Dachy płaskie – monitoring konstrukcji

Obecnie wiedza na temat przydatności do użytkowania budynków wynika z oceny ich stanu technicznego. Najczęściej wykonywane są przeglądy wizualne, a pogłębione badania materiałowe jedynie w razie konieczności. Metody badań materiałowych konstrukcji są dosyć dobrze znane i opisane w literaturze.

O ile łatwiej byłoby dokonać oceny na podstawie ciągłego monitoringu konstrukcji. Można by wówczas sprawdzić, czy stany graniczne w dłuższej perspektywie czasu nie były przekraczane, a zatem czy nie występowało ryzyko przeciążenia konstrukcji.

Monitoringiem konstrukcji można nazwać wszystkie techniki i metody mające na celu pomiar ich stanu zachowania w czasie. Wytyczne dotyczące monitoringu konstrukcji są bardzo rozproszone i nieskodyfikowane. Różne klasyfikacje monitoringu korzystają z odmiennych kryteriów, takich jak cel monitorowania, rodzaj pomiarów (statyczne, dynamiczne), czas monitorowania itp. Technologie monitorowania geometrii obejmują najczęściej pomiary odkształceń i przemieszczeń przy wykorzystaniu różnych metod, w tym laserowych.

Dodatkowymi cechami monitoringu konstrukcji jest aktualna informacja o stanie konstrukcji i możliwości zareagowania z wyprzedzeniem, co zwiększy okres eksploatacji każdej budowli.

Coraz częściej w projektach spotyka się zapis dotyczący monitoringu konstrukcji. Obecne przepisy nie regulują tego w sposób precyzyjny, dlatego niniejsze opracowanie jest analizą obowiązujących wytycznych w odniesieniu do najczęściej budowanych obiektów kubaturowych – budynków z dachami płaskimi.

Monitoring konstrukcji dachów płaskich. Otoczenie prawne

W rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. Dz.U. z 2019 r. poz. 1065), w dziale V dotyczącym bezpieczeństwa konstrukcji, w § 204 (Stany graniczne nośności i przydatności do użytkowania) kilka lat temu dodano pkt 7 o następującej treści:

Budynki użyteczności publicznej z pomieszczeniami przeznaczonymi do przebywania znacznej liczby osób, takie jak: hale widowiskowe, sportowe, wystawowe, targowe, handlowe, dworcowe, powinny być wyposażone, w zależności od potrzeb, w urządzenia do stałej kontroli parametrów istotnych dla bezpieczeństwa konstrukcji, takich jak: przemieszczenia, odkształcenia i naprężenia w konstrukcji.

W związku z tym, że obecnie w Polsce powstaje dużo budynków z dachami płaskimi, takich jak: hale magazynowe, logistyczne, produkcyjne, centra i galerie handlowe, należy świadomie tworzyć zalecenia i wytyczne, których celem będzie bezpieczeństwo użytkowników, nadzór mienia oraz zapewnienie możliwości podejmowania niezwłocznych działań prewencyjnych w przypadku sytuacji zagrożenia w obrębie monitorowanych obiektów, a także zapis i przechowywanie danych ze zdarzeń minionych. Oczywiście w projektach tworzonych przez świadomych możliwych zagrożeń projektantów coraz częściej można spotkać wymóg związany z koniecznością zastosowania monitoringu konstrukcji, w szczególności dachów płaskich, jednak bez podania wytycznych ilościowych oraz jakościowych. Jakkolwiek art. 61 pkt 2 ustawy – Prawo budowlane (Dz.U. z 2019 r. poz. 1186 ze zm.) zobowiązuje do bezpiecznego użytkowania obiektu w razie wystąpienia czynników zewnętrznych odziaływujących na obiekt, związanych z działaniem człowieka lub sił natury, w wyniku których następuje uszkodzenie obiektu budowlanego lub bezpośrednie zagrożenie takim uszkodzeniem, mogące spowodować zagrożenie życia lub zdrowia ludzi, bezpieczeństwa mienia lub środowiska, nie definiuje jednak, w jaki sposób powinno to być zrealizowane. Dobrą wskazówką może być rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.

W jego dziale V, dotyczącym bezpieczeństwa konstrukcji, w § 204 (Stany graniczne nośności i przydatności do użytkowania) w pkt 1 znajdujemy tylko (lub aż) zapis o tym, że konstrukcja budynku powinna spełniać warunki zapewniające nieprzekroczenie stanów granicznych nośności oraz stanów granicznych przydatności do użytkowania w żadnym z jego elementów i w całej konstrukcji.

