Ocena stanu istniejącego i wzmacnianie konstrukcji stalowych. Cz. 1 – Ocena stanu istniejącego konstrukcji

Informacje ogólne

Ocenę stanu konstrukcji istniejących obiektów budowlanych lub ich części przeprowadza się zwykle w przypadku niewłaściwego zachowania się, awarii lub wystąpienia oznak zagrożenia bezpieczeństwa podczas użytkowania albo zmian potrzeb użytkowych lub przeznaczenia.

Pierwszy przypadek dotyczy stanów przedawaryjnych i awarii konstrukcji spowodowanych błędami ludzkimi zaistniałymi w procesach projektowania, realizacji i użytkowania oraz wadami materiałów lub uszkodzeniami od nieprzewidzianych oddziaływań wyjątkowych. Warto przy tym zwrócić uwagę, że według wyników badań statystycznych błędy projektowe i wykonawcze są przyczyną ok. 80% awarii konstrukcji budowlanych (rys. 1). Przypadek drugi dotyczy oceny możliwości adaptacji lub przebudowy obiektów albo dostosowania ich do nowych potrzeb.

Ocenę stanu istniejącej konstrukcji przeprowadza się w formie ekspertyzy technicznej. Zależnie od celu opracowania powinna ona obejmować:

– ocenę stanu technicznego;

– ocenę niezawodności (nośności, użytkowalności i trwałości oraz odporności w sytuacjach wyjątkowych);

– zalecenia dotyczące sposobu zapewnienia niezawodności;

– ocenę możliwości przebudowy, zmiany potrzeb użytkowych albo przeznaczenia;

– wnioski dotyczące zakazu użytkowania, doraźnych zabezpieczeń i/lub rozbiórki.

Szczegółowe zalecenia dotyczące oceny stanu istniejącej konstrukcji w ekspertyzie technicznej i/lub w projekcie remontu lub przebudowy obiektu podane są w normach [7] i [10] oraz w wytycznych europejskich [8] i [9].

Rys. Przyczyny awarii konstrukcji budowlanych wg wyników badań w Holandii [11]

Ocena stanu technicznego konstrukcji

Ocenę stanu technicznego konstrukcji przeprowadza się jako oględziny wstępne w celu ustalenia zakresu ekspertyzy, a następnie jako badanie i ocenę obejmujące odpowiednio do potrzeb ekspertyzy:

– zapoznanie się z dokumentacją projektową, wykonawczą i książką obiektu budowlanego;

– ocenę właściwości stali i łączników;

– ocenę stopnia zużycia, ubytków korozyjnych lub uszkodzeń elementów konstrukcji i ich połączeń;

– badanie karbów i pęknięć w celu oceny żywotności zmęczeniowej lub odporności na kruche pękanie;

– ocenę stanu powłok ochronnych przed korozją i ogniem;

– ocenę przemieszczeń węzłów, odkształceń elementów i drgań;

– ustalenie wielkości oddziaływań i możliwości ich kombinacji;

– ocenę warunków posadowienia;

– określenie modelu konstrukcji i sposobu przenoszenia oddziaływań trwałych i wyjątkowych z uwzględnieniem rzeczywistych warunków współpracy elementów stalowych z innymi elementami konstrukcji lub obudowy obiektu.

Dach hali cynkowni (fot. autora)

Podstawy oceny niezawodności konstrukcji

Ustalenie klasy konsekwencji zniszczenia/niezawodności

Klasyfikacja konstrukcji obiektów budowlanych pod względem niezawodności wg normy [3] obejmuje podział na trzy klasy i dwa równorzędne kryteria oceny – ze względu na konsekwencje zniszczenia (klasy CC) oraz ze względu na niezawodność (klasy RC). Kryteria konsekwencji zniszczenia odnoszą się do utraty życia i zdrowia ludzi lub dóbr społecznie chronionych, skażenia środowiska, skutków przerw w eksploatacji i strat materialnych. Ryzyko zniszczenia maleje w miarę wzrostu niezawodności konstrukcji (odporności na oddziaływania i jej trwałości). Oceniając niezawodność, analizuje się zachowanie i bezpieczeństwo konstrukcji w różnych sytuacjach projektowych oraz jej trwałość. Uzyskane wnioski pozwalają określić klasę niezawodności.

Przy ocenie konstrukcji obiektów budowlanych i ich części pod względem konsekwencji zniszczenia bierze się pod uwagę:

– sposób i okres użytkowania;

– oddziaływania eksploatacyjne i środowiskowe;

– prawdopodobne zdarzenia wyjątkowe, również w wyniku zmian klimatycznych;

– stany krytyczne, modele zniszczenia i czynniki ostrzegania;

– możliwe konsekwencje zniszczenia lub uszkodzenia konstrukcji;
– reakcje społeczne na zniszczenie;

– koszty zabezpieczeń w odniesieniu do strat spowodowanych zniszczeniem.

Według [6] klasę konsekwencji zniszczenia/niezawodności konstrukcji obiektu lub jej części należy określić w projekcie budowlanym. Zasady postępowania podane są w normach [3], [4] i [5]. Zalecenia szczegółowe dotyczące doboru klas zawierają normy stalowych wież, masztów, kominów silosów i zbiorników oraz [5] dla budynków. W przepisach zagranicznych konstrukcje mostów drogowych i kolejowych, z wyjątkiem kładek dla pieszych, zalicza się do klasy CC3. Można przyjmować różne klasy dla stanów granicznych nośności i użytkowalności. Ustala je projektant po uzgodnieniu z zamawiającym i w razie potrzeby z właściwymi władzami.

Podstawowe kryteria oceny niezawodności

W krajowym budownictwie obowiązują wymagania podstawowe dotyczące zapewnienia niezawodności obiektów budowlanych podane w art. 5 Prawa budowlanego [1] oraz szczegółowe wymagania dotyczące bezpieczeństwa i użytkowalności budynków, które określa rozporządzenie [2] w § 203-206.

Ocena niezawodności konstrukcji w ekspertyzie technicznej i w projekcie budowlanym wzmocnienia powinna być wykonywana wg aktualnych norm i przepisów. Warunkiem wystarczającym do zapewnienia bezpieczeństwa konstrukcji jest wg § 204 ust. 4 zgodność z Polskimi Normami. W wykazie norm załączonym do [2] wymieniono tylko normy projektowania konstrukcji PN-B oraz Eurokody. Pominięto normę wykonania konstrukcji stalowych PN-B-06200, która także nie jest powołana w normie projektowania PN-B-03200. Postanowienie § 204 ust. 4 pomija więc (w odniesieniu do wycofanego pakietu norm PN-B) wymaganie odpowiedniej jakości wykonania podane w § 203 – niezbędne do zapewnienia bezpieczeństwa konstrukcji. Uwzględniając fakt, że Eurokody są powiązane z normami wyrobów, można obecnie postanowienie § 204 ust. 4 interpretować jako wymaganie zgodności:

– z polską wersją europejskich norm projektowania konstrukcji budowlanych – Eurokodów, łącznie ze zharmonizowanymi z nimi europejskimi normami wyrobów i Polską Normą [6], lub

– z pakietem wycofanych Polskich Norm projektowania konstrukcji budowlanych PN-B i powołaną w projekcie PN-B-06200 (do czasu odwołania).

Wyjątkiem od tej zasady może być ocena konstrukcji obiektów zabytkowych lub starych dokonywana na podstawie zadowalającego zachowania się w przeszłości wg następujących kryteriów podanych w [7].

Konstrukcję zaprojektowaną i wykonaną na podstawie dawnych norm, lub zaprojektowaną i wykonaną tylko według zasad sztuki budowlanej, można uznać za bezpieczną przy przenoszeniu oddziaływań (wykluczając oddziaływania wyjątkowe), pod warunkiem że:

– dokładna kontrola nie wykazała żadnych istotnych uszkodzeń, przeciążeń lub destrukcji;

– system konstrukcyjny został sprawdzony, łącznie z krytycznymi węzłami i ścieżkami przekazywania sił;

– konstrukcja zachowała zadowalający stan w dostatecznie długim czasie, przenosząc ekstremalne obciążenia użytkowe i środowiskowe;

– aktualny stan techniczny konstrukcji umożliwia zachowanie odpowiedniej trwałości w projektowanym okresie użytkowania;

– przez dostatecznie długi czas nie nastąpią zmiany, które mogłyby zwiększyć oddziaływania na konstrukcję lub zmniejszyć jej trwałość i nie przewiduje się takich zmian w przyszłości.

Odstępstwa od zgodności z normami w projektowaniu lub wykonawstwie wymagają opracowania i udokumentowania przez uprawnionych uczestników procesu budowlanego własnych wiarygodnych uzasadnień niezawodności konstrukcji. Należy pamiętać, że brak obligatoryjności stosowania norm i złagodzenie wymagań administracyjnych w Prawie budowlanym nie oznaczają zmniejszenia odpowiedzialności osób uprawnionych za konsekwencje katastrofy budowlanej.

Ocena stanów nośności i użytkowalności konstrukcji w sytuacjach projektowych

Ocena stanów nośności i użytkowalności konstrukcji w sytuacjach projektowych powinna obejmować:

– weryfikację dokumentacji pod względem zgodności założeń i modeli obliczeniowych oraz dokumentacji wykonawczej ze stanem istniejącym;

– analizę obliczeniową stanów nośności i użytkowalności istniejącej konstrukcji, przyjmując zweryfikowane oceną stanu technicznego: charakterystykę materiałów, wielkości oddziaływań rzeczywistych i/lub projektowanych oraz uściślone modele obliczeniowe;

– wnioski dotyczące stanów nośności i użytkowalności konstrukcji oraz ewentualnej konieczności i sposobu jej modyfikacji.

Ocena powinna odpowiadać na pytania: co zrobić, aby konstrukcji nie wzmacniać lub jeśli to niemożliwe, co zrobić, aby niezbędne zwiększenie nośności uzyskać przy minimalnej ingerencji w dotychczasowy ustrój nośny. W pierwszej kolejności powinny być wykorzystane rezerwy nośności istniejącej konstrukcji ujawnione założeniem bliskiego rzeczywistości schematu statycznego i podatności (sztywności) połączeń, racjonalną oceną wielkości obciążeń oraz możliwościami zmiany wielkości sił wewnętrznych lub warunków zapewnienia stateczności. Analiza statyczna w stanie sprężysto-plastycznym prowadzona przy odwzorowywaniu konstrukcji istniejących przestrzennymi modelami prętowymi, płytowymi lub powłokowymi umożliwia uzyskanie wyników najbardziej zbliżonych do rzeczywistych i ujawnienie rezerw nośności. W pewnych przypadkach wzmacnianie konstrukcji może się okazać zbyt kosztowne lub technicznie zbyt trudne do wykonania. Wtedy pozostaje możliwość skorzystania z postanowień [7], akceptacji obniżonego poziomu ryzyka lub zmiany sposobu użytkowania obiektu i zmniejszenia klasy niezawodności. W tabl. 1 podano wartości współczynników częściowych zróżnicowane zależnie od klasy konsekwencji zniszczenia i pozostałego czasu użytkowania obliczone na podstawie PN-EN 1990 [3]. Szczegółowa ocena istniejącej konstrukcji powinna uzasadniać podjęcie decyzji dotyczących:

– zostawienia obiektu bez wprowadzania zmian, jeśli jego konstrukcja spełnia normowe warunki stanów granicznych przy oddziaływaniach projektowanych lub jeśli spełnia je przy obniżonych w stosunku do normowych akceptowalnych wartościach współczynników częściowych, określonych na podstawie wyników badań jakości materiałów i/lub na probabilistycznej analizie dotychczasowego i projektowanego okresu użytkowania (tabl. 1);

– wyboru najbardziej racjonalnego sposobu wzmocnienia konstrukcji umożliwiającego dalsze użytkowanie obiektu;

– rozbiórki konstrukcji w przypadku zbyt dużych trudności technicznych i kosztów.

Projektując wzmocnienia lokalne, np. belek pod urządzenie, często się rezygnuje z oceny i analizowania całej konstrukcji. Trzeba jednak udowodnić, że wykonanie tego wzmocnienia nie spowoduje obniżenia bezpieczeństwa pozostałych części konstrukcji, całego obiektu lub obiektów sąsiednich.

Ocena odporności konstrukcji w sytuacjach wyjątkowych

Oprócz wymagania bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji we wszystkich sytuacjach projektowych i przewidywalnych oddziaływaniach oczekuje się również jej odporności w sytuacjach wyjątkowych [13]. Następujące wymagania w tym zakresie zawiera pkt 2.1 normy [3]:

(4)    P Konstrukcję należy tak zaprojektować i wykonać, aby na skutek zdarzeń, takich jak: wybuch, uderzenie i konsekwencje ludzkich błędów, nie została uszkodzona w zakresie nieproporcjonalnym do początkowej przyczyny. Zdarzeniami, które należy uwzględnić, są zdarzenia ustalone dla każdego projektu przez inwestora i właściwe władze.

(5)    P Możliwości uszkodzenia należy unikać lub ograniczać przez odpowiedni dobór jednego lub kilku następujących zabezpieczeń:

– ograniczanie, wyeliminowanie lub redukcję zagrożenia, na które konstrukcja może być narażona:

– dobór ustroju konstrukcyjnego mało wrażliwego na możliwe zagrożenia:

– dobór ustroju konstrukcyjnego i takie jego zwymiarowanie, aby mógł odpowiednio przetrwać na skutek wypadku pojedynczego elementu lub pewnej części konstrukcji:

– unikanie, tak dalece, jak to możliwe, ustrojów konstrukcyjnych, które mogą ulec zniszczeniu bez uprzedniego ostrzeżenia:

– wzajemne powiązanie elementów konstrukcji.