Budynki z wielkiej płyty – stan złączy konstrukcyjnych i możliwości ich naprawy

Stan elementów złączy w budynkach z wielkiej płyty. Co wynika z badań?

Złącza konstrukcyjne w budynkach wielkopłytowych

Szczegółowe wyniki badań (badano budynki podstawowych systemów, tj. OWT, W70/Wk70 i Szczecin) zawarte w raporcie z pracy obejmują ponad 300 odkrywek, wykonanych przez zespół kierowany przez autora niniejszego artykułu, w różnych elementach złączy. Były to typowe dyblowe złącza pionowe, złącza pionowe z połączeniami spawalnymi i klamrowymi, złącza poziome. Syntetyczne zestawienie wyników prezentuje się następująco [4].

Wypełnienie złączy betonem/zaprawą

• Przyjęte przy realizacji pracy metody badań (przy użyciu wiertarek udarowo- -obrotowych) nie pozwoliły na jednoznaczną ocenę, czy złącza wypełniono betonem czy zaprawą. Wykonywanie odwiertów wiertarką udarowo-obrotową uniemożliwia określenie średnicy kruszywa, a pobrane próbki były w postaci pyłu. Możliwe było stwierdzenie, że spoiwem wypełnień złączy był cement, co przedstawiono niżej, w wynikach badań laboratoryjnych.
• Całkowity brak wypełnienia złącza stwierdzono w dwóch przypadkach. Były to złącza między ścianami nośnymi poprzecznymi a ścianami osłonowymi w systemie Szczecin. Należy zauważyć, że ściany były połączone łącznikami w miejscach usytuowania pętli prefabrykatów. Stal nie była otulona betonem, była pokryta nalotem rdzy, bez wżerów korozyjnych.
• W kilkunastu przypadkach stwierdzono niestaranne wypełnienie złączy. Objawiało się to brakiem betonu lub występowaniem nieciągłości (dziur) w dolnych częściach złączy pionowych. Powyżej tych miejsc (ok. 20-30 cm powyżej poziomu podłogi) wypełnienie było prawidłowe. Przyczyną było niewłaściwe zagęszczenie mieszanki betonowej w złączu. Sytuacja taka była obserwowana we wszystkich badanych systemach.
• Złącza poziome (wieńce) były wykonane z betonu. Nie stwierdzono braków w wypełnieniu. Styki poziome między ścianami wewnętrznymi płyt warstwowych osłonowych wypełnione były zaprawą. Zaprawa, w wielu przypadkach, była niskiej jakości (wytrzymałości) i można ją było wyjąć ze złącza przy użyciu ostrego narzędzia.
• Odsłaniane podczas badań pręty zbrojeniowe, pętle, łączniki nie wykazywały objawów korozji w betonie wypełnień złączy. Stwierdzono jedynie rdzę nalotową, która powstała przed zabetonowaniem stalowych elementów.
• Elementy stalowe mocujące ściany osłonowe klatek schodowych w systemie OWT pokryte były rdzą powierzchniową, nie stwierdzono wżerów korozyjnych. Trzeba podkreślić, że były one osłonięte tynkiem wapienno-cementowym o niskiej wytrzymałości, niegwarantującym należytej ochrony przed korozją. Spawy wykonane były niestarannie. W dwóch przypadkach stwierdzono pęknięcia spawów na całej długości.
• Złącza wypełniono betonem/zaprawą na spoiwie cementowym. Świadczy o tym wysokie pH w granicach 11,8 -12,5 (w kilku próbkach pH było nieco niższe i wynosiło 11,5-11,7). Zawartość części rozpuszczalnych w kwasie wynosiła wagowo 30-60%.
• W badanych próbkach złączy nie stwierdzono (poza ilościami śladowymi) obecności chlorków świadczących o dodawaniu środków przyspieszających wiązanie (ówcześnie stosowano w tym celu powszechnie chlorek wapnia).
• Badania elektrochemiczne potwierdziły, że beton/zaprawa wypełnień złączy ma dobre właściwości ochronne względem stali zbrojeniowej.

Podobne wyniki uzyskano, badając złącza budynku wielkopłytowego w trakcie rozbiórki [5].

Czytaj: Bloki z wielkiej płyty – technologia i elementy konstrukcyjne

Fot. pixabay (devenyipisti)

Wieszaki ścian zewnętrznych w budynkach z wielkiej płyty

Badania wykonano w kilkuset (ponad 600) odkrywkach wykonanych ok. 20 lat temu [6]. Zrobiono je dla różnych systemów budownictwa na terenie wielu miast w Polsce. Wyniki tych badań można ocenić następująco:

• Zawyżona była – w stosunku do projektu – grubość betonu warstwy fakturowej (średnio o 8 mm) przy zaniżonej grubości wełny mineralnej (średnio o 22 mm). Wynikiem tego jest zwiększenie naprężeń w wieszakach spowodowane zwiększonym, w stosunku do projektowanego, ciężarem płyt i naprężeń wynikających z ich odkształceń termicznych.
• Kotwienie wieszaków w warstwach fakturowych w ok. 60% jest nieprawidłowe. Zazwyczaj jest to brak prętów kotwiących, rzadziej ich zbyt mała średnica.
• Gatunek stali wieszaków jest zasadniczym problemem. Podczas badań stwierdzono, że w zdecydowanej większości odkrywek stal nie odpowiadała wymaganiom w zakresie nośności i trwałości.
• Nie stwierdzono ubytków korozyjnych wieszaków znaczących dla bezpieczeństwa pracy płyt. Obserwowano jedynie obecność rdzy powierzchniowej zarówno na stali nierdzewnej, jak i stali zwykłej jakości. W wielu przypadkach badane ściany przemarzały, jednak zawilgocenie wełny mineralnej nie było wyższe niż 0,8%.

Przypadki pękania wieszaków w budynkach z wielkiej płyty

W końcu lat 90. przeprowadzono badania płyt ściennych pięciu budynków mieszkalnych na Śląsku wykonanych w technologii W-70 (modyfikowanej). W czasie badań wykonano 33 odkrywki, w których odsłonięto 29 wieszaków [7]. Wieszaki wykonane były z prętów 8 mm, których powierzchnia była ciemnoszara, matowa, nierówna, pokryta brunatnym nalotem. Siedem wieszaków było pękniętych w miejscach zagięcia. Pęknięcia były prostopadłe do osi prętów i obejmowały cały przekrój wieszaków, tak że straciły one swą ciągłość. Przełom w miejscach pęknięć był matowy, ciemnoszary. Miejsca i charakter pęknięć wskazują na to, że powstały one w czasie eksploatacji, wyklucza się zamontowanie popękanych wieszaków. Ze względu na bezpieczeństwo ścian wieszaki sprawdzano tylko w warstwie fakturowej i częściowo w warstwie ocieplenia.

Badania składu chemicznego wykazały, że wieszaki były wykonane ze stali H13N4G9. Stal miała zaniżoną prawie do 50% (w stosunku do wymagań) wartość wydłużenia przy zerwaniu i zwiększoną twardość materiału.

Czytaj też: Wielka płyta – dostosowanie instalacji elektrycznych do współczesnych potrzeb i przepisów

Ocena stanu bezpieczeństwa ścian zewnętrznych budynków z wielkiej płyty

Analizując bezpieczeństwo ścian zewnętrznych, należy oceniać dwa aspekty. Pierwszy to bezpieczeństwo samej ściany określone możliwością wystąpienia awarii konstrukcji budynku.

Dotychczasowe badania autora oraz innych rzeczoznawców (opisanych w publikacjach) wskazują, że bezpieczeństwo konstrukcji budynków nie jest zagrożone. Warstwy nośne ścian są na ogół poprawnie zamontowane w konstrukcji i nie istnieje realne niebezpieczeństwo awarii konstrukcji. Dotyczy to zarówno ścian nośnych, jak i osłonowych.

Drugi aspekt to bezpieczeństwo warstw fakturowych ścian. Dotychczasowe doświadczenie osób oceniających budynki z wielkiej płyty oraz obserwowane awarie pozwalają ocenić bezpieczeństwo tych warstw jako niedostateczne. Powodem tego jest stan łączników stalowych warstw ścian. Ściany są obciążane dodatkowymi warstwami izolacji termicznej (efekt termo-modernizacji budynków).

W praktyce w zdecydowanej większości budynków zastosowano na wieszaki następujące stale:

• Stal H13N4G9. Stwierdzone przypadki pęknięć prętów stalowych będące efektem niewłaściwej struktury stali (brak przesycenia i trawienia) wskazują, że bezpieczeństwo warstw fakturowych jest zagrożone.
• Stale chromowe ferrytyczne.
• Stale zwykłe węglowe.

Stale te stosowane były powszechnie w systemach OWT zgodnie z projektami typowymi, spotykano je również w budynkach innych systemów. Projektanci stosowali wieszaki o średnicy 12 mm (przy typowej 08 mm) oraz ok. dwukrotnie większą liczbę wieszaków, niż to wynikało z obliczeń. Część wieszaków była zabezpieczona powierzchniowo powłokami metalicznymi. Paradoksalnie stosowanie stali zwykłych było bardziej właściwe (uwzględniając dzisiejsze doświadczenia) niż stosowanie niewłaściwej jakości stali odpornych na korozję.

Oceniając bezpieczeństwo warstw elewacyjnych ścian, należy postawić kilka pytań, na które obecnie nie jesteśmy w stanie odpowiedzieć:

1. Ile i w których budynkach zastosowano wieszaki ze stali H13N4G9?
2. W jakiej (szacunkowo) liczbie płyt stosowano szpilki i jakiej były one jakości? Można przypuszczać, że w większości płyt brak jest szpilek.
3. Jaka część płyt mogła ulec awarii w przypadku pęknięć wieszaków ze stali H13N4G9? Użytkownicy o tym nie wiedzą (płyta mogła się oprzeć na płycie znajdującej się niżej, możliwe jest, że płyty utrzymywane są przez szpilki).
4. W ilu budynkach przed dociepleniem wykonano wzmocnienia połączeń ścian?

Brak odpowiedzi na te pytania wpływa na decyzję projektanta dociepleń, który musi ocenić stan łączników i podjąć decyzję o dodatkowym wzmocnieniu.

W celu właściwej oceny danego budynku (ocieplonego czy nie) powinno się wykonać ekspertyzę stanu łączników. Ekspertyza może być kosztowna (poszukiwanie wieszaków na wysokości na budynkach docieplonych, analiza metalurgiczna stali, analiza betonu, poszukiwanie szpilek, obliczenia itp.).

Dodatkowym czynnikiem jest bezpieczeństwo badającego (w ścianach mogą występować pęknięte wieszaki, a warstwa fakturowa mogła się odspoić, ale jeszcze nie odpadła). Samo wykonanie odkrywek i pobranie próbek wiąże się też z osłabieniem połączeń ścian.

Oprócz stanu wieszaków rzeczoznawca powinien uwzględnić jakość wykonania płyt ściennych, występowanie korków betonowych przy wieszakach itp. Wykonanie ekspertyzy stanu ścian jest zatem dość trudne, wymagające wsparcia laboratoriów specjalistycznych.

Należy zatem postawić pytanie: czy wykonywanie ekspertyz stanu wieszaków przed dociepleniem jest zasadne. Zdaniem autora nie jest zasadne i konieczne. Uwzględniając dotychczasowe doświadczenia, dobrze udokumentowane w literaturze, konieczne jest wzmacnianie łączników (wieszaków) ścian. Oczywiście niezbędna jest ocena warstw ściennych, uwzględniając jakość betonu i możliwość kotwienia dodatkowych łączników ścian.

Ocena możliwości badawczych do diagnostyki złączy konstrukcyjnych budynków z wielkiej płyty

W literaturze znajduje się wiele opisów dotyczących metodyki badań konstrukcji, w tym stosowania metod nieniszczących. W większości do tych celów stosowane są metody nieniszczące, takie jak sklerometryczne (bazujące na pomiarze twardości przypowierzchniowej warstwy materiału), akustyczne (w których mierzy się m.in. prędkość oraz inne charakterystyki rozchodzenia się fal podłużnych lub poprzecznych w materiale), radiologiczne (wykorzystujące m.in. osłabienie promieniowania X i gamma przechodzącego przez materiał, a także ich rozproszenie i tłumienie fal).

Do oceny zbrojenia również używane są badania nieniszczące. Można określić średnicę zbrojenia i jego usytuowanie w elemencie (m.in. grubości otuliny). Do tych celów stosowane są metody radiologiczne, elektryczne, prądów wirowych i magnetyczne.

Problem stanowi nieniszcząca diagnostyka złączy. Szczególnie ważną rolę odgrywają elementy łączące poszczególne płyty stropowe w jedną sztywną tarczę stropową. Elementy łączące, a więc spawane płaskowniki i pręty, pętle, łączniki klamrowe, uchwyty transportowe, zbrojenie główne i strzemiona wieńców oraz śruby rektyfikacyjne znajdują się na stykach ścian i stropów. Złącza są więc usytuowane na „skrzyżowaniu” dwóch kondygnacji, ścian nośnych i osłonowych oraz płyt stropowych umiejscowionych po obydwu stronach ścian nośnych. W miejscu naroży jest niezwykle trudny dostęp do złączy. Urządzenie powinno rejestrować (skanować) złącze z narożnika pod różnymi kątami zarówno w stosunku do poziomu, jak i osi poprzecznej i podłużnej budynku. Żaden ze znanych producentów urządzeń do diagnostyki metodami badań nieniszczących nie dysponuje tego typu urządzeniami. Autor prowadził próby wykorzystania do diagnostyki najnowszego typu skanera do badań rozmieszczenia zbrojenia w betonie, jednak bez obiecujących rezultatów. Możliwa jest jedynie diagnostyka połączeń ścian ze złączami o przekroju w kształcie litery T Badania tzw. niszczące polegają na wykonaniu odkrywek, pobraniu próbek do badań, wykonaniu badań laboratoryjnych. Najbardziej wiarygodnym sposobem jest wykonanie tzw. odwiertów rdzeniowych. Pobrane tą metodą próbki mogą być poddane badaniom makroskopowym (np. występowanie porów), badaniom wytrzymałościowym i różnego rodzaju badaniom materiałowym dla oceny struktury betonu, zawartości cementu, porowatości, zawartości związków agresywnych, określenia głębokości karbonatyzacji. Z technicznego punktu widzenia wykonanie odwiertów do złączy jest możliwe, a umiejętnie wykonane nie zagraża bezpieczeństwu budynków. Występuje jednak pewien istotny problem. Badania prowadzi się w zamieszkanych budynkach (mieszkania często z prawem własności), a miejsca badań są w większości zasłonięte meblami lub innymi elementami wyposażenia. Uwzględniając, że wykonywanie odwiertów wiąże się z ochładzaniem wierteł wodą, praktycznie nie jest możliwe pozyskanie obiektów do celów badawczych.

Ogólne zasady diagnostyki przedstawiono w wytycznych opracowanych przez ITB [8]. Uwzględniając dotychczasowe doświadczenia autora, najskuteczniejszą metodą jest wykonywanie mało inwazyjnych odwiertów do złączy przy użyciu wiertarek udarowo-obrotowych. W trakcie wiercenia pobiera się próbki do badań w postaci zmielonego proszku. Możliwe jest wykonanie badań laboratoryjnych próbek w następującym zakresie: oznaczenie pH wyciągów wodnych z próbek, orientacyjne określenie zawartości cementu, oznaczenie zawartości jonów chlorkowych, ocena właściwości ochronnych betonu względem stalowych elementów złączy (badania elektrochemiczne).

Ocena wyników badań pozwala na określenie stanu betonowych połączeń ścian oraz ochronę przed korozją stalowych złączy.

Miejsca prowadzenia badań powinny być dobierane w zależności od wyników wizji lokalnej i systemu konstrukcyjnego każdego z budynków.

W przypadkach stwierdzenia lokalnego braku wypełnienia złączy (np. w dolnych częściach przy stropie) zalecana jest obserwacja przestrzeni między płytami oraz stan stalowych połączeń przy użyciu endoskopu. Tą metodą można ocenić stan stali i wielkość niewypełnionej przestrzeni złącza. Wskazane jest także wykonanie zdjęć lub filmu z wnętrza połączenia (dokumentacja do ewentualnych dodatkowych obliczeń statycznych budynku).

Bezpieczeństwo budynków z wielkiej płyty. Wnioski

Dotychczasowe badania autora oraz późniejsze badania ITB [9] wskazują, że w złączach konstrukcyjnych budynków wielkopłytowych nie występuje znacząca destrukcja powodująca obniżenie nośności istniejących złączy. Uwzględniając wiek budynków oraz przewidywane ich użytkowanie przez następne kilkadziesiąt lat, zalecane jest przeprowadzenie kompleksowych badań złączy budynków i ewentualne uzupełnienie (naprawa) elementów niewłaściwie wykonanych podczas montażu.

Miejsca i zakres prowadzonych badań należy dobierać, uwzględniając system konstrukcyjny budynku, po uprzednim przeprowadzeniu inwentaryzacji pęknięć w złączach pionowych.

Połączenia warstw betonowych ścian trójwarstwowych (przy zastosowaniu wieszaków i szpilek) nie spełniają wymagań bezpieczeństwa. Zaleca się wzmocnienie połączeń warstwy fakturowej z warstwą konstrukcyjną za pomocą stalowych kotew dopuszczonych do stosowania w budownictwie, dostępnych na rynku. Wzmocnienia należy wykonać w budynkach, w których nie wykonano dotychczas prac wzmacniających.

Wzmocnień połączeń można nie wykonywać w systemach OWT pod warunkiem sporządzenia opinii technicznej, uwzględniającej stosowanie wieszaków ze stali zwykłej o średnicy 12 mm w liczbie określonej w projektach systemu OWT, oraz oceny ewentualnych ubytków korozyjnych stali w warstwie izolacji termicznej.

dr inż. Michał Wójtowicz

Bibliografia

1. Rejestry katastrof budowlanych (RKB) w latach 1995-2014 prowadzone przez GUNB.
2. L. Runkiewicz, Raport o zagrożeniach i katastrofach budowlanych w 2014 r. oraz w latach 1996-2014 (czynniki techniczne zagrożeń, awarii i katastrof budowlanych), praca badawcza NK-45/2015, ITB, Warszawa 2014.
3. Praca zbiorowa, Systemy budownictwa mieszkaniowego i ogólnego, Arkady, Warszawa 1974.
4. M. Wojtowicz z zespołem, Ocena bezpieczeństwa i trwałości budynków wykonanych metodami uprzemysłowionymi. Zadanie 3. Pilotażowe badania in situ budynków eksploatowanych, praca badawcza NZK 61/2016, ITB, Warszawa 2016.
5. M. Wójtowicz, T. Możaryn, Stan techniczny złączy prefabrykatów budynku wielkopłytowego po 40 latach eksploatacji, konferencja „Awarie budowlane”, 2013.
6. M. Wójtowicz, I. Woyzbun, Wady i usterki zakotwienia wieszaków w warstwowych betonowych płytach ściennych, VI Konferencja Naukowo-Techniczna „Problemy rzeczoznawstwa budowlanego – Warsztat pracy”, Cedzyna k. Kielc, 2000.
7. M. Wójtowicz, Możliwość awarii warstwowych ścian zewnętrznych budynków wielkopłytowych – problem realny czy sensacja medialna, konferencja „Awarie budowlane”, 2011.
8. J. Szulc, Diagnozowanie techniczne budynków wzniesionych w technologiach uprzemysłowionych. Systemy wielkopłytowe, Wyd. ITB Seria: Instrukcje, Wytyczne, Poradniki, Warszawa 2018.
9. https://budowlaneabc.gov.pl/budownictwo-wiel-koplytowe-raport-o-stanie-technicznym/

Polecamy: Wielka płyta jest bezpieczna