Modernizacja obiektów przemysłowych

Warto zauważyć, że pojęcie modernizacji, tak bogate znaczeniowo i chętnie stosowane w życiu codziennym, zostało wykreślone z ustawy Prawo Budowlane (zmiana weszła w życie 1 stycznia 1999 r.). W tej sprawie stanowisko zajął Główny Inspektor Nadzoru Budowlanego [1], który wyjaśnił, że pojęcie "modernizacja" mieści się w zakresie pojęciowym remontu, przebudowy albo rozbudowy.

• Jeśli roboty budowlane polegają na odtworzeniu stanu pierwotnego, przy czym dopuszcza się stosowanie wyrobów budowlanych innych niż użyto w stanie pierwotnym, to mamy do czynienia z remontem.
• Jeśli w wyniku robót budowlanych następuje zmiana parametrów użytkowych lub technicznych istniejącego obiektu budowlanego, z wyjątkiem charakterystycznych parametrów takich jak: kubatura, powierzchnia zabudowy, wysokość, długość, szerokość bądź liczba kondygnacji, to jest to przebudowa.
• Gdy roboty budowlane prowadzą do zmiany charakterystycznych parametrów obiektu, to mamy do czynienia z budową (rozbudową, nadbudową, odbudową).

Tak jak wspomniano powyżej, zakres i cel modernizacji może być różnorodny.

Niniejszy artykuł przedstawia zagadnienie modernizacji elementów obudowy obiektów budowlanych (w szczególności obiektów przemysłowych). Podjęcie tego tematu jest uzasadnione dynamicznym wzrostem liczby obiektów przemysłowych i rosnącymi wymaganiami technicznymi dla obiektów tego typu.

Najlepszym przykładem takich wymagań jest określona w [2] izolacyjność cieplna przegród budowlanych.

W artykule poruszony jest nie tylko problem samej obudowy, ale również jej interakcji z konstrukcją budynku. Nie podjęto natomiast problematyki modernizacji typowych instalacji i wyposażenia technologicznego, przede wszystkim ze względu na odrębny charakter tego zagadnienia.

Wyróżnić możemy trzy zasadnicze powody wykonywania modernizacji obudowy obiektów budowlanych:

• poprawę estetyki wykończenia budynku,
• likwidację uszkodzeń (uszkodzenia powierzchni, odspojenia, likwidacja nieszczelności),
• poprawę parametrów przegrody budowlanej (izolacyjności termicznej, izolacyjności akustycznej, nośności, odporności ogniowej).

Oczywiście zazwyczaj osiąga się kilka celów jednocześnie.

Modernizacja może być realizowana poprzez dwa działania:

• wymiana istniejącego elementu na nowy (o lepszych parametrach)
  lub
• pozostawienie istniejącej obudowy i montaż dodatkowych elementów, dzięki którym osiągnie się zakładany cel modernizacji.

Wybór odpowiedniego działania jest sprawą indywidualną i wynika z wielu uwarunkowań realizacji inwestycji. Warto tutaj wspomnieć choćby o tym, że choć wymiana elementu obudowy jest często dobrym rozwiązaniem technicznym, to zdarza się, że nie ma takiej możliwości ze względu na proces produkcyjny toczący się w czynnym zakładzie pracy. Takie uwarunkowania i sposób realizacji modernizacji obudowy (a w zasadzie jej naprawy) zostały opisane w [3].

Pomimo tego, że przy modernizacji obudowy budynku mamy znacznie ograniczone możliwości działania, pod uwagę musimy wziąć szereg istotnych aspektów dotyczących zarówno przyczyn, jak i skutków realizowanej modernizacji.

Izolacyjność termiczna

W związku z rosnącymi kosztami energii oraz wpływem produkcji energii na środowisko, od wielu lat podnoszone są standardy dotyczące wymaganej izolacyjności cieplnej budynków. Tendencja tych zmian, a mianowicie wymagany współczynnik przenikania ciepła U_C(max) dla ścian i dachów, przy temperaturze pomieszczenia t_i > 16°C w latach 1991–2021 został przedstawiony na RYS. 1.

Aktualne wymagania izolacyjności termicznej dotyczą nie tylko przegród budowlanych nowo projektowanych obiektów, ale również są obowiązujące w przypadku nadbudowy, rozbudowy, odbudowy oraz przebudowy i zmiany sposobu użytkowania. A zatem są one obowiązujące w wielu przypadkach modernizacji.

Aktualne wymagania izolacyjności termicznej (jak również bezpieczeństwa pożarowego) nie obowiązują wyłącznie w przypadku remontu.

Problem wpływu aktualnych wymagań izolacyjności termicznej na rozwiązania techniczne był wielokrotnie podejmowany w literaturze [4].

W przypadku wymaganego dla ścian współczynnika przenikania ciepła U_C(max) = 0,23 W/(m2·K), grubość warstwy izolacyjnej powinna być rzędu 0,10 m (poliuretan), 0,16 m (styropian) i 0,16–0,20 m (wełna mineralna).

Należy w tym miejscu zauważyć, że zwiększenie grubości izolacji termicznej wiąże się ze zwiększeniem ciężaru obudowy, a więc również ze zmianą oddziaływań na konstrukcję budynku.

Wymagania dotyczące bezpieczeństwa pożarowego

W przypadku rozbudowy, przebudowy lub zmiany sposobu użytkowania obiektu budowlanego powinny być spełnione aktualne wymagania techniczne dotyczące bezpieczeństwa pożarowego. Wiele z tych wymagań jest zawartych w [2]. Dotyczą one m.in.:

• palności,
• rozprzestrzeniania ognia
• i klasy odporności ogniowej.

Zagadnienia te zostały szczegółowo przeanalizowane w [5]. Pomijając szczegóły tej analizy, można w skrócie uznać, że elementy obudowy powinny być nierozprzestrzeniające ogień (NRO) i mieć odpowiednią klasę odporności ogniowej.

Jeśli obudowa uzyskuje klasę reakcji na ogień minimum B-s3,d0 oraz dodatkowo warstwa izolacyjna ma klasę reakcji na ogień co najmniej E, to element można uznać jako NRO.

Wymagana klasa odporności ogniowej elementów budynku (ściana, dach) zależy od klasy odporności pożarowej budynku (§ 216 ust. 1 [2]). Wyróżnia się 5 klas odporności pożarowej budynków (A, B, C, D, E).

W przypadku budynków przemysłowych (produkcyjnych lub magazynowych) klasyfikacja budynku zależy od maksymalnej gęstości obciążenia ogniowego strefy pożarowej w budynku Q [MJ/m2] oraz wysokości budynku.

Oprócz przypadku przebudowy lub zmiany sposobu użytkowania budynku, warto wspomnieć o jeszcze jednej sytuacji, która w praktyce ma duży wpływ na podejmowane działania modernizacyjne: coraz częściej ubezpieczyciele żądają, aby ubezpieczany obiekt spełniał wymagania przeciwpożarowe dużo wyższe niż to wynika z obowiązujących przepisów.

W takiej sytuacji właściciel obiektu jest zmuszony podjąć odpowiednie działania poprawiające bezpieczeństwo pożarowe.

W przypadku istniejących obiektów bardzo często sprowadza się to m.in. do wymiany elementów obudowy.

• Po pierwsze dlatego, że czasami trudno określić klasę elementów użytych do budowy (brak odpowiedniej klasyfikacji w czasach, gdy były produkowane).
• Po drugie, aktualne wymagania są znacznie bardziej rygorystyczne niż kiedyś (np. obecnie warstwa izolacyjna powinna mieć klasę reakcji na ogień co najmniej E).

Zmiana obciążeń

Modernizacja obudowy obiektów przemysłowych praktycznie zawsze prowadzi do zmiany obciążeń oddziałujących na konstrukcję budynku.

• Gdy zwiększamy grubość izolacji (wykonanej z tego samego materiału), to zwiększamy ciężar elementu.
• Gdy warstwa izolacyjna ma niską gęstość (poliuretan, styropian), to zmiana ta nie ma istotnego wpływu na konstrukcję.
• Gdy warstwa izolacyjna charakteryzuje się dużą gęstością (twarda wełna mineralna), to ciężar własny elementów obudowy znacząco wzrasta, co może prowadzić do konieczności wzmocnienia głównej konstrukcji budynku.

Co ciekawe, nie tylko wzrost ciężaru jest niebezpieczny, ale czasami również jego obniżenie.

Typowym przykładem jest ciężar pokrycia dachu.

• Jeśli izolację z wełny mineralnej zastąpimy grubszym, ale znacznie lżejszym materiałem, to wielkość ssania wiatru może przewyższyć ciężar dachu. W takiej sytuacji, w elemencie konstrukcyjnym takim jak kratownica, przy pewnym układzie obciążenia, w pasie górnym pojawi się rozciąganie, a w pasie dolnym ściskanie.
• Jeśli pas dolny nie jest zabezpieczony przed utratą stateczności, to może to doprowadzić do wyboczenia pasa dolnego kratownicy.

Zagadnienie to jest znane większości inżynierów budownictwa. Warto więc pamiętać o konieczności przeanalizowania wpływu zmiany ciężaru elementów na zachowanie się pozostałych elementów konstrukcyjnych budynku.

Modernizacja obiektu przemysłowego może mieć też zupełnie inny charakter.

Załóżmy, że pozostawiamy wszystkie elementy budynku, ale decydujemy się na pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych. Będzie to wymagało np. montażu kolektorów słonecznych lub ogniw fotowoltaicznych na dachu.

Montaż tego typu urządzeń bardzo silnie zmienia układ działających obciążeń. Zmieniają się wartości obciążenia śniegiem, obciążenia wiatrem, a dodatkowo działa ciężar samych urządzeń, przy czym oddziaływanie to może mieć charakter skupiony.

Wpływ obciążeń skupionych na elementy obudowy (płyty warstwowe, blachy trapezowe, i inne) nie jest ujęty w normach.

W przypadku płyt warstwowych pewnym wsparciem są europejskie rekomendacje [6]. Podano w nich sposób wyznaczania obciążeń środowiskowych (wiatrem, śniegiem) oraz przedstawiono, jak sprawdzać wpływ obciążeń skupionych na płytę warstwową.

Istota tej metody polega na określeniu tak zwanej szerokości efektywnej i sprowadzenia problemu analizy płyty do prostego modelu belki warstwowej obciążonej siłą skupioną, przy czym szerokość belki jest równa wyznaczonej wcześniej szerokości efektywnej. Szczegóły tej metody zostały opisane również w pracy [7].

Warto omówić jeszcze jeden, bardzo typowy przypadek zmiany działających obciążeń, wynikający z modernizacji obudowy obiektu budowlanego. Tak jak już wspomniano, modernizacja ścian często polega na dołożeniu dodatkowej warstwy zewnętrznej.

Gdy istniejąca obudowa (płyta warstwowa, kaseta wzdłużna, blacha trapezowa) jest rozparta poziomo pomiędzy slupami hali, to dołożenie dodatkowego ciężaru oddalonego od elementu istniejącego wywołuje dodatkowe siły w istniejącym elemencie.

Ten stan mechaniczny jest bardzo złożony, gdyż, oprócz dodatkowego zginania i ścinania w płaszczyźnie ściany, pojawia się również skręcanie istniejącego elementu obudowy.

W przypadku blachy trapezowej lub kasety wzdłużnej jest to skręcanie elementu cienkościennego, a więc należy uwzględnić zarówno skręcanie St. Venanta, jak również skręcanie nieswobodne Własowa.

W przypadku skręcania płyt warstwowych podejście jest bardzo podobne. Podstawy skręcania płyt warstwowych można znaleźć w [8], jednak podejście to jest obecnie uzupełnione właśnie o efekt skręcania nieswobodnego.

Pomimo kilku prac teoretycznych dotyczących zagadnienia skręcania, ze względu na złożony charakter oddziaływań i warunków brzegowych, w praktycznych zastosowaniach najlepiej posługiwać się wytycznymi producenta. Wytyczne te określają sposób montażu dodatkowej warstwy elewacyjnej, rodzaj i liczbę łączników oraz inne szczegółowe wymagania techniczne.

Wytyczne producentów wynikają głównie z badań doświadczalnych prowadzonych w skali naturalnej. Poniżej przedstawione są przykłady typowych rozwiązań modernizacji elementów obudowy obiektów przemysłowych.

Przykłady metod modernizacji

Poprawa estetyki obiektu

Jeśli celem modernizacji jest poprawa estetyki obiektu budowlanego, typowym rozwiązaniem jest montaż dodatkowej okładziny do istniejącej obudowy. Ze względu na formę elementu okładzinowego wyróżnić możemy: kasetony elewacyjne, listwy elewacyjne i blachy profilowane (RYS. 2, RYS. 3 i RYS. 4).

Istota każdego z tych rozwiązań jest bardzo podobna.

• Do istniejącej obudowy (najczęściej wykonanej z płyty warstwowej) mocujemy od zewnątrz profile podporowe, a następnie do tych profili mocujemy warstwę elewacyjną.
• Pomiędzy warstwą okładzinową a istniejącą elewacją powstaje przestrzeń wentylowana o wielkości minimum 20 mm.
• Profile podporowe mają rozstaw rzędu 600-900 mm i są montowane wyłącznie do okładziny zewnętrznej płyty warstwowej.

Aby montaż warstwy elewacyjnej był możliwy, należy spełnić szereg warunków, w szczególności dotyczących konstrukcji podporowej.

• Przede wszystkim zamontowana płyta musi spełniać typowe warunki nośności i użytkowania.
• Jeśli płyty są montowane poziomo, to dodatkowo sprawdza się, czy jej nośność jest spełniona z określonym zapasem (np. 15%). Wynika to zapewne z tego, że tak jak wcześniej wspomniano, dołożenie warstwy elewacyjnej wywołuje dodatkowe siły wewnętrzne w płycie podporowej, w tym również skręcanie.

Innym warunkiem jest ograniczenie przemieszczeń płyty podporowej. Jest to wymagane głównie w przypadku montażu płaskich i gładkich elementów elewacyjnych.

Kolejnym, bardzo istotnym warunkiem jest prawidłowe zamocowanie płyty podporowej do głównej konstrukcji nośnej budynku. Zamocowanie to musi przenosić nie tylko ssanie wiatru i ciężar płyty podporowej, ale również ciężar warstwy elewacyjnej (rzędu 20–25 kg/m2 elewacji). Bardzo często oznacza to konieczność montażu dodatkowych wkrętów na etapie modernizacji obiektu.

Należy podkreślić, że choć wiele firm produkuje metalowe elementy elewacyjne (kasetony, listwy itp.), to tylko nieliczne z nich przewidują, że elementy te mogą być mocowane do istniejącej, lekkiej obudowy.

Zmiana izolacyjności termicznej

Typowym celem modernizacji jest poprawa parametrów technicznych przegrody budowlanej, najczęściej izolacyjności termicznej. Zazwyczaj wiąże się to z jednoczesną zmianą elewacji budynku, choć jest to raczej efekt uboczny podjętych działań.

Najprostszym rozwiązaniem jest demontaż istniejącej obudowy i montaż nowej. Niestety nie zawsze jest to możliwe lub ekonomicznie zasadne. W takiej sytuacji inwestorzy bardzo często decydują się na inne rozwiązania.

W przypadku dachów prostym rozwiązaniem jest montaż (od zewnątrz) dodatkowych warstw izolacyjnych.

Znana mi realizacja polegała na tym, że na istniejącej płycie warstwowej dachowej z rdzeniem poliuretanowym ułożono izolację termiczną (styropian gr. 5 cm między garbami oraz wełna mineralna gr. 6 cm) oraz systemową membranę dachową. Uzyskano w ten sposób znacznie lepszą izolacyjność termiczną oraz jednocześnie rozwiązano problem lokalnych nieszczelności dachu.

Przy rozwiązaniach tego typu należy wziąć pod uwagę zwiększony ciężar własny dachu, ale z drugiej strony, ze względu na dodatkową warstwę termiczną można uwzględnić inne niż zakładano pierwotnie temperatury występujące na powierzchni górnej płyty warstwowej.

Te dwa efekty w pewnym sensie się kompensują, ponieważ niższa temperatura okładziny zewnętrznej płyty warstwowej oznacza niższe siły wewnętrzne i naprężenia w płycie, która jest jedynym elementem nośnym pokrycia dachu.

Oczywiście zawsze należy dokonać szczegółowego sprawdzenia warunków granicznych nośności i użytkowania dla dachu i dla głównej konstrukcji nośnej budynku.

Jeśli problemem jest nośność konstrukcji głównej, to zastosować możemy szereg metod wzmacniania konstrukcji. Istotnym ograniczeniem w tym przypadku jest zazwyczaj koszt modernizacji obiektu.

W podobny sposób jak dla dachu możemy poprawić izolacyjność termiczną ścian.

Znany mi przykład dotyczy budynku laboratorium Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej. Budowa tego budynku została rozpoczęta w 1987 r., a zakończona w 1995 r.

• Ściany były wykonane z płyty warstwowej o rdzeniu poliuretanowym.
• Płyty warstwowe były ułożone pionowo, co jest czynnikiem sprzyjającym dla możliwości ewentualnego dociążenia.
• Ze względów estetycznych w 2012 r. wykonano docieplenie ścian budynku warstwą styropianu gr. 12 cm.

Poprzedni i obecny wygląd obiektu przedstawiono na FOT. 1-2.

Na koniec warto wspomnieć o jeszcze jednej możliwości modernizacji obudowy obiektów budowlanych.

Jest nią montaż izolacyjnej płyty warstwowej do istniejącej lekkiej obudowy. Choć pomysł nie jest nowy i z pewnością można znaleźć indywidualne przykłady tego typu realizacji, to takie rozwiązanie jest trudne do analizy. Nie dotyczy to samej technicznej możliwości wykonania takiego systemu, ale złożoności analizy statycznej.

• Po pierwsze, wszystkie elementy takiego systemu będą doznawały odkształceń termicznych.
• Po drugie, dodatkowa warstwa izolacyjna oznacza grubszy element elewacyjny, a więc i większe ramię działania ciężaru własnego, a co się z tym wiąże - większe skręcanie istniejącej lekkiej obudowy.
• Po trzecie, grubszy element elewacyjny oznacza konieczność zastosowania odpowiednich systemów mocowania płyty elewacyjnej do istniejącej obudowy oraz istniejącej obudowy do głównej konstrukcji nośnej.

Wszystkie te warunki powodują konieczność wykonania dokładnych badań tego rozwiązania.

Niestety takie badania są zawsze czasochłonne i kosztowne, co skutecznie zniechęca producentów w Polsce. Obecnie prace naukowe dotyczące tej problematyki prowadzone są w ramach jednego z projektów FOSTA (Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.) na uczelniach RWTH Aachen i TU Dortmund.

Literatura

1. Strona internetowa: http://www.gunb.gov.pl/dziala/pliki/GI­‑modernizacja.pdf (zamieszczono na stronie GUNB 2 marca 2006 r.).
2. Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2017 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 18 września 2015, poz. 1422).
3. A. Szymczak-Graczyk, "Uszkodzenia płyt obudowy ściennej wraz ze sposobem naprawy", XXVII Konferencja Naukowo­‑Techniczna "Awarie Budowlane" 2015.
4. Z. Pozorski, "Płyty warstwowe w kontekście aktualnych wymagań izolacyjności cieplnej", "IZOLACJE" 10/2015, s. 50-54.
5. Z. Pozorski, "Płyty warstwowe w kontekście aktualnych wymagań bezpieczeństwa pożarowego", "IZOLACJE" 11/12/2015, s. 59-66.
6. "European recommendations for the design of sandwich panels with point or line loads", ECCS TC7 TWG 7.9, CIB Working Commision W056, 1st edition, 2013.
7. Z. Pozorski, Ł. Janik, "Projektowanie płyt warstwowych obciążonych siłą skupioną", "Nowoczesne hale" 1/2017, s. 34-39.
8. K. Stamm, H. Witte, "Sandwichkonstruktionen. Berechnung, Fertigung", Ausführung, Springer-Verlag, 1974.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!