Analiza przyczyn katastrofy budowlanej konstrukcji dachowej zespołu pałacowego w Gorzanowie

Opis katastrofy budowlanej

Prace remontowe omawianego pokrycia dachowego rozpoczęto w 2006 r. Jednak ze względu na problemy finansowe inwestora nie zostały one ukończone, a późniejsze zmiany własnościowe spowodowały, że prace te zostały przerwane bez prawidłowego zabezpieczenia pozostałej części remontowanego dachu (fot. 5a). Zimą 2011 r. nastąpiła katastrofa budowlana, wskutek której zawaleniu uległa konstrukcja więźby dachowej oraz niżej znajdujące się stropy trzeciej kondygnacji i drugiej w skrzydle wschodnim pałacu w Gorzanowie (fot. 5b i 6). Można założyć, że katastrofa budowlana spowodowana była następstwem rozwoju korozji biologicznej wywołanej znacznym zawilgoceniem konstrukcji więźby, złym stanem technicznym obiektu oraz źle przeprowadzonych prac remontowych pokrycia. Trzeba podkreślić, że pierwotnie pokrycie pałacu wykonane było z czerwonego gontu, a następnie dachówki kamiennej (łupka). Podczas prac remontowych obiektu dokonano jego wymiany na dachówkę ceramiczną. W trakcie tego remontu nie wzmocniono drewnianej konstrukcji więźby dachowej, w której ze względu na zły stan pokrycia występowała korozja biologiczna wywołana licznymi zawilgoceniami. Na tej podstawie założono, że obciążenie więźby przy równoczesnym obniżeniu parametrów mechanicznowytrzymałościowych konstrukcji pod wpływem rozwoju korozji biologicznej spowodowało zawalenie się tej części dachu.

Fot. 4 Uszkodzenia stropów kolejnych kondygnacji wywołane lokalnym oddziaływaniem wody: a) uszkodzenia stropu trzeciej kondygnacji, b) uszkodzenia stropu drugiej kondygnacji

Analiza przyczyn katastrofy budowlanej

Zarejestrowane uszkodzenia konstrukcji więźby dachowej potwierdzają pogląd, że zmiana parametrów wytrzymałościowych drewna wynikająca z procesów korozyjnych jest funkcją czasu, która w dłuższej perspektywie prowadzi do przekroczenia stanów granicznych – nośności i użytkowalności elementu lub całej konstrukcji. W związku z powyższym wykonano obliczenia numeryczne, których celem było jednoznaczne określenie przyczyn powstania zaistniałej katastrofy budowlanej.

Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły wykonać inwentaryzację konstrukcji więźby dachowej, co posłużyło do budowy modelu numerycznego (rys. 1), oraz określić parametry fizykomechaniczne drewnianych elementów więźby dachowej na podstawie badań niszczących i nieniszczących. Znaczące dla analizy przedmiotowej więźby okazały się zarejestrowane zawilgocenia i zacieki pochodzące z nieszczelności pokrycia dachowego oraz brak sprawnego systemu odwadniania połaci dachu.

Zespół pałacowy poddany był licznym przebudowom i modernizacjom na przestrzeni wieków, co spowodowało, że poszczególne układy konstrukcyjne odbiegają od klasycznych rozwiązań. Przedmiotowa konstrukcja więźby dachowej cechuje się brakiem symetrii rozmieszczenia słupów, co mogło być związane z kolejnymi zmianami wyglądu gzymsu koronującego ścian szczytowych czy też lukarn. Konstrukcja więźby w strefie zaistniałej katastrofy została zamodelowana na podstawie dokumentacji archiwalnej oraz uwzględniając zastosowane rozwiązania konstrukcyjne w pozostałej części dachu.

Fot. 5 Remontowana część dachu pałacu: a) stan przed katastrofą, b) stan po katastrofie

Na podstawie przeprowadzonej inwentaryzacji przyjęto, że konstrukcja dachu składała się z:

– podwaliny o wymiarach 0,20×0,35 m (BL 20×35),

– płatew o wymiarach 0,18×0,20 m (BL 18×20),

– jętki o wymiarach 0,15×0,18 m (BL 15×18),

– słupów o wymiarach 0,15×0,15×4,2 m (SL 15×18),

– krokwi o wymiarach 0,14×0,16 m (KR 14×16).

Konstrukcja więźby dachowej oparta została na ścianach kolankowych oraz na drewnianej konstrukcji stropu najwyższej kondygnacji pałacu. W obliczeniach uwzględniono również występowania lukarn oraz innych rozwiązań. Przyjęty model konstrukcji został opracowany przy uwzględnieniu aktualnego stanu obiektu oraz elementów, które uległy zniszczeniu.

W obliczeniach przyjęto obciążenia stałe wynikające z ciężaru własnego konstrukcji i warstw wykończeniowych oraz obciążenia zmienne eksploatacyjne oraz klimatyczne. Klasę drewna przyjęto na podstawie przeprowadzonych badań jako C24.

Analiza wytrzymałościowa konstrukcji więźby dachowej wykonana została na podstawie normy PN-EN 1995-1:2005/1:2008 [4]. Weryfikacji poddano wszystkie elementy konstrukcji więźby z uwzględnieniem oddziaływania poszczególnych kombinacji obciążeń. Obliczenia zostały przeprowadzone w programie Autodesk Robot Structural Analysis.

Fot. 6 Zniszczenia w centralnej części budynku wywołane zawaleniem się dachu

Początkowo obliczenia przeprowadzono dla konstrukcji przed rozpoczęciem robót remontowych (etap I). W ten sposób określono elementy o największych wytężeniach (rys. 2), których lokalizacja pokrywa się równocześnie z miejscami występowania największych uszkodzeń i zawilgoceń (połączenie krokwi lukarny i płatwi). Uszkodzenia te spowodowane były przede wszystkim brakiem prawidłowych wykończeń dekarskich w tych miejscach oraz brakiem prawidłowego zabezpieczenia przed wpływami czynników atmosferycznych na drewniane elementy konstrukcyjne więźby dachowej. Występujące zawilgocenia przenoszone były także na elementy belkowe stropu najwyższej kondygnacji, na którym podparto konstrukcję więźby dachowej, powodując ich przegnicia w gniazdach. W związku z tym dalszą analizę ograniczono do elementów znajdujących się w okolicy lukarny, która uległa częściowemu zawaleniu, i przeprowadzono ją w kilku etapach uwzględniających różne aspekty:

– etap II – prowadzone prace remontowe połaci dachu, przez zmianę rozkładu obciążeń stałych;

– etap III – przegnicie dwóch belek stropu najwyższej kondygnacji w gniazdach po jednej stronie analizowanej lukarny, przez usunięcie ich podpór;

– etap IV – przegnicie czterech belek stropu najwyższej kondygnacji w gniazdach po obu stronach analizowanej lukarny, przez usunięcie ich podpór;

– etap V – przegnicie krokwi koszowej po jednej stronie analizowanej lukarny, przez usunięcie jej podpory;

– etap VI – przegnicie krokwi koszowej po obu stronach analizowanej lukarny, przez usunięcie ich podpór.

Rys. 1 Model numeryczny więźby dachowej skrzydła głównego

Przeprowadzone obliczenia pozwoliły określić wytężenia analizowanych elementów więźby dachowej, a uzyskane wyniki zestawiono w tablicy.

Tabl. Zestawienie wytężeń analizowanych elementów więźby dachowej

Na podstawie uzyskanych wyników obliczeń można stwierdzić, że zwiększenie obciążenia pochodzącego od nowego pokrycia dachowego (etap II) faktycznie spowodowało zmiany w nośności analizowanych prętów. Niemniej jednak wytężenie zarówno

elementów płatwi, jak i wybranych krokwi nie przekroczyło wartości normowych.

Zniszczenie gniazd belek stropowych (etap III i IV) nie spowodowało przekroczenia stanu granicznego nośności w płatwiach znajdujących się na połączeniu z krokwią koszową analizowanej lukarny.

Najbardziej niekorzystny przypadek zaobserwowany został dopiero w sytuacji obustronnego zniszczenia podpór krokwi koszowych (etap VI). W tym przypadku wytężenie zarówno elementów płatwi, jak i wybranych krokwi przekroczyło znacznie wartości normowe, co można przyjąć za punkt inicjujący zniszczenie konstrukcji więźby dachowej.

Rys. 2 Analizowane elementy więźby dachowej

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonej analizy oraz obliczeń statyczno-wytrzymałościowych konstrukcji dachu można sformułować następujące wnioski:

1. Drewniana konstrukcja więźby dachowej znajdowała się w złym stanie technicznym wskutek braku bieżącej konserwacji pokrycia dachowego oraz wieloletnich zaniedbań eksploatacyjnych.

2. W trakcie inwentaryzacji obiektu zarejestrowano liczne uszkodzenia elementów składowych więźby wywołane przede wszystkim znacznym zawilgoceniem oraz rozwijającą się korozją biologiczną.

3. Następstwem występowania uszkodzeń oraz braku konserwacji dachu była katastrofa budowlana, która obejmowała drewnianą konstrukcję dachu oraz drewniane stropy znajdujące się poniżej.

4. Punktami inicjującymi katastrofę wydają się być uszkodzenia w obrębie podparć krokwi koszowych, co mogło być spowodowane zarówno błędami wykonawczymi, jak i ich złym stanem technicznym (przegnicia, korozja biologiczna).

5. Katastrofa postępująca wywołana była zarówno nadmiernym i dynamicznym obciążeniem stropów, jak i korozją belek kolejnych stropów w obrębie gniazd.

Wieloletnie błędy eksploatacyjne, szczególnie w odniesieniu do konstrukcji drewnianych, powodują zmianę parametrów  wytrzymałościowych drewna wynikające z procesów korozyjnych, co może prowadzić do przekroczenia stanów granicznych – nośności i użytkowalności elementu lub całej konstrukcji. Należy wskazać na wagę okresowych przeglądów technicznych obiektów budowlanych oraz zwracać uwagę na konieczność stosowania odpowiednich zabezpieczeń i konserwacji, szczególnie w przypadku obiektów zabytkowych.

dr inż. Daniel Wałach

dr inż. Piotr Dybeł

mgr inż. Justyna Jaskowska-Lemańska

mgr inż. Joanna Czaja

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza

Uwaga: treść artykułu jest oparta na referacie przygotowanym na konferencję „Awarie Budowlane 2015″.

Literatura

1. R.M. Łuczyński, Losy rezydencji dolnośląskich w latach 1945 -1991, Atut, 2010.

2. K.R. Mazurski, Ziemia Kłodzka – część południowa, Sudety, 1996.

3. J. Pilch, Leksykon zabytków architektury Dolnego Śląska, Arkady, 2005.

4. PN-EN 1995-1-1 Eurokod 5 Projektowanie konstrukcji drewnianych. Postanowienia ogólne. Reguły ogólne i reguły dotyczące budynków.

5. Materiały udostępnione przez Towarzystwo Miłośników Gorzanowa, http://tmg.gorzanow.prv.pl/.