BŁĘDNE ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE PRZYCZYNĄ AWARII KONSTRUKCJI HALI.pdf

Prof. dr hab. inŜ. Wojciech śÓŁTOWSKI, w.zoltowski@il.pw.edu.pl

Dr inŜ. Stanisław WIERZBICKI, s-wierzbicki@wp.pl

Mgr inŜ. Paweł KRÓL, p.krol@il.pw.edu.pl

Mgr inŜ. Jan WITKOWSKI, j.witkowski@il.pw.edu.pl

Politechnika Warszawska

BŁ Ę DNE ZAŁO ś ENIA PROJEKTOWE PRZYCZYN Ą

AWARII KONSTRUKCJI HALI

FALSE DISIGN-WORK ASSUMPTIONS AS THE MAIN REASON OF THE STRUCTURE

BREAKDOWN

Streszczenie Referat dotyczy awarii konstrukcji hali magazynowo-dystrybucyjnej o powierzchni około 9200

m2. Główną konstrukcję nośną obiektu w części, która uległa awarii stanowią, oparte na słupach Ŝelbetowych,

dźwigary kratowe przenoszące obciąŜenia z płatwi kratownicowych. 21.01.2006 roku nastąpiła awaria jednego z

dźwigarów głównych polegająca na zniszczeniu węzła przy pasie górnym dźwigara co w efekcie doprowadziło

do znacznego ugięcia (załamania) kratownicy, która pociągnęła jeden z podpierających ją słupów powodując

jego znaczne wychylenie. Zmiana geometrii głównego układu nośnego doprowadziła do uszkodzenia płatwi

opartych na dźwigarze oraz stęŜeń i blachy pokrycia dachu w obszarze awarii. Przeprowadzona ekspertyza

techniczna zmierzająca do ustalenia przyczyn awarii ujawniła szereg wad konstrukcji, głównie o charakterze

projektowym.

Abstrac t The paper is dedicated to the breakdown of the steel structure in one of the warehouse buildings in

the distribution centre, that had place on 21 st of January, 2006. An area of the described building is about 9200

m 2 . The main structure of the building, in the neighbourhood of the failure, comprises the set of steel truss roof

purlins and truss-girders supported on the reinforced-concrete pillars. At the beginning of the 3 rd decade of

January one of the main roof truss-girders suddenly collapsed after the destruction of one of the joints, located in

the level of the upper chord that resulted in significant bowing deflection of the roof-truss and visible horizontal

displacement of supporting column. The sudden deformations and changes of the shape of the main roof

structure caused the failure of the other constructional elements in the nearby area, as truss purlins, bracing

system and trapezoidal roof sheeting. After some technical analyses led to find out the reasons of the structure

breakdown, many designing mistakes and disadvantages were proved.

1. Ogólny opis konstrukcji obiektu

Obiekt, w którym nastąpiła awaria jest budynkiem halowym składającym się z trzech

prostopadłościennych brył, rozciągniętych wzdłuŜ jednego z boków. Całkowita długość

kompleksu wynosi około 219 metrów, z czego około 159 m przypada na główną część

środkową, zaś po 60 m na węŜsze, skrajne fragmenty budynków. Szerokość części centralnej,

mierzona w osiach konstrukcji wynosi 42,0 metry, zaś jej wysokość mierzona w kalenicy

wynosi 8,51 m w stosunku do poziomu posadzki w hali. Szerokość części skrajnych budynku,

mierzona wg zasad podanych wyŜej, wynosi 21,0 m, zaś jej wysokość w kalenicy 6,56 m.

699

Konstrukcję centralnej części budynku zaprojektowano w formie trójnawowego układu

słupowo-wiązarowego, usytuowanego poprzecznie do podłuŜnej osi hali. KaŜda z trzech naw

ma rozpiętość 14,0 m. Konstrukcję główną dachu stanowią trapezowe stalowe dźwigary

kratowe, o pasie dolnym poziomym, zaprojektowane ze stali gatunku St3S. Dźwigary naw

bocznych wykonano jako kratownice o pasach zbieŜnych, w których pas górny odwzorowuje

kąt pochylenia połaci dachowych, zaś dźwigar środkowy jest rozwiązaniem dwuspadowym,

symetrycznym. Pasy dolne dźwigarów zaprojektowano z przekrojów zamkniętych, złoŜonych

z dwóch kształtowników walcowanych na gorąco typu „C”, zaś pasy górne, krzyŜulce i słupki

– z profili zamkniętych kwadratowych, (rys.1). Połączenia prętów w węzłach wykonano jako

spawane za pomocą spoin czołowych, bez uŜycia blach węzłowych. Dźwigary

zaprojektowano jako swobodnie podparte na Ŝelbetowych słupach, utwierdzonych w

fundamentach. Typowy rozstaw głównych układów nośnych wynosi 14 metrów.

Rys. 1. Ogólny widok układu konstrukcyjnego

Pomiędzy wiązarami rozpięto jednoprzęsłowe płatwie kratowe wykonane w formie

kratownic spawanych, w których wszystkie pręty zaprojektowano z profili zamkniętych o

przekroju kwadratowym. W płatwi kalenicowej, ze względów konstrukcyjnych, pas górny

płatwi zaprojektowano z dwóch ceowników C65. Połączenia prętów w węzłach wykonano

jako spawane za pomocą spoin czołowych, generalnie bez uŜycia blach węzłowych. Jedynie

w przypadku płatwi kalenicowej, w miejscach łączenia prętów skratowania z pasem górnym

połączenia realizowano za pomocą spoin pachwinowych. Płatwie oparto na górnych pasach

dźwigarów głównych, w co drugim węźle. WzdłuŜ ścian podłuŜnych zmontowano belki

krawędziowe wykonane z dwuteowników IPE120, pełniące równocześnie rolę płatwi

okapowych. Na długości przybudówek biurowych, ze względu na brak słupków obudowy,

zamiast belek walcowanych zaprojektowano kratownice z pasem górnym z IPE120.

Stabilność konstrukcji dachu, tak w kierunku poprzecznym jak i podłuŜnym, ma

zapewniać układ połaciowych stęŜeń obwodowych typu „X”, w których słupki

zaprojektowano z profili zamkniętych 50x50x3, zaś krzyŜulce z prętów

10, z nakrętkami napinającymi, łączących skrajne węzły

dolnych pasów płatwi kratowych z dolnymi pasami dźwigarów głównych. W środkowej

części budynku zastosowano stęŜenia połaciowe poprzeczne o skratowaniu typu „X”.

700

12. NaleŜy

podkreślić fakt, niewłaściwego sposobu mocowania stęŜeń „na haczyk” na jednym z końców.

Dodatkowo, stateczność pasów dolnych dźwigarów miał zapewniać układ stęŜeń

wykonanych z prętów okrągłych

Stateczność budynku, zgodnie z zamierzeniem projektanta, zapewniają słupy Ŝelbetowe,

utwierdzone w fundamentach. Dodatkowo, w ścianach podłuŜnych znajdują się rozbudowane

układy słupowo-ryglowe, dostosowane do rozkładu i wymiarów doków rozładunkowych,

stęŜone cięgnami linowymi w kilku miejscach na długości hali, powyŜej poziomu nadproŜy

bram.

WzdłuŜ ścian bocznych, nad dokami rozładunkowymi, wykonano podwieszone daszki o

konstrukcji stalowej i spadku ukształtowanym w kierunku do budynku. Konstrukcja daszków

składa się z usytuowanych prostopadle do linii ściany belek nośnych z dwuteowników

IPE120, podwieszonych w sposób przegubowy jednym końcem do słupów głównych hali lub

słupków przybramowych z ceowników zimnogiętych 140x80x5, zaś na drugim końcu

podwieszonych za pomocą sztywnego wieszaka z profilu zamkniętego o przekroju

kwadratowym 70x70 mm, (rys. 2). WzdłuŜ linii ściany oraz linii okapu zmontowano płatwie

stalowe z ceowników C120E. StęŜenia daszków wykonano jako cięgnowe z prętów

10, z

nakrętkami napinającymi.

Rys. 2. Fragment zadaszenia zewnętrznego

Konstrukcję dwóch skrajnych, symetrycznych części budynku zaprojektowano w formie

jednonawowych ram o ryglach kratowych, usytuowanych poprzecznie do podłuŜnej osi hali.

Rozpiętość ramy wynosi 21m. Konstrukcję główną dachu stanowią trapezowe stalowe

dźwigary kratowe, o pasie dolnym poziomym, zaprojektowane ze stali gatunku St3S.

Dźwigary zamocowano w sposób sztywny do stalowych słupów pełnościennych,

zaprojektowanych z dwuteowników HE300B. Pasy górne i dolne dźwigarów oraz znacznie

wytęŜone słupki i krzyŜulce zaprojektowano w formie przekrojów zamkniętych, złoŜonych z

dwóch kształtowników walcowanych na gorąco typu „C”, pozostałe pręty skratowania – z

profili zamkniętych kwadratowych. Połączenia prętów w węzłach wykonano jako spawane za

pomocą spoin czołowych, bez uŜycia blach węzłowych. Z uwagi na moŜliwości transportowe,

wiązary zaprojektowano jako scalane na placu budowy z dwóch części. Styk montaŜowy

pomiędzy elementami dźwigara wykonano jako śrubowy, w którym części składowe słupka

połączono ze sobą w sposób doczołowy, zaś pasy – w sposób nakładkowy. Słupy

zamocowano do fundamentów w sposób przegubowy. Rozstaw ram nośnych wynosi 12 m.

Na dźwigarach oparte są jednoprzęsłowe płatwie kratowe, w których wszystkie pręty

zaprojektowano z profili zamkniętych o przekroju kwadratowym. Pozostałe rozwiązania

płatwi, stęŜeń, pokrycia i daszków zewnętrznych są analogiczne jak w środkowej części hali.

Na styku z wyŜszą, centralną częścią budynku zastosowano kratownicowe dźwigary

dachowe, pełniące funkcję nośną zarówno dla wyŜszej, jak i dla niŜszej części hali.

701

2. Opis awarii i działa ń zapobiegawczych

Awaria konstrukcji dachu w hali głównej wystąpiła w dniu 21.01.2006r. Podstawowym

objawem awarii było załamanie górnego pasa wiązara dachowego nawy bocznej hali w

miejscu jego połączenia ze słupkiem, (rys.3).

Rys.3. Charakter uszkodzenia dźwigara głównego nawy bocznej

Załamanie to wywołane zostało plastycznymi deformacjami ścianek przekroju, wraz z

pęknięciem jednej z nich oraz wciśnięciem słupka wiązara w pas górny, (rys. 4). Ugięcie

kratownicy doprowadziło do znacznego (140mm) przemieszczenia wierzchołka słupa

zewnętrznego do środka hali połączonego z obrotem dźwigara na głowicy słupa.

Bezpośrednią konsekwencją było obniŜenie linii podparcia płatwi kratowych opartych na

dźwigarze, a w efekcie naruszenie geometrii płaszczyzny dachu i powstanie na jego

powierzchni swoistej niecki. Nie doszło do przedarcia lub rozszczelnienia poszycia dachu,

Rys.4. Wciśnięcie słupka wiązara do wnętrza przekroju pasa górnego

dzięki czemu, po zastosowaniu odpowiednich działań zapobiegawczych, moŜliwe było

przeciwdziałanie dalszym zniszczeniom lub uszkodzeniom konstrukcji i wewnętrznych

elementów usytuowanych w hali. Zgodnie z informacjami uzyskanymi od Zleceniodawców,

po awarii zorganizowano spotkanie osób związanych z obiektem, a więc przedstawicieli

Właściciela i UŜytkownika obiektu, przedstawicieli Wykonawców obiektu oraz Projektanta,

w celu podjęcia niezbędnych działań zapobiegających dalszym zniszczeniom. Wtedy teŜ

702

podjęto decyzję o natychmiastowym tymczasowym podparciu dźwigara za pomocą podpór

modułowych, mającym zapobiec ewentualnemu postępowi uszkodzeń bądź wystąpieniu

nowych. Niezwłocznie po zmontowaniu podpór tymczasowych, przystąpiono do usuwania

śniegu z dachu, by doprowadzić do maksymalnego odciąŜenia konstrukcji – prace

odśnieŜające prowadzono takŜe później, w trakcie występowania opadów śniegu.

Równolegle zlecono wykonanie projektu tymczasowej konstrukcji podpierającej, która

miałaby przejąć zadania uszkodzonego dźwigara dachowego. Konstrukcję ramową,

zaprojektowaną z dwuteowników szerokostopowych oparto bezpośrednio na posadzce hali.

Układ ramowy zapewniał przejęcie obciąŜeń z płatwi kratowych, opartych na uszkodzonym

dźwigarze i tym samym odciąŜenie dźwigara. Elementy górnych pasów płatwi na odcinku

podparcia wzmocniono dodatkowo dwoma ceownikami, które miały zabezpieczyć pasy przed

ewentualnym zniszczeniem, w przypadku postępującego załamywania się geometrii dźwigara

oraz jednocześnie zagwarantować efektywne podparcie płatwi juŜ w momencie wykonywania

ramy podporowej (rys. 5).

Rys.5. Lokalne wzmocnienie pasa górnego płatwi kratowej, w miejscu oparcia na ramie

Następnie, w celu dopuszczenia do ograniczonego uŜytkowania hali do czasu wykonania

wzmocnień, przedstawiciele UŜytkownika, Wykonawcy i Projektanta obiektu, w

porozumieniu z autorami niniejszego referatu i ekspertyzy zdecydowali o zastosowaniu

tymczasowych podpór (rys. 1) oraz zastrzałów w miejscach, gdzie nie było moŜliwe

ustawienie podpór. Zabieg ten powiązany z bieŜącym odśnieŜaniem dachu miał na celu

przeciwdziałanie ewentualnym uszkodzeniom konstrukcji w innych miejscach.

3. Ustalenie przyczyn awarii

Na podstawie przeprowadzonych analiz i badań stwierdzono, Ŝe bezpośrednią przyczyną

awarii była znacznie przekroczona nośność pasa górnego dźwigara. Biorąc pod uwagę

szacunkową, (określoną na podstawie dostarczonych przez UŜytkownika fotografii oraz

własnych obserwacji poczynionych kilka dni po awarii), ilość śniegu na dachu w trakcie

awarii, która zdaniem autorów była nieco mniejsza niŜ normowa dla tego regionu Polski

stwierdzono, Ŝe nośność w pasie górnym była przekroczona prawie trzykrotnie. Stan ten

połączony z dodatkowymi, takŜe znacznie przekroczonymi, napręŜeniami od słupka,

zginającymi dolną ściankę pasa kratownicy, musiał doprowadzić do awarii, a tak długi okres

bezawaryjnego uŜytkowania obiektu wynikał z braku większych opadów śniegu w ostatnich

latach.

703

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: