Analizy zagrożeń, awarii i katastrof żelbetowych zbiorników i silosów Prof. dr hab. inż. Leonard Runkiewicz, Instytut Techniki Budowlanej, Politechnika Warszawska 1. Wprowadzenie W Polsce od szeregu lat prowadzone są analizy uszkodzeń, awarii i katastrof budowlanych, w tym m.in.. Realizowane są one w postaci ciągłych obserwacji (monitoringów), specjalistycznych analiz techniczno-ekonomicznych i publikacji w różnych czasopismach oraz przedstawiane na naukowo-technicznych krajowych i międzynarodowych sympozjach i konferencjach [1 6]. Wnioski z tych prac służą do doskonalenia technik i technologii programowania, projektowania, realizacji, użytkowania, ubezpieczania i wyceny różnego rodzaju zbiorników i silosów żelbetowych. Służą one m.in. do doskonalenia i nowelizacji przepisów technicznych, norm projektowania, wytycznych i instrukcji wykonywania i odbioru robót budowlanych oraz do doskonalenia wiedzy technicznej i podnoszenia kwalifikacji zawodowej i organizacyjnej projektantów, wykonawców, użytkowników i rzeczoznawców, a także zakresu i form ubezpieczania działalności budowlanej oraz doskonalenia eksploatacji i wyceny całego szeregu różnorodnych zbiorników i silosów żelbetowych. W referacie przedstawiono analizy zagrożeń, awarii i katastrof konstrukcji, które wystąpiły w latach 1962 2010. 2. Zbiór informacji Zbiór zebranych informacji o zagrożeniach, awariach i katastrofach wprowadzano uprzednio do bazy danych o awariach i katastrofach. Baza danych o awariach i kata - strofach budowlanych działa w Instytucie Techniki Budowlanej od 1962 roku. W bazie danych ITB o awariach i katastrofach budowlanych zgromadzone jest ponad 4000 danych (rekordów) obejmujących wydarzenia od 1989 r. do 2006 r. [2]. Baza składa się z rekordów. Każdy rekord dotyczy jednego obiektu budowlanego i jednego zdarzenia. Informacje zawarte w każdym rekordzie podzielone są na następujące grupy zagadnień: A. Dane ogólne o obiekcie (adresy, daty itp. informacje wyłącznie do wglądu przez administratora bazy), B. Dane techniczne o obiekcie (typ obiektu ze względów funkcjonalnych, materiałowych, konstrukcyjnych itp.), C. Dane o awarii, katastrofie (rodzaj zdarzenia, przyczyny zdarzenia itp.), D. Dane o skutkach i konsekwencjach zdarzenia (rodzaj uszkodzeń, zakres uszkodzeń, przyczyny zdarzenia itp.), E. Dodatkowe informacje. 1400 1200 1000 800 Na podstawie zgromadzonych danych o awariach i katastrofach budowlanych, każdego roku sporządzane są analizy i zestawienia statystyczne. Podstawą do sporządzenia tych zestawień są zawsze 2 pliki: z jednego, poprzedniego roku oraz ze wszystkich lat ubiegłych. Każdego roku sporządzane było sprawozdanie, które zawiera m.in. zestawienia statystyczne. Na rysunku 1 pokazano liczby katastrof z podziałem na poszczególne lata z danych Instytutu Techniki Budowlanej oraz z rejestru katastrof prowadzonym w Głównym Urzędzie Nadzoru Budowlanego (GUNB). Baza danych ITB zawiera dane od 1989 r. do 2006 r., natomiast rejestr GUNB jest prowadzony od 1995 r., a więc od czasu, gdy ustawa Prawo budowlane wprowadziła obowiązek prowadzenia takiego rejestru (obecnie Rejestr Katastrof Budowlanych system RKB). Dane w bazie ITB są wprowadzane z dokumentów (ankiet) jakie GUNB udostępnia dla ITB i uzupełniane są o dane z innych źródeł (własne ekspertyzy ITB, rze- 1305 1113 985 600 585 503 520 450 412 400 358 386 269 282 316 327 281 276 228 199124 200 153 134 73 85 93 59 111 134 167 187 151 146 99 101 126 132 51 75 0 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 731 2010 ITB GUNB Rys. 1. Liczba katastrof (rekordów) z danych ITB oraz katastrof w rejestrze GUNB 75
76 Rys. 2. Udział procentowy awarii i katastrof obiektów budowlanych w latach 1962 2010 według podziału na rodzaje budownictwa Rys. 4. Udział procentowy awarii i katastrof obiektów budowlanych w latach 1962 2010 ze względu na rodzaj uszkodzenia lub zniszczenia konstrukcji czoznawcy w kraju, urzędy, firmy, czasopisma i konferencje techniczne itp.) Dlatego dane ITB zawierają większą liczbę rekordów niż rejestry GUNB. W zestawieniu wyraźnie widoczny jest wzrost liczby awarii i katastrof w roku 2008 i 2010 w porównaniu z latami poprzednimi. Przyczyny licznych przypadków awarii i katastrof można upatrywać w tym, że w ostatnich latach miały miejsce liczne huragany i ulewy. Spowodowały one zawalenie wyeksploatowanych, zużytych, nieużytkowanych i porzuconych obiektów budowlanych lub ich fragmentów. 3. Wieloletnia charakterystyka zagrożeń, awarii i katastrof Wieloletnia charakterystyka zagrożeń, awarii i katastrof budowlanych obejmuje m.in. różnego rodzaju zbiorniki i silosy żelbetowe. Zestawienie szacunkowe analiz powstałych zagrożeń, awarii i katastrof wszystkich obiektów budowlanych za lata 1962 2010 przedstawiono na rysunkacj 2 7. Przedstawiają one charakter obiektów, rodzaje uszkodzenia lub zniszczenia, rodzaje materiałów oraz przyczyny projektowe, wykonawcze i eksploatacyjne ich powstania. Uszkodzone zbiorniki i silosy żelbetowe występowały w budownictwie publicznym, a także w budownictwie przemysłowym i mieszanym. Udział procentowy tych zdarzeń był bardzo duży (rys. 2). Ze względu na typ konstrukcji, uszkodzone zbiorniki i silosy żelbetowe stanowiły konstrukcje płytowe, powłokowe, mieszane i szkieletowe. Udział zagrożeń, awarii i katastrof takich konstrukcji był duży (rys. 3). Najwięcej uszkodzeń zbiorników i silosów żelbetowych wystąpiło w postaci ugięć i pęknięć elementów, a następnie przechyleń i runięć, przemieszczeń elementów lub obiektów (rys. 4). Rys. 3. Udział procentowy awarii i katastrof obiektów budowlanych w latach 1962 2010 według podziału na typy konstrukcji budowlanych Rys. 5. Przyczyny projektowe występowania zagrożeń, awarii i katastrof budowlanych w latach 1962 2010 Do najczęstszych przyczyn projektowych zagrożeń, awarii i katastrof budowlanych należały: złe założenia projektowe, niedbałość projektantów i niedostateczny stan wiedzy oraz błędy rachunkowe. Dotyczyły one w równym stopniu zbiorników jak i silosów żelbetowych (rys. 5). Do najczęstszych przyczyn złego wykonawstwa obiektów budowlanych należały: niedbałość wykonawców, niedostateczne kwalifikacje, niedostateczny stan wiedzy, odstępstwo od projektu oraz zła jakość połączeń. Dotyczyły one w równym stopniu zbiorników, jak i silosów żelbetowych (rys. 6). W zakresie eksploatacji zbiorników i silosów żelbetowych, zagrożenia, awarie i katastrofy występowały najczęściej z powodu niedostatecznego nadzoru, niedbałości użytkowników oraz z niedostatecznego stanu wiedzy użytkowników (rys. 7). Najczęściej na powstanie awarii lub katastrofy zbiorników i silosów żelbetowych wpływało kilka grup procesu inwestycyjnego lub eksploatacyjnego.
Rys. 6. Przyczyny złego wykonawstwa, na powstanie zagrożeń, awarii i katastrof budowlanych w latach 1962 2010 Były one równoczesnymi inicjatorami awarii lub katastrofy. Uczestniczyły w nich w różnym zakresie i w różnym czasie. Błędy powodujące zagrożenia, awarie i katastrofy zbiorników i silosów żelbetowych należały do błędów technicznych, szkoleniowych, organizacyjnych, ekonomicznych, a także do błędów losowych. Najczęściej były to błędy ludzkie występujące we wszystkich sferach procesu inwestycyjnego i eksploatacyjnego. 4. Przyczyny techniczne i organizacyjne zagrożeń, awarii i katastrof zbiorników i silosów żelbetowych Błędy i przyczyny złego projektowania, wykonawstwa i eksploatacji wynikały głównie z szeregu przyczyn technicznych w procesie inwestycyjnym i eksploatacyjnym. Do najbardziej powszechnych przyczyn technicznych i organizacyjnych wpływających na zagrożenia, awarie i katastrofy zbiorników i silosów żelbetowych należy zaliczyć: W projektowaniu i programowaniu najczęstszymi błędami wpływającymi na powstawanie zagrożeń, awarii lub katastrof zbiorników i silosów żelbetowych były: niedostateczne lub błędne oceny właściwości podłoża gruntowego i warunków wodno-gruntowych, błędne oceny dopuszczalnych obciążeń na grunt i dopuszczal- nych osiadań dla danego rodzaju i typu projektowanej konstrukcji, szczególnie przy realizacji wielokomorowych zbiorników i silosów żelbetowych, zły typ i rodzaj fundamentowania oraz niewłaściwe ich zaprojektowanie bez uwzględnienia rzeczywistej współpracy konstrukcji z podłożem gruntowym, nieodpowiednie rodzaje konstrukcji przyjęte dla projektowanego obiektu określonych technologii, typu fundamentowania, eksploatacji oraz warunków użytkowania, błędne interpretacje norm, aprobat technicznych, wytycznych i instrukcji przedmiotowych dla projektowanych warunków technicznych, odstępstwa od norm, aprobat technicznych i wytycznych przy projektowaniu konstrukcji w warunkach nietypowych i specjalnych, błędne rozpoznanie pracy konstrukcji obiektów przy złożonych i nietypowych obciążeniach, np.: w przypadku obciążeń parasejsmicznych, wiatrem, śniegiem, pyłem, lodem, temperaturą itp., błędy w przyjęciu i realizacji modeli obliczeniowych, zwłaszcza przy zbiornikach i silosach wielokomorowych, nieodpowiedni lub błędny dobór technologii wykonania i rodzaju materiałów w konstrukcjach żelbetowych oraz elementów wykończeniowych w zbiornikach i silosach, Rys. 7. Przyczyny złej eksploatacji, na powstanie zagrożeń, awarii i katastrof budowlanych w latach 1962 2010 r. nieuwzględnianie procesów wykonawczych, opinii inwestorów i użytkowników przy powtarzalnych realizacjach konstrukcji, zła organizacja procesów projektowania, złe procedury przetargów na roboty budowlane, zbyt szybkie (umowne) terminy realizacji, niewłaściwe kontrakty z inwestorami. W procesie wykonawstwa błędami takimi były: zmiany warunków fundamentowania konstrukcji zbiorników lub silosów żelbetowych oraz brak dostatecznych badań zmian właściwości gruntu przed rozpoczęciem budowy obiektu, niedostateczna jakość wbudowywanych betonów oraz materiałów i wyrobów budowlanych, szczególnie betonu i stali, wbudowywanie uszkodzonych elementów oraz wyrobów, złe wykonywanie połączeń żelbetowych i stalowych elementów prefabrykowanych, stosowanie materiałów nieatestowanych i bez certyfikacji, niedostateczne kontrole jakości materiałów bez atestów oraz niewłaściwe kontrole międzyoperacyjne, niedotrzymywanie zasad sztuki budowlanej oraz braki w nadzorze technicznym, niedostateczne zrozumienie przez wykonawców pracy konstrukcji oraz warunków jej użytkowania, prowadzące do niewłaściwych zmian realizacyjnych w stosunku do projektu, 77
78 częste braki współpracy wykonawców z projektantami obiektów, złe procedury przetargów na roboty budowlane, złe organizacje budów. W czasie eksploatacji oraz przy remontach i modernizacjach obiektów budowlanych obejmujących zbiorniki lub silosy żelbetowe, zagrożenia, awarie i katastrofy spowodowane były najczęściej przez: niewykonywanie przeglądów technicznych rocznych i pięcioletnich (zgodnie z prawem budowlanym), dopuszczanie do uszkodzeń konstrukcji zbiorników lub silosów żelbetowych, niedostateczne konserwacje, złe malowania i zabezpieczenia konstrukcji przed erozją i korozją, osłabienia lub uszkodzenia połączeń lub istotnych fragmentów konstrukcji, dopuszczanie do powstawania nadmiernych rys, a często pęknięć elementów w konstrukcji, powstawanie oraz nieusuwanie zacieków i ich przyczyn, dopuszczanie do powstawania awarii instalacji sanitarnych, gazowych lub elektrycznych, a szczególnie awarii instalacji wodociągowych w podłożach, niezgodne ze sztuką budowlaną realizowane remonty i modernizacje, często bez właściwych projektów, jedynie na bazie zaleceń wykonawców nieposiadających odpowiedniego przeszkolenia. W analizowanym okresie (1962 2010) było wiele awarii i katastrof, najczęściej o bardzo dużych rozmiarach, szkodach i skutkach. Przykładami mogą być zagrożenia, awarie i katastrofy zbiorników wody i ścieków w oczyszczalniach, komór fermentacyjnych, zbiorników w zakładach przemysłowych, zbiorników p.poż. i zbiorników żelbetowych specjalnego przeznaczenia, a także silosów pojedynczych oraz baterii silosów na zboże, ziarna oleiste, cement, żwir, popiół lotny, kamień i cukier itp. [1 6]. Przykładowo w latach 70. po katastrofach kilku silosów specjaliści Instytutu Techniki Budowlanej przeprowadzili szerokie badania oraz dokonali oceny stanu technicznego około 200 zbiorników i silosów żelbetowych na cement, wapno i gips w około 80 zakładach przemysłu cementowego, wapienniczego i gipsowego [1]. Zakresy szczegółowych badań stanu konstrukcji w poszczególnych przypadkach uzależnione były od ówczesnych ocen i spostrzeżeń poczynionych w trakcie wstępnych wizji lokalnych. Badania silosów obejmowały: pomiary gabarytowe wraz z oceną posadowienia, ocenę jakości i jednorodności betonu w płaszczach zbiorników i silosów, określenie przekroju i rozstawu zbrojenia oraz grubości otulenia i długości zakładów zbrojenia w złączach, ocenę rzeczywistego gatunku stali zbrojeniowej. Na podstawie badań i analiz stwierdzono, że zasadniczy wpływ na obniżenie bezpieczeństwa konstrukcji miały błędy i wady wykonawstwa zarówno dotyczące zbrojenia, jak i betonu. Nieliczne błędy i usterki projektowe, jak i nieprawidłowe warunki eksploatacji miały bezsporne, lecz drugorzędne znaczenie. Przeprowadzone oceny bezpieczeństwa zbiorników i silosów uwzględniały różnorodne czynniki, wpływające zarówno na obniżenie, jak i podwyższenie współczynnika bezpieczeństwa. Ostatecznie, w wyniku tak przeprowadzonych analiz stwierdzono, że: 55% zbiorników i silosów nie może być dalej eksploatowanych według założeń; wymaga więc wzmocnienia lub ograniczonego zakresu eksploatacji, 10% zbiorników i silosów wymaga gruntownej naprawy, 30% zbiorników i silosów wymaga drobnych napraw, 5% zbiorników i silosów nie wymaga napraw. Większość tych silosów i zbiorników w późniejszym okresie została wzmocniona. W ostatnich latach podobne sytuacje występują w licznych realizacjach zbiorników w oczyszczalniach ścieków. Przy czym zagrożenia i awarie występują zarówno z powodu błędów wykonawczych, jak i projektowych. 5. Podsumowanie i wnioski Przedstawione wieloletnie charakterystyki oraz analizy zagrożeń, awarii i katastrof budowlanych, w tym pozwalają na ogólną ocenę rozwiązań projektowych i wykonawczych w poszczególnych etapach procesów inwestycyjnych oraz eksploatacji pod względem bezpieczeństwa, niezawodności, trwałości i awaryjności żelbetowych zbiorników i silosów. Wynika z nich, że występujące awarie i katastrofy budowlane mają określone przyczyny techniczne, organizacyjne, prawne, administracyjne, finansowe, społeczne i inne. W związku z analizami obiektów o bardzo zróżnicowanym charakterze, zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomiczno-organizacyjnym, przedstawione błędy obejmują szeroką gamą problemów z zakresu techniki, ekonomii, organizacji i zarządzania. We wszystkich etapach procesu inwestycyjnego i eksploatacyjnego występuje jeszcze nadal zbyt duża niedbałość, brak właściwej organizacji, brak dostatecznego nadzoru technicznego, niedostateczny stan wiedzy projektantów, wykonawców i użytkowników oraz inne charakterystyczne błędy. W projektowaniu niedostateczny stan wiedzy dotyczy podejmowania się przez projektantów takiego projektowania konstrukcji zbiorników i silosów, dla którego brak jest dostatecznych badań, analiz i zaleceń. Złe założenia projektowe dotyczą rzeczywistej pracy konstrukcji zbiorników i silosów oraz niedostatecznej wiedzy projektantów o projektowanych obiektach i ich współpracy z podłożem. Niedbałość projektantów obejmuje także te problemy i zasady projekto-
wania, które uprzednio zostały opracowane i znormalizowane, a niezależnie od tego są obecnie źle przyjmowane do projektowania. Złe przyjmowane warunki wykonawcze dotyczą niedostatecznej praktyki wykonawczej projektantów przy wyborze technologii zbiorników i silosów. Błędy projektowe można podzielić na zależne i niezależne od ludzi. Do niezależnych należą najczęściej błędy w projektowaniu komputerowym. Wobec stosowania metod komputerowych oraz niedostatecznej praktyki (wielu projektantów), odpowiedzialność za projektowanie w procesie inwestycyjnym znacznie się skomplikowała. Często brak jest jednoznacznej odpowiedzialności za przyjęte rozwiązania projektowe. W wykonawstwie niedbałość wykonawców przejawia się najczęściej złą organizacją oraz nieprzestrzeganiem podstawowych procesów budowlanych, niezgodnych z warunkami wykonywania, sztuką budowlaną i podstawową logiką organizacyjno-produkcyjną. Niedostateczny stan wiedzy wykonawców obejmuje również specjalistyczne problemy realizacji wyrobów, elementów lub obiektów dla których opracowane uprzednio akty techniczne (np. aprobaty techniczne) i normatywne nie są przestrzegane. Błędy obejmują także takie problemy, które nie są dostatecznie przebadane i przez nieodpowiednią adaptację zostały bezkrytycznie przyjęte do realizacji. Literatura w tym zakresie często jest jeszcze zbyt ogólnikowa lub niedostateczna. W eksploatacji obiektów budowlanych brak jest nadal właściwych zasad dobrej eksploatacji zgodnie z prawem budowlanym. Wynika ona z braku odpowiednich specjalistycznych rozporządzeń i wytycznych, złej świadomości służb technicznych oraz lekceważenia dobrej eksploatacji przez właścicieli, użytkowników i zarządców. Ponadto, brak jest skutecznej kontroli, przeglądów oraz dobrej konserwacji i remontów. Należy domniemywać, że braki finansowe związane ze zlecaniem w odpowiednim czasie wykonania ekspertyz i orzeczeń technicznych, określających stan techniczny zagrożonych obiektów są czynnikami hamującymi tego rodzaju opracowania i realizację zaleceń z nich wynikających. BIBLIOGRAFIA [1] Runkiewicz L., Chrzanowski J., Badania i ocena eksploatowanych silosów na cement. Prace ITB, nr 1/1982 [2] Runkiewicz L., Raporty o awariach i katastrofach budowlanych, W-wa, Biblioteka ITB [3] Materiały 14-tu sympozjów Badanie przyczyn i zapobieganie awariom konstrukcji budowlanych, Wyd. Politechnika Szczecińska, 1974 93 [4] Materiały konferencji Awarie budowlane, Wyd. Politechnika Szczecińska 1994 2011 [5] Materiały konferencji Problemy rzeczoznawstwa budowlanego, Wyd. ITB, W-wa [6] Materiały konferencji KONTRA, Wyd. Politechnika Wrocławska, Politechnika Krakowska lub Śląska 79