pełny tekst - Awarie budowlane

XXVI
Konferencja
Naukowo-Techniczna
awarie budowlane 2013
KRZYSZTOF WILDE, [email protected]
JACEK CHRÓŚCIELEWSKI, [email protected]
MIKOŁAJ MIŚKIEWICZ, mikoł[email protected]
MAGDALENA RUCKA, [email protected]
Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Politechnika Gdańska
DIAGNOSTYKA I MONITORING NOWEGO PRZEKRYCIA
OPERY LEŚNEJ W SOPOCIE
DIAGNOSTICS AND MONITORING OF NEW TEXTILE ROOF
OF THE FOREST OPERA IN SOPOT
Streszczenie W artykule przedstawiono badania stanu wytężenia membrany nowego przekrycia Opery
Leśnej w Sopocie. Diagnostykę membrany wykonano w celu sprawdzenia stanu wytężenia paneli z tkanin technicznych. Obliczenia rzeczywistych sił naciągu tkaniny w kierunku wątku i osnowy wykonano
poprzez iteracyjne rozwiązanie problemu odwrotnego bazującego na modelu MES paneli i pomiarach
deformacji membrany wykonanej przy pomocy laserów skanujących. W diagnostyce przekrycia Opery
wykorzystano system monitoringu konstrukcji zainstalowany na obiekcie w celu wspierania procedur
utrzymania obiektu.
Abstract The paper presents the method for experimental estimation of tensile forces in the membrane
of new roof of the Forest Opera in Sopot. The estimation of forces is obtained by iterative FEM
simulations based on measurements done by three dimensional laser scanning. The diagnostics of the
Forest Opera is supported by the structural health monitoring system.
1. Wstęp
Nowe przekrycie Opery Leśnej w Sopocie zostało oddane do użytku w czerwcu 2012 r.
Zadaszenie Opery jest unikalną konstrukcją, o rozpiętości przekraczającej 100 m, wykonaną
z tkaniny technicznej o grubości nie przekraczającej 1 mm. Elementy linowe i membranowe
zadaszenia wykonywała firma Tayio. W trakcie montażu zadaszenia uległ awarii jeden z napinanych membranowych elementów zadaszenia. Mając na uwadze przyśpieszony proces
napinania elementów z tkanin technicznych postanowiono wykonać badania mające na celu
określenie wytężenia elementów membranowych [1]. Podstawowym parametrem określającym stan membrany jest aktualna siła naciągu w kierunku wątku i osnowy.
Ze względu na nietypową geometrię przekrycia Opery Leśnej zdecydowano się zainstalować na obiekcie zautomatyzowany system monitoringu konstrukcji. Wątpliwości użytkowania
obiektu dotyczyły wymogu odśnieżania połaci zadaszenia i możliwości długotrwałego zalegania śniegu mogących przyspieszać proces pełzania. Celem stałego monitoringu przemieszczeń
i przyspieszeń wybranych punktów konstrukcji było także sprawdzenie rzeczywistej wrażliwości dynamicznej konstrukcji i wpływu obciążenia wiatrem.
292
Wilde K. i in.: Diagnostyka i monitoring nowego przekrycia Opery Leśnej w Sopocie
2. Ogólny opis konstrukcji
Budowa Opery Leśnej została rozpoczęta wiosną 1909 r. z inicjatywy Paula Walthera
Schäffera, ówczesnego kapelana Teatru Miejskiego w Gdańsku. Obiekt był gotowy już po
czterech miesiącach od rozpoczęcia budowy i w dniu 11 sierpnia odbyło się pierwsze przedstawienie „Obóz nocny w Grenadzie” Conradina Kreutzera. W roku 1964 sceneria leśna
otoczenia Opery została poddana znaczącej przebudowie, której efektem było pokrycie
tekstylnym dachem całości widowni i sceny (rys. 1). W tym też roku na sopockiej scenie
wystawiono „Halkę” Moniuszki. W roku 2012 zakończono kolejną przebudowę Opery Leśnej
w Spocie nadając jej nowy, współczesny charakter (rys. 1). Otwarcie Opery Leśnej
uświetnione zostało multimedialnym przedstawieniem podkreślającym urodę obiektu i jego
lokalizacji za pomocą takich technik jak video mapping, augmented reality i kinetiks.
Rys. 1. Widok na scenę starej i przebudowanej Opery Leśnej w Sopocie
W roku 2005 do realizacji został wybrany projekt przebudowy Opery. Zawierał on m.in.
koncepcję przebudowy dachu, widowni oraz pomieszczeń dla artystów. Zmiana konstrukcji
pokrycia była konieczna ze względu na to, iż stary dach był nieszczelny oraz wymagał zdejmowania na okres zimowy. Przyjęta koncepcja dachu przypominająca liść miała podkreślić leśny
charakter miejsca, a jednocześnie dynamiczny i nowoczesny wizerunek miasta Sopot. Konstrukcja zadaszenia została zaprojektowana z tkaniny technicznej rozpiętej na dwóch stalowych
łukach (rys. 1). Ze względu na warunki terenowe rozpiętości łuków różnią się i wynoszą
odpowiednio 102,96 m oraz 93,20 m. Łuki nośne zaprojektowane zostały jako rury o średnicy
1300 mm i grubości ścianki 70 mm, nachylone do poziomu pod katem 51 stopni i połączone
kratownicą. Każdy segment membrany rozpięty jest na linach nośnych oraz łuku podporowym.
Dodatkowo krawędzie zakończone są linami krawędziowymi zaczepionymi na słupach. Liny
nośne rozpięte są pomiędzy łukami, a słupami stalowymi. Maksymalna rozpiętość zadaszenia
to 104 m, zaś jego całkowita długość – 85 m. Przybliżona powierzchnia każdej części pokrycia
to 1800 m2. Maksymalna wysokość liczona od poziomu porównawczego wynosi 27,935 m.
Membrana jest wykonana z tkaniny technicznej Sheerfill I o grubości nie przekraczającej 1 mm,
wykonanej z włókien szklanych zatopionych w matrycy policzterofluoroetylenowej powszechnie zwanej Teflonem.
3. Badania wytężenia membrany przekrycia Opery Leśnej
Przedmiotem badań było określenie stanu wytężenia tkaniny technicznej membrany Opery
Leśnej. Badanymi elementami były środkowe panele połaci tkaniny napięte pomiędzy linami
nośnymi, pokazane na szkicu konstrukcji (rys. 2) i oznaczone numerami od 1÷6.
Diagnostyka w ocenie bezpieczeństwa konstrukcji
293
Rys. 2. Położenie i numeracja badanych paneli w opracowaniu [1]
Zakres prac badawczo-pomiarowych obejmował: 1. etap wstępny – weryfikacyjny pomiar
ugięć membrany od zakładanych obciążeń za pomocą systemu monitoringu technicznego
Opery Leśnej; 2. pomiar aktualnej geometrii wszystkich paneli z tkaniny technicznej;
3. pomiar geometrii 6 środkowych paneli (pomiary były wykonywane przez dwa niezależne
zespoły badawczo-pomiarowe) dla przypadków obciążenia przyłożonego w 18 pozycjach na
zewnętrznej powierzchni membrany dla dwóch poziomów obciążenia (poziom obciążenia
a oraz b); 4. pomiar drgań swobodnych 6 środkowych paneli membrany.
Stanowisko do obciążeń membrany zostało zbudowane z materiałowych pojemników na
wodę, płachty ochronnej z tkaniny technicznej oraz systemu mocowania pojemników i ich
napełniania. Przewidywane wstępne poziomy obciążenia wynosiły 100 kg i 200 kg. Ze względu na ograniczony dostęp do Opery Leśnej wynikający z harmonogramu imprez odbywających się na obiekcie zdecydowano się na wykonanie obciążania membrany przez jedną i dwie
osoby statycznie obciążające zewnętrzną powierzchnię tkaniny technicznej. Poziom a obciążenia uzyskano przez ustawienia jednej osoby ze stopami rozstawionym na odległość około
50 cm, zaś poziom b obciążenia uzyskano przez ustawienie dwóch osób, tak aby stopy
znajdowały się w narożnikach kwadratu o bokach około 50 cm. Obciążenie poziom a wynosiło
73,5 kg i było przykładane na wszystkich 6 badanych panelach. Obciążenie poziom b wynosiło
73,5 kg + 85,3 kg, łącznie 158,8 kg. Pomiar masy obciążenia wykonany był w trakcie prac
294
Wilde K. i in.: Diagnostyka i monitoring nowego przekrycia Opery Leśnej w Sopocie
pomiarowych i uwzględniał on ciężar osoby, całego ekwipunku, a także zawilgoceń spowodowanych opadami deszczu w dniu pomiarów. Rysunek 3 pokazuje obciążenie membrany dla
poziomu obciążenia b (dwoma osobami). Każdy panel został obciążony dwoma poziomami
w 3 miejscach: na środku panelu, w jego górnej oraz dolnej części (łącznie wykonano 36
pomiarów zdeformowanych paneli).
Rys. 3. Obciążenie powierzchni membrany za pomocą dwóch osób oraz stanowiska pomiarowe
dwóch laserów skanujących
Pomiary geometrii panelu zostały wykonane za pomocą dwóch niezależnych urządzeń
przez dwa zespoły badawcze wykorzystujące skaner laserowy C10 firmy Leica i urządzenie
ScanStation firmy Leica. Skaner C10 pozwala na rejestrację 50 000 punktów na sekundę,
rejestrując ich współrzędne w kierunkach x, y i z.
Identyfikacji matematycznej zmiany geometrii membrany wynikającej z przyłożonego
obciążenia dokonano w oprogramowaniu dedykowanym do przetwarzania wielkich zbiorów
punktów napisanym na potrzeby pomiarów membrany Opery Leśnej. Przykładowe obrazy
chmury punktów obrazujące aktualną geometrię przekrycia pokazano na rys. 4.
Rys. 4. Modele przekrycia Opery Leśnej – widok z boku i z góry
Siły naciągu tkaniny technicznej w poszczególnych punktach paneli wyznaczono rozwiązując zagadnienie odwrotne dla modeli matematycznych pojedynczych paneli zbudowanych
w formalizmie metody elementów skończonych. Modele MES bazowały na membranowych
elementach skończonych z odpowiednimi warunkami brzegowymi uwzględniającymi rzeczywistą pracę każdego z paneli. Symulacje wykonano autorskim programem OPER rozwiązującym nieliniowy układ równań metody elementów skończonych metodą iteracyjno-przyrostową typu Newtona-Raphsona. Założono, na podstawie wstępnych pomiarów pod
obciążeniem, że dodatkowe obciążenie nie powoduje deformacji lin koszowych, obwodowych
i dźwigarów głównych. Parametry materiałowe zostały przyjęte na podstawie badań
doświadczalnych [2]. Problem odwrotny był rozwiązywany iteracyjnie poprzez poszukiwanie
sił naciągu membrany w kierunku wątku i osnowy, które minimalizują różnicę przemieszczeń
Diagnostyka w ocenie bezpieczeństwa konstrukcji
295
obliczeniowych i pomiarowych dla wszystkich serii pomiarowych wykonanych dla danego
panelu. Przykładowe wyniki pomiarowe i obliczeniowe dla poprzecznego przekroju przez
panel 4 pokazane są na rys. 5. Obciążenie panelu dwoma osobami, powoduje lokalne ugięcie
membrany wynoszące około 10 cm. Obliczone średnie wartości sił naciągu dla panelu 4 wyniosły 10,0 kN/m dla osnowy i 7,8 kN/m dla wątku. Wartości te nie przekraczają założonych
sił naciągu w dokumentacji projektowej [3] i są bliskie wartościom sił naciągu deklarowanym
przez firmę Tayio Europe [4].
