Podejmowanie decyzji o wzmacnianiu budynku na terenach górniczych

Można stwierdzić na podsta­wie doświadczeń autorów, że współczesne konstruk­cje budynków na terenach górniczych w części projektowane i realizowane są w sposób niezgodny z zasadami wiedzy technicznej, ogólnie pojętej sztuki budowlanej i są dowodem na postępującą ignorancję w tej dziedzi­nie [1,2].

W swojej wieloletniej pracy zawodowej niejednokrotnie spotykamy się z ko­niecznością wykonania wzmocnień bu­dynków na terenach oddziaływań gór­niczych. Wzmocnienia takie oprócz podstawowych zagadnień przy reali­zowaniu wzmocnień budynków poza terenami górniczymi wymagają spe­cyficznego podejścia i rozpoznania do­datkowych czynników górniczych oraz diagnostyki całego budynku pod kątem obecnej i dalszej eksploatacji górniczej wraz z analizą uszkodzeń [3].

Diagnostyka budynków istnie­jących na terenach górniczych

Diagnostyka budowlana jest częścią fizyki budowli, która ma na celu zbadanie, udokumentowanie, ocenę i od­powiednie zaklasyfikowanie, określenie stanu rzeczywistego elementu budow­lanego, konstrukcyjnego i parametrów technicznych materiałowych poprzez przeprowadzenie badań: struktury i stanu materiałów budowlanych i kon­strukcyjnych, w tym parametrów wil­gotnościowych, zawartości i rozkładu agresywnych związków chemicznych, porowatości, właściwości materiałów budowlanych, parametrów wytrzyma­łościowych materiałów budowlanych, nośności elementów konstrukcji. Sku­teczna i kompleksowa diagnostyka bu­dowlana prowadzi do ustalenia przyczyn uszkodzenia budynku, co pozwala na prawidłowe wykonanie planu skutecz­nych napraw, remontu, modernizacji obiektu. Analiza techniczna jako wiele czynności zmierzających do prawidło­wego zaplanowania prac remontowych wymaga kompleksowej diagnostyki budowlanej i jest nieodzowną częścią procesu renowacji, remontu, a cza­sem wzmocnienia, odbudowy budynków szczególnie na terenach zagrożonych oddziaływaniami górniczymi [4, 5].

W budynkach zlokalizowanych na te­renach szkód górniczych do podsta­wowych czynności projektanta należy określenie przemieszczeń obiektu po­ziomych u_b i pionowych w_b, a także wychylenia budynku od pionu T_b. Istotną rzeczą jest również spraw­dzenie przemieszczeń ze względu na szerokość przerw dylatacyjnych s w budynkach składających się z wielu segmentów. Na rys. 1 przedstawiono uogólniony obraz przemieszczeń przy­kładowego budynku.

Budynki oprócz przemieszczeń konstruk­cji obiektów podlegają różnego rodzaju odkształceniom postaciowym Θ_b ścian nośnych diagnozowanego budynku.

Przebieg procedury diagnostycznej

W procedurze diagnostycznej można wyróżnić następujący zakres i podział:

– określenie przedmiotu i celu oceny,

– scenariusz oceny,

– ocena wstępna,

– studia dokumentów i innych materiałów,

– wstępne oględziny,

– wstępna ocena konstrukcji,

– doraźne prace zabezpieczeniowe i de­cyzja odnośnie do wykonywania oceny szczegółowej,

– ocena szczegółowa:

–  zebranie i szczegółowy przegląd do­kumentacji,

–  szczegółowe oględziny obiektu i bada­nia materiałów,

–  określenie oddziaływań,

– określenie cech konstrukcji,

– analiza konstrukcji,

– sprawdzenie konstrukcji,

– rezultaty oceny:

– raport,

– koncepcja projektu wzmocnień kon­strukcji,

– kontrola zagrożenia [6].

Przebieg procedury diagnostycznej uzależniony jest od zakresu i rodzaju oddziaływań na konstrukcję. Wyróżnia się trzy rodzaje diagnostyki obiektów budowlanych [7, 8]: okresową – prze­gląd techniczny, doraźną i docelową. Przy realizacji diagnostyki budynków m.in. konieczne jest ustalenie:

– aktualnego sposobu użytkowania,

– projektowanej zmiany sposobu użyt­kowania obiektu,

– przeglądu budynku i inwentaryzacji uszkodzeń,

– warunków gruntowo-wodnych,

– szczegółowej identyfikacji uszkodzeń, np. metodą punktową,

– identyfikacji stanu i rodzaju użytych materiałów budowlanych,

– oceny konstrukcji budynku,

– pomiaru zawilgocenia, pobranie pró­bek,

– diagnostyki elementów konstrukcyj­nych,

– analizy statyczno-wytrzymałościowej,

– nośności elementów konstrukcyjnych,

– protokołów pomiarowych,

– wniosków i zaleceń,

– dokumentacji technicznej [4, 9].

Parametr przemieszczenia pionowego w_b

Przy weryfikacji parametru przemiesz­czenia pionowego dokonuje się pomia­rów geodezyjnych przemieszczenia budynku przez analizę wyznaczonych punktów konstrukcji lub otoczenia budynku, mierząc zmiany wysokości względem punktów stałych – reperów – znajdujących się poza obszarem górniczym w miejscu, w którym brak jest oddziaływań górniczych.

Parametr przemieszczenia poziomego u_b

W przypadku budynków wolno sto­jących z reguły nie jest konieczne rozpatrywanie parametru przemiesz­czenia poziomego, jednak dla budyn­ków segmentowych lub połączonych funkcjonalnie łącznikami albo budyn­ków posiadających przerwy dylata­cyjne zachodzi konieczność dokonania i analizy pomiarów względnych między poszczególnymi segmentami budynku lub kompleksu budynków.

W przypadku większych obiektów po­miary te wykonuje się metodami geo­dezyjnymi między ustalonymi stałymi punktami reperami obiektów.

Rys. 2 Przykładowa karta geodezyjnego pomiaru wychyleń

Parametr wychylenia obiektu (segmentu) z pionu T_b

Parametr wychylenia obiektu z pionu ma bardzo duże znaczenie dla funk­cjonowania i dalszego użytkowania obiektu, kierunek wychylenia budyn­ków z reguły pokrywa się z kierunkiem pracy niecki górniczej. Wartość wy­chylenia diagnozowanego obiektu oraz kierunek określa się na podstawie ni­welacyjnych pomiarów geodezyjnych obniżeń reperów założonych na cokole budynku.

W przypadku gdy rozpatrywany budy­nek nie posiada stosownych reperów, parametr wychylenia obiektu określa się w sposób pośredni – na podstawie nachylenia płaszczyzn budynku i po­miarów pośrednich wychylenia naroży lub krawędzi budynku wykonywanych pierwotnie jako poziome [10, 6].

Inżynierowie przy wykonywaniu po­wyższych pomiarów muszą również uwzględnić fakt, że zmierzone wychy­lenia budynków mogą zawierać także wychylenia spowodowane przyczyna­mi pozagórniczymi, zwłaszcza warun­kami gruntowymi lub niedokładnościa­mi wykonawczymi [5, 6].

Rysunek 2 przedstawia przykładową kartę pomiarową geodezyjnego po­miaru wychyleń budynku.

W przypadku wystąpienia znaczącego wychylenia konstrukcji lub jej części T_b należy sprawdzić równowagę statyczną konstrukcji na skutek nachylenia tere­nu T, w przypadku ciągłych deformacji terenu – zagrożenie stateczności kon­strukcji lub jej elementów w przypadku oddziaływania nieciągłych deformacji te­renu i wstrząsów górniczych [13, 5]. Przy sprawdzaniu równowagi sta­tycznej konstrukcji (EQU) trzeba wy­kazać, że:

E_d,dst ≤ E_d,stb                  (1)            

gdzie:

E_d,dst – wartość obliczeniowa efektu oddziaływań destabilizujących,

E_d,stb – wartość obliczeniowa efektu oddziaływań stabilizujących.

Rys. 3 Przykładowy szkic morfologii

Parametr szerokości przerw dylatacyjnych s

W przypadku istnienia przerw dyla­tacyjnych w rozpatrywanym obiekcie konieczne jest wykonanie pomiarów szerokości przerw dylatacyjnych. Po­miary należy wykonywać co najmniej w dwóch poziomach budynku i należy je wykonać po obu stronach dylatacji. Pomiary te pomogą w określeniu przemieszczenia względnego między poszczególnymi segmentami budyn­ku, a w przypadku zaciśnięcia dylatacji niezbędne stanie się przeanalizowanie pracy stykających się elementów kon­strukcyjnych [6, 5].

Parametr odkształcenia postaciowego konstrukcji Θ_b

W analizie statyki budynków istotną rolę odgrywa parametr odkształce­nia postaciowego konstrukcji ścian Θ_b definiowany jako stosunek różnicy pionowych przemieszczeń budynku Δ_y do długości odcinka Δ_x, na którym ta różnica występuje (rys. 1):

                (2)

Wartości odkształceń postaciowych ściany diagnozowanego budynku moż­na wyznaczać, dokonując pomiarów pionowych przemieszczeń ścian ze­wnętrznych. Pomiary takie należy wy­konać w co najmniej trzech punktach, zlokalizowanych w równych odstępach na długości ściany [5, 6].

W przypadku odkształceń budynku zachodzi konieczność sprawdzania stanu granicznego zniszczenia lub nadmiernego odkształcenia przekroju, elementu konstrukcji lub połączenia (STR i/lub GEO) i wtedy musimy wy­kazać, że:

E_d ≤ R_d                  (3)

gdzie:

E_d – wartość obliczeniowa efektu oddziaływań, takiego jak siła we­wnętrzna, moment lub wektor, repre­zentujący kilka sił wewnętrznych lub momentów;

R_d – wartość obliczeniowa odpowied­niej nośności.

Szczegóły metod STR i GEO podano w załączniku A do normy [N2]. Należy podkreślić, że wzór (3) nie uwzględnia wszystkich przypadków sprawdzania wyboczenia, tj. zniszczenie na skutek tego, że efekty drugiego rzędu nie przekraczały akceptowalnego zacho­wania się konstrukcji (patrz EN 1992 do EN 1999 [N2] [5]).

Stan graniczny STR i/lub GEO należy sprawdzić w przypadku:

– ciągłych deformacji terenu na od­działywanie ekstremalnych wskaź­ników deformacji terenu: ε_ekstr, K_ekstr oraz T_max;

– nieciągłych deformacji terenu na od­działywanie A_g, określone przez no­minalne wartości geometrycznych wymiarów deformacji a_nom;

– wstrząsów górniczych na oddziały­wania A_w charakteryzowane przez nominalne wartości maksymalnego przyspieszenia i spektrum odpo­wiedzi (wyjaśnienia odnośnie do pomijalnych wartości oddziaływań A_w w Polsce podano w pracy [15]).

Stan graniczny STR w zależności od rodzaju konstrukcji należy sprawdzać według zasad podanych w Eurokodach konstrukcyjnych, czyli od PN-EN 1992 do PN-EN 1996, natomiast stan graniczny GEO według PN-EN 1998. Dokładniejsze objaśnienia do­tyczące sprawdzania stanu granicz­nego GEO są podane w [14].

Rys. 4 Przykład zastosowania dodatkowej opaski wzmacniającej (przekrój)

Inwentaryzacja zarysowań i spękań

Norma PN-EN 1992-1-1 Eurokod 2 – Projektowanie konstrukcji z beto­nu. Część 1-1: Reguły ogólne i regu­ły dla budynków podaje dopuszczalne wartości rozwarcia rys w zakresie projektowania nowych i wzmacnia­nia istniejących elementów żelbeto­wych w zależności od klasy ekspo­zycji konstrukcji żelbetowych [N1].

W konstrukcjach budynków zaryso­wanie należy ograniczyć do poziomu, który nie pogarsza funkcjonowania lub trwałości budynku i konstrukcji oraz nie powoduje trudnego do akcepta­cji wyglądu konstrukcji. Zarysowanie elementów konstrukcyjnych, w któ­rych występuje zginanie, ścinanie, skręcanie lub rozciąganie na skutek bezpośredniego działania obciążenia albo ograniczenia zakładanych wymu­szonych odkształceń, jest zjawiskiem typowym. Rysy występują również z innych powodów, m.in. takich jak skurcz plastyczny lub ekspansywne reakcje chemiczne w stwardniałym betonie. Jeżeli rysy są dopuszczal­nych rozmiarów i nie wpływają ujemnie na działanie konstrukcji, to akceptuje się zarysowanie bez podejmowania kroków związanych ze wzmocnieniem budynku [11, 12]. Należy tu podkre­ślić, że przez zarysowanie lub rysę należy rozumieć rozspojenie nieprzechodzące przez całą grubość elemen­tu. W przeciwnym przypadku jest to spękanie lub pęknięcie. Minimalne roz­warcie, przy którym mówimy o rysie, wynosi 0,1 mm.

Inwentaryzacja rys i spękań powinna objąć swym zakresem uwidocznienie i przedstawienie graficzne w postaci szkicu z zaznaczonym przebiegiem rys wraz z opisem szerokości rozwarcia.

Rys. 5 Przykładowy obiekt podzielony na segmenty wraz z wykonaniem dodatkowych ław stężających i słupów żelbetowych (trzpieni żelbeto­wych) zwanych również wieńcami pionowymi

Szkice należy wykonać dla obu stron ściany wraz z podaniem wymiarów rozwarć i spękań na ich długości. Dla rys rozległych konieczne jest podanie głębokości. Rysy mierzymy prosto­padle do krawędzi, nie uwzględniając lokalnych ubytków zapraw, cegły lub betonu wzdłuż krawędzi rysy. Przez głębokość zarysowania należy rozu­mieć zasięg rysy w głąb elementu, mierzony prostopadle do powierzchni zewnętrznej [6]. Pomiaru rys dokonu­je się zazwyczaj za pomocą szczelinomierza lub przymiaru z podziałką mili­metrową, przykładanego prostopadle do przebiegu (osi) rysy. Dla niektórych obiektów zachodzi konieczność zwięk­szenia dokładności pomiaru i wtedy stosuje się lupy kalibrowane, np. lupy Brinella. Pomiary należy wykonywać na ostrych krawędziach rys lub oczysz­czonych brzegach rysy.

W przypadku murów pomiarów dokonu­je się na elementach murowych, a nie w spoinie. Wystarczającą dokładnością jest pomiar do 1 mm; wyjątkowo dla rys o rozwartości < 1 mm może być stosowany opis: „1/2 mm" lub „rysa włosowata". Na rys. 3 można zoba­czyć przykładowy szkic morfologii rys. W przypadku stropów należy postępo­wać podobnie jak w przypadku ścian. Zalecane jest, aby w trakcie wykony­wania pomiarów i morfologii rys wyko­nywać inwentaryzację fotograficzną. Ostatecznie, uzyskując informację na temat uszkodzeń elementów kon­strukcyjnych, projektant ma moż­liwość oceny nośności konstrukcji i jej bezpieczeństwa zgodnie z art. 5 ust. 1 Prawa budowlanego [3].

 

Rys. 6 Szczegóły podpór ściągów: a) konstrukcja węzła oporo­wego w miejscu sprężania ściągów, b) część oporowa pod ściągi sprężające, c) szczegół podparcia ścią­gów wzajemnie prostopa­dłych; 1 – ściągi, 2 – kształtownik oporowy, 3 – podkładka, 4 – ściana, 5 – nakrętka, 6 – śruba, 7 – tuleja, 8 – zaprawa ce­mentowa [Z1]