Błędy projektowe w konstrukcjach dachów drewnianych i ich skutki , cz. 1

Podstawą merytorycznego przedstawienia niniejszego artykułu były następujące czynności i dokumenty:

• szczegółowe oględziny dachów budynków mieszkalnych wielorodzinnych,
• analiza istniejącej dokumentacji technicznej i projektowej,
• analiza prawidłowości wykonania projektu budowlanego konstrukcji więźby dachowej w zakresie zgodności z przepisami techniczno-budowlanymi i sztuką budowlaną,
• analiza prawidłowości wykonania konstrukcji więźby dachowej w zakresie zgodności z projektem budowlanym, przepisami prawa budowlanego i sztuką budowlaną,
• inwentaryzacja występujących uszkodzeń i nieprawidłowości w konstrukcji więźby dachowej,
• szczegółowa dokumentacja fotograficzna,
• analiza przyczyn powstania uszkodzeń,
•  opracowania, dokumentacja techniczna, literatura i normy:

             [1] Projekty budowlane budynków mieszkalnych wielorodzinnych;
             [2] Projekty wykonawcze wraz z opisem technicznym;
             [3] PN-82/B-02000 Obciążenia budowli. Zasady ustalania wartości.
             [4] PN-82/B-02001. Obciążenia budowli. Obciążenia stałe.
             [5] PN-82/B-02003 Obciążenia budowli. Obciążenia zmienne technologiczne. Podstawowe
                  obciążenia technologiczne i montażowe.
             [6] PN-B-03150:2000 + zmiany: Azl:2001, Az2:2003, Az3:2004. Konstrukcje drewniane.
                  Obliczenia statyczne i projektowanie.

Opis ogólny i charakterystyka obiektów
Badane i oceniane obiekty to wielorodzinne budynki mieszkalne z garażami podziemnymi. Są to budynki czterokondygnacyjne (kondygnacje nadziemne), przykryte dachem mansardowym o pokryciu z ceramicznych dachówek karpiówek układanych w koronkę. W piwnicy budynków zlokalizowano miejsca parkingowe w garażach podziemnych wielostanowiskowych.

Poszczególne elementy budynków mieszkalnych, ważne z uwagi na zakres mniejszego opracowania, wykonano według obowiązujących projektów budowlanych następująco:

1. dach – mansardowy o konstrukcji drewnianej,
2. więźba dachowa drewniana. Zgodnie z obowiązującymi projektami budowlanymi, dach ma konstrukcję krokwiowo-kleszczową wykonaną z drewna świerkowego lub sosnowego klasy co najmniej C30. Nachylenie krokwi w części górnej: 30°, nachylenie krokwi w części dolnej mansardowej: 80°. Oparcie krokwi zaprojektowano na murłatach o przekrojach: 14 × 14 cm, z drewna klasy C30. Murłaty zakotwiono w wieńcu za pomocą śrub stalowych w rozstawie co 100 cm. Wszystkie elementy drewniane więźby dachowej zabezpieczono przed korozją biologiczną przez smarowanie solnym preparatem zabezpieczającym. Dodatkowo drewno więźby dachowej zabezpieczono przeciwpożarowo preparatem ogniochronnym pęczniejącym Fobos 2M. Pokrycie dachu wykonano z dachówki ceramicznej.

Zgodnie z zatwierdzonym i obowiązującym projektem budowlanym, przekroje podstawowych elementów konstrukcyjnych drewnianych dachu są następujące:

• krokwie dach główny: b = 8 cm^*), h = 16 cm, sosna C30,
• kleszcze: 2 × b = 7 cm, h = 14 cm, sosna C30,
• murłaty: b = 14 cm, h = 14 cm, sosna C30,
• belka kalenicowa: b = 6 cm, h = 20 cm, sosna C30 (w opisie technicznym),
• słupki: brak w opisie technicznym i na rzutach więźby dachowej!

Połączenia elementów drewnianych według normy połączenia konstrukcji drewnianych – złącza na gwoździe ciesielskie.

Natomiast zestawienie tych samych elementów (przekrojów) drewnianych dachu, zgodnie z projektem wykonawczym, jest następujące:

• krokwie dach główny: b = 10 cm, h = 16 cm, sosna C30,
• kleszcze: 2 × b = 5 cm, h = 12 cm, sosna C30,
• lmurłaty: b = 14 cm, h = 14 cm, sosna C30 (w opisie technicznym),
• belka kalenicowa: brak w opisie technicznym i na rzutach więźby dachowej!
• słupki: brak w opisie technicznym i na rzutach więźby dachowej!

Pokrycie dachowe: dachówka karpiówka ceramiczna układana w koronkę.

Układ warstw dachów budynków mieszkalnych, w części ocieplonej w kolejności od góry:

• dachówka ceramiczna podwójnie,
• łaty, kontrłaty (pustka powietrzna),
• wiatroizolacyjna,
• pustka powietrzna,
• wełna mineralna gr. 20 cm,
• folia paroizolacyjna,
• płyty G-K na ruszcie metalowym.

W celu określenia rzeczywistych przekrojów podstawowych elementów konstrukcyjnych dachów drewnianych dokonano dokładnej inwentaryzacji podstawowych elementów konstrukcyjnych dachu. W pięciu losowo wybranych miejscach dokonano pomiarów przekrojów elementów konstrukcyjnych dachu dla wszystkich elementów konstrukcyjnych. Pomiary inwentaryzacyjne wykazały, że w rzeczywistości zastosowano następujące przekroje drewna (konstrukcji dachu):

• krokwie główne: szerokość b = 93 mm ÷ 97 mm, wysokość h = 151 mm ÷ 155 mm;
• kleszcze, które z konstrukcyjnego punktu widzenia są dwugałęziową jętką: szerokość b = 45 mm ÷ 51 mm, wysokość h = 112 mm ÷ 118 mm;
• słupki: w konstrukcji dachów brakowało słupków podpierających belki kalenicowe;
• belka kalenicowa: w konstrukcji dachów brakowało belek kalenicowych.

Należy w tym miejscu podkreślić, że wymiary przekrojów poprzecznych elementów konstrukcyjnych dachu nie zgadzają się zarówno z projektem budowlanym, projektem wykonawczym, jak i dokonaną rzeczywistą inwentaryzacją, uwzględniając odchyłki wymiarowe tarcicy konstrukcyjnej zgodnie z PN-EN 844-3:2002 i PN-EN 844-1:2001. Brak też było wykonanych podstawowych elementów konstrukcyjnych dachu, tj.: belek kalenicowych i słupków, pomimo że w opisie technicznym projektów budowlanych występują wszystkie te elementy konstrukcji dachu. Dokumentem odniesienia jest przecież obowiązujący projekt budowlany, zatwierdzony przez odpowiednie instytucje (z czerwonymi pieczątkami). Jednakże podane w projektach budowlanych i wykonawczych wymiary przekrojów poprzecznych podstawowych elementów konstrukcyjnych dachu są za małe i niewystarczające; wykażą to obliczenia statyczno-wytrzymałościowe zamieszczone w dalszej części artykułu. Jednocześnie brak jest wrysowanych w projektach budowlanych i wykonawczych tych podstawowych elementów konstrukcyjnych dachu, tj. belek kalenicowych i słupków.

Dla wszystkich inwentaryzowanych elementów konstrukcyjnych dachu wykonano badania wilgotnościowe drewna. Badania wykonano przy użyciu miernika wilgotności (wilgotnościomierza): HP-883A, numer seryjny: 1080226, który został dodatkowo sprawdzony i przeskalowany w Laboratorium Badawczym Instytutu Budownictwa Politechniki Wrocławskiej. Wilgotnościomierz pozwalał na bardzo dokładne określenie stopnia zawilgocenia elementów konstrukcyjnych dachu, na głębokość materiału 3–4 cm. W wyniku skalowania wilgotnościomierza, na różnych wzorcowych materiałach budowlanych o znanej wilgotności i nasiąkliwości wagowej, otrzymano bardzo dokładne tabele wilgotności masowej (wagowej) w [%], w zależności od wskazań przyrządu miernika wilgotności. W tabeli nr 1 przedstawiono wyniki badań wilgotności masowej elementów konstrukcyjnych dachów.


Ocena stanu technicznego wybranych elementów konstrukcyjnych dachów budynków
W wyniku przeprowadzonych wizji lokalnych i obserwacji, szczegółowych oględzin, odkrywek, pomiarów i badań makroskopowych dokonano oceny aktualnego stanu technicznego poszczególnych elementów konstrukcyjnych dachów budynków i elementów wykończeniowych dachów. Rezultaty tych kontroli opisano poniżej, dokumentując je licznymi i szczegółowymi fotografiami.

Kryteria oceny stanu technicznego
Do oceny stanu technicznego wybranych elementów budynku przyjęto następującą klasyfikację:

• stan techniczny dobry – element budynku (lub rodzaj konstrukcji, wykończenia, wyposażenia) jest dobrze utrzymany, konserwowany, nie wykazuje zużycia i uszkodzenia. Cechy i właściwości materiałów odpowiadają wymaganiom normowym, stopień zużycia elementu 0–15%;
• stan techniczny zadowalający – element budynku (lub rodzaj konstrukcji, wykończenia, wyposażenia) utrzymany jest należycie. Celowy jest remont bieżący, polegający na drobnych naprawach, uzupełnieniach, konserwacji, itp., stopień zużycia elementu 16–30%;
• stan techniczny średni – w elementach budynku (lub konstrukcji, wykończenia, wyposażenia) występują niewielkie uszkodzenia i ubytki, nie zagrażające bezpieczeństwu użytkowania. Celowy jest częściowy remont kapitalny, stopień zużycia elementu 31–50%;
• stan techniczny mierny – w elementach budynku (lub konstrukcji, wykończenia, wyposażenia) występują uszkodzenia o charakterze lokalnym, mogące stanowić zagrożenie bezpieczeństwa użytkowania. Celowy jest remont kapitalny, stopień zużycia elementu 51–70%;
• stan techniczny zły – w elementach budynku (lub konstrukcji, wykończenia, wyposażenia) występują znaczne uszkodzenia i ubytki. Cechy i właściwości wbudowanych materiałów mają obniżoną klasę. Obiekt jest zagrożony awarią budowlaną (lub katastrofą budowlaną), stopień zużycia elementu 71–100%;

Ocena stanu technicznego.
Zgodnie z wyżej wymienioną klasyfikacją stwierdzono, że:

• stan techniczny drewnianej więźby dachowej wszystkich badanych budynków można ocenić jako „mierny”. Część elementów drewnianych jest zabezpieczona środkami biochronnymi. Większość elementów wykazuje typowe podłużne spękania skurczowe spowodowane wysychaniem drewna. Krokwie główne dachów są nadmiernie i nierównomiernie ugięte. Pomiar nierównomierności ugięć wykazał, że wiązary „puste” (bez słupków i zastrzałów) są ugięte ok. 2,0–3,0 cm. Maksymalne zanotowane ugięcia krokwi głównych dachów to 3,5–4,0 cm. Nadmierne i niedopuszczalne ugięcia były przyczyną wykonania zamieszczonych dalej kontrolnych obliczeń statyczno-wytrzymałościowych;
• stan techniczny ścian szczytowych na ostatniej kondygnacji można ocenić jako „mierny”. Na ścianach szczytowych zaobserwowano liczne rysy i pęknięcia, spowodowane brakiem wystarczającej sztywności konstrukcji więźby dachowej, w wyniku złej (błędnej) konstrukcji dachów budynków.

Obliczenia statyczno-wytrzymałościowe, analiza wyników
Przed wykonaniem obliczeń statyczno-wytrzymałościowych przeprowadzono badania drewna według PN-B-03150:2002 w celu określenia rzeczywistej zastosowanej klasy drewna w konstrukcji więźby dachowej. W związku z tym zbadano następujące wady tarcicy drewna: występowanie sęków w strefie marginalnej drewna, występowanie sęków na całym przekroju, skręt włókien, pęknięcia, pęcherze, zakorki i zbitki, szerokość słojów, wilgotność i twardość drewna.

