalszej eksploatacji Rys. 2. Schemat działań diagnostycznych a także prawidłowość eksploatacji. Wyniki wizji lokalnej są podstawą do wytypowania miejsc pobrania próbek do ewentualnych badań laboratoryjnych w celu określenia zmian właściwości fizycznych i ewentualnie uszkodzeń mechanicznych powstałych w wyniku użytkowania materiałów oraz ustalenia stopnia ich skażenia w wyniku działania środowiska o zwiększonej agresywności. Diagnostyka konstrukcji murowych Analiza dokumentacji i warunków eksploatacji konstrukcji Zakres oceny: - grubość muru - rodzaj cegły - grubość spoin oraz ich wypełnienie - występowanie nieprawidłowości i uszkodzeń oraz ewentualnych rys - obecność wykwitów soli itp. - zawilgocenie i ewentualne skutki przemarzania - stan izolacji poziomej i pionowej. Zakres badań: - wilgotność i nasiąkliwość - gęstość objętościowa - porowatość i przepuszczalność - wytrzymałości cegły i zaprawy oraz ewentualnie muru. Badania chemiczne np. zawartości szkodliwych soli rozpuszczalnych w czerepie cegły Po wykonaniu oceny wstępnej przystępuje się do oceny szczegółowej obejmującej: materiał konstrukcyjny ściany (badania właściwości fizycznych, mechanicznych i chemicznych), analizę stanu granicznego, ocenę bezpieczeństwa konstrukcji oraz wnioski i zalecenia końcowe. Badania in situ przeprowadza się na miejscu, na obiekcie. Mogą to być badania nieniszczące (np. pomiary geodezyjne ugięć elementów konstrukcyjnych, badanie zawilgocenia ścian za pomocą aparatury elektronicznej) lub odkrywki (np. fundamentów w celu sprawdzenia materiału konstrukcyjnego lub głębokości posadowienia budynku, murów w celu sprawdzenia układu i jakości poszczególnych warstw, zawilgocenia, zasolenia). Badania laboratoryjne, wymagające zastosowania aparatury specjalistycznej, edycja 2015 Konstrukcje budowlane Vademecum 17

20 Kompendium wiedzy przeprowadza się na specjalnie pobranych próbkach (np. odwiertach). Zakres badań obejmuje m.in. określenie wytrzymałości pobranego materiału oraz wilgotności lub zasolenia. Analizę stanu granicznego konstrukcji przeprowadza się po zebraniu materiałów, dotyczących wszystkich czynników mających lub mogących mieć wpływ na stan konstrukcji. Jeżeli zachodzi podejrzenie, że konstrukcja może być zagrożona wskutek osiągnięcia stanu granicznego, konieczne są obliczenia sprawdzające, potwierdzające lub wykluczające możliwość osiągnięcia takiego stanu. Obliczenia powinny także dotyczyć stanu konstrukcji murowej w trakcie lub po naprawie (wzmocnieniu). Ocena stanu technicznego powinna przede wszystkim zawierać wniosek, określający stopień zagrożenia wystąpieniem awarii lub uszkodzenia konstrukcji. Ponadto ocena powinna wskazać przyczyny wystąpienia uszkodzeń i sposoby ich usunięcia lub zabezpieczenia konstrukcji przed ich dalszym oddziaływaniem. Dopiero wtedy formułuje się wnioski dotyczące możliwości i sposobu naprawy, wzmocnienia i zabezpieczenia konstrukcji na okres dalszej eksploatacji. Morfologia rys w ścianach Morfologia rys służy zwykle do oceny stanu wytężenia konstrukcji oraz umożliwia określenie przyczyn pojawienia się zarysowań konstrukcji. Przyczyny pojawienia się rys w konstrukcjach murowych można podzielić na dwie grupy: materiałowo-fizykalne, obejmujące skurcz, wahania temperatury, pęcznienie, błędy konstrukcyjne i wykonawcze wytrzymałościowe, obejmujące przeciążenie (nadmierne odkształcenia), nierównomierne osiadanie konstrukcji i podłoża gruntowego oraz wpływy dynamiczne i wyjątkowe. Rysy spowodowane nierównomiernym osiadaniem konstrukcji Pęknięcia murów, będące objawem znacznych odkształceń budowli, pojawiają się na skutek nierównomiernego osiadania podłoża gruntowego, powodując ugięcia fundamentu i ściany. Przyczyną osiadania gruntu jest też zmiana jego spoistości, wywołana częstymi zmianami poziomu wód gruntowych. Grunt, spulchniony pod fundamentami budynku, na skutek podwyższania się i obniżania zwierciadła wody gruntowej, jest