Stan przedawaryjny budynku wskutek uszkodzeń konstrukcji dachu

Rys. 1. Widok ogólny budynku magazynu zbożowego

Wstęp
Czynnikami wpływającymi na stan techniczny obiektu budowlanego są: jakość dokumentacji projektowej, jego realizacja zgodnie z zasadami wiedzy technicznej oraz późniejszy sposób eksploatacji. Błędy projektowe oraz wykonawcze mają największy wpływ na bezpieczeństwo użytkowania obiektu, jednak niewłaściwa eksploatacja także może przyczynić się do pogorszenia jego stanu technicznego [1]. Usuwanie usterek i uszkodzeń w budynkach z początku XX wieku jest szczególnie trudne z uwagi na bardzo częsty brak dokumentacji projektowej i brak możliwości oceny przyjętych modeli obliczeniowych. Dodatkowym utrudnieniem jest to, że budynki te są najczęściej cały czas eksploatowane, a ich całkowite lub częściowe wyłączenie z eksploatacji powoduje powstanie bardzo poważnych utrudnień organizacyjnych [2].

Celem artykułu jest przedstawienie wpływu błędów popełnionych podczas realizacji obiektu oraz niewłaściwej eksploatacji budynku, które po okresie wieloletniej eksploatacji doprowadziły do powstania stanu przedawaryjnego konstrukcji drewnianej więźby dachowej. W artykule przedstawiono również przyjęty sposób usunięcia występujących usterek dachu.

Dane ogólne
Budynek, w którym znajdował się uszkodzony stropodach, został wzniesiony w końcu XIX wieku w technologii tradycyjnej, jako trójkondygnacyjny, nie podpiwniczony (rys. 2–6). Zasadnicza bryła budynku była prostokątem (rys. 1), mury zewnętrzne wykonano z cegły ceramicznej pełnej klasy 75–100 (f_b = 7,5–10,0 MPa) o zmiennej grubości w zależności od wysokości budynku: 51 cm (przyziemie), 38 cm (I piętro) i 25 cm (II piętro).

Strop przyziemia (nad przyziemiem) to strop na belkach drewnianych, jako tzw. strop nagi, czyli bez podsufitki oraz „ślepego” pułapu (rys. 2, 5, 6). Belki stropowe o wymiarach w przekroju poprzecznym 21 × 25 cm rozmieszczone zostały w rozstawie od 84 do 107 cm. Ze względu na trójnawowy charakter budynku belki zostały wykonane jako dwuprzęsłowe, co druga belka była łączona naprzemiennie nad tą samą podporą (podciągiem). Jako podpory skrajne wykorzystano ceramiczne mury zewnętrzne, dla co czwartej belki stropowej podpory stanowiły słupy drewniane. Wymiary słupów w przekroju poprzecznym wynoszą 15 × 12,5 cm (słupy skrajne przy ścianach) oraz 24 × 24 cm (słupy środkowe). Podpory pośrednie dla belek stropowych stanowiły podłużne drewniane podciągi o wymiarach w przekroju poprzecznym 24 × 32 cm. W kierunku podłużnym i poprzecznym konstrukcja stropu została usztywniona mieczami (zastrzałami) o wymiarach w przekroju poprzecznym 15 × 18 cm. W węzłach między sąsiednimi elementami drewnianymi wykonano połączenia ciesielskie (na wręby czołowe) z dodatkowym zabezpieczeniem przy pomocy drewnianych kołków. W części budynku (między osiami 7 i 8) belki stropowe oparte były na podciągu, którego wymiary w przekroju poprzecznym wynosiły 25 × 52 cm. Wysokość podciągu uzyskano poprzez zespolenie dwóch elementów z wykorzystaniem połączenia ciesielskiego (typu wrębowego). Słupy posadowione zostały na gruncie za pośrednictwem drewnianych belek, tzw. podwalin. Połączenia słupów z podwalinami wykonstruowane zostały jako połączenia ciesielskie (wrębowe) z wykorzystaniem drewnianych kołków stabilizujących, nie zastosowano łączników metalowych.

Rys. 2. Budynek magazynu zbożowego w poziomie przyziemia:  a) rzut, b) układ konstrukcyjny

W poziomie I piętra (strop nad I piętrem) układ konstrukcyjny stropu był bardzo zbliżony do układu konstrukcyjnego w poziomie parteru: słupy skrajne miały wymiary 16 × 12 cm, miecze skrajne 15 × 18 cm, natomiast podłużne podciągi 24 × 32 cm (rys. 3, 5, 6). Miecze w kierunku podłużnym i poprzecznym miały wymiary w przekroju poprzecznym 15 × 18 cm, a drewniane belki stropowe wymiary w przekroju poprzecznym 21 × 25 cm i rozmieszczone były w rozstawie od 84 cm do 105 cm (rys. 7 a b).

Rys. 3. Budynek magazynu zbożowego w poziomie I piętra: a) rzut, b) układ konstrukcyjny

W poziomie II piętra (nad II piętrem) układ konstrukcyjny dachu (stropodachu) stanowił powtórzenie układu konstrukcji stropu nad I piętrem z tą różnicą, że wprowadzone zostały dodatkowe skrajne słupy ukośne o wymiarach 18 × 16 cm, usztywnione w kierunku podłużnym dodatkowymi mieczami o wymiarach 12 × 14 cm (rys. 3, 4, 5). Słupy ukośne podtrzymywały dodatkową płatew o wymiarach 16,5 × 17 cm, pełniącą funkcję podpory dla krokwi dachowych. Główne (wewnętrzne) płatwie pośrednie o wymiarach 16 × 18 cm podparte były słupami, które posiadały miecze w kierunku podłużnym i poprzecznym, podobnie jak w przypadku stropu nad I piętrem. Słupy ukośne były stężone kleszczami ze skrajnymi słupami pionowymi (rys. 7c). Rozstaw krokwi dachowych o wymiarach w przekroju poprzecznym 12,5 × 16 cm wynosił od 82 do 90 cm.

Dach pokryty był papą na deskowaniu (wierzchnia warstwa papy termozgrzewalnej ułożona na 3 warstwach papy asfaltowej przyklejonej na lepiku asfaltowym).

Budynek posiadał wewnętrzną klatkę schodową o konstrukcji drewnianej ze schodami na belkach policzkowych.

Rys. 4. Budynek magazynu zbożowego w poziomie  II piętra: a) rzut, b) układ konstrukcyjny

Na podstawie informacji ustnych ustalono, że budynek użytkowany był od chwili rozpoczęcia eksploatacji jako obiekt związany z produkcją i przetwórstwem rolnym, pełniąc funkcje obiektu o charakterze magazynowym. Od lat 60. XX wieku budynek użytkowany był jako tzw. magazyn zbożowy. W początkowym okresie zboże składowane było luzem, bezpośrednio na drewnianych gretingach posadzki przyziemia oraz na stropie nad przyziemiem i I piętrem, natomiast od lat 80. XX wieku zboże składowane było w workach.

Usterki i uszkodzenia elementów drewnianych
W trakcie tzw. rocznego przeglądu budynku magazynu zbożowego (Kontrola stanu technicznego obiektu budowlanego) stwierdzono uszkodzenia elementów drewnianych, w szczególności:

• schody z poziomu przyziemia na poziom I piętra wykazywały uszkodzenia mechaniczne podnóżków i przednóżków oraz belek policzkowych,
• klatka schodowa z poziomu I piętra na poziom II piętra poddasza posiadała ślady uszkodzeń mechanicznych elementów drewnianych. Zakres uszkodzeń odpowiadał uszkodzeniom elementów w poziomie pomiędzy przyziemiem a I piętrem,
• część drewnianych słupów w poziomie I piętra (w strefie przypodłogowej) wykazywała ubytki korozyjne dochodzące do 1,5 cm (rys. 8a),
• drewniane elementy stropu nad II piętrem (stropodachu) charakteryzowały się występowaniem rozległych śladów żerowania larw i owadów, ponadto widoczne były intensywne ślady rozwoju korozji biologicznej. Zarówno miecze w kierunku podłużnym, jak również ukośne słupy w poziomie konstrukcji dachu (stropodachu) wykazywały bardzo intensywne ślady uszkodzeń spowodowanych rozwojem technicznych szkodników drewna – żerowaniem larw i owadów (rys. 8bc). Podobne uszkodzenia występowały w zewnętrznych płatwiach pośrednich (rys. 8d),
• znaczna część słupów drewnianych w poziomie II piętra (w strefie przypodłogowej) wykazywała ubytki drewna dochodzące do grubości 2,5 cm.

Elementy drewniane stropu nad przyziemiem i stropu nad I piętrem nie wykazywały śladów żerowania larw i owadów, brak było widocznych uszkodzeń wywołanych korozją biologiczną. Słupy drewniane w poziomie przyziemia nie były zawilgocone w strefie przyposadzkowej.