Występowanie sęków w strefie marginalnej drewna wynosiło między 0,35 a 0,45. Występowanie sęków na całym przekroju badanych elementów wynosiło między 0,35 a 0,45. Skręt włókien znacznie przekraczał 8%. Pęknięcia głębokie znacznie przekraczały 0,40. Szerokość słojów w badanych elementach przekraczała 5 mm. Wilgotność drewna zawierała się w przedziale wartości od 10% do maks. 20%. Twardość drewna wynosiła od 80 do 90 według Shore`a.

Jak wynika z wyżej wykonanych badań, przyjęta do obliczeń klasa drewna C27 lub nawet C24 jest bliższa rzeczywistości, niż klasa C30 jak w projekcie budowlanym. Stąd też do obliczeń stanu rzeczywistego elementów konstrukcyjnych więźby dachowej przyjęto klasę drewna C24 i C27 (wariantowo).

Obliczenia statyczno-wytrzymałościowe dachu wykonano według normy PN-2000/ B-03150, obowiązującej w czasie projektowania przedmiotowego dachu. Obliczenia wykonano dla trzech wariantów:

• wariant I (stan rzeczywisty): wiązar pusty, klasa drewna C27, przekroje elementów drewnianych zmierzone przez Autora,
• wariant II (stan projektowany): wiązar pusty, klasa drewna C30, przekroje elementów drewnianych projektowane,
• wariant III (stan rzeczywisty): wiązar pusty, klasa drewna C24 (klasa C24 jest bliższa rzeczywistości niż klasa C30), przekroje elementów drewnianych zgodnie z dokonaną inwentaryzacją, pomierzone przez autora niniejszego artykułu.

Wariant I – drewno C27  – przekroje rzeczywiste  – wiązar pusty
Dane wyjściowe do obliczeń z pomiarów inwentaryzacyjnych:

1. kąt nachylenia połaci dachowej: a = 30,0°,
2. rozpiętość wiązara: l = 12,00 m.,
3. długość całkowita jętki: j = 6,10 m, długość w osi podpór jętki: j = 5,52 m.,
4. długość całkowita krokwi: k = 7,80 m, długość w osi podpór krokwi: k = 6,89 m.,
5. rozstaw maksymalny krokwi w osi: a = 0,90 m (na podstawie własnych pomiarów).

Falujące połacie dachów. Przyczyną są zbyt małe przekroje elementów drewnianych oraz brak niektórych podstawowych elementów konstrukcyjnych dachu

Dane materiałowe do obliczeń:
Do obliczeń statyczno-wytrzymałościowych przyjęto najmniejsze (minimalne, najbardziej niekorzystne) przekroje rzeczywiste z pomiarów inwentaryzacyjnych.

Wariant I – stan projektowany, drewno klasy C27, rzeczywiste przekroje elementów drewnianych
Właściwości techniczne drewna
Wartości charakterystyczne wytrzymałości drewna przyjęto według obowiązujących polskich norm. Do obliczeń przyjęto l klasę użytkowania konstrukcji (wilgotność względna powietrza, przy temperaturze 20° C, powyżej 65% tylko przez kilka tygodni w roku) oraz klasę trwania obciążenia: stałe (więcej niż 10 lat, ciężar własny).

Wytrzymałość obliczeniową drewna obliczono z wzoru:

Cechy drewna: drewno klasy C27:
f_m,k = 27,00 MPa; f_t,0,k = 16,00 MPa; f_t,90,k = 0,60 MPa;
f_c,0,k = 22,00 MPa; f_c,90,k = 2,60 MPa; f_v,k = 2,80 MPa;
E_0,mean = 11500 MPa; E_90,mean = 380 MPa; E_0,05 = 7700 MPa;
G_mean = 720 MPa;  f_m,d = 12,46 MPa; f_t,0,d = 7,38 MPa;
f_t,90,d = 0,28 MPa; f_c,0,d = 10,15 MPa; f_c,90,d = 1,20 MPa; f_v,d = 1,29 MPa.

Zestawienie obciążeń
Obciążenie dachu śniegiem
Strefa obciążenia śniegiem: l
Q_k = max {0,007A – 1,4; 0,70 kN/m²} = 0,70 kN/m²
Współczynniki kształtu dachu dla nachylenia połaci 35°:
C₁ = 0,8(60–/30) = 0,8(60–30/30) = 0,8
C₂ = 1,2(60–/30) = 1,2(60–30/30) = 1,2
S_k = Qk • CS = _f • Sk


Obciążenie dachu wiatrem według lit. [7]
Strefa obciążenia wiatrem: l _qk = 0,250 kN/m²
Rodzaj terenu: A
Współczynnik ekspozycji: C_e = 0,8 + 0,02 • z = 0,8 + 0,015 • 16,7 = 1,13
Współczynnik działania porywów wiatru: = 1,8
Współczynniki aerodynamiczne:
C_z = 0,015 – 0,2 = 0,015 • 30 – 0,2 = 0,250
C_z = –0,40
P_k = q_k C_e C_z , p = _f p_k


Kombinacje obciążeń:

• obciążenia zawsze występujące (stałe): g;
• obciążenia występujące ewentualnie (zmienne): P, S₁ + S₂, p₁ + p₂.

Schemat statyczny


Schemat obciążeń (rozstaw wiązarów a = 0,90 m)
Moment zginający max.: 5,53 kNm
Siła osiowa max.: 19,96 kN

Krokiew
Najbardziej niekorzystne wymiary przekroju: b = 93,0 mm;
h = 152,0 mm

Sprawdzenie nośności nad podporą
Moment zginający max.: M_y = 5,53 kNm
Siła osiowa max.: N = 19,96 kN
(_c,0,d : f_c,0,d)² + _m,y,d : f_m,y,d + k_{m m,z,d} : f_m,z,d < 1
1,186 < 1, czyli warunek nie jest spełniony!

Sprawdzenie nośności w przęśle
Moment zginający max.: M_y = 3,72 kNm
Siła osiowa max.: N = 21,15 kN

Ściskanie ze zginaniem
_c,0,d : (k_c,y f_c,0,d) + _m,y,d : f_m,y,d + k_{m m,z,d} : f_m,z,d < 1
1,126 < 1, czyli warunek nie jest spełniony!

Jętka
Siła osiowa max.: N = 15,76 kN : 2 = 7,88 kN
Wymiary przekroju poprzecznego, najbardziej niekorzystnego: b = 2 × 45 mm; h = 112 mm
Długość wyboczeniowa w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny układu:
_z = l_c,z : i_z = 3,560 : 0,0130 = 274,05 < _c = 150, czyli warunek nie jest spełniony!
Duża smukłość jętki (w jętce nie występują przewiązki) sprawiła, że potraktowano ją jako pręt jednolity. Graniczna smukłość dla takiego pręta według PN-B 03 150 wynosi _c = 150.
Powierzchnia obliczeniowa przekroju: Ad = 50,40 cm²

Nośność na ściskanie
_c,_0,d = N / A_d = 7,88 × 10³ / 50,40 × 10² = 1,56 < k_{c fc,0,d} = 0,044 × 10,15 = 0,447, czyli warunek nie jest spełniony!

Stan graniczny użytkowania
Krokiew, ugięcie całkowite:
u_z,fin = –20,2 + (–23,2) = 43,4 > u_net,fin = l / 300 = 6,89 m / 300 = 23,0 mm
u_z,fin = –20,2 + (–23,2) = 43,4 > u_net,fin = l / 200 = 6,89 m / 200 = 34,5 mm

Jętka, ugięcia całkowite
u_y,fin = 22,1 + 16,4 = 38,5 > u_net,fin = l : 300 = 5,52 m : 300 = 18,4 mm
u_y,fin = 22,1 + 16,4 = 38,5 > u_net,fin = l : 200 = 5,52 m : 200 = 27,6 mm

Część 2 oraz bibliografia ukażą się w wydaniu majowym.

^*) Podkreśleniami wyróżniono te elementy konstrukcyjne dachu, które są niezgodne z projektem budowlanym, z projektem wykonawczym i przeprowadzoną inwentaryzacją.

dr inż. Mariusz Książek
Adiunkt i pracownik naukowo-dydaktyczny
w Instytucie Budownictwa Politechniki Wrocławskiej.
Członek Zarządu Głównego Komitetu Trwałości
Budowli PZiTB w Warszawie