Wybrane problemy prostowania obiektów budowlanych

Krzysztof GROMYSZ
Politechnika Śląska
Tomasz NIEMIEC
MPL Katowice sp. z o. o.
WYBRANE PROBLEMY PROSTOWANIA OBIEKTÓW
BUDOWLANYCH WYCHYLONYCH Z PIONU
Przedstawiono stosowane w Polsce metody rektyfikacji (prostowania) budynków.
Prawidłową orientację w przestrzeni obiektu budowlanego (stropy poziome, ściany pionowe),
uzyskać można bądź przez obniżanie części wyżej leżących bądź przez podnoszenie części
położonych niżej. W pierwszym przypadku wybiera się w odpowiedni sposób grunt spod
fundamentów; wykonując sieć otworów wiertniczych lub wycinając klin gruntu za pomocą
łańcucha „bez końca”. W drugim przypadku, podnoszenie obiektu realizowane jest za pomocą
podnośników albo wypiętrzając podłoże obiektu stosując iniekcje odpowiednim medium pod
fundamentem budowli. Najczęściej stosowana obecnie jest metoda podnoszenia budowli
z użyciem podnośników hydraulicznych.
1.
WPROWADZENIE
Na skutek eksploatacji górniczej występują na ogół ciągłe deformacje powierzchni. Najistotniejszy wpływ na budynki na terenach górniczych mają: odkształcenie poziome „ε”, obniżenie „w”, nachylenie „T” oraz krzywizna pionowa „K”
(rys. 1).
Rys. 1. Deformacje terenu górniczego.
Wskaźniki deformacji terenu górniczego: T - nachylenie, ε – odkształcenie poziome, K krzywizna pionowa, w – obniżenie na tle wychylonego budynku (1 – eksploatacja)
Jak wykazały badania [5], w przypadku budynków mieszkalnych, wychylenie
wynoszące 15÷25 mm/m jest uciążliwe, a wychylenie powyżej 25 mm/m jest niedopuszczalne. Takie wychylenie powinno być usunięte.
Celem artykułu jest przedstawienie metod usuwania wychyleń budynków
mieszkalnych ze szczególnym uwzględnieniem realizacji przeprowadzonych na terenie Polski.
2.
METODY USUWANIA POCHYLEŃ BUDOWLI
Wyróżnić można trzy metody rektyfikacji, czyli eliminowania pochyleń budynków (tablica 1) [2]. Pierwsza polega na usuwaniu gruntu spod wyżej położonej
części obiektu (rys. 2a), druga na podnoszeniu niżej położonej części obiektów
za pomocą podnośników (rys. 2b) [2], trzecia na równoczesnym obniżaniu wyżej
położonej części obiektu i podnoszeniu części położonej niżej.
iniekcji
dźwigni jednostronnej
z wykorzystaniem podnośników membranowych
z wykorzystaniem podnośników sterowanych siłą
z wykorzystaniem podnośników sterowanych
przemieszczeniem
Sposób:
grawitacyjno-wiertniczy
Metoda:
wycinania warstw gruntu
Tablica 1. Systematyka usuwania wychyleń budynków
usuwania gruntu
podnoszenia niżej
spod wyżej połopołożonej części
pośrednia
żonej części buobiektów
dynku
Rys. 2. Metody eliminowania wychyleń obiektów budowlanych: a) usuwanie gruntu spod
wyżej położonej części obiektu, b) podnoszenie niżej położonej części obiektu
Niezależnie od przyjętej metody rektyfikacji, potrzebne jest określenie wartości i kierunku wychylenia obiektu. Przystępując do rektyfikacji budynków prefabrykowanych, określa się położenie wszystkich krawędzi ścian zewnętrznych. Wyniki
tych pomiarów uwzględniają wówczas również niedokładności montażu konstrukcji,
którą oszacować można na około 3mm/m. Dla budynku przewidzianego do rektyfikacji wyznacza się składowe pochylenia obiektu w dwóch kierunkach wzdłuż prostopadłych ścian. Następnie wyznacza się wektor pochylenia wypadkowego T max jako sumę
wektorową obu prostopadłych składowych. Wektor ten wskazuje wartość i kierunek
rektyfikowania budynku.
Rektyfikacja sprowadza się do obrotu budynku w płaszczyźnie pionowej dookoła osi prostopadłej do kierunku wychylenia wypadkowego (rys. 3). W przypadku
metod prostowania należących do grupy pierwszej będzie to oś 1, a w przypadku
metod zaliczanych do grupy drugiej (podnoszenie) - oś 2. Dla metod pośrednich
budynek jest obracany względem osi znajdującej się między osiami 1 i 2 [7].
Rys. 3. Usuwanie wychyleń jako obrót obiektu względem osi prostopadłej do kierunku
wychylenia wypadkowego
W pierwszej grupie metod prostowania wyróżnia się dwa sposoby. Sposób
grawitacyjno – wiertniczy, polega na wykonaniu odwiertów pod budynkiem. Część
gruntu jest usuwana, a pozostała - znajdująca się pod budynkiem - ulega znacznemu
osłabieniu. Wskutek tego zostaje wyczerpana nośność gruntu i budynek ulega nierównomiernemu osiadaniu i powraca do prawidłowej orientacji w przestrzeni.
W sposobie drugim, pożądane położenie budynku względem pionu uzyskuje
się przez wycinanie kolejnych warstw gruntu.
W drugiej grupie metod usuwania wychyleń, w praktyce zastosowano trzy
sposoby. Pierwszym jest rektyfikacja za pomocą podnośników hydraulicznych sterowanych indywidualnie przemieszczeniem, drugim rektyfikacja z wykorzystaniem
podnośników sterowanych siłą, a trzecim - rektyfikacja z użyciem podnośników
hydraulicznych płaskich (membranowych).
Do metod pośrednich można zaliczyć „dźwignię jednostronną”, której zastosowanie powoduje, że część budynku znajdująca się wyżej zostanie opuszczana,
a część znajdująca niżej będzie podnoszona. Do metod pośrednich zaliczono także
sposób polegający na tłoczeniu do gruntu medium o właściwościach pęczniejących,
wymuszającego przemieszczenia ku górze części budynku znajdującej się niżej.
2.1.
Metody polegające na usuwaniu gruntu
2.1.1. Sposób grawitacyj no -wiertniczy
W sposobie grawitacyjno-wiertniczym [7] w celu obniżenia części obiektu
znajdującej się wyżej wybiera się odpowiednią bryłę gruntu spod fundamentu za
pomocą poziomych otworów wiertniczych (rys. 4). W efekcie wymusza się zmiany
właściwości gruntu zalegającego pod fundamentem, a w szczególności zmianę jego
ściśliwości. To zjawisko wykorzystuje się do przeprowadzenia kontrolowanego nierównomiernego osiadania budynku, co w konsekwencji prowadzi do jego wyprostowania. W zależności od potrzeb, wierci się otwory pod fundamentem w pionie, poziomie lub ukośnie, na głębokości poniżej 1 m pod podstawą fundamentu. Dodatkowe
zalewanie wykonanych otworów wodą, szczególnie w przypadku gruntów lessowych,
przyśpiesza proces zmian w podłożu i uzyskuje się pożądany obrót bryły obiektu [13].
Otwory wykonuje się za pomocą wiertnicy poruszającej się na specjalnie przygotowanych prowadnicach ułożonych na dnie wcześniej wykonanego wykopu
w bezpośrednim sąsiedztwie rektyfikowanego obiektu (rys. 4b). Do wykonania otworów stosuje się świdry, których średnica zależy od rodzaju gruntu, w którym mają być
prowadzone odwierty.
a)
b)
Rys. 4. Sposób grawitacyjno–wiertniczy: a) idea sposobu, b) przykład realizacji
Pod wpływem ciężaru rektyfikowanego obiektu wykonane otwory zaciskają
się, co w następstwie doprowadza do kontrolowanego nierównomiernego osiadania
obiektu, a przez to do jego obrotu. Regulacji prędkości osiadań dokonuje się przez
nawilżanie otworów. Ten sposób rektyfikacji obiektów budowlanych jest powszechnie
stosowany na terenie Ukrainy [13].
Projektowanie pionowej rektyfikacji opisane w pracy [13], w zakresie gruntów cechującymi się parametrami: 10 < E ≤ 20 MPa, tg  0,3, c ≤ 0,05 MPa, opiera
się na Winklerowskim modelu podłoża.
Odmianę sposobu grawitacyjno – wiertniczego zastosowano również w Polsce
do rektyfikacji dwóch budynków 11-kondygnacyjnych o rzucie 12,6 × 23,6 m
w Raciborzu [9]. Przyczyną wychylenia budynków było ich posadowienie na war-
stwie namułów zmiennej grubości. Rektyfikowane budynki o konstrukcji prefabrykowanej (ściany nośne wykonane z elementów kanałowych typu „Żerań” grubości 240
i 380 mm, stropy z płyt kanałowych rozpiętości 2,4 oraz 4,8 i 6,0 m) były posadowione na fundamentach płytowych grubości 0,7 m, pod którymi wykonano częściową
wymianę gruntu (podsypka piaskowa grubości 1,5 m). Grunt spod budynku usuwano
wykonując otwory wiertnicze średnicy 150 mm i długościach do 13 m. W pierwszym
etapie wykonywano otwory bez orurowania, bezpośrednio pod płytą fundamentową,
a następnie otwory orurowane na głębokości 0,6 m pod płytą fundamentową. Spod
każdego z fundamentów wydobyto około 25 m3 gruntu, co spowodowało obrót budynków o około 10 mm/m.
Po dokonaniu rektyfikacji budynki zostały ustabilizowane odcinkowymi palami MEGA, które przekazały obciążenie na warstwę nośnego podłoża, zalegającą
poniżej warstwy gruntu słabego.
Autor w pracy [9] proponuje odmienne w stosunku do przedstawionego
w [13] podejście do obliczania rozstawu i liczby otworów pod budynkiem. Metoda
przedstawiona w [9] wykorzystuje geometryczne zależności opisujące niezbędny do
usunięcia nadmiar gruntu spod części budynku znajdującej się wyżej. Zakładając, że
teoretyczna oś obrotu budynku powinna przechodzić przez najniżej położone naroże
podstawy fundamentu (punkt 1, rys. 5) i być prostopadła do kierunku wypadkowego
wychylenia, potrzebne obniżenia naroży fundamentu można określić z zależności:
s1=0,
s3=T2 l2,
s2=T1 l1,
s4= T1 l1+T2 l2,
(1)
a bryła gruntu przeznaczonego do wybrania ograniczona jest liniami prostymi (rys. 5).
Na rysunku 5 przedstawiono za [9] przykład dobierania długości otworów po
podzieleniu fundamentu na 3 strefy. W poszczególnych strefach określono, że jest
niezbędne wykonanie odpowiednio 1, 3, 5 otworów na szerokość c fundamentu,
liczoną wzdłuż jego długości. W rozpatrywanym przypadku szerokość c określa się z
zależności:
c  d 2 / 4s
(2)
gdzie d - średnica otworu, s - średnie obniżenie fundamentu w strefie położonej najbliżej punktu 1 (rys. 5). Należy zauważyć, że s=s4/6, natomiast średnie obniżenia
fundamentu w następnych strefach wynoszą 3s4/6 i 5s4/6.
Koncepcja prostowania wychylonych z pionu budynków przez wykonanie
odwiertów z poziomu terenu, poprowadzonych pod kątem 450 do jego powierzchni,
została podana w patencie i ofercie [11]. W myśl tego sposobu odwierty mają być
prowadzone w układzie przecinających się w planie wachlarzy, z pozostawieniem
trójkątnych przykrawędziowych sektorów nienaruszonego podłoża (rys. 6). Po wyprostowaniu obiektu, w celu utrwalenia jego położenia, wskazywano [11] na konieczność
wypełnienia betonem szczelin pozostałych w gruncie. Na terenie Rybnika w 1998 r.
podjęto jedną nieudaną próbę rektyfikacji budynku według patentu [11].
a)
b)
c)
Rys. 5. Zasada obliczania ilości gruntu potrzebnego do wybrania oraz rozmieszczenia otworów
pod budynkiem (opis w tekście)
Rys. 6. Koncepcja prostowania obiektów przez wykonywanie otworów z poziomu terenu
2.1.2. Sposób wycinania war stw gruntu
Sposób wycinania warstw gruntu polega na usuwaniu jego nadmiaru za pomocą urządzenia skrawającego. Urządzenie to zostało wykonane wykorzystując
przenośnik zgrzebłowy i łańcuch założony na odpowiednio napędzane koła gwiezdne.
W skład mechanizmu wchodzą: łańcuch urabiający, silniki hydrauliczne, napinacze
łańcucha i regulatory prędkości. Zasada działania urządzenia polega na usuwaniu
gruntu spod wyżej położonej części obiektu przez poruszający się łańcuch [10].
Łańcuch urabiający (tzw. łańcuch bez końca), napędzany silnikiem
i przesuwany poziomo pod budynkiem wycina warstwę podłoża. Wskutek tego następuje obniżenie fundamentu, a przy odpowiednio dobranej grubości wyciętego gruntu
dochodzi do redukcji pochylenia budynku. Urządzenie napędzające łańcuch porusza
się po specjalnie przygotowanym torowisku zabudowanym w dnie wykopu (rys. 7).
Opisany sposób zastosowano do rektyfikacji trzech budynków jednorodzinnych na terenie Rybnickiego Okręgu Węglowego w latach osiemdziesiątych [10].
Proces prostowania trwał od roku do dwóch lat i poza utrudnieniami w użytkowaniu
obiektów pociągnął za sobą, mimo wzmocnień budynków (rys. 7), liczne ich uszkodzenia.
Rys. 7. Metoda wycinania warstw gruntu (pokazano zasadę usuwania składowej pochylenia)
Jako zaletę metod rektyfikacji polegających na usuwaniu gruntu spod obiektu
należy wskazać brak ingerencji w konstrukcję budynku w trakcie prowadzenia rektyfikacji. Do wad tej grupy zalicza się jednak:

zagłębianie budynku w gruncie, co może powodować, w zależności od sytuacji
podtapianie piwnic lub konieczność przebudowania infrastruktury wokół obiektu,

uszkodzenia obiektów w trakcie wycinania warstw gruntu,

szeroki zakres prac przygotowawczych,

konieczność dysponowania dużymi przestrzeniami wokół rektyfikowanych
obiektów.
Zdaniem autorów artykułu, metody polegające na usuwaniu gruntu spod budynku sprawdzają się w przypadku gruntów lessowych (doświadczenia ukraińskie
[13]). Przy gruntach niejednorodnych i zwięzłych sterowanie procesem osiadania
obiektu jest utrudnione. Skutkiem tego są skokowe przyrosty odkształceń gruntu pod
prostowanym obiektem i brak pełnej kontroli nad procesem rektyfikowania.
2.2.
Metody polegające na podnoszeniu budynków
Rektyfikacja wychylonych z pionu budynków przez nierównomierne podnoszenie jest technologią stosunkowo nową, stosowaną na szerszą skalę w Polsce od
1994 r. Metoda ta polega na nierównomiernym podnoszeniu budynku za pomocą
układu podnośników wbudowanych w ścianach kondygnacji piwnicznej budynku [3].
Proces prostowania składa się z trzech faz (rys. 8). W pierwszej doprowadza
się do rozerwania budynku. Powstaje pozioma szczelina biegnąca między podnośnikami. W przypadku budynków o ścianach żelbetowych przebieg tej szczeliny zdeterminowany jest rozwiązaniami konstrukcyjnymi (połączeniem elementów prefabrykowanych albo przekrojem, w którym rozcięto zbrojenie, w przypadku konstrukcji
monolitycznych). W konstrukcjach murowanych szczelina biegnie pod wbudowanym
wzmocnieniem ścian. Powstanie tej szczeliny jest stymulowane poprzez sekwencyjne
wymuszanie przemieszczeń w poszczególnych podnośnikach.
Rys. 8. Fazy rektyfikacji przez nierównomierne podnoszenie
Faza druga to równoległe podnoszenie. Wszystkie podnośniki wykonują jednakową liczbę kroków, w wyniku czego budynek jest podnoszony na wysokość 2030 mm. Jest to konieczne, aby w następnym etapie prostowania krawędzie obracanej
części budynku i pozostającej w gruncie nie zahaczały o siebie.
Faza trzecia sprowadza się do nierównomiernego podnoszenia budowli.
Każdy obiekt przeznaczony do prostowania wymaga szeregu zabiegów przygotowawczych, obejmujących:

wykucie wnęk pod podnośniki,

wykonanie niezbędnych wzmocnień,

zabudowę podnośników w kondygnacji piwnicznej,

czasowe odcięcie instalacji centralnego ogrzewania, gazowej i wodnokanalizacyjnej.
Obecnie w Polsce rozwinęły się trzy sposoby rektyfikacji budynków przez
nierównomierne podnoszenie. Różnią się one jedynie typem stosowanych podnośników i rodzajem sterowania (sterowanie przemieszczeniem tłoka podnośnika, sterowanie siłą w podnośniku). Poszczególne systemy, ze względu na nośność pojedynczego
podnośnika, są przypisane do danego rodzaju rektyfikowanego obiektu.
2.2.1. Usuwanie wychyleń
przemieszczeniem.
za
pomocą
podnośników
sterowanych
Prostowanie za pomocą tego rodzaju podnośników polega na zabudowaniu
w ścianach piwnic zestawu podnośników. Podnośniki sterowane komputerowo,
o nośności 450 kN są umieszczane w specjalnie do tego celu wykutych otworach lub
w otworach okiennych kondygnacji piwnicznej [3].
Umiejscowienie podnośników (rys. 9) wynika z rozkładu naprężeń
w przewidywanej płaszczyźnie rozerwania budynku. Ponadto projektując rozkład
podnośników dodatkowo zabezpiecza się kominy i schody prowadzące do piwnicy
oraz różnego rodzaju przybudówki.
Na czas rektyfikacji stosuje się zabezpieczenie budynku. Najczęściej wykonuje się je w postaci dwóch ceowników umieszczonych po obu stronach rozrywanych
ścian.
a)
b)
Rys. 9. Przykładowe rozmieszczenie podnośników sterowanych przemieszczeniem
w budynku jednorodzinnym: a) rzut kondygnacji piwnicznej, b) przekrój
W przypadku prostowania budynku za pomocą podnośników sterowanych
przemieszczeniem zachowuje się dany krok podnoszenia, równy od 0,2 do 0,5 mm.
Podnoszenie budynku odbywa się kolejnymi przebiegami. Przebiegów takich,
w zależności od wychylenia, przeciętnego kroku i położenia podnośnika w budynku
może być kilkaset. Na przykład w budynku, którego jeden narożnik jest obniżony
w stosunku do drugiego o 1 m, liczba kroków o skoku 0,5 mm w części podnośników
wyniesie aż 2000.
Jeżeli przechylenie budynku przekracza 190 mm, ograniczony wysuw tłoka
podnośnika wymusza okresowe jego podkładanie klockami drewnianymi (rys 10).
Sposobem tym wyprostowano kilkaset budynków jednorodzinnych, kilka segmentów
budynków czterokondygnacyjnych oraz kościół. Ze względu na nośność jednego
podnośnika, opisany sposób nadaje się w szczególności do rektyfikacji budynków
jednorodzinnych.
Rys. 10. Podnośniki sterowane przemieszczeniem zabudowane w kondygnacji piwnicznej
budynku
2.2.2. Usuwanie wychyleń za pomocą podnośni ków sterowanych siłą
W przypadku tego sposobu prostowania budynków sterowanie odbywa się indywidualnie w każdym podnośniku przez wymuszanie siły. Siła zostaje wymuszana
przez podanie oleju pod danym ciśnieniem. Ze względu na wysuw tłoka, wynoszący
60 cm (rys. 11), w przypadku małych budynków lub niewielkich wychyleń podkładanie podnośników w trakcie rektyfikacji nie jest konieczne. Nośność jednego podnośnika, przedstawionego na rys. 11, wynosi 600 kN. Dlatego metoda ta jest powszechnie stosowana w prostowaniu budynków kilkukondygnacyjnych.
Zakres prac związanych z procesem prostowania jest podobny do zakresu prac
przy rektyfikacji za pomocą podnośników sterowanych przemieszczeniem. W przypadku prowadzenia rektyfikacji budynków, w których ściany piwnic wykonane są
jako żelbetowe monolityczne, przed przystąpieniem do rektyfikacji jest niezbędne
rozcięcie wszystkich prętów zbrojenia ścian.
Rys. 11. Podnośniki sterowane siłą
Po zakończeniu nierównomiernego podnoszenia rozcięte zbrojenie jest odtwarzane. Po ukończeniu rektyfikacji prowadzony jest dalszy remont budynku polegający
na wypełnieniu szczelin powstałych w kondygnacji piwnicznej oraz wnęk po podnośnikach, tynkowaniu ścian, wykonaniu wylewek w piwnicach do żądanego poziomu
oraz, w razie konieczności, dobudowaniu schodów. Sukces rektyfikacji wykonywanej
za pomocą podnośników sterowanych siłą zależy w dużym stopniu od doświadczenia
osoby obsługującej podnośniki.
2.2.3. Usuwanie wychyleń za pomocą podnośni ków membranowych
Podnośniki w tym sposobie stanowią wypełniane olejem membrany
o początkowej wysokości równej 60 mm i średnicy 520 mm (rys. 12). Specjalnie
dobrany kształt podnośnika sprawia, że po wypełnieniu olejem zwiększa on swoją
wysokość o 60 mm. Okrągłe, drewniane podkładki przekazujące siłę z podnośnika na
budynek mają średnicę 440 mm, co przy ciśnieniu w układzie hydraulicznym wynoszącym 13 MPa daje siłę przekazywaną na budynek z jednego podnośnika równą
2000 kN. W praktyce, w trakcie rektyfikacji siła ta nie przekracza 1200 kN. W omawianym sposobie podnośniki są zasilane centralnie z jednej pompy olejowej
a sterowanie odbywa się przez wymuszanie ciśnienia oleju indywidualnie w każdym
podnośniku. Duża powierzchnia oporowa podnośnika sprawia, że mimo znacznej siły
docisku przekazywanej na fundament i rektyfikowaną część budynku naprężenia pod
podnośnikiem nie przekraczają 10 MPa i mogą być przenoszone przez beton średniej
klasy. Konstrukcja podnośnika oraz system sterowania zapewniają pełną kontrolę
przemieszczeń pionowych, co gwarantuje zachowanie stałości powierzchni podnoszonej części budynku.
a)
b)
Rys. 12. Podnośniki membranowe: a) podnośniki przygotowane do zabudowania
w konstrukcji, b) układ dwóch podnośników membranowych
zabudowanych w kondygnacji przyziemia
Wzmocnienie ścian projektuje się, w zależności od nośności ściany
i zastosowanego w niej zbrojenia, z dwóch kształtowników stalowych umieszczonych
po dwóch stronach ściany (rys.13a) lub w postaci układu kształtowników i prętów
(rys. 13b).
a)
b)
Rys. 13. Najczęściej projektowane rodzaje wzmocnień ścian kondygnacji piwnicznych
a) wzmocnienie z dwóch kształtowników stalowych umieszczonych po dwóch stronach ściany:
1 – podnośnik membranowy, 2 – okute blachą podkładki, 3 – stalowa obręcz wypełniona
piaskiem, 4 – otwór w ścianie 600/220 mm, 5 - 200, 6 - 25 co 300 mm, 7 –
bl. 500×10/500, 8 - 75×75×8, 9 – poszerzenie żeber fundamentowych, 10 – żebro fundamentowe, 11 – płyta ścienna,
b) wzmocnienie w postaci układu kształtowników i prętów. 1 – płyta fundamentowa, 2 monolityczna ściana piwnic, 3 – poszerzenie ściany, 4 – otwór w ścianie 600/220 mm, 5 200, 6 - 25 co 300 mm, 7 – bl. 500×10/500, 8 - 75×75×8, 9 – poszerzenie żeber fundamentowych, 10 – żebro fundamentowe, 11 – płyta ścienna.
2.3.
Metody pośrednie
Pośrednie metody rektyfikacji można uznać za kombinację prostowania przez
usuwanie gruntu i nierównomiernego podnoszenia.
2.3.1. Dźwi gnia j ednostronna
Dźwignia jednostronna polega na podnoszeniu nadmiernie obniżonej części
obiektu budowlanego przy jednoczesnym podkopaniu części przeciwległej. Sposób
został zastosowany w praktyce do wyprostowania 13-kondygnacyjnego budynku
w Rzeszowie, wychylonego około 40 cm [12].
Budynek był posadowiony na namułach w stanie plastycznym
i miękkoplastycznym, a pod jedną z jego krawędzi występowała soczewka z piasku,
grubości około 2 m. Grunty nośne występowały na głębokości 12 m. Takie warunki
posadowienia spowodowały w konsekwencji pochylenie budynku: osiadanie jednej z
krawędzi wyniosło około 35 cm, a przeciwległej około 14 cm. Różnica osiadań wynosiła więc 21 cm.
W celu wyprostowania budynku wzmocniono skrzynię fundamentową oraz
dobudowano do niej wspornik (rys. 14). Pod wspornikiem wprowadzono pale
Wolfsholza, a następnie podnośnikami hydraulicznymi opartymi na tych palach
i oddziałującymi na dobudowany do fundamentu wspornik podnoszono część fundamentu, który osiadł więcej (rys. 14). W tym celu zainstalowano sześć podnośników,
każdy o udźwigu 200 ton. Dzięki pracy podnośników, a także podkopaniu części
budynku, która cechowała się mniejszym osiadaniem, maksymalne osiadanie zmniejszyło się o 3 cm, natomiast osiadanie krawędzi przeciwnej zwiększyło się o 13 cm.
Tak więc różnica osiadań po wyprostowaniu wynosiła tylko 5 cm. Opisany sposób
nadaje się do stosowania tylko wówczas, gdy kierunek pochylenia budynku jest równoległy do jego układu konstrukcyjnego, a warstwa nośna gruntu nie zalega zbyt
głęboko.
`
Rys. 14. Metoda dźwigni jednostronnej
2.3.2. Iniekcj a
Iniekcja polega na tłoczeniu pod znacznym ciśnieniem medium o dużej zdolności penetracji i właściwościach wiążących do podłoża części obiektu budowlanego
znajdującej się zbyt nisko. Sposób został zastosowany z pozytywnym skutkiem na
terenie Katowic. Przez tłoczenie zaczynu cementowego pod ciśnieniem około 0,8 MPa
powstrzymano wychylanie się a także częściowo wyprostowano dwa sąsiadujące ze
sobą wielokondygnacyjne segmenty (7 i 9 kondygnacji) [1].
Podobny sposób rektyfikacji mieszkalnego wieżowca w Berlinie przedstawiono w [6]. Ze studni zlokalizowanej w pobliżu rektyfikowanego obiektu wykonano pod
nim układ poziomych rur iniekcyjnych. Rurami tymi pompowano zaczyn cementowy
pod ciśnieniem, a otwieranie odpowiednich zaworów umożliwiło iniekcję we właściwych miejscach pod fundamentem.
3.
PRZYKŁADY REALIZACJI PIONOWYCH REKTYFIKACJI
Poniżej przedstawiono proces prostowania dwóch budynków na terenie Polski. Budynki te cechowały się odmiennymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi: konstrukcja pierwszego była ramowa a drugiego ścianowa [14].
3.1.
Prostowanie budynku o konstrukcji ramowej
Rektyfikacji poddano trzy segmenty budynku szkoły. Wychylenie segmentów
wynosiło od 21 mm/m do 40 mm/m. Wszystkie prostowane segmenty są
dwukondygnacyjne, niepodpiwniczone o ramowej konstrukcji nośnej. Rzut
segmentów wynosi 13,00×13,12 m (rys. 15). Fundamenty segmentów stanowią
żelbetowe ławy, w których utwierdzono monolityczne słupy długości 2 m i przekroju
30×40 cm. Monolityczne słupy, wyposażone w stalowe okucia z kątowników,
stanowią oparcie dla słupów żelbetowej prefabrykowanej ramy [15, 16]. Dolne
fragmenty słupów ram prefabrykowanych są także wyposażone w okucia
z kątowników. Połączenie słupów prefabrykowanych ram z monolitycznymi słupami
wykonane było przy pomocy blach przykładkowych spawanych do okuć (rys. 16).
W trakcie prostowania obiektu, rozcięto blachy przykładkowe. Takie
położenie rozcięcia konstrukcji zapewniało, że reakcję ze słupa stanowiła jedynie siła
osiowa bez udziału momentów zginających [15]. W związku z tym w trakcie
prostowania należało przejąć jedynie siłę osiową ze słupa. Siła działająca
w podnośnikach musiała pokryć się zatem z osią słupa. Wobec powyższego,
zabudowano podnośniki tłokowe symetrycznie po dwóch stronach słupów.
Przekazanie siły z podnośników na słup zapewniły siły tarcia wywołane między
sześcioma elementami stalowo – betonowymi a słupem.
W celu zabudowania elementów stalowo - betonowych w każdym słupie
wykonano trzy otwory. Przez otwory te przeprowadzono śruby M24 klasy 8,8.
Następnie na tych śrubach osadzono elementy stalowo – betonowe. W każdej śrubie
wywołano siłę równą 160 kN, co zapewniło możliwość wywołania między boczną
powierzchnią słupów a elementami stalowo – betonowymi sił tarcia równoważących
reakcję przekazywaną z podnośników. Zrealizowane rozwiązanie przedstawiono na
rysunku 16.
Rys. 15. Rzut jednego segmentu budynku szkoły (przekroje A-A i B-B przedstawiono na
rysunku 5)
Po przeprowadzeniu prostowania elementy stalowo – betonowe zostały
zdemontowane. Powstałe w ścianach osłonowych przestrzenie (rys. 17) zamurowano.
W wyniku przeprowadzonej rektyfikacji segmentom szkoły przywrócono pełną
wartość użytkową.
a)
b)
Rys. 16. Przekazywanie sił z podnośników na słupy żelbetowe przez siły tarcia wywołane
między elementami stalowo – betonowymi a słupem a) schemat konstrukcji, b) przykład
realizacji
a)
b)
Rys. 17. Przemieszczenie podnoszonej części budynku względem części pozostającej
w gruncie: a) widok z zewnątrz budynku, b) wnętrze podnoszonego budynku
3.2.
Prostowanie budynku o konstrukcji ścianowej
Prostowany obiekt to trzysegmentowy jedenastokondygnacyjny budynek
mieszkalny wielkopłytowy systemu „Fabud T”. Różnokierunkowe wychylenie
segmentów wynosiło do 26 mm/m (rys. 18a, b). Poprzeczne ściany budynku znajdują
się w osiowych rozstawach równych 6,0, 4,8, 3,6 oraz 2,4 m. Poprzeczne ściany
nośne, podłużne ściany osłonowe, a także podłużną wewnętrzną ścianę usztywniającą
w przyziemiu wykonano w postaci żelbetowych płyt prefabrykowanych grubości
20 cm (rys. 18d). Budynek posadowiono na płycie fundamentowej grubości 60 cm z
żebrem fundamentowym wysokości 60 cm i szerokości 30 cm (rys. 18c).Do
przeprowadzenia prostowania budynku wykorzystano system 50 podnośników
membranowych. Podnośniki tego systemu mają średnicę 520 mm, wysokość
początkową 60 mm, zakres pracy 60 mm. Ciśnienie oleju w podnośnikach w trakcie
pracy wynosi do 13 MPa.
Podnośniki membranowe zostały umieszczone w otworach wykonanych
w kondygnacji przyziemia, w miejscu oparcia płyt ściennych na żebrach
fundamentowych (rys. 18c). Szerokość płyt ściennych wynosząca 200 mm wymuszała
konieczność ich poszerzenia w celu zapewnienia pełnego oparcia podnośników na
podnoszonej części budynku.
a)
b)
c)
d)
Rys. 18. Jedenastokondygnacyjny budynek mieszkalny a) widok ogólny, b) zmiana szerokości przerwy dylatacyjnej powstała wskutek wychylenia, c) przekrój poprzeczny, d) układ
ścian nośnych kondygnacji przyziemia, rozmieszczenie podnośników
Powierzchnię tę uzyskano przez zabudowanie po dwóch stronach ścian
dziesięciu elementów stalowo – betonowych (rys. 19). Zabudowanie tych elementów
wiązało się z wykonaniem pięciu otworów w ścianach nośnych nad każdym
podnośnikiem. Samo prostowanie polegało na zadawaniu przemieszczeń
poszczególnym podnośnikom. Po zakończeniu prostowania zdemontowano elementy
stalowo - betonowe.
Przeprowadzona rektyfikacja budynku jedenastokondygnacyjnego przywróciła pełną wartość użytkową obiektu.
W trakcie rektyfikacji następowała zmiana schematu statycznej pracy
budynku. Obciążenie ze ścian budynku na fundament było przekazywane, nie jak
w trakcie eksploatacji w postaci obciążenia liniowego, lecz w postaci sił skupionych.
Dlatego wymagane było obliczeniowe sprawdzenie stanów granicznych nośności
wybranych fragmentów budynku, fundamentów oraz podłoża.
a)
b)
Rys. 19. Konstrukcja ścianowa. Przekazywanie obciążenia z podnośnika na ścianę przez tarcie:
a) szkic rozwiązania, b) przykład realizacji
Przy wyznaczaniu wartości sił w podnośnikach zastosowano uproszczone
podejście, w którym modeluje się jedynie dwie pierwsze kondygnacje budynku
(rys. 20a). Następnie w poziomie górnych krawędzi ścian i stropu tego modelu jest
przykładane obciążenie pionowe wynikające z ciężaru kolejnych kondygnacji.
Obciążenie pionowe jest wyznaczane z dwóch możliwych schematów pracy stropów.
Schemat pierwszy (rys. 20b) zakłada że stropy wszystkich kondygnacji
opierają się na ścianach poprzecznych oznaczonych na rysunku 18d osiami: 1, 2, 3, 4,
5, 6, 7. W schemacie drugim (rys. 20c) przyjmuje się, że obciążenie jest przekazywane
zarówno na nośne ściany poprzeczne, jak i na ściany podłużne. Rzeczywista praca
stropów zastosowanych w rozważanym budynku znajduje się w zbiorze rozwiązań,
którego kresami górnym i dolnym są przyjęte schematy.
a)
b)
c)
Rys. 20. Zasada wyznaczania siły w podnośnikach a), b), c) opis w tekście
4.
NACHYLENIE BUDYNKU JAKO KRYTERIUM
ODPOWIEDZIALNOŚCI ZA SZKODY GÓRNICZE
W Tablicy 2. przedstawiono granice kategorii terenów górniczych ze względu
na wartości pochyleń, dopuszczalne limity pochyleń dla budynków dwu-, pięcioi jedenastokondygnacyjnych. Na podstawie badań i wywiadów z użytkownikami
budynków, określono granicę odczuwania pochylenia (10 mm/m) oraz granice małej
(do 15mm/m), średniej (do 20 mm/m) oraz dużej uciążliwości (25 mm/m).
W polskim porządku prawnym nie jest stosowana rekompensata za uciążliwości użytkowania z uwagi na ponadnormatywne pochylenie (np. 20 mm/m), więc
jedyną alternatywą naprawy szkody jest rektyfikacja budynków, chyba, że koszt
naprawy rażąco przekracza wartość obiektu – wówczas stosowana jest wypłata jednorazowego odszkodowania.
Przekroczenie w budynku stanów granicznych nośności skutkować może awarią bądź katastrofą budowlaną.
Dla budynków dwukondygnacyjnych graniczną wartością pochylenia jest
50 mm/m, dla budynków pięciokondygnacyjnych – 40 mm/m, natomiast dla budynków jedenastokondygnacyjnych 30 mm/m (Tablica 2).
Pochylenie skutkuje mimośrodowym przenoszeniem sił w ścianach piwnicznych oraz ścianach budynku, co jest zjawiskiem niekorzystnym dla rozkładu sił
w konstrukcji budowli.
Wyprostowanie (rektyfikacja) budynku jest celowa ze względów technicznych, eliminuje bowiem mimośrodowe przenoszenie sił.
Tablica 2. Nachylenie jako kryterium odpowiedzialności za szkody górnicze
[1] Gil-Kleczeńska B.: Odporność obiektów kubaturowych na wpływ eksploatacji górniczych w aspekcie ich użytkowania, Prace Głównego Instytutu Górnictwa. Konferencje
nr 3. Ochrona powierzchni i obiektów budowlanych przed szkodami górniczymi,
Katowice 1997
[2] Gil-Kleczeńska B.: Techniczno-ekonomiczne zasady ochrony budynków przed szkodami
górniczymi. Prace Głównego Instytutu Górnictwa. Konferencje nr 20. Ochrona powierzchni i obiektów budowlanych przed szkodami górniczymi. Katowice 1997
[3] Instytut Techniki Budowlanej. Praca Naukowo-Usługowa nr SK-407/OG-591: Opinia
dotycząca prostowania budynków wychylonych na skutek eksploatacji górniczej.
Gliwice 1995
[4] Kowalski A., Jędrzejec E., Kwiatek J.: Kategorie deformacji terenów górniczych.
IV Dni Miernictwa Górniczego i Ochrony Terenów górniczych. Rytro 1997
[5] Kwiatek J. i zespół: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych”.
Katowice 1997
5.
UWAGI KOŃCOWE
Znaczne pochylenie wpływać może negatywnie na użytkowanie budynku
dwojako:
1. poprzez dyskomfort użytkowania,
2. przekraczając stany graniczne nośności.
W polskim porządku prawnym nie jest stosowana rekompensata za uciążliwości użytkowania z uwagi na ponadnormatywne pochylenie, więc jedyną alternatywą
naprawy szkody jest rektyfikacja budynków.
Tym bardziej, że przekroczenie stanów granicznych nośności skutkować może
awarią bądź katastrofą budowlaną.
Wychylenie obiektu budowlanego jest często traktowane jako trwała wada,
której nie można usunąć. Często pochylenie jest akceptowane przez użytkowników,
którzy godzą się z występowaniem niedogodności z nim związanych. Tymczasem
w ostatnich latach na terenie Polski rozwinęło się szereg metod umożliwiających
skuteczne usuwanie wychyleń.
Prostowanie budynków jest zagadnieniem interesującym z technicznego punktu widzenia. Należy jednak pamiętać, że znaczne wychylenie obiektów, to także
poważny problem społeczny. Dotychczas budynki o wychyleniu przekraczającym 5%
były wyburzane. Obecnie, dzięki możliwości prostowania, znaczna część wychylonych obiektów jest rektyfikowana.
Piśmiennictwo
1. Ajdukiewicz A.: Szkieletowy budynek żelbetowy zagrożony lokalną deformacją podłoża.
Inżynieria i Budownictwo nr 2, 1979 .
2. Gromysz K.: Repairs of Vertically Deflected Buildings. IABSE COLLOQUIUM Berlin
1998. Saving Buildings in Central and Eastern Europe. Raport.
3. Gromysz K.: o metodach eliminowania wychyleń obiektów budowlanych. Inżynieria
i Budownictwo. 6/2006, s. 302-307.
4. Gromysz K., Starosolski W.: Badanie niszczące zespolonego stropu deskowego w skali
naturalnej. XLVI Konferencja Naukowa Krynica 2000, tom II.
5. Kawulok M.: Ocena właściwości użytkowych budynków z uwagi na oddziaływania górnicze. Prace naukowe Instytutu Techniki Budowlanej, Warszawa 2000.
6. Kiełbasiewicz W., Kosydor P., Pluciński P.: Bazy parcel i obiektów powierzchniowych oraz
system prognozowania WK902 w ochronie terenów górniczych w LGOM. Materiały konferencji naukowo-technicznej: „Informatyka w geodezji górniczej”. Kraków, AGH 1996.
7. Kwiatek J. i inni: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych. Wydawnictwo
Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice 1997.
8. Kwiatek J., Gil-Kleczyńska B.: Aktualne problemy ochrony obiektów budowlanych na
terenach górniczych. Materiały konferencji naukowo – technicznej. „Ochrona środowiska
terenów górniczych”. Zarząd Główny SITH. Krynica 1996.
9. Kwiatek J.: Grawitacyjno – wiertniczy sposób prostowania wysokich obiektów na terenach
górniczych. „Ochrona Terenów Górniczych” nr 67 1984.
10. Niemiec T., Gromysz J.: Metody prostowania budynków przechylonych. „Budownictwo
Górnicze i Tunelowe” nr 3/1995.
11. Pallado J.: Sposób rektyfikacji obiektów budowlanych. Zgłoszenie patentowe nr 325232.
Data zgłoszenia 09.03.1998 oraz opracowana w oparciu o zgłoszenie „Oferta na rektyfikację budowli odchylonych od pionu wskutek odkształceń podłoża pod wpływem eksploatacji
górniczej, ruchów tektonicznych lub nierównomiernego osiadania terenu”. Polcon Ltd, Katowice 1998.
12. Rossiński B.: Błędy w rozwiązaniach geotechnicznych. Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa 1978.
13. Szokarew S., Klepikowa N. S., Pogorzelski B.: o eliminacji nadmiernych przechyleń
obiektów budowlanych. „Inżynieria i Budownictwo” nr 3/2005.
14. Gromysz K., Niemiec T.: Usuwanie wychyleń budynków o szkieletowym i ścianowym
ustroju nośnym. XXIII Konferencja Naukowo – Techniczna Awarie Budowlane 2007. s.
243-250.
15. Główne Biuro Studiów i Projektów Górniczych. Wykaz elementów konstrukcyjno – budowlanych EKB. Katowice 1978.
16. Główne Biuro Studiów i Projektów Górniczych. Zestaw elementów szkieletu dla budynków
szkolnych. Elementy słupowo – ryglowe na kruszywie lekkim. Katowice, listopad 1985.