Zamiarem autora jest zwrócenie uwagi czytelników na problem wzmacniania konstrukcji budynków głównie mieszkalnych. Jest pewna specyficzna grupa budynków w miastach i miasteczkach, które nazwiemy umownie ?stare budynki?. Są on zajmowane przez lokatorów, których trudno wykwaterować, bo nie ma im, czego w zamian zaoferować, a którzy będąc często właścicielami mieszkań chcą za wszelką cenę przedłużyć czas trwania często bardzo wiekowych budynków. Wspólnoty mieszkaniowe, zlecając dokonanie oceny stanu technicznego obiektu oczekują rozwiązań technicznych, które przynajmniej częściowo rozwiążą ich kłopoty. Kłopoty te często zaczynają się na zagrożeniu bezpieczeństwa mieszkańców i przestarzałych rozwiązaniach funkcjonalnych, przez uciążliwości eksploatacji i użytkowania starych, w złym stanie technicznym budynków, a na dużej ich energochłonności kończąc. Pierwszym warunkiem dalszej eksploatacji i użytkowania budynku jest spełnienie wymagań art. 5 ustawy Prawo budowlane, a w szczególności wymagania podstawowego, jakim jest bezpieczeństwo konstrukcji, stąd temat wzmocnień konstrukcji starych budynków.
Inspiracją do napisania artykułu są spostrzeżenia i doświadczenia zdobyte na terenach Polski północnej, stad budynki opisywane i oceniane to obiekty wznoszone przez budowniczych niemieckich według prawideł i przepisów wówczas obowiązujących.
Stare budynki.
Za ?stary budynek? uważać będziemy, obiekt wzniesiony na początku ubiegłego wieku. Są to, zatem budynki, które przetrwały często dwie wojny światowe. Zajmują duże fragmenty miast, stanowiąc ich zwartą zabudowę. Ze względu na wartość zabytkową są nie rzadko wpisane do rejestru zabytków.
Pod względem konstrukcyjnym są to budynki bardzo proste, gdzie elementem wsporczym jest pionowa ściana, na której oparte są poziome stropy. Układ ścian konstrukcyjnych podłużny lub poprzeczny, ale najczęściej mieszany dostosowany do rozwiązań funkcjonalnych budynków. Budynki przeważnie podpiwniczone o dwóch lub trzech kondygnacjach nadziemnych. Posadowienie tych budynków stanowią ławy fundamentowe pod ścianami nośnymi. Głębokość posadowienia od 1,2 ÷ 2,0 m od powierzchni terenu. Trudno w nich znaleźć izolacje przeciwwilgociowe czy przeciwwodne. Dachy strome kryte dachówką najczęściej karpiówką względnie płaskie pod pokrycie papowe. Zawsze ze strychem nieraz w części lub w całości wykorzystywanym jako poddasze użytkowe. Komunikację pionową stanowią schody o różnych kształtach, od jednobiegowych prostych i zabiegowych po dwubiegowe powrotne, często strome i wąskie, nie spełniające współczesnych wymogów.
Ściany nośne tych budynków wykonane były z cegły pełnej, zewnętrzne zawsze grubości 1? cegły, wewnętrzne często pocienione do grubości 1 cegły. Otwory okienne z węgarkami. Nadproża nad otworami okiennymi i drzwiowymi to łuki ceglane, belki stalowe względnie nadproża typu Kleina, zbrojone bednarką. Wiązania cegieł w murach przeważnie pospolite, spoiny o grubości 10 mm z tolerancją ?2 mm starannie wykonane.
Fundamenty przenoszące obciążenia na grunt to najczęściej ławy fundamentowe wykonane z kamieni polnych ułożonych w wykopie i uszczelnionych zgęszczonym na mokro piaskiem. Spotkać też można ławy fundamentowe kamienne na zaprawie cementowej czy ławy ceglane. Mury piwnic ceglane, często pogrubione do dwóch cegieł, rzadziej kamienne.
Stropy nad piwnicami wykonywano jako odcinkowe na belkach stalowych a w budynkach nieco młodszych znaleźć można stropy płaskie ceramiczne z pustakami Ferstera. W budynkach najstarszych znaleźć można sklepienia beczkowe ceglane. Stropy międzykondygnacyjne (nad kondygnacjami nadziemnymi) to drewniane stropy listwowe z wypełnieniem gliniano-słomianym (strychułowym) lub ze ślepym pułapem i polepą. Podłoga drewniana przybijana do belek stropowych, od spodu podsufitka z desek i tynk na trzcinie. Co czwarta belka była kotwiona w murze za pomocą kotwy stalowej, często widocznej na zewnętrznym licu ściany.
Dachy strome z więźbą drewnianą, na którą składają się wiązary przeważnie płatwiowo-kleszczowe lub jętkowe. Pochylenie połaci 40 ÷ 45?. Pokrycie stanowi dachówka karpiówka na łatach. W wielu wypadkach zastąpiono ją już blachodachówką. Dachy płaskie, pod pokrycie papowe, wykonywano na drewnianych wiązarach płatwiowo-kleszczowych ze ścianką kolankową. Spadki dachów 8 ÷ 12%. Pokrycie takich dachów to w chwili obecnej 6 ÷ 10 warstw papy na osnowie kartonowej klejonych lepikiem.
Schody w tych budynkach to typowe drewniane schody policzkowe ze stopniami wpuszczanymi lub nakładanymi na policzki o drewnianych podestach. W podobnych schodach dwubiegowych spoczniki też drewniane.
Do wznoszenia tych budynków stosowano dość ubogi asortyment materiałów. Podstawowym materiałem ściennym była cegła ceramiczna pełna średniej jakości. Według dzisiejszych kryteriów są to cegły zwykłe (Z), typu B, klasy 3,5; 5 rzadziej 7,5. Wymiary 65 x 120 x 250 mm. Cegły o długości 270 mm zdarzają się rzadko.
W budynkach wznoszonych w latach dwudziestych stosowano cegłę wapienno-piaskową o wymiarach 250 x120 x 65 mm, którą stosowano według tych samych zasad, co cegłę ceramiczną nie zwracając specjalnie uwagi na jej inne właściwości.
Zaprawa do łączenia cegieł to głównie zaprawa budowlana zwykła na spoiwie wapiennym, którą można zaliczyć do marki M 0,3 względnie M 0,6. Zaprawę cementowo-wapienną stosowano rzadziej i tylko w wybranych elementach budynku jak ściany piwnic, słupy lub filary ceglane itp. Biorąc pod uwagę jakość i ilość dodawanego cementu markę tych zapraw należy określić jako M 2 ÷ M 3.
W wielu starych budynkach (z początku ubiegłego stulecia) spotkać można zaprawę glinianą jako mieszaninę gliny i piasku z dodatkiem wapna w roli stabilizatora. Markę takiej zaprawy można szacować na M 0,3.
Stropy staloceramiczne stosowane w omawianych budynkach, to głównie stropy odcinkowe (rzadziej stropy z użyciem pustaków Ferstera) o rozstawie belek stalowych 1,00 ÷ 1,20 m Belki stalowe to typowe dźwigary dwuteowe normalne walcowane na gorąco ze stali ówcześnie stosowanych, które można porównać do dzisiejszych ze stali St3SX. Wysokość stosowanych w stropach dźwigarów dwuteowych wynosi od 200 do 260 mm.
Drugim materiałem konstrukcyjnym jest drewno głównie świerkowe lub sosnowe we wszystkich sortymentach tarcicy od desek i bali poczynając przez łaty a na krawędziakach i belkach kończąc. Belki stopów drewnianych mają wymiary w granicach od 18 x 22 do 18 x 24 cm. Do wiązarów dachowych używano krawędziaków o wymiarach 10 x 10 i 12 x 12 cm oraz belek 18 x 20 ÷ 24 cm. W okresie wbudowywania było to drewno dobrej jakości kategorii II lub III.
Stan techniczny budynków tej grupy ocenić należy poniżej średniego a często jako zły przy zużyciu procentowym ponad 50 do 100%. W elementach budynków występują znaczne uszkodzenia i ubytki, które często zagrażają użytkownikom. Cechy wbudowanych materiałów mają obniżoną klasę ze względu na procesy korozji i starzenia.
Ściany zewnętrzne budynków ze śladami korozji atmosferycznej, odpadające tynki, wypłukana zaprawa ze spoin, łuszczenie się cegły. Znaczne odchylenia od pionu, widoczne wybrzuszenia Liczne pęknięcia w różnych miejscach w murach, przez nadproża i sklepienia.
Stropy drewniane przeważnie wykazują ugięcia i odchylenia od poziomu. Zagrzybienie i porażenie przez owady jest zjawiskiem bardzo częstym. Belki nośne w miejscach podparcia na murze mocno skorodowane. Przy dynamicznym działaniu człowieka nadmiernie drgają.
W stropach staloceramicznych szczególnie nad wilgotnymi piwnicami bardzo silnie skorodowane są widoczne (odkryte) stopki dźwigarów dwuteowych przy stosunkowo dobrym stanie sklepienia odcinkowego czy innego wypełnienia ceramicznego. Stropy te grożą zawaleniem ze względu na utratę nośności przez skorodowane dźwigary stalowe. W niektórych przypadkach dolna, narażona na wilgoć, stopka dźwigara skorodowana jest niemal w 100%.
Schody drewniane są porażone przez biologiczne szkodniki drewna, w miejscach wilgotnych zagrzybione. Połączenia i styki ze ścianami nośnymi skorodowane. Widoczne są ugięcia wykrzywienia biegów i podestów. Po tylu latach eksploatacji stopnie i podstopnice wykazują mechaniczne zużycie i uszkodzenia.
Dachy tych budynków są w stanie takim samym jak całe budynki. Ugięcia i pofalowanie połaci jest normalnością, liczne przecieki powodują zagrzybienie drewnianych wiązarów niezależnie od niszczenia ich przez owady. Elementy konstrukcyjne więźby miejscami zeschnięte, spękane i wypaczone, połączenia zluzowane.
Wyposażenie instalacyjne tych budynków niewiele odbiega od stanu technicznego konstrukcji. Są to instalacje często dorabiane w okresie późniejszym do budynków, które nie były do tego dostosowane. Takie instalacje stanowią dodatkowe zagrożenie.
Opisany wyżej stan techniczny starych budynków mieszkalnych dotyczy istotnego odsetka substancji mieszkaniowej miast i miasteczek. Sytuacja ich mieszkańców, często właścicieli mieszkań, jest trudna. Budynki w złym stanie wymagają kapitalnego remontu lub nadają się do rozbiórki, gmina nie ma gdzie mieszkańców wykwaterować. Mieszkania własnościowe są poza zasięgiem ich możliwości finansowych względnie nie wykazują oni zainteresowania ich kupnem, czekając na mieszkania zastępcze. Z kolei nie jest w stanie ani przeprowadzić remontów ani wybudować mieszkań zastępczych. Sytuacja patowa trwa.
Stan wielu tych budynków jest tak zły, że żaden remont czy naprawa nie przedłuży ich czasu trwania. Dla części mniej zniszczonych budynków można się zdecydować na wykonanie napraw i wzmocnień, które przedłużą ich czas trwania. Wymaga to przeprowadzenia ocen ich stanu technicznego oraz analiz celowości i opłacalności wykonania wzmocnień, napraw czy remontów.
Uszkodzenia konstrukcji budynków.
Omawiając uszkodzenia konstrukcji, ograniczę się do ścian nośnych, które są najważniejszymi elementami budynków. Najczęściej występującymi negatywnymi zjawiskami są:
- pęknięcia ukośne (charakterystyczne dla przegięcia się budynku na skutek nierównomiernego osiadania).
- pionowe pęknięcia w narożach i przy połączeniu ze ścianami poprzecznymi,
- wychylenia ścian zewnętrznych,
- wybrzuszeń fragmentów ścian nośnych czy stężających.
Do najczęściej zmieniających się parametrów wpływających na bezpieczeństwo i stany graniczne konstrukcji starych budynków należą: zmiany parametrów geotechnicznych podłoży powodujące nierównomierne odkształcenia, oraz wystąpienia dodatkowych siły na skutek przemieszczeń elementów wynikających ze zmiany parametrów materiałowych, częściowej lub całkowitej utraty sztywności połączeń i stężeń itp.
Ściany nośne zewnętrzne w trakcie długotrwałej eksploatacji, utraciły usztywnienie w poziomie stropów międzykondygnacyjnych. Kotwione i niekotwione w ścianach belki nośne stropów drewnianych, gdy oparte na ścianach ich końcówki skorodowały a kotwy stalowe przestały sztywno łączyć strop ze ścianą, przestały częściowo lub całkowicie spełniać rolę podparcia (usztywnienia) ściany. Jej długość wyboczeniowa z długości jednej kondygnacji ( ok. 3,00 m) wzrosła do długości dwóch lub trzech kondygnacji (ok. 6,00 lub 9,00 m).
Przy mimośrodowym obciążeniu ściany dachem i stropami (obciążenie ekscentryczne) wystąpienie wyboczenia jest zjawiskiem oczywistym. Przy zaawansowanych procesach starzenia materiałów ścian będzie to wyboczenie niesprężyste. Wyboczenie jako utrata prostoliniowej geometrii ściany (odchylenie od pionu, wygięcie, wybrzuszenie itp.) wiąże się ze spadkiem zdolności przenoszenia obciążeń.
Rys. 1 pokazuje zmianę układu sił działających na ścianę przy jej wychyleniu, pojawia się siła pozioma (Np), której wartość rośnie w miarę zwiększania się wychylenia (wyboczenia). Ta pojawiająca się w późniejszym okresie eksploatacji budynku siła, zakłóca stan jego równowagi statycznej. Jej działanie zrównoważyć muszą nowe elementy konstrukcyjne, jakimi będą stalowe ściągi sprężone. Zadaniem tych nowo wprowadzonych elementów konstrukcyjnych, jest zrównoważenie sił powodujących odkształcenia budynku względnie ściany.
Sposób naprawy.
Sposób naprawy zależy od przyczyn powodujących jego pękanie. Z analizy rozmieszczenia i układu rys na ścianach budynku wywnioskować należy czy przyczyną jest nierównomierne osiadanie fundamentów, czy zmiana schematu statycznego pracy ścian, czy też zmiana obciążeń na tle konstrukcyjnym. Istotną staje się ocena stanu technicznego poszczególnych elementów konstrukcyjnych budynku, ich połączeń i możliwości współpracy.
Mając na uwadze wymienione elementy sytuacji, należy przyjąć aktualny schemat obciążeń z istniejącymi warunkami współpracy poszczególnych elementów konstrukcyjnych budynku (stan anormalny). Analiza schematu statycznego pozwoli na określenie miejsc usytuowania ściągów, które pozwolą na przywrócenie normalnego stanu równowagi elementów budynku.
Określając wielkość obciążeń i sił w poszczególnych elementach budynku, należy oszacować wielkość sił w ściągach. Określenie sił w ściągach polegać będzie na założeniu stanu równowagi między częścią nieuszkodzoną budynku (stałą), a częścią uszkodzoną (spękaną, wyboczoną, odchyloną itp.), który osiągnięty zostanie założonymi ściągami.
Spękane budynki wzmacniamy prętami stalowymi, wprowadzanych na wysokości stropów wewnątrz budynku jak i po zewnętrznym obrysie ścian. Ściągi zakotwione są na ścianach i sprężane. Sprężone ściągi stabilizują nierównomiernie osiadający budynek. Stosując ten sposób wzmocnienia, unikamy konieczności przemurowywania ścian, wzmacniania fundamentów lub gruntu przy niedużym zużyciu stali. Wzmocnienie można przeprowadzić bez wyłączania budynku z eksploatacji. Na miejscu budowy wykonuje się tylko montaż wcześniej przygotowanych elementów.
Przy nierównomiernym osiadaniu fundamentów budynku i pionowych odkształceniach jego fragmentów, można wydzielić trzy przypadki pokazane na rys.2. W dalszej części jako najczęściej występujący, omówiony zostanie pokazany na rys. 2 przypadek ?a?, tzw. przegięcie.
Obliczenie wzmocnienia zarysowanych ścian ściągami sprężającymi polega na analizie stanu równowagi między ścianami oddzielonymi pęknięciami a częścią nieuszkodzoną. Dla równania stanu równowagi uwzględniamy obliczeniowy ciężar przegiętej części budynku na ramieniu względem środka ciężkości pomniejszony o odpór gruntu i nieprzełamanej części muru. (Rys.3.)
Schemat obliczenia ściągów ścian uszkodzonych z powodu odkształceń podłoża pokazano na rys. 3. Obliczenia można wykonać według podanych niżej zależności. Wypadkową sił sprężających określa się według wzoru:
gdzie:
Q0 ? obliczeniowy ciężar tarczy muru i elementów z nim związanych na spękanym odcinku,
h0 ? ramię wypadkowej siły P względem środka ciężkości przekroju pozostałej części muru poniżej spękania,
l0 ? ramię siły Q0 względem środka ciężkości jw. (rys.3.)
B ? szerokość ławy fundamentowej,
qf1 ? obliczeniowy opór jednostkowy podłoża na zagrożonym odcinku
qf2 ? obliczeniowy opór jednostkowy dla podłoża nienaruszonego (stabilnego) wg PN-81/B-03020 [N1],
M1 ? moduł ściśliwości gruntu zagrożonego odcinka podłoża,
M2 ? moduł ściśliwości gruntu na nienaruszony odcinku podłoża,
qd ? obliczeniowy opór jednostkowy według wzoru:
Mc ? moment obliczeniowy w ścianie pod spękaniem,
Rnrg ? obliczeniowa wytrzymałość muru przy zginaniu w przekroju przez spoinę nieprzewiązaną,
W ? wskaźnik wytrzymałości muru w przekroju d-e przy sprężystej pracy muru.
Przyjmując siły naprężenia wszystkich cięgien równe P1=P2=?.=Pn otrzymamy:
gdzie :
h1; h2; ? hn ? ramiona sił P1; P2; ? Pn względem środka ciężkości muru, który nie uległ spękaniu.
Wpływ zmian temperatury zewnętrznej na naprężenia w ściągach oraz przemieszczenia ścian uwzględniamy, określając naprężenia w cięgnach spowodowane różnicą odkształceń ściągu i ściany od temperatury, według wzoru:
gdzie:
?ts oraz ?tm ? współczynniki rozszerzalności cieplnej stali i ściany,
?t ? różnica temperatury,
E ? współczynnik sprężystości stali.
Ściągi zakładamy w wybranych miejscach w ścianach budynku. Możemy je rozmieszczać wzdłuż i w poprzek budynku (często wzajemnie prostopadle), w poziomie i w pionie. Do zakotwienia, by rozłożyć nacisk na dużą powierzchnię, stosujemy różnego typu podkładki z blach lub kształtowników stalowych. Siłę w ściągu musimy rozłożyć na powierzchnię na tle rozległą i w taki sposób by zapewnić współpracę z podłożem. O wielkości elementów kotwiących (oporowych) decyduje siła w ściągu i docisk, jaki ściana jest w stanie przenieść.
Fot. 1. Zniszczony przez szkodniki drewna słupek więźby dachowej.
|
Fot. 2. Pionowe pęknięcie ściany zewnętrznej przy ścianie klatki schodowej.
|
Powierzchnia docisku elementu kotwiącego Ak powinna przenieść na maksymalną ścianę siłę występującą w ściągu Nmax, stąd powierzchnia netto elementu oporowego (po potrąceniu otworów na ściągi, śruby mocujące itp.) wynosi:
gdzie: ?m ? obliczeniowa wytrzymałość podłoża na docisk.
Jako elementy oporowe stosuje się blachy stalowe w kształcie koła (rys.4), kwadratu (rys. 5) lub prostokąta, w miarę potrzeby wzmocnione żeberkami usztywniającymi, z otworem (tuleją) na przeprowadzenia ściągu i założenie nakrętki. Gdy ściągi umieszczamy na zewnątrz budynku, kotwiąc zewnętrzne ściany, elementy oporowe wykonujemy z kątownika mocując je na narożu ścian. Jeśli warunki tego wymagają, ściągi można kotwić w poprzecznych belkach stalowych o przekroju ceowym, umieszczonych na ścianie. Zapewnią one współpracę ściągów z jej dużymi fragmentami.
Współpracę podłoża ściany z elementami oporowymi zapewniamy stosując podlewki z odpowiednio wytrzymałych zapraw lub podkładki elastyczne, które dopasują się do podłoża (np. blacha ołowiana).
Fot. 3. Uszkodzone pęknięciem ściany nadproże ceglane okna piwnicznego.
|
Fot. 4. Kontrolny pasek szklany (tzw. plomba) nałożony na pękniecie ściany.
|
Fot. 5. Skorodowany fragment piwnicznego filarka ceglanego.
|
O rozmieszczeniu ściągów decydują oprócz względów konstrukcyjnych względy estetyczne. Ściągi jak i zakotwienie można ukryć w bruzdach ścian, zamaskować ociepleniem lub obudową, dlatego rozmieszczając ściągi należy brać pod uwagę możliwość ich zamaskowania lub ukrycia tak by nie szpeciły budynku i nie zakłócały funkcji pomieszczeń.
Od sprężania ściągów w ścianach pojawiają się siły poziome. Przy niewypełnionych rysach siły sprężenia spowodują zmniejszenie się ich rozwarcia stąd ścinanie poziome ściany w pasmach między okiennych (filarkach międzyokiennych). Koniecznym staje się sprawdzenie ich na ścinanie poziome. Dobrze jest też przed założeniem ściągów i ich sprężeniem, przeprowadzić iniekcję wszystkich pęknięć.
Stalowe ściągi sprężamy przez napięcie ich za pomocą śrub napinających ( tzw. śrub rzymskich) lub podgrzewając do określonej temperatury, co spowoduje ich wydłużenie, które zredukujemy dokręcając nakrętkę na elemencie kotwiącym. Po ostygnięciu do temperatury otoczenia ściąg ulegnie sprężeniu. Aby w ściągu nie przekroczyć maksymalnej siły sprężającej Nmax określić należy maksymalny przyrost długości z zależności:
gdzie:
Nmax ? maksymalna siła przenoszona przez ściąg,
ls ? długość ściągu miedzy punktami zakotwienia,
Es ?moduł sprężystości stali ściągu,
As ? przekrój poprzeczny ściągu w miejscu nakrętek (netto).
Dla długości ściągu ls należy określić długość podgrzewanego odcinka ściągu la do przyjętej temperatury ta pomniejszonej o temperaturę otoczenia, co daje wzrost temperatury ?ta podgrzewanego odcinka. Podnosząc temperaturę odcinka la o ?ta podgrzewamy również dwa odcinki skrajne lb gdzie ?tb = ? ?ta. (Rys. 6.)
Zakładając rozkład temperatur jak na rys. 5 i przyjmując zależności:
gdzie ?t jest współczynnikiem rozszerzalności cieplnej liniowej stali a pozostałe oznaczenia jak na rysunku, obliczymy szukaną długość podgrzewanego odcinka.
Po sprężeniu ściągów wyliczonymi siłami, powinny one dać skuteczne, trwałe i niezmienne zabezpieczenie oraz zapewniać stałą współpracę ze strukturą budynku.
Uwagi końcowe
Omówiony sposób wzmacniania starych budynków, jako jeden z wielu, ze względu na prostotę i łatwość wykonania znajduje szerokie zastosowanie, ale nie jest przydatny w każdym przypadku.
Decyzję o losach starego budynku, szczególnie w zabudowie zwartej, powinna poprzedzać ocena jego stanu technicznego. Należy, zatem:
- ocenić jego stan techniczny z inwentaryzacją uszkodzeń,
- rozpoznać i ocenić podłoże gruntowe,
- ocenić stan techniczny obiektów sąsiednich,
- przyjąć sposób i metodę naprawy, wzmocnienia lub rozbiórki oraz technologię prowadzenia robót budowlanych,
- prognozować wpływ rozbiórki lub robót budowlanych na budynki sąsiednie,
- przewidywać wzmocnienie i zabezpieczenia budynków sąsiednich,
- prowadzić obserwację przemieszczeń wybranych elementów konstrukcyjnych budynków sąsiednich jak i budynku naprawianego.
Podczas prowadzenia robót budowlanych w obszarach gęstej zabudowy zawsze występują problemy związane z bezpieczeństwem. Niektóre działania w zakresie rozbiórki czy naprawy starych budynków wymagają indywidualnej analizy pod kątem ich wpływu na stan bezpieczeństwa obiektów sąsiednich.
Dr inż. Lesław Macieik.
