ANALIZA PRZYCZYN AWARYJNEGO STANU DREWNIANYCH DŹWIGARÓW PRZEKRYCIA HALI SPORTOWEJ.pdf

Dr inŜ. Robert KORZENIOWSKI, robertk@imikb.wil.pk.edu.pl

Mgr inŜ. Artur LUPA, alupa@imikb.wil.pk.edu.pl

Zakład Budownictwa Ogólnego i Przemysłowego

Politechnika Krakowska

ANALIZA PRZYCZYN AWARYJNEGO STANU DREWNIANYCH

D Ź WIGARÓW PRZEKRYCIA HALI SPORTOWEJ

ANALYSIS OF CAUSES OF FAILURE STATE OF TIMBER GIRDERS OF SPORTS

HALL ROOF

Streszczenie W pracy przedstawiono analizę przyczyn powstania znacznych ugięć drewnianych dźwigarów

składających się z kilku belek z drewna litego połączonych ze sobą łącznikami mechanicznymi. Analizę

przeprowadzono z uwzględnieniem podatności łączników, która pozwoliła uzyskać duŜą zgodność wyników z

wykonanymi pomiarami ugięć. Analiza wykazała równieŜ, iŜ waŜną rolę mogą odgrywać takŜe warunki

termiczno-wilgotnościowe w jakich pracują elementy drewniane.

Abstract In the paper the analysis of causes of large deflections of timber girders which are made of a few

timber beams and connected together with the help of mechanical connectors was presented. Analysis was

carried out taking into consideration the flexibility of connectors which allows to achieve a good conformity

with the results of measurements. This analysis also showed that thermal and moisture conditions in which

timber elements are working may play a very important role.

1. Wprowadzenie

Przedmiotem analizy była konstrukcja dachu hali sportowej, a w szczególności dźwigary

przekrycia tej konstrukcji wykonane z drewna litego. Początkowo dźwigary dachowe miały

zostać zaprojektowane i wykonane z drewna klejonego. Jednak inwestor w celu ograniczenia

kosztów inwestycji zdecydował się na wykonanie dźwigarów w postaci trzech belek z drewna

litego połączonych między sobą łącznikami mechanicznymi.

Celem niniejszej analizy było stwierdzenie rzeczywistych przyczyn powstania awaryjnego

stanu konstrukcji w postaci niepokojąco duŜych ugięć drewnianych dźwigarów dachowych

oraz przeciekania dachu i załamania się podłogi sali sportowej.

Dlatego teŜ dokonano szeregu wizji lokalnych, w trakcie których były wykonywane

odkrywki posadzki oraz na szeroką skalę odkrywki dachu umoŜliwiające wykonanie:

- identyfikacji zastosowanego rzeczywistego układu konstrukcyjnego, rozwiązań detali

konstrukcyjnych oraz warstw pokrycia dachu i posadzki,

- pomiarów i inwentaryzacji układu konstrukcyjnego i jego elementów składowych w

tym pomiarów ugięć dźwigarów,

- inwentaryzacji znacznych pęknięć drewna dźwigarów.

827

PowyŜsze działania stanowiły podstawę między innymi do dalszych analiz numerycznych i

inŜynierskich w tym do analizy poprawności zaprojektowanej oraz rzeczywiście wykonanej

konstrukcji a takŜe zgodności z normami oraz zasadami sztuki inŜynierskiej.

2. Opis analizowanej konstrukcji

Obiekt będący przedmiotem niniejszej analizy był wolnostojącym budynkiem sali

sportowej z zapleczem socjalnym (szatnie, łazienki), którego strop tworzył antresolę dla

publiczności. Sala połączona była z istniejącym budynkiem szkolnym łącznikiem. Obiekt nie

posiadał podpiwniczenia. Wymiary zewnętrzne sali gimnastycznej w rzucie poziomym

wynosiły 25,49 x 18,60m a wysokość 9,50m. Ściany nośne zewnętrzne i wewnętrzne

wykonane były z pustaka ceramicznego przy czym ściany zewnętrzne ocieplone zostały

warstwą styropianu. Układ ścian nośnych był podłuŜny a zasadniczym elementem

konstrukcyjnym przekrycia obiektu były dźwigary drewniane rozstawione co ok. 6,0 m

Posiadały one rozpiętość nad antresolą 6,0 m natomiast nad salą gimnastyczna 12,0 m.

Całkowity przekrój dźwigarów nad antresolą wynosił ok. 18/34 cm, a nad salą gimnastyczną

ok. 18/46 cm Dźwigary spoczywały na zewnętrznych ścianach nośnych oraz na pośrednich

podporach – słupach stalowych zlokalizowanych przy antresoli o średnicy zewnętrznej 32,4

cm wypełnionych betonem i dodatkowo zazbrojonych. Nachylenie połaci dachu wynosiło

około 18 O .

Rys. 1. Widok hali oraz otworów wywiewnych w kalenicy

Wentylację stanowiły w obiekcie otwory nawiewne usytuowane nad grzejnikami w ścianie

zewnętrznej o średnicy 190mm w połowie rozpiętości pomiędzy dźwigarami oraz wentylatory

usytuowane w kalenicy równieŜ w połowie rozpiętości pomiędzy dźwigarami [Rys. 1.].

Dźwigary składały się z trzech litych belek drewnianych połączonych ze sobą za pomocą

pierścieni zębatych typu Buldog ściągniętych śrubami M16. W okolicy kalenicy natrafiono w

dźwigarze nr 1 na śruby M14 (w projekcie pierścienie Geka oraz śruby ściągające M24).

Rozstaw średni pierścieni Bulgod wynosił ok. 50 cm. Nad salą gimnastyczną dźwigary

zostały spięte ze sobą ściągami w postaci prętów stalowych Ø27 mm (w projekcie Ø32).

Do dźwigarów zamocowano płatwie dachowe stalowe z IPE 160 oraz drewniane o przekroju

7,5x13,5 cm rozstawione średnio co 100 cm, do których zamocowano blachę trapezową T35

grubości 0.55 mm

828

Na warstwy dachu składały się: od spodu płyty gipsowo-kartonowe gr. 12,5 mm, folia

dachowa, warstwa termoizolacji w postaci maty z wełny mineralnej gr. 20 cm oraz płyty

styropianowej gr. 5 cm. Nie stwierdzono występowania wiatroizolacji.

3. Stan awaryjny d ź wigarów - opis zaistniałych uszkodze ń

W analizowanym obiekcie wystąpiły znaczące ugięcia drewnianych dźwigarów

dachowych widoczne gołym okiem [Rys. 2] i przekraczające ugięcia dopuszczalne.

Rys. 2. Obserwowalne gołym okiem ugięcia dźwigarów nad salą

Pomierzone maksymalne ugięcia wynosiły dla dźwigarów nad antresolą od 33 do 91 mm a

nad salą do ćwiczeń od 12 do 51 mm. Pomiar powyŜszych wartości ugięć miał miejsce

praktycznie przy obciąŜeniu tylko cięŜarem własnym. W związku z tym powyŜsze wartości

były sumą ugięcia od tego obciąŜenia oraz pozostałego ugięcia trwałego. NaleŜy jednak

podkreślić, Ŝe pomierzone ugięcia nie uwzględniały obciąŜeń zmiennych np. obciąŜenia

śniegiem.

Rys. 3. Pęknięcie drewna belki dźwigara

We wszystkich dźwigarach stwierdzono powaŜne pęknięcia belek drewnianych. Dla

dźwigarów nad antresolą pęknięcia boczne belek środkowych dochodziły do 15 mm

829

szerokości głębokości co najmniej 80 mm. Dla belek dolnych pęknięcia od spodu belki miały

szerokość do 13 mm i głębokość do 70 mm. Dla dźwigarów nad salą gimnastyczną pęknięcia

boczne belek wyniosły 15 mm i równieŜ sięgały na głębokość 80 mm, natomiast pęknięcia

belek dolnych wynosiły odpowiednio 15 mm i 90 mm. RównieŜ podobne wartości osiągały

pęknięcia belek górnych zarówno nad antresolą jak i salą gimnastyczną .

