Leonard Runkiewicz 1, Jan Sieczkowski 2 Politechnika Warszawska Monitorowanie antropogenicznych obiektów budowlanych 3 Wstęp Antropogeniczne obiekty budowlane powinny być, zgodnie z ustawą Prawo budowlane [1], projektowane i budowane w sposób określony w przepisach, w tym techniczno budowlanych, zapewniając spełnienie wymagań podstawowych oraz warunków użytkowych, zgodnie z przeznaczeniem obiektu. Obiekty te powinny być utrzymywane w należytym stanie technicznym i estetycznym, nie dopuszczając do nadmiernego pogorszenia jego właściwości użytkowych i sprawności technicznej. Jednakże, w wyniku niezamierzonych nieprawidłowości zarówno na etapie projektowania, jak i realizacji oraz użytkowania antropogenicznego obiektu budowlanego, mogą wystąpić zagrożenia powodujące wystąpienie awarii lub katastrof. Analiza awarii i katastrof budowlanych, prowadzona od 1962 do chwili obecnej [2] wskazuje, że podstawowymi przyczynami ich powstania są błędy ludzkie popełniane na każdym etapie procesu budowlanego oraz czynniki losowe. Wśród czynników losowych w ostatnim okresie największy udział mają wpływy środowiska. Do najczęstszych destrukcyjnych wpływów środowiska w Polsce należy zaliczyć powodzie, opady, wiatry (w tym wiatry huraganowe i trąby powietrzne), a także czynniki wtórne, takie jak szkody górnicze oraz szkody środowiska przemysłowego. Nie jest jednak możliwe zaprojektowanie i wykonanie obiektów w pełni niezawodnych, co wynika ze stanu wiedzy (duża liczba parametrów trudnych do jednoznacznego określenia), rozwoju techniki oraz ekonomii (nieracjonalne byłoby przyjmowanie dla wszystkich obiektów obciążeń o wartości, które nie mogłyby być przekroczone w całym okresie ich użytkowania). Tak więc zawsze występuje pewne ryzyko awarii, z tym że jest ono ograniczane do minimum. Wnioski płynące z analiz awarii i katastrof znajdują swój wyraz w zmianie przepisów techniczno budowlanych. Przykładowo, w rozporządzeniu [3] wprowadzono konieczność kontrolowania określonych konstrukcji ( 204 ust.7) w postaci: Budynki użyteczności publicznej z pomieszczeniami przeznaczonymi do przebywania znacznej liczby osób, takie jak hale widowiskowe, sportowe, wystawowe, targowe, handlowe, dworcowe powinny być wyposażone, w zależności od potrzeb, w urządzenia do stałej kontroli parametrów istotnych dla bezpieczeństwa konstrukcji, takich jak: przemieszczenia, odkształcenia i naprężenia w konstrukcji. Oczywiście zainstalowanie urządzeń do stałej kontroli parametrów konstrukcji nie zwalnia z obowiązku wykonywania okresowych kontroli obiektu, wynikających z ustawy Prawo budowlane [1]. Diagnostyka a monitoring antropogenicznego obiektu budowlanego Diagnostykę obiektów budowlanych przeprowadza się w celu zbadania, udokumentowania, oceny i klasyfikacji rzeczywistego stanu obiektu, jego części lub poszczególnych elementów. Wykonuje się ją zazwyczaj w związku ze znacznym pogorszeniem się stanu technicznego konstrukcji, stwierdzonego np. podczas okresowej kontroli lub konieczności poddania konstrukcji oddziaływaniom o większej wartości w wyniku przebudowy, rozbudowy lub zmiany przeznaczenia. Badania diagnostyczne można podzielić na laboratoryjne, niszczące wykonywane na próbkach pobranych z konstrukcji oraz badania nieniszczące wykonywane bezpośrednio na konstrukcji. Najbardziej rozbudowane badania diagnostyczne przeprowadza się w obiektach o konstrukcji żelbetowej i murowej. Zasady prowadzenia prac związanych z diagnostyką budowlanych obiektów antropogenicznych stanowią przedmiot bogatej literatury, np. [4]. Monitorowanie obiektów jest działaniem mającym na celu wykrywanie zagrożeń. Wymaga jednak wcześniejszego ustalenia rodzaju zagrożenia, tzn. określenia warunków monitoringu oraz ustalenia sposobu informowania o zagrożeniu [5]. Monitoring musi więc zawsze składać się z dwóch podsystemów obserwacyjnego i ostrzegawczego. Oznacza to, że monitoring jest dużo większym przedsięwzięciem niż tylko zwykła, nawet długotrwała obserwacja [6]. Monitoring jest cennym źródłem informacji o stanie obiektu, które dostarcza wyniki pomiarów różnych wielkości fizycznych, takich jak osiadań, przemieszczeń, ugięć, odkształceń, temperatur, wilgotności, drgań i innych parametrów. Opisy rozwiązań systemów zdalnego monitorowania można znaleźć w literaturze, np. [7], [8], [9]. 1 prof. dr hab. inż., l.runkiewicz@itb.pl, Instytut Techniki Budowlanej, Politechnika Warszawska, Mazowiecka Okręgowa Izba Inżynierów Budownictwa 2 mgr inż., j.sieczkowski@itb.pl, Instytut Techniki Budowlanej 3 Artykuł recenzowany 123
Przykłady zastosowania monitoringu konstrukcji Uwagi ogólne Oczywistym jest, że nie można całkowicie wyeliminować zagrożeń wystąpienia awarii lub katastrof antropogenicznych obiektów budowlanych. Można natomiast, poprzez zastosowanie systemów ostrzegania, znacznie ograniczyć lub wyeliminować ich występowanie. Nakłady finansowe ponoszone na profilaktykę (systemy ostrzegania) są zawsze zdecydowanie mniejsze niż te, które będzie trzeba przeznaczyć na remont - w przypadku uszkodzenia obiektu, lub też odbudowę w przypadku jego zniszczenia. Najczęściej stosowane są systemy umożliwiające stałą kontrolę parametrów odpowiedzialnych za bezpieczeństwo konstrukcji obiektów. Systemy tego typu mogą realizować ciągły pomiar różnych wielkości fizycznych, np. odkształceń elementów konstrukcji obiektów. W takim przypadku czujniki instalowane są w przekrojach (miejscach) wcześniej wytypowanych na podstawie analizy statyczno wytrzymałościowej. Wyniki pomiaru odkształceń pozwalają na oszacowanie przyrostu naprężeń w przekroju elementu lub poziomu wytężenia danego fragmentu konstrukcji. Oprócz czujników służących do pomiaru odkształceń elementów konstrukcji obiektów systemy monitoringu mogą być, w zależności od potrzeb, wyposażone w inne elementy pomiarowe takie jak: - czujniki temperatury konstrukcji oraz powietrza, - czujniki siły i kierunku wiatru, - czujniki stopnia nasłonecznienia oraz wielkości opadów atmosferycznych, w tym śniegu, - czujniki parametrów drgań (pomiar szybkozmiennych odkształceń, amplitudy drgań), - urządzenia do obserwacji monitorowanej konstrukcji - kamery przemysłowe. Pewną odmianą systemów zdalnego monitorowania są systemy przeznaczone do monitorowania antropogenicznych obiektów budowlanych poddanych wpływom szkód górniczych. Systemy monitorowania mogą realizować pomiary oddziaływań na konstrukcję obiektu lub odpowiedzi konstrukcji obiektu na te oddziaływania. Pomiary oddziaływań na konstrukcje obiektów możliwe są przez pomiary odkształceń gruntu, krzywizny deformacji oraz kontrole zmian stosunków wodnych. Do tych celów wykorzystywane są ekstensometry o długich bazach pomiarowych (nawet kilkadziesiąt metrów), a także klasyczne automatyczne inklinometry (poziome i pionowe) przeznaczone do pomiarów ciągłych. Zmiany parcia gruntu oraz oddziaływań spowodowanych zmianami poziomu wód gruntowych określa się stosując czujniki ciśnienia gruntu, ciśnienia porowego wody i ciśnienia wody. Do określenia odpowiedzi konstrukcji obiektów poddanych wpływom deformacji górniczych stosowane są czujniki do pomiaru rozwarcia rys i dylatacji, wychylenia obiektów, przemieszczeń elementów [9]. Systemy monitoringu stosowane na terenach eksploatacji górniczej mogą też być stosowane do monitorowania osuwisk gruntu. Inną grupą antropogenicznych obiektów budowlanych, które powinny podlegać monitoringowi są obiekty dopuszczone do użytkowania po wystąpieniu stanu zagrożenia po ich wzmocnieniu, naprawie lub ponownie (po kilku latach) włączone do eksploatacji [10]. Obserwowany w ostatnim okresie rozwój miast wymaga w strefie śródmiejskiej wykorzystywania nawet niewielkich działek, zlokalizowanych w gęstej zabudowie. Wysokie koszty takich działek powodują planowanie budynków wysokich, z reguły z kilkoma kondygnacjami podziemnymi. Wiąże się to z potrzebą wykonywania głębokich wykopów w bezpośrednim lub bliskim sąsiedztwie istniejących budynków, na ogół posadowionych na niewielkiej głębokości poniżej poziomu terenu. Wybudowanie części podziemnej nowego budynku wymaga wykonania niezbędnego wykopu, zazwyczaj o głębokości kilkunastu metrów. Przemieszczenia obudowy wykopu, a zatem i podłoża gruntowego, powodują także przemieszczenia zabudowy w sąsiedztwie wykopu. Przemieszczenia te powinny być więc monitorowane do momentu stabilizacji odkształceń podłoża gruntowego. W strefach najbliższej wznoszonych obiektów monitoringiem powinny być objęte przemieszczenia: - pionowe i poziome elementów konstrukcji nośnych (słupy, ściany); w przypadku budynków składających się z kilku oddylatowanych segmentów każdej oddylatowanej części, - poziome korony obudowy wykopu oraz na głębokości podpór pośrednich,- pionowe płyty denne wznoszonych budynków. Częstotliwość odczytów powinna być dostosowana do tempa postępu robót budowlanych i może być zmniejszona po wykonaniu części podziemnej budynku [11]. W ostatnich latach rozwijana jest jako metoda monitoringu obiektów budowlanych metoda emisji akustycznej (EA). Należy ona do grupy metod pasywnych, to znaczy, że aparatura EA nie emituje sygnałów i nie wpływa na stan fizyczny badanego obiektu, a jedynie rejestruje efekty fizyczne samoistnie powstające w monitorowanym obiekcie. Źródłami sygnału emisji akustycznej są: powstające i propagujące mikrorysy, procesy korozyjne, pękania strun w konstrukcjach sprężonych itp. Aparatura EA rejestruje sygnał generowany w badanym obiekcie w trakcie jego normalnej eksploatacji lub podczas testów próbnych. Opis metody podano w [12], a przykłady jej zastosowania w mostownictwie podano w [13]. 124
Zdalny monitoring antropogenicznych obiektów budowlanych Do zabezpieczania obiektów antropogenicznych, szczególnie o dużych powierzchniach, przed stanami awaryjnymi mogą być stosowane systemy monitoringu, zazwyczaj zdalnego. Przy takim monitoringu obserwator znajduje się w pewnej odległości od miejsca obserwacji, co wymaga zastosowania odpowiedniej technologii transmisji danych. Pełny system zdalnego monitoringu powinien składać się z czterech segmentów: - obserwacji (czujniki), - transmisji danych, - analizy (centrala), - dystrybucji (przekazywania wyników analiz w określone miejsca- ośrodki decyzyjne). Monitoring może być stosowany zarówno w trakcie realizacji obiektów (systemy zarządzania jakością) jak i podczas ich użytkowania. Największymi zagrożeniami jakie mogą pojawić się podczas realizacji obiektów to utrata monolityczności oraz utrata stateczności, a podczas użytkowania zagrożenia pożarowe, utrata nośności i stateczności. Opis systemów zdalnego monitoringu można znaleźć w literaturze, np. [5], [6], [7]. Sprawą istotną dla systemów zdalnego monitoringu jest ustalenie wartości progowych monitorowanych parametrów i określanie sposobów i momentów włączania alarmu [8]. Objęcie systemami zdalnego monitoringu wielu obiektów jest trudno wykonalne ponieważ właściciele obiektów z reguły nie udostępniają informacji o stanie technicznych swoich obiektów i informacje te traktują jako poufne. Innym powodem jest to, że operatorzy monitoringu nie oferują przejęcia odpowiedzialności za skutki ewentualnej katastrofy lub awarii obiektu [8]. Niemniej jednak systemy zdalnego monitorowania, występujące także pod nazwą systemów monitoringu konstrukcji (SMK) są rozwijane i stosowane, szczególnie w obiektach o istotnym znaczeniu, jak np. zapory wodne czy stadiony sportowe. W obiektach takich wskazana jest ciągłe, zautomatyzowane diagnozowanie stanu wytężenia newralgicznych elementów konstrukcyjnych obiektów. Wczesne wykrycie powstających uszkodzeń pozwala na prewencyjne działania naprawcze i umożliwia utrzymanie nieprzerwanej eksploatacji obiektu. Podstawowymi celami systemu SKM są: - informowanie o stanie technicznym obiektów budowlanych w czasie rzeczywistym, - wykrywanie uszkodzeń w możliwie najkrótszym czasie, - informowanie o możliwości wystąpienia awarii, sygnalizowanie stanów przedawaryjnych, - wysyłanie ostrzeżeń w przypadku wystąpienia obciążeń ekstremalnych, - informowanie wyznaczonych służb o wystąpieniu awarii, - zbieranie i wykrywanie nietypowych zdarzeń w zachowaniu się konstrukcji obiektów i informowanie o tym użytkowników/właścicieli, - dostarczanie danych do weryfikacji procedur projektowych i procedur utrzymania obiektów. Ważnym zagadnieniem podczas projektowania SKM jest dobór technologii pomiarowych oraz sposób interpretacji wyników. Najczęstszymi błędami w aktualnie projektowanych i instalowanych systemach SKM jest tendencja do rozbudowywania modułów pomiarowych o czujniki, których przydatność nie jest uzasadniona, ale znacznie zwiększających koszty utrzymania systemu. Systemy SKM były już zastosowane na terenie kraju w wielu obiektach [7]. Zapora ziemna zbiornika na odpady Żelazny Most w KGHM Polska Miedź SA obiekt jest systemem zapór ziemnych wzniesionych na potrzeby składowania mokrych odpadów przemysłowych (powierzchnia składowiska ok. 14 km 2 ). System SMK składa się z ponad 8 tys. punktów pomiarowych, obejmujących dane geologiczne, hydrogeologiczne, geotechniczne, geofizyczne, chemiczne i geometryczne. Zapora we Włocławku- zestaw czujników (190 sztuk) składa się z piezometrów, inklinometrów, szczelinomierzy, czujników do pomiaru wody i temperatury. Hala Sportowo Widowiskowa Olivia w Gdańsku system zainstalowano w celu zwiększenia bezpieczeństwa użytkowania obiektu do czasu remontu konstrukcji dachu wątpliwości dotyczyły wyboczenia słupków jednego z dźwigarów. System automatycznie, co 10 minut, wykonywał pomiary w 74 punktach oraz w trybie ciągłym - symulacje numeryczne zachowania się konstrukcji dachu. Rozparcia stalowej komory startowej i zabezpieczenia wykopów tunelu pod Martwą Wisłą w ciągu trasy Słowackiego w Gdańsku system zainstalowano na elementach rurowych rozporowych oraz w wykopach, w celu zapewnienia bezpieczeństwa prowadzonych prac w wykopach. System składał się z 80 ekstensometrów strunowch o bazie pomiarowej 150 mm. Hali Ergo Arena w Gdańsku system zainstalowano na potrzeby utrzymania obiektu. Dach hali jest stalową kratownicą przestrzenną podpartą na czterech betonowych pylonach. System bazuje na pomiarze przemieszczeń pionowych wykonywanych w 5 punktach konstrukcji. Pomiar w środku dachu jest dodatkowo wykonywany niezależnym badaniem przemieszczenia za pomocą systemu laserowego. 125
Zadaszenie nowej Opery Leśnej w Sopocie wykonane w 2012 r. z tkaniny technicznej rozpiętej na stalowych dźwigarach łukowych o rozpiętości ponad 80 m, liniach koszowych i obwodowych. System składa się z 32 punktów pomiarowych położonych na tkaninie i innych elementach zadaszenia. Pomiary wykonywane są tachimetrem automatycznym. Stadion Narodowy w Warszawie konstrukcja nośna zadaszenia ramowo-cięgnowa pracująca na zasadzie koła rowerowego liny ułożone radialnie rozpięte są pomiędzy zewnętrznym pierścieniem ściskanym, wykonanym z rury stalowej ( ring zewnętrzny ), a wewnętrznym pierścieniem rozciąganym (podwójnym górnym i dolnym), wykonanym z lin stalowych ( ring wewnętrzny ). W środku konstrukcji nośnej znajduje się iglica. Pierścień zewnętrzny podtrzymywany jest przez słupy stalowe, współpracujące z odciągami i zastrzałami, przenoszącymi obciążenia z górnych lin podtrzymujących dach. System SMK to 5 punktów pomiarowych przemieszczeń pionowych (1 na iglicy i 4 na pierścieniu wewnętrznym) za pomocą tachimetru automatycznego oraz pomiar przyśpieszeń, temperatur konstrukcji oraz stacja meteorologiczna. Stadion PGE Arena w Gdańsku konstrukcja zadaszenia trybun składa się z 82 przestrzennych kratownicowych wiązarów stalowych w formie łuków sierpowych, wspartych na fundamentach lub na poziomej części konstrukcji żelbetowej. Wiązary główne połączone są ze sobą elementami obwodowymi tworzącymi zamknięte pierścienie. Dodatkowo wiązary są usztywnione stężeniami prętowymi w kształcie X. System SMK składa się z 16 czujników pomiaru przemieszczeń pionowych i 16 pomiaru przyśpieszeń, 256 pomiaru odkształceń i temperatury, 16 pomiaru prędkości i kierunku wiatru, 4 urządzeń do pomiaru grubości powłoki śniegu, 4 kamer. Hal Centrum Turystyczno Sportowe Aqua Zdrój w Wałbrzychu układ konstrukcyjny to kratownice główne oparte na 4 narożnikowych słupach żelbetowych krata obwodowa, wypełnienie to konstrukcja stalowa składająca się z dwutrapezowych dźwigarów rozpiętych między płatwiami tworząc układ rusztu przestrzennego. System SMK składa się z 40ekstensometrów strunowych, śniegomierza, stacji meteo oraz kamery wideo. Hala Czyżyny w Krakowie główna hala znajduje się na planie okręgu o średnicy 146 m, a widownia ma kształt zbliżony do elipsy. Słupy pod główny ring nośny ułożono na planie okręgu. Konstrukcję trybun wykonano z płyt prefabrykowanych. System SMK jest bardzo rozbudowany i podaje dane, które nie są wykorzystywane przy bieżącej ocenie zagrożeń. Podsumowanie Monitorowanie antropogenicznych obiektów budowlanych jest niezbędnym elementem ich bezpiecznej eksploatacji. Do tych celów stosowane są różne metody pomiarowe, analizy i sposoby zapobiegania uszkodzeniom i awariom. Do obiektów o bardzo dużych konsekwencjach zniszczenia stosowane są systemy automatycznego monitorowania. Systemy automatycznego monitorowania zagrożeń antropogenicznych konstrukcji budowlanych stosowane są stosunkowo od niedawna i nie mają wypracowanych zasad ich projektowania i wykonywania. Stosowanie rozbudowanych systemów SMK w prawidłowo wykonanych obiektach do bieżącej oceny zagrożeń z reguły nie jest uzasadnione. Systemy SMK nie mogą zastąpić wymaganych przez przepisy prawne przeglądy techniczne obiektów budowlanych [7]. O zakresie SMK powinni decydować autorzy projektów, rzeczoznawcy i właściciele (użytkownicy). Streszczenie W artykule uzasadniono potrzebę monitorowania antropogenicznych obiektów budowlanych, wykazano różnice między diagnostyką a monitorowaniem obiektów. Przedstawiono zasady działania systemów monitoringu, wskazano elementy, które powinny podlegać monitorowaniu, opisano przykłady monitorowanych obiektów. Słowa kluczowe: diagnostyka, monitoring, antropogeniczny obiekt budowlany, system monitorowania konstrukcji Monitoring of anthropogenic construction works Abstrakt In the paper the need to monitoring of anthropogenic building objects was justified and the differences between diagnostics and monitoring were shown. It was presented the rules of monitoring systems, identified the elements that should be subject to monitoring and described examples of monitored construction works. Keys words: diagnostics, monitoring, anthropogenic construction works, Structural Monitoring system 126
LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1] ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. - Prawo budowlane (t.j. Dz. U. z 2013 r., poz. 1409, z późn. zm.) [2] Runkiewicz L.: Raporty na temat zagrożeń, awarii i katastrof budowlanych za lata 1962-2014. Prace naukowo badawcze ITB, NK-45, Biblioteka ITB [3] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z 2002 r., nr 75, poz. 690, z późn. zm.) [4] Drobiec Ł., Jasiński R., Piekarczyk A.: Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Metodologia, badania polowe, badania laboratoryjne betonu i stali. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010 [5] Witakowski P.: Zdalne monitorowanie obiektów budowlanych podczas budowy i eksploatacji. Czasopismo Techniczne nr 1-Ś/2007. Biblioteka cyfrowa Politechniki Krakowskiej [6] Witakowski P. i inni: System kompleksowego zarządzania jakością w budownictwie. Bezdotykowe metody obserwacji i pomiarów obiektów budowlanych. z. 443/2009 w serii Instrukcje, Wytyczne, Poradniki ITB, Warszawa 2009 r. [7] Wilde K.: Systemy monitoringu konstrukcji obiektów budowlanych. XXVI Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane Międzyzdroje, 2013r. [8] Kowalewski J.: Monitorowanie zagrożeń konstrukcji budowlanych z wykorzystaniem automatycznych systemów. X Konferencja Naukowo-Techniczna Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego, Warszawa 2008 r. [9] Bednarski Ł.: Monitorowanie obiektów budowlanych poddanych wpływom szkód górniczych. I Konferencja Obiekty budowlane na terenach górniczych Siemianowice Śląskie 2014 r. [10] Krentowski J., Mackiewicz M., Matulewicz S.: Monitorowanie stanu obiektów budowlanych eksploatowanych po procesie wzmocnienia. Przegląd Budowlany nr 4/2015 [11] Runkiewicz L.: Diagnostyka oraz monitoring budynków znajdujących się w sąsiedztwie realizowanych obiektów plombowych w miastach. Przegląd Budowlany nr 1/2008 [12] Ranachowski Z.: Emisja akustyczna w diagnostyce obiektów technicznych. Drogi i Mosty Nr2/2012 [13] Gołaski L., Goszczyńska B., Świt G., Trompczyński W.: System monitoringu umożliwiający globalną ocenę stanu technicznego obiektów betonowych. Materiały 56 Konferencji naukowej w Krynicy Diagnostyka, monitoring i modernizacja eksploatowanych obiektów budowlanych, wyd. Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2010 r. 127