Błędy projektowe i wykonawcze przyczyną awarii konstrukcji zadaszenia tarasu

Rys. 1. Przekrój pionowy zadaszenia tarasu w poziomie parteru budynku Domu Kultury – przekrój przez łącznik (na podstawie archiwalnej dokumentacji projektowej branży architektonicznej)

Wstęp
Błędy projektowe oraz wykonawcze mają bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo konstrukcji i bezpieczeństwo użytkowania obiektów budowlanych [1]. Dotyczy to nie tylko projektowania i późniejszego wykonawstwa elementów podstawowego układu konstrukcyjnego, ale odnosi się również do elementów realizowanych w ramach prac remontowych i modernizacyjnych obiektów budowlanych. Usuwanie usterek elementów konstrukcyjnych jest szczególnie skomplikowane, gdy dotyczy to elementów o znacznych rozpiętościach, a roboty budowlane prowadzone są w obiektach będących w ciągłym użytkowaniu, a możliwości ich wyłączenia z eksploatacji są ograniczone [2-3]. Sytuacja ta występuje między innymi w budynkach użyteczności publicznej.

Celem artykułu jest przedstawienie wpływu popełnionych błędów projektowych oraz wykonawczych, które doprowadziły do awaryjnego stanu stalowej konstrukcji zadaszenia tarasu. W artykule opisano również zaproponowany sposób usunięcia występujących usterek zadaszenia.

a)

b)

Rys. 2. Zadaszenie tarasu od stron: a) południowo–zachodniej, b) południowo–wschodniej

Dane ogólne
Stalowa konstrukcja zadaszenia stanowiła zabudowę tarasu w poziomie parteru budynku Miejskiego Domu Kultury. Konstrukcja zaprojektowana została jako układ sześciu stalowych ram wykonanych z walcowanych profili dwuteowych. Słupy, rygle poziome i belki ukośne zaprojektowane zostały z dwuteowników stalowych HEB140 wykonanych ze stali klasy S235 znaku St3SX. Połączenia węzłowe zaprojektowano jako skręcane z zastosowaniem śrub M12 klasy 8.8. W dokumentacji projektowej elewację przewidziano jako fasadę szklaną, z tafli szkła zespolonego, mocowanych poprzez profile aluminiowe do stalowej konstrukcji nośnej (ram zewnętrznych).

Wzdłuż ścian zewnętrznych zaprojektowano stężenia kratowe z cięgien wiotkich w postaci ściągów stalowych o średnicy ∅12 mm ze stali klasy S235 znaku St3SX (rys. 1). Zastosowane ściągi pełniły tylko i wyłącznie funkcję estetyczną, nie wpływając na nośność ram stalowych.

Po zakończeniu montażu konstrukcji stalowej zadaszenia stwierdzono odchylenie od pionu stalowych słupów, wynoszące ok. 40 mm. Jednocześnie stwierdzono rozbieżności pomiędzy schematem statycznym przyjętym w obliczeniach zamieszczonych w projekcie budowlanym a rozwiązaniami zamieszczonymi na rysunkach budowlanych. M.in. na rysunkach brakowało rygli RG4 (IPE140) oraz słupów SL1 (HEB140) w osiach 2 oraz 7, które to elementy zostały uwzględnione w przyjętym do obliczeń modelu statycznym ramy (rys. 1, 5, 6).

a)

b)

Rys. 3. Konstrukcja stropu nad parterem zadaszenia tarasu budynku Domu Kultury: a) widok,
b) szczegół połączenia drewnianych belek stropowych

Na podstawie pomiarów inwentaryzacyjnych ustalono, że drewniane belki stropowe w poziomie stropu nad parterem, których montaż odbywał się bezpośrednio po zakończeniu montażu konstrukcji stalowej (zdeformowanej w wyniku popełnionych błędów montażowych oraz odkształconej pod wpływem ciężaru własnego) okazały się zbyt długie. Próba montażu belek drewnianych o założonej w projekcie długości mogła mieć dodatkowy, negatywny wpływ na stwierdzone deformacje stalowej konstrukcji zadaszenia w poziomie rygla RG4 (IPE140) (rys. 6). Wykonawca podjął próbę usunięcia deformacji zadaszenia poprzez wykonanie korekty długości belek drewnianych (w celu wykluczeniu wpływu niedokładności ich montażu na deformacje ram) – wszystkie belki zostały zdemontowane oraz skrócone.

Po skróceniu drewnianych belek stropowych okazało się jednak, że deformacja stalowej konstrukcji ram ma charakter trwały – występowały odkształcenia łączników (blach perforowanych) łączących poszczególne belki drewniane. Wstrzymano więc w trybie natychmiastowym prace montażowe konstrukcji zadaszenia oraz podjęto działania mające na celu przeprowadzenie kompleksowej oceny stanu ich wytężenia. W tym celu wykonane zostały sprawdzające obliczenia statyczno – wytrzymałościowe, których wyniki porównane zostały w pomiarami deformacji konstrukcji. Na tej podstawie stwierdzono, że występujące deformacje elementów ram stalowych nie stwarzają zagrożenia bezpieczeństwa konstrukcji oraz bezpieczeństwa użytkowania zadaszenia tarasu w budynku Miejskiego Domu Kultury.

Rys. 4: Konstrukcja stropu nad parterem wzdłuż ściany podłużnej w osi C, pomiędzy osiami 2–7: szczegół uszkodzenia połączenia węzłowego belek drewnianych

Opis usterek konstrukcji zadaszenia tarasu
Po zakończeniu montażu konstrukcji stalowej zadaszenia w miejscu mocowania wsporników brak było widocznych uszkodzeń w postaci wykruszenia i spękań betonu.

W celu zwiększenia estetyki elewacji stalowa konstrukcja zadaszenia tarasu posiadała zabudowę wykonaną z prętów stalowych o średnicy ∅ 12 mm (rys. 1, 2). Pręty oddalone były od konstrukcji zadaszenia i zamocowane były do wsporników dystansowych kotwionych do stropu nad piwnicą (stropu tarasu) oraz do poziomych rygli RG3 wykonanych wzdłuż osi C (rys. 6) – cięgna oraz elementy dystansowe nie wykazywały oznak deformacji.

Strop nad tarasem wykonano jako ruszt drewniany, dwuprzęsłowy na belkach o wymiarach 8 × 24 cm. Belki oparte zostały na podciągach zlokalizowanych w osiach ścian zewnętrznych oraz   w środku rozpiętości. Rygiel środkowy podwieszony został do konstrukcji stalowej na cięgnach zamocowanych w kalenicy konstrukcji. Na belkach wykonano poszycie z płyt OSB IV grubości 22 mm. Belki drewniane pracowały jako wolnopodparte, połączone na podporze środkowej przy pomocy perforowanych blach kątowych z zastosowaniem gwoździ budowlanych 4 mm (rys. 2 i 6). W trakcie wizji lokalnych na obiekcie, po wykonaniu montażu konstrukcji zadaszenia, nie stwierdzono uszkodzeń belek stropowych, np. w postaci ich podłużnego spękania, skrócenie belek przez wykonawcę nie miało wpływu na ich stan stanu techniczny. Stwierdzono natomiast deformacje blach kątowych zlokalizowanych wzdłuż ściany w osi C, pomiędzy osiami 2-7 (rys. 4 i 6).

Rys. 5: Dyskretyzacja konstrukcji stalowej zadaszenia tarasu w poziomie parteru budynku (na podstawie archiwalnej dokumentacji projektowej branży konstrukcyjnej)

Analiza stanu technicznego zadaszenia tarasu
Zrealizowana konstrukcja stalowa zadaszenia charakteryzowała się niewielką sztywnością przestrzenną, na którą wpływ miały (rys. 6):

1. brak stężenia pionowego ściany podłużnej od strony budynku głównego, wzdłuż osi A, pomiędzy osiami 2-3 oraz 6-7,
2. brak stężenia pionowego ściany poprzecznej (szczytowej) wzdłuż osi 2 oraz 7, pomiędzy osiami A-C,
3. brak zgodności pomiędzy przyjętym przez projektanta do obliczeń schematem statycznym a rozwiązaniami zamieszczonymi na rysunkach budowlanych: brak wykonstruowania rygli RG4 (IPE140) oraz słupów SL1 (HEB140) w osiach 2 oraz 7, które zostały uwzględnione w modelu obliczeniowym.

Rys. 6. Rozmieszczenie elementów konstrukcji stalowej zadaszenia tarasu w poziomie parteru budynku Domu Kultury (na podstawie archiwalnej dokumentacji projektowej branży konstrukcyjnej)

W celu określenia bezpieczeństwa konstrukcji i stopnia wytężenia jej elementów przeprowadzono sprawdzające obliczenia statyczno-wytrzymałościowe stalowej konstrukcji zadaszenia. Obliczenia przeprowadzono dla następujących założeń:

1. sprawdzono wytężenie ramy wewnętrznej,
2. sprawdzono wytężenie stężeń wiatrowych w kierunku podłużnym w osiach A i C,
3. obliczenia wykonano dla układu projektowanego i układu rzeczywistego, stwierdzonego w trakcie wizji lokalnych.

Z uwagi za fakt, że dokumentacja projektowa opracowana została w roku 2008, podczas gdy od 2010 r. obowiązują nowe przepisy normowe dla obciążenia wiatrem, a od 2006 r. dla obciążenia śniegiem, w przeprowadzonych obliczeniach przyjęto zwiększone, aktualnie obowiązujące wartości jednostkowych obciążeń środowiskowych według PN-77/B-02011/Az1 Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie wiatrem, załącznik AZ1:2009 oraz PN-80/B-02010/Az1 Obciążenia w obliczenia statycznych. Obciążenie śniegiem, załącznik AZ1:2006.
 

Rys. 7: Koncepcja rozwiązania projektowego stężenia konstrukcji stalowej zadaszenia tarasu w poziomie parteru budynku – dotyczy stężenia poniżej poziomu stropu nad parterem w osiach 2, 3, 4, 5, 6 oraz 7 pomiędzy osiami A-C

Dla poprzecznej ramy wewnętrznej (a) wykonano obliczenia sprawdzające dla stanu projektowanego oraz stanu rzeczywistego (zrealizowanego) [4-5]. Przyjęte w rozwiązaniu projektowym założenie przeniesienia rozporu przez elementy konstrukcji stropu drewnianego okazało się niepoprawne i zostało negatywnie zweryfikowane w czasie, co potwierdziły widoczne deformacje konstrukcji stalowej wywołane obciążeniami od ciężaru własnego, śniegu oraz wiatru. Sztywne cięgna w postaci drewnianych belek stropowych nie zabezpieczały przed deformacją konstrukcji stalowej. Ze względu na występujące usterki połączeń drewnianych elementów konstrukcji stropu obliczenia sprawdzające wykonano przy założeniu całkowitego braku współpracy drewnianych belek stropowych przy przenoszeniu siły rozporu. Maksymalne, uzyskane na podstawie obliczeń przemieszczenie w kierunku poziomym węzła nr 3 (rys. 7) wynosiło 3,97 cm i było zbliżone do pomierzonych, rzeczywistych deformacji konstrukcji stalowej. Uzyskana przez projektanta wielkość przemieszczenia poziomego węzła nr 3 w ramie wewnętrznej w osi 3 wynosiła 0,6 cm, co nie znalazło potwierdzenia w rzeczywistości i potwierdziło niepoprawność przyjętego modelu obliczeniowego. 

Koncepcja rozwiązania projektowego usunięcia usterek
W ramach usuwania usterek konstrukcji stalowej zadaszenia tarasu zalecono opracowanie aneksu do projektu budowlanego, uwzględniającego konieczność:

1. wykonania stężenia poprzecznego ram stalowych poniżej poziomu stropu, wzdłuż osi 2, 3, 4, 5, 6 oraz 7 pomiędzy osiami A-C (rys. 7 – zaproponowano realizację stężenia z prętów ∅ 16 mm ze stali sprężającej D80 według PN-91/H-84028),
2. wykonania stężenia pionowego ściany podłużnej od strony budynku wzdłuż osi A, pomiędzy osiami 2-3 oraz 6-7 (rys. 8 – zaproponowano realizację stężenia z HEB 140 ze stali klasy S235 znaku St3SX),
3. wykonania stężenia pionowego ściany poprzecznej (szczytowej) wzdłuż osi 2 oraz 7, pomiędzy osiami A-C, co pociągało za sobą konieczność korekty układu funkcjonalnego pomieszczeń w poziomie parteru. Zalecono rozważenie możliwości wykonania stężenia poprzez ściąg w postaci dodatkowej sztywnej belki w poziomie poniżej lub powyżej stropu nad parterem,
4. wykonania wzmocnienia połączeń pomiędzy elementami drewnianym stropu nad tarasem poprzez wymianę zdeformowanym blach kątowych, w szczególności wzdłuż osi C oraz poprzez zwiększenie ilości łączników mechanicznych (gwoździ) w połączeniach węzłowych.

Wnioski
Roboty budowlane związane z realizacją konstrukcji stalowej zadaszenia tarasu zostały wstrzymane ze względu na:

1. stwierdzony brak pionowości słupów konstrukcji stalowej zadaszenia,
2. lokalne rozwarcie styku w miejscu połączenia drewnianych belek stropowych wykonanego z zastosowaniem perforowanych blach kątowych.

Bezpośrednimi przyczynami stwierdzonego stanu technicznego zadaszenia uniemożliwiającego kontynuację robót budowlanych były błędy projektowe i wykonawcze.

 

Rys. 8: Koncepcja rozwiązania projektowego stężenia konstrukcji stalowej zadaszenia tarasu w poziomie parteru budynku – dotyczy ścian w osiach A, pomiędzy osiami 2-3 oraz 6-7

Do błędów projektowych dokumentacji, na podstawie której realizowane było zadaszenie, należą:

1. przyjęcie schematu statycznego ramy poprzecznej zadaszenia (w osiach 2, 3, 4, 5, 6 oraz 7, pomiędzy osiami A i C), zakładającego przeniesienie siły rozporu przez elementy drewniane stropu nad parterem – sytuacja ta jest główną przyczyną deformacji konstrukcji stalowej zadaszenia i rozwarcia styków elementów drewnianych stropu nad parterem,
2. brak zgodności pomiędzy dyskretyzacją układu konstrukcyjnego przyjętego do obliczeń a rozwiązaniami przyjętymi na rysunkach budowlanych w postaci braku wykonstruowania rygli RG4 (IPE140) oraz słupów SL1 (HEB140) w osiach 2 oraz 7, które zostały uwzględnione w modelu obliczeniowym – sytuacja ta nie miała istotnego wpływu na nośność konstrukcji jako całości, stanowiła jedynie nieścisłość w dokumentacji projektowej,
3. brak uwzględnienia w obliczeniach oddziaływania na konstrukcję stalową obciążenia zmiennego w całości krótkotrwałego w postaci obciążenia temperaturą wynikającą z warunków klimatycznych,
4. brak stężenia pionowego ściany podłużnej od strony budynku, wzdłuż osi A, pomiędzy osiami 2-3 oraz 6-7. Brak tego stężenia zmniejsza sztywność przestrzenną stalowej konstrukcji zadaszenia,
5. brak stężenia pionowego ściany poprzecznej (szczytowej) wzdłuż osi 2 oraz 7, pomiędzy osiami A-C – brak tego stężenia zmniejsza sztywność przestrzenną stalowej konstrukcji zadaszenia.

Do błędów wykonawczych zaliczyć należy:   

1. bezkrytyczną realizację konstrukcji stalowej zadaszenia na podstawie dokumentacji projektowej obarczonej niedoskonałościami projektowymi,
2. brak prowadzenia kontroli geodezyjnej podczas montażu konstrukcji stalowej,
3. montaż drewnianych belek stropowych, których długość nie pasowała do zdeformowanej konstrukcji stalowej, co prawdopodobnie przyczyniło się do zwiększenia deformacji elementów stalowej konstrukcji zadaszenia tarasu.

Literatura
1. Urban A.: Katastrofy budowlane w 2006 i analiza katastrof w latach 1995-2006, Materiały XXIII Konferencji Awarie Budowlane, Szczecin-Międzyzdroje 2007, 185-198.
2. Praca zbiorowa: Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław, 2007.
3. Masłowski E., Spiżewska D.: Wzmacnianie konstrukcji budowlanych, Arkady, Warszawa, 1999.
4. Łubiński M., Filipowicz A., Żółtowski W.: Konstrukcje metalowe. Część I. Podstawy projektowania i Część II Obiekty budowlane. Arkady 2008.
5. Włodarczyk W.: Przykłady obliczeń elementów i połączeń konstrukcji stalowych. Tom 4 Konstrukcje budowlane, WSiP 2002.

dr inż. Maciej Niedostatkiewicz
Politechnika Gdańska
Pracownia Projektowo-Inżynierska
Maciej Niedostatkiewicz

mgr inż. Tomasz Majewski
Politechnika Gdańska
Pracownia Projektowo-Inżynierska
Tomasz Majewski