nierównomiernie ściskany przez budynek. Nierównomierne ściskanie gruntu powoduje z kolei osiadanie i pękanie budynku. Podmywanie fundamentów może być spowodowane ruchami wód gruntowych lub awarią przewodów wodociągowych lub centralnego ogrzewania. Również przy wykonywaniu głębokiego wykopu obok istniejącego budynku może wystąpić przecięcie żyły wodnej i wymywanie gruntu pod fundamentem. Rysy spowodowane przeciążeniem elementów konstrukcyjnych Przez przeciążenie należy rozumieć takie obciążenie elementu konstrukcyjnego budynku, które jest większe od obciążenia przewidzianego i przyjętego w prawidłowo wykonanych obliczeniach statycznych projektu. Przeciążenie elementu może być wywołane przekroczeniem osiowych naprężeń rozciągających lub ściskających, naprężeń przy zginaniu lub mimośrodowym ściskaniu bądź rozciąganiu, ścinaniu i skręcaniu. W przypadku konstrukcji murowych przeciążenie może wynikać m.in. z wadliwego projektu, zmiany schematu statycznego wskutek wadliwego wykonania konstrukcji, nadbudowy, przeróbek konstrukcji lub zmiany funkcji obiektu. Rysy wywołane wahaniami temperatury Przez wahania temperatury należy rozumieć zmiany temperatury powietrza, zmiany temperatury wywołane różnymi procesami technologicznymi w budynkach przemysłowych, temperatury pożarowe itp. Wzrost temperatury wywołuje rozszerzenie się muru. Ochłodzenie natomiast działa podobnie jak skurcz, powodując powstanie rys takiego samego typu. Współczynnik liniowej odkształcalności termicznej α t, zależny od rodzaju elementów murowych, wynosi od K -1 (elementy ceramiczne) do K -1 (beton na kruszywach lekkich). W warunkach swobodnego odkształcenia wydłużenie lub skrócenie ściany jest niegroźne i, co najwyżej, może wywołać mikrorysy w spoinach pionowych. Przy ograniczeniu swobody odkształceń termicznych i skurczowych, np. jeżeli ściana ceramiczna współpracuje z ciągłym wieńcem żelbetowym, pęknięcie wieńca powoduje często, że w tym samym przekroju tworzy się również rysa w murze. Analizując przykłady zarysowań wywołanych temperaturą należy stwierdzić, że najczęstsze przypadki ich wystąpienia związane są z niewłaściwym rozwiązaniem konstrukcyjnym w miejscu połączeń dwóch (lub więcej) materiałów o różnym współczynniku rozszerzalności cieplnej Zarysowania spowodowane skurczem i pęcznieniem W procesie skurczu wyróżnić można zjawiska o charakterze nieodwracalnym, zwane ogólnie skurczem pierwotnym oraz zjawiska o charakterze odwracalnym, określane mianem skurczu wtórnego. Proces skurczu pierwotnego związany jest z czynnikami chemicznymi i wynika przede wszystkim z karbonatyzacji zawartych w murze związków wapnia. W konstrukcjach murowych podstawowe znaczenie ma skurcz wtórny związany ze zmianami wilgotności muru. Jego wielkość tego skurczu zależy głównie od początkowej wilgotności muru, wilgotności środowiska oraz wielkości elementu konstrukcji. Skurcz wtórny muru nie podlegającego dalszemu zawilgoceniu stabilizuje się po 3-5 latach. Wprowadzenie do produkcji i stosowanie w budownictwie elementów murowych o objętości wielokrotnie przekraczającej objętość jednej cegły oraz zastosowanie mocnych zapraw cementowych powoduje, że zjawiska pęcznienia i skurczu mogą być również częstymi przyczynami zarysowań i spękań budynków murowanych. Poziome zarysowania ścian mogą pojawić się, gdy jako ocieplenie dachu zastosuje się beton żużlowy bez oddylatowania go od muru ścian. Wówczas pęcznienie tego betonu powoduje zarysowania tuż nad stropem nad najwyższą kondygnacją budynku zarysowaniu często towarzyszy wychylenie (wypychanie) ściany szczytowej z pionu. Zarysowania spowodowane wpływami dynamicznymi Dynamiczne działanie obciążeń powoduje drgania budynku i zmęczenie materiału konstrukcyjnego, co doprowadza do obniżenia stopnia bezpieczeństwa elementów i konstrukcji. Wpływy dynamiczne, zależnie od sposobu przekazywania obciążeń na konstrukcję, 18 Vademecum Konstrukcje budowlane edycja 2015