PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/2007

AWARIE BUDOWLANE

53

AR

TY

KU

ŁY

PR

OB

LE

MO

WE

1. Wprowadzenie

Stan awaryjny opisany w artykule dotyczy konstrukcji wsporczej żelbetowego stropu w hali przemysłowej. Zarysowaniu uległy wsporniki belek gerberowskich w miejscach dylatacji budynku. Przeprowadzone badania stanu istniejącego, wytrzymałości beto-nu i analiza wytężenia zarysowanych elementów pozwoliły określić przyczyny uszkodzeń. Ustalono też stopień zagrożenia bezpieczeństwa konstrukcji, a w miejscach szczególnie osłabionych podano spo-sób wzmocnienia.

2. Opis konstrukcji

Budynek zakładów produkcyjnych jest dwukondy-gnacyjną halą, nie podpiwniczoną, przykrytą stropo-dachem niewentylowanym. Rzut budynku, o kształcie litery L, przylegający do hali produkcyjnej przedsta-wiono na rysunku 1.Budynek „L” wydzielony jest osiami b1, b3, bZ w jed-nym kierunku oraz osiami bA, bC, b18 w kierunku pros-topadłym, wykonany został w technologii szkieletowej. Konstrukcję szkieletową budynku stanowi podłużny układ podciągów (o wymiarach przekroju poprzeczne-go 24x48 cm) i słupów żelbetowych (24x24 cm). Szkielet ten został wypełniony murem wykonanym z bloczków gazobetonowych grubości 24 cm. Rozstaw osiowy podciągów wynosi 6 m. Rozstaw słupów w kierunku osi prostopadłej do podciągów wynosi w większości przypadków 6 m. Na podciągach oparte są stropy typu „UNIGRAM” grubości 18 cm, które są połączone monolitycznie z podciągami w ten sposób, że prefabry-kowana płyta stropu dochodzi do lica podciągu, zaś główne zbrojenie stropu wpuszczone jest w podciąg. Górna płaszczyzna stropu pokrywa się z górnymi płaszczyznami podciągów. Stropodach został wykona-ny jako niewentylowany z nachyleniem połaci dacho-wej 3%. Spadek został nadany za pomocą styrobetu o grubości od 15 do 35 cm. Ocieplenie stropodachu stanowi wełna mineralna grubości 20 cm. Pokrycie dachowe wykonane jest z papy termozgrzewalnej ułożonej na warstwie papy podkładowej. Do stropu,

zarówno nad parterem jak i I piętrem, przymocowany jest od dołu dźwiękochłonny sufit podwieszany.Oba skrzydła budynku zostały podzielone dylatacja-mi. Dylatacje wykonane są w przęsłach bE-bF, bJ-bK, i bO-bP w jednym skrzydle oraz b7-b8 i b13-b14 w skrzy-dle prostopadłym (rys. 1). Dylatacje te wykonane są w ten sposób, że w każdym przęśle, w którym znajdu-je się dylatacja, przerwany jest podciąg w odległości 147 cm od osi słupów (rys. 2a). W tej płaszczyźnie prze-widziana została też dylatacja w płycie stropowej.Powstałe w ten sposób przewieszenia podciągu zakończone są wspornikami o długości 20 cm i wyso-kości 24 cm utworzonymi poprzez podcięcie górnych części podciągu. Na wspornikach tych oparta jest belka zakończona identycznymi pod względem geo-metrycznym wspornikami wypuszczonymi z górnej części belki (rys. 2b i c). W ten sposób w podciągu zostały utworzone przeguby gerberowskie. W dolnych wspornikach zostały zabetonowane po dwa stalowe bolce ∅20 mm, które zostały wpuszczone w górne wsporniki belki wsparte na wspornikach dol-nych. Projektant zalecił, aby końce bolców wpuszczo-ne w górne wsporniki zostały oddzielone od betonu za pomocą plastikowych puszek ∅40 mm lub styro-

Awaria wsporników w konstrukcji stropu hali przemysłowejProf. zw. dr hab. inż. Tadeusz Godycki-Ćwirko, dr hab. inż. Piotr Korzeniowski, dr hab. inż. Krystyna Nagrodzka-Godycka, Politechnika Gdańska

Rys. 1. Schemat rzutu poziomego I piętra opisywanego budynku przemysłowego

PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/200754

AWARIE BUDOWLANEA

RT

YK

UŁ

Y P

RO

BL

EM

OW

E

pianowych klocków (o identycznej średnicy) nałożo-nych na bolce, co prawdopodobnie miało umożliwić przesuw poziomy.Wsporniki dolny i górny miały być oddzielone od sie-bie poziomą warstwą papy. Zbrojenie podłużne belki wspornikowej wspartej na słupie, jak też belki zawie-szonej oraz zbrojenie przegubu Gerbera zostało poka-zane na rysunku 2c. Stwierdzono, że do wykonania podciągów i słupów zastosowano beton, którego średnia wytrzymałość na ściskanie fcm, cube= 22 MPa. Zbrojenie podłużne wsporników dolnych stanowią 3 pręty ∅25 mm (stal AIII), natomiast górnych – 3 pręty ∅10 mm (stal AIII). W projekcie przewidziano poprzeczne zbrojenie wsporników w postaci czterech dwuciętych strzemion ∅6 mm (stal A-0).

3. Opis uszkodzeń

Podczas wizji lokalnej w dniu 22.06.2004 stwierdzono zarysowania i uszkodzenia kilku dolnych wsporników belek podtrzymujących belkę zawieszoną na przegu-bach Gerbera. Uszkodzenia trzech wsporników mające postać pionowych pęknięć o rozwarciu kilku milimetrów, przebiegających przez całą wysokość wsporników, wystą-piły głównie w przęśle bJ-bK. Pęknięcia te są prawdopo-dobnie przelotowe, ponieważ stwierdzono je na obu bocz-nych powierzchniach wsporni-ków. Na rysunku 3 pokazane jest uszkodzenie wspornika usytuowanego w pobliżu osi bK, widziane od strony osi b3. Z odsłonięcia zbrojenia w miej-scu powstałej rysy pionowej u wylotu wspornika dolnego wynika, że pętle zbrojenia dol- nego (3∅25 mm) usytuowa-ne pionowo kończyły się na początku wspornika, wni-kając do jego wnętrza zaledwie na kilkanaście milimetrów (mak-symalnie do 2 cm), co zostało pokazane na rysunku 4. Podczas wizji lokalnej prze-prowadzony został przegląd stanu technicznego pozostałych wsporników budynku „L”. W wyniku dokonanego przeglądu stwierdzono uszkodzenia podobne do opisanych dolnych wsporników usytu-owanych w pobliżu osi b13 i bE (por. rys. 1). Skośne pęknięcie biegnące przez całą wysokość stwier-dzono w wspornikach usytuowanych w pobliżu osi b7 i b14. Ponadto stwierdzono niewielkie ukośne pęknięcia górnych narożników dolnych wsporników usytuowanych w pobliżu osi b7, bJ i bP.

4. Analiza wytężenia zarysowanych wsporników

Wartość FV,Sd = 90 kN jest obliczeniową siłą działa-jącą na wspornik Gerbera analizowanego podciągu (rys. 2a). W analizowanym przypadku, dla przekroju poprzecznego wspornika belki b = 240 mm, hk = 240 mm, dk = 215 mm i obliczeniowej wytrzymałości betonu fcd = 10,6 MPa oraz współczynniku αcc = 0,85 otrzymamy:

(1)

Rys. 2. Podciąg stropu: a) schemat statyczny ramy w przęśle dylatacji, b) geometria, c) szczegół zbrojenia wsporników tworzących przegub „M” – rys. 2a

a)

b)

c)

Rys. 4. Uszkodzenie wspornika usytuowa-nego w pobliżu osi bJ, widziane od stro-ny osi b1

Rys. 3. Pęknięcie wspornika usytuowa-nego w pobliżu osi bK, widziane od stro-ny osi b3

PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/2007

AWARIE BUDOWLANE

55

AR

TY

KU

ŁY

PR

OB

LE

MO

WE

Normowy warunek (1) wg PN 02 [1] określający mini-malną wielkość przekroju poprzecznego betonu dla analizowanych wsporników został spełniony.Nośność wsporników analizowano ze schematów przedstawionych na rysunkach 5 i 6.

Z rysunku 5 wynika, że nośność graniczna wspornika z rysą ukośną może być wyliczona ze wzoru:

(2)

Wykorzystując schemat obliczeniowy z rysunku 6, w którym rysa ma przebieg pionowy, prostopadły do osi belki, można wyliczyć graniczną siłę z uwagi na stal, ze wzoru:

(3)

Wyniki obliczeń wspornika dolnego i górnego z uwagi na beton i stal, z uwzględnieniem siły FV=90 kN i składową poziomą H=0 i H=0,2 FV =18 kN przed- stawiono w tabelach 1 i 2.

W przypadku rysy pionowej biegnącej z naroża wklę-słego, analizę nośności (z uwagi na przecinanie) można przeprowadzić z wykorzystaniem hipotezy ścinania tarcia [2], [3], [5]. Wielkość ścinania wywo-łanego tarciem jest iloczynem naprężeń ściskają-cych przez tangens kąta tarcia. Zależność pomiędzy powierzchnią prętów przecinających rysę i siłą ścina-jącą w stanie granicznym można zapisać:

(4)

gdzie: Φ = 0,85 dla obciążeń obliczeniowych, w prze-ciwnym razie Φ = 1,0 lub też w naprężeniach dzieląc przez powierzchnię rysy:

(4a)

gdzie: stopień zbrojenia

fy – granica plastyczności stali,µ – kąt tarcia dla przypadku tarcia beton po betonie – szorstka powierzchnia rysy µ = 1,4

W przypadku, gdy dodatkowo działa siła pozio-ma, wówczas mamy zmniejszoną siłę niszczącą, wg wzoru:

(5)

oraz zredukowane graniczne naprężenia ścinające:

(5a)

Norma ACI−318 [2], wielokrotnie modyfikowana, ogranicza naprężenia ścinające τu = FVu/b ⋅ dk dwoma warunkami:

(6)

(6a)Wartości obliczonych sił niszczących wsporniki prze-gubu Gerbera wyliczone wg PN02 i ACI318-02 zesta-wiono w tabelach 1 i 2.Z zestawienia nośności wsporników dolnych (tab. 1) wynika, że zdolność nośna jest wystarczająco wyso-ka. Zapewnia to wprowadzenie do wspornika 3 pętli ∅25. Tak duże zbrojenie jest w stanie przejąć siłę FV,Sd = 368 kN, a więc czterokrotnie większa od dzia-łającej siły równej 90 kN. W rozpatrywanym przypadku

Rys. 5. Schemat niszczenia wspornika przy rysie ukośnej z naroża wklęsłego wspornika (kąt θ = 45°), [4]

Rys. 6. Schemat niszczenia wspornika przy rysie ukośnej z naroża wklęsłego wspornika (kąt θ = 90°), [4]

PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/200756

AWARIE BUDOWLANEA

RT

YK

UŁ

Y P

RO

BL

EM

OW

E

Tabela 2. Wspornik górny

Metoda/Nośność FVu(wartość w nawiasie

– obliczeniowa FVu,obl )

Z uwagi na zbrojenie Z uwagi na beton FV,max [kN]

Ostateczna nośnośćFvu, min

[kN]

główne poziome

[kN]

podwieszające[kN]

ostatecznieFVu stal [kN]

Wg PN 02 dla H=0

71,9(61,4)

774,3(661)

71,9(61,4)

196,5(130)

71,9(61,4)

Wg PN 02dla H=0,2FV

60,8(48,1)

770,8(656,8)

60,8(48,1)

196,5(130)

60,8(48,1)

Schemat – rys. 5, rysa z naroża wklęsłego pod kątem θ=45° (wzór 2)

512,6(437,6)

Schemat – rys.6, rysa z naroża wklęsłego pod kątem θ=90° (wzór 3)

107,8(92,1)

Z uwagi na zbrojenie Z uwagi na beton (wzór 6)

Hipoteza ścinania-tarcia dla H=0 (wzór 4) 135,2(98,1)

206,4(109)

283,8(283,8)

135,2(98,1)

Hipoteza ścinania-tarcia, dla H=0,2FV (wzór 5) 114,2(76,6)

206,4(109)

283,8(283,8)

114,2(76,6)

wielkość ta jest fikcyjną, ponieważ przy nadmiarze stali miażdżeniu ulega beton, ograniczając nośność do FV,Sd =130 kN. Pomimo to bezpieczeństwo złącza jest zapewnione. Korzystniejszym rozwiązaniem było-by przyjęcie dwóch odpowiednio ukształtowanych prętów ∅16 mm. W jednym najbardziej zarysowanym wsporniku, po odkuciu betonu okazało się, że pętle zbrojenia kończyły się u nasady wspornika (rys. 4). Oznacza to, że wspornik tylko na znikomej długości miał aktywne zbrojenie i nie uległ zniszczeniu jedy-nie dzięki zazębieniom i chropowatości stykających się powierzchni. Wsporniki górne przegubu Gerbera przynależne do belki o rozpiętości teoretycznej l0 = 3 m poddane obciążeniu obliczeniowemu 60 kN/m są w stanie przejąć siłę pionową przy nadmiarze prętów odgiętych pionowo (5∅25 mm), mimo manka-mentu ich kotwienia.

Gorzej przedstawia się sytuacja z prętami poziomymi. Obliczona wg PN 02 siła pionowa z uwagi na zbroje-nie FV,Sd = 61,4 kN, bez uwzględnienia siły poziomej. Nieco korzystniej przedstawia się sprawa nośno-ści obliczona wg hipotezy ścinania-tarcia, zalecanej w ACI318-2002 (FV,Sd 98,1 kN bez uwzględnienia siły poziomej H i 76,6 kN z uwzględnieniem tej siły).W związku z tym można dojść do wniosku, że projek-tant powinien dać we wspornikach górnych zamiast pętli z 3∅10 mm co najmniej 3∅12 mm (stal AIII) przy pominięciu siły poziomej. Z uwzględnieniem siły poziomej należało dać 4∅12 mm. Ta ilość stali byłaby też wystarczająca do przeniesienia maksymalnego momentu zginającego w środku rozpiętości belki, gdzie w rysunku 2 przewidziano 5∅25 mm.Uwzględniając jedynie wytyczne normy PN 02 [1], autorzy niniejszego orzeczenia mogliby postulować

Tabela 1. Wspornik dolny

Metoda/Nośność FVu(wartość w nawiasie

– obliczeniowa FVu,obl )

Z uwagi na zbrojenie Z uwagi na beton FV,max [kN]

Ostateczna nośnośćFvu, min

[kN]

główne poziome

[kN]

podwieszające[kN]

ostatecznieFVu, stal [kN]

Wg PN 02dla H=0

446,8(381,4)

464,6(396,6)

446,8(381,4)

196,5(130)

196,5(130)

Wg PN 02dla H=0,2FV

435,7(368,1)

461,1(392,4)

435,7(368,1)

196,5(130)

196,5(130)

Schemat – rys. 5, rysa z naroża wklęsłego pod kątem θ=45° (wzór 2) 640,4 – z uwagi na zbrojenie (546,6)

Schemat – rys.6, rysa z naroża wklęsłego pod kątem θ=90° (wzór 3) 670,2 – z uwagi na zbrojenie (572,1)

Z uwagi na zbrojenie Z uwagi na beton (wzór 6)

Hipoteza ścinania-tarcia, dla H=0 (wzór 4) 845,5(613,5)

206,4(109)

283,8(283,8)

206,4(109)

Hipoteza ścinania-tarcia, dla H=0,2FV (wzór 5) 824,5(592)

206,4(109)

283,8(283,8)

206,4(109)

PRZEGLĄD BUDOWLANY 12/2007

AWARIE BUDOWLANE

57

AR

TY

KU

ŁY

PR

OB

LE

MO

WE

wzmocnienie wszystkich górnych wsporników bądź proponować wyburzenie fragmentów stropu na trzy-metrowych międzydylatacyjnych połaciach stropu. Takie podejście można by uznać za uzasadnione, gdyby na górnych wspornikach zaobserwowano pęk-nięcia, bądź też stwierdzono przemieszczenia piono-we wsporników górnych w stosunku do wsporników dolnych. Takich pęknięć, jak także przemieszczeń nie zauważono. Nie stwierdzono też śladów pęk-nięć na plombach gipsowych, które zostały założone po wizji lokalnej. Oznacza to, że nośność wsporników nie jest zagrożona, co może wynikać z mniejszego obciążenia w porównaniu do przyjętego w oblicze-niach, jak też zdolności nośnej większej od oblicze-niowej wg PN 02. Dodatkowa zwiększona nośność, która nie została uwzględniona w obliczeniach wynika stąd, że w górnych wspornikach w analizie wg PN 02 nie uwzględniono wpływu współpracującej ze wspor-nikiem płyty żelbetowej.Reasumując można stwierdzić, że katastrofalna sytu-acja, wymagająca natychmiastowego podstemplo-wania wystąpiła jedynie w przypadku stwierdzonej wadliwej konstrukcji zbrojenia wspornika (rys. 4). Usunięcie zabezpieczeń stemplami było możliwe dopiero po wykonaniu wzmocnienia, na przykład wg koncepcji podanej na rysunku 7.

4. Koncepcja wzmocnienia wsporników dolnych

Koncepcja wzmocnienia przedstawiona na rysun-ku 7 jest możliwie prosta i jednocześnie zapewnia bezpieczne (przy tym prostym rozwiązaniu) przenie-sienie siły pionowej działającej na wspornik dolny. Jednocześnie rozwiązanie to zapewnia dotychczaso-wą możliwość odkształceń konstrukcji na przemiesz-czenia poziome, którym ma służyć zaprojektowana przerwa dylatacyjna.Dolny element wzmocnienia w postaci poziomej bla-chy o grubości 12 mm z dospawanym od dołu ceowni-kiem może być w przekroju wewnętrznym wypełniony betonem drobnoziarnistym wysokiej wytrzymałości, co zwiększy jego sztywność oraz zabezpieczy przed korozją.

W czasie wykonywania wzmocnienia zalecono zwró-cenie uwagi na to, żeby podczas wiercenia otworu na śrubę ∅30 mm uniknąć niszczenia prętów ∅25 mm zabetonowanych w belce w sąsiedztwie wspornika. Dotyczy to zarówno prętów pionowych (3∅25 mm) jak też poziomych (górnych odgięć prętów 3∅25 mm). Zalecono, ażeby wywiercony otwór na śrubę ∅30 mm znalazł się bezpośrednio nad pętlą ∅25 mm.Przed przystąpieniem do wykonania wzmocnień, zale-cono wypełnić wszystkie pęknięcia i rysy. Po wykona-niu wzmocnień i usunięciu stemplowań zabezpiecza-jących zalecono przez pewien okres (np. w ciągu kilku miesięcy) prowadzić obserwację konstrukcji rejestrując wszelkie możliwe zarysowania i ewentualne pęknięcia założonych plomb na przegubach wzmocnionych. Na rysunku 8 przedstawiono widok zrealizowanego, wg koncepcji z rysunku 7, wzmocnienia.

BIBLIOGRAFIA[1] PN−B−03264:2002: Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone[2] ACI Standard Code 318−02 Building Code Requirements for Reinforced Concrete and Commentary, American Concrete Institute 2002 [3] Mattock A.H., Shear Friction and High-Strength Concrete, ACI Structural Journal, V. 98, No. 1, January − February 2001[4] Nagrodzka-Godycka K., Wsporniki żelbetowe. Badania, teoria, projektowanie. Monografia nr 21, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2001[5] Walraven J., Frénay J., Pruijssers A., Influence of Concrete Strength and Load History on the Shear Friction Capacity of Concrete Members, Journal Prestressed Concrete Institute, January − February 1987

Rys. 7. Koncepcja wzmocnienia pięciu wsporników dolnych

Rys. 7. Widok zrealizowanego wzmocnienia wsporników wg koncepcji z rysunku 7