Stan techniczny przekrycia krzywoliniowego podstawą określenia zakresu prac remontowych

Rys. 1. Widok ogólny budynku Centrum Handlowego

Dane ogólne
Główną część bryły budynku Centrum Handlowego stanowił dawny hangar lotniczy o przekryciu łukowym (rys. 1). Brak było jednak szczegółowych  informacji co do dokładnej daty realizacji i oddania do użytkowania hangaru (rys. 2 oraz rys. 3). Na podstawie ogólnodostępnych informacji ustalono, że obiekt najprawdopodobniej zrealizowany został on na przełomie lat 30-tych i 40-tych XX wieku. Jednak właściciel obiektu nie dysponował archiwalną dokumentacją projektową, dokumentacją powykonawczą czy inwentaryzacją pochodzącą z okresu realizacji hangaru. Bezpośrednio po zakończeniu II wojny światowej hangar użytkowany był jako miejsce postojowe dla samolotów osobowych. Po likwidacji pasa lotniczego, w latach 70–tych XX wieku w hangarze usytuowany był warsztat naprawczy pojazdów Zakładu Komunikacji Miejskiej, natomiast w latach 90-tych XX wieku budynek poddany został rozbudowie (dobudowano przybudówki) i rozpoczęto jego użytkowanie jako Centrum Handlowe. Przeprowadzone w okresie od zakończenia II wojny światowej prace remontowe przekrycia dawnego hangaru lotniczego nie były związane z ingerencją w układ konstrukcyjny i polegały głównie na wymianie warstw pokrycia dachowego.     

Rys. 2. Przekrój poprzeczny przez budynek Centrum Handlowego z pokazaniem konstrukcji przekrycia

Rys. 3. Szczegóły układ prętów stalowych łukowych wiązarów kratowych przekrycia budynku  Centrum Handlowego

Konstrukcję nośną przekrycia stanowiły stalowe łukowe wiązary kratowe o rozpiętości ok. 8544 cm, rozmieszone w rozstawie co ok. 710 cm (rys. 3). Do wykonania przekrycia zastosowano 7 sztuk łukowych wiązarów kratowych, rozmieszczonych w osiach od I do VII. W większości przypadków pasy dolne wiązarów kratowych wykonane zostały z dwuteowników stalowych I300, natomiast w osiach II i VI wykonane zostały z dwuteowników I360. Pasy górne wykonano z dwuteowników I30PI. Słupki zrealizowano z ceowników 100 mm, 120 mm, 140 mm, krzyżulce wykonano jako jednogałęziowe z płaskowników 60×8 mm oraz jako dwugałęziowe z kątowników 2L60 × 30 × 6,5 mm, 2L60 × 40 × 6 mm, 2L100 × 50 × 6 mm, 2L100 × 65 × 11 mm, 2L65 × 65 × 9 mm, oraz 2L70 × 70 × 9. Połączenia węzłowe wykonano jako mieszane: w części spawane, skręcane oraz nitowane. W węzłach konstrukcyjnych zastosowano blachy węzłowe o grubości 8 oraz 10 mm.  W poziomie pasów dolnych oraz wzdłuż skrajnych pól przekrycia, pomiędzy osiami 1–2 oraz 6–7 zastosowano stężenia poziome. W polach skrajnych stężenia wykonano jako jednogałęziowe z płaskowników 60×8 mm oraz jako dwugałęziowe z kątowników  L60 × 40 × 6 mm, natomiast pomiędzy pasami dolnymi stężenia ukośne wykonano z kątowników 2L × 75 × 65 × 8 mm oraz L110×110×11 mm zestawione z L120×120×10. W osiach słupków pionowych wykonano poziome słupki z 2L160 zespawane w skrzynkę (rys. 4a). Przekrycie łukowe posiadało również stężenia połaciowe wykonane z L60×60×8 mm (rys. 4b). Płatwie dachowe zrealizowane zostały z I140 mm. Na płatwiach oparte były drewniane krokwie dachowe o wymiarach w przekroju poprzecznym 12 × 16 cm które ołacone zostały deskami drewnianymi o grubości 3,2 cm. Aktualne pokrycie dachowe stanowiły 2 warstwy papy termozgrzewalnej ułożone bezpośrednio na deskowaniu.

a)

b)

Rys. 4. Rozmieszczenie stężeń w poziomie: a) pasa dolnego, b) pasa górnego łukowych stalowych wiązarów kratowych przekrycia budynku Centrum Handlowego

Usterki przekrycia
W trakcie wizji lokalnych nie stwierdzono widocznych uszkodzeń w węzłach stalowych łukowych wiązarów kratowych, mogących świadczyć o ich przeciążeniu (rys. 5). Nie zaobserwowano rys, pęknięć czy przesunięć łączników, luźnych nitów lub śrub. Spoiny nie posiadały widocznych uszkodzeń.

a)

b)

c)

d)

Rys. 5. Szczegóły węzłów konstrukcyjnych łukowych stalowych wiązarów kratowych przekrycia budynku Centrum Handlowego: stężenia w poziomie a) pasa dolnego, b) pasa górnego, połączenia elementów c) pasa dolnego, słupków pionowych, stężeń pasa dolnego oraz usztywnień podłużnych, d) pasa dolnego,  słupków pionowych oraz krzyżulcy

Cześć prętów wykratowania wiązarów kratowych (stężeń pionowych) wykazywała lokalne deformacje związane z ich wyboczeniem z płaszczyzny dźwigarów – dotyczy to w szczególności krzyżulców jednogałęziowych wykonanych z płaskowników (rys. 6).

a)

b)

Rys. 6. Uszkodzenia elementów prętowych łukowych stalowych wiązarów kratowych przekrycia budynku Centrum Handlowego: a), b) wyboczenie krzyżulcy

W przypadku krzyżulców dwugałęziowych rozstaw pomiędzy kształtownikami stalowymi jest zaburzony ze względu na zróżnicowaną grubość blach węzłowych oraz jednogałęziowych prętów, z których wykonano krzyżulce.

W widoku od strony wnętrza poddasza (poniżej przekrycia krzywoliniowego) widoczne były lokalne ślady przecieków poprzez nieszczelności pokrycia papowego (rys. 7). Intensyfikacja uszkodzeń wilgotnościowych miała miejsce w strefach okapowych – na powierzchni krokwi oraz drewnianych desek ołacenia widoczne były ślady korozji biologicznej drewna. 

Rys. 7. Korozja biologiczna elementów drewnianych przekrycia budynku Centrum Handlowego

Arkusze papy termozgrzewalnej na kierunku wzdłuż okapu ułożone zostały bez przesunięcia styków (rys. 8a). Ponadto pokrycie z papy termozgrzewalnej wykazywało lokalne odspojenie oraz sfa lowanie (rys. 8b oraz rys. 8c). Dodatkowo na powierzchni papy termozgrzewalnej wierzchniego krycia widoczne były ślady powierzchniowego rozwoju korozji biologicznej.

a)

b)

c)

Rys. 8. Sta techniczny pokrycia papowego przekrycia budynku Centrum Handlowego: a) połączenia poprzeczne arkuszy papy bez przesunięcia, b) rozszczelnienie arkuszy papy wzdłuż styków poprzecznych, c) sfalowanie poprzeczne arkuszy papy

Stopień dekapitalizacji obróbek blacharskich łukowego przekrycia dachowego był właściwy okresowi eksploatacji budynku.

Stan techniczny przekrycia
Elementy stalowych łukowych wiązarów kratowych nie wykazywały rozległych śladów korozji – na powierzchni elementów widoczna była jedynie lokalnie korozja powierzchniowa, nie stwierdzono rozwoju korozji wżerowej. Stan techniczny połączeń wiązarów kratowych również nie wzbudzał zastrzeżeń.

Część elementów poziomego wykratowania w poziomie pasów dolnych wiązarów była uszkodzona – były to jednak uszkodzenia typu mechanicznego, prawdopodobnie spowodowane uderzeniem w okresie użytkowania budynku.

Część prętów pionowego wykratowania wiązarów kratowych wykazywała lokalne deformacje związane z ich wyboczeniem z płaszczyzny dźwigarów. Uznano, że elementy te uległy wyboczeniu ze względu na zbyt dużą smukłość i w stanie aktualnym nie biorą udziału w pracy konstrukcji.

W celu sprawdzenia wytężenia elementów konstrukcji dachu wykonane zostały sprawdzające obliczenia statyczno–wytrzymałościowe. Obliczenia przeprowadzono dla następujących elementów:

• krokwi drewnianych,
• płatwi stalowych z profili I140,
• elementów stalowych wiązarów dachowych (dla dwóch środkowych dźwigarów dachowych, różniących się pasem dolnym: typ I – I360 oraz typ II – I300).

Po wykonaniu obliczeń stwierdzono, że część elementów nie spełniała wymagań normy PN-B-03200:1990:Az3 Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie w zakresie wymagań Stanu Granicznego Nośności (SGN) i Stanu Granicznego Użytkowania (SGU). Sytuacja ta dotyczyła:

• płatwi – wytężenie dla SGN: 214% (warunek normowy nr 55),
• pas dolny I360 – wytężenie dla SGN: 125% (warunek normowy nr 55),
• pas górny I30PI – wytężenie dla SGN: 174% (warunek normowy nr 58),
• krzyżulce z płaskownika 60 × 8 –   = 4181 > 250 (przekroczenie wartości maksymalnej dopuszczalnej smukłości),
• krzyżulce z kątowników – wytężenie dla SGN: 1412% (warunek normowy nr 58).

Warunek normy PN-B-03200:1990:Az3 dla Stanu Granicznego Użytkowania (SGU) dotyczący ugięcia dźwigarów dachowych od obciążeń stałych i zmiennych (śniegiem) był spełniony:
u_z,fin  = 253 mm < u_net,fin = 342 cm.

Obliczenia wykonano przyjmując, zgodnie z informacjami zamieszczonymi w dostępnej literaturze technicznej oraz naukowo-technicznej, że wytrzymałość stali z okresu odpowiadającego okresowi realizacji hangaru lotniczego wynosi f_d = 205 MPa. W obliczeniach stalowych łukowych wiązarów kratowych pominięto obciążenie wiatrem z uwagi na jego odciążający charakter (ssanie).

Należy zauważyć, że sytuacja ponadnormatywnego wytężenia elementów w przekrojach miała miejsce w przypadku, gdy analiza prowadzona była przy zastosowaniu obciążenia śniegiem przyjmując wartości wynikające z aktualnie obowiązującej normy PN-80/B-02010/Az1 Obciążenia w obliczeniach statycznych – obciążenie śniegiem z października 2006 r., która zwiększała charakterystyczną wartość obciążenia śniegiem (z 0,9 kN/m² do 1,2 kN/m²) oraz wartość częściowego, rozdzielczego współczynnika bezpieczeństwa _f z 1,4 do wartości 1,5.

Według przepisów normowych przyjmowana do obliczeń grubość pokrywy śnieżnej (uwzględniając lokalizację obiektu) wynosiła 29 cm. Na podstawie wykonanych obliczeń można było stwierdzić, że warunki wytężenia dla SGN oraz SGU będą zachowane w elementach wiązarów łukowych w przypadku, gdy grubość pokrywy śnieżnej nie przekroczy 6 cm.

W przestrzeni pomiędzy wiązarami kratowymi (w widoku od środka) występowały lokalne uszkodzenia wilgotnościowe ołacenia z desek oraz krokwi drewnianych. Ich bezpośrednią przyczyną były miejscowe nieszczelności pokrycia papowego – sytuacja ta miała miejsce w szczególności wzdłuż okapu pomiędzy wiązarami w osiach V–VII i I–J.

Na podstawie przeprowadzonych sprawdzających obliczeń statyczno–wytrzymałościowych ustalono, że zarówno deski ołacenia, jak również krokwie dachowe spełniały wymagania normowe SGN oraz SGU:

• krokwie dachowe:

–    SGN:



–    SGU:

Elementy drewniane pokrycia poddane zostały również analizie ze względu na stopień ich zawilgocenia. Wyniki pomiarów wilgotności elementów drewnianych pokazały, że wilgotność masowa Um [%] wahała się od 9,3% do 22,7%. Elementy o wilgotności masowej w granicach od 9,3% do 14,7% można uznać za suche, z możliwością dalszej ich eksploatacji bez konieczności prowadzenia dodatkowych prac remontowych. Jako suche można było zakwalifikować elementy na ponad ok. 95% powierzchni połaci dachowej. Elementy o wilgotności powyżej 15% kwalifikowały się do uznania jako elementy wilgotne, a ze względu na stwierdzony rozwój korozji biologicznej widoczny na powierzchni elementów należało je wymienić w czasie planowanych do realizacji prac remontowych.

Na powierzchni połaci dachowej widoczne były uszkodzenia pokrycia papowego: rozwarstwienia styków, sfalowania oraz uszkodzenia korozyjne wywołane mchami i porostami. Uszkodzenia korozyjne papy występowały na fragmentach pokrycia papowego które znajdowały  się w północno–wschodniej części połaci dachowej. W części tej ułożona została papa o niskiej jakości, na której prawdopodobnie ze względu na układ tzw. róży wiatrów gromadził się śnieg przewiewany z części południowo–zachodniej połaci dachowej. Zalegający śnieg oraz zacienienie przyczyniały się do rozwoju korozji biologicznej na powierzchni warstwy wierzchniej pokrycia papowego (rozwój mchów, glonów i porostów).

Należy zauważyć, ze arkusze papy wierzchniego krycia ułożone zostały nieprawidłowo – ułożenie w kierunku równoległym do kierunku spływu wody było poprawne ze względu na nachylenie połaci dachowej, pomimo, że istniało zwiększone prawdopodobieństwo powstawania przecieków na długości podłużnego styku arkuszy zgodnego z kierunkiem spływu wody opadowej. Jednak arkusze papy ułożone zostały bez wymaganego przesunięcia w kierunku poprzecznym, wszystkie kończyły się w tym samym miejscu, co powodowało  powstawanie karbu na powierzchni połaci i przyczyniało się do powstawania nieszczelności. Ponadto na części powierzchni połaci występował brak przyczepności poszczególnych arkuszy papy podkładowej do podłoża (desek ołacenia). Stalowe obróbki blacharskie (opierzenia) były zdekapitalizowane i kwalifikowały się do wymiany.

Koncepcja projektu usunięcia usterek
Uwzględniając stan techniczny przekrycia budynku Centrum Handlowego, w tym zakres występujących usterek, zaproponowano kompleksową przebudowę całego przekrycia dachowego. Zaproponowany zakres przebudowy obejmował:

• usunięcie istniejącego ocieplenia z wełny mineralnej stropu wewnętrznego (przekrycia) wykonanego z płyt korytkowych DKZ poniżej pasa dolnego stalowych wiązarów kratowych,
• odpylenie górnej powierzchni płyt korytkowych oraz elementów konstrukcji wiązarów kratowych przy pomocy odkurzaczy przemysłowych,
• przeprowadzenie przeglądu stanu technicznego płyt korytkowych DKZ, uzupełnienie ewentualnych ubytków zaprawy cementowej w stykach pomiędzy elementami prefabrykowanymi,
• wykonanie naprawy uszkodzonych elementów poziomego stężenia pasów dolnych,
• odtłuszczenie elementów konstrukcji wiązarów kratowych oraz usunięcie lokalnych ślady korozji powierzchniowej. Wiązary stalowe należało umyć wodnym roztworem detergentów przemysłowych oraz dokładnie spłukać wodą i osuszyć,
• oczyszczenie miejsc uszkodzonych korozyjnie do stopnia czystości St3, zmatowienie pozostałych powierzchni za pomocą papieru ściernego,
• wykonanie ochronnych powłok malarskich w systemie farb epoksydowych:

• usunięcie istniejącego pokrycie z papy wraz z obróbkami blacharskimi oraz przewodami instalacji odgromowej,
• przeprowadzenie przeglądu pokrycia z desek, w przypadku stwierdzenia lokalnego uszkodzenia deski oraz ewentualne krokwi dachowej ich lokalna wymiana stosując impregnowane ciśnieniowo drewno klasy C30 – należy założyć konieczność wymiany desek ołacenia oraz krokwi dachowych w obszarze przekrycia w strefie okapowej, pomiędzy wiązarami kratowymi w osiach A–B i I–J (miejsce widocznych przecieków od strony wewnętrznej poddasza),
• zabezpieczenie przeciwgrzybiczne oraz przeciwpożarowe istniejących elementów drewnianych pokrycia z desek poprzez wykonanie ochronnych powłok malarskich z zastosowaniem właściwych preparatów,
• odtworzenie obróbek blacharskich wzdłuż okapów oraz ścian szczytowych z blachy tytanowo–cynkowej, wykonanie nowego pokrycia z papy termozgrzewalnej:

• odtworzenie ocieplenia z wełny mineralnej na części stropu wewnętrznego, poniżej pasa dolnego stalowych wiązarów kratowych wykonanego z płyt korytkowych DKZ. Wełnę mineralną o grubości 20 cm należało ułożyć na warstwie folii polietylenowej ułożonej z zakładami minimum 20 cm i klejonej na stykach oraz dodatkowo zabezpieczyć od góry warstwą folii polietylenowej którą należy ułożyć z zakładami minimum 40 cm. Miejsca styku arkuszy folii polietylenowej należy łączyć taśmą klejącą.    

Zalecono opracowanie projektu wzmocnienia łukowych wiązarów kratowych. Wyniki przeprowadzonej analizy obliczeniowej pokazały, że w celu zapewnienia spełnienia wymagań normowych SGN i SGU w ramach obsługi technicznej obiektu należy prowadzić kontrole grubości pokrywy śnieżnej zalegającej na przekryciu łukowym, a grubość pokrywy śnieżnej nie może przekraczać 6 cm – w przypadku stwierdzenia w wyniku opadów atmosferycznych przekroczenia dopuszczalnej grubości warstwy śniegu na połaci dachowej należało go w trybie natychmiastowym usuwać. Sytuacja ta w praktyce dyskwalifikowała przekrycie do dalszego użytkowania, ponieważ generowała powstawanie utrudnień eksploatacyjnych związanych w odśnieżaniem połaci dachowej.

Wnioski 
Krzywoliniowe, łukowe przekrycie budynku Centrum Handlowego obarczone było następującymi usterkami:

• lokalnymi uszkodzeniami jednogałęziowych krzyżulców wiązarów kratowych widocznymi w postaci ich wyboczenia z płaszczyzny dźwigarów,
• jednostkowymi uszkodzeniami stężeń poziomych w poziomie pasów dolnych wiązarów kratowych,
• lokalnymi uszkodzeniami wilgotnościowymi ołacenia z desek oraz krokwi drewnianych,   
• rozwarstwieniem styków, sfalowaniem oraz uszkodzeniami korozyjnymi nieprawidłowo ułożonej papy termozgrzewalnej wierzchniego krycia.

Stalowe elementy konstrukcyjne łukowego przekrycia budynku Centrum Handlowego nie spełniały wymagań normy PN-B-03200:1990:Az3 Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie w zakresie warunków Stanu Granicznego Nośności (SGN), natomiast warunek Stanu Granicznego Użytkowania, w zakresie ugięcia, był zachowany. Ze względu na występujący poziom przeciążenia prętów wiązarów kratowych niezbędne było opracowanie kompleksowego projektu wzmocnienia konstrukcji przekrycia. Do czasu opracowywania projektu wzmocnienia niezbędna była kontrola grubości pokrywy śnieżnej zalegającej na łukowej połaci dachowej,

Literatura
1. Praca zbiorowa: Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław, 2007.
2. Masłowski E., Spiżewska D.: Wzmacnianie konstrukcji budowlanych, Arkady, Warszawa, 2001.
3. Czapliński K.: Konstrukcje budowlane z dawnych tworzyw żelaznych. Materiały konferencyjne XXIII Ogólnopolskiej Konferencji Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk, 147-214, 2008.
4. Stahl im Hochbau, 10 Auflage, Julius Springer, Berlin, 1938.

dr inż. Maciej Niedostatkiewicz
Politechnika Gdańska, Wydział
Inżynierii Lądowej i Środowiska
Pracownia Projektowo-Inżynierska Maciej Niedostatkiewicz

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