Analiza przyczyn awarii i katastrof konstrukcji z drewna klejonego

 

Niezawodność konstrukcji, tzn. zdolność bezawaryjnego funkcjonowania w przewidzianym, projektowanym okresie użytkowania jest podstawowym kryterium projektowania, wykonawstwa i eksploatacji obiektu. Konstrukcje z drewna klejonego warstwowo pozwalają na przekrycie obiektów o dużych rozpiętościach z jednoczesnym tworzeniem nietypowych form architektonicznych. Konstrukcje te na tle innych cechują się lekkością, zmniejszeniem kosztów transportu, montażu i eksploatacji.

 

Konstrukcje z drewna klejonego warstwowo pozwalają na przekrycie obiektów o dużych rozpiętościach z jednoczesnym tworzeniem nietypowych form architektonicznych. Konstrukcje te na tle innych cechują się lekkością, zmniejszeniem kosztów transportu, montażu i eksploatacji.

 

Nie wszyscy uczestnicy procesu budowlanego zarówno w fazie projektowania jak i realizacji obiektu mają odpowiednią wiedzę i doświadczenie w zakresie tych konstrukcji, co może skutkować sytuacjami awaryjnymi. Podczas przetargów, gdzie cena jest kryterium dominującym, nagminne jest minimalizowanie przekrojów konstrukcji. Niekiedy przekroje są przyjmowane bez uwzględnienia wymogów obliczeniowych, a w odniesieniu do dużych, odpowiedzialnych obiektów nie stosuje się współczynników konsekwencji zniszczenia. Warto nadmienić, że lekkie konstrukcje (stalowe, drewniane) mają mniejsze zapasy bezpieczeństwa niż konstrukcje masywne i są bardziej wrażliwe na zmienne oddziaływania użytkowe. Możliwości wystąpienia ich awarii lub katastrofy budowlanej może wiązać się się z błędami na każdym etapie procesu budowlanego począwszy od projektowania, prefabrykacji konstrukcji, budowy obiektu oraz podczas jego eksploatacji. Jak wynika z praktyki do katastrofy budowlanej dochodzi niejednokrotnie przy mniejszym, niż maksymalne projektowane obciążenie gdyż awaria najczęściej jest wynikiem kilku nakładających się na siebie przyczyn. Niżej przedstawiono podstawowe popełniane błędy oraz przykłady awarii konstrukcji, które miały miejsce w kraju i zagranicą.

 

Błędy projektowe

 

W dokumentacji przetargowej często istnieje zapis ,,projekt wykona dostawca”. Brak właściwego projektu nie pozwala na dokonanie jednoznacznej wyceny, a dążenie do oszczędności może w konsekwencji skutkować sytuacją awaryjną. Przywołane kryterium najniższej ceny wiąże się z bardzo oszczędnym projektowaniem, wygrywaniem przetargów na odpowiedzialne projekty przez tanich, niedoświadczonych projektantów. W projektach często przyjmowane są niewłaściwe założenia i schematy obliczeniowe konstrukcji, nie uwzględnia się konieczności zastosowania odpowiednich stężeń, pomija się warunki eksploatacji np. wpływ czynników atmosferycznych. Projektując konstrukcje z drewna klejonego należy zwrócić uwagę na szereg uwarunkowań. Klasa drewna klejonego powinna być przyjmowana wg PN-EN 1194, gdyż klasyfikacja zawarta na końcu normy PN-B03150:2000 (Gl30, Gl35, Gl40) została anulowana załącznikiem Az-3 do tej normy w roku 2004. Jak na razie występuje dobrowolność stosowania norm, jednak w świetle deklarowania zgodności istnieje obowiązek odwołania się do aktualnych dokumentów. W przeciwnym przypadku należałoby każdorazowo przeprowadzać procedurę indywidualnych badań (certyfikacja CE bazuje na normie EN14080 i normach powołanych). Należy również uwzględniać uwarunkowania transportowe – w większości przypadków nie ma problemu z transportem elementów o długości do 30 m lub szerokości do 4 m. Natomiast transport elementów o większej długości bądź szerokości wymaga indywidualnej analizy.

Przy projektowaniu konstrukcji kratowych należy pamiętać, że często o przekroju ich elementów decydują połączenia węzłowe. Np. przekroje prętów drewnianych kratownicy dobrane jedynie na podstawie obliczeń statyczno- wytrzymałościowych mogą być za małe by przenieść obciążenia w złączu. Przy projektowaniu elementów typu „Fischbauchtrager”, tj. belek z łukowym pasem dolnym nie wolno go podcinać gdyż dolne lamele łukowo wygięte muszą być ciągłe. Natomiast przy projektowaniu dźwigarów trapezowych należy pamiętać o powstawaniu w ich środkowej części naprężeń rozciągających w poprzek włókien, pominięcie, których może doprowadzić do rozwarstwienia konstrukcji.

Przekroje elementów drewnianych powyżej 120x120 mm posiadają klasyfikację ogniową NRO. Dla mniejszych przekrojów można stosować impregnujące preparaty solne dla uzyskania właściwej odporności ogniowej, co jednak nie zaleca się dla elementów widocznych. Preparaty solne dają po nawet niewielkim zawilgoceniu (o co na etapie montażu łatwo) wyjątkowo nieestetyczny efekt. Jeżeli wymagana jest odporność ogniowa już na etapie projektowania należy przewidzieć odpowiednie rozwiązania połączeń węzłowych na łącznikach mechanicznych ukrytych.

Przy rozbudowie lub zmianie sposobu użytkowania obiektu obligatoryjne jest sprawdzenie nośności konstrukcji oraz założeń projektowych co jest istotne w sytuacji, kiedy projekt pierwotny i projekt modernizacji nie są wykonywane przez tę samą jednostkę projektową Zdarzają się również zmiany schematu statycznego konstrukcji w wyniku prowadzonych prac remontowych lub renowacyjnych. Przy zmianie sposobu użytkowania obiektu dochodzi często do zmiany obciążeń konstrukcji (np. dodatkową instalacją tryskaczową, wentylacyjną itp.). Rozbudowa obiektów istniejących bywa prowadzona w sposób generujący powstawanie „worków śnieżnych” (dobudowa budynku wyższego, attyki itp.), o czym również niekiedy zapomina się przy projektowaniu.

 

Błędy i zaniedbania na etapie prefabrykacji i montażu

Doświadczenie wskazuje, że na etapie prefabrykacji elementów z drewna klejonego może zaistnieć wiele zaniedbań bądź błędów, które w przyszłości mogą skutkować sytuacjami awaryjnymi. Jednym z poważniejszych problemów jest brak dotrzymania przez producentów normowych warunków wykonawstwa elementów oraz stosowanie do produkcji tarcicy o niższych parametrach wytrzymałościowych niż wymagane, a nawet stosowanie tarcicy nie sortowanej. Niestety czynione są również oszczędności polegające na zakupie tanich, nie atestowanych materiałów oraz na zatrudnianiu przypadkowych pracowników zamiast fachowców. Jako antidotum na ten problem należałoby szerzej rozpropagować wśród wszystkich osób odpowiedzialnych za proces budowlany informacje odnośnie wymogów, co do stosowanych materiałów. Wciąż nie wystarczającą jest zewnętrzna kontrola produkcji, co zostanie sprostowane w roku 2011 po wejściu obowiązku stosowania elementów z drewna klejonego znakowanego symbolem CE.

Zaniedbania na etapie montażu również stwarzają zagrożenie bezpieczeństwa
konstrukcji. W praktyce bywa, że nie zapewnione są właściwe warunki prowadzenia robót montażowych, np. stosowanie niewłaściwych stężeń, brak odpowiedniego podparcia elementów lub brak zachowania ogólnych wymagań związanych z pracą dźwigu w trudnych warunkach atmosferycznych. Zdarza się niewłaściwe składowanie konstrukcji z narażaniem ich na długotrwałe oddziaływanie opadów atmosferycznych lub składowanie na nierównym podłożu. Nie zawsze stosują się właściwe, atestowane oraz zgodne z projektem okucia i łączniki w połączeniach węzłowych. Szczególnie istotnym jest zgodność gatunku stosowanej stali z projektem. Nie należy zastępować sprawdzonych rozwiązań systemowych połączeń na nieatestowane wykonywane indywidualnie w niewielkich wytwórniach.

 

Błędy wynikające z niewłaściwej eksploatacji

 

Użytkownicy obiektów budowlanych często zapominają o ciążących na nich obowiązkach dokonywania okresowych kontroli i przeglądów. Niekiedy podczas eksploatacji nie zwraca się uwagi na nieszczelności pokrycia dachu doprowadzające do regularnego zawilgocenia elementów drewnianych. Woda wnikająca w element konstrukcyjny, zwłaszcza w obszarze łączników doprowadza do narastających zniszczeń drewna. Nagminnym jest brak kontroli warstwy śniegu na dachach płaskich oraz powstających oblodzeń zwłaszcza przy skokach temperatur. W pracy [1] zamieszczono dane o katastrofach dachów pod ciężarem śniegu w zależności o rodzaju konstrukcji. W okresach zimowych 1967/70 i 1978/79 największy udział procentowy w ogólnej liczbie katastrof miały stalowe konstrukcje dachów (50–67%) następnie drewniane (30–42%) natomiast najmniejszy udział stanowiły masywne konstrukcje żelbetowe (3–8%). Dane dotyczą głównie konstrukcji dachowych o skomplikowanym kształcie, gdzie mogą tworzyć się zaspy śnieżne. Najwięcej z wymienionych katastrof (54–83%) wystąpiło w przypadku budynków nowych, maksymalnie pięcioletnich lub budynków w trakcie budowy. Cennym, wiarygodnym źródłem informacji o rzeczywistym oddziaływaniu obciążenia śniegiem może być monitoring odkształceń konstrukcji w miejscach najbardziej wrażliwych na przeciążenie śniegiem, natomiast pomiary obciążenia śniegiem są znacznie trudniejsze [1]. Jednym ze skutków wprowadzenia norm europejskich w Polsce jest zwiększenie wartości oddziaływań klimatycznych w tym obciążeń śniegiem (w niektórych strefach aż o 80%). Powstaje zatem pytanie o bezpieczeństwo istniejących konstrukcji projektowanych zgodnie z wcześniej obowiązującymi normami, wg których wartości obciążeń środowiskowych przyjmowano znacznie mniejsze. Zgodnie z normą PN-EN 1991-1-3, jeżeli przewiduje się sztuczne usuwanie lub przemieszczenie śniegu na dachu, to dach należy zaprojektować z uwzględnieniem odpowiednich układów obciążeń. Zdaniem autorów zapis ten jest zbędnym, ponieważ dach projektuje się nie dla tego żeby z niego usuwać śnieg. Jest to zwłaszcza trudne lub niemożliwe w przypadku konstrukcji istniejących [2].

 

Przykłady awarii i katastrof

 

Analizując awarie i katastrofy konstrukcji drewnianych można niejednokrotnie obserwować nakładania się na siebie kilku przyczyn skutkujących tym zdarzeniom. Typowym przykładem może być stan awaryjny dźwigarów trapezowych z drewna klejonego o rozpiętości 30 m zadaszenia hali sportowej w jednym z miast w kraju. Na każdym etapie jej realizacji popełnione zostały kardynalne błędy. W projekcie konstrukcji z drewna klejonego brakowało obligatoryjnych obliczeń. W dokumentacji odbiorowej brakowało deklaracji zgodności producenta elementów z drewna klejonego oraz informacji o zastosowanej klasie drewna. Konstrukcja po dostarczeniu na plac budowy składowana była bez zabezpieczenia od odpadów atmosferycznych. Po kilkuletniej eksploatacji zaobserwowano spękania kumulujące się na długości kilku metrów, wskazujące na odspojenie trójkątnej, górnej części dźwigara (fot.1a) Spękania te przebiegały po obu elewacjach dźwigarów a ich łączna głębokość przekracza dopuszczalne (30% szerokość przekroju) a miejscowo dochodziła do 87%. Do propagacji spękań przyczyniło się również wielokrotne nawilżanie dźwigarów przez liczne przecieki źle wykonanego pokrycia dachowego. Ponadto stężenie wiatrowe zastało wykonane niewłaściwie: nie naciągnięte taśmy perforowane obwisają we wszystkich polach ( fot.1b). Konsekwencją tych wad były kosztowne roboty naprawcze.

 

Fot.1. Przykładowe uszkodzenie dachu z drewnianych dźwigarów dwutrapezowych

1.  

   spękania dźwigarów, b- niewłaściwe stężenie dźwigarów

 

 

Innym przykładem awaryjnej sytuacji, w wyniku której obiekt został zakwalifikowany do rozbiórki, jest hala sportowa przy gimnazjum w jednej z polskich gmin. Hala o konstrukcji ramowej (dźwigary trapezowe z drewna klejonego oparte na słupach) została samowolnie przeprojektowana. Projektant dostawcy, podobno bez wiedzy projektanta wiodącego, wprowadził w środku połączenie montażowe na łącznikach mechanicznych przecinając je na dwie połowy ze względu na ułatwienia transportu. Zmiany te nie zostały wpisane do dziennika budowy, poza tym konstrukcja była wykonana bez kontroli produkcji ze strony producenta. Konstrukcja zaczęła pękać głównie w montażowych złączach obu połówek dźwigarów umiejscowionych tuż pod świetlikiem. W strefie tej drewno było najbardziej narażone na gwałtowne zmiany wilgotności i temperatury, które również potęgował zaprojektowany bardzo oszczędny system wentylacyjny.

 

Bardzo często do awarii dochodzi z powodu niewłaściwego zaprojektowania i wykonania węzłów podporowych. Jedna z takich awarii miała miejsce w kraju w latach dziewięćdziesiątych w obiekcie, w którym zastosowano belki podcięte ukośne na podporze od dołu. Podcięcie takie narusza ciągłość lameli i powoduje pokazane na fot. 2a zniszczenia w postaci rozwarstwienia lameli, a co za tym idzie katastrofę budowlaną. Niekiedy podczas projektowania nie uwzględnia się anizotropowych właściwości drewna. Jest to bardzo istotne przy oddziaływaniu naprężeń w kierunku prostopadłym do włókien. Na fot. 2b pokazano stan strefy podporowej dźwigara z drewna klejonego o przekroju 20x108cm opartego na słupach drewnianych. Zmniejszona powierzchnia oparcia dźwigarów na słupach doprowadziła do znacznego przekroczenia wytrzymałości drewna na docisk prostopadle do włókien, wskutek czego nastąpiło zmiażdżenie strefy docisku belek i pionowe rozwarstwienie głowic drewnianych słupów [3].

Fot.2. Zniszczenie dźwigarów z drewna klejonego przy podporze

a- rozwarstwienie z uwagi na niewłaściwe podcięcie, b- zmiażdżenie drewna z uwagi na niewystarczającą powierzchnię oparcia

W dźwigarach łukowych strefy podporowe również mogą być przyczyną stanu awaryjnego całej konstrukcji. Dotyczy to zwłaszcza podpór usytuowanych poza budynkiem i narażonych na oddziaływania atmosferyczne. Podobne rozwiązanie jest dość często stosowane w kraju podczas wznoszenia hal sportowych o dużej rozpiętości. Szczególną analizę przyczyn uszkodzeń takich podpór łuków z drewna klejonego oraz sposobów ich napraw zawiera praca [4].

Kolejnym przykładem katastrofy budowlanej obiektu użyteczności publicznej (poza krajem) jest zawalenie się obiektu przekrytego wiązarami z drewna klejonego o rozpiętości 72 m (fot.3). Ze względu na źle zaprojektowany węzeł podporowy uszkodzeniu uległ dach obiektu przeznaczonego do jednorazowego przebywania 5000 osób publiczności. Przy tej katastrofie na szczęście nie doszło do tragedii ludzkich. Natomiast tragiczna katastrofa związana z zawaleniem się w 2006 r. przekrycia lodowiska w Niemczech jest typowym przykładem kumulacji wpływu wielu przyczyn. Konstrukcjami nośnymi obiektu o długości 75 m wybudowanego w latach 1971–72 były dźwigary o przekroju skrzynkowym o wysokości przekroju 2,87 m i rozpiętości 48 m (fot.4). Według przeprowadzonej ekspertyzy przyczynami katastrofy było:

- zastosowanie kleju mocznikowo-formaldehydowego do produkcji dźwigarów przy ich eksploatacji w podwyższonej wilgotności,

- błędy obliczeniowe oraz brak sprawdzenia projektu,

- odstępstwa od aprobaty, która dla tego rodzaju konstrukcji przewidywała dopuszczalną wysokość przekrojów do 1,2m,

- maksymalne obciążenie śniegiem nie przekraczające jednak przyjętego w obliczeniach,

- brak właściwego utrzymania obiektu (występowały nieszczelności pokrycia dachu i penetracja

wody w konstrukcję).
 

Fot.3. Zniszczenie błędnie zaprojektowanego węzła podporowego wiązara

 

 

Fot.4. Fragmenty dźwigarów o przekroju skrzynkowym po katastrofie poddane ekspertyzie

 

Awarie konstrukcji mogą również wystąpić w wyniku błędów na etapie montażu. Niedawno w kraju miał wypadek, gdyż na skutek zerwania się źle zamocowanego ściągu zawaliły się dwa dźwigary o rozpiętości w osiach podpór 48,9 m. Dźwigary były podnoszone za pomocą dwóch dźwigów bez trawersów (fot.5), co mogło mieć pośredni wpływ na niekorzystną pracę montowanych konstrukcji.

 

Fot.5. Niewłaściwy montaż dźwigarów na dwa dźwigi

 

Na rys.1 poglądowo pokazano obszar zniszczenia dużego obiektu użyteczności publicznej za granicą, którego przekrycie stanowiły pary kratownic o rozpiętości 55 m. Katastrofa nastąpiła w 2003 r w bezwietrzny dzień przy obciążeniu śniegiem stanowiącym zaledwie 25% projektowanego obciążenia. Około 2500 m² dachu runęło w wyniku zaniedbania produkcyjnego. W trakcie prefabrykacji w jednym przypodporowym węźle kratownicy nr 32 zastosowano jedynie 7 bolców zamiast projektowanych 33 sztuk.

 

Rys.1. Obszar zniszczeń dachu ( zakreskowana część) w wyniku niedostatecznej ilości łączników w węźle montażowym nr 32

 

 

Przytoczone przykłady awarii i katastrof konstrukcji z drewna klejonego ze względu na różnorodność przyczyn powinny być przestrogą dla wszystkich uczestników procesu budowlanego. Na bieżąco mamy do czynienia z kolejnymi przypadkami sytuacji awaryjnych. Zapewnienie bezpieczeństwa realizowanych obiektów można osiągnąć m.in. przez ciągłe szkolenia członków izb inżynierów budownictwa. Należałoby również dokonać zmian w przepisach przetargów wprowadzając obwarowania jakościowe i jednoznaczne przedstawienie w specyfikacji danych, na podstawie, których dokonywane są wyceny. Poza tym koniecznym jest przestrzeganie spełnienia przez projekt budowlany warunków wymaganych przepisami, w tym konieczność jego weryfikacji przez niezależny od projektanta, wykonawcy oraz inwestora zespół fachowców. Dotyczy to zwłaszcza odpowiedzialnych obiektów użyteczności publicznej, których konsekwencje zniszczenia są wysokie.

 

 

 

mgr inż. Ewa Kotwica

dr inż. Zofia Gil

prof. dr hab. inż. Romuald Orłowicz

 

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

 

 

 

Literatura

 

[1]. Zurański J.: Awarie i katastrofy dachów pod ciężarem śniegu w Polsce. XXII Konferencja

Naukowo-Techniczna. Awarie budowlane, Szczecin-Międzyzdroje 2007

[2]. Zurański A.: Nowe normy obciążenia śniegiem a bezpieczeństwo konstrukcji istniejących.

Prace ITB nr19/2008

[3]. Lorkowski J., Lachniewicz-Złotowska A.: Błędy podparcia dźwigarów drewnianych na

słupach w hali widowiskowo-sportowej. Konferencja Naukowo-Techniczna. „Budownictwo

Ogólne. Zagadnienia konstrukcyjne, materiałowe i cieplno-wilgotnościowe w budownictwie”.

Bydgoszcz 2007

[4]. Jeruzal J., Orłowicz R.: Połączenia przegubowe konstrukcji łukowych z drewna klejonego

warstwowo. Przegląd Budowlany nr 4/2008

Źrodło: Inżynier Budownictwa

 

 

powrót

Liczba wyświetleń: 1222