pełny tekst - Awarie budowlane

XXVI
Konferencja
Naukowo-Techniczna
awarie budowlane 2013
BOGDAN PODOLSKI, [email protected]
PRO-EKSPERT, Wrocław
CZESŁAW RYBAK
Biuro Usług Geotechnicznych „GEOTECH”, Wrocław
MICHAŁ PODOLSKI, [email protected]
JAROSŁAW RYBAK, [email protected]
Politechnika Wrocławska
GROŹNA AWARIA BUDYNKU W ZWIĄZKU
Z ROBOTAMI FUNDAMENTOWYMI W SĄSIEDZTWIE
DANGEROUS BREAKDOWN OF THE BUILDING CAUSED BY FOUNDATION
WORK IN THE NEIGHBORHOOD
Streszczenie W referacie przedstawiono przypadek groźnej awarii budynku z początku XX wieku
spowodowanej robotami fundamentowymi na sąsiedniej parceli. Do tej sytuacji przyczyniły się niepełne
rozpoznanie geotechniczne oraz nieadekwatna do istniejących warunków technologia robót palowych.
Usunięcie bezpośrednich zagrożeń wymagało zarówno działań doraźnych, jak również kosztownych
wzmocnień fundamentów istniejącego budynku. Ta kolejna, poważna awaria zwraca uwagę na konieczność uściślenia procedur dotyczących przygotowania i realizacji robót budowlanych w warunkach gęstej,
śródmiejskiej zabudowy.
Abstract This paper presents a case study of a dangerous breakdown of a building dating back to
the beginning of the 20th century. The damage was caused by the foundation works carried out on
the adjacent parcel. The reasons behind the damage were: incomplete geotechnical survey and inappropriate selection of foundation work technology in relation to geotechnical conditions. In order to
eliminate direct threats, it was necessary to undertake both: immediate action and long-term procedures
(expensive reinforcement of the foundations of the existing building).
1. Wprowadzenie
Powszechnie wiadomym jest, iż wznoszenie obiektów budowlanych w obszarze gęstej
zabudowy śródmiejskiej naraża istniejące w otoczeniu obiekty na dodatkowe oddziaływania,
które mogą powodować ich uszkodzenia i stany awaryjne, a w szczególnych przypadkach,
przy braku działań zapobiegawczych, nawet rozległe zniszczenia. Charakter tych oddziaływań, przyczyny ich występowania oraz sposoby przeciwdziałania są ogólnie znane, dla
przypadku wpływu głębokich wykopów przedstawiono je m.in. w pracy [1]. Wiedza ta nie
przekłada się jednak wyraźnie na ograniczenie liczby awarii budynków znajdujących się
w sąsiedztwie nowowznoszonych, o czym świadczą np. prace [2, 3]. W pracy przedstawiono
przykład rozległej i poważnej w skutkach awarii istniejącego budynku, powstałej w związku
z budową nowego obiektu, która pozwoliła na sformułowanie bardziej ogólnych wniosków
dotyczących tego ważnego problemu.
410
Podolski B. i in: Groźna awaria budynku w związku z robotami fundamentowymi w sąsiedztwie
2. Charakterystyki budynku istniejącego oraz nowego obiektu
Awarii uległ budynek narożny, o rozbudowanym rzucie poziomym pokazanym na rys. 1,
stanowiący składnik zachowanego fragmentu pierzei. Od strony północnej do budynku przylegała parcela niezabudowana, pozostała po budynku zniszczonym na skutek działań wojennych. Sąsiadująca z nią parcela również była wolna. Przedmiotowy 4-kondygnacyjny, całkowicie podpiwniczony budynek został wzniesiony ok. 1902 r. i znajdował się w strefie ochrony
konserwatorskiej. Ogólna charakterystyka tego budynku:
– fundamenty w postaci ław betonowych tworzących ruszt fundamentowy, wzmocnionych
zatopionymi w betonie stalowymi belkami,
– ściany nośne murowane,
– stropy piwniczne odcinkowe,
– stropy kondygnacji nadziemnych w większości w postaci prefabrykowanych płyt żelbetowych, mających w rzucie kształt równoległoboczny (płyty Wygasch), opartych na
belkach stalowych, lokalnie stropy Kleina oraz drewniane,
– więźba dachowa typu pulpitowego,
– od strony elewacji frontowych wykusze i balkony.
Budynek był dwukrotnie poddawany gruntownemu remontowi: w 1956 r. oraz na kilka lat
przed awarią. Wygląd budynku ilustrują rys. 1 i 2.
Rys. 1. Sytuacja placu budowy oraz przykładowy rzut I piętra istniejącego budynku
Nowy budynek miał przylegać od strony północnej do budynku poprzednio opisanego
i miał zostać wzniesiony na dwóch wolnych parcelach (rys. 1). Kształt projektowanego
budynku był złożony, dostosowany do działek budowlanych. Został zaprojektowany jako
obiekt 7-kondygnacyjny z garażami w kondygnacji podziemnej, przy czym część garaży
planowano usytuować poza rzutem budynku. Charakterystyka tego budynku:
– zaprojektowano posadowienie na żelbetowej płycie o grubości 60 cm z lokalnymi pogrubieniami, opierającej się na palach CFA o średnicach 60 i 80 cm,
– nadziemną konstrukcję nośną stanowiły układy płytowo-słupowe z lokalnie występującymi żelbetowymi tarczami ściennymi.
Geotechnika
411
Posadowienie nowego budynku na palach zostało przyjęte ze względu na zróżnicowane
warunki gruntowe i obecność gruntów nienośnych (namułów) w podłożu – erozyjnej rynnie.
Szerokoprzestrzenny wykop pod budynek zabezpieczono ściankami berlińskimi za
wyjątkiem styku ze starym budynkiem, gdzie przejęto, że zabezpieczenie stanowić będą dwa
rzędy pali wierconych przeznaczonych do oparcia płyty fundamentowej nowego budynku.
3. Przebieg awarii oraz jej skutki
Awaria istniejącego budynku rozpoczęła się gwałtownie, w czasie wykonywania przy
północnej ścianie szczytowej pali CFA pod płytę fundamentową nowego budynku. Pojawiły
się wówczas liczne pęknięcia i rysy w stropach, nadprożach i ścianach nośnych, w tym
zwłaszcza w rejonie klatki schodowej (rys. 2, 4-7), zaś sam budynek zaczął nierównomiernie
osiadać, znacznie bardziej od strony budowy. Początkowe osiadania fundamentów budynku
zmierzone następnego dnia po rozpoczęciu robót palowych wynosiły 1 – 33 mm, przy czym
największa wartość pojawiła się od strony podwórza, w wewnętrznym narożu budynku
(rys. 3). Stan ten został oceniony jako stwarzający zagrożenie, w związku z czym niezwłocznie
podstemplowano najbardziej uszkodzone elementy (nadproża, prefabrykowane płyty stropowe, które mogły spaść z belek, elementy stalowej klatki schodowej) oraz wykwaterowano
wszystkim mieszkańców. Dwa lokale sklepowe usytuowane na parterze miały być tymczasowo, pod nadzorem, użytkowane. Równocześnie został rozpoczęty monitoring stanu technicznego budynku, w którym uczestniczyli autorzy niniejszego referatu, a który stanowił rozszerzenie monitoringu geodezyjnego oraz monitoringu do tej pory częściowo sprawowanego
przez pracowników wykonawcy. Stanowił on podstawę do bieżącej oceny zjawiska rozszerzania się zakresu uszkodzeń głównych elementów konstrukcyjnych oraz podstawę identyfikacji zagrożeń i formułowania zaleceń dotyczących dalszych niezbędnych, tymczasowych
wzmocnień. Bieżących ocen dokonywano na podstawie obserwacji stanu licznych plomb
kontrolnych (pomiary rozwarcia rys powstających na plombach), badań wizualnych oraz
badań odkrywek, zaś wyniki były konfrontowane z rezultatami pomiarów geodezyjnych osiadań budynku.
Bezpośrednio po wystąpieniu awarii roboty budowlane zostały wstrzymane, zabezpieczono teren przy ścianie szczytowej wykonując tam przyporę z nasypu ziemno-gruzowego,
a następnie rozpoczęto ponownie palowanie w tym samym rejonie, przy czym pale CFA
zamieniono na pale TUBEX, co miało wyeliminować negatywny wpływ technologii palowania i zarazem wytworzyć (łącznie z wykonanymi wcześniej palami CFA) palisadę eliminującą
przemieszczanie się (wypieranie) gruntu spod istniejącego budynku w stronę wykopu. Po wykonaniu części pali TUBEX nie zaobserwowano jednak tendencji do stabilizowania się
osiadań. Można to tłumaczyć ich wspornikową pracą i relatywnie małą sztywnością. Mimo to
rozpoczęto ponownie, w sąsiedztwie osiadającego budynku, roboty palowe z wykorzystaniem
technologii CFA, co nie wstrzymało przyrostu jego osiadań.
Ponieważ wykonana palisada nie zahamowała dalszego osiadania budynku i rozwoju jego
uszkodzeń, roboty budowlane w rejonie ściany szczytowej budynku zostały ponownie, tym
razem na ok. 6 miesięcy, przerwane do czasu zapewnienia przez wykonawcę robót stabilizacji
osiadań budynku i zabezpieczenia elementów konstrukcyjnych. Kontynuowane były roboty
nie wpływające na stan budynku, który uległ awarii.
412
Podolski B. i in: Groźna awaria budynku w związku z robotami fundamentowymi w sąsiedztwie
Rys. 2. Najbardziej zniszczona wschodnia elewacja budynku oraz schemat osiadań
Mimo wstrzymania robót w pobliżu istniejącego budynku proces jego osiadania nie uległ
całkowitemu zahamowaniu, pojawiały się też lokalnie nowe uszkodzenia. Problem ten ilustrują
wykresy osiadań fundamentów budynku (rys. 3), które pokazują narastające przechylenie
północnego skrzydła budynku. Pojawiły się również obawy o zagrożenia powodowane przez
odspajające się większe fragmenty tynków w miejscach pęknięć ściany frontowej, a także
niektóre detale architektoniczne. Dlatego monitoring budynku rozszerzono o bieżącą ocenę
stanu tej najbardziej uszkodzonej elewacji, którą prowadzono z poziomów rusztowania.
Aby ustabilizować budynek wykonawca podjął decyzję o wzmocnieniu fundamentów
uszkodzonego budynku za pomocą iniekcyjnych pali wciskanych, które były wstępnie naprężane dla umożliwienia ich natychmiastowego włączenia się do przenoszenia obciążeń z konstrukcji. Prace te zrealizowano w ciągu kilku miesięcy. Jeszcze przed rozpoczęciem tych robót,
dla zapewnienia bezpiecznych warunków pracy, wykonano na dwóch poziomach skotwienia
zagrożonej ściany szczytowej ze ścianami podłużnymi, a także sukcesywnie wzmacniano
(stemplowano) uszkodzone elementy konstrukcyjne. Po zakończeniu wzmacniania fundamentów nastąpiła spodziewana stabilizacja osiadań, (rys. 3), a także zahamowany został rozwój
uszkodzeń konstrukcji. Dopiero wówczas wydana została decyzja o dokończeniu robót palowych przy ścianie szczytowej budynku w technologii CCFA. Roboty te zakończyły się bezawaryjnie, w związku z czym proces wznoszenia nowego budynku był normalnie kontynuowany.
Po opisanych poprzednio przejściach istniejący, o ładnej architekturze budynek został
w dużym zakresie zniszczony, zaś jego konstrukcja znacznie osłabiona. Pozytywnym, choć
kosztownym rezultatem podjętych działań było gruntowne wzmocnienie posadowienia
budynku.
Geotechnika
413
Rys. 3. Przebieg osiadań budynku (usytuowanie reperów wg rys. 1)
Usytuowanie i zakres uszkodzeń budynku (rys. 2, 4÷7) wyraźnie wskazuje na ich związek
z osiadaniami fundamentów (rys. 3). Jak wynika z pomiarów, nierównomiernemu osiadaniu
uległo skrzydło północne budynku, przy czym z kształtu bryły osiadań wynika, że w obszarze
największych uszkodzeń (styk skrzydeł północnego i zachodniego) nastąpiło swego rodzaju
przełamanie się budynku. Destrukcje najpierw zaobserwowano w ścianach i nadprożach klatki
schodowej (rys. 6) oraz w pobliskich ścianach wewnętrznych, początkowo były one słabo
widoczne na wschodniej ścianie frontowej, później znacznie powiększyły się (rys. 2). Lokalnie
uszkodzenia były również obserwowane w skrzydle zachodnim. Rozwarcia pęknięć ścian
nośnych zawierały się w zakresie od ułamków mm do ok. 15 mm i na ogół były większe
w górnych częściach budynku. Poważne zagrożenia lokalnymi awariami powodowały:
– pęknięcia ścian w rejonach stalowych nadproży okiennych oraz pęknięcia nadproży sklepionych obciążonych belkami stropowymi, które mogły doprowadzić do zawalenia się
fragmentów stropów,
– pęknięcia ścian pod podparciami belek podestowych, które groziły awarią biegów,
– pęknięcia stropów powodujące redukcje długości oparć płyt Wygasch na belkach
stalowych, co groziło upadkami płyt (rys. 7).
4. Przyczyny opisanej awarii
Przyczyny powstania uszkodzeń elementów konstrukcyjnych budynku mają genezę
w błędach popełnionych na każdym z wymienionych etapów:
– rozpoznania geotechnicznego podłoża,
– projektu wykonawczego fundamentów,
– wykonywania pali żelbetowych oraz zabezpieczenia wykopu.
414
Podolski B. i in: Groźna awaria budynku w związku z robotami fundamentowymi w sąsiedztwie
Rys. 4. Pęknięcie w środkowej części ściany wschodniej
Rys. 6. Pęknięcia ściany klatki schodowej
Rys. 5. Pęknięcie ściany wschodniej
w rejonie dachu
Rys. 7. Uszkodzenia stropu Wygasch
Należy szczególnie podkreślić, że na żadnym z wymienionych etapów nie włączono do
współpracy inżyniera geotechnika znającego realia terenu projektowanej budowy. Geotechnik
został zaproszony do współpracy już po zaistnieniu pierwszych stanów awaryjnych i wstrzymaniu robót.
Opis warunków geotechnicznych przyjęto na podstawie dokumentacji geotechnicznych,
które wykonywano aż w czterech etapach. Konieczność wykonywania kolejnych dokumentacji wynikała z niewłaściwie zaprogramowanych badań geotechnicznych. Składało się na to:
– kończenie wierceń badawczych w obrębie gruntów nienośnych (tj. w namułach),
– wykonywanie otworów do głębokości, które okazały się niedostateczne dla zaprojektowania fundamentów na palach (ryzyko niezachowania warunku odnośnie do położenia
podstaw projektowanych pali względem stropu kolejnej warstwy),
– zbyt mała liczba otworów badawczych do oprofilowania rynny erozyjnej (wypełnionej
namułami w stanie plastycznym i miękkoplastycznym) w obrębie rzutu budynku
istniejącego i projektowanego.
Geotechnika
415
Ze względu na warstwę namułów o miąższości ok. 8 m, warunki posadowienia budynku
były skomplikowane. Zgodnie z Rozporządzeniem [4], w sytuacji występowania skomplikowanych warunków geotechnicznych i konieczności wykonania wykopu, projektowaną budowę należało zaliczyć do 3 kategorii geotechnicznej. Dokumentacje do projektowania nie
spełniały istotnych wymogów opracowywania dokumentacji geotechnicznych. Dokumentacje
uzupełniające, ze względu na ograniczony zakres, również nie pozwalały na w pełni wiarygodne i bezpieczne projektowanie.
Analizę sposobu zabezpieczenia wykopu i wpływu na sąsiednią zabudowę wykonano na
podstawie instrukcji ITB [1]. Analiza ta nie uwzględniała jednak rzeczywistych warunków,
jakie zachodziły w rozpatrywanym przypadku.
Projekt budowlany przewidywał zabezpieczenie wykopu przy ścianie szczytowej istniejącego budynku szczelną ścianką stalową. Ponieważ budynek istniejący posadowiony był
głębiej niż projektowany poziom platformy roboczej do wykonywania pali i zarazem poniżej
poziomu posadowienia projektowanego budynku, w projekcie wykonawczym zrezygnowano
z ścianki szczelnej, uważając za wystarczające zabezpieczenie przez wykonanie 2 rzędów pali
pod konstrukcję projektowanego budynku. Założenie to okazało się błędne, gdyż pale powyżej
stropu twardoplastycznych i półzwartych glin (na długości ok. 8,0 m) pogrążone były w obrębie plastycznych i miękkoplastycznych namułów.
Dla posadowienia obiektu przyjęto pale CFA o średnicy 0,60 m i 0,80 m, te ostatnie
w sąsiedztwie budynku. Pale były zbrojone koszami zbrojeniowymi. W obliczeniach statycznych pali nie uwzględniono ich zginania wywołanego różnicą parć od strony budynku sąsiedniego i pod projektowanym obiektem.
Wykonanie wykopu szerokoprzestrzennego w sąsiedztwie ściany szczytowej budynku
istniejącego spowodowało zmianę stanu naprężenia w obrębie posadowienia przylegających
budynków. Pod rzutem wykopu nastąpiło odciążenie, od strony istniejącego budynku obciążenia pozostały niezmienione. Nierównowaga stanu naprężenia w podłożu pogłębiała się
sukcesywnie z postępem robót.
Gwałtowny przyrost osiadań był skorelowany w czasie z wykonywaniem pierwszych 5 pali
CFA. W trakcie wykonywania tych pali (pogrążania świdra) na powierzchnię platformy roboczej wynoszono znaczne objętości gruntów rodzimych (namułów). Oznacza to, że podczas
zbyt powolnego pogrążania świdra w podłoże nośne pełnił on rolę przenośnika ślimakowego
wynoszącego namuły na powierzchnię. Sytuacja taka miała miejsce, ponieważ pod wielometrową warstwą namułów zalegały twardoplastyczne i półzwarte gliny zwałowe. Podczas betonowania tych pali wystąpiło również znaczne, ponadnormatywne zużycie betonu. Przykładowo: dla pali o długości 13,5 m i nominalnej średnicy 0,80 m wbudowywano od 10,5÷13,0 m3
betonu (przy objętości nominalnej ok. 7 m3).
Zaobserwowane zjawiska i ich analiza wskazują, iż bezpośrednią przyczyną nierównomiernych przemieszczeń fundamentów i całego budynku oraz wynikłych stąd licznych uszkodzeń jego konstrukcji były nieuniknione przemieszczenia słabego podłoża gruntowego naruszonego podczas robót palowych. Istotny wpływ na obraz uszkodzeń budynku miała nierównomierność osiadań w obszarze skrzydła północnego, o czym poprzednio wspomniano.
Spowodowało to nie tylko zginanie budynku jako całości, lecz również jego przechylenie
i skręcenie.
Istniejący budynek był oparty na betonowych ławach fundamentowych, które co prawda
były zbrojone kształtownikami, to jednak była to konstrukcja nieodpowiednia w odniesieniu
do istniejących warunków gruntowych, zwłaszcza w warunkach prowadzenia robót palowych
w sąsiedztwie.
