Bloki z wielkiej płyty – technologia i elementy konstrukcyjne

Mieszkalne budynki wykonane w technologii wielkopłytowej są i będą trwałym elementem architektonicznym naszych miast. Bez względu na odczucia wizualne, niedostosowanie wielkości mieszkań do obecnych oczekiwań ludzie chcą i będą w nich mieszkać. Mieszkania w blokach z wielkiej płyty mają swoje zalety. Jest to przede wszystkim rozbudowana infrastruktura (komunikacja, parkingi, sklepy, usługi, szkoły, kościoły), dużo zieleni, bliskość centrów miast. Z tego powodu mieszkania w takich budynkach sprzedają się dobrze na rynku wtórnym. Oprócz aspektu społecznego ważny jest aspekt techniczny – utrzymanie budynków w należytym stanie technicznym, zapewniającym bezpieczeństwo i komfort użytkowania.

Fot. stock.adobe (emar)

Bloki z wielkiej płyty – bezpieczeństwo konstrukcji

Artykuł dotyczy problemów bezpieczeństwa, a szczególnie bezpieczeństwa konstrukcji. Mieszkańcy budynku chcą mieć świadomość, że nie zagraża im katastrofa budowlana. W świadomości medialnej ugruntowane jest przekonanie, że budynki wielkopłytowe były projektowane i wykonywane jako tymczasowe. Dane Głównego Inspektora Nadzoru Budowlanego i inne [1,2] nie potwierdzają, aby do serii katastrof mogło dojść w nieodległej przyszłości.

Należy uwzględnić fakt, że budynki wielkopłytowe wykonano głównie według kilku szczegółowo opracowanych technologii. Prefabrykaty do ich budowy były produkowane w kilkudziesięciu wytwórniach w całej Polsce. Montaż prefabrykatów na budowach często prowadzony był przez niedostatecznie przeszkolonych pracowników, pod niewystarczającym nadzorem.

Mówiąc o problemie bezpieczeństwa, należy pamiętać, że nie dotyczy on systemów budownictwa czy poszczególnych osiedli, ale jedynie poszczególnych budynków. Jeden budynek mógł być zmontowany starannie, z zachowaniem zasad technicznych, a sąsiedni montowała ekipa nieprzestrzegająca procedur. Tak więc dwa sąsiednie budynki o takiej samej konstrukcji i wyglądzie zewnętrznym mogą mieć różną jakość wykonania, a więc i różną ocenę bezpieczeństwa trwałości.

W 2013 r. Instytut Techniki Budowlanej podjął prace badawcze dotyczące stanu złączy konstrukcyjnych budynków. W 2016 r., pod kierownictwem autora niniejszego artykułu, wykonano szczegółowe badania obejmujące ponad 300 odkrywek w budynkach trzech podstawowych systemów, tj. OWT, W-70/Wk-70 oraz Szczecin, w trzech miastach, na różnych osiedlach. W następnych latach Instytut kontynuował badania budynków.

Polecamy: Wielka płyta jest bezpieczna

Krótka charakterystyka systemów budownictwa wielkopłytowego

Budownictwo wielkopłytowe jest częścią budownictwa prefabrykowanego. Prefabrykaty wykonane w stałych lub poligonowych wytwórniach były transportowane na place budów i tam montowane, ustawiane i łączone. Prefabrykaty i ich łączenia są podstawowym elementem konstrukcyjnym tych budynków. Wielkość prefabrykatów była ograniczona możliwościami transportowymi (skrajnie dróg oraz nośność dźwigów budowlanych). Przyjęto, że elementy mogą mieć maksymalne wymiary 3 x 6 m.

Do podstawowych prefabrykowanych elementów budownictwa zalicza się: Ściany nośne wykonywano jako betonowe, zbrojone w niewielkim stopniu przede wszystkim dla ochrony przed ich pękaniem w czasie transportu i montażu. Fragmenty ścian, głównie nadproży, wykonywano jako żelbetowe. Grubość typowych ścian wewnętrznych nośnych wynosiła 14 lub 15 cm. Ściany zewnętrzne nośne trójwarstwowe miały warstwę nośną o grubości 14 lub 15 cm. Obrzeża pionowe ścian kształtowano w taki sposób, aby możliwe było wykonanie połączeń, np. łącznikami stalowymi oraz betonem (złącza dyblowe).

Stropy wykonywano zazwyczaj jako kanałowe lub pełne żelbetowe, zbrojone jednokierunkowo, o grubości 14-22 cm. Rozpiętość stropów nie przekraczała 6 m.

Prefabrykaty wykonane zazwyczaj poprawnie w wytwórniach po ich ustawieniu w budynku powinny być odpowiednio połączone (scalone). Działania te odbywały się na budowie podczas różnych warunków atmosferycznych (pory roku, warunki pogodowe) przez ekipy montażystów dysponujących dość prymitywnym sprzętem. Uwzględniając te czynniki, projektanci systemów opracowali tzw. tarcze stropowe i tarcze pionowe (ścienne) [3]. Polegało to na takim doborze rozwiązań konstrukcyjnych i materiałowych, aby wszystkie stropy w obrębie każdej kondygnacji budynku stanowiły jedną sztywną, monolityczną powierzchnię. Tarcze powinny przenosić obciążenia tzw. wyjątkowe – np. wybuch gazu i uszkodzenia fragmentu budynku. Poszczególne systemy konstrukcyjne miały odmiennie zaprojektowane złącza, ale wymóg sztywnych tarczy był w każdym systemie zachowany.

Oddziaływania środowiskowe na bloki z wielkiej płyty

Konstrukcje budynków wykonano jako betonowe (w tym z keramzytobetonu) oraz żelbetowe. Warunki środowiskowe eksploatacji i klasy ekspozycji budynków i ich elementów (XC1 itp.) określa się obecnie wg normy PN-EN 206-1.

• Stropy XC i ściany wewnętrzne XC korozja spowodowana karbonatyzacją w środowisku suchym (XC1) lub umiarkowanie wilgotnym (XC3).
• Ściany nośne piwnic XC – korozja spowodowana karbonatyzacją; XF agresywne oddziaływanie zamrażania/odmrażania (przy cokołach w obecności środków odladzających).
• Ściany zewnętrzne keramzytobetonowe (systemu Szczecin) XC (od wewnątrz) i XF – oddziaływanie zamrażania i odmrażania na zewnątrz bez środków odladzających.
• Ściany trójwarstwowe – problem oceny narażeń jest skomplikowany ze względu na różnorodność rozwiązań materiałowych. Warstwy zewnętrzne betonu ścian osłonowych są narażone na oddziaływanie środowiska XF (zamrażanie/odmrażanie bez środków odladzających), a warstwy wewnętrzne (konstrukcyjne) – środowisko XC (korozja spowodowana karbonatyzacją). Natomiast metalowe elementy mocujące – wieszaki, szpilki – są eksploatowane w środowisku wełny mineralnej lub styropianu, niezabezpieczających przed korozją. Oddziaływania należy rozpatrywać indywidualnie (w zależności od gatunku stali, odpuszczania i trawienia powierzchni, sposobu profilowania).
• Złącza wewnętrzne elementów konstrukcyjnych – XC1 i XC3 – analogicznie jak stropów i ścian wewnętrznych, a zewnętrzne jako XC i XF.

Elementy konstrukcyjne w blokach z wielkiej płyty

Złącza konstrukcyjne

Miejscami „wrażliwymi” budynków wielkopłytowych są głównie złącza między prefabrykatami. Złącza występują w tarczach stropowych (złącza poziome – wieńce) i ściennych (złącza pionowe). Szczególnie istotną rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa konstrukcji stropów ma zbrojenie podporowe, zakotwienie w wieńcach lub przechodzące z jednego przęsła stropu na drugie. Wieńce i zbrojenie podporowe łączą prefabrykowane płyty w tarcze stropowe i ścienne, a także łączą te tarcze w przestrzenny ustrój budynku [3].

W różnych systemach konstrukcyjnych stosowano odmienne rodzaje złączy. Sposób wzajemnego łączenia prefabrykowanych płyt stropowych był różny, jednak podstawowym połączeniem tarczy stropowej był wieniec żelbetowy.

W systemie OWT podstawowym sposobem łączenia płyt stropowych było spawanie. W ścianach nośnych budynków zaprojektowano tzw. wieńce ukryte – w postaci ściągów stalowych umieszczonych poziomo w górnych krawędziach ścian, połączonych (zespawanych) z markami stalowymi w narożach prefabrykatów. Do marek zabetonowanych w narożach płyt lub wystających prętów spawano blachy łączące ściany i stropy. Połączenie płyt stropowych w tarczę wykonywano przez spawanie z zastosowaniem prętów i blach łączących, a złącza pionowe ścian konstrukcyjnych – z betonu jako monolityczne dyblowe, utworzone przez zabetonowanie wraz z ułożoną w nich spiralą z drutu Ø 2 mm lub Ø 3 mm. Płyty balkonów prefabrykowanych łączono ze stropami za pomocą przyspawanych nakładek stalowych.

W systemie Szczecin złącza poziome wykonywano przez łączenie płyt stropowych. Na krawędziach podpartych stropów odbywało się to przez zabetonowanie odpowiednio wyprofilowanego gniazda. Stosowano łączniki klamrowe, mocując je do wystających ze stropów pętli stanowiących fragmenty zbrojenia płyt. Na krawędziach niepodpartych płyty łączono poprzez dyble z betonu/ zaprawy. Złącza pionowe stanowiły wypełnione betonem przestrzenie styku płyt ściennych (wewnętrznych i zewnętrznych). Ściany na krawędziach miały wycięcia w trzech miejscach (góra, dół, środek), w których umieszczano wystające ze ścian pętle. Pętle sąsiednich ścian łączono łącznikami z prętów Ø 12 mm, o kształcie litery U.

Balkony mocowano do płyt stropowych, stosując połączenia na śruby. Miejsca połączeń były wypełniane betonem.

W systemie W-70 i Wk-70 złącza poziome projektowano jako żelbetowe wieńce. Z czołowych obrzeży płyt stropowych wychodziły pętle stalowe. Pętle między sąsiednimi płytami łączono klamrami. Układano również pręty stalowego zbrojenia wzdłuż przestrzeni utworzonej między czołami płyt. Po wypełnieniu betonem stanowiło to wieniec łączący płyty w tarczę stropową, a jednocześnie umożliwiało montaż ściennych płyt pionowych. Jako zbrojenie stosowano również pręty w kształcie litery V, stanowiące strzemiona wieńca. Złącza pionowe zaprojektowano jako betonowe dyblowe.

Siły poziome przenoszone były przez zbrojenie zabetonowane w wieńcach poziomych. Przy szerokości spoin większych niż 10 cm w złączach umieszczano zbrojenie pionowe z prefabrykowanych siatek z dwoma lub trzema prętami pionowymi. Złącza pionowe ścian osłonowych trójwarstwowych stanowiły pętle wystające ze ścian, połączone klamrami i następnie zabetonowane. W wersji Wk-70 stosowano system wymuszonego montażu ścian osłonowych polegający na zawieszeniu ich za pomocą stalowych wieszaków montażowych na zrektyfikowanych ścianach poprzecznych nośnych. Przestrzeń w miejscach usytuowania wieszaków wypełniano betonem.

W systemach lokalnych stosowano podobne rozwiązania. Płyty stropowe łączono zazwyczaj w wieńcach przez spawanie lub łączenie za pomocą klamer układanych w pętlach stalowych mocowanych do czołowych krawędzi płyt. Złącza pionowe wykonywano jako betonowe dyblowe lub betonowe dyblowe z dodatkowym zbrojeniem. Wszystkie systemy projektowano z uwzględnieniem stosowania sztywnych tarcz poziomych (stropowych) i pionowych.

Ściany zewnętrzne warstwowe w budynkach wielkopłytowych

Ścienne płyty warstwowe składają się z trzech wzajemnie połączonych warstw:

• zewnętrznej wykonanej z betonu zbrojonego,
• ocieplającej z wełny mineralnej lub styropianu,
• nośnej z betonu zbrojonego.

Wełna mineralna i styropian są materiałami porowatymi, wymagają osłonięcia przed uszkodzeniami mechanicznymi i zawilgoceniem. W prefabrykowanych elementach ocieplenie osłania zewnętrzna płyta betonowa.

Betonowa, zbrojona warstwa wewnętrzna, stanowiąca podstawowy element nośny ściany, zamocowana jest w konstrukcji nośnej budynku żelbetowymi lub stalowymi złączami. Warstwy pełniące funkcje ściany nośnej budynku (np. w ścianach szczytowych budynków o poprzecznym układzie konstrukcyjnym) mają grubość 140-150 mm. Z punktu widzenia trwałości warunki pracy tej warstwy można określić jako dobre. Nie podlega ona bezpośrednio oddziaływaniu czynników atmosferycznych. Od strony wewnętrznej stanowi ścianę mieszkania (stałe warunki eksploatacji, małe zawilgocenie), od strony zewnętrznej styka się z materiałem ocieplenia, który jest na ogół suchy.

Warstwa termoizolacyjna miała zapewniać wymaganą izolacyjność cieplną ściany w okresie eksploatacji budynku. Do jej wykonania stosowano wełnę mineralną lub styropian. Do 1982 r. stosowano płyty styropianowe o grubości nominalnej 50-60 mm lub z wełny mineralnej o grubości 60 mm, a w latach późniejszych – płyty nieco większej grubości. W przeszłości, z powodu stosowania wełny mineralnej nieodpowiedniej jakości, następowało nadmierne zmniejszenie grubości tej warstwy w efekcie obniżała się izolacyjność ścian.

Warstwę zewnętrzną stanowi betonowa płyta zbrojona o grubości 60 mm (w niektórych systemach 50 mm). Jej zadaniem jest osłona wewnętrznych warstw ściany, a szczególnie warstwy ocieplającej, przed czynnikami atmosferycznymi oraz przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Warstwy płyt łączono metalowymi łącznikami, które mają umożliwić w miarę swobodne odkształcanie pod wpływem temperatury i przenosić obciążenie płytą zewnętrzną. Jako łączniki stosowano wieszaki i szpilki:

• Wieszaki metalowe o kształcie pętli zbliżonej do trójkąta, z prętów stalowych o średnicy 8 mm (dopuszczalne 6, 9 i 12 mm), przechodzące przez wszystkie trzy warstwy płyty współpracują ze zbrojeniem płyt przez zakotwienie prętami poprzecznymi; połączenie zapewnione jest przez odpowiednie ukształtowanie wieszaków; liczba i rozmieszczenie wieszaków w płycie powinny gwarantować nośność wystarczającą do bezpiecznego przenoszenia ciężaru warstwy zewnętrznej na wewnętrzną warstwę nośną ściany, przy jednoczesnym zachowaniu swobody odkształceń.
• Szpilki wykonane z drutu stalowego o średnicy od 3 do 4,5 mm mają kształt wydłużonego „U”; usytuowane obwodowo w płycie i wokół otworów szpilki w liczbie od kilkunastu do kilkudziesięciu sztuk spełniają funkcję stabilizującą warstwę zewnętrzną płyty oraz przenoszą obciążenia od ssania wiatru.

Z omówionych elementów najbardziej narażone na degradację są łączniki (wieszaki) warstw i one decydują o trwałości całej ściany. Te elementy są praktycznie niewymienialne i dlatego powinny być wykonane starannie, z trwałych materiałów.

Produkowano wiele rodzajów wieszaków. Od roku 1982 asortyment obejmował pięć rodzajów wieszaków dostosowanych do ścian zewnętrznych o różnych grubościach warstw oraz przy zróżnicowanych technologiach produkcji: warstwą fakturową do dołu lub warstwą fakturową do góry.

W czasie wprowadzania do realizacji systemów budownictwa wielkopłytowego materiał na wieszaki w płytach określano w projektach. Początkowo były to stale zwykłe lub stale uszlachetnione, a następnie stale nierdzewne. W okresach ich niedoboru jako rozwiązania zastępcze stosowano wieszaki ze stali zwykłych z powłokami cynkową i aluminiową (Aluzan).

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.

dr inż. Michał Wójtowicz

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