Diagnostyka techniczna budynku wielkopłytowego

Do oceny budynków wielkopłytowych metoda wizualna jest niewystarczająca, ponieważ nie pozwala na dokonanie oceny stanu połączeń prefabrykatów (tzw. złączy) albo stanu wieszaków w ścianach zewnętrznych wielowarstwowych. Specyfika budownictwa wielkopłytowego, a zwłaszcza wpływ jakości złączy na stan bezpieczeństwa tego typu konstrukcji oraz konieczność zapewnienia ich bezpiecznego użytkowania wymagają zastosowania bardziej efektywnych sposobów i metod oceny ich stanu technicznego.

Budynki te są użytkowane (stanowią podstawowy składnik zasobów mieszkaniowych w Polsce), a więc, z uwagi na aspekty społeczne i psychologiczne, optymalne wydaje się wykorzystanie metod nieniszczących.

Jakie metody nieniszczące mogą ułatwić przeprowadzenie profesjonalnej i obiektywnej oceny stanu technicznego budynków wielkopłytowych? Przedstawiamy także wyniki jednego z badań nieniszczących wykonane w budynku wielkopłytowym.

Okresowa kontrola budynków według przepisów

Ustawa Prawo budowlane [1] nakłada na właściciela lub użytkownika budynku obowiązek utrzymywania obiektu w należytym stanie technicznym.

Według art. 61 właściciel lub zarządca obiektu budowlanego jest obowiązany utrzymywać i użytkować obiekt zgodnie z zasadami, o których mowa w art. 5 ust. 2 ustawy [1], tzn. użytkować go zgodnie z jego przeznaczeniem i wymaganiami ochrony środowiska oraz utrzymywać go w należytym stanie technicznym i estetycznym.

W art. 62 ust.1 pkt 1 ustawy [1] napisano, że obiekty budowlane powinny być w czasie użytkowania poddawane przez właściciela lub zarządcę okresowej kontroli co najmniej raz w roku.

Ocena ta polega na sprawdzeniu:

• stanu technicznego elementów budynku, budowli i instalacji narażonych na szkodliwe wpływy atmosferyczne i niszczące działania czynników występujących podczas użytkowania obiektu,
• instalacji i urządzeń służących ochronie środowiska,
• instalacji gazowych oraz przewodów kominowych.

Art. 62 ust. 1 pkt 2 Prawa budowlanego [1] stanowi, iż przeprowadzanie okresowej kontroli polegającej na sprawdzeniu stanu technicznego, wartości użytkowej i estetyki całego obiektu budowlanego wymagane jest co najmniej raz na 5 lat. Badania mają umożliwić ustalenie pozostałego jeszcze okresu użytkowania obiektu.

Podstawowe cechy budownictwa wielkopłytowego

W latach 50. XX w. w Polsce pojawiło się budownictwo uprzemysłowione: wielkoblokowe i wielkopłytowe.  

Budownictwo wielkoblokowe polegało na zastosowaniu ścian zewnętrznych składających się z bloków międzyokiennych nośnych i podokiennych wypełniających oraz elementów nadproży.

Budownictwo wielkopłytowe charakteryzowało się natomiast ścianami zewnętrznymi składającymi się z płyt o wymiarach odpowiadających wymiarom ściany pomieszczenia, które obudowywały (rys. 1–2).

Konstrukcje wielkoblokowe i wielkopłytowe zaczęto powszechnie stosować w budownictwie mieszkaniowym, przy czym dominowało budownictwo wielkopłytowe. Obecnie oba systemy określa się jedną nazwą: budownictwo wielkopłytowe.

Specyfika konstrukcji

Konstrukcja budynku wielkopłytowego składała się ze ścian nośnych (konstrukcyjnych), stropów i fundamentów. W zależności od kierunku usytuowania ścian nośnych w stosunku do osi podłużnej budynku rozróżnia się trzy podstawowe układy konstrukcyjne:

• podłużny, charakteryzujący się tym, że ściany nośne są równoległe do podłużnej osi budynku, a stropy są rozpięte prostopadle do tych osi; w tym układzie sztywność przestrzenną zapewniają ściany nośne podłużne (w kierunku podłużnym) oraz poprzeczne ściany ograniczające klatki schodowe (w kierunku poprzecznym) i stropy;
• poprzeczny, charakteryzujący się tym, że ściany nośne są prostopadłe do osi podłużnej budynku, a stropy rozpięte równolegle do tej osi; w układzie tym sztywność poprzeczną zapewniają ściany nośne poprzeczne, ściany usztywniające usytuowane w kierunku podłużnym oraz stropy;
• mieszany, który charakteryzuje się tym, że ma ściany nośne zarówno równoległe, jak i prostopadłe do podłużnej osi budynku, stropy oparte są na całym obwodzie i zbrojone krzyżowo; w tym układzie sztywność przestrzenną zapewnia dwukierunkowy układ ścian nośnych wraz ze stropami.

Ściany i stropy w budynkach wielkopłytowych stanowią sztywne tarcze pionowe i poziome wzajemnie powiązane w poziomie stropów, co pozwala na zintegrowanie przestrzenne całego ustroju nośnego budynku (rys. 3–5).

Podstawową cechą konstrukcji budynków wielkopłytowych, odróżniającą je od innych rodzajów budynków ze ścianami nośnymi, są złącza między prefabrykowanymi płytami ściennymi i stropowymi. Złącza te są newralgicznym punktem – łatwo w nim o mankamenty projektowe i wykonawcze.

Istotną cechą jest ponadto szczególnie duża rola wieńców żelbetowych obiegających ściany konstrukcyjne w poziomie stropów, w których zakotwione jest zbrojenie podporowe stropów.

Budynki mieszkalne wykonane metodami uprzemysłowionymi, a w szczególności w technologii wielkopłytowej, różnią się od budynków tradycyjnych. Różnice te mają następujące podstawy:

• rodzaj zastosowanych materiałów i ich zestawienie odbiegało istotnie od wcześniejszych rozwiązań,
• wymiary elementów składowych oraz sposób ich produkcji wyraźnie różniły się od dotychczas stosowanych,
• połączenie elementów (złącza) i technologie montażu budynków nie miały w przeszłości odpowiedników.

Wymienione różnice muszą się przekładać na specyfikę konserwacji, napraw oraz modernizacji takich obiektów.

Rodzaje uszkodzeń

Uszkodzenia budynków wielkopłytowych można podzielić na dwie zasadnicze grupy [3]:

• grupa I – uszkodzenia typowe występujące w każdym rodzaju budynku, niezależnie od zastosowanej technologii, użytych materiałów itp.; obejmują elementy wykończenia budynku, pokrycia dachów, obróbki blacharskie, izolacje przeciwwilgociowe lub/i izolacje przeciwwodne;
• grupa II – wady i uszkodzenia charakterystyczne dla budownictwa wielkopłytowego, wynikające z zastosowanych materiałów, rodzajów elementów prefabrykowanych, rodzajów złączy itp. Wady i uszkodzenia należące do tej grupy dotyczą:
  – prefabrykatów ścian zewnętrznych (odpadanie warstwy fakturowej, zarysowania i spękania, przecieki wód opadowych przez fakturę, nadmierne zawilgocenia, przemarzanie itp.);
  – warstwy ocieplającej (obniżenie cech izolacyjnych wynikające z zawilgocenia lub/i zmiany struktury materiału termoizolacyjnego, odspajanie się tej warstwy od innych warstw ściany);
  – spoin (ubytki na krawędziach warstwy fakturowej, złe wyprofilowanie kanału dekompresji, zbyt duża rozwartość szczelin między elementami, brak uszczelnienia spoin itp.);
  – złączy, tj. połączeń prefabrykatów (źle wykonane połączenie, nieszczelności, korozja stali wywołana głównie zjawiskami karbonatyzacji itp.);
  – płyt stropowych (głównie tzw. klawiszowanie);
  – ściennych elementów wewnętrznych (rysy, spękania, oddzielenia itp.);
  – podłoży podposadzkowych (spękania, odspojenia, zapadania itp.);
  – stolarki (nieszczelności, niska izolacyjność cieplna, uszkodzenia mechaniczne);
  – instalacji centralnego ogrzewania, gazowej, elektrycznej i wodno-kanalizacyjnej;
  – wind i zsypów.

Bezpieczeństwo konstrukcji

Zapewnienie bezpieczeństwa konstrukcji budynków wielkopłytowych wymaga uwzględnienia:

• specyfiki konstrukcji budynków wielkopłytowych,
• wymagań formalno-prawnych i normowych,
• specyficznych elementów wpływających na ocenę bezpieczeństwa konstrukcji budynku i jego niezawodność, trwałość itp.,
• zagrożeń bezpieczeństwa konstrukcji.

Metody nieniszczące stosowane do diagnozowania stanu konstrukcji

Budynki wielkopłytowe są obecnie użytkowane, dlatego bardzo ważne jest, aby szczególnie intensywnie rozwijać i stosować metody nieniszczące.

Ogólnie metody nieniszczące stosowane w budownictwie dzieli się na metody [4]:

• sklerometryczne,
• akustyczne,
• elektromagnetyczne,
• elektryczne,
• radiologiczne.

Do oceny wytrzymałości materiałów budowlanych wbudowanych w obiekt preferowane jest stosowanie metod sklerometrycznych i akustycznych (np. do oceny wytrzymałości betonu).

Do oceny wymiarów elementów oraz lokalizacji wad i uszkodzeń zalecane są metody akustyczne (ultradźwiękowa, echa, impact-echo, analiza spektralana fal powierzchniowych, impulse-response, radarowa, sejsmiczna, emisja akustyczna) i radiologiczne.

Do ustalenia lokalizacji zbrojenia i określenia zaawansowania korozyjnego stosuje się metody elektromagnetyczne, radiologiczne i elektryczne. Wreszcie do pomiaru wilgotności wykorzystuje się metody chemiczne i fizyczne.

W przypadku budynków wielkopłytowych wszystkie wymienione metody diagnostyczne wydają się optymalne, jednak należy je specjalnie ukierunkować na problemy występujące w tego typu budownictwie (np. opracować poradniki z procedurą prowadzenia badań i pomiarów, przykładową analizą ich rezultatów i wnioskowania).

Metoda sklerometryczna

Sklerometria (gr. sklērós ‘suchy’, ‘twardy’ oraz gr. metreín ‘mierzyć’) to nieniszcząca metoda badania wytrzymałości budowlanych elementów konstrukcyjnych. Jest ona jedną z najbardziej rozpowszechnionych na świecie. Stosowana od połowy XX w. do kontroli stanu betonu, obecnie znajduje zastosowanie także w badaniu ceramiki, zaprawy murarskiej, gipsu, a nawet drewna.

Przy wykorzystaniu sklerometru można ocenić cechy wytrzymałościowe betonu, z którego wykonano elementy ścienne, stropowe, klatki schodowe w konstrukcjach budynków wielkopłytowych.

Metoda akustyczna

Wykorzystuje ona fale akustyczne o wysokich częstotliwościach (30 kHz–25 MHz). Jedną z najczęściej stosowanych metod akustycznych w budownictwie jest metoda ultradźwiękowa, bazująca na pomiarze prędkości fal.

W celu określenia wytrzymałości badanego materiału, jego wymiarów, wad materiałowych i obserwacji ich powstawania wykorzystuje się zjawiska zachodzące podczas przepuszczania fali przez badany materiał, takie jak: odbicie, przenikanie, załamanie, transformacja, dyfrakcja, rozproszenie czy zmiana geometrii wiązki [4, 5].

Metoda radarowa (gpr – ground-penetrating radar)

Polega ona na emitowaniu do konstrukcji fali elektromagnetycznej, która częściowo przenika przez kolejne ośrodki o różnych właściwościach dielektrycznych, a częściowo ulega rozproszeniu bądź odbiciu [2]. Sygnały odbite są wychwytywane i rejestrowane przez antenę odbiorczą. Efektem badania jest falogram, który jest zapisem wszystkich odbitych impulsów zanotowanych podczas profilowania.

Metoda wykorzystywana jest do lokalizacji i wizualizacji zbrojenia, szacowania średnicy zbrojenia, wykrywania pustek i nieciągłości struktury betonu oraz do szacowania grubości i określania wilgotności betonu [4, 5].

Metoda radiograficzna

Jest najbardziej przydatna w budownictwie ze wszystkich metod radiologicznych. Stosowana jest przede wszystkim do lokalizacji i oceny zbrojenia w żelbecie.

Badania tą metodą polegają na rejestracji zjawiska osłabienia natężenia promieniowania, rozproszenia i tłumienia fal przechodzących przez element. Należy zauważyć, że badania radiograficzne potrzebują szczególnego zestawu zabezpieczeń przed promieniowaniem jonizującym, a ponadto aparatura pomiarowa jest dość skomplikowana [4, 5].

Metoda elektromagnetyczna

Polega na analizie zjawisk zachodzących w polu elektromagnetycznym emitowanym w głąb badanego elementu wytwarzanym przez sondę przy zbliżaniu do ferromagnetyku (np. pręta stali).

Wykorzystuje różne właściwości elektryczne i magnetyczne stali i betonu. Stosowana jest do lokalizacji zbrojenia, pomiaru średnicy i wielkości otuliny [4, 5].

Metoda elektrochemiczna

Wykorzystuje się ją do badania korozji w elementach żelbetowych. Polega na pomiarze różnicy potencjału elektrycznego między zbrojeniem a betonem. W tym celu do badanego elementu przykłada się półogniwo w postaci wydrążonej rurki z miedzianymi elektrodami zanurzonymi w roztworze siarczanu miedzi. Oprócz elektrody siarczanowej, używane są również elektrody z kalomelem lub chlorkiem srebra [5].

Z tak skonstruowaną elektrodą zintegrowany jest woltomierz podłączany do dostępnego fragmentu zbrojenia. Rolą półogniwa jest zapewnienie stałego potencjału odniesienia. Wysoka ujemna liczba napięcia (–350 mV) wskazuje na zajęcie elementu korozją. Jeżeli przyrząd pomiarowy wskazuje liczbę niższą niż –200 mV, korozja nie występuje.

Metoda termograficzna

Termografia, potocznie zwana termowizją, jest metodą, która polega na detekcji promieniowania w paśmie podczerwieni i przetwarzaniu go na obraz widzialny. W takim badaniu, przeprowadzonym w sposób bezdotykowy i bezinwazyjny, uzyskuje się mapę rozkładu temperatur na powierzchni badanego obiektu.

Jest to metoda szczególnie przydatna w ocenie stanu technicznego do oznaczania struktury wewnętrznej elementów nośnych budynków, tj. ścian, płyt stropowych, belek itp. Do badań stosuje się pirometry i kamery termowizyjne [4, 5].

W miarę rozwoju technologii zakres zastosowania termowizji w budownictwie nieustannie się poszerza. Umożliwia ona: wykrywanie zawilgoceń, badanie cieplne budynków, wykrywanie uszkodzeń i niejednorodności materiałów, identyfikację wad technologicznych przegród budynków, wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła, wykrywanie przeciągów i prądów cieplnych.

Metody hybrydowe

Łączą one dwie metody (lub więcej), które wzajemnie się dopełniają i sprawdzają, dzięki czemu rozszerza się zakres ich zastosowania i jakość ogólnej analizy.

Takie zespoły pomiarowe można podzielić na dwie zasadnicze grupy, z których jedna łączy metody wykorzystujące to samo zjawisko fizyczne, druga natomiast działa na zasadzie uzupełniania się poszczególnych badań.

Badania stanu technicznego budynku z wielkiej płyty oraz ich wyniki

W celu określenia stanu technicznego budynku wielkopłytowego (fot.) wybudowanego w systemie szczecińskim w 1976 r. przeprowadzono badania nieniszczące (np. badanie rozstawu zbrojenia w płytach, badanie wytrzymałości betonu płyt, oględziny elementów konstrukcyjnych).

Poniżej zostaną przedstawione wyniki badań mających na celu ustalenie występowania korozji zbrojenia w elementach płytowych.

Do pomiaru wybrano 15 miejsc. Do sporządzenia mapy zniszczenia konieczne było przyjęcie potencjałów granicznych (tabela).

W wyniku badań uzyskano kolejno: mapę potencjałów, wykres częstotliwości względnej, wykres częstotliwości skumulowanej oraz mapę zniszczenia służącą do syntetycznej analizy badania. Na podstawie analizy mapy potencjałów i mapy zniszczenia węzła W3 (węzeł między ścianami wewnętrznymi w piwnicy) można zauważyć, że duże prawdopodobieństwo wystąpienia korozji znajduje się w dolnych częściach węzła (kolor czerwony), pozostałe miejsca można uznać za wolne od korozji (rys. 6–7).

Ściana Z1 to zewnętrzna płyta nośna w piwnicy drugiej klatki – ściana południowa, a ściana Z2 to zewnętrzna płyta nośna w piwnicy drugiej klatki – ściana wschodnia. Potencjalny obszar wystąpienia korozji zbrojenia w obydwu ścianach ustala się na podstawie mapy zniszczenia (rys. 8–9).

Szacuje się, że korozja zbrojenia może wystąpić niemal na całej wysokości ścian (kolor czerwony i fioletowy na rys. 8–9). Wystąpienie korozji z prawdopodobieństwem 95% ustalono natomiast na wysokości 70 cm od poziomu posadzki (kolor fioletowy na rys. 8–9).

Przyczyny występowania obszarów niebezpiecznych upatruje się w kontakcie bocznej powierzchni ścian z zalegającym gruntem od zewnątrz oraz kontaktem części ścian z posadzką na gruncie. Pomiar wilgotności w tym obszarze sygnalizował zawilgocenie betonu na wysokości występowania zagrożenia korozyjnego.

Przeprowadzone badania piętnastu elementów pozwalają na stwierdzenie, że w wewnętrznych ścianach nośnych piwnic korozja zbrojenia wystąpiła w dolnej części płyty, 20–25 cm od powierzchni posadzki. Wynika to prawdopodobnie z zawilgocenia betonu na tej wysokości. Podobnie kształtują się wyniki badania węzłów między płytami piwnic. Część górna jest wolna od korozji, na dole natomiast znajdują się obszary zagrożone.

Zbadane elementy ścian zewnętrznych pokazują, że korozja zbrojenia wystąpiła praktycznie na całej wysokości płyty. Przebadane elementy ścienne i węzły kondygnacji nadziemnej są całkowicie wolne od korozji zbrojenia.

Podsumowanie

Specyfika konstrukcji budynków wielkopłytowych, jakość robót budowlanych, dyscyplina eksploatacyjna i konserwacyjna powodują, że obecnie budynki te nie są w najlepszym stanie technicznym. Istnieje więc poważny i aktualny problem dotyczący diagnozowania tych obiektów oraz napraw, modernizacji i przystosowania do aktualnych standardów (rewitalizacja).

Przeprowadzone badania pilotażowe wybranego budynku wielkopłytowego pozwoliły sformułować wnioski dotyczące zniszczeń w konstrukcji tego obiektu. Obecnie podejmowane są próby ustalenia rzeczywistego stopnia skorodowania prętów zbrojeniowych w zlokalizowanych obszarach. Jednocześnie ważnym zagadnieniem jest stworzenie modelu numerycznego budynku wielkopłytowego, do którego będą wprowadzane dane z przeprowadzonych badań (głównie z użyciem metod nieniszczących) i pomiarów.

Literatura

1. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (DzU z 1994 r. nr 89, poz. 414, ze zm.).
2. S. Pyrak, „Konstrukcje z betonu”, Część 2: „Elementy i ustroje”, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1979.
3. A. Podhorecki, J. Sobczak-Piąstka, E. Makowski, „Wybrane aspekty systemowej eliminacji zagrożenia bezpieczeństwa użytkowania budynków wielkopłytowych”, [w:] „Ochrona przed skutkami nadzwyczajnych zagrożeń”, t. 2, pod red. Z. Mierczyka i R. Ostrowskiego, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa 2011, s. 511–521.
4. J. Hoła, K. Schabowicz, „Nieniszcząca diagnostyka obiektów budowlanych – przegląd wybranych najnowszych metod wraz z przykładami zastosowań”, [w:] materiały 56. Konf. Nauk. Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN oraz Komitetu Nauki PZITB, Krynica 2010, s. 189–206.
5. A. Podhorecki, J. Sobczak-Piąstka, „Diagnostyka konstrukcji budynków wielkopłytowych przy wykorzystaniu metod nieniszczących”, [w:] materiały XXXVI Międzynarodowej Konf. Nauk.-Tech. EKOMILITARIS 2012: „Inżynieria bezpieczeństwa – ochrona przed skutkami nadzwyczajnych zagrożeń”, Zakopane 2012, s. 506–513.
6. A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniok, „Diagnostyka konstrukcji żelbetowych”, t. 2: „Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2011.
7. W. Stanisławski, „Studium techniczne budynku mieszkalnego wielorodzinnego zlokalizowanego przy ulicy Ku Wiatrakom 9 w Bydgoszczy”, praca dyplomowa napisana na Wydziale Budownictwa i Inżynierii Środowiska UTP w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2012.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!