Diagnostyka uszkodzonych przez pożar elementów przekrycia dachowego

Rys. 1. Budynek kompostowni – fragment rzutu parteru (stan zrealizowany, na podstawie dokumentacji powykonawczej branży architektura) 

Wstęp
Błędy projektowe oraz wykonawcze wpływają bezpośrednio na bezpieczeństwo konstrukcji i bezpieczeństwo użytkowania obiektów budowlanych, niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z budynkami mieszkalnymi, czy użyteczności publicznej. Doświadczenia z realizacji inżynierskich potwierdzają jednoznacznie, że rzetelność opracowanej dokumentacji projektowej ma kolosalny wpływ zarówno na szybkość realizacji robót budowlanych, jak również na późniejszą usterkowość obiektów w okresie eksploatcji [2], [9], [14]. Nie mniej jednak sam sposób użytkowania obiektu bardzo często jest przyczyną powstawania stanów przedawaryjnych, awarii [4], [7], [12], [15–17] lub wręcz doprowadza do wystąpienia katastrofy budowlanej [10]. Usuwanie, po rozpoczęciu użytkowania obiektów, błędów i niedoskonałości projektowych czy wykonawczych, w szczególności w zakresie konstrukcji przekryć dachowych powoduje powstawanie istotnych utrudnień eksploatacyjnych, a ponadto jest nad wyraz kosztowne [5–6], [13].

Celem artykułu jest przedstawienie zakresu proponowanych działań w celu uzyskania informacji o rzeczywistym stanie technicznym konstrukcji przekrycia budynku kompostowni, lokalnie uszkodzonego w wyniku pożaru, ze szczególnym uwzględnieniem stanu technicznego elementów sprężonych [1], [3], [8], [11].

Rys. 2. Budynek kompostowni – rzut połaci dachowej (stan zrealizowany, na podstawie dokumentacji powykonawczej branży architektura) 

Dane ogólne
Budynek stanowiący przedmiot opracowania zlokalizowany był na terenie zakładu utylizacyjnego.

Objęty opracowaniem budynek zrealizowany został jako hala czteronawowa, o rozpiętościach w osiach konstrukcyjnych 4 × 24,00 m = 96,00 m i długości 96,00 m. Konstrukcja hali zaprojektowana i wykonana została jako żelbetowa, prefabrykowana. Słupy konstrukcyjne zrealizowane zostały jako żelbetowe, prefabrykowane o wymiarach w przekroju poprzecznym 50 × 50 cm, 30 × 50 cm, 40 × 60 cm, oraz 30 × 40 cm. Słupy zakotwione w stopach fundamentowych szklankowych, żelbetowych, monolitycznych, wykonanych na budowie. Na słupach oparto dwuspadowe, żelbetowe, prefabrykowane, strunobetonowe dźwigary dachowe o rozpiętości 24,00 m, na których oparto żelbetowe, prefabrykowane, strunobetonowe płatwie o prostokątnym przekroju poprzecznym i rozpiętości 12,00 m. Przekrycie budynku kompostowni wykonano z blachy trapezowej T160, ocieplonej wełną mineralną o grubości 14 cm i zabezpieczonej membraną dachową PCV. 

Fot. 1. Maszyna technologiczna przeznaczona do poruszania się nad kanałami kompostowymi ustawiona przed budynkiem – stan po pożarze

W hali budynku kompostowni znajdowało się 14 tuneli kompostowych, nad którymi przemieszczała się maszyna odpowiedzialna za przesortowanie śmieci.

W okresie minionym w budynku kompostowni doszło do pożaru, który pojawił się w górnej części maszyny technologicznej ustawionej nad kanałem kompostowym – źródło ognia umiejscowione było w osi 5, pomiędzy osiami C–D.

W wyniku pożaru odparzeniu uległa wyprawy ochronna dolnej stopki dźwigara strunobetonowego (symbol technologiczny: B20) o rozpiętości 24 m, usytuowanego w osi 5, pomiędzy osiami A–E.  Ponadto odbarwieniu (wypaleniu) uległy zabrudzenia blachy trapezowej stanowiącej element nośny przekrycia budynku kompostowni.  

Opis uszkodzeń pożarowych przekrycia budynku kompostowni
W budynku kompostowni miało miejsce zdarzenie losowe polegające na pożarze który pojawił się w górnej części maszyny technologicznej ustawionej nad kanałem kompostowym nr 2. Na podstawie uzyskanych informacji ustnych ustalono, że źródło (zarzewie) ognia umiejscowione było w osi 5, pomiędzy osiami C–D, bezpośrednio pod żelbetowym, prefabrykowanym, strunobetonowym dźwigarem dachowym B20 (oznaczenie dźwigara przyjęto zgodnie z nazewnictwem zamieszczonym w dokumentacji projektowej).

a)

b)

Fot. 2. Budynek kompostowni: a), b) widok kanałów kompostowych – stan po pożarze  

Na podstawie pomiarów ustalono, że wierzch maszyny technologicznej znajdował się ok. 100 cm poniżej dolnych stopek strunobetonowych dźwigarów dachowych.

Na podstawie infostalono, że tzw. języki ognia miały wysokość od ok. 100 cm powyżej wierzchu maszyny technologicznej.

Zgodnie z uzyskanymi informacjami ustnymi czas pożaru, w zakresie jego tzw. fazy rozwiniętej, charakteryzującej się pojawieniem się tzw. języków ognia wynosił mniej więcej 40 minut. Przedstawiciele zleceniodawcy nie byli w stanie dokładnie określić, jak długo trwała faza wstępna pożaru, tzw. faza rozgrzania.

W wyniku pożaru odparzeniu uległa wyprawy ochronna dźwigara strunobetonowego spełniająca funkcje wyprawy bakteriobójczej (ze względu na środowisko pracy dźwigara strunobetonowego) . Uszkodzenie wyprawy powstało wzdłuż dolnej stopki dźwigara strunobetonowego B20 o rozpiętości 24 m, usytuowanego w osi 5, pomiędzy osiami A–E. Szerokość uszkodzenia wyprawy ochronnej wynosiła ok. 200 cm. W środku szerokości tunelu kompostowego nr 2 uszkodzenie występowało na całej szerokości środnika, na fragmentach odpowiadających ścianom tunelu kompostowego uszkodzenia występowały na mniejszej części szerokości stopki dolnej dźwigara strunobetonowego.

a)

b)

c)

Fot. 3. Budynek kompostowni: a) widok dachu od strony wnętrza, b) odparzone warstwa ochronna na dolnej stopce dźwigara strunobetonowego, c) wypalona dolna powierzchnia blachy trapezowej         

Żelbetowe, prefabrykowane, strunobetonowe płatwie nie wykazywały uszkodzeń pożarowych.

Podczas przeprowadzonych wizji lokalnych stwierdzono, że odbarwieniu (wypaleniu) uległy zabrudzenia blachy trapezowej T160, z której wykonano przekrycie budynku kompostowni. Odbarwienia widoczne były wzdłuż osi 5, w kierunku osi 6, a ich szacunkowa powierzchnia wynosiła 150 × 200 cm. Nie stwierdzono przepalenia blach trapezowych przekrycia ani ich deformacji.

Fot. 4. Widok połaci dachowej – stan po pożarze

Na na powierzchni membrany dachowej PCV brak było widocznych śladów zmian termicznych. Nie zaobserwowano rozszczelnienia styków poszczególnych arkuszy membrany dachowej bezpośrednio nad miejscem odpowiadającym pojawieniu się zarzewia ognia. Brak było również wyczuwalnej zmiany struktury materiału termoizolacyjnego (wełny mineralnej) ułożonej na blachach trapezowych.

Analiza stanu technicznego przekrycia budynku w aspekcie uszkodzeń pożarowych  
W ramach przeprowadzonej analizy nie określono przyczyn powstania zdarzenia losowego, jakim był pożar. Tym samym nie określono scenariusza pożarowego dla budynku objętego opracowaniem, jak również nie określono, w oparciu o zalecenia [19] przybliżonego (równoważnego) modelu konstrukcji, jaki był obciążony pożarem. Jednak niezależnie od rodzaju pożaru można stwierdzić, że w przypadku tego rodzaju zdarzenia losowego temperatura gazów spalinowych θg jest funkcją jedynie czasu i rośnie monotonicznie (nie ma fazy stygnięcia) osiągając w kulminacyjnym momencie pożaru, zgodnie z [19], wartości na poziomie 1000°–1200°C.

Rys. 3. Zależność czas - temperatura dla różnych przypadków pożaru [19]

Na podstawie uzyskanych informacji ustnych ustalono, że czas trwania pożaru właściwego wynosił ok. 40 min. Niezależnie od przyjętego scenariusza pożarowego temperatura płomieni wynosiła wówczas ok. 600°C.

Należy jednak zauważyć, że niezależnie od przyjętego scenariusza pożarowego obciążenie temperaturowe wprowadza zaburzenie struktury materiału (stali), powodując spadek wytrzymałości elementów. W przypadku dźwigarów strunobetonowych wpływ ten jest jednak ograniczony ze względu na otulinę betonową.

Na podstawie uzyskanych informacji ustnych ustalono, że podczas pożaru wysokość języków ognia wynosiła ok. 100 cm, czyli znajdowała się 30–40 cm poniżej dolnej stopki dźwigara strunobetonowego. Pozwoliło to na stwierdzenie, że płomienie właściwe nie obejmowały elementu strunobetonowego w sposób ciągły. 

Rys. 4. Klasyfikacja uszkodzeń pożarowych belki: 0 - beton nieuszkodzony termicznie, 1 – obecność sadzy i osmolenia, widoczna sieć mikrozarysowań, 2 – odpryski powierzchniowe wielkości od 0 do 10 mm, rysy widoczne i zorientowane (rozwartość >0,5 mm), 3 – widoczne ubytki otuliny zbrojenia, beton złuszczony, widoczne odsłonięte zbrojenie, 4 – zbrojenie widoczne i uszkodzone, wyraźne ubytki znacznej części betonu [8]

Ze względu na grubość środnika wynoszącą 80 mm, zgodnie z wymaganiami [20] (Tablica 4) dźwigar strunobetonowy można było zaliczyć do elementów o klasie odporność ogniowej R30: bmin = 80 mm; ponieważ ustalono, że czas trwania pożaru rozgrzanego wynosił ok. 40  minut, można było sformułować tezę, że obciążenie ogniem nie spowodowało utraty nośności elementu strunobetonowego. Tezę tą potwierdził jednoznacznie fakt, że na powierzchni dźwigara, zarówno na stopce, jak również na środniku brak jest śladów uszkodzeń termicznych betonu w postaci sieci mikrozarysowań (klasyfikacja uszkodzeń: 0 według [8]), a obecność sadzy i osmolenia (klasyfikacja uszkodzeń: 1 według [8]) wynikała głównie z faktu, że ogień pojawił się na silniku urządzenia do przerzucania kompostu i podsycany był poprzez spalanie substancji olejowych z instalacji urządzenia technologicznego.

Należy zauważyć, że ilościowe oszacowanie wpływu zaistniałego obciążenia pożarowego na wytrzymałość żelbetowych, prefabrykowanych dźwigarów strunobetonowych było w praktyce niemożliwe, ale jakościowo istniało niezaprzeczalnie.

Jednocześnie brak było jednoznacznych wskazań mówiących o konieczności natychmiastowym zabezpieczenia (wzmocnienia) konstrukcji budynku, w szczególności konstrukcji przekrycia.    

Koncepcja prac remontowo-naprawczych przekrycia
Ze względu na zakres występujących uszkodzeń roboty budowlane należało przeprowadzić w następującej kolejności:

• z żelbetowego, prefabrykowanego dźwigara strunobetonowego B20 wbudowanego w osi 5, pomiędzy osiami A–E usunąć luźne fragmenty antybakteryjnej wyprawy zabezpieczającej,
• po oczyszczeniu dolnej stopki oraz środnika odtworzyć zabezpieczenie antybakteryjne dźwigara strunobetonowego objętego analizą,
• objęty analizą dźwigar B20, w osi 5, pomiędzy osiami A–E poddać kontroli geodezyjnej – zamontować kontrolne repery: repery należało zamontować w spodzie dolnej półki w następujących lokalizacjach:

–    w środku rozpiętości,
–    w 1/3 rozpiętości od podpory, zarówno od podpory skrajnej, jak również wewnętrznej (łącznie 3 repery),

• jako tło pomiarowe przeprowadzić pomiary geodezyjne sąsiednich dźwigarów strunobetonowych:

–    B3 (w osi 5, pomiędzy osiami E–I),
–    B20 (w osi 7, pomiędzy osiami A– E),
–    B3 (w osi 7, pomiędzy osimi E–I),

• pomiary należało prowadzić przez rok, w odstępach co 2 miesiące, a wyniki pomiarów odnotowywać w Dzienniku Obserwacji,
• w przypadku stwierdzenia, na podstawie wykonanych pomiarów geodezyjnych deformacji dźwigarów, zalecono podjęcie działań mających za zadanie realizację projektu zabezpieczenia konstrukcji budynku kompostowni jako całości – z dużym prawdopodobieństwem sytuacja taka nie będzie miała jednak miejsca,
• w przypadku stwierdzenia braku jakichkolwiek deformacji po rocznym okresie obserwacji należało ją zakończyć i uznać dalszą obserwację za zbędną, a wpływ pożaru uznać jako nie mający wpływu na stateczność przestrzenną układu konstrukcyjnego budynku kompostowni.

Literatura:
[1]    Ajdukiewicz A., Brol A., Maćkowski R., Węglorz M.: Skutki oddziaływania pożaru na strunobetonowe elementy konstrukcji hali wystawowej. XXV Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane 2011, Szczecin - Międzyzdroje, 2011.
[2]    Baranowski W.: Zużycie obiektów budowlanych. Wydawnictwo Warszawskiego Centrum Postępu Techniczno-Organizacyjnego Budownictwa, Ośrodek Szkolenia Wacetob Sp. z o.o., Warszawa, 2000.
[3]    Biegus A., Mądry D.: Zagrożenie awaryjne i wzmocnienie dachu hali po wybuchu pieca elektrycznego. XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane 2009, Szczecin - Międzyzdroje, 2009.
[4]    Bukowski B.: Morfologia rys w konstrukcjach betonowych i żelbetowych. Archiwum Inżynierii Lądowej, 3, 4, Warszawa 1957.
[5]    Dziadosz A., Kapliński O., Rejment M.: Łączne koszty budynku w cyklu życia inwestycji budowlanej. Wydawnictwo Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, Bydgoszcz, 127-134, 2015.
[6]    Gajzler M., Puklińska M., Dziadosz A.: Wpływ rozwiązań projektowych na wielkość kosztów w cyklu życia inwestycji budowlanej. Archiwum Instytutu Inżynierii Lądowej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 13, 123-130, 2012.
[7]    Godycki-Ćwirko T.: Morfologia rys w konstrukcjach z betonu. Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok 1992.
[8]    Hager I.: Metody oceny stanu betonu w konstrukcji po pożarze. XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane 2009, Szczecin - Międzyzdroje, 2009.
[9]    Kucharska-Stasiak E.: Metody pomiaru zużycia obiektów budowlanych. Materiały Budowlane, Warszawa, 2, 29-38, 1995.
[10]    Maślak M., Tkaczyk A.: Ocena stanu bezpieczeństwa stalowej konstrukcji nośnej hali po pożarze. XXV Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane 2011, Szczecin - Międzyzdroje, 2011.
[11]    Michałek J., Wysocki J.: Nośność konstrukcji sprężonych a bezpieczeństwo pożarowe. Przegląd Budowlany, Warszawa, 7-8, 42-49, 1995.
[12]    Praca zbiorowa: Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław, 2007.
[13]    Rejment M., Dziadosz A.: Wybrane aspekty selekcji przedsięwzięć budowlanych z uwzględnieniem oceny ryzyka. Czasopismo Techniczne, Kraków, Zeszyt 1-B(5), (111), 221-228, 2014.
[14]    Substyk M.: Utrzymanie i kontrola okresowa obiektów budowlanych. Wydawnictwo ODDK, Warszawa, 2012.
[15]    Ściślewski Z.: Ochrona konstrukcji żelbetowych. Wydawnictwo Arkady, Warszawa, 1999.
[16]    Thierry J., Zaleski S: Remonty budynków i wzmacnianie konstrukcji. Wydawnictwo Arkady, Warszawa, 1982.
[17]    Urban T.: Wzmacnianie konstrukcji żelbetowych metodami tradycyjnymi. Wydawnictwo PWN, Warszawa, 2015.
[18]    Walentyński R., Pilśniak J., Cybulski R.: Pożar samonośnej hali łukowej wykonanej w systemie ABM. XXVI Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane 2013, Szczecin - Międzyzdroje, 2013.
[19]    PN-EN 1991-1-2:2006 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-2: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru,
[20]    Instrukcja ITB nr 409/2005: Projektowanie elementów żelbetowych i murowych z uwagi na odporność ogniową.

Dr hab. inż. Maciej Niedostatkiewicz, prof. nadzw.
Politechnika Gdańska
Wydział Inżynierii Lądowej
i Środowiska
Katedra Konstrukcji Betonowych

Pracownia Projektowo-Inżynierska Maciej Niedostatkiewicz

Źródło: Dachy, nr (218)