416
Podolski B. i in: Groźna awaria budynku w związku z robotami fundamentowymi w sąsiedztwie
5. Wnioski
Przedstawiony przykład rozległej awarii dużego budynku ponownie zwraca uwagę na
nieprawidłowości prowadzenia robót budowlanych, głównie fundamentowych, w gęstej zabudowie. Przyczyny opisanej awarii dotyczą faz przygotowania jego dokumentacji, posadowienia oraz realizacji robót palowych. Problematyka ta była przedmiotem licznych analiz i publikacji, w związku z czym można było oczekiwać wyeliminowania groźnych awarii związanych
z tzw. budownictwem plombowym. Tak się jednak nie stało i wydaje się, że bez istotnych
zmian w procesie dotyczącym tego budownictwa trudno będzie oczekiwać wyraźnej poprawy.
Doświadczenia autorów związane z opisaną w referacie awarią, innymi podobnymi przypadkami, a także postulaty zawarte w literaturze dotyczącej tej problematyki umożliwiają sformułowanie następujących wniosków:
– awarie budynków sąsiadujących z obiektami nowowznoszonymi są zazwyczaj związane
z robotami ziemnymi i fundamentowymi, w tym z głębokimi wykopami lub palowaniem.
Istotne znaczenie mają: właściwe przygotowanie dokumentacji geotechnicznej oraz
przyjęcie rozwiązań technologicznych ww. robót. W związku z tym celowe jest w takich
przypadkach wprowadzenie kompetentnego, działającego z ramienia inwestora, konsultanta geotechnicznego, który opiniowałby przygotowywaną dokumentację oraz sposób
prowadzenia robót ziemnych i fundamentowych.
– szczególne znaczenie ma prawidłowe przygotowanie dokumentacji geotechnicznej
(o czym informuje również praca [5]), umożliwiającej zaprojektowanie robót ziemnych,
posadowienia nowego budynku oraz opracowanie prognozy zachowania się sąsiadującej
zabudowy podczas procesu wznoszenia tego budynku. Nie jest uzasadnione poszukiwanie pozornych oszczędności na rozpoznaniu podłoża, gdyż może to być przyczyną błędnych decyzji projektowych i późniejszych znacznych strat. Dlatego uzasadnione może
być wyłączenia opracowań dokumentacji geotechnicznych z procedur przetargowych,
– istotne jest przygotowanie prawidłowej oceny oddziaływania robót ziemnych i fundamentowych, zwłaszcza palowych, na sąsiadująca zabudowę. Ocena taka w złożonych
warunkach gruntowych jest trudna, nie jest też uzasadnione poszukiwanie za wszelką
cenę w tym zakresie oszczędności (np. tańszych technologii palowych), gdyż na ogół
następuje to kosztem zmniejszenia bezpieczeństwa sąsiadującej zabudowy.
Literatura
1. Kotlicki W., Wysokiński L.: Ochrona zabudowy w sąsiedztwie głębokich wykopów. ITB,
seria: instrukcje, wytyczne, poradniki nr 376/2002, Warszawa 2002.
2. Podhorecki A., Dobiszewska M., Sobczak-Piąstka J., Podhorecki P. J.: Różne problemy
inżynierskie związane z oddziaływaniem budowy wielkokubaturowego obiektu budowlanego na istniejące budynki. XXIII Konferencja Naukowo-Techniczna „Awarie Budowlane”, Szczecin-Międzyzdroje 2007.
3. Podhorecki A., Dobiszewska M., Sobczak-Piąstka J.: Negatywne skutki źle przygotowanej
i prowadzonej budowy w strefie staromiejskiej. XXV Konferencja Naukowo-Techniczna
„Awarie Budowlane”, Szczecin-Międzyzdroje 2011.
4. Rozporządzenie M.S.W. i A. z dnia 24.09.1998 r. w sprawie ustalania geotechnicznych
warunków posadawiania obiektów budowlanych. Dz.U. Nr 126, poz. 839.
5. Rybak. Cz., Rybak J.: Błędy i patologie w dokumentacjach geotechnicznych. Monografia
„Współczesne problemy naukowo-badawcze budownictwa lądowego i wodnego”, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2007.