pełny tekst - Awarie budowlane

XXVI
Konferencja
Naukowo-Techniczna
awarie budowlane 2013
KAZIMIERZ SZULBORSKI, [email protected]
Politechnika Warszawska
ANNA MAJEWSKA, [email protected]
Politechnika Warszawska1
AWARIA MURÓW OPOROWYCH OKALAJĄCYCH DZIAŁKĘ
BUDYNKU ZABYTKOWEJ „FAKTORII ANGIELSKIEJ”
W KAZIMIERZU DOLNYM
DAMAGE OF RETAINING WALLS SURROUNDING THE SITE
OF THE MONUMENT “ENGLISH TRADING POST” AT KAZIMIERZ DOLNY
Streszczenie Kazimierz Dolny, położony na skarpie wiślanej, stanowi cenny dorobek naszego dziedzictwa kulturowego. Naturalne skarpy kazimierzowskie, zbudowane z opok kredowych i ich zwietrzelin,
porośnięte roślinnością, znajdują się w stanie chwiejnej równowagi i przy braku ingerencji (podkopywania) nie wykazują zagrożenia. Jednak w przypadku budowy (rozbudowy) budynku na skarpie, relacje
pomiędzy zabudową a stanem podłoża gruntowego są silnie i w specyficzny sposób powiązane, co ma
zasadniczy wpływ na stateczność skarpy oraz zachowanie techniczne zabudowy. Podczas prac modernizacyjnych przy budynku zabytkowej „Faktorii Angielskiej” nadrzędnym celem była ochrona zabytku.
Wykonano zabezpieczenia w postaci połączonego muru oporowego od strony skarpy, który zapewnił
bezpieczeństwo użytkowania budynku i zabudowy sąsiedniej, unormowały stateczność wzgórza i stanowią skuteczną ochronę przed awarią budowlaną.
Abstract Situated on the Vistula escarpment, Kazimierz Dolny is a valuable achievement of our national
heritage. Natural scarps of Kazimierz were made of cretaceous. Covert by plants and without trenches
the weathering scarp right now is not a threat and stay in tottery balance. However, in case of further
expansion of the building it must be remembered, that the relations between the buildings and the state
of the soil are strong and specifically connected, what will have vital effect on stability of escarpment
and technical reactions of the buildings. The primal intent during the reconstruction works of “English
Trading Post” was the protection of the monument. It combines retaining wall from the scarp’s side,
which maintain the security of usage of the building and adjacent building, which have created stability
of the hill and are efficient protection against construction accident
Wstęp
Kazimierz Dolny dzięki swemu malowniczemu położeniu, znamienitej historii oraz
bogactwie renesansowej sztuki budowlanej – murowanej i drewnianej, stanowi cenny zespół
urbanistyczno-architektoniczny. Istniejące na terenie miasta zabytkowe obiekty architektoniczne, składają się na dorobek kulturalny całego narodu. Utrzymanie tego dziedzictwa narodowego i zachowania go dla przyszłych pokoleń jest warunkiem tożsamości tego miejsca, jego
indywidualności i unikalności. W 1979 r. na terenie miasta i jego otoczenia utworzono
Kazimierzowski Park Krajobrazowy. Obszar parku chroniony jest ze względu na wartości
1
Współpraca merytoryczna – prof. dr hab. inż. Lech Wysokiński
434
Szulborski K. i in: Awaria murów oporowych okalających działkę budynku zabytkowej…
przyrodnicze, historyczne i kulturowe, lecz w odróżnieniu od innych form chronionych (np. parków narodowych czy obszarów chronionego krajobrazu), celem jest tu nie tylko ochrona, lecz
głównie popularyzacja i upowszechnienie zabytkowych i przyrodniczych walorów terenu w
warunkach racjonalnego gospodarowania. Możliwe i dopuszczalne są, zatem w tym rejonie
działania przywracające historyczne wartości jak i podnoszące walory terenu. Do takich
wartości należy wykorzystanie do budowy ścian budynków miejscowego surowca, jakim jest
opoka kredowa. Początki budowania z tej skały, powszechnej na Lubelszczyźnie (kamieniołomy w Kazimierzu, Bochotnicy i Nasiłowie), przypadają na wiek XVI i XVII. Do popularności
tego materiału przyczyniła się łatwość jego wydobycia ze starej doliny Wisły oraz jego zalety
techniczne i właściwości geomechaniczne. Ciężar objętościowy typowej opoki kazimierzowskiej jest niski (1,3÷1,4 T/m3). Cechuje go duża porowatość (46÷52%) i nasiąkliwość
(28÷32%) oraz dobra mrozoodporność i wytrzymałość (w stanie powietrzno-suchym ok.
Rc = 20 MPa, a w stanie nasyconym ok. Rc = 10 MPa). Anizotropia wytrzymałości jest
nieznaczna, co skała zawdzięcza rozproszonemu detrytusowi organicznemu. Dodatkową
korzystną cechą jest to, że sezonowane po wydobyciu ze złoża opoki twardnieją i zmniejszają
nasiąkliwość. Cechy te uzasadniają, dlaczego surowiec ten stał się od średniowiecza podstawą
rozwoju architektury kamiennej w Kazimierzu.
Jednym z cenniejszych zabytków Kazimierza jest zbudowany z kazimierzowskiej skały
– budynek „Faktorii Angielskiej”. Położony na stoku wysoczyzny (skarpy), biegnącej równolegle do Wisły, znajduje się on w strefie ścisłej ochrony konserwatorskiej układu architektoniczno-krajobrazowego Kazimierza Dolnego. Ta lokalizacja powoduje, że relacje pomiędzy
zabudową a stanem podłoża gruntowego są silnie i w specyficzny sposób powiązane, co ma
zasadniczy wpływ na stateczność skarpy oraz zachowanie techniczne zabytkowej zabudowy.
2. Położenie i rys historyczny budynku „Faktorii Angielskiej”
Historyczny budynek dawnej „Faktorii Angielskiej”, o wyraźnej kamiennej architekturze,
zlokalizowany jest w pierzei ulicy Krakowskiej, w odległości ok. 0,5 m od wschodniej granicy
z działką sąsiednią. Został częściowo wcięty w skarpę wiślaną. Od strony południowej,
wysoczyzna ograniczona była murem z kamienia wapiennego (rys. 1).
Rys. 1. Fragment mapy topograficznej Kazimierza Dolnego z zaznaczoną lokalizacją działki
Legenda głosi, że obiekt powstał w drugiej połowie XVII wieku i pełnił funkcję konsulatu
angielskiego (rezydencja faktora angielskiego), siedziby i miejsca obrad angielskich kupców
zbożowych przybywających do Kazimierza po towar. W XVIII w. „Faktoria” należała już do
kazimierskiego rodu Kwasków. Budowla nosiła cechy domu mieszkalnego połączonego ze
spichlerzem (spichlerz nie zachował się do dzisiejszych czasów). Od drugiej połowy XIX
wieku budynek nie był użytkowany i popadał w ruinę. Wschodnia część założenia była
zagruzowana i porośnięta drzewami. Zachowała się część mieszkalna od strony północno –
zachodniej, ale budynek pozbawiony był dachu, następnie nastąpiło zawalenie się znacznej
części konstrukcji od strony południowo – wschodniej.
Geotechnika
435
W latach 1977÷79 przeprowadzono inwentaryzację konserwatorską i badania archeologiczne obiektu (rys. 2a). W wyniku przeprowadzonych badań ustalono, że budynek wzniesiono
na dawnym terenie zalewowym Wisły, wykorzystując do jego budowy kamień wydobyty ze
skarpy, w którą wcięto się poszerzając teren od wschodu. Stwierdzono też, że zabudowa
„Faktorii” tworzyła zamknięte założenie, składające się z niepodpiwniczonego, dwukondygnacyjnego domu mieszkalno-magazynowego (usytuowanego szczytem do ulicy) i dziedzińca
otoczonego murem kamiennym, okalającym całą działkę. Mur ten pełnił rolę muru oporowego
od strony południowej. Wjazd na posesję znajdował się w murze od strony północno-zachodniej (obecnie ul. Krakowska). Budynek mieszkalny „Faktorii” wybudowano na planie prostokąta o wymiarach ok. 27,7×12,0 m. Od strony ulicy był to budynek dwutraktowy, a w części
środkowej jednotraktowy. Pomieszczenia parteru były sklepione częściowo kolebkami
z lunetami, częściowo sklepieniem klasztornym. Badania te posłużyły do opracowania przez
arch. Henryka Dąbrowskiego „Projektu odbudowy Faktorii Angielskiej”, na zlecenie
ówczesnego właściciela budynku – Muzeum Nadwiślańskiego w Kazimierzu Dolnym –
niestety projektu nie zrealizowano. Na początku XXI wieku, budynek został zakupiony przez
inwestora prywatnego, który podjął się trudnej roli modernizacji i rehabilitacji zabytku. Obiekt
ma być przeznaczony na budynek mieszkalny z pracownią.
3. Charakterystyka podłoża gruntowego w obrębie kazimierzowskiej skarpy
Podłoże gruntowe w okolicy Kazimierza Dolnego to kreda pisząca, margiel, wapienie,
opoki i gezy, pochodzące z okresu mastrychtu. Na skarpie w rejonie przedmiotowej działki
stwierdzono utwory czwartorzędowe (miąższość 2,0÷4,0 m), nasypy, osady dekoluwialne
(osypy) i zwietrzeliny przemieszczone in situ, oraz niekiedy fragmenty lessów. Poniżej
znajdują się skały podłoża, margle i opoki górnokredowe (mastricht). Strop ich jest nierówny,
a górne partie są silnie zwietrzałe. W wyniku wietrzenia opok, powstają gliny piaszczyste
z licznymi drobnymi okruchami skał. W miarę głębokości wymiary okruchów rosną, aż do
fragmentów kamienia odwapnionego, a niżej do litej, nie zwietrzałej skały.
Tablica 1. Parametry geotechniczne w profilu geotechnicznym w skarpie
Parametr
Nasypy, osuwiska stan luźny
Zwietrzelina gliniasta Ic = 0,2÷0,3
Piasek drobny ID = 0,5÷0,6
Zwietrzelina kamienista
[°]
φ = 20
φ = 12
φ = 30
φ = 40
[kpa],
c’= 3÷10
c’= 20
c’= 0
c’= 40
[m3]
γ = 1,4÷1,5
γ = 1,8
γ = 1,5
γ = 1,9
Wykonane dla innych podobnych odcinków skarpy obliczenia stateczności skarpy nachylonej pod kątem 35° pokazały, że współczynnik stateczności F < 1,0 nawet przy braku
uwzględnienia ciśnienia wody. W wykonanych badaniach gruntowych na terenie przedmiotowej działki stwierdzono, że pod warstwą zwietrzeliny o miąższości do kilku metrów znajduje
się podłoże z litej skały wapiennej, jednak nie zdefiniowano jednoznacznie, czy materiał
leżący u podnóża zbocza jest gruntem rodzimym czy też nasypowym zsuwającym się ze
skarpy. Zalecono wykonanie „odkrywki” u podstawy zbocza, która określi sposób zabezpieczenia skarpy i osuwiska od strony południowej działki.
4. Charakterystyka projektu modernizacji budynku „Faktorii Angielskiej”
Opracowany w 2004 r. Projekt Budowlany zakładał modernizację i renowację budynku
mieszkalnego „Faktorii Angielskiej”. Przyjęte rozwiązania urbanistyczno-architektoniczne
436
Szulborski K. i in: Awaria murów oporowych okalających działkę budynku zabytkowej…
miały na celu odtworzenie historycznego układu XVII wiecznego założenia „Faktorii”.
Założono modernizację i rozbudowę zabytkowego budynku oraz budowę parterowego pawilonu wejściowego od strony ul. Krakowskiej. Parter modernizowanego budynku „Faktorii”
i otwarta na dziedziniec dwukondygnacyjna galeria (przeszklona ścianą kurtynową) miała być
przeznaczona na mieszkanie i galerię. Na piętrze dostępnym poprzez projektowaną klatkę
schodową, zlokalizowano również pomieszczenia mieszkalne. W części południowej, przylegającej do muru oporowego, umiejscowiono pomieszczenia pomocnicze (pralnia, łazienka,
pracownia). Budynek przekryto płaskim stropodachem z tarasem na dachu. Parterowy pawilon
od strony ul. Krakowskiej (w linii ogrodzenia), w którym znajduje się hol wejściowy do domu,
otwarty na dziedziniec i garaż dwu stanowiskowy, miał spełniać rolę łącznika pomiędzy częścią
zabytkową i projektowaną. W wyniku takiego rozplanowania zabudowy, wnętrze działki
zajmuje dziedziniec ograniczony ścianą kurtynową budynku „Faktorii”, murami oporowymi od
strony południowej i zachodniej oraz projektowanym pawilonem wejściowym od ul. Krakowskiej. Ścianę oporową od strony skarpy, w zachodniej granicy działki przewidziano jako żelbetową wylewaną. Ścian ta miała za zadanie utrzymać zwietrzelinę nasypową skarpy. (rys. 2b)
Rys. 2. a)Inwentaryzacja budynku „Faktorii Angielskiej” przed rozpoczęciem modernizacji
b) modernizacja według Projektu Budowlanego
Rozbudowę budynku „Faktorii” zaprojektowano w konstrukcji mieszanej. Konstrukcje
nośną szkieletową, stanowią słupy stalowe dwukondygnacyjne z rur φ19 cm o wysokości
10,0 m, wypełnione betonem. Słupy powiązano z ryglami stalowymi poprzecznymi i podłużnymi HEB 200 i 240, biegnącymi w dwóch poziomach (stropu antresoli i stropodachu),
tworząc sztywny układ przestrzenny. Strop antresoli i dachowy (tarasu) zaprojektowano jako
żelbetowy wylewany na blasze fałdowej TR84/273 o gr. 1,0 mm (płyta zbrojona w każdej
fałdzie 2 φ12 dołem i 3 φ12 górą). Ściany nośne w budynku „Faktorii” i w pawilonie
wejściowym od ul. Krakowskiej, zaprojektowano z cegły ceramicznej klasy 15 na zaprawie
cementowej, gr. 25 cm. Pawilon posadowiono na fundamentach żelbetowych (zbroj. 4 φ12).
Stropodach to płyta żelbetowa (14 cm) oparta na ścianach zewnętrznych i belce balustrady.
W poziomie stropodachu zaprojektowano wieniec żelbetowy o wymiarach 25×25 cm.
Analiza Projektu Budowlanego wykazała, że wskutek słabego rozpoznania geologicznego
terenu (skarpy) brakowało oceny stateczności skarpy oraz „analizy stanu osuwiskowego
zbocza i stateczności zabudowy na sąsiednich działkach. (rys. 3)
Geotechnika
437
Rys. 3. Widok działki „Faktorii’ z wcięciem budynku w skarpę i zabudową sąsiednią.
5. Prace budowlane przy murze oporowym od południowej i zachodniej strony działki
Problemy stateczności skarp w Kazimierzu nie są dominującym problemem dla miasta,
gdyż naturalne skarpy zbudowane z opok i ich zwietrzelin, porośnięte lasem lub zabudowane
roślinnością zielną znajdują się w stanie chwiejnej równowagi i przy braku ingerencji
(podkopywania) nie wykazują zagrożenia. Przed rozpoczęciem budowy, skarpa w rejonie
przedmiotowej działki, zbudowana z osuniętych zwietrzałych materiałów (koluwium) nachylona była pod katem 38÷46°. Według zdjęć archiwalnych (rys. 4), wykonanych przed rozpoczęciem budowy, zbocze skarpy od strony południowej było niestabilne, a u stóp skarpy
znajdowało się rumowisko kamieni i pozostałości dawnego muru oporowego.
Rys. 4. Widok skarpy od strony południowej działki – osypiskowy charakter skarpy
(fot. archiwum inwestora)
Po rozpoczęciu prac budowlanych, związanych z wykonaniem muru południowego
(zgodnie z Projektem Budowlanym) nastąpiło gwałtowne osuniecie się rumoszu i osuniecie
gruntu skalnego, co uruchomiło przemieszczenie zbocza. W związku z tym wydarzeniem
przestąpiono do prowizorycznego zabezpieczenia skarpy (rys. 5)
438
Szulborski K. i in: Awaria murów oporowych okalających działkę budynku zabytkowej…
Rys. 5. Dokumentacja fotograficzna osuwiska i wzmocnień skarpy (fot. arch. projektantów)
Zaistniała konieczność zmiany ukształtowania i przebiegu murów oporowych stanowiących ogrodzenie działki od strony południowej i zachodniej oraz okalających dziedziniec projektowanej inwestycji. Ze względu na dynamikę sytuacji (ruchy warstw skalnych oraz gruntu
na nim zalegającego) należało w trybie awaryjnym podjąć decyzję o zabezpieczeniu osuwającej się skarpy. Zmusiło to projektantów, wykonawcę oraz nadzór inwestorski do natychmiastowych niezbędnych korekt pierwotnego przebiegu projektowanego muru, w celu zapewnienia stabilności całego wzgórza. Korekty te polegały na połączeniu muru oporowego zachodniego z murem biegnącym równolegle z południową granicą działki. Zaprojektowano ściany
żelbetowe, oporowe od strony południowej (tak jak w Projekcie Budowlanym) oraz od strony
zachodniej, po granicy działki, aż do ulicy Krakowskiej. W swym końcowym odcinku mur
zachodni stanowi ścianę zewnętrzną, nośną parterowego pawilonu wejściowo-garażowego.
Mur południowy i zachodni połączono półkolem. (rys. 6a). Ściana oporowa zachodnia po
odcinku łukowym ma wysokość od poziomu terenu – 7,73 m w punkcie połączenia (dylatacja),
a w miejscu najniższym (przy ulicy) mur ma wysokość 3,90 m. Długość muru na odcinku
zachodnim (bez łuku) wynosi 15,37 m. Grubość muru oporowego uzależniona jest od wysokości i zmienia się w miejscach występowania żeber od 25÷50 cm. Na odcinku wyższym
– 2 sekcje, w podłożu pod płytą wykonano 7 ostróg o głębokości 1,0 m i wymiarach:
50×50 cm. (rys. 6b). Płyta podstawy muru o grubości 60 cm ma szerokość dostosowaną do
wysokości ściany – od 3,50÷7,0 m przy sekcji najwyższej oraz do 1,45 m w sekcji najniższej.
Nowe ukształtowanie muru zostało podyktowane względami bezpieczeństwa, inna forma
zabezpieczenia skarpy nie zapewniałaby bezpiecznego użytkowania działki sąsiedniej (nastąpiły zarysowania budynku mieszkalnego na działce „sąsiada”) oraz stateczności wzgórza.
W danej sytuacji było to jedyne słuszne rozwiązanie. Zabezpieczenie doraźne np. palościanka,
kotwami gruntowymi, mimo możliwości wykonania i tymczasowego utrzymania skarpy nie
zapewniłyby bezpieczeństwa obiektów w dłuższym czasie.
Geotechnika
439
Rys. 6. Rzut i przekrój ściany oporowej, okalającej dziedziniec według rysunków wykonawczych
Po przedłużeniu ściany oporowej do ul. Krakowskiej nie zarejestrowano dodatkowych rys
budynku na sąsiedniej działce, a propagacja istniejących rys została zatrzymana. O poprawnej
pracy ściany oporowej można wnioskować też na podstawie jej wygładu po pięciu latach od
jej wykonania. Nie zauważono żadnych rys czy innych uszkodzeń świadczących o odkształceniach lub złej pracy ściany. (rys. 7)
Rys. 7. Widok muru oporowego od strony południowej i zachodniej działki (stan obecny,
fot. archiwum autorów)
6. Projektowane zmiany funkcjonalno-konstrukcyjne budynku
„Faktorii Angielskiej” w wyniku korekty przebiegu murów oporowych
W związku ze zmianą warunków gruntowych, w celu ochrony zabytkowej substancji budynku
„Faktorii Angielskiej”, zaistniała konieczność wprowadzenia korekty rozwiązań funkcjonalno-konstrukcyjnych obiektu. Zmieniono kształt parterowego pawilonu wejściowego od strony
ulicy z prostokątnego na trapezowy, dostosowując układ ścian do murów oporowych. Ścianę podłużną od strony dziedzińca zaprojektowano, jako prostopadłą do muru oporowego (w ten sposób
stanowi naturalną przyporę ściany). Zmieniono też grubość stropu nad pawilonem wejściowym
z 14÷25 cm. Rozpatrując problem sztywności przestrzennej całego budowanego Zespołu, tj. budynku Faktorii, murów oporowych i pawilonu wejściowego od strony ul. Krakowskiej, dążono
440
Szulborski K. i in: Awaria murów oporowych okalających działkę budynku zabytkowej…
do uzyskania zrównoważonego układu sił, a w szczególności do zapewnienia stateczności muru
oporowego i stateczności ścian budynku „Faktorii”. Aby to zapewnić, należało zwiększyć
sztywność płyty żelbetowej nad pawilonem wejściowym, która stanowi podparcie dla muru
oporowego od strony „sąsiada” oraz usztywnienie ścian budynku „Faktorii”. Rozwiązanie to jest
statycznie uzasadnione i technicznie poprawne. (rys. 8) Mur pracuje poprawnie, bo od strony ulicy
stężony jest płaską konstrukcją stropu nad parterowym pawilonem wejściowym.
Rys. 8. Zróżnicowany układ sił budynku Faktorii i pawilonu wejściowego od ul. Krakowskiej oraz
muru oporowego (tarcze stropowe przejmują obciążenia poziome)
7. Podsumowanie
Podczas wykonywanych prac budowlanych nadrzędnym celem była ochrona zabytku oraz
niedopuszczenie do katastrofy budowlanej, poprzez osuniecie się skarpy od strony południowej działki. Wykonanie zabezpieczeń w postaci muru oporowego od strony zachodniej oraz
polaczenie go z murem południowym, w celu uniknięcia możliwej awarii budowlanej
na przedmiotowej działce i na działce sąsiedniej, było uzasadnione. Pięcioletni okres dotychczasowej pracy konstrukcji murów oporowych, świadczy, że spełniają one założone wymagania powinny być akceptowane, jako trwałe rozwiązanie zabezpieczenia skarpy.
Literatura
1. Szulborski K., Wysokiński L., Majewska A.: Badania i analiza stateczności skarpy w rejonie działki „Faktorii Angielskiej” w Kazimierzu Dolnym, Warszawa, 2012.
2. „Projekt Budowlany modernizacji i renowacji Faktorii Angielskiej, Kazimierz Dolny”.
arch. Jerzy Bogusławski, Bogusławski i Partnerzy Sp. z o. o. 2004.
3. Bzówka J., Juzwa A., Knapik K., Stelmach K.: Geotechnika Komunikacyjna, Wyd.
Politechniki Śląskiej 2012.
4. Madej J.: Metody sprawdzania stateczności zboczy. Wyd. Komunikacji i łączności 1981.
5. Pinińska J. Właściwości wytrzymałościowe i odkształcenia skał Polski, t. 9 region
Lubelski. Wyd. U. W. 2003.
6. Wysokiński L., Kotlicki W., Godlewski T.: Projektowanie geotechniczne według eurokodu. 7. Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2011.