Rys. 5. Pomiarowe i numeryczne deformacje panelu 4 w trakcie obciążania części środkowej
4. Monitoring konstrukcji na potrzeby wspierania procedur utrzymania obiektu
System monitoringu Opery Leśnej został wykorzystany w pracach przygotowawczych do
badań związanych z oceną stanu wytężenia membrany. Podstawowym celem instalacji i użytkowania zautomatyzowanych systemów monitoringu konstrukcji (SMK) jest podniesienie
bezpieczeństwa użytkowania obiektu budowlanego [5]. Systemy tego typu są relatywnie
złożone i niejednokrotnie instalowane są w obiektach mogących znajdować się w stanie
przedawaryjnym np. [5]. Ich najważniejszym zadaniem jest dostarczenie informacji służącej
podjęciu decyzji o ewakuacji użytkowników obiektu. Drugim typem systemów SMK stosowanym w budownictwie są systemy służące przede wszystkim do wspierania procedur utrzymania obiektu [6]. Jedną z ważnych funkcji takiego systemu jest informowanie o konieczności
wykonania odśnieżania.
System monitoringu konstrukcji Opery Leśnej zbudowany jest analogicznie do SMK
zainstalowanego w Hali Ergo Arena usytuowanej na granicy miasta Gdańska i Sopotu. System
składa się z 3 modułów: modułu pomiarowego, modułu eksperckiego i moduł powiadamiania.
Głównym elementem modułu pomiarowego jest tachimetr automatyczny wykonujący pomiary położenia 32 pryzmatów umieszczonych na czterech panelach z tkaniny technicznej, linach
nośnych oraz fundamentach pod łuki stalowe (rys. 6, 7). Istotnym elementem służącym do
oceny stanu technicznego obiektu jest pomiar przemieszczeń punktów położonych na tkaninie
technicznej w celu oceny pracy membrany, a w szczególności relaksacji w początkowej fazie
użytkowania obiektu i procesów pełzania wynikających z długotrwałych obciążeń na przykład
zalegającym śniegiem.
System dokonuje także pomiarów drgań i temperatury konstrukcji w czterech punktach
oraz wykonuje pomiary podstawowych danych meteorologicznych takich jak temperatura
powietrza, wilgotność, prędkość i kierunek wiatru.
296
Wilde K. i in.: Diagnostyka i monitoring nowego przekrycia Opery Leśnej w Sopocie
Rys. 6. Modele przekrycia Opery Leśnej – widok z boku i z góry
Rys. 7. Stanowisko pomiarowe tachimetru automatycznego i pryzmaty zamocowane na membranie
System SMK, w sposób ciągły śledzi przemieszczenia 28 punktów kontrolowanych, zaś
4 punkty pomiarowe umieszczone na blokach fundamentowych stanowią punkty referencyjne.
Ponieważ stanowisko tachimetru umiejscowione jest na konstrukcji stalowej (rys. 7), system
SMK wyposażony został w funkcję korekty położenia stanowiska tachimetru opracowanej na
bazie zaawansowanego rachunku wyrównawczego. System SMK wyposażony jest także
w autorską funkcję adaptacyjnego poszukiwania i identyfikacji pryzmatów bazującą na filtrze
o nieskończonej odpowiedzi impulsowej (NOI). Funkcja ta okazała się niezbędna ze względu
na relatywnie duże przemieszczenia pionowe pryzmatów, które w trakcie deformacji
membrany powodują „zbliżanie” się do siebie pryzmatów w polu widzenia tachimetru. System
SMK wyposażono także w funkcję wykonywania zdjęć i automatycznego przesyłania ich na
Diagnostyka w ocenie bezpieczeństwa konstrukcji
297
stronę internetową zarządzania systemem, w przypadku, jeżeli tachimetr nie może odnaleźć
wybranego punktu pomiarowego. Funkcja ta pozwala wizyjnie zidentyfikować problem,
wynikający na przykład z zainstalowania tymczasowych elementów scenografii, które zasłaniają pryzmat.
Panel informacyjny systemu monitoringu konstrukcji Opery Leśnej pokazany jest na rys. 8.
Na szkicu konstrukcji widoczne są aktualne przemieszczenia punktów mierzonych za pomocą
tachimetru oraz przyspieszenia i temperatury. Zielone strzałki pokazują aktualny kierunek
i siłę wiatru, a kamery poglądu połaci membrany przedstawiają zalegający na membranie
śnieg. Wyniki pomiarów dla 30 dni, od 30 grudnia 2012 do 29 stycznia 2013, pokazane są na
rys. 9.
Rys. 8. Panel informacyjny systemu monitoringu konstrukcji Opery Leśnej w Sopocie
Rys. 9. Wyniki pomiarów przemieszczeń punktu 26 położonego na panelu 4 membrany przekrycia
Analiza danych z systemu SMK pokazała, że śnieg zalega na całej połaci dachowej i jego
pokrywa zwiększa się równomiernie przy nowych opadach śniegu. W przypadku ocieplenia
298
Wilde K. i in.: Diagnostyka i monitoring nowego przekrycia Opery Leśnej w Sopocie
zalegający śnieg powoli zsuwa się po membranie (rys. 8) w pierwszej kolejności z paneli
trójkątnych. Zsuwający się śnieg na najdłuższych prostokątnych panelach (panel nr 1 i 4)
zatrzymuje się na końcu panelu dodatkowo go dociążając. Maksymalne ugięcie membrany
sięga 60 cm i jest to ugięcie dopuszczalne według dokumentacji technicznej obiektu.
5. Uwagi końcowe
W artykule przedstawiono prace badawcze wykonane na przekryciu Opery Leśnej w Sopocie
ukierunkowane na diagnostykę i monitoring konstrukcji. Diagnostykę membrany wykonano
w celu sprawdzenia stanu wytężenia paneli z tkanin technicznych po wystąpieniu awarii jednego
z napinanych membranowych elementów zadaszenia. Zakres prac diagnostycznych obejmował
pomiary deformacji membrany wykonane przy pomocy laserów skanujących oraz obliczenia
rzeczywistych sił naciągu tkaniny w kierunku wątku i osnowy wykonano poprzez iteracyjne
rozwiązanie problemu odwrotnego bazującego ma modelu MES paneli.
Zainstalowany monitoring konstrukcji przekrycia umożliwia ciągły pomiar przemieszczeń,
przyspieszeń i temperatury konstrukcji, a także pomiar temperatury i wilgotności powietrza
oraz prędkości i kierunku wiatru. System monitoringu Opery Leśnej został zaprojektowany
w celu wspierania procedur utrzymania obiektu. Jedną z jego ważniejszych funkcji jest informowanie o konieczności wykonywania odśnieżania.
Literatura
1. Wilde K., Chróścielewski J., i inni.: Ekspertyza techniczna dotycząca oceny wytężenia
membrany – tkaniny technicznej przekrycia Opery Leśnej w Sopocie, Politechnika
Gdańska 2012.
2. Kłosowski P., Ambroziak A.: Ekspertyza techniczna dotycząca konstrukcji membranyprzekrycia Opery Leśnej w Sopocie, Politechnika Gdańska, sierpień 2012.
3. Projekt wykonawczy zamienny. Opera Leśna – Sopot. Konstrukcja stalowa dachu
i konstrukcja przekrycia membrany, Archi-CAD Jacek Szczęsny, 2010.
4. Powykonawcze badania stanu odkształcenia tkaniny membrany, Tayio Europe, maj 2012.
5. Wilde K., Rucka M., Chróścielewski J., Jasina M., Malinowski M., Miśkiewicz M., Wilde
M., System ciągłej obserwacji stanu technicznego hali „Olivia” w Gdańsku, Inżynieria
i Budownictwo, 10/2009, 552–556.
6. Wilde K.: Zautomatyzowane systemy monitoringu technicznego dachów stalowych,
Wydaw. Politech. Świętokrzyskiej, 56 Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii
Lądowej i Wodnej PAN oraz Komitetu Nauki PZITB, Kielce-Krynica, 2010, 729–736.
Podziękowania
Autorzy artykułu pragną serdecznie podziękować prof. Pawłowi Kłosowskiemu,
prof. Waldemarowi Kamińskiemu, dr. Jakubowi Szulwicowi, dr. Arturowi Janowskiemu, mgr.
Michałowi Wilde, dr. Łukaszowi Pyrzowskiemu, dr. Krzysztofowi Bojarowskiemu,
dr. Krzysztofowi Mroczkowskiemu, Tomaszowi Rutkowskiemu, Michałowi Grothowi,
inż. Karolinie Makowskiej, Jakubowi Jarosikowi i Maciejowi Wiśniewskiemu za nieoceniony
wkład w realizację przedstawionych prac.