Rys. 5. Budynek magazynu zbożowego – przekrój podłużny A-A

W poziomie poddasza nie wykonano wzdłuż osi 7 słupów podpierających płatwie dachowe. Płatwie pośrednie zewnętrzne, pomiędzy osiami A–B oraz C–D na części długości wykazywały widoczne „gołym” okiem „ugięcia dochodzące do 8 cm – rozstaw pomiędzy słupami podpierającymi płatwie (pomiędzy osiami 6–8) wynosił ok. 606 cm zamiast ok. 420 cm, jak miało to miejsce w osiach 2–3 oraz 3–4, czy ok. 440 cm, jak miało to miejsce w osi 4–6 (rys. 4, 5, 6).

Rys. 6. Budynek magazynu zbożowego – przekrój poprzeczny: a) I-I, b) II-II

Analiza stanu technicznego elementów drewnianych
Określenie stanu technicznego elementów konstrukcji drewnianych polegało na:

• analizie wyników pomiarów wilgotności,
• analizie wyników sprawdzających obliczeń statyczno–wytrzymałościowych.

Pomiary i obliczenia wykonano dla elementów stropu nad przyziemiem, stropu nad I piętrem oraz stropu nad II piętrem (stropodachu) parterem.

Sprawdzające obliczenia statyczno–wytrzymałościowe wykonane zostały dla następujących założeń:

• przyjęto obliczeniową klasę drewna C24,
• przyjęto obciążenie śniegiem o wartości 1,2 kN/m² (jak dla strefy 3), wartość współczynnika obciążenia ?_f = 1,5., według aktualnie obowiązującej normy PN-80/B-02010/Az1 z października 2006 r. Obciążenia w obliczeniach statycznych – obciążenie śniegiem.

Wyniki pomiarów wilgotności konstrukcji stropów nad parterem oraz I piętrem pokazały, że wilgotność masowa U_m [%] waha się pomiędzy 9,2% a 11,3% co pozwala zakwalifikować elementy drewniane jako znajdujące się w stanie powietrzno-suchym.
 

Rys. 6. Budynek magazynu zbożowego – przekrój poprzeczny: a) I-I, b) II-II

Na podstawie wyników obliczeń statyczno–wytrzymałościowych sformułowano następujące wnioski:

• elementy konstrukcyjne stropu nad przyziemiem w obszarze ograniczonym osiami A–D oraz 1–5 spełniały wymagania normowe dla Stanu Granicznego Nośności (SGN) oraz Stanu Granicznego Użytkowania (SGU) dla przypadku obciążenia zmiennego o wartości p = 3,0 kN/m². Elementem decydującym o spełnieniu wymagań normowych w tym obszarze jest wytrzymałość drewna wbudowanego w podciąg f_md (wytężenie 57%), obliczone ugięcie wynosiło (u_z,lim = 10,1 mm) i było mniejsze od dopuszczalnego (u_net,fin = 14,2 cm),
• elementy konstrukcyjne stropu nad przyziemiem w obszarze ograniczonym osiami A–D oraz 5–8 spełniały wymagania normowe dla Stanu Granicznego Nośności (SGN) oraz Stanu Granicznego Użytkowania (SGU) dla przypadku obciążenia zmiennego o wartości p = 2,5 kN/m². Elementem decydującym o spełnieniu wymagań normowych w tym obszarze była wytrzymałość drewna na ściskanie wzdłuż włókien f_c,0,d (wytężenie 90%),
• elementy konstrukcyjne stropu nad I piętrem w obszarze ograniczonym osiami A–D oraz 1–8 spełniają wymagania normowe dla Stanu Granicznego Nośności (SGN) oraz Stanu Granicznego Użytkowania (SGU) dla przypadku obciążenia zmiennego  wartości p = 3,0 kN/m2. Elementem decydującym o spełnieniu wymagań normowych w tym obszarze była wytrzymałość drewna (na zginanie f_md) wbudowanego w podciąg (wytężenie 57%), ugięcie u_z,lim = 10,1 mm < u_net,fin = 14,2 cm,

Wilgotność masowa U_m [%] elementów drewnianych stropu nad II piętrem (stropodachu) wahała się w zakresie 9,2%–11.0%, co podobnie jak w przypadku stropów nad parterem oraz nad I piętrem kwalifikuje elementy drewniane jako znajdujące się w stanie powietrzno-suchym.
 

Rys. 8. Uszkodzenia konstrukcji drewnianej dachu budynku magazynu zbożowego spowodowane: a) rozwojem korozji biologicznej słupa w poziomie stropu nad I piętrem, b) w mieczach, c) w płatwi pośredniej więźby dachowej

Na podstawie wyników obliczeń statyczno–wytrzymałościowych sformułowano następujące wnioski:

• płatwie dodatkowe (zewnętrzne) o wymiarach 16,5 × 17 cm w polach pomiędzy osiami 6–8  obliczeniowo nie spełniały wymagań Stanu Granicznego Użytkowania (SGU): u_lim = 45 mm > u_z,fin = 30 mm. Sytuację tą potwierdzają widoczne „gołym” ugięcia płatwi, które zdecydowanie przekraczają wielkości odkształceń reologicznych,
• pozostałe elementy konstrukcyjne drewnianej więźby dachowej spełniają wymagania normowe dla Stanu Granicznego Nośności (SGN) oraz Stanu Granicznego Użytkowania (SGU).

