02_Gierczak_J_i_inni_Przedawaryjny_stan_hali_stalowej_o_znacznej_rozpietosci_spowodowany_bledami_posadowienia.pdf

XXIV

awariebudowlane

Dr inŜ. J AN G IERCZAK , jan.gierczak@pwr.wroc.pl

Katedra Konstrukcji Stalowych PWr.

Dr inŜ. A NDRZEJ K MITA , andrzej.kmita@pwr.wroc.pl

Katedra Konstrukcji Betonowych PWr.

PRZEDAWARYJNY STAN HALI STALOWEJ O ZNACZNEJ

ROZPI Ę TO Ś CI SPOWODOWANY BŁ Ę DAMI POSADOWIENIA

PREFAILURE STATE OF STEEL HALL BUILDING OF A LARGE SPAN CAUSED BY

SETTELMENT FAULT

Streszczenie W typowej hali stalowej o konstrukcji ramowej portalowej o rozpiętości 30,0m zaobserwowano

przemieszczenie się fundamentów stopowych. Fundamenty stopowe wykonane z betonu B25 i zbrojone stalą

stanowiły podparcie ram portalowych przegubowo mocowanych do fundamentów. Fundamenty stopowe były

połączone trwale z belkami podwalinowymi i łączyły fundamenty stopowe. W niniejszym referacie przedsta-

wiono przyczynę przemieszczenia się fundamentów i konsekwencje przemieszczania się ich na konstrukcję

stalową oraz zalecany sposób naprawy posadowienia konstrukcji.

Abstract In a typical portal frame (span 30m) structure of a hall building displacements of the foundation footings

were observed. The reinforced concrete foundations were made of C20/25 concrete. They support the portal

frames through hinges. The foundation footings were permanently connected with substructure beams.

The reason of the displacements, consequences of the displacements for the steel structure and proposed method

of the settlements repair are given in the paper.

1. Wst ę p

Przedstawiony obiekt wybudowano w północnej części Polski w II-giej strefie wiatro-

wej i I-szej strefie śniegowej. Obiekt został zaprojektowany i zrealizowany w konstrukcji

stalowej z systemową lekką obudową. Hala składała się z 11 ram portalowych przegubowo

mocowanych do fundamentów stopowych. Słupy są sztywno mocowane do rygla ramy. Ramy

portalowe o rozpiętości ponad 30,0 m rozstawione są co 8,324 m. Na ramach spoczywają

płatwie zimnogięte typu Z o wysokości 203 mm w rozstawie około 1,5 m. Płatwie pracują

jako belki wieloprzęsłowe. Rygle ścienne są wykonane z profili zimnogiętych na których

spoczywa obudowa systemowa z pełną izolacją termiczną. Obiekt jest przystosowany do

dalszej rozbudowy, która miała być realizowana w okresie 1 roku od uruchomienia produkcji

przemysłowej. Po rozbudowie układ poprzeczny stanowiłaby rama portalowa dwunawowa

o wspólnym słupie środkowym.

ObciąŜenia poziome działające w kierunku poprzecznym do osi hali są przenoszone

z płaszczyzny ścian, przez rygle na główną konstrukcję nośną, a stąd na fundamenty. Statecz-

ność w kierunku poprzecznym hali jest zapewniona przez sztywność głównej konstrukcji

nośnej. W kierunku osi podłuŜnej hali obciąŜenia poziome są przenoszone z płaszczyzny

XXIVKonferencjaNaukowoTechniczna

SzczecinMiędzyzdroje,2629maja2009

Geotechnika

ścian przez rygle na słupy ścian szczytowych, skąd obciąŜenia te są przenoszone przez stęŜe-

nia dachowe do stęŜeń wiatrowych ścian, słupów, a następnie są przekazywane na fundament.

2. Opis fundamentów

Fundamenty stopowe wykonano z betonu B25 o wymiarach 180´220 cm i grubości 40 cm

oraz z drugiej strony o wymiarach 200 ´ 220 cm. Mniejsze wymiary fundamentów miały

w okresie późniejszym słuŜyć jako fundamenty pod słup środkowy (dla rozbudowanej hali).

Na fot.1 widzimy Ŝe fundamenty te zostały dodatkowa spięte ławą Ŝelbetową o szerokości

60 cm. Ze stóp są wypuszczone słupki do mocowania przegubowego słupów ram portalo-

wych. Zamocowanie słupów zaprojektowano i wykonano jako połączenie przegubowe z mo-

Ŝliwością przekazywania siły pionowej i poziomej.

Fot. 1. Widok na fundamenty stopowe połączone z ławą

Pomiędzy słupkami wychodzącymi ze stóp fundamentowych wykonano belkę podwalino-

wą (fot. 2). Ława fundamentowa oraz belka podwalinowa są wykonane na całej długości hali

oraz w ścianach szczytowych stanowiąc powiązanie wszystkich fundamentów stopowych

między sobą. NaleŜy tutaj nadmienić, Ŝe zgodnie z dokumentami budowy oraz z relacjami

kadry inŜynierskiej wykonującej prace budowlane, grunt był zagęszczony pod stopami i pod

ławami w tym samym stopniu.

Grunty zalegające pod stopami fundamentowymi to piaski drobne o ID = 0,57. Okresowo

poziom wód gruntowych jest ponad poziomem posadowienia.

230

Gierczak J. i inni: Przedawaryjny stan hali stalowej o znacznej rozpi ę to ś ci spowodowany...

Fot. 2. Fundamenty stopowe z belkami podwalinowymi

3. Pocz ą tki awarii i próba oceny zjawiska

Po upływie jednego roku od zakończenia budowy i oddania obiektu do uŜytkowania

zauwaŜono pękanie posadzki przy słupach ram portalowych. Pierwsze pęknięcia zauwaŜono

w okresie wiosennym, przy braku zalegania śniegu na dachu, ale przy intensywnych wiatrach.

NaleŜy tutaj przypomnieć, Ŝe obiekt został wybudowany w strefie II obciąŜenia wiatrem

w północnej części Polski, blisko morza Bałtyckiego. Pomierzone przemieszczenia fundamen-

tów z ławami wynosiły do 20mm. PoniewaŜ hala stalowa była zaprojektowana i wykonana

w systemie hal prefabrykowanych z małym zapasem nośności poszczególnych elementów,

zachodziło podejrzenie, Ŝe przemieszczenia poziome wywołają dodatkowe siły wewnętrzne

w konstrukcji hali, które spowodują przekroczenia stanu granicznego nośności ram portalo-

wych. Późniejsze analizy wykazały, Ŝe w ramach portalowych wytęŜenie w sztywnych naro-

Ŝach ramy wzrosło o 5%, przy załoŜeniu przemieszczenia się podpory o 20mm w kierunku

poziomym [2]. ZałoŜone punktu pomiarowe w okresie późniejszym wykazały Ŝe, przemiesz-

czenia ustabilizowały się i dalsze deformacje nie narastały. Pomimo, Ŝe według Instytutu

Meteorologii i Gospodarki Wodnej z Poznania prędkość wiatru dochodziła do 29m/s.

Pomiaru dokonano w okresie od 10.06 do 02.09.2008r na poziomie wiatromierza 24 m nad

poziomem gruntu. Kierunek wiatru na obiekt nie był sprecyzowany co ma duŜe znaczenie

przy szacowaniu obciąŜeń od wiatru na konstrukcję. Brak dalszego przesuwu fundamentu

mogło być spowodowane włączeniem pobocznicy fundamentu [3] (czyli odporu czynnego) do

przenoszenia obciąŜenia z ramy portalowej.

231

Geotechnika

Fot. 3. Widoczne przemieszczanie się słupa względem posadzki

4. Przyczyna przemieszczania si ę fundamentów

Po przeprowadzonej analizie statyczno – wytrzymałościowej konstrukcji i przeanalizowa-

niu obciąŜeń moŜemy stwierdzić:

1. Na fundamenty działają siły od obciąŜenia stałego, technologicznego, obciąŜenia

śniegiem i wiatrem.

2. ObciąŜenie stałe wywołuje małe reakcje pionowe i poziome na fundament, gdyŜ

konstrukcja wraz z obudową nie przekracza 23kg/m2 rzutu dachu (bez cięŜaru ramy

portalowej).

3. ObciąŜenie technologiczne nie przekracza 10kg/m2 rzutu dachu, ponadto nie w kaŜdym

polu jest to obciąŜenie wykorzystane.

4. ObciąŜenie wiatrem np. od czoła wywołuje obciąŜenie charakterystyczne prostopadłe do

połaci dachowej równe 56,7kg/m 2 .

Obliczenia fundamentów wykonane przez Projektanta programem komputerowym są wy-

konane dla fundamentów jako fundamentów symetrycznych (patrz fot. 1) a fundament jest

niesymetryczny. Ponadto, w obliczeniach tych nie uwzględniono sił rozciągających przekazy-

wanych na fundament od obciąŜenia wiatrem, przyjęto, wartość równą zero. Do obliczeń

przyjęto, dla osi zewnętrznej (bez moŜliwości rozbudowy) cięŜar podwaliny i ławy 139,8 kN,

natomiast w osi zewnętrznej (z moŜliwością rozbudowy) cięŜar podwaliny i ławy przyjęto

47,7 kN. CięŜar ten moŜe być wliczony do obciąŜenia fundamentu pod warunkiem, Ŝe zadane

obciąŜeniem przekazuje się bezpośrednio na fundament tzn. belka podwalinowa i ława nie

spoczywają bezpośrednio na gruncie, tylko opierają się na fundamencie. MoŜemy mieć takŜe

sytuację pośrednią, Ŝe część obciąŜenia przekazywana jest bezpośrednio na grunt i na funda-

ment ale w obliczeniach projektowych tego nie przeanalizowano.

Wykonano własne obliczenia fundamentów stopowych bezpośrednich zgodnie z normą

PN-81/B-03020 ” Posadowienie bezpo ś rednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie ”.

Według tej normy w punkcie 2.3. Wymiary podstawy fundamentów naleŜy ustalać z zachowa-

niem następujących warunków:

232

Gierczak J. i inni: Przedawaryjny stan hali stalowej o znacznej rozpi ę to ś ci spowodowany...

L/4, gdzie L jest długością fundamentu

Przy uwzględnieniu tylko cięŜaru własnego (bez obciąŜenia technologicznego) i obciąŜenia

wiatrem (bez cięŜaru ławy i podwaliny) zasięg ten jest przekroczony C = 3,60 przy uwzglę-

dnieniu podwaliny, ławy i obciąŜenia technologicznego C = 1,04 > L/4 = 0,55m. Sposób

obliczania fundamentów bez uwzględnienia obciąŜenia technologicznego i cięŜaru ław,

podwaliny (na fundament przypada wartość obciąŜenia technologicznego równa 1230kg) jest

bezpieczniejszy gdyŜ, moŜe w niektórych polach obciąŜenie technologiczne być równe zero,

a obciąŜenie z ław, podwaliny przekazywać się bezpośrednio na grunt. Uwzględnienie tych

obciąŜeń, w zasadzie odciąŜających fundament, jest dyskusyjne i moŜe powodować w prakty-

ce zagroŜenie awarią konstrukcji hali.

Przeprowadzono własne obliczenia fundamentów w których stwierdzono, Ŝe największy

wpływ na niekorzystne obciąŜenie fundamentu ma obciąŜenie wiatrem hali. ObciąŜenie to

wywołuje rozciąganie pod fundamentem od obciąŜeń krótkotrwałych na obszarze większym

niŜ norma dopuszcza. PoniewaŜ wiatr jest obciąŜeniem zmiennym o kierunku takŜe zmien-

nym występuje rozciąganie (czyli rozluźnienie gruntu) raz w jednej części stopy fundamen-

towej raz w drugiej. Dodatkowo pogarsza te warunki gruntowe występująca woda gruntowa

powyŜej posadowienia fundamentu. Woda zmniejsza tarcie pomiędzy stopą fundamentową

a tzw. chudziakiem betonowym oraz między chudziakiem betonowym a gruntem. PoniewaŜ

nie wiemy, czy następuje przesuw fundamentu względem tzw. chudziaka betonowego, czy teŜ

gruntu nie moŜemy włączać chudziaka betonowego do cięŜaru fundamentu.

Obliczenia fundamentu wykonane przez Projektanta bez uwzględnienia sił wyrywającej

powstałej podczas działania obciąŜenia krótkotrwałego, czyli wiatru, spowodowały niedosza-

cowanie wymiarów fundamentu. Ponadto, występująca woda gruntowa powoduje łatwiejsze

przemieszczania się fundamentu w gruncie. NaleŜy nadmienić tutaj, Ŝe reakcje przekazywane

przez fundament na podłoŜe są bardzo małe w porównaniu z nośnością podłoŜa. Natomiast

ich nierównomierne przekazywanie na podłoŜe jest główną przyczyną osiadania i przesuwania

się fundamentów.

Obliczanie fundamentów, zestawienie obciąŜeń i uwzględnienie do cięŜaru fundamentu

ław, podwalin jest sprawą indywidualną i zaleŜy od decyzji Projektanta. Jeśli Projektant ma

wiedzę, Ŝe ławy i podwaliny będą przekazywać obciąŜenia bezpośrednio na fundament moŜe

je uwzględnić. Oczywiście rozwiązania podane przez Projektanta oparcia np. belek podwali-

nowych muszą uwzględniać przekazywanie cięŜaru tej belki na fundament, a nie bezpośrednio

na podłoŜe gruntowe. Uwzględnienie tych dodatkowych sił powoduje mniejsze przekroczenia

warunku C > L/4.

Według analiz własnych, przeprowadzonych obliczeń najgorszym obciąŜeniem na funda-

ment jest obciąŜenie stałe z wiatrem tj. wiatr z prawej lub wiatr od czoła. Działanie zmienne

wiatru co do kierunku i natęŜenia, w czasie powoduje rozluźnienie gruntu pod fundamentem

co skutkuje jego niekontrolowanym osiadaniem i przemieszczaniem się.

233

a) rozkład obliczeniowy obciąŜenia jednostkowego w podstawie fundamentu naleŜy

przyjmować liniowy; nie wolno uwzględniać sił rozciągających między podłoŜem

i podstawą fundamentu;

b) wypadkowa sił od obliczeniowego obciąŜenia stałego i zmiennego długotrwałego nie

powinna wychodzić poza rdzeń podstawy fundamentu;

c) przy uwzględnieniu wszystkich obciąŜeń obliczeniowych dopuszcza się powstawanie

szczeliny między podłoŜem i podstawą fundamentu; dla fundamentów o podstawie

prostokątnej C

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: