WPŁYW OSIADANIA PODŁOŻA NA STAN STALOWEJ KONSTRUKCJI SZKIELETOWEJ.pdf

Dr inŜ. Teresa PACZKOWSKA, teka@ps.pl

Dr inŜ. Wiesław PACZKOWSKI, wespa @ ps.pl

Dr inŜ. Tomasz WRÓBLEWSKI, wroblewski @ ps.pl

Politechnika Szczecińska

WPŁYW OSIADANIA PODŁO ś A

NA STAN STALOWEJ KONSTRUKCJI SZKIELETOWEJ

THE INFLUENCE OF GROUND SETTLEMENT

ON THE CONDITION OF SKELETON STEEL STRUCTURE

Streszczenie Znaczne osiadanie gruntu w obszarze duŜego obiektu przemysłowego wywołało liczne uszkodze-

nia elementów stalowej konstrukcji szkieletowej. Poddano analizie część budynku wydzieloną za pomocą dyla-

tacji. Stworzono model numeryczny konstrukcji. W analizie uwzględniono wpływ przemieszczeń podpór oraz

uszkodzenia elementów konstrukcyjnych spowodowane ich wyboczeniem lub zerwaniem. Wskazano, Ŝe znisz-

czenia prętów układu stęŜeń miały pozytywny skutek dla słupów szkieletu przeciąŜonych na skutek osiadania

podpór.

Abstract An intensive process of ground settlement has caused considerable number of damages to a steel

skeleton structure of a large industrial building. A separated by expansion joints segment of the structure was

analysed. Numerical model of the structure was created. The analysis took into account displacements of

foundation and all changes in the structure caused by buckling or rupture of steel members. It has been pointed

out that bracing members damages had positive effect for columns overloaded by foundation displacements.

1. Wst ę p

W jednym z większych zakładów w regionie zaobserwowano pojawienie się zarysowań na

nielicznych ścianach murowanych tam występujących. Proces rozrostu rys postępował szybko

prowadząc do przejścia w otwarte pęknięcia. Wczesne zauwaŜenie rys i pęknięć pozwoliło na

szybkie podjęcie działań kontrolno-zaradczych. Zintensyfikowano prowadzone systematycz-

nie od lat pomiary geodezyjne słuŜące okresowym kontrolom stanu osiadań fundamentów

i przystąpiono do prac petryfikacyjnych mających na celu wzmocnieniu gruntu w obrębie fun-

damentów zagroŜonej części budowli. Problemy związane z osiadaniem podłoŜa występo-

wały juŜ w tym obiekcie wcześniej, w związku z czym zastosowanie odpowiednich działań

zaradczych mieściło się w pewnej rutynie słuŜb technicznych. JednakŜe skala i tempo osia-

dań, które wystąpiły tym razem nie miały porównania z wcześniejszymi podobnymi przypad-

kami. Centralnym zagadnieniem powstałego problemu technicznego jest osiadanie podłoŜa

i próby jego powstrzymania. Praca niniejsza dotyczy zagadnienia pochodnego, jakim jest

wpływ zaistniałych osiadań na stalową konstrukcję nośną budynku wznoszącą się w obszarze

ich występowania.

639

2. Opis konstrukcji budynku

Przedmiotowy budynek jest obiektem halowym szkieletowym o konstrukcji stalowej, podzie-

lonym na cztery niezaleŜne (wydylatowane), jednakowe części. Całość konstrukcji zaprojek-

towano ze stali St3(S, SX, SY) z wyjątkiem głównych belek rusztu stropu 54,30 m, których

środkowe odcinki zaprojektowano ze stali 18G2A. Na rys. 1 pokazano przekrój poprzeczny

budynku w osi 18 wraz z oznaczeniami literowymi osi podłuŜnych [2].

Rys. 1. Przekrój poprzeczny budynku w osi ze stęŜeniami

Ze względu na sposób powiązania skrajnych części budynku za pomocą przegubowo po-

łączonych rygli między osiami B i C oraz G i H do analiz wyodrębniono część zawartą mię-

dzy osiami C i G.

Wymiary obiektu w planie wynoszą 324 m × 91 m. Słupy szkieletu nośnego o wysokości

54,3 m są rozmieszczone na siatce o module 3,0 m oraz 4,5 m. PołoŜenie osi siatki słupów dla

jednego segmentu pokazano na rys. 2. Osie podłuŜne oznaczono literami od C do G (w całej

konstrukcji od A do H), osie poprzeczne liczbami od 15’ do 21 (w całej konstrukcji od 1

do 28).

Rozstaw słupów został dostosowany do rozwiązań konstrukcyjno-technologicznych.

Wymogi technologiczne sprawiły, Ŝe słupy rzędów środkowych zostały przesunięte o 3,0 m

poza osie główne siatki, dzięki czemu uzyskano potrzebną przestrzeń o szerokości 18,0 m.

Głowice słupów połączono układem belek nazwanym „rusztem belkowym”. W polu F-G po-

między poziomami +12,00 m a +19,50 m usytuowany jest zespół zasobników.

Konstrukcja nośna budynku głównego jest prętowym ustrojem przestrzennym o zróŜnico-

wanym rozstawie słupów o przekroju krzyŜowym i rygli połączonych ze sobą układem stęŜeń

kratowych pionowych i poziomych.

Przegrody poziome moŜna podzielić na:

– stropy główne złoŜone z Ŝelbetowych płyt monolitycznych i kratek stalowych,

– dach z prefabrykowanych płyt Ŝelbetowych (płyty panwiowe),

– stropy pośrednie aŜurowe i monolityczne.

Stropy główne występujące na całej szerokości i długości budynku są usytuowane na po-

ziomach: +10,50 m, +19,50 m, +25,50 m. Pomiędzy nimi znajdują się stropy pośrednie.

Na poziomach +34,50 m oraz +45,0 m usytuowano poziome stęŜenia kratowe zapewniające

niezmienność konturu poziomego budynku i współpracę elementów szkieletu.

640

36 m. Zawiera się

między osiami poprzecznymi 15’ do 21 i podłuŜnymi C do G. Wyodrębniono ją z całości

konstrukcji z uwagi na dylatacje w osiach 15 i 21. W osiach poprzecznych 15’, 18 i 21 wystę-

pują pionowe stęŜenia kratowe, których siatki geometryczne są zróŜnicowane, dostosowane

do wymagań technologii. StęŜenia pionowe podłuŜne rozmieszczone są w osiach C, E, G.

3. Model obliczeniowy

Analizę konstrukcji przeprowadzono uwzględniając przestrzenny charakter jej pracy,

tj. współpracę wszystkich elementów nośnych. Model obliczeniowy – ramę przestrzenną skła-

dającą się z rygli, słupów i stęŜeń stworzono w programie Robot Millennium. Połączenia śru-

bowe rygli ze słupami są w istocie złączami o trudnej do liczbowego ujęcia podatności.

Z uwagi na istniejące rozwiązanie konstrukcyjne przyjęto, Ŝe rygle są połączone ze słupami

przegubowo (obrót jest moŜliwy na kierunku prostopadłym do osi pręta, wokół osi poziomej),

podobnie jak poziome i pionowe stęŜenia kratowe połączone z pozostałymi elementami ukła-

du (obrót jest moŜliwy na obu kierunkach prostopadłych).

W obliczeniach statycznych pominięto wpływ usztywnienia konstrukcji stropami monoli-

tycznymi (występującymi nie we wszystkich polach danych kondygnacji, pozostałe pola wy-

pełniają kratki pomostowe). StęŜenia poziome dachu, a takŜe wymodelowane stęŜenie zastę-

pujące ruszt belkowy nie przenoszą obciąŜeń powierzchniowych przyłoŜonych do dachu (cię-

Ŝaru śniegu i pokrycia). ObciąŜenie ścianami osłonowymi pominięto.

W modelu obliczeniowym występuje 847 węzłów, 1328 prętów oraz 73 superpręty.

Katalog zdefiniowanych profili obejmuje 90 róŜnych przekrojów prętów, w tym:

– 18 przekrojów słupów,

– 57 przekrojów rygli,

– 15 przekrojów stęŜeń.

641

Rys. 2. Rozstaw słupów w analizowanym segmencie konstrukcji

W niniejszej pracy analizie statycznej poddano trzecią wydylatowaną część konstrukcji

budynku. Stanowi ona fragment budynku głównego o wymiarach 72 m

Na rys. 3. pokazano stworzony model konstrukcji.

Rys. 3. Widok przestrzenny modelu obliczeniowego konstrukcji

4. Charakterystyka osiadania podpór

W miesiącach letnich roku 2005 zaobserwowano wzmoŜone osiadanie podpór. Skala prze-

mieszczeń była na tyle duŜa, Ŝe uruchomiono prace petryfikacyjne mające na celu powstrzy-

manie procesu osiadania. Wzrastające i zróŜnicowane przemieszczenia fundamentów w spo-

sób niekorzystny oddziaływują na opierającą się na nich konstrukcję nośną. Podstawę do oce-

ny wpływu osiadania fundamentów na wytęŜenie stalowej konstrukcji nośnej dają pomiary

geodezyjne osiadań.

Z punktu widzenia oceny stanu konstrukcji posiadane wyniki pomiarów geodezyjnych są

waŜnym, ale niewystarczającym źródłem informacji o rzeczywistym stanie przemieszczeń

podpór. Mówiąc o rzeczywistym stanie przemieszczeń podpór mamy na myśli te przemiesz-

czenia, których pojawienie się spowodowało wystąpienie napręŜeń i deformacji w konstrukcji

stalowej niezaleŜnie od napręŜeń pochodzących od innych czynników (cięŜar własny, obcią-

Ŝenia technologiczne, obciąŜenie wiatrem i śniegiem, obciąŜenie temperaturą technologiczną,

które występuje lub nie zaleŜnie od pracy urządzeń).

Pomiary geodezyjne kontrolujące zachowanie się fundamentów prowadzono na obiekcie

od ponad 30 lat. Pierwszej zarejestrowanej dacie pomiaru przypisano dzień zerowy (0).

W opisie zmienności przemieszczeń w czasie stosuje się ciągłą numerację dni licząc od usta-

lonego dnia 0.

JuŜ w trakcie prowadzenia prac petryfikacyjnych doszło do nagłego przyspieszenia pro-

cesu osiadań. W okresie od dnia 11878 do dnia 11983, czyli w ciągu 105 dni, osiadania w nie-

których miejscach osiągnęły wartość 7 cm. W skali zmian zachodzących w podłoŜu proces

ten moŜna określić jako nagły. Gwałtowny wzrost przemieszczeń podłoŜa doprowadził do po-

jawienia się nowych uszkodzeń konstrukcji nie występujących w pierwszej fazie przyspieszo-

nych osiadań.

Na rys 4. pokazano plany warstwicowe pionowych przemieszczeń podłoŜa w obszarze

analizowanego segmentu konstrukcji. Dzień 11529 (rys. 4a) pokazuje stabilną sytuację, jaka

charakteryzowała stan podłoŜa przed przyrostem osiadań. W ciągu niecałego roku (349 dni)

642

doszło do zasadniczych zmian w stanie przemieszczeń pokazanym na rys. 4b. Sytuację po ko-

lejnych 105 dniach intensywnych osiadań pokazano na rys. 4c.

19-No v -2004

03-No v -2005

16-Fe b -2006

-1 30

Rys. 4. Plany warstwicowe stanu przemieszczeń podłoŜa w dniu: a) 11529; b) 11878; c) 11983

643

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: