pełny tekst - Awarie budowlane

XXVI
Konferencja
Naukowo-Techniczna
awarie budowlane 2013
TOMASZ BŁASZCZYŃSKI, [email protected]
Politechnika Poznańska
ARKADIUSZ PAWLIK, [email protected]
AriCom
ZAPOBIEŻENIE AWARII SZYBU WINDOWEGO
W JEDNYM Z ZABYTKOWYCH OBIEKTÓW
NA TERENIE CENTRUM SZTUKI I BIZNESU
„STARY BROWAR” W POZNANIU
DAMAGE PREVENTION OF LIFT STRUCTURE IN ONE OF LISTED BUILDINGS
IN „OLD BREWERY” CENTER IN POZNAŃ
Streszczenie Praca dotyczy nieprawidłowego i beztroskiego podejścia do stalowej konstrukcji zewnętrznego szybu windowego. Nie uwzględniając stanu technicznego zabytkowego budynku, do którego
zaprojektowano zakotwienie konstrukcji szybu windowego, doprowadzono do stanu przedawaryjnego
w tej części obiektu, zarówno dla ściany zewnętrznej zabytkowego budynku, jak i dla samej konstrukcji
szybu windowego.
Abstract The work concerns the abnormal and carefree project approach to the steel structure
of the external lift shaft. Not taking into account the technical state of the listed building, to which one
designed anchorage of the lift shaft structure and brought to the pre-failure state in this part of the object,
both for the external wall of the listed building, as and for the lift shaft structure.
1. Wprowadzenie
Projektowanie i realizacja zewnętrznych szybów windowych staje się coraz powszechniejsze w wielu obiektach budowlanych. Wynika to z przesłanek architektoniczno-technicznych,
czy też funkcjonalnych. W większości obiektów zabytkowych, ze względów konstrukcyjnych
lub konserwatorskich, nie ma innej możliwości jak tylko wprowadzenie zewnętrznego szybu
windowego. Ze względów obciążeniowo-konstrukcyjnych dąży się do umieszczenia tego typu
konstrukcji w strefie wewnętrznego atrium, tak żeby uniknąć dodatkowych zewnętrznych
oddziaływań atmosferycznych. Niestety w wielu wypadkach jest to niemożliwe.
W przypadku zewnętrznej konstrukcji szybu windowego możliwe są dwa rodzaje schematów obliczeniowych: schematu wieloprzęsłowego z podporami i schematu wspornikowego.
Najczęściej wybierana jest konstrukcja wieloprzęsłowa, która jest kotwiona (na podporach) co
jeden lub co kilka stropów. Niestety w takim przypadku musi być zapewniona możliwość
przeniesienia sił podporowych (kotwienia) przez konstrukcję obiektu, czyli konstrukcja obiektu
musi mieć możliwość przeniesienia dodatkowych sił zewnętrznych lub musi być do tego
specjalnie przygotowana (poprzez wzmocnienie lub przeprojektowanie w tej strefie).
W związku z tym w obiektach istniejących najważniejszym elementem staje się dokładne
rozpoznanie konstrukcji tych obiektów. Ocena techniczna i analiza obliczeniowa są tu podstawą. Niestety coraz częściej zdarza brak prawidłowego rozpoznania obiektu przez projektantów
470
Błaszczyński T. i in.: Zapobieżenie awarii szybu windowego w jednym z zabytkowych obiektów…
i standardowe podejście do projektowania analizowanych szybów windowych. Zwiększająca
się specjalizacja biur projektowych prowadzi do ścisłej współpracy wybranej grupy biur
z producentami wind, co w konsekwencji prowadzi do ich polecania jako podzespoły projektowe projektantom obiektów. Niestety w większości przypadków bez jakiejkolwiek odpowiedzialności ze strony producenta wind. Sytuacja ta prowadzi do swojego rodzaju monopolu
tych specjalistycznych biur, a tym samym do projektowania powtarzalnych rozwiązań.
Czasami w oderwaniu od możliwości konstrukcyjnych obiektów, zwłaszcza istniejących. Taka
właśnie sytuacja miała miejsce w trakcie przebudowy jednego z zabytkowych obiektów
na terenie Centrum „Stary Browar” w Poznaniu.
2. Kilka słów o modernizowanym obiekcie
Największy browar w Poznaniu, należący do rodziny Huggerów zbudowano na parceli
znajdującej się nad skarpą, ograniczonej od wschodu ul. Półwiejską, uliczką biegnąca wzdłuż
fortyfikacji miejskich przy Forcie Grolmana od południa, budynkiem sądu wojskowego oraz
cmentarzem ewangelickim parafii św. Krzyża od północy. Teren prawdopodobnie został
zakupiony w 1844 r., a pierwsze zabudowania Browaru zrealizowano do 1876 r. W 1876 roku
zbudowane zostały dwa trzypiętrowe domy mieszkalne oraz jednopiętrowy budynek w głębi
parceli, zwany później Willą (rys. 1).
Rys. 1. Widok Browaru Braci Huggerów na początku XX w
Większość obiektów Browaru przetrwała do okresu II wojny. We wrześniu 1939 roku
Browar przeszedł pod zarząd niemiecki. Do 1944 roku kontynuowano w nim produkcję piwa,
później jednak Niemcy przekształcili piwnice i podziemia Browaru na bunkry i schrony.
Podczas walk o Poznań, Browar uległ w dużym stopniu zniszczeniu. Po zakończeniu wojny
Browar przejęły Zakłady Piwowarskie, a przedsiębiorstwo zostało upaństwowione. Po zamknięciu Browaru w 1980 r. jego zabudowania stopniowo niszczały. W roku 1998 wszystkie
nieruchomości należące do Browaru przy ul. Półwiejskiej wykupiła spółka Fortis i 2003 r.
stworzyła pierwszą część Centrum Biznesu i Sztuki Stary Browar, czyli Atrium. Drugą część,
czyli Dziedziniec Sztuki, otwarto w 2004 r., a ostatnią, czyli Pasaż, w 2007 r. (rys. 2).
Konstrukcje stalowe
471
Rys. 2. Schemat funkcjonalny Centrum Biznesu i Sztuki Stary Browar w Poznaniu
W 2005 r. Centrum Stary Browar zostało uznane za najlepsze centrum handlowe w Europie
w kategorii Design and Development of a New Project wśród obiektów handlowych średniej
wielkości, a w 2009 r. za najlepsze centrum handlowe w Europie w kategorii Extensions/Refurbishments. W tych samych latach i w tych samych kategoriach Centrum Stary
Browar zostało uznane również za najlepsze centrum handlowe na świecie.
Jednym z zachowanych obiektów zabytkowych jest, znajdujący się na terenie Pasażu
Sztuki, budynek zwany Willą (rys. 1, 2). Nowy użytkownik zaplanował jego przebudowę
w ramach, której miała być również dobudowana przeszklona panoramiczna winda (rys. 3).
Rys. 3. Lokalizacja windy panoramicznej przy budynku Willi
Budynek Willi jest obiektem wolnostojącym, czterokondygnacyjnym. Dwie kondygnacje
(poziom 0 – parter i poziom +1 – poddasze użytkowe) są widoczne z poziomu głównego ciągu
pieszego Dziedzińca Sztuki, a dwie znajdują się poniżej dziedzińca i są widoczne jedynie
z przestrzeni otaczającej ją fosy. Budynek jest wpisany do rejestru zabytków pod nr A251
z decyzją z dnia 30.05.2000 r. Przez cały okres, od momentu pierwszej przebudowy i włączeniu go do zespołu Centrum Sztuki i Biznesu Stary Browar, budynek spełnia funkcje wystawienniczo-handlowe. Wszystkie kondygnacje budynku były użytkowane zgodnie z tą funkcją,
z tym, że na kondygnacji -1 i -2 znajdowały się pomieszczenia techniczne, a taras we frontowej
części budynku był wykorzystany na lokalizacje urządzeń klimatyzacyjnych.
472
Błaszczyński T. i in.: Zapobieżenie awarii szybu windowego w jednym z zabytkowych obiektów…
Po wykonaniu ekspertyzy technicznej stwierdzono, że część stropów nie będzie mogła
przenieść zakładanego obciążenia użytkowego o wysokości 5,0 kN/m2, a w związku z tym musi
być wzmocniona. Ściany nośne mają odpowiednie grubości, natomiast są w zróżnicowanym
stanie technicznym. Mury od strony zewnętrznej, w efekcie wykonanych w roku 2002 prac naprawczych, składają się z cegły ceramicznej pełnej klasy co najmniej 15 MPa, na zaprawie marki co
najmniej 7,5 MPa (rys. 4). Jednakże w strefach, gdzie nałożono od wewnątrz płyty kartonowogipsowe, nie wykonywano już naprawy istniejących murów. W efekcie po zdjęciu płyt można
zauważyć, że mur jest w bardzo złym stanie technicznym. W prawdzie klasę cegły można nadal
ocenić na ok. 15 MPa, jednakże lokalnie stwierdzano brak zaprawy, a tam gdzie ona jest, posiadała
wyjątkowo niską markę. Niestety jak widać mury są też lokalnie spękane (rys. 5). Natomiast
w bardzo dobrym stanie technicznym znajduje się konstrukcja dachowa (rys. 6).
Rys. 4. Stan techniczny murów od zewnątrz
Rys. 5. Stan techniczny murów od wewnątrz
Rys. 6. Drewniana konstrukcja nośna dachu
Niestety bardzo niekorzystne są warunki gruntowe (rys. 7), co już w trakcie poprzedniej
modernizacji doprowadziło do wzmacniania przeciążonych fundamentów. Jak widać do głębokości 4 m znajduje się niebudowlany nasyp, a następnie przewarstwienia glin piaszczystych
z piaskiem drobnym i iły poznańskie pstre.
W związku z tym zaprojektowano posadowienie pośrednie szybu windowego na bazie
układu z mikropali.
Konstrukcje stalowe
473
Rys. 7. Przekrój geotechniczny w strefie posadowienia przyszłej windy
3. Projekt budowlany i wykonawczy przebudowy w strefie windy
Projekt budowlany, jak i wykonawczy został przygotowany przez biuro projektowe polecone przez dostawcę windy, w związku z tym został przyjęty przez architekta w pierwszej
fazie bez zastrzeżeń. Jednakże w trakcie jego weryfikacji przez konstruktora obiektu doszło
do pewnych zmian.
Pierwotny projekt budowlany zakładał konstrukcję samego szybu windowego jako przestrzennej ramy stalowej składającej się z słupów HEB 160 i rygli HEB 140 (mocowanych ze
sobą 4 śrubami φ16 mm, klasy 8,8), zakotwionej w skrzyni fundamentowej. Wysokość
konstrukcji stalowej to ok. 13,5 m, a wysokość żelbetowej skrzyni fundamentowej to 5,5 m,
przy czym 1,5 m miało znajdować się pod powierzchnią ziemi. Projektanci założyli, że rama
stalowa szybu windowego będzie zakotwiona w ścianie skrzyni fundamentowej oraz w strefie
poddasza użytkowego do ściany zewnętrznej budynku Willi (rys. 8, 9).
Rys. 8. Strefa zakotwienia szybu windowego: a/ widok, b/ przekrój
474
Błaszczyński T. i in.: Zapobieżenie awarii szybu windowego w jednym z zabytkowych obiektów…
Rys. 9. Schemat obliczeniowy szybu windowego wg proj.: a/ budowlanego, b/ wykonawczego
Niestety ani razu nie byli na obiekcie, nie zapoznali się z wykonaną wcześniej ekspertyzą oraz
zignorowali wytyczne konserwatora o zakazie kotwienia szybu do budynku (ze względów konserwatorskich). Jak widać z rys. 8 zakotwienie w pierwszym etapie było masywne i składało się
z układu rur kwadratowych RK 140×140×10, zakotwionych do muru 6 śrubami φ12 mm.
Po interwencji konserwatora i architekta, projektanci zmienili sposób zakotwienia i w projekcie wykonawczym i rozłożyli je na poziom dachu oraz trzy poziomy kondygnacji
nadziemnych, a także zlokalizowali je w świetle łącznika, pomiędzy windą i budynkiem,
projektując łączniki z HEB 140, które były kotwione do muru 2 śrubami φ12 mm (rys. 9b).
Jednakże samych zakotwień do budynku Willi niezaprojektowani.
4. Analiza przygotowanych do realizacji projektów
Brak wyobraźni projektantów, wiedzy na temat stanu technicznego budynku Willi i standardowe podejście do projektu, doprowadziło do sytuacji zagrożenia awaryjnego. Po zmontowaniu konstrukcji stalowej i w momencie przystąpienia wykonawcy do jej kotwienia, nastąpiło wstrzymanie budowy przez konstruktora obiektu i kierownika budowy, gdyż konstruktor
obiektu uzgodnił z architektem, iż konstrukcja stalowa szybu będzie wspornikowa i tak też
wykonstruował skrzynię fundamentową, a projektu wykonawczego samego szybu windowego
do weryfikacji wcześniej od architekta nie otrzymał. W związku ze stanem technicznym ścian
zewnętrznych budynku Willi nie mógł wydać zgody na kotwienie.
Analiza strefy zakotwienia wykazała, że siły zakotwienia, które miałyby być przekazywane na ścianę zewnętrzną budynku Willi, w przypadku projektu budowlanego wynosiłyby
od ok. 60 do ok. 240 kN (na jedną podporę), co daje 10÷40 kN na jedną śrubę [1]. W przypadku
projektu wykonawczego, w zależności od przyjętej kombinacji obciążeń, siły podporowe
wynosiły od ok. 20 do ok. 100 kN (na jedną podporę), co daje od 10÷50 kN na jedną śrubę
[2]. W związku z tym, że kotwienie przyjęto na śruby φ12 mm, to przy najmocniejszej kotwie
wklejanej chemicznie HIT można dla muru z cegły klasy 35 MPa i zaprawy marki 12 MPa,
otrzymać maksymalnie obliczeniową siłę zakotwienia 3 kN. Siły zakotwienia na poziomie
Konstrukcje stalowe
475
40÷50 kN można uzyskać, w przypadku tych samych kotew wklejanych chemicznie, dopiero
dla prętów φ20 mm i dla ściany z betonu klasy C20/25 [3].
Analizując stan techniczny ściany zewnętrznej oraz to, że zakotwienie miałoby być również wykonane w ścianie poddasza (o wysokości ok. 4,5 m), która była z jednej strony jedynie
podparta podatną konstrukcją drewnianą dachu, należało uznać, że po wykonaniu zakotwień
zgodnych z projektem doszło by do awarii, a nawet katastrofy budowlanej. Niestety przyjmując założoną konstrukcję bez zakotwień w ścianie zewnętrznej otrzymujemy mechanizm
geometryczny, gdyż przyjęte połączenia trudno uznać za wystarczająco sztywne. Przyjęte
połączenie na 4 śruby φ16 mm klasy 8.8 (niesprężone) dawało jedynie połączenie podatne
kategorii D, dopiero zastosowanie połączenia doczołowego na śruby sprężone klasy 10.9
dawało możliwość uwzględnienia sztywności połączenia w kategorii E lub F. Niestety zarówno przemieszczenia, jak i naprężenia wewnętrzne były przekroczone, w stosunku do przyjętych stanów granicznych. Dodatkowo przyjęte zamocowanie obudowy szklanej do ścian
zewnętrznych budynku Willi należało również przeprojektować.
5. Projekt naprawy
W związku z tym przystąpiono do analiz, które umożliwiłyby wykorzystanie już wykonanej konstrukcji stalowej, jako wspornika, ale po zaprojektowaniu odpowiednich prac
naprawczych. W pierwszym etapie założono wykonanie doczołowych połączeń sprężanych ze
śrub klasy 10.9, co niestety dawało zbyt duże przemieszczenia maksymalne. Ze względu na
to, że obudowę windy stanowiły płyty szklane należało zachować warunek maksymalnych
ugięć na poziomie 1/500 H, czyli ok. 27 mm [4]. W drugim etapie założono połączenie wszystkich styków słupów i rygli ze słupami, na spoiny doczołowe typu V. W efekcie uzyskano
znaczną poprawę, ale ugięcie maksymalne nadal wynosiło jedynie 46,7 mm, choć naprężenia
graniczne nie przekraczały 220 MPa (rys. 10).
Rys. 10. Wyniki analiz dla szybu windowego z połączeniami sprężonymi i spawanymi doczołowo:
a/ max. ugięcia, b/ max. naprężenia
476
Błaszczyński T. i in.: Zapobieżenie awarii szybu windowego w jednym z zabytkowych obiektów…
W kolejnym etapie przystąpiono do dodatkowego stężenia układu poprzez wprowadzenie
diagonalnych stężeń w każdym polu. Przyjęto systemowe rozwiązanie Halfen-Detan [5].
Po przeprowadzonych analizach otrzymano stężenia stalowe o średnicy 20 mm, które dały
zadowalające rezultaty w postaci maksymalnych ugięć o wielkości 21,6 mm, przy naprężeniach granicznych nie przekraczających 106 MPa (rys. 11).
Rys. 11. Wyniki analiz dla szybu windowego z połączeniami sprężonymi i spawanymi doczołowo oraz
stężeniami diagonalnymi: a/ max. ugięcia, b/ max. naprężenia
6. Podsumowanie
Beztroskie i zbyt standardowe stosowanie typowych rozwiązań konstrukcyjnych szybów
windowych przez specjalistyczne biura projektowe, może prowadzić do awarii i katastrofy.
Przeprowadzone analizy wykazały, że oderwany od rzeczywistości projekt szybu windowego
wymagał znaczących prac naprawczych. Nie było to łatwe, zakładając wykorzystanie już
istniejącej konstrukcji stalowej oraz zachowując estetykę satysfakcjonującą zarówno
architekta, jak i konserwatora, a także właściciela Centrum Biznesu i Sztuki Stary Browar
w Poznaniu.
Literatura
1. Projekt budowlany przebudowy budynku Willi na potrzeby sklepu odzieżowego. Konstrukcja stalowa szybu windowego. Karkon, Warszawa, 06.2012 r.
2. Projekt wykonawczy przebudowy budynku Willi na potrzeby sklepu odzieżowego.
Konstrukcja stalowa szybu windowego. Karkon, Warszawa, 09.2012 r.
3. Podręcznik techniki mocowań, HILTI, 2010.
4. PN 90 B 03200. Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie.
5. Katalog techniczny. System cięgnowy Detan. Halfen, Poznań, 2011.