Ponadto przeprowadzone sprawdzające obliczenia statyczno – wytrzymałościowe dowiodły, że uwzględnienie rzeczywistych ubytków przekroju poprzecznego słupów drewnianych w poziomie I oraz II piętra nie wpływają w sposób istotny na spadek nośności słupów (w poziomie I piętra: wytężenie 87% dla przekroju pełnego, wytężenie 96% dla przekroju osłabionego korozyjnie, w poziomie II piętra: wytężenia odpowiednio 54% oraz 63%). Uszkodzenia słupów drewnianych w strefie przypodłogowej występowały w miejscach, gdzie zgodnie z uzyskanymi informacjami, zboże było składowane najdłużej – elementy drewniane były obsypane ziarnem, co pogarszało możliwość „oddychania” drewna i stwarzało warunki sprzyjające rozwojowi korozji biologicznej.

Propozycja naprawy elementów drewnianych
Uwzględniając stan techniczny elementów drewnianych, w tym konstrukcji drewnianej więźby dachowej zaproponowany został następujący zakres naprawy [3-4]:

• wykonanie wzmocnienia zewnętrznych płatwi dachowych w polach pomiędzy osiami 6–8 w poziomie stropu nad II piętrem (stropodachu) poprzez wykonanie obustronnych nadbitek z desek drewnianych o grubości 25 mm i wysokości 150 mm,
• sukcesywna wymiana mieczy podtrzymujących w kierunku podłużnym zewnętrzne płatwie dachowe w poziomie stropu nad II piętrem (stropodachu), jak również ukośnych słupów więźby dachowej,
• uzupełnienie ubytków przekroju poprzecznego słupów w poziomie I oraz II piętra poprzez wykonanie tzw. „fleków”,
• docelowe zabezpieczenie elementów drewnianych środkami ochrony biologicznej (preparaty przeciwgrzybiczne) i ochrony przeciwpożarowej.

Wnioski
Przyczyną katastrof budowlanych, awaryjnego lub przedawaryjnego stanu technicznego budynków są najczęściej błędy projektowe i wykonawcze, a sam sposób eksploatacji przyczynia się do pogorszenia ich stanu technicznego, często prowadząc do powstania bezpośredniego zagrożenia mienia, zdrowia i życia użytkowników obiektów budowlanych. W opisanym przypadku magazynu zbożowego ze względu na brak dokumentacji projektowej, jak również dokumentacji powykonawczej nie było możliwości oceny, czy zastosowanie zmniejszonych pod względem wymiarów w przekroju poprzecznym zewnętrznych płatwi pośrednich drewnianej więźby dachowej na fragmencie rzutu budynku było następstwem błędu projektowego czy też konsekwencją samowoli wykonawcy. Brak remontów okresowych obiektu oraz brak remontu kapitalnego przyczyniły się do istotnego pogorszenia stanu technicznego obiektu. W wyniku żerowania larw i owadów uszkodzeniu uległy miecze podtrzymujące zewnętrzne płatwie pośrednie drewnianej więźby dachowej oraz słupy ukośne więźby dachowej. Składowanie zboża luzem przyczyniło się do rozwoju uszkodzeń korozyjnych słupów w strefie przypodłogowej. Zaproponowana metoda wzmocnienia konstrukcji płatwi polegała na wykonaniu obustronnych nadbitek z desek drewnianych, ponadto przewidziano sukcesywną wymianę uszkodzonych korozyjnie mieczy i słupków.

Literatura
1. Masłowski E., Spiżewska D.: Wzmacnianie konstrukcji budowlanych, Arkady, Warszawa, 1999.
2. Praca zbiorowa: Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław, 2007.
3. Kotwica J.: Konstrukcje drewniane w budownictwie tradycyjnym, Arkady, Warszawa, 2007.
4. Rudziński L.: Konstrukcje drewniane. Naprawy, wzmocnienia, przykłady obliczeń, Politechnika Świętokrzyska, Kielce, 2010.

dr inż. Maciej Niedostatkiewicz,
Politechnika Gdańska
Pracownia Projektowo-Inżynierska Maciej Niedostatkiewicz
mgr inż. Tomasz Majewski
Pracownia Projektowo-Inżynierska Tomasz Majewski