Typowe uszkodzenia i metody napraw stropów masywnych z belkami stalowymi

Wśród stropów z belkami stalowymi i ceramicznym wypełnieniem rozróżnić należy dwa podstawowe rodzaje:

• stropy odcinkowe
• i stropy Kleina.

Jak powszechnie wiadomo, strop odcinkowy składa się z belek o przekroju dwuteowym, ułożonych w rozstawie do 2,5 m (≥ 1/3 rozpiętości belki) i murowanych sklepień zabudowanych między belkami.

Początki stosowania stropów odcinkowych należy wiązać z czasem rozpoczęcia produkcji dwuteowych belek żeliwnych. Można zatem przyjąć, że stropy takie mogły być stosowane już na przełomie XVIII i XIX w. [1].

Jednym z najstarszych znanych w kraju stropów odcinkowych są stropy tkalni w Wałbrzychu, wzniesione w 1834 r. (RYS. 1) [2].

Stropy odcinkowe zyskały bardzo dużą popularność w pierwszej połowie XIX w., do czego przyczynił się znaczny rozwój przemysłu ciężkiego.

Istotnym mankamentem tych konstrukcji jest występowanie poziomej składowej reakcji od sklepienia ceramicznego, co wymagało wykonywania masywniejszych ścian w kierunku równoległym do belek nośnych. Dlatego stropy te stosowano często do przekrywania piwnic, gdyż odpór gruntu na ściany zewnętrzne piwnic zapewnia odpowiednią stateczność ściany.

W publikacjach niemieckich z końca XIX w. [3] zaleca się nawet stosowanie ukrytych w sklepieniu stalowych ściągów, prostopadłych do belek, zabudowanych w skrajnym polu stropu (RYS. 2).

W późniejszych publikacjach [4] można znaleźć wytyczne dotyczące sytuowania ściągów nieco niżej i dwóch skrajnych polach. Podobne wytyczne podano w dawnej normie niemieckiej DIN 1053 [5].

W 1892 r. mistrz murarski J.F. Klein z Essen opatentował konstrukcję płaskiego stropu w postaci płyty ceramicznej, zbrojonej stalowymi płaskownikami. Płyty Kleina rozpowszechniły się szybko w budownictwie i w ciągu niespełna 2 lat, do 1893 r. zrealizowano ponad 614  000 m² powierzchni takich stropów [6].

Powszechnie stosowano typ lekki, półciężki i ciężki (RYS. 3-4 i RYS. 5) [7, 8]. Brak poziomej składowej reakcji umożliwiał stosowanie stropu na wyższych kondygnacjach bez dodatkowych zabezpieczeń oraz pozwolił na wykonywanie balkonów - z czego chętnie korzystano.

Oprócz wykonywania płyt ceramicznych z cegieł pełnych i dziurawek stosowano również wypełnienie w postaci różnego rodzaju elementów drążonych poziomo o kwadratowym rzucie. Przykład takiego stropu pokazano na RYS. 6 i FOT. 1–2.

Powstały również inne stropy na belkach stalowych z ceramicznym wypełnieniem (np. strop Ekscelsior), lecz nie zdobyły już tak dużej popularności [9, 10].

Typowe uszkodzenia i ich przyczyny

Główną przyczyną uszkodzeń stropów z belkami stalowymi i ceramicznym wypełnieniem jest korozja stali belek. Rzadziej uszkodzeniom ulegają ceramiczne płyty i sklepienia [11].

Najbardziej narażone na uszkodzenia są stropy zabudowane w miejscach o podwyższonej wilgotności, jak piwnice. W takich warunkach często stan dolnych półek dwuteowników jest bardzo zły.

Na FOT. 3-4 pokazano przypadki znacznych uszkodzeń korozyjnych belek. Uszkodzenia takie mogą doprowadzić do zawalenia się stropu (FOT. 5-6 i FOT. 7-8).

Duże uszkodzenia wykazują często konstrukcje balkonów. Wynika to z braku izolacji przeciwwodnej oraz braku obróbek blacharskich. Konsekwencją tego jest wnikanie wód opadowych do wnętrza konstrukcji balkonów oraz podciekanie tych wód na spód balkonów (FOT. 9-10). Wówczas występują uszkodzenia korozyjne belek stalowych oraz uszkodzenia mrozowe płyt ceramicznych.

