Błędy konstrukcji dachu stromego przyczynami uszkodzeń budynku mieszkalnego

b)

Rys. 1. Budynek mieszkalny - elewacje: a) frontowa, b) tylna 

Wstęp
Wady będące konsekwencją błędów lub niedoskonałości zarówno projektowych, jak również wykonawczych wpływają bezpośrednio na bezpieczeństwo konstrukcji i bezpieczeństwo użytkowania obiektów budowlanych, w tym budynków mieszkalnych [1–2]. Rzetelność opracowanej dokumentacji projektowej [3–5] oraz staranność zrealizowanych na jej podstawie robót budowlanych mają decydujący wpływ na trwałość budynków, również na dekapitalizację poszczególnych elementów konstrukcyjnych oraz wykończeniowych podczas ich użytkowania [6]. Jak wykazuje praktyka, niedociągnięcia projektowe bardzo często występują w opracowaniach dotyczących budynków o nieskomplikowanej architekturze i pozornie prostych układach konstrukcyjnych, jednak tempo realizacji dokumentacji przyczynia się do pojawiania się błędów w tego rodzaju projektach. Negatywne uwarunkowania ekonomiczne, polegające m.in. na braku wykonywania projektu wykonawczego oraz braku sprawowania nadzoru autorskiego nad realizacją budynku dodatkowo ograniczają potencjalną możliwość usuwania niedoskonałości dokumentacji projektowej. Celem artykułu jest przedstawienie wpływu niedociągnięć popełnionych podczas projektowania dachu stromego, które bezpośrednio po rozpoczęciu użytkowania budynku stały się przyczyną istotnych uciążliwości eksploatacyjnych. Artykuł zawiera też propozycję sposobu dalszej bezpiecznej eksploatacji budynku.

Dane ogólne
Budynek składał się z dwóch brył głównych, w rzucie poziomym zbliżonych do prostokąta (rys. 1 oraz rys. 3a). Budynek zrealizowany został w technologii tradycyjnej, jako całkowicie podpiwniczony, wieloklatkowy, 4-kondygnacyjny, z poddaszem adaptowanym i przebudowanym na potrzeby eksploatacji jako lokale mieszkalne. Mury zewnętrzne wykonano jako wielowarstwowe, stropy międzykondygnacyjne z zastosowaniem wielootworowych płyt kanałowych (rys. 3b). Więźba dachowa zrealizowana została jako mieszana, z zastosowaniem elementów stalowych oraz drewnianych (rys. 3c). Budynek posadowiony był na ławach fundamentowych.

Na podstawie przeprowadzonych oględzin ustalono, że w budynku występowały zarysowania ścian widoczne od strony przestrzeni komunikacyjnych klatek schodowych A (pomiędzy osiami 2–3), B (pomiędzy osiami 5–6), C (pomiędzy osiami 9–10), D (pomiędzy osiami 15–16) oraz E (pomiędzy osiami 18–19), jak również widoczne w części lokali mieszkalnych, wzdłuż ścian podłużnych obudowy klatek schodowych. Usterki w postaci zarysowań ścian występowały w poziomie poddasza, a ich intensywność malała w kierunku przyziemia. Usterki ścian obudowy klatek schodowych pojawiły się bezpośrednio po rozpoczęciu użytkowania budynku, około roku po rozpoczęciu jego eksploatacji.

Uszkodzenia jako skutki błędów konstrukcyjnych dachu
W czasie przeprowadzonych wizji lokalnych stwierdzono zarysowania i wykruszenia tynku w miejscu styku ścian podłużnych obudowy klatek schodowych A, B, C, D oraz E z podbitką dachu stromego. W przypadku klatek schodowych A i E intensyfikacja uszkodzeń byłą większa niż w przypadku pozostałych klatek schodowych.

Na klatce schodowej B w poziomie powyżej III piętra widoczne były bardzo intensywne zarysowania tynku na ścianach podłużnych obudowy klatki schodowej (rys. 2a, b). Intensyfikacja zarysowań ścian zmniejszała się w kierunku kondygnacji przyziemia – w poziomie III oraz II piętra widoczne były jedynie włoskowate zarysowania pionowe.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Rys. 2. Uszkodzenia ścian w budynku mieszkalnym w obszarze klatek schodowych:  a), b) B, c), d) C oraz e), f) E

Zakres uszkodzeń na klatce schodowej C odpowiadał w przybliżeniu zakresowi uszkodzeń na klatce schodowej B (rys. 2c). Dodatkowo w miejscu oparcia płatwi pośredniej na ścianach podłużnych obudowy klatki schodowej widoczne były ukośne zarysowania tynku (rys. 2d).

Na klatce schodowej E oprócz zarysowania ścian podłużnych (rys. 2e) widoczne było poziome zarysowanie tynku w poziomie oparcia drewnianej więźby dachowej na murłacie (rys. 2f).

Analiza stanu technicznego a konstrukcja dachu
Zgodnie z rozwiązaniami zamieszczonymi w dokumentacji projektowej więźba dachowa została zrealizowana jako dach płatwiowo-kleszczowy o konstrukcji mieszanej: słupy, płatwie pośrednie, kleszcze oraz miecze wykonano jako stalowe, natomiast krokwie jako drewniane.

Ściany wewnętrzne budynku w zakresie obudowy klatek schodowych A, B, C, D oraz E zaprojektowano w poziomie parteru, I, II oraz III piętra z betonu komórkowego (gazobetonu) o grubości 18 cm, natomiast w poziomie poddasza fragmenty ścian obudowy od strony podestu piętrowego wykonano jako żelbetowe, monolityczne o grubości 15 cm.

Ściany zewnętrzne budynku zaprojektowane zostały jako warstwowe: warstwa wewnętrzna o grubości 24 cm oraz zewnętrzna o grubości 12 cm z betonu komórkowego odmiany O600 z wypełnieniem warstwą styropianu o grubości 10 cm. Należy zauważyć, że rozwiązanie projektowe ścian zewnętrznych było niezgodne z zaleceniami zamieszczonymi w Instrukcji ITB nr 324 pt. Przykładowe rozwiązania materiałowo-konstrukcyjne energooszczędnych ścian zewnętrznych o współczynniku k ≤ 0,55 W/m2׺0K z elementów drobnowymiarowych z roku 1995, jak również Instrukcji ITB nr 341/96 pt. Projektowanie i wykonanie murowanych ścian szczelinowych z roku 1997. Zgodnie z zaleceniami zamieszczonymi w przywołanych instrukcjach ITB, warstwa osłonowa nie powinna być wykonywana z betonu komórkowego. Dokumentacja projektowa opracowana została w roku 1998, a więc już po opublikowaniu Instrukcji, należy jednak pamiętać o tym, że zalecenia dotyczące zasad projektowania ścian wielowarstwowych były znane w praktyce już od początku lat 90. XX wieku jako informacje przedstawiane w publikacjach technicznych i naukowo-technicznych, a wydanie instrukcji ITB w roku 1996 i 1997 było tylko sformalizowaniem informacji dostępnych powszechnie na rynku projektowym.

Na podstawie przeprowadzonych sprawdzających obliczeń statyczno-wytrzymałościowych ustalono, że słupki stalowe podtrzymujące płatwie pośrednie zaprojektowane i wykonane zostały jako przekrój skrzynkowy z ceowników 100 mm – w stanie istniejącym słupki nie wykazywały przekroczenia nośności.

Wytężenie płatwi pośrednich zaprojektowanych oraz docelowo wykonanych jako przekrój skrzynkowy z ceowników 180 mm wyznaczone dla aktualnie obowiązujących norm obciążenia śniegiem oraz wiatrem wynosiło 150%, natomiast wytężenie obliczone dla obciążenia śniegiem i wiatrem według nieaktualnych tzw. starych norm wynosiło 104%.

a)

b)

c)

Rys. 3. Szczegóły konstrukcji drewnianej więźby dachowej budynku mieszkalnego-przekrój

Budynek wzniesiony został w końcu lat 90. XX wieku w okresie obowiązywania tzw. starej normy śniegowej (PN-80/B-02010 Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie śniegiem), która obowiązywała do 2006 roku. W roku 2006 wprowadzono tzw. nową normę śniegową (PN-B-02010:1980/Az1:2006 Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie śniegiem), a w roku 2010 wprowadzono Eurokody. Nowowprowadzone normy wprowadziły większe wartości obciążenia śniegiem (średnio o ~33%) oraz większą wartość współczynnika obciążenia (częściowego, rozdzielczego współczynnika bezpieczeństwa ?f), który zwiększony został z 1,3 do 1,5.

W przypadku obciążenia wiatrem w końcu lat 90. XX wieku obowiązywała tzw. stara norma wiatrowa (PN-77/B-02011 Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie wiatrem), ważna do roku 2009 roku. W roku 2009 wprowadzono tzw. nową normę wiatrową (PN-B-02011:1977/Az1:2009 Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie wiatrem), a wprowadzone w roku 2010 Eurokody po raz kolejny zmieniły normowe wartości obciążenia wiatrem.

Obiekty projektowane według zaleceń starej normy śniegowej i wiatrowej w większości przypadków nie spełniają aktualnie obowiązujących przepisów normowych, tzn. wymagań nowych norm. Pomimo tego obiekty te, w tym analizowany budynek, mogą być użytkowane w sposób bezpieczny, ponieważ przeszły tzw. weryfikację w czasie, pomimo że według aktualnego stanu nie spełniają warunków bezpieczeństwa, np. według normy ISO 13822:2010 Bases for design of structures.

Z uwagi na różne właściwości materiałów (duża różnica między modułami sztywności stali (200 GPa) i betonu komórkowego (~2 GPa), na krawędziach słupków osadzonych w grubości ścian klatek schodowych powstały zarysowania widoczne po obu stronach ścian (rys. 2a).

Lokalizacja słupków przy trzonach kominowych powodowała powstawanie koncentracji naprężeń ściskających w poziomie muru poniżej stropu nad III piętrem. Siła ze słupków przenosiła się na mury w poziomie kondygnacji III piętra oraz kondygnacji niższych, co potwierdzało malejące zarysowanie murów obudowy klatek schodowych.

Przyjęty sposób zamocowania słupków do stropu (przy pomocy blach czołowych z zakotwieniem przy użyciu 2 sztuk prętów ? 12 mm) (rys. 3a, c) skutkował wytworzeniem się naturalnego przegubu w poziomie ich posadowienia, co z kolei prowadziło do obrotu słupków w miejscu oparcia na stropie nad III piętrem.

Z kolei zaprojektowanie w poziomie poddasza fragmentów ścian w obszarze klatek schodowych B, C oraz D jako żelbetowych monolitycznych o grubości 15 cm doprowadziło do powstawania zarysowania w miejscu połączenia ścian żelbetowych monolitycznych ze ścianami z betonu komórkowego o grubości 18 cm. Przyczyną tego była, podobnie jak w przypadku analizowanego posadowienia słupka w grubości muru z gazobetonu, zróżnicowana odkształcalność fragmentów muru wykonanych z różnych materiałów. W celu ograniczenia możliwości powstania zarysowania pewnego rodzaju rozwiązaniem było by zastosowanie systemowych profili dylatacyjnych lub wykonanie dylatacji wrębowej. Rozwiązania te nie zostały jednak zrealizowane.

Bezpośrednio przy ścianach podłużnych obudowy klatek schodowych, w bezpośrednim sąsiedztwie trzonów kominowych oraz słupków ukrytych w ścianach poprzecznych klatki schodowej występowała lokalna koncentracja naprężeń. Sytuacja ta dotyczyła również stropu nad III piętrem, gdzie trzony kominowe posadowione były na wylewkach stropowych bezpośrednio przy ścianach podłużnych obudowy klatek schodowych – powodowało to lokalny wzrost obciążenia (reakcji pionowej), co przyczyniało się do zarysowaniem ścian podłużnych obudowy klatek schodowych.

Dokumentacja projektowa zawierała również poważne niedoskonałości dotyczące sposobu zamocowania belki, na której posadowiona była murłata wzdłuż ściany zewnętrznej od strony elewacji frontowej (rys. 3a) – żelbetowa, monolityczna belka została zaprojektowana jako posadowiona na murze z betonu komórkowego bez jej pionowego utwierdzenia w stropie, a obciążona siłą rozporu z więźby dachowej doznawała obrotu, co powodowało powstawanie widocznych od strony wnętrza klatek schodowych w poziomie stropu nad III piętrem poziomych rys i pęknięć.

Istotnym błędem rozwiązania projektowego był również brak oddylatowania płyt stropów nad klatką schodową A i E od konstrukcji muru zewnętrznego od strony elewacji frontowej (rys. 3b) – płyty w wyniku oddziaływania obciążenia od więźby dachowej oraz odkształceń termicznych powodowały widoczne od strony wnętrza klatek schodowych, podobnie jak w przypadku murłat zarysowanie murów zewnętrznych, na których były oparte.

Podobnym błędem projektowym był brak zakotwienia belek na których posadowione były murłaty wzdłuż ściany zewnętrznej od strony elewacji tylnej w obszarze lukarn, które w wyniku oddziaływania siły rozporu z więźby dachowej doznawały obrotu na murze z betonu komórkowego, co przyczyniało się do deformacji więźby dachowej jako całości oraz rozszerzenia usterek widocznych w obszarze klatek schodowych (rys. 3c). Nieuwzględnienia na etapie projektu ocieplenia płyt stropowych poniżej lukarn od strony elewacji tylnej spowodowało, że powstawały odkształcenia termiczne przyczyniające się do deformacji konstrukcji więźby dachowej (rys. 3c).

Dokumentacja projektowa nie przewidywała zastosowania podkładek elastomerowych w miejscu oparcia prefabrykowanych płyt biegów schodowych na prefabrykowanych płytach podestów piętrowych. Należy zauważyć, że w okresie, w którym opracowano dokumentację projektową stosowanie tego typu elementów było już powszechne. Brak sprężystego oparcia płyt biegowych na płytach podestów piętrowych skutkował intensywnym zarysowaniem styku prefabrykatów.

Dokumentacja projektowa nie wskazywała również na konieczność wykonania dylatacji płyt biegów schodowych od ścian podłużnych obudowy klatek schodowych. W wyniku dopasowania płyt biegowych do ścian obudowy klatek schodowych w początkowej fazie eksploatacji budynku powstały zarysowania tynku na ścianach klatek schodowych, będące następstwem obciążenia oddziaływaniem z płyt biegowych.

Propozycje usunięcia uszkodzeń
Ze względu na zakres występujących uszkodzeń zaproponowany zakres prac remontowych obejmował:

• docelowe usunięcie istniejących zarysowań widocznych od strony przestrzeni komunikacyjnych klatek schodowych A, B, C, D i E w ramach okresowych prac remontowych przy pomocy klasycznych (standardowych) rozwiązań szpachlarsko-malarskich,
• usunięcie zarysowań widocznych do strony lokali mieszkalnych w ramach prac remontowych poszczególnych mieszkań, prowadzonych zgodnie z wymaganiami zamieszczonymi w rozporządzeniu ministra spraw wewnętrznych i administracji z 16 sierpnia 1999 r. w sprawie warunków technicznych użytkowania budynków mieszkalnych (Dz.U. nr 74, poz. 836).

Wnioski
W budynku w obszarze ścian obudowy klatek schodowych występowały uszkodzenia w postaci:

• lokalnego zarysowania podłużnych murów oddzielających przestrzeń klatek schodowych od przestrzeni użytkowych (poszczególnych lokali mieszkalnych oraz pomieszczeń poddasza) – intensyfikacja usterek miała miejsce w poziomie kondygnacji poddasza i malała w kierunku kondygnacji przyziemia,
• miejscowego zarysowania i spękania poprzecznych murów klatek schodowych (wewnętrznego oraz zewnętrznego będącego jednocześnie fragmentem podłużnym przegrody zewnętrznej budynku) – usterki występowały w poziomie poddasza (mur wewnętrzny) oraz w poziomie spocznika między piętrowego pomiędzy III piętrem a poddaszem (mur zewnętrzny).

Zakres występowania uszkodzeń w poszczególnych klatkach był zbliżony, nieznaczna intensyfikacja usterek ścian podłużnych miała miejsce w obszarze klatek schodowych A oraz E.

Bezpośrednimi przyczynami występowania usterek ścian obudowy klatek schodowych A, B, C, D oraz E w budynku były niedoskonałości dokumentacji projektowej, do których zaliczyć należy:

• obliczeniowe niedoszacowanie nośności stalowych płatwi pośrednich zaprojektowanych i wykonanych jako przekrój skrzynkowy z ceowników 180 mm, skutkujące deformacją stalowej konstrukcji więźby dachowej prowadzącą do zarysowania ścian murowanych obudowy klatek schodowych w poziomie poddasza,
• osadzenie części słupków stalowych, zaprojektowanych i wykonanych jako przekrój skrzynkowy z ceowników 100 mm, w grubości ścian obudowy klatek schodowych w poziomie poddasza wykonanych z betonu komórkowego o grubości 18 cm, co prowadziło do zarysowania przedmiotowych ścian z uwagi na różną odkształcalność stali oraz gazobetonu (betonu komórkowego),
• posadowienie stalowych słupków zaprojektowanych i wykonanych jako przekrój skrzynkowych z ceowników []100 mm na ścianach podłużnych obudowy klatek schodowych w poziomie stropu nad III piętrem, co skutkowało ponadnormatywną koncentracją naprężeń ściskających spowodowaną zjawiskiem lokalnego przeciążenia muru z betonu komórkowego o grubości 18 cm w połączeniu z brakiem ciągłości zbrojenia wieńców,
• wykonstruowanie posadowienia słupków o przekroju skrzynkowym z ceowników 100 mm z zastosowaniem marek zakotwionych w stropie nad III piętrem pracujących jako przeguby i umożliwiających obrót słupków w poziomie ich posadowienia.
• zaprojektowanie fragmentów ścian w obszarze klatek schodowych B, C oraz D jako żelbetowe monolityczne o grubości 15 cm co prowadziło do powstawania zarysowania w miejscu połączenia ze ścianami z betonu komórkowego o grubości 18 cm z uwagi na zróżnicowaną odkształcalność materiałów z których wykonano ściany,
• lokalne przeciążenie ścian w miejscu oparcia stropów między kondygnacyjnych, w tym stropu nad III piętrem, obciążonych trzonami kominowymi posadowionymi na wylewkach stropowych bezpośrednio przy ścianach podłużnych obudowy klatek schodowych, co skutkowało zarysowaniem tych ścian z uwagi na ich lokalną koncentrację naprężeń,
• nieodpowiednie zamocowanie belki, na której posadowiona było murłata wzdłuż ściany zewnętrznej od strony elewacji frontowej, która w wyniku oddziaływania sił rozporu z więźby dachowej doznawała obrotu, co powodowało powstawanie zarysowania widocznego od strony wnętrza klatek schodowych,
• brak oddylatowania płyt stropów nad klatką schodową A i E od konstrukcji muru zewnętrznego od strony elewacji frontowej, które to płyty w wyniku oddziaływania obciążenia od więźby dachowej oraz odkształceń termicznych powodowały widoczne od strony wnętrza klatek schodowych zarysowanie murów zewnętrznych na których były oparte,
• niedostateczne zakotwienie belek, na których posadowione były murłaty wzdłuż ściany zewnętrznej od strony elewacji tylnej w obszarze lukarn, doznających w wyniku oddziaływania siły rozporu z więźby dachowej obrotu między słupkami na murze z betonu komórkowego, co z kolei skutkowało powstaniem deformacji więźby dachowej oraz rozszerzeniem usterek widocznych w obszarze klatek schodowych,
• nieuwzględnienie na etapie projektu ocieplenia płyt stropowych poniżej lukarn od strony elewacji tylnej, co powodowało, że powstawały odkształcenia termiczne przyczyniające się do deformacji murłat, a w konsekwencji do rozszerzenia usterek widocznych na klatkach schodowych,
• brak zastosowania podkładek elastomerowych w miejscu oparcia prefabrykowanych płyt biegów schodowych na prefabrykowanych płytach podestów piętrowych, co skutkowało intensywnym zarysowaniem styku prefabrykatów w okresie eksploatacji budynku,
• brak zastosowania dylatacji płyt biegów schodowych od ścian podłużnych obudowy klatek schodowych, w wyniku czego w okresie eksploatacji budynku powstawały zarysowania tynku na ścianach klatek schodowych, który był obciążany oddziaływaniem z płyt biegowych. 

Literatura
[1] Praca zbiorowa: Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław, 2007.
[2] Substyk M.: Utrzymanie i kontrola okresowa obiektów budowlanych. Wydawnictwo ODDK, Warszawa, 2012.
[3] Schunck E., Barthel R., Kießl K.: Atlas dachów – dachy spadziste. Wydawnictwo MDM sp. z o.o., Warszawa, 2005.
[4]  Markiewicz P.: Detale projektowe dla architektów. Wydawnictwo Archiplus, Warszawa, 2009.
[5] Beinhauer P.: Katalog standardowych rozwiązań projektowych detali dla projektów budowlanych. Państwowe  Wydawnictwo Techniczne, Warszawa,  2010.
[6] Rokiel M.: Renowacje obiektów budowlanych. Projektowanie i warunki techniczne wykonania i odbioru robót. Wydawnictwo Medium, Warszawa, 2014.


dr hab. inż. Maciej Niedostatkiewicz
Politechnika Gdańska
Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska
Katedra Budownictwa i Inżynierii Materiałowej
Pracownia Projektowo-Inżynierska Maciej Niedostatkiewicz

mgr inż. Tomasz Majewski
Politechnika Gdańska
Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska
Katedra Budownictwa i Inżynierii Materiałowej
Pracownia Projektowo-Inżynierska Tomasz Majewski