Stropy w starym budownictwie – uszkodzenia i naprawy

Masywne konstrukcje stropowe wykonuje się powszechnie przez ponad 150 lat. Obecnie wiele konstrukcji stropów masywnych już się nie stosuje, lecz w praktyce inżynierskiej wciąż występują problemy związane z ich naprawą lub koniecznością zwiększania ich nośności.

Rodzaje stropów

Ze względu na zastosowany materiał stropy w starym budownictwie podzielić można na drewniane oraz sklepienia i stropy masywne [1,2, 5, 6, 9]. Do stropów masywnych można zaliczyć stropy:

• z belkami stalowymi (odcinkowe, Kleina, Moniera);
• gęstożebrowe z belkami żelbetowymi monolitycznymi (Ackermana, z cegły dziurawki, Westfala);
• gęstożebrowe z belkami żelbetowymi prefabrykowanymi (Isteg, ES);
• żelbetowe monolityczne.

Najstarsze z wymienionych stropów masywnych to stropy odcinkowe na belkach żeliwnych, a później stalowych. Stropy takie stosowano już w pierwszej połowie XIX w. W 1892 r. mistrz murarski J.F. Klein z Essen opatentował konstrukcję płaskiego stropu w postaci płyty ceramicznej, zbrojonej stalowymi płaskownikami. W dawnych budynkach spotkać można również stropy Moniera w postaci żelbetowych płyt opartych na stalowych belkach. Stropy Moniera powstały nieco wcześniej niż stropy Kleina – opatentowano je w 1888 r., lecz początkowo nie uzyskały dużej popularności. Jednym z najstarszych stropów gęstożebrowych jest strop Ackermana pochodzący z 1909 r. Innym ciekawym rozwiązaniem są stropy z cegły dziurawki, które stosowano na przełomie XIX i XX w.

Typowe uszkodzenia stropów masywnych

Stropy z belkami stalowymi

Główną przyczyną uszkodzeń stropów z belkami stalowymi i ceramicznym wypełnieniem jest korozja stali belek. Rzadziej uszkodzeniom ulegają ceramiczne płyty i sklepienia [11], [12]. Najbardziej narażone na uszkodzenia są stropy zabudowane w miejscach o podwyższonej wilgotności, np. piwnice [14]. W takich warunkach często stan dolnych półek dwuteowników jest bardzo zły. Na fot. 1 pokazano przypadki znacznych uszkodzeń korozyjnych belek. Uszkodzenia takie mogą doprowadzić do częściowego lub całkowitego zawalenia się stropu (fot. 2 i 3).

Fot. 1. Stropy w starym budownictwie. Przykłady uszkodzeń korozyjnych belek stropów odcinkowych

Fot. 2. Częściowo zawalone sklepienie. Fot. 3. Całkowicie zawalone sklepienie

Duże uszkodzenia wykazują często konstrukcje balkonów. Wynika to z braku izolacji przeciwwodnej oraz braku obróbek blacharskich. Konsekwencją jest wnikanie wód opadowych do wnętrza konstrukcji balkonów oraz podciekanie tych wód na spód balkonów (fot. 4). Występują wówczas uszkodzenia korozyjne belek stalowych i uszkodzenia mrozowe płyt ceramicznych. Na fot. 5 pokazano balkon od spodu, w którym wystąpiły znaczne uszkodzenia korozyjne belek nośnych oraz ubytki płyty ceramicznej sięgające otworów w zastosowanej cegle dziurawce. Nakazano wykonanie natychmiastowego remontu polegającego na usunięciu posadzki, oczyszczeniu, wzmocnieniu i zabezpieczeniu antykorozyjnym belek, założeniu tynków na siatce metalowej od spodu oraz wykonaniu obróbek blacharskich i nowej posadzki. Naprawy jednak nie wykonano i po trzech latach doszło do katastrofy budowlanej – balkon uległ zawaleniu (fot. 6).

Fot. 4. Przecieki przez płytę balkonu w okolicy stalowych belek nośnych (z lewej) oraz uszkodzenia korozyjne belek i mrozowe płyty ceramicznej i wypraw tynkarskich (z prawej)

Fot. 5. Zły stan techniczny balkonu (styczeń 2006 r.) – widoczne rozmrożenia cegieł dziurawek do poziomu pierwszego rzędu otworów, zły stan belek stalowych

Fot. 6. Katastrofa budowlana balkonu (marzec 2009 r.)

Stropy gęstożebrowe z belkami żelbetowymi

W stropach gęstożebrowych zabudowanych w pomieszczeniach o podwyższonej wilgotności uszkodzenia mogą wystąpić na skutek korozji zbrojenia. W przypadku znacznej korozji powstające na powierzchni prętów zbrojeniowych produkty korozji zwiększają swą objętość i generują naprężenia w otulinie betonowej powodujące pękanie, a następnie odpadanie otuliny zbrojenia wraz z fragmentami półek dolnych pustaków (fot. 7). Podobne uszkodzenia występują w przypadku obciążeń pożarowych, gdy wysoka temperatura powoduje rozszerzenie się i ścięcie dolnych półek pustaków w styku z pionowymi ścinkami (fot. 8 i 9).

Fot. 7. Stropy w starym budownictwie. Uszkodzenia stropu Ackermana powstałe w wyniku korozji zbrojenia żeber

Fot. 8. Uszkodzenia pożarowe stropu Ackermana (fot. R. Jasiński)

Fot. 9. Uszkodzenia pożarowe stropu Ackermana

Stropy żelbetowe w starym budownictwie

Typowymi uszkodzeniami stropów żelbetowych jest korozja zbrojenia. W pracy [15] podano, że od chwili wykonania konstrukcji wyróżnia się trzy zasadnicze etapy rozwoju uszkodzeń korozyjnych betonu i stali. W pierwszym etapie (rys. 1a) następuje stopniowe zobojętnienie betonu (np. na skutek migracji w strukturę porów w betonie kwaśnych gazów z powietrza). Etap ten może trwać przez wiele lat i zależy od szybkości zmian pH w cieczy porowej w betonie oraz cech dyfuzyjnych substancji agresywnej (np. CO₂ zawartego w powietrzu). Z chwilą gdy otulina utraci właściwości ochronne w stosunku do zbrojenia, rozpoczyna się drugi etap niszczenia, w którym zbrojenie zaczyna korodować (rys. 1b).

Rys. 1. Schemat oddziaływania środowiska na element żelbetowy: a) etap pierwszy oddziaływania, b) etap drugi, c) etap trzeci; 1– pręt zbrojeniowy, 2 – otulina, 3 – strefa zobojętnionego lub nasyconego substancją agresywną betonu, 4 – produkty korozji stali, 5 – rysa podłużna [15]

Intensywność procesów w etapie drugim zależy od wilgotności powietrza lub betonu, wpływającej na przewodność elektryczną betonu i tym samym na działanie makroogniw korozyjnych, dyfuzji tlenu O₂ z atmosfery, który jest potrzebny do przebiegu reakcji elektrodowych, oraz od temperatury otoczenia. W rozwiniętym etapie drugim powstające na powierzchni prętów zbrojeniowych produkty korozji zwiększają swą objętość i wywołują naprężenia w betonie powodujące pękanie, a następnie odpadanie otuliny zbrojenia. Zbrojenie zostaje odsłonięte (rys. 1c), co charakteryzuje już trzeci etap zniszczenia. Przykłady korozji zbrojenia starych stropów pokazano na fot. 10.

Fot. 10. Uszkodzenia korozyjne stropu żelbetowego

Sposoby napraw stropów

Naprawy stropów z belkami stalowymi

Zwiększanie nośności stropów masywnych wymaga zazwyczaj ingerencji od góry stropu lub podparcia belek. W przypadkach gdy stalowe belki wykazują niewielki niedobór nośności (do około 20%), wystarczającym wzmocnieniem jest obetonowanie górnych stref stalowych belek (rys. 2), oczywiście jeżeli nie zostało ono już wykonane w istniejącej konstrukcji [13].

Rys. 2. Wzmocnienie stropów ceramicznych przez obetonowanie stalowych belek: 1 – dodatkowy beton

W przypadku stropów odcinkowych i Kleina bardzo dobre efekty daje wzmocnienie przez zespolenie belek stalowych z wykonaną nad nimi monolityczną płytą żelbetową [3, 7, 8, 9, 11, 13]. Żelbetowe płyty należy kształtować w taki sposób, by mogły być w pełni wykorzystane na ściskanie, a stalowa belka na rozciąganie przy maksymalnym ramieniu sił wewnętrznych. W celu ograniczenia ugięć należy tymczasowo podeprzeć belki na okres betonownia i dojrzewania betonu. Zespolenie elementów współpracujących powinno się realizować za pomocą łączników spawanych do belki i kotwionych w betonie monolitycznym. Sposób wzmocnienia przez nadbetonowanie żelbetowej płyty pokazano na rys. 3. Wzmocnienie stropu na belkach stalowych można w prosty sposób uzyskać przez dodatkowe podparcie. Nie ma tu bowiem problemu z koniecznością dozbrojenia stref nad nowymi podporami, rozważyć jednak należy możliwość zwichrzenia z powodu zmiany znaku momentu zginającego nad podporą.

Rys. 3. Wzmocnienie przez zespolenie z żelbetową płytą: a) strop odcinkowy, b) strop Kleina; 1 – żelbetowa płyta, 2 – stalowe łączniki, 3 – sklepienie ceramiczne, 4 – płyta ceramiczna zbrojona

W przypadku stropów ceramicznych na belkach stalowych dodatkowe podpory umieszcza się bezpośrednio pod belkami stalowymi. Mogą to być słupy na niezależnych fundamentach lub odpowiednio sztywne belki oparte na poprzecznych ścianach nośnych. Dodatkowe podpory słupowe najlepiej projektować jako stalowe. W przypadku stosowania słupów lub tarcz ceglanych jako słupów należy brać pod uwagę możliwości skurczu i oddzielenie się słupa od podpieranej belki, dlatego konieczne jest stosowanie podkładek klinowych umożliwiających rektyfikację. Wzmacnianie przez podparcie belek stalowych stropu będzie racjonalne wówczas, gdy nośność płyt ceramicznych między belkami jest znacznie większa niż nośność belek stalowych. Z reguły tak bywa, gdy stalowe belki mają znaczną rozpiętość, a płyty ceramiczne są dobrze zbrojone.

>>> Stropy gęstożebrowe sprężone do A do Z

>>> Jak zabezpieczać stropy drewniane przed ogniem?

>>> Stropy w budownictwie mieszkaniowym

W przypadku konieczności naprawy i przywrócenia stanu technicznego zdegradowanego przez korozję belek stalowych konieczna jest zazwyczaj ingerencja od spodu stropu. Wzmocnienie od spodu stropu jest również często wymuszone brakiem możliwości prowadzenia robót od góry z powodu ciągłej eksploatacji stropu. Jeżeli stopień degradacji przekroju dolnej półki belki nie jest bardzo duży, to zazwyczaj wystarczy wykonanie dodatkowej podpory w postaci liniowej belki zabudowanej pod belkami stropowymi. Dodatkową belkę podporową można opierać na ścianach poprzecznych lub, w przypadku ich niewystarczającej nośności, na dodatkowych słupach wspartych na niezależnych fundamentach. Przykład takiej naprawy pokazano na fot. 11.

Fot. 11. Wzmocnienie w środku rozpiętości belek stropu odcinkowego

Czasem się zdarza, że korozyjne uszkodzenia stalowych belek są na tyle duże, że konieczne jest stosowanie podparcia liniowego pod każdą z belek. Belki podpierające należy wówczas oprzeć na dodatkowych słupach i fundamentach. Przykład takiego wzmocnienia pokazano na fot. 13.

Rys. 13. Wzmocnienie przez podparcie liniowe każdej z belek stropu odcinkowego

W niektórych przypadkach prostym sposobem wzmocnienia, o którym nie należy zapominać, może być odciążenie istniejącej konstrukcji. Polega ono najczęściej na usunięciu ciężkich warstw wykończeniowych, izolacyjnych, wyrównawczych i zastąpienie ich lekkimi materiałami. Zwraca się jednak uwagę na możliwość wystąpienia uszkodzeń po znacznym odciążeniu konstrukcji. Znane są przypadki powstania zarysowań ścian na skutek odprężenia konstrukcji po usunięciu ze stropów budynku warstw polep, w wyniku zmniejszenia się pierwotnych ugięć stropu. W celu odciążenia stropu często się stosuje również zastąpienie ciężkich ścianek działowych lekkimi rozwiązaniami w postaci ścianek z płyt gipsowo-kartonowych na ruszcie metalowym.

W przypadku znacznych uszkodzeń konstrukcji może dojść do konieczności wymiany stropu na nową konstrukcję. Czasem wymiana wynika ze zmiany funkcji obiektu, nie tylko ze względu na zmianę/zwiększenie obciążeń, ale np. z powodu konieczności dostosowania wysokości pomieszczeń do obowiązujących przepisów.

Wzmocnienie wspornikowych belek nośnych balkonów wykonuje się zazwyczaj przez dospawanie blach lub kształtowników do istniejących belek. Nie zaleca się wymiany belek ze względu na trudności zakotwienia nowych belek w istniejącym murze. Trzeba pamiętać, że wspornikowe belki nośne balkonów osadzano w murze już podczas wznoszenia obiektu (zazwyczaj wkładano między dwie blachy), a ich zakotwienie uzyskiwano przez docisk wyższych partii ścian. Na fot. 12 pokazano otwór z dwiema blachami po wyjęciu uszkodzonej wspornikowej belki balkonu. W miejsce skorodowanej belki, na skutek odkształceń muru, nie udało się już niestety wsunąć nowej belki o tej samej wysokości. Przykład wzmocnienia przez dospawanie blach do istniejącej belki obrazuje fot. 14. W przypadku gdy stal uszkodzonej belki nie jest spawalna lub nie ma do czego przyspawać wzmocnienia, można wykonać dodatkowe podparcie nową belką zabudowaną pod uszkodzoną belką i zastrzałami (fot. 15). Rozwiązanie takie w obiektach zabytkowych wymaga jednak uzyskania zgody konserwatora. Dodatkowo należy sprawdzić obliczeniowo i doświadczalnie zakotwienie w murze.

Fot. 12. Otwór po wyjęciu wspornikowej belki balkonu

Fot. 14. Belka wspornikowa balkonu przed (po lewej) i po wzmocnieniu (po prawej)

Fot. 15. Podparcie wspornikowej belki balkonu dodatkową belką i zastrzałem

Naprawy stropów żelbetowych

Lokalne uszkodzenia korozyjne zbrojenia w płytach żelbetowych oraz w żebrach płyt gęstożebrowych można naprawić, stosując znane systemy naprawcze oparte na materiałach PCC.

Przy uszkodzeniach (najczęściej po pożarze) spodu stropów oderwane dolne półki pustaków zastępuje się styropianem i wykonuje się narzut z zaprawy cementowej (rys. 4). W przypadku odsłoniętego zbrojenia żeber do dolnych prętów podwiązuje się siatkę zbrojeniową, a następnie wykonuje narzut z zaprawy cementowej (torkret). W pewnych przypadkach – jeżeli przepisy przeciwpożarowe na to pozwalają – można wykonać reprofilację żeber i całość przesłonić stropem podwieszonym, maskującym uszkodzoną konstrukcję. Jeżeli nastąpiło odsłonięcie zbrojenia żeber, to po oczyszczeniu należy wykonać reprofilację żebra i przywrócić otulinę, stosując materiały z modyfikowanych zapraw PCC. Możliwe jest także dodanie zbrojenia przez dospawanie pręta.

Przy rozluźnieniu ceramicznych wiązań, rysach i pęknięciach płyt możliwe jest zastosowanie naprawy metodami iniekcji ciśnieniowej [3, 5, 9, 13]. Jako materiały iniekcyjne można stosować żywice epoksydowe lub poliuretanowe, modyfikowane zaprawy lub zaczyny cementowe.

Rys. 4. Sposoby napraw uszkodzeń po pożarze: 1 – wypełnienie styropianem, 2 – wypełnienie materiałem drewnopochodnym, 3 – reprofilacja tynku

Rys. 5. Sposoby napraw uszkodzeń po pożarze: 1 – istniejące zbrojenie, 2 – dodatkowe zbrojenie (jeśli jest potrzebne), 3 – zbrojenie montażowe φ6 podwieszone drutem wiązkowym, 4 – siatka stalowa, 5 – reprofilacja tynku

Naprawy stropów masywnych w starym budownictwie. Podsumowanie

Stropy w starym budownictwie często ulegają uszkodzeniom. Związane jest to ze znacznym zużyciem technicznym materiałów oraz niejednokrotnie ze złym stanem technicznym takich budynków. Istnieje wiele możliwości napraw i zwiększenia nośności stropów. Każdą konstrukcję należy jednak rozpatrywać indywidualnie, a ostateczna ocena stanu powinna być poparta odpowiednimi odkrywkami i analizą obliczeniową. Wybór metody naprawy powinien być poparty wnikliwą analizą ekonomiczną.

dr hab. inż. Łukasz Drobiec, prof. PŚ Wydział Budownictwa, Politechnika Śląska

Literatura

1. R. Ahnert, K.H. Krause, Typische Baukonstruktionen von 1860 bis 1960, Band 2, 7 Auflage, Beuth Verlag GmbH, Berlin 2014.
2. G.A. Breymann, Allgemaine Baukonstruktionslehre, Teil III Konstruktionen in Eisen, Leipzig, J.M. Gebhard’s Verlag, 1890.
3. R. Chmielewski, L. Kruszka, Analiza nośności wybranego przykładu uszkodzonego stropu typu Klein, „Inżynieria bezpieczeństwa obiektów antropogenicznych” nr 1/2016.
4. Ł. Drobiec, R. Jasiński, A. Piekarczyk, Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Metodologia, badania polowe, badania laboratoryjne betonu i stali, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
5. Ł. Drobiec, R. Jasiński, Naprawy i wzmocnienia stropów w starym budownictwie, „Izolacje” nr 10/2017.
6. Ł. Drobiec, Z. Pająk, Stropy z drobnowymiarowych elementów, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, wyd. 4, 2013.
7. Ł. Drobiec, Typowe uszkodzenia i metody napraw stropów masywnych z belkami stalowymi, „Izolacje” nr 6/2017.
8. Ł. Drobiec, Uszkodzenia i sposoby napraw balkonów oraz stropów z belkami stalowymi i murowanym wypełnieniem, Monografia Awarie budowlane, „Zapobieganie, diagnostyka, naprawy, rekonstrukcje”, Wydawnictwo Uczelniane Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, 2017.
9. Ł. Drobiec, Renowacje konstrukcji obiektów zabytkowych. Systematyka – uszkodzenia – naprawy, cz. I „Archmedia”, Warszawa 2018.
10. M. Górecki, D. Franczak-Balmas, Wzmocnienie stropu Kleina w świetle aktualnych norm, „Budownictwo i Architektura” nr (14), 4/2015.
11. E. Masłowski, D. Spiżewska, Wzmacnianie konstrukcji budowlanych, Arkady, Warszawa 2000.
12. R. Nowak, R. Orłowicz, Ł. Drobiec, Badania wypełnienia ceglanego stropów odcinkowych, „Materiały Budowlane” nr 4/2018.
13. Z. Pająk, Ł. Drobiec, Konstrukcja i obliczanie wzmocnień płaskich stropów ceramicznych, XIV Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń, luty 1999.
14. R. Szeląg, R. Tribiłło, O destrukcji płaskich stropów ceglanych, „Inżynieria i Budownictwo” nr 6/2011.
15. A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniak, Diagnostyka konstrukcji żelbetowych, t. II „Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2011.