Ściany osłonowe a bezpieczeństwo budynków wielkopłytowych

Podział ścian budynków wielkopłytowych na konstrukcyjne i niekonstrukcyjne (osłonowe) jest umowny.

W rzeczywistości ściany osłonowe są umonolitycznione w złączach ze ścianami nośnymi, a w związku z tym współpracują przy przenoszeniu obciążenia i wpływają na sztywność konstrukcji (na usztywnienie pionowej krawędzi poprzecznej ściany nośnej W) oraz na sztywność przestrzenną budynku.

Współpraca ścian osłonowych z konstrukcją budynku

W budynkach wielkopłytowych realizowanych w systemie W-70 dolna krawędź warstwy nośnej ściany osłonowej ZWO oparta jest na stropie, a krawędź górna jest od niego oddylatowana (rys. 1).

Krawędzie pionowe na wysokości jednej kondygnacji są monolitycznie połączone ze ścianą nośną wewnętrzną w złączu ZWO-W-ZWO (rys. 2), a ze ścianą zewnętrzną w złączu ZWS-ZWO.

Zbrojenie wypuszczone z warstwy konstrukcyjnej ściany ZWO połączone jest klamrami ze zbrojeniem wypuszczonym ze ściany nośnej i dodatkowo zbrojone pionową siatką.

Złącza ZWO-W-ZWO tworzą więc połączenie konstrukcyjne ściany nośnej W i warstwy nośnej ściany osłonowej ZWO.

Warstwa nośna ściany osłonowej ZWO jest statycznie tarczą, przenoszącą ciężar własny, ciężar warstwy izolacyjnej i fakturowej oraz obciążenia poziome od parcia wiatru. W fazie montażowej obciążenia te przekazywane są na strop przez dwie śruby rektyfikacyjne.

W fazie eksploatacyjnej po zadziałaniu obciążenia stałego (ciężaru warstw podłogowych i ścianek działowych) oraz obciążenia użytkowego na skutek ugięcia płyty stropowej, której sztywność na zginanie w kierunku pionowym jest znacznie niższa niż tarczy (warstwy nośnej ściany ZWO), przekaz obciążeń następuje praktycznie przez złącza pionowe.

Ściany ZWO między poprzecznymi ścianami nośnymi stanowią zatem w fazie eksploatacyjnej konstrukcyjnie pasmo składające się z tarcz zdylatowanych pod stropem każdej kondygnacji i zamocowanych w złączach ZWO-W-ZWO (rys. 3).

Przykładowe skutki błędów wykonawczych

Badania dotyczące naprawy i wzmacniania budynków z wielkiej płyty [2] oraz uszkodzeń złączy w ścianach osłonowych tego typu obiektów [3] wskazują, że istnieją przypadki wad wykonawczych wpływających na zmianę schematu statycznego konstrukcji. Skutkują one m.in. zarysowaniami w złączach ZWO-W-ZWO (rys. 4, fot. 1–5).

Rysy te zmieniają pierwotne warunki konstrukcyjne na krawędziach pionowych i znacznie zaniżają sztywność połączeń, co w pewnym stopniu sprowadza konstrukcję nośną budynku do założeń projektowych, w których ściany ZWO nie były uwzględniane w obliczeniach statycznych w aspekcie innym niż obciążenie konstrukcji.

Do zmiany schematu statycznego dochodzi również wskutek wypełnienia zaprawą cementową szczeliny dylatacyjnej między górną krawędzią ściany ZWO i dolną powierzchnią płyty stropowej, wykonywanego przez mieszkańców podczas remontów prowadzonych we własnym zakresie.

Znane są także przypadki wypełniania szczeliny dylatacyjną metodą iniekcji, zgodnie z zaleceniami niektórych rzeczoznawców. Konsekwencją takich działań jest przekazanie obciążenia z płyty stropowej (ciężaru warstw podłogowych i ścianek działowych oraz obciążeń użytkowych) na górną krawędź nośnej warstwy ściany ZWO, co skutkuje uszkodzeniami w strefie nadproża okien z jednoczesnym wypchnięciem ściany na zewnątrz budynku (fot. 6–10).

Rola ścian ZWO w sztywności przestrzennej budynku

Na podstawie autorskich modeli komputerowych przedstawiono wstępne wyniki analizy wpływu uszkodzeń złączy ZWO-W-ZWO na redystrybucję naprężeń. Porównano wartości naprężeń w elementach konstrukcji budynku wielkopłytowego zbudowanego w systemie W-70 z uwzględnieniem współpracy ścian ZWO z zasadniczą konstrukcją budynku i bez tego uwzględnienia, co w przybliżeniu odwzorowuje strukturalne zarysowania w pionowych złączach ZWO-W-ZWO (fot. 1–5). Analizę wykonano na podstawie zintegrowanego schematu ustroju przestrzennego.

Zbudowano dwa modele typowego 11-kondygnacyjnego budynku dwuklatkowego o rzucie jak na rys. 5: model odwzorowujący konstrukcję budynku z prawidłowo funkcjonującymi złączami ZWO-W-ZWO oraz model budynku, w którym nastąpiło strukturalne uszkodzenie złączy. W pierwszym modelu poza konstrukcją nośną wprowadzono ściany osłonowe, w drugim natomiast ściany osłonowe zastąpiono obciążeniem zastępczym przekazywanym na ściany nośne.

Obliczenia przeprowadzono metodą elementów skończonych z zastosowaniem dwuwymiarowych elementów płytowo­‑tarczowych w oparciu o statykę liniową. W modelach uwzględniono redukcję sztywności złączy elementów prefabrykowanych na podstawie wytycznych zawartych w pracy „Budynki wznoszone metodami uprzemysłowionymi” [4]. Modele obciążono kombinacjami obciążeń obliczeniowych obejmującymi obciążenia stałe, użytkowe i oddziaływanie wiatru (strefa 1, kategoria terenu IV według normy PN-EN 1991-1­‑4:2008 [5]). Na rys. 6 przedstawiono model komputerowy budynku ze ścianami ZWO.

Na rys. 7–8 przedstawiono wyniki obliczeń głównych naprężeń rozciągających w warstwie nośnej najbardziej wytężonej ściany ZWO. Rys. 7 przedstawia mapę naprężeń od obciążeń stałych (ciężar warstwy nośnej, ciężar warstwy izolacyjnej i fakturowej oraz obciążenia pionowego redystrybuowanego ze ścian poprzecznych).

Na rys. 8 przedstawiono natomiast mapę naprężeń powstałych po dodatkowym obciążeniu wiatrem w kierunku równoległym do analizowanej ściany. Można na niej zaobserwować wzrost naprężeń rozciągających (zwłaszcza w dolnych narożach otworów okiennych) spowodowany współpracą przestrzenną ściany ZWO z konstrukcją nośną przy przeciwstawianiu się obciążeniu poziomemu, co w razie wadliwego zbrojenia wokół otworu okiennego może skutkować powstaniem zarysowania (fot. 11). W analizowanym przypadku naprężenia rozciągające w prawym dolnym narożu otworu okiennego w kombinacji obciążeń zawierającej oddziaływanie wiatru w kierunku równoległym do przedmiotowej ściany są większe o ok. 40%.

Na rys. 9–10 przedstawiono mapy głównych naprężeń rozciągających w najbardziej wytężonej strefie nadproża ściany usztywniającej podłużnej (oznaczonej liczbą 2 na rys. 6), należącej do zasadniczego zespołu usztywniającego. Na rysunku rys. 9 przedstawiono wartości maksymalnych naprężeń rozciągających modelu uwzględniającego współpracę ścian ZWO, a na rys. 10 – modelu bez ścian ZWO.

Jeśli porówna się wartości maksymalnych naprężeń rozciągających w strefie naroża otworu drzwiowego występujące w tych dwóch różnych modelach, można zaobserwować, że w modelu zawierającym współpracujące ściany ZWO wartości naprężeń są o ok. 15% niższe.

Wyniki tej analizy wskazują, że współpraca ścian ZWO ze ścianami nośnymi wpływa korzystnie na redystrybucję naprężeń, co najlepiej widać w strefach koncentracji naprężeń w ścianie usztywniającej. W miejscach tych istnieje także ryzyko pojawienia się zarysowania, np. w przypadku wadliwe ułożonego zbrojenia wokół otworu drzwiowego (fot. 12).

Wpływ ścian osłonowych na wielkość naprężeń ściskających w kierunku pionowym porównano w odniesieniu do pasma ściany szczytowej (oznaczonego liczbą 3 na rys. 6). Pasmo to zostało wybrane ze względu na największy wpływ oddziaływania wiatru na wartości tych naprężeń.

Wartości naprężeń ściskających wywołanych działaniem wiatru w przypadku uwzględnienia ścian ZWO są niższe o ok. 25% niż w przypadku nieuwzględnienia ich współpracy z konstrukcją nośną. Jeśli natomiast uwzględni się kombinację obciążeń stałych i użytkowych oraz obciążenie wiatrem, w obu modelach wartości maksymalnych naprężeń ściskających okażą się praktycznie takie same (przy uwzględnieniu współpracy ścian ZWO – mniejsze zaledwie o ok. 2% niż w modelu nieuwzględniającym ścian ZWO).

Wyniki analizy dowodzą, że w przypadku prawidłowo funkcjonujących złączy możliwy jest korzystny wpływ ścian ZWO na sztywność przestrzenną budynku oraz na redukcję naprężeń od obciążeń poziomych generowanych przez wiatr. O wytężeniu elementów nośnych decydują jednak obciążenia pionowe.

Ze względu na wysoką sztywność przestrzenną budynków wielkopłytowych na działanie sił poziomych od wiatru udział ścian ZWO w pracy konstrukcji nie jest konieczny, a redukcja naprężeń poza strefami koncentracji naprężeń jest niezauważalna. Skutki wad wykonawczych w postaci rys strukturalnych w złączach pionowych ZWO-W-ZWO (fot. 1–5) uniemożliwiają współpracę przestrzenną tych ścian, ale nie są niebezpieczne dla konstrukcji budynku wielkopłytowego. Wymagają tylko miejscowej naprawy [2].

Należy natomiast stwierdzić, że uszkodzenia w złączach spowodowane wadami eksploatacyjnymi (fot. 6–10) zagrażają bezpieczeństwu ze względu na rozszczelnienie złączy i ryzyko wypchnięcia płyty ZWO na zewnątrz. Takie sytuacje wymagają napraw i skutecznego zamocowania warstwy nośnej ściany ZWO, np. mechanicznego kotwienia do ścian nośnych W [2].

Rola ścian ZWO w usztywnieniu krawędzi ścian nośnych

Zmienność nośności betonowej ściany nośnej W budynku systemu W-70 przeanalizowano w zależności od warunków jej usztywnienia z uwzględnieniem wytycznych normy PN-EN 1992-1-1:2008 [6] dotyczących stanu granicznego nośności konstrukcji betonowych niezbrojonych.

Grubość ściany nośnej wynosiła 15 cm, wysokość w świetle stropów – 258 cm. Założono mimośród przekazywania obciążeń ściskających etot = 20 mm.

Przyjęto, że ściany ZWO można uznawać za ściany usztywniające. Elementy te spełniają bowiem wymagania pkt 12.6.5.1 normy PN­‑EN 1992-1-1:2008 [6]: grubość warstwy nośnej ściany ZWO (usztywniającej) wynosi 8 cm, jest większa niż połowa 15 cm grubości usztywnianej ściany nośnej W, ściana usztywniająca ma taką samą wysokość jak usztywniana ściana nośna W, otwory w ścianach ZWO znajdują się poza długością ściany równą 1/5 wysokości w świetle usztywnianej ściany W.

Są też zgodne z definicją podaną w opracowaniu „Konstrukcje budynków z prefabrykatów wielkopłytowych. Zasady projektowania z przykładami obliczeń” [7], według której ścianą usztywniającą może być również ściana zawieszona na ścianach nośnych, jeżeli jej konstrukcja spełnia wymagania ogólne stawiane ścianom konstrukcyjnym i ich połączeniu z resztą budynku.

Na rys. 11 przedstawiono zmienność współczynnika j redukującego nośność ściany W w zależności od jej szerokości. W przypadku ścian z wymienionymi parametrami, usztywnionych jedynie wzdłuż poziomych krawędzi przez stropy (bez usztywnionych krawędzi pionowych), współczynnik j przyjmuje wartość 0,49.

Maksymalna dopuszczalna wartość współczynnika j przy uwzględnieniu usztywnienia krawędzi pionowych wynosi natomiast 0,73, co stanowi wartość większą o ok. 50%. Wartość współczynnika j w zakresie od 0,49 do 0,73 zmienia się w zależności od rozpatrywanej szerokości usztywnianej ściany w porównaniu z wysokością usztywnionej krawędzi.

Na rys. 12 przedstawiono nośność ściany W obliczoną przy założeniu zastosowania betonu klasy C12/15. Z wykresu wynika, że wpływ usztywnienia krawędzi pionowej na nośność ściany jest największy w przypadku przykrawędziowych pasm ściany W o szer. do ok. 0,6 m (ok. 50%). Powyżej tej szerokości wpływ usztywnienia znacząco maleje (w odniesieniu do 1 m wynosi ok. 30%, w odniesieniu do 2 m – ok. 11%, a w przypadku 3 m – ok. 5%), co wynika ze zmienności współczynnika j.

Podsumowanie

Przedstawiona analiza teoretyczna potwierdza, że współpraca ścian osłonowych ZWO z konstrukcją nośną budynków wielkopłytowych wybudowanych w systemie W-70 nie jest istotna w zachowaniu bezpieczeństwa konstrukcji nośnej.

Maksymalne naprężenia ściskające w ścianach nośnych w analizowanym 11-kondygnacyjnym budynku (rys. 5) przy kombinacji obciążeń stałych i użytkowych oraz obciążenia wiatrem są praktycznie takie same w odniesieniu do przestrzennego modelu komputerowego ze ścianami osłonowymi i modelu bez ścian osłonowych.

W analizowanej ścianie szczytowej budynku naprężenia te są przy uwzględnieniu współpracy ścian ZWO mniejsze zaledwie o ok. 2% niż w modelu nieuwzględniającym ścian ZWO. Można zatem przyjąć, że w przypadku budynków z wadami wykonawczymi, których skutkiem są zarysowania w złączach pionowych ZWO-W-ZWO (fot. 1–5), nie ma zagrożenia bezpieczeństwa w odniesieniu do konstrukcji nośnej budynku wielkopłytowego.

Uszkodzenia te wymagają tylko miejscowej naprawy i zapewnienia wymagań eksploatacyjnych [2].

Należy jednak zwrócić uwagę, że analiza obliczeniowa komputerowego modelu budynku wielkopłytowego, w którym uwzględniono współpracę ścian osłonowych z nośnymi (budynek wykonany zgodnie z założeniami technologicznymi), wykazała, że w warstwie ściany nośnej ZWO występuje koncentracja naprężeń rozciągających w strefie dolnych naroży okien (rys. 7–8), co w razie niewłaściwie ułożonego zbrojenia na obwodzie okna może być przyczyną powstania zarysowań.

Podobna koncentracja naprężeń rozciągających występuje w narożach otworów drzwiowych (rys. 9–10), gdzie z kolei wzrost naprężeń jest spowodowany brakiem współpracy ścian ZWO ze ścianami nośnymi. Zarysowania w ścianach ZWO (fot. 11) oraz w ścianach nośnych (fot. 12) nie świadczą jednak o zagrożeniu bezpieczeństwa konstrukcji nośnej.

Uszkodzenia w strefie nadproża okien z jednoczesnym wypchnięciem ściany ZWO na zewnątrz budynku (fot. 6–10) również nie stanowią zagrożenia bezpieczeństwa konstrukcji nośnej budynku, powodują jednak rozszczelnienie złączy. Takie sytuacje wymagają naprawy i skutecznego zamocowania warstwy nośnej ściany ZWO, np. przez mechaniczne kotwienie do ścian nośnych W [2].

Stopień współpracy ścian ZWO i ścian nośnych w umonolitycznionym złączu pionowym ZWO-W-ZWO ma istotne znaczenie, jeśli planowane jest wykonywanie nowego otworu drzwiowego w ścianie W [9]. Usztywnienie krawędzi ściany W przez ścianę ZWO może mieć wówczas korzystny wpływ na nośność pasma ściany W. Wpływ ten jest tym większy, im bliżej krawędzi zewnętrznej ściany W wykonywany jest otwór. Usztywnienie krawędzi ściany W przez ścianę ZWO można jednakże uwzględniać jedynie w sytuacji prawidłowego stanu złącza ZWO-W-ZWO.

Należy także pamiętać o potencjalnym zagrożeniu bezpieczeństwa wynikającym z ryzyka odpadania niekonstrukcyjnej warstwy fakturowej płyty ściennej na skutek wad strukturalnych stali użytej do produkcji wieszaków łączących warstwę zewnętrzną płyty z jej warstwą nośną, a także z wadliwego ich rozmieszczenia lub zakotwienia [8].

Literatura

1. Z. Dzierżewicz, W. Starosolski, „Systemy budownictwa wielkopłytowego w Polsce w latach 1970–1985. Przegląd rozwiązań materiałowych, technologicznych i konstrukcyjnych”, Wolters Kluwer Polska, Warszawa 2010.
2. W. Ligęza, „Naprawa i wzmacnianie budynków z wielkiej płyty”, XXI Ogólnopolska Konferencja „Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji”, t. II, Ustroń 2006, s. 217–259.
3. W. Ligęza, M. Płachecki, „Uszkodzenia złączy w ścianach osłonowych budynków wielkopłytowych”, „Inżynieria i Budownictwo”, nr 4/5/2000, s. 204–208.
4. B. Lewicki i in., „Budynki wznoszone metodami uprzemysłowionymi”, Arkady, Warszawa 1979.
5. PN-EN 1991-1-4:2008, „Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-4: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania wiatru”.
6. PN-EN 1992-1-1:2008, „Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków”.
7. B. Lewicki, J. Bielawski, J. Sieczkowski, „Konstrukcje budynków z prefabrykatów wielkopłytowych. Zasady projektowania z przykładami obliczeń”, Centralny Ośrodek Badawczo-Projektowy Budownictwa Ogólnego, Warszawa 1993.
8. A. Zybura, T. Jaśnio, „Zagadnienia remontowe warstwy fakturowej ścian trójwarstwowych”, XXI Ogólnopolska Konferencja „Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji”, t. III, Polski Związek Inżynierów i Techników Budownictwa, Gliwice 2006, s. 287–352.
9. M. Kołaczkowski, W. Ligęza, „Aspekty konstrukcyjne modernizacji funkcjonalnej budynków wielkopłytowych”, [w:] „Budownictwo ogólne”, Wydawnictwo Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno­‑Przyrodniczego, Bydgoszcz 2013, s. 143–150.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!