Na FOT. 11 (patrz: zdjęcie główne) pokazano widok balkonu od spodu, w którym wystąpiły znaczne uszkodzenia korozyjne belek nośnych oraz ubytki płyty ceramicznej sięgające otworów w zastosowanej cegle dziurawce. Nakazano wykonanie natychmiastowego remontu polegającego na usunięciu posadki, oczyszczeniu, wzmocnieniu i zabezpieczeniu antykorozyjnym belek, założeniu tynków na siatce metalowej od spodu oraz wykonaniu obróbek blacharskich i nowej posadzki. Naprawy jednak nie wykonano, a po trzech latach doszło do katastrofy budowlanej - balkon uległ zawaleniu (FOT. 12-13).

Sposoby napraw

Naprawa stropów z belkami stalowymi i ceramicznym wypełnieniem wynika najczęściej z konieczności:

• zwiększenia nośności konstrukcji ze względu na projektowaną zmianę funkcji (zwiększenie obciążeń),
• przywrócenia nośności i sprawności technicznej obniżonej na skutek uszkodzeń wywołanych wpływami środowiskowymi (np. korozją), naturalnym zużyciem, błędami wykonawczymi, projektowymi i użytkowania, a także oddziaływaniami losowymi (pożar, wybuch).

Zwiększanie nośności konstrukcji wymaga zazwyczaj ingerencji od góry stropu lub podparcia belek. W wypadkach, gdy stalowe belki wykazują niewielki niedobór nośności (do ok. 20%), wystarczającym wzmocnieniem jest obetonowanie górnych stref stalowych belek (RYS. 7-8), oczywiście, jeżeli nie zostało ono już wykonane w istniejącej konstrukcji [12]. Wzmocnienie to wynika z poszerzenia strefy ściskanej, a tym samym ze zwiększenia ramienia sił wewnętrznych.

W wypadku stropów odcinkowych i Kleina bardzo dobre efekty daje wzmocnienie przez zespolenie belek stalowych z wykonaną nad nimi monolityczną płytą żelbetową [13, 14].

Płyty żelbetowe należy kształtować w taki sposób, by mogły być w pełni wykorzystane na ściskanie, a stalowa belka na rozciąganie przy maksymalnym ramieniu sił wewnętrznych.

W celu ograniczenia ugięć należy tymczasowo podeprzeć belki na okres betonownia i dojrzewania betonu. Zespolenie elementów współpracujących powinno się realizować za pomocą łączników spawanych do belki i kotwionych w betonie monolitycznym. Sposób wzmocnienia przez nadbetonowanie płyty żelbetowej pokazano na RYS. 9-10.

Wzmocnienie stropu na belkach stalowych można w prosty sposób uzyskać przez dodatkowe podparcie. Nie ma tu bowiem problemu z koniecznością dozbrojenia stref nad nowymi podporami.

W wypadku stropów ceramicznych na belkach stalowych dodatkowe podpory umieszcza się bezpośrednio pod belkami stalowymi. Mogą to być słupy na niezależnych fundamentach lub odpowiednio sztywne belki oparte na poprzecznych ścianach nośnych.

Dodatkowe podpory słupowe najlepiej projektować jako stalowe. W wypadku stosowania jako podpór np. słupów ceglanych należy brać pod uwagę możliwości skurczu i oddzielenie się słupa od podpieranej belki. Wzmacnianie przez podparcie belek stalowych stropu będzie racjonalne wówczas, gdy nośność płyt ceramicznych między belkami jest znacznie większa niż nośność belek stalowych. Z reguły tak bywa, gdy stalowe belki mają znaczną rozpiętość, a płyty ceramiczne są dobrze zbrojone.

W wypadku konieczności naprawy i przywrócenia stanu technicznego zdegradowanego przez korozję belek stalowych konieczna jest zazwyczaj ingerencja od spodu stropu. Wzmocnienie od spodu stropu jest również często wymuszone brakiem możliwości prowadzenia robót od góry, z uwagi na ciągłą eksploatację stropu.

Jeżeli stopień degradacji przekroju dolnej półki belki nie jest bardzo duży, to zazwyczaj wystarczy wykonanie dodatkowej podpory w postaci liniowej belki zabudowanej pod belkami stropowymi. Dodatkową belkę podporową można opierać na ścianach poprzecznych lub, w wypadku ich niewystarczającej nośności, na dodatkowych słupach wspartych na niezależnych fundamentach. Przykład takiej naprawy pokazano na RYS. 11 i RYS. 12 oraz FOT. 14.

Czasem zdarza się, że korozyjne uszkodzenia stalowych belek są na tyle duże, iż konieczne jest stosowanie podparcia liniowego pod każdą z belek. Wówczas belki podpierające należy oprzeć na dodatkowych słupach i fundamentach. Przykład takiego wzmocnienia pokazano na RYS. 13, RYS. 14-15 i RYS. 16 oraz FOT. 15.

Wzmocnienie wspornikowych belek nośnych balkonów prowadzi się zazwyczaj przez dospawanie blach lub kształtowników do istniejących belek. Nie zaleca się wymiany belek z uwagi na trudności zakotwienia nowych belek w istniejącym murze. Przykład wzmocnienia przez dospawanie blach do istniejącej belki pokazano na FOT. 16-17.

Podsumowanie

Stropy z belkami stalowymi i ceramicznym wypełnieniem były popularnym rozwiązaniem, szczególnie w XIX w. Istnieje wiele możliwości napraw i zwiększenia nośności tego typu rozwiązań. Każdą konstrukcję należy jednak rozpatrywać indywidualnie, a ostateczna ocena stanu powinna być poparta odpowiednimi odkrywkami i analizą obliczeniową.

Literatura

1. K. Czapliński, W. Wydra, "Gatunki stali i asortyment wyrobów w ujęciu historycznym", XXXI Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk, 24-27 lutego 2016 r., tom III, s. 559-615.
2. K. Czapliński, "Konstrukcje budowlane z danych tworzyw żelaznych", XXIII Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk, 5-8 marca 2018 r., tom I, s. 147-214.
3. G.A. Breymann, "Allgemaine Baukonstruktionslehre. Teil III. Konstruktionen in Eisen", J.M. Gebhard’s Verlag, Leipzig 1890.
4. G. Barkhausen, "Die Hochbaukonstruktionen. Handbuch für Architektur", Verlkag A. Bergsträsser, Stuttgart 1901.
5. DIN 1053, "Mauerwerk, Berechnung und Ausfürung", 1952.
6. R. Ahnert, K.H. Krause, "Typische Baukonstruktionen von 1860 bis 1960" VEB Verlag für Bauwesen, Berlin 1985.
7. Ł. Drobiec, Z. Pająk, "Stropy z drobnowymiarowych elementów", Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013.
8. Ł. Drobiec, "Rodzaje stropów stosowanych w budownictwie”, „Materiały Budowlane", nr 5/2008, s. 2-4.
9. S. Mielnicki, "Ustroje budowlane", Wydawnictwo K. Miarki i Sp. w Mikołowie, 1938.
10. T. Nicer, "Stropy płaskie w budowlach zabytkowych", "Budownictwo i Architektura", nr 5/2009, s. 85-100.
11. R. Szeląg, R, Tribiłło, "O destrukcji płaskich stropów ceglanych", "Inżynieria i Budownictwo", nr 6/2011, s. 305-307.
12. Z. Pająk, Ł. Drobiec, "Konstrukcja i obliczanie wzmocnień płaskich stropów ceramicznych", XIV Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji. Ustroń 25-27 lutego 1999 r., s. 193-208.
13. M. Górecki, D. Franczak-Balmas, "Wzmocnienie stropu Kelina w światle aktualnych norm. Budownictwo i Architektura", nr 4/2015, s. 197-205.
14. Ł. Drobiec, "Uszkodzenia i sposoby napraw balkonów oraz stropów z belkami stalowymi i murowanym wypełnieniem", Monografia Awarie Budowlane. Zapobieganie, diagnostyka, naprawy, rekonstrukcje, Wydawnictwo Uczelniane ZUT w Szczecinie 2017, s. 273-282.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!