Rys. 4. Pęknięcia drewna oraz przerwa pomiędzy folią a dźwigarem dachowym

Pomiędzy belkami tworzącymi dźwigar nastąpiły rozwarcia. Dla belek nad antresolą

pomiędzy belką górną a środkową rozwarcie dochodziło do 5 mm, natomiast pomiędzy

środkową a dolną sięgały one 8 mm Dla dźwigarów nad salą gimnastyczną rozwarcia były

jeszcze większe i wynosiły odpowiednio 8 oraz 18 mm.

Rys. 5. Znaczne rozwarcie belek dźwigara, widoczne wysunięte

zęby pierścienia z drewnianej belki

Zaobserwowano równieŜ licznie występujące plamy i zacieki spowodowane

nieszczelnościami pokrycia jak równieŜ kondensacją pary wodnej, świadczące o

systematycznym zamakaniu wełny mineralnej.

Około pięć miesięcy od zauwaŜenia duŜych ugięć, w trakcie zajęć sportowych na sali doszło

do załamania si ę podłogi na pewnej powierzchni i sala została najpierw częściowo a potem

całkowicie wyłączona z dalszego uŜytkowania.

830

4. Analiza przyczyn powstałych uszkodze ń

W celu ustalenia głównych przyczyn powstałego stanu awaryjnego dźwigarów dachowych

wykonano szereg analiz statyczno-wytrzymałościowych w tym analizy komputerowe przy

zastosowaniu trójwymiarowego modelu konstrukcji. [Rys.6].

Rys. 6. Widok modelu obliczeniowego 3D

Analizy prowadzono dla trzech moŜliwych sytuacji dotyczących współpracy belek

drewnianych w dźwigarze:

współpraca składowych belek połączonych pierścieniami buldog D48

współpraca składowych belek połączonych tylko śrubami M16

brak współpracy pomiędzy belkami – belki pracują niezaleŜnie.

Podczas sprawdzania SGN w płatwiach oraz stęŜeniach dodatkowo uwzględniono siłę

utrzymującą dźwigary przed wyboczeniem z płaszczyzny dźwigara na podstawie przyjętych

załoŜeń do wymiarowania dźwigarów w obliczeniach konstrukcyjnych.

Otrzymane w wyniku analizy ugięcia porównano z ugięciami pomierzonymi podczas

inwentaryzacji. NajbliŜszy rzeczywistości okazał się model, w którym belki współpracują ze

sobą jedynie poprzez śruby ściągające bez udziału pierścieni zębatych. Jest to tym bardziej

uzasadnione, iŜ podczas oględzin konstrukcji stwierdzono znaczne szczeliny pomiędzy

belkami. W wielu miejscach szczeliny były na tyle duŜe, Ŝe pierścienie nie były zagłębione w

łączonych belkach (były praktycznie całe widoczne). Dlatego teŜ do dalszej analizy przyjęto

sztywność zastępczą dla tego modelu.

PoniŜej w tablicy 1. zestawiono ugięcia dźwigarów: pomierzone oraz obliczone dla

zastosowanych pierścieni, dla samych śrub oraz trzech nie zespolonych ze sobą belek

dźwigarowych. Analizę statyczno-wytrzymałościowe przeprowadzono z uwzględnieniem

warunków oraz PN-81/B-03150 oraz PN-B-03150:2000

W wyniku przeprowadzonych oględzin i analiz zauwaŜono szereg rozbieŜności pomiędzy

projektem a rzeczywistą konstrukcją a takŜe błędów projektowych i wykonawczych, które

miały wpływ na zaistniały stan konstrukcji.

Za bezpośrednią przyczynę powstania nadmiernych ugięć drewnianych dźwigarów naleŜy

uznać zastosowanie pierścieni Buldog D48 zamiast Geka D115 oraz zmianę ich rozstawu.

Zastosowano równieŜ mniejszą niŜ zaprojektowano podkładkę pod nakrętkę ściągu zamiast

150x150x8 załoŜono 80x80x6. W związku z tym nie sprawdził się normowy docisk pod

podkładką i w konsekwencji moŜliwe były większe deformacje dźwigarów. W trakcie

oględzin stwierdzono, Ŝe ściąg jest luźny i nie spełnia swej roli w konstrukcji. Nie

zaprojektowano ani nie wykonano Ŝadnej regulacji ściągu (w postaci 2-ch śrub rzymskich) i

w związku z tym nie było moŜliwości zwiększenia naciągu. Ponadto zastosowano do

831

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: