Z powodu niedostatecznej wytrzymałości powstało zagrożenie zawalenia się dachu hali. Poniżej przedstawiono sposób jego wzmocnienia. Badany obiekt jest dużą halą przemysłową (o powierzchni 19 500 m2) w jednym z zakładów hutniczych metali nieżelaznych. Jest to hala stalowa, w której znajduje się piec elektryczny (o długości około 48 m). Służy on do wyżarzania wyrobów miedzianych (rur PA-600) w atmosferze ochronnej. W części chłodniczej piec jest wyposażony w stalowe pokrywy zbiornika olejowego, których masa wynosi 160÷320 kg. W wyniku wybuchu pieca, jego stalowe pokrywy zostały wyrzucone ku górze i uderzyły w strunobetonowe płyty dachu hali. Spowodowało to zniszczenie nośnych żeber dachowych płyt strunobetonowych i zagrożenie awaryjne obiektu.

Konstrukcja hali
Schemat konstrukcji przedmiotowej, dwunawowej hali przemysłowej pokazano na rys. 1. Rozpiętość jej naw wynosi 30,0 m. Układy poprzeczne hali są rozstawione co 12 m. Szerokość hali wynosi 2×30,0 = 60,0 m, długość 27×12 = 324,0 m, a jej wysokość około 15,0 m. Układy porzeczne hali składają się z dźwigarów kratowych W1 oraz słupów głównych S1 i S2. Połączenie dźwigarów kratowych W1 ze słupami S1 i S2 zaprojektowano jako przegubowe. Słupy S1 i S2 są utwierdzone sztywno w fundamentach. Dach hali jest typu szedowego. Jego konstrukcję nośną stanowią stalowe dźwigary kratowe W1. Opierają się one z jednej strony na słupach zewnętrznych S1, z drugiej strony zaś na słupach wewnętrznych S2. Dźwigary kratowe W1, o rozpiętości około 30,0 m i wysokości konstrukcyjnej 4,0 m, są o pasach równoległych, z wykratowaniem typu N. Pasy górne i pasy dolne kratownic W1 zaprojektowano jako pręty dwugałęziowe z kształtowników walcowanych na gorąco. W kierunku podłużnym hali dźwigary kratowe W1 usztywniono na całej długości obiektu: w osi C – pionowymi stężeniami międzywiązarowymi, o konstrukcji kratowej, w osi A zaś żelbetowymi płytami ściennymi. Konstrukcję wsporczą kratownic dachowych W1 w osiach zewnętrznych hali A i C stanowią słupy S1, w osi wewnętrznej hali B zaś słupy S2. Stalowe słupy główne S1 i S2 służą również do oparcia stalowych belek podsuwnicowych, dlatego zaprojektowano je o skokowo zmiennej sztywności. W części podsuwnicowej są one o konstrukcji dwugałęziowej (wykratowanej) w części nadsuwnicowej zaś jednogałęziowe. Całkowita wysokość słupów S1 i S2 wynosi około 10,6 m. Wysokość ich części podsuwnicowej wynosi 7,15 m. Gałęzie słupów części podsuwnicowej wykonano z I 400. Rozstaw gałęzi słupów wynosi: 1500 mm, w przypadku słupów wewnętrznych S2 oraz 750 mm w słupach zewnętrznych S1. Gałęzie słupów S1 i S2 w części podsuwnicowej są połączone wykratowaniem z kątowników 60×60×6. Podstawy słupów głównych S1 i S2 połączono z fundamentami w sposób sztywny zarówno w płaszczyźnie, jak i z płaszczyzny układów poprzecznych hali. W każdej nawie hali są zainstalowane 3 suwnice o udźwigu 50 kN oraz 1 suwnica o udźwigu 125 kN. Jako elementy osłonowe dachu hali zastosowano płyty strunobetonowe P (rys. 1) o symbolu PDS-1. Ich długość wynosi 12,62 m, szerokość zaś 2,0 m. Płyty strunobetonowe mają 2 żebra, w rozstawie 1,0 m (patrz rys. 1, przekrój C-C). Wysokość żeber wynosi: 0,4 m – w środku rozpiętości oraz 0,3 m – na podporze. Żebra płyt są sprężone 5 splotami 7 ø2,5. Masa własna płyty strunobetonowej wynosi 3870 kg. Płyty strunobetonowe P opierają się z jednej strony na pasie górnym dachowych kratownic W1, z drugiej strony zaś na pasie dolnym sąsiednich dachowych kratownic W1. Podporowe marki płyt strunobetonowych P zostały przyspawane do pasów górnych i pasów dolnych kratownic W1, a wypuszczone z płyt zbrojenie ø10 i dodatkowe z pręta ø12 zalano betonem. Ponadto, znajdujące się wzdłuż krawędzi bocznych zbrojenie ø10 sąsiednich płyt połączono prętem ø12 i styk ten wypełniono betonem pachwinowym. Dach hali jest nieocieplany. Pionowe płaszczyzny dźwigarów kratowych W1 oraz ściany szczytowe są przeszklone. Należy zaznaczyć, że tarcze utworzone z dachowych płyt strunobetonowych stanowią zabezpieczenie ściskanych pasów górnych kratownic W1 przed ich wyboczeniem z płaszczyzny ustroju [2], spełniając zadanie stężenia połaciowego.

Opis uszkodzeń
Bezpośrednią przyczyną uszkodzenia hali był wybuch pieca elektrycznego [3]. W nawie A-B hali, w polach pomiędzy osiami 21 i 26 (w pobliżu ściany bocznej w osi A) jest zainstalowany piec elektryczny do wyżarzania wyrobów miedzianych w atmosferze ochronnej. W części chłodniczej piec jest obudowany stalowymi pokrywami, których masa wynosi od 160 kg do 320 kg. W wyniku wybuchu pieca (rys. 1) zostały one wyrzucone ku górze i uderzyły w strunobetonowe płyty P dachu hali. Skutkiem tego uderzenia było zniszczenie 2 przedskrajnych („drugiej” i „trzeciej” płyty od ściany bocznej), strunobetonowych płyt dachowych w polu między osiami 24 i 25, w nawie A-B (rys. 1). Uszkodzone zostało pole dachu hali o wymiarach w rzucie 4,0×12,0 m. Stalowe pokrywy obudowy pieca uderzając w żebra dachowych płyt strunobetonowych P, spowodowały „wyłupanie” betonu żeber, odsłonięcie strun sprężających płyty oraz ich przerwanie (rys. 2 i 3). Żebra płyt strunobetonowych popękały i płyty P ugięły się o około 7 cm. Uszkodzenia dwóch żeber w płycie „drugiej” i jednego żebra w płycie „trzeciej” były usytuowane w pobliżu środka rozpiętości płyt strunobetonowych (w przekrojach ich największych wytężeń). Ponadto powstały jeszcze po 2 uszkodzenia żeber, które były usytuowane w około 1/3 rozpiętości płyt strunobetonowych. Widok ogólny uszkodzeń dachowych płyt strunobetonowych P w polu między osiami 24 i 25 (w nawie A-B) pokazano na rys. 2. Na rys. 3 pokazano przerwane struny sprężające w żebrze uszkodzonej płyty dachowej P. W wyniku podmuchu fali powietrza po eksplozji zniszczone zostało zarówno przeszklenie ściany czołowej (rys. 4), której odległość od miejsca wybuchu wynosiła około 40 m, jak i ściany bocznej hali, która przylega do pieca elektrycznego. Z uwagi na zagrożenie awaryjne hali, na czas do wykonania naprawy dachu, uszkodzone płyty dachowe podstemplowano, wykorzystując w tym celu most suwnicy dwudźwigarowej (rys. 5).

REALIZACJA WZMOCNIENIA PŁYT DACHOWYCH
Wybór wariantu remontowego
W dachowych płytach strunobetonowych zniszczone zostały ich główne elementy nośne tj. żebra, w których m.in. przerwaniu uległy struny sprężające (rys. 3). Stąd, ich stan techniczny uznano za awaryjny. Z powodu niedostatecznej wytrzymałości uszkodzone płyty dachowe mogły spaść na posadzkę hali. W konsekwencji mogłoby to doprowadzić do katastrofy obiektu, gdyż dachowe płyty strunobetonowe oprócz funkcji osłonowej, spełniają zadanie stężenia dachu hali. Warunkiem dalszej bezpiecznej eksploatacji hali był pilny remont dachu. Rozpatrzono 4 warianty remontu polegające na wzmocnieniu uszkodzonych płyt bądź wymianie ich na nowe lub zastosowaniu dachu o lekkiej konstrukcji stalowej [3], [4]. Na podstawie wykonanych analiz (wytrzymałościowych, techniczno-ekonomicznych i technologicznych) badanych rozwiązań do realizacji przyjęto wariant, którego konstrukcję pokazano na rys. 6. Polegał on na wzmocnieniu uszkodzonych płyt, bez konieczności ich demontażu. W tym celu, przewidziano wprowadzenie pod uszkodzonymi płytami 2 belek głównych B (podłużnych), połączonych poprzecznie 12 belkami A oraz 3 belkami kratownicowymi K. Zadaniem tej konstrukcji jest przejęcie wytrzymałościowej funkcji uszkodzonych żeber płyt strunobetonowych. W stosunku do pozostałych analizowanych wstępnie wariantów, w zrealizowanym sposobie remontu dachu nie występowała potrzeba demontażu uszkodzonych płyt strunobetonowych i naruszania struktury usztywniającej tarczy szedowego dachu hali (która zabezpiecza przed wyboczeniem i skręceniem kratownice W1 [1], [2]), a także zagrożenie dalszą destrukcją strunobetonowych płyt podczas prac na dachu w wyniku rozkuwania i wiercenia. Dodatkowym argumentem w wyborze tego wariantu była możliwość jego realizacji bez konieczności demontażu rusztowania zabezpieczającego uszkodzone płyty dachowe. Dwuteowe belki główne B zaprojektowano z IPE 360 (rys. 6). Geometrię osi podłużnej belek B przyjęto zgodną z kształtem szedowego dachu hali. Są one połączone 2 cięgnami C (z każdej strony) do pasów górnego w osi 25 i dolnego w osi 24 dźwigarów dachowych W1. W celu realizacji tego połączenia zastosowano „podpórki kotwiące”, przyspawane do dwugałęziowych pasów dźwigarów dachowych W1. Cięgna C zaprojektowano z nagwintowanego pręta ø30 z nakrętkami (z każdej strony) umożliwiającymi regulację długości podwieszenia belek B.

Konstrukcja wzmocnienia
Konstrukcję, która bezpośrednio podpiera uszkodzone żebra płyt dachowych, tworzą belki poprzeczne A (rys. 6 i 7) oraz kratownice K (rys. 7). Ich długość wynosi 3200 mm. Pasy kratownic K i belki poprzeczne A dano z walcowanych na gorąco dwuteowników 100. Opierają się one na belkach B, w rozstawie: około 0,5 m w części środkowej oraz około 1,0 m w części przypodporowej belek B. Pod żebrami płyt strunobetonowych dano ceownik 65. Pomiędzy nimi i półką górną dwuteownika 100 zastosowano blachy-podkładki (elementy „klinujące”), których grubość dobierano indywidualnie. Po ostatecznym wyregulowaniu wzmocnienia dachu hali, blachypodkładki połączono spoinami z dwuteownikami 100. Następnie pasy kratownic K i belki A przyspawano do belek głównych B. Ponadto w strefach podporowych belek głównych B zastosowano zastrzały Z, o przekroju z kątowników 60×60×6 (które stanowią zabezpieczenie przed obrotem belek B) oraz stołeczki (które uniemożliwiają przesuw belek B). W celu zapewnienia belkom B sztywności poprzecznej, kratownice K i belki poprzeczne A połączono prętowym stężeniem ST. Widok konstrukcji wzmacniającej uszkodzony dach hali pokazano na rys. 7.

Utrudnienia montażu
Przed przystąpieniem do realizacji naprawy uszkodzonego dachu hali opracowano projekt montażu stalowej konstrukcji wzmocnienia. Istotnym utrudnieniem montażu zaprojektowanego wzmocnienia był ograniczany dostęp do naprawianej części dachu hali. Bezpośrednio po wybuchu pieca elektrycznego, w celu zapobieżenia katastrofie obiektu, uszkodzone dachowe płyty strunobetonowe zostały podstemplowane rusztowaniem o konstrukcji drewnianej. Jego słupy i pręty stężające okalające miejsce uszkodzenia dachu, ograniczały bezpośredni dostęp do naprawianej części dachu hali. Dodatkowe utrudnienie wynikało z zablokowania suwnicy, na moście której oparto rusztowanie podpierające uszkodzony dach obiektu. Stąd rozwiązania konstrukcyjne wzmocnienia i technologia naprawy dachu hali musiały uwzględniać te niekorzystne uwarunkowania.

Opis realizacji
Realizację wzmocnienia dachu rozpoczęto od wykonania pomiarów geodezyjnych położenia pasów górnych i pasów dolnych dźwigarów dachowych W1 w naprawianym polu hali, a także demontażu przeszklenia w płaszczyźnie dźwigarów W1 w osi 25 (w celu wprowadzenia zawiesia dźwigu nr 2). Stalową konstrukcję wzmocnienia podzielono na elementy wysyłkowo-montażowe w postaci pojedynczych prętów. Wykonano ją w wytwórni konstrukcji stalowych i przetransportowano na miejsce montażu. Przed montażem konstrukcji wzmocnienia wytrasowano położenia osi belek B na istniejącej konstrukcji hali (tak by nie kolidowały one z drewnianą konstrukcja rusztowania). Następnie przyspawano podpórki kotwiące (służące do zamocowania cięgien C) do pasów górnych i pasów dolnych kratownic W1. Montaż pojedynczych belek głównych B odbył się z zastosowaniem dwóch dźwigów samochodowych. Dźwig nr 1 znajdował się wewnątrz hali. W pierwszym etapie montażu, służył on do podniesienia belki B i oparcia jej jednym końcem na moście suwnicy. Belkę tę następnie przesunięto poziomo, tak by jej strefy podporowe znajdowały się pod osiami pasów kratownic W1. Dźwig nr 2 znajdował się na zewnątrz hali. Hak jego zawiesia został wprowadzony do wnętrza hali przez okno w osi 25, usytuowane w płaszczyźnie kratownicy W1. Umożliwiło to podniesienie przez dźwig nr 2 belki głównej B do poziomu pasa górnego kratownicy W1 w osi 25. Wówczas belkę B połączono cięgnami C z podpórkami przyspawanymi wcześniej do pasa górnego kratownicy W1 w osi 25. Na tym etapie montażu drugi koniec belki głównej B opierał się na dźwigarach mostu suwnicy. Do poziomu pasa dolnego kratownicy W1 w osi 24 został on podniesiony przez dźwig nr 1 (który znajdował się wewnątrz hali) i następnie połączony cięgnami C z pasem dolnym kratownicy W1 w osi 24. Po zmontowaniu belek głównych B i wyregulowania ich położenia przystąpiono do montażu, pozostałych elementów konstrukcji wzmacniającej uszkodzony dach hali.

prof. dr hab. inż. Antoni Biegus
dr inż. Dawid Mądry
Politechnika Wrocławska

Źródło: miesięcznik Builder

więcej na www.ebuilder.pl