Tak więc według polskich przepisów prawnych monitorowanie stanów granicznych jest najbardziej właściwą metodą do zapewnienia bezpieczeństwa konstrukcji. Niniejsze opracowanie ma być pomocą (zbiorem dobrych praktyk) dla projektantów oraz dostawców systemów monitoringu stanów granicznych konstrukcji. Ma być też pomocą dla zarządców lub właścicieli, aby mogli stwierdzić, czy proponowane rozwiązanie spełnia obecne wymagania normowe i techniczne.

Monitoring dachów płaskich

W związku z tym, że w Polsce powstaje obecnie dużo budynków z dachami o nachyleniu połaci dachów od 2 do 10%, w opracowaniu ograniczono się do najczęściej występujących rozwiązań w zakresie konstrukcji, schematów statycznych i rozpiętości tego typu obiektów. Ograniczono również przyczyny zagrożeń do tych najczęstszych, czyli typowych zjawisk atmosferycznych (obfite opady śniegu lub ulewne deszcze) oraz nierównomiernego osiadania podpór.

W zakresie rodzajów konstrukcji, ich schematów statycznych i rozpiętości do analizy wybrano najczęściej spotykane rodzaje elementów konstrukcyjnych.

1. Kratownice stalowe wolnopodparte na słupach żelbetowych (fot. 1) o siatce słupów 12 x 24 m (tego typu konstrukcje występują w ok. 90% wszystkich budowanych obecnie hal), z wariantami rozpiętości podciągów i kratownic od 10 do 30 m.
2. Dachy bezpłatwiowe na konstrukcji strunobetonowej, z blachą w rozstawie od 6 do 12 m.
3. Dachy o konstrukcji dźwigarów z drewna klejonego warstwowo, o rozpiętościach do 40 m.
4. Ramy stalowe blachownicowe lub kratowe – w kontekście obrotu węzła ramy.
    

Fot. Fot. 1. Przykład jednego z najpopularniejszych obecnie rozwiązań konstrukcyjnych hal wielkopowierzchniowych

Analiza wytycznych projektowych pod kątem uwzględnienia stanów granicznych

Stan graniczny nośności jest sytuacją, w której sprawdza się wartości sił wewnętrznych wywołanych najbardziej niekorzystną kombinacją obliczeniową obciążeń. Nie można tego przekroczenia zmierzyć w sposób prosty (pomiarowy) bez wykonywania obliczeń z danymi materiałowymi. Inaczej jest ze stanem granicznym użytkowalności wskazującym wartość ugięć (przemieszczeń) dla danego typu konstrukcji (elementu) spowodowanych działaniem obciążeń. W tym przypadku o wiele szybciej i łatwiej (za pomocą urządzeń pomiarowych) można określić maksymalne dopuszczalne ugięcia oraz przemieszczenia elementów w konstrukcjach.
 

Zobacz: Konstruowanie dachów w czasach zmian klimatycznych
 

Maksymalne dopuszczalne wartości ugięć oraz przemieszczeń należy przyjmować odpowiednio do zaleceń inwestorów wspomaganych wymaganiami normowymi (np. PN-EN 1993-1-1:2006, PN-EN 1995-1-1:2010). Ogólnie nie powinny być one większe niż:

• w przypadku belek stalowych i żelbetowych oraz kratownic stalowych: L/250 (L – długość elementu w metrach);
• w przypadku dźwigarów z drewna klejonego: L/300 (z zastrzeżeniem, że dla obiektów starych i remontowanych wartość ugięcia można powiększyć o 50%);
• w przypadku słupów: H/200 (H – wysokość słupa w metrach);
• w przypadku pokryć z blach trapezowych: L/150.

Oddzielnym przypadkiem są ramy stalowe, dla których należy uwzględnić pracę słupa razem z ryglem. Węzeł sztywny jest najbardziej obciążonym miejscem, dlatego wskazany jest pomiar kąta obrotu tego węzła.

Przy założeniu, że obciążenia stałe dachów płaskich wahają się od 30 do 50% (tym samym obciążenie zmienne wynosi od 50 do 70%), w tab. 1 zestawiono dopuszczalne ugięcia elementów konstrukcyjnych w różnych wariantach rozpiętości i procentowego udziału obciążenia zmiennego.

Tab. 1. Maksymalne dopuszczalne ugięcia elementów konstrukcyjnych w różnych wariantach
rozpiętości i procentowego udziału obciążenia zmiennego

Przyjmując wcześniejsze założenia, można zauważyć, że w skrajnych przypadkach maksymalne dopuszczalne ugięcie wynosi 0,112 m dla dźwigara o rozpiętości 40 m, a minimalne 0,010 m dla elementu o rozpiętości 6 m.

Bazując na powyższych wartościach, należałoby się zastanowić, z jaką dokładnością można wiarygodnie mierzyć wartość ugięcia. Wydaje się, że dokładność na poziomie 10% wartości mierzonych ugięć jest wystarczająca z punktu widzenia użytkownika oraz kosztów urządzeń pomiarowych. Tak więc dla ugięcia o wartości 10 mm dokładność sprzętu pomiarowego musi wynosić +/- 1,0 mm.

Należy pamiętać, że system pomiarowy ugięcia powinien być odporny na chwilowo działające czynniki zewnętrzne, takie jak silne podmuchy wiatru, wychylenia słupów itp. W przypadku wystąpienia takich czynników wymagana jest korekta pomiarów z uwzględnieniem zjawisk chwilowych. Trzeba również pamiętać o wpływie temperatury na pracę konstrukcji i odpowiednio go kompensować.
 

Polecamy: Wiatry, dachy i pokrycia dachowe
 

Innym zagadnieniem jest stan graniczny użytkowania słupów. Przyjmując dopuszczalne wychylenia jako wartość H/200 dla typowych najczęściej stosowanych wysokości słupów w halach o dachach płaskich, można przyjąć, że np. dla wysokości H = 6 m uzyskujemy wychylenie 30 mm, co daje odchyłkę na poziomie ok. 0,27°. Przyjmując tym razem dokładność wartości mierzonej jako 20% wartości maksymalnej odchylenia, dokładność inklinometru (przechyłomierza) dla tego przypadku powinna wynosić +/- 0,054°. Inklinometr powinien więc mieć minimalną dokładność +/- 0,05°.

Jak już wspomniano, osobnym interesującym przypadkiem są ramy stalowe – w ich pomiarze należy uwzględnić pracę słupa razem z ryglem. Węzeł sztywny jest najbardziej obciążonym miejscem, dlatego wskazany jest pomiar kąta obrotu tego węzła. Wartość kąta zależy
m.in. od przyjętego schematu statycznego, wartości ugięcia belki, smukłości i wysokości słupa.

Znając wymienione wytyczne normowe, można z dużą dozą pewności przyjąć, że obrót węzła ramy nie powinien przekroczyć 0,5°.

Rys. 1. Chwilowa zmiana osi celowej Δ

Znane metody pomiaru przemieszczeń mają swoje ograniczenia, warto je znać przed wyborem rozwiązania monitoringu. Metoda pomiaru składowej pionowej do posadzki powinna być odporna na zakłócenia pomiaru, co może być trudne w budynkach o dużym natężeniu ruchu lub produkcji. Alternatywna metoda pomiaru poziomego pod dachem nie wpływa natomiast na użytkowanie budynku, niemniej trzeba pamiętać, że powinna być uwzględniona korekta pomiaru odległości |AC| od chwilowej zmiany osi celowej  (1) – rys. 1.

    (1)

Realizuje się to np. przy zastosowaniu inklinometrów. Schemat ideowy zmiany kąta osi celowej przedstawiono na rys. 2, a podstawowe wzory na korektę odległości |AB| w przypadku obrotu o dodatni β (2) lub ujemny kąt β' (3) wyglądają następująco:

   (2)

(3)

Dla budynków z dachami płaskimi o typowych rozpiętościach od 20 do 30 m wystarczy zastosowanie inklinometru o dokładności ok. 30” (sekund kątowych), aby uzyskać zakładaną dokładność pomiaru ugięć na poziomie +/- 1,0-2,0 mm.

W takim przypadku metoda pomiaru poziomego jest właściwa pod względem pomiaru zmiany ugięcia konstrukcji, a ponadto pozwala na ciągłą kontrolę pionowości słupów, co jest kluczowe dla budynków posadowionych na słabszych gruntach lub szkodach górniczych.

Rys. 2. Korekta pomiaru odległości w zależności od chwilowej zmiany osi
celowej o kąt β lub β’

Wpływ opadów atmosferycznych na zachowanie się dachów płaskich

O ile tematyka gromadzenia się śniegu na dachach płaskich i efektów oddziaływania na konstrukcję dachu jest dość dobrze rozpoznana, o tyle problem spiętrzenia wód opadowych jest marginalizowany. Dotyczy to procesu projektowego oraz czasu eksploatacji obiektu. Według polskich wytycznych normowych nie wykonuje się obliczeń dla obciążenia spiętrzoną wodą. Niewiele jest także dokumentów zagranicznych dotyczących tego tematu. Jest to natomiast temat bardzo ważny, ponieważ nieodpowiednie odwodnienie dachów attykowych i
zmiany klimatyczne (a co za tym idzie częstsze gwałtowne, krótkotrwałe opady deszczu) mogą doprowadzić do przeciążenia konstrukcji dachów. Spiętrzenia wody opadowej mogą być również spowodowane niedrożnością wpustów. Może to prowadzić do problemów z oddziaływającym na konstrukcję obciążeniem oraz destrukcją wilgotnościową materiałów pokryciowych.

Długotrwałe zastoje wody opadowej (fot. 2) mają destrukcyjny wpływ na stan hydroizolacji dachów płaskich, a szczególnie na połączenia, zgrzewy, przepusty itp. Stojąca woda do wysokości 1 cm nie jest wielkim problemem, bo dość szybko odparuje, ale kałuża wody o wysokości ponad 3 cm nie zniknie z połaci dachu tak szybko.

Fot. 2. Zastój wody opadowej przy odpływie ciśnieniowym
 

Opierając się na danych zawartych w tab. 2 oraz dbając o zachowanie wartości granicznych ugięć, należy bezwzględnie mierzyć spiętrzenie słupa wody o wysokości już od ok. 7 cm, pamiętając, że 10 cm wody to dodatkowe obciążenie 100 kg na metr kwadratowy.

Tab. 2. Maksymalne obciążenia śniegiem lub wodą w poszczególnych strefach opadów

Szczególnie ważny jest pomiar przy każdym wpuście odpływowym ze względu na to, że w obiektach o dużej powierzchni wpusty z różnych względów mogą się losowo zatykać, powodując znacznie poważniejsze spiętrzenie wody.

Monitoring konstrukcji dachów płaskich. Zalecenia

Ze względu na dynamikę zjawiska zwanego nawalnym deszczem czy oberwaniem chmury, który jest deszczem o bardzo dużym nasileniu i opadzie przekraczającym miejscowo nawet 10 cm, trwającym od kilku do kilkudziesięciu minut, ważne jest zwrócenie uwagi na częstotliwość pomiarów. Częstotliwość próbkowania (częstotliwość pomiaru) ze względu na nawalne opady deszczu powinna być nie rzadsza niż 5 minut. Podsumowując wszystkie przytoczone wytyczne, można stwierdzić, że dobrą praktyką przy projektowaniu systemów monitoringu dachów płaskich powinien być pomiar ugięć dźwigarów i elementów dachowych (z dokładnością do +/- 1,0 mm), pomiar odchylenia słupów z dokładnością do 30” (sekund kątowych) oraz, co może być pewną nowością w Polsce, pomiar zastojów słupa wody opadowej (z dokładnością do +/- 10 mm).

W projekcie monitoringu konstrukcji dachu powinien się pojawić zapis o liczbie i lokalizacji punktów pomiarowych oraz wielkościach mierzonych zjawisk. Przy lokalizacji punktów pomiarowych należy uwzględnić miejsca szczególnie narażone na powstawanie worków śnieżnych, takie jak: attyki, kosze, centrale wentylacyjne czy różnice wysokości. W przypadku pomiaru wody opadowej pomiar spiętrzenia wody powinien się odbywać przy każdym wpuście dachowym. Oczywiście liczba punktów pomiarowych powinna również zależeć od wielkości budynku. Proponuje się przyjąć dla dachów o powierzchni:

• do 5000 m²: minimum cztery punkty pomiarowe,
• od 10 000 do 30 000 m²: jeden punkt pomiarowy na każde 1000 m² powierzchni dachu,
• powyżej 30 000 m²: jeden punkt pomiarowy na każde 1300 m² powierzchni dachu.

Powyższe wytyczne powinny być stosowane do większości budynków wielkopowierzchniowych z dachami płaskimi. Przypadki szczególne muszą być rozpatrywane indywidualnie.

Trwałości obiektów budowlanych nie można ignorować. Monitorowanie konstrukcji w obecnych czasach nie jest ekstrawagancją, tylko spełnieniem warunku dotyczącego należytej dbałości o budynek, rozwiązaniem zdecydowanie lepszym niż jakiekolwiek tradycyjne pomiary obciążeń i dającym aktualną informację. Tylko stały monitoring pozwoli na wypracowanie wiedzy o pracy konstrukcji i może posłużyć do aktualizacji norm projektowych w świetle zmian klimatycznych.

dr inż. Łukasz Bednarz
Katedra Konstrukcji Budowlanych, Politechnika Wrocławska
Ilustracje autora