• slide
  • slide
  • slide

Zainteresowany naszą ofertą?

Wypełnij formularz zapytaniowy

Stalowa modernizacja

Wiele budynków wzniesionych na przełomie XIX i XX wieku, a także budynków zabytkowych, straciło obecnie przydatność eksploatacyjną.

Budynki mieszkalne i biurowe przestają być przydatne ze względu na standard wyposażenia nieodpowiadający współczesnym wymaganiom użytkowników, a budynki przemysłowe – ze względu na szybko zmieniające się obecnie technologie produkcji. Jeżeli ściany nośne budynku i jego fundamenty są w dobrym stanie technicznym, to celowa jest jego modernizacja, która traktując zagadnienie ogólnie, może być realizowana dwojako:

  • pozostawienie istniejącego układu ścian nośnych i zmiany rozmieszczenia ścianek działowych, wymiany instalacji sanitarnych i elektrycznych, modernizacji układów komunikacyjnych, w tym wyposażenia budynku w dźwigi osobowe; często także nadbudowuje się kolejne kondygnacje, zwłaszcza jeżeli nie powoduje to konieczności wzmocnienia fundamentów,
  • wyburzenie całego wnętrza budynku z zachowaniem jedynie ścian zewnętrznych lub tylko ściany elewacyjnej, która niejednokrotnie ma kunsztowne elementy dekoracyjne i od lat wkomponowana jest w architekturę ulicy czy dzielnicy; jest to często rozwiązanie tańsze i mniej kłopotliwe niż wymienione w punkcie pierwszym, ponadto bywa ona wymuszona przez konserwatora zabytków. Konstrukcje stalowe w obu wymienionych sposobach modernizacji budynków mogą okazać się bardzo przydatne ze względu na swoją relatywną lekkość, wysoką wytrzymałość i łatwość łączenia z konstrukcjami murowanymi lub żelbetowymi.

Nadbudowa budynków
Bardzo duży koszt działek budowlanych, zwłaszcza w dzielnicach centralnych wielkich aglomeracji miejskich, wywołuje zainteresowanie właścicieli budynków zwiększeniem ich kubatury przez nadbudowanie kolejnych kondygnacji. W takich przypadkach realność przedsięwzięcia oraz liczba możliwych do nadbudowania kondygnacji zależy od rezerwy nośności istniejących ścian i fundamentów. Dlatego niejednokrotnie celowe jest przeanalizowanie zastosowania na nadbudowywane kondygnacje stalowego szkieletu nośnego, odbudowanego lekkimi warstwowymi płytami ściennymi i dachowymi. Jest to bowiem rozwiązanie znacznie lżejsze od konstrukcji murowanej lub żelbetowej. Takie rozwiązanie zilustrowano przykładem nadbudowy budynku murowanego o dwie kondygnacje (projekt: mgr inż. Jolanta Makader – Firma Projektowo-Wykonawcza „FORUM“, Gdańsk). Modernizowany budynek wykonywany został w końcu lat 40. XX wieku w tradycyjnej technologii murowanej. Jest on podpiwniczony, miał sześć kondygnacji nadziemnych i wymiary w rzucie 42,5 x 13,44 m. W miejscu jego lokalizacji grunt jest o dobrej nośności (piasek drobny zagęszczony i średni zagęszczony), woda gruntowa występuje na głębokości 6,0 m poniżej poziomu terenu. Fundamentem budynku jest ława żelbetowa. Układem nośnym budynku są ściany poprzeczne o zróżnicowanym rozstawie od 4,35 do 6,77 m. Grubość ścian nośnych w kondygnacji piwnicznej wynosi 78 cm, następnie od parteru do trzeciego piętra 51 cm, wyżej 38 cm. Taką samą grubość mają ściany podłużne. Stropy międzykondygnacyjne są stalowo-ceramiczne systemu Kleina, schody żelbetowe trójbiegowe. Więźba dachowa była drewniana. Obliczenia ścian nośnych i fundamentów wykazały, że można nadbudować budynek o dwie kondygnacje, nie mogą to jednak być kondygnacje ze ścianami murowanymi. Zastosowano więc następujące rozwiązanie. Dokonano rozbiórki dachu i szóstej kondygnacji – kondygnacji strychowej, zaprojektowano dwie kondygnacje użytkowe o konstrukcji nośnej złożonej z ram i belek stalowych. Strop między piątym i szóstym piętrem wykonano jako płytę betonową grubości 14 cm, opartą na belkach stalowych (I HEB240 – belki poprzeczne do bryły budynku i I HEB140 – podłużne). Stropodach ma następującą konstrukcję: blacha fałdowa T-55 x 188 D – grubości 0,75 mm ułożona na płatwiach, ocieplona styropianem, pokrytym papą klejoną do styropianu, od dołu zaprojektowano strop podwieszony do konstrukcji stalowej. Ściany zewnętrzne są z płyt warstwowych na szkielecie ryglowym z kształtowników giętych na zimno. Ramy stalowe nadbudowywanych kondygnacji zamocowano w wieńcu żelbetowym wykonanym nad stropem czwartego piętra, to jest na górnej krawędzi ścian pozostawionych w modernizowanym budynku. Wieniec ma wysokość 22,0 cm zwiększoną do 47,0 cm tylko w rejonie mocowania słupów ram. Szerokość wieńca wynosi 40,0 cm i jest zwiększona do 80,0 cm na ścianach poprzecznych, w których są kanały wentylacyjne. Wieńce wykonano z betonu B20 zbrojonego stalą 34GS. Stalowy szkielet dwóch nadbudowywanych kondygnacji wykonano ze stali S235JRG2 (St3S) i zabezpieczono przed korozją powłoką malarską. Budynek podczas wykonywania prac modernizacyjnych pokazano na rys. 1, a po modernizacji na rys. 2.

Wyburzenie wnętrza
W wielu przypadkach jest to rozwiązanie łatwiejsze niż adaptacja wnętrza budynku wymagająca wymiany lub wzmocnienia stropów, zmiany rozmieszczenia ścian wewnętrznych lub wykonania w nich nowych otworów drzwiowych, wymiany instalacji sanitarnych i elektrycznych. Ściana elewacyjna mająca charakter zabytkowy powinna być zachowana, ale przy zakresie wyburzeń obejmujących całe wnętrze budynku straci ona podparcie na stropach oraz ścianach wewnętrznych, musi więc być zabezpieczona, aby nie runęła pod wpływem obciążenia wiatrem. Przed rozpoczęciem wyburzeń ścian wewnętrznych i stropów wykonuje się więc najczęściej stalową konstrukcję podtrzymującą. Jeżeli ściana wymagająca zabezpieczenia jest niezbyt wysoka, konstrukcja podtrzymująca będzie najczęściej wykonana jako zespół stalowych kratownic, z których każda ma kształt trójkąta prostokątnego, który jedną przyprostokątną zamocowany jest w fundamencie, a drugą przyprostokątną połączony jest ze wzmacnianą ścianą za pośrednictwem krawędziaków drewnianych usytuowanych po obu stronach ściany i połączonych śrubami przeprowadzonymi przez otwory nawiercone w ścianie. Rozwiązanie takie zastosowano podczas przebudowy budynku elektrowni na salę koncertową filharmonii w Gdańsku. Budynek elektrowni ma ścianę szczytową będącą przykładem architektury przemysłowej z przełomu XIX i XX wieku. Szczególnie ozdobne są okrągłe okna (rys. 3). Połączenie konstrukcji podtrzymującej z fundamentem pokazano na rys. 4. Jeżeli ściana, którą należy zabezpieczyć na okres przebudowy (prac modernizacyjnych) budynku ma wysokość kilku kondygnacji, wówczas konstrukcja podtrzymująca ścianę musi być zaprojektowana jako zespół ram wielopiętrowych, połączonych tężnikami w dwóch płaszczyznach (rys. 5). Na stalowych ramach konstrukcji podtrzymującej można umieścić kontenery zaplecza budowy, jest to istotne nie tylko ze względu na występujące najczęściej ograniczenie powierzchni placu budowy, lecz także poprawi stateczność konstrukcji podtrzymującej. Początkowy etap montażu nowego szkieletu wewnątrz modernizowanego budynku pokazano na rys. 6.

Oryginalna modernizacja przedawaryjna
Szesnastowieczny ratusz w Morawskiej Trzebowie jest budowlą murowaną, zabezpieczenie go przed katastrofą budowlaną wykonano stosując stalowe słupy (z okładziną z piaskowca) w miejscu zagrożonych filarów murowanych, podtrzymujących sklepienia ceglane [1]. Ratusz jest budowlą dwupiętrową trójtraktową. Na parterze w części budynku znajduje się sala zebrań o wymiarach 9 x 12 m. W środku tej sali sześciokątny filar z piaskowca podtrzymywał ceglane sklepienie krzyżowe. Na pierwszym piętrze analogiczny filar umieszczony był niewspółosiowo z filarem na parterze – mimośród wynosił 16 cm. W latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku stan techniczny ratusza kwalifikował go do rozbiórki. Sklepienie ceglane w niektórych pomieszczeniach groziły zawaleniem, dlatego na parterze oraz pierwszym piętrze musiano je podeprzeć wewnętrznymi ścianami z cegły. Ściany zewnętrzne od strony rynku miejscami były wybrzuszone do 30 cm. Filar podtrzymujący sklepienie sali zebrań na parterze był wychylony z pionu o 3,0 cm, co przy jego wysokości 1,75 m stanowiło ok. 1,7%; znajdujący się nad nim filar na pierwszym piętrze był wychylony o 2,0 cm. Mimośrodowe usytuowanie obu filarów powodowało, że ekstremalne naprężenia w przekroju poprzecznym dolnego filara wynosiły s1 = -9,19 MPa oraz s2 = + 0,64 MPa. Początkowo oceniono, że nie będzie można uratować tej historycznej budowli, ale po wnikliwej analizie postanowiono podjąć ryzyko rekonstrukcji. Głównym jej elementem była wymiana filarów podpierających sklepienia krzyżowe na parterze i pierwszym piętrze. Założono, że musi się to odbyć bez uszkodzenia zabytkowych sklepień ceglanych. Prace rekonstrukcyjne rozpoczęto od odciążenia sklepień przez usunięcie z nich gruzu o objętości ok. 788 m3, co przy średnim jego ciężarze objętościowym 15,85 kN/cm3 dawało łączną masę 1250 t. Na ścianach zewnętrznych wykonano ruszt z ceowników stalowych 260 mm i kabli, z których każdy złożony był z 11 drutów Ø 4,5 mm. Kable umieszczone były na poziomie stropów. Przebiegały w dwóch prostopadłych do siebie kierunkach, wiążąc zarówno ściany podłużne, jak i szczytowe. Następnie wzmocniono sklepienia przez nadbetonowanie na nich od strony zewnętrznej powłoki o grubości 4 cm, zbrojonej siatką z prętów Ø 6 mm, co 25 cm. Siatka ta została przed zabetonowaniem powiązana ze sklepieniem ceglanym w odstępie co 25-30 cm uchwytami z prętów Ø 6 mm. Po tych pracach przygotowawczych przystąpiono do wymiany filarów sklepień. Obok istniejących filarów wymurowano na zaprawie cementowej słupki z cegły, na których oparto dźwigniki hydrauliczne. Aby reakcję ze sklepienia przekazać na dźwigniki, należało u spodu sklepień wykonać opaski z blach i kształtowników stalowych, które połączone zostały z ramą z dwuteowników 240 mm na pierwszym piętrze i dwuteowników 300 mm na parterze. Ramy te, odpowiednio usztywnione, spoczywały na tłokach dźwigników hydraulicznych. Przyjęto, że wyburzenie istniejących filarów odbywać się będzie przy lekkim uniesieniu sklepień krzyżowych o ok. 10 mm, co spowoduje sprężenie sklepień. Operacja wymiany filarów przebiega w czterech etapach (rys. 7): • I etap – prace przygotowawcze (omówione powyżej) oraz wzmocnienie ściany w piwnicy pod słupkiem, na którym oparty miał być dźwignik hydrauliczny. • II etap – uniesienie o 7,53 mm sklepienia nad pierwszym piętrem i wymiana filara o konstrukcji murowej na stalowy rurowy. Siła potrzebna do podniesienia sklepienia wynosiła 760 kN. Wyburzenie filara z piaskowca trwało 2 h, a montaż słupa stalowego do momentu opuszczenia tłoków dźwigników hydraulicznych podpierających sklepienie – 10 h. • III etap – uniesienie o 11,03 mm sklepienia nad parterem i wymiana filarów. Siła wywierana podczas podnoszenia sklepienia przez dźwigniki hydrauliczne wynosiła 1680 kN. Wymiana filarów trwała 5 h dzięki oparciu słupa stalowego na wcześniej wykonanym fundamencie żelbetowym, co nie było możliwe przy posadowieniu słupa stalowego na pierwszym piętrze. • IV etap – rozbiórka konstrukcji pomocniczych i wykonanie okładziny z piaskowca na słupach stalowych. Konstrukcja słupa stalowego, którym zastąpiono słup murowany podtrzymujący sklepienie pokazane jest na rys. 8. Dzięki doskonale przemyślanym i sprawnie zrealizowanym pracom rekonstrukcyjnym ratusz jest nadal obiektem reprezentacyjnym, a niezorientowani w przebiegu prac rekonstrukcyjnych nie są w stanie dostrzec, że filary podtrzymujące sklepienia są słupami stalowymi, wbudowanymi cztery wieki później po wzniesieniu ratusza.

Modernizacja budynków przemysłowych
Decyzja o modernizacji budynku przemysłowego lub przeniesienia całego zakładu na nową lokalizację powinna być podjęta po przeprowadzeniu studium opłacalności takiego przedsięwzięcia. Można jednak stwierdzić, że podjęta w odpowiednim momencie decyzja o modernizacji obiektu z reguły pozwala na znaczne oszczędności gospodarcze – pozwala często na prowadzenie w sposób nieprzerwany (a jedynie ograniczony) eksploatacji obiektu oraz na uniknięcie start wynikających ze zmiany lokalizacji obiektu. W niektórych przypadkach nie istnieje wręcz możliwość rozbiórki obiektu albo ze względu na jego zabytkowy charakter, albo ze względu na jego funkcjonalne powiązanie z innymi obiektami, albo z powodu braku odpowiedniej lokalizacji. Ponadto współczesne zakłady przemysłowe rozrastają się często do tak dużych rozmiarów, że przenoszenie ich w wyniku zużycia najstarszych z ich obiektów byłoby przedsięwzięciem nierealnym nawet w najbogatszych krajach. Modernizacja obiektów budowlanych będzie więc w przyszłości nabierać coraz większego znaczenia gospodarczego. W szczególności przydatne do modernizacji są obiekty budowlane i konstrukcje inżynierskie zrealizowane w konstrukcji stalowej, a to ze względu na łatwość wykonywania wzmocnień i przebudowy, wynikającą z technicznych właściwości stali. Przykładem takiego obiektu jest hala wielonawowa w jednym z zakładów przemysłu metalowego. Powstała konieczność zwiększenia rozpiętości jednej z naw z 24,00 m do 28,30 m. Omawiany obiekt, wybudowany w latach czterdziestych XX wieku, składał się z kilku naw o siatce słupów 12,00 x 12,00 m. Rygle ram nośnych hali były wykonane z I 500 mm jako elementy jednoprzęsłowe o osi zakrzywionej, słupy były utwierdzone w fundamentach i przegubowo połączone z ryglem. Około 1950 r. hale przebudowano, zwiększając rozpiętość jednej nawy do 24,00 m; wymagało to połączenia rygli dwu naw po odpowiednim ich wzmocnieniu, usunięcia słupa między łączonymi nawami oraz wymiany słupów skrajnych (rys. 9). Po około 30 latach zaistniała konieczność kolejnej przebudowy hali, tzn. zwiększenia do 28,30 m rozpiętości nawy poszerzonej już uprzednio. Opracowano bardzo oryginalną koncepcję modernizacji [2]. Można wydzielić sześć jej etapów, z których trzy główne przedstawione są na rys. 10: • I etap – odciążenie rygla i sprężenie go trzema dźwignikami hydraulicznymi, dzięki czemu zmienił się znak sił przekrojowych w ryglu modernizowanej nawy, • II etap – dospawanie dodatkowych blachownic o kształcie trójkątnym (od strony zewnętrznej – nad pokryciem dachowym), co wprowadziło ciągłość rygli w trzech sąsiednich nawach, • III etap – utworzenie nowego układu ramowego przez zamontowanie nowego słupa i zespawanie go z ryglami istniejących konstrukcji oraz usztywnienie tego połączenia przez dospawanie blachownicy od dołu rygla, • IV etap – podklinowanie podstawy nowego słupa, dokręcenie śrub kotwiących oraz wypełnienie betonem przestrzeni między podstawą słupa a powierzchnią stopy fundamentowej, • V etap – demontaż starego słupa w osi B, • VI etap – usunięcie dźwigników hydraulicznych, wywierających nacisk na rygiel ramy. Przebudowa (modernizacja) omawianej hali trwała 12 dni; okres ten nie obejmuje wykonawstwa nowych stóp fundamentowych oraz warsztatowego wykonawstwa nowych słupów. Prace modernizacyjne przeprowadzono bez demontażu pokrycia dachowego.

Literatura: [1] Cigąnek F.: Použiti predpinceci techniky pri rekonstrukci radnice w Moravské Trebové. Inženyrskie stavby nr 10/1958 [2] Łańczak W., Penno M.: Zwiększenie rozpiętości naw w halach o konstrukcji stalowej. Inżynieria i Budownictwo nr 11-12/1982.

prof. dr hab. inż. Jerzy Ziółko
Politechnika Gdańska Katedra Konstrukcji Metalowych

award1.jpg

Zrealizowaliśmy ponad 300 obiektów na terenie Polski. Obecnie zwiększyliśmy zasięg działania o nowe kraje UE.

award2.jpg

Nasi projektanci i inżynierowie opracowali ponad 450 projektów różnego rodzaju nieruchomości.

award3.jpg

Drewno, jako odnawialne źródło energii pochodzące ze zrównoważonego zarządzania lasami, tworzy fundament naszych realizacji.

Medale

Wyrażam zgodę na przetwarzanie moich danych osobowych dla realizacji celów i na zasadach określonych w Polityce prywatności

Wyrażam zgodę