07_Mlynarek_Z_Podloze_gruntowe_a_awaria_budowlana.pdf

XXIV

awariebudowlane

Prof. zw. dr hab. inŜ. Z BIGNIEW M ŁYNAREK

Katedra Geotechniki

Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu

PODŁO ś E GRUNTOWE A AWARIA BUDOWLANA

SUBSOIL CONTRIBUTION TO CONSTRUCTION FAILURES

Streszczenie Udział podłoŜa gruntowego w katastrofie budowlanej moŜna ocenić w kontekście dwóch aspek-

tów. Pierwszy stanowią dane statystyczne z katastrof, które zamieszczone zostały w licznych publikacjach.

Drugim aspektem jest analiza przyczyn katastrof i szukanie odpowiedzi na pytanie, jaki jest udział podłoŜa w za-

rządzaniu ryzykiem w projektowaniu inwestycyjnym. W artykule przedstawiono metody zarządzania ryzykiem

i zdefiniowano źródła niepewności w zarządzaniu ryzykiem w projektowaniu geotechnicznym. Szczególną uwagę

zwrócono na niepewności związane z percepcją i oceną parametrów geotechnicznych podłoŜa. Wpływ tych

niepewności na katastrofy budowlane zilustrowano na kilku przykładach.

Abstract The contribution of subsoil in the construction failures can be considered in two aspects. The first are

failures statistics, which were placed in numerous publications. The second aspect includes the analysis of causes

of failures and searching for the answer to a question, how subsoil contributes to the risk management

in the investment design. The paper presents methods of risk management and defines the sources of uncer-

tainties in risk management in the geotechnical design. The article pays particular attention to uncertainties

associated with the perception and evaluation of geotechnical parameters of the subsoil. The influence of these

uncertainties on the construction failures is illustrated with a few examples.

1. Wst ę p

PodłoŜe budowlane jest nierozłącznym elementem obiektu inŜynierskiego. W przypadku awarii

obiektu podłoŜe bierze równieŜ w niej udział. Dla inŜyniera budowlanego istotne jest zawsze

pytanie jaki jest udział podłoŜa w katastrofie budowlanej. Odpowiedź na to pytanie moŜe stanowić

istotny argument dla sformułowania opinii, Ŝe rozpoznanie właściwości podłoŜa i ich ewentu-

alnych zmian w procesie eksploatacji obiektu, powinno być znaczącym elementem w przygotowa-

niu projektu budowlanego obiektu. W tym zakresie w Polsce, szczególnie w ostatnich latach,

obserwuje się bardzo niepokojące zjawisko. Udział kosztów badań geotechnicznych w kosztorysie

projektu budowanego obiektu jest wyjątkowo niski. W pewnym sensie zakres badań geotechnicz-

nych dla rozpoznania struktury podłoŜa i oceny współpracy budowli z podłoŜem reguluje norma

PN-B-02479 Geotechnika. Dokumentowanie geotechniczne. Norma ta wprowadza pojęcie kate-

gorii geotechnicznej, która ustala zakres badań dla przygotowania dokumentacji geotechnicznej.

Kategoria geotechniczna nie rozstrzyga jednak zasadniczej kwestii, a mianowicie nie wspomina

o jakości tych badań. Jakość badań ma natomiast znaczący udział w ocenie ryzyka współpracy

konstrukcji z podłoŜem. Negatywną rolę w systematycznym zmniejszaniu udziału dokumentacji

geotechnicznej w kosztach projektu odgrywa często inwestor, który zainteresowany jest głownie

XXIVKonferencjaNaukowoTechniczna

SzczecinMiędzyzdroje,2629maja2009

Referaty problemowe

tym, aby uzyskać pozwolenie na budowę. Zainteresowanie inwestora sprowadza się takŜe do tego,

aby koszt dokumentacji geotechnicznej był jak najniŜszy. Z tego powodu znaczna część

dokumentacji, która jest wykonywana w Polsce, wykorzystuje w badaniach przede wszystkim

wiercenia, a podstawą dla opracowania wniosków są wyniki analizy makroskopowej i parametry

mechaniczne gruntów, zamieszczone w normie PN-81/B 03020. Grunty budowlane. Posadowienie

bezpośrednie budowli. Analiza kosztów dokumentacji geotechnicznej w całkowitym koszcie

budowy wykazała, Ŝe koszt dokumentacji geotechnicznej nie przekracza 0,02% kosztu inwestycji.

Jest to z jeden z najniŜszych wskaźników w Europie. Tak niski wskaźnik generuje przypuszczenie,

Ŝe udział podłoŜa w awarii budowlanej w Polsce musi być znaczący.

Ocenę udziału podłoŜa w awarii budowlanej moŜna uzyskać z dwóch źródeł informacji.

Pierwszy stanowią dane literaturowe o awariach budowlanych i oszacowanie kosztów związa-

nych z tymi awariami. Drugim źródłem informacji jest rozeznanie udziału podłoŜa w general-

nej ocenie ryzyka inwestycyjnego. Rozpoznanie czynników, które będą decydowały o mniej-

szym lub większym udziale podłoŜa w ryzyku inwestycyjnym wydaje się być szczególnie

interesujące, bowiem pozwoli wyeksponować elementy, które to ryzyko mogą zmniejszyć.

Ten problem stanowi główne motto niniejszego artykułu.

2. Poj ę cie ryzyka inwestycyjnego

Komplementarność modelu podłoŜe – fundament – konstrukcja obiektu, jednoznacznie

prowadzi do konkluzji, Ŝe na ryzyko inwestycyjne muszą składać się elementy, które związa-

ne są z podłoŜem budowlanym, projektem konstrukcyjnym oraz procesem realizacji i eksploa-

tacji obiektu (van Stavereen, 2008). Zarządzanie ryzykiem moŜna podzielić na dwie grupy;

pierwszą, stanowi zarządzanie ryzykiem odnośnie konstrukcji budowli.

drugą, zarządzanie ryzykiem związane z projektem geotechnicznym i oceną współpracy

konstrukcji z podłoŜem.

Zarządzanie ryzykiem inwestycyjnym, które dotyczy podłoŜa i konstrukcji obiektu posiada

dosyć obszerną literaturę. Warto jednak wyeksponować kilka podstawowych pojęć, które

pozwolą w niniejszym artykule skoncentrować się na zarządzaniu ryzykiem związanym z pro-

jektem geotechnicznym.

Blockley i Godfrey (2000) wyróŜnili trzy fundamentalne grupy niepewności związanych

z projektowaniem budowli: losowość, tzw. „fuzziness” i niekompletność. Udział tych trzech

podstawowych grup niepewności w kosztach katastrofy budowlanej oraz zarządzaniu ryzy-

kiem został przedstawiony za van Staverenem (2008) na rys. 1. Konstrukcja rys. 1 uwzględnia

bardzo waŜny element, który kształtuje zarządzanie ryzykiem i koszt katastrofy, a mianowicie

czas realizacji i fazowość inwestycji.

Rys. 1. Niepewności projektowe inwestycji a koszt katastrofy

104

Młynarek Z.: Podło Ŝ e gruntowe a awaria budowlana

Z rys.1 wynika, Ŝe na niepewności projektu składają się ryzyko i zdarzenia losowe. Pole

ryzyka moŜe odmiennie kształtować się w poszczególnych fazach inwestycji, od fazy wstęp-

nej poprzez projektową, aŜ do wykonawstwa i obsługi obiektu. Za szczególnie waŜny element

naleŜy uznać identyfikację czynników, które budują pole zdarzeń losowych. Do tych czynni-

ków zalicza się innowację, optymalizacje projektową i doświadczenie projektanta. Pole ryzy-

ka składa się z tak istotnych elementów jak; błędy projektowe lub wykonawcze, brak wiedzy,

konflikty w czasie realizacji inwestycji, sterowność w zarządzeniu projektem i jego realizacji.

3. Udział podło Ŝ a w ryzyku inwestycyjnym

Katastrofy budowlane towarzyszyły konstrukcjom inŜynierskim w okresie całej cywili-

zacji. W tym teŜ okresie katastrofa, jako zdarzenie inŜynierskie miała równieŜ wymiar huma-

nitarny. W Kodeksie Hammurabiego ze staroŜytnego Babilonu moŜna znaleźć zapis; jeśli

budowniczy wzniesie ścianę a ściana się zawali i śmierć poniesie właściciel budowli lub

członek jego rodziny, wówczas karą dla budowniczego była śmierć, jedynie jeśli niewolnik

zginął, wówczas wystarczyła rekompensata finansowa dla właściciela budowli. Czas współ-

czesnego budownictwa nie zniósł aspektu humanitarnego katastrofy budowlanej, bowiem

finałem katastrofy jest rozprawa sądowa. Van Staveren (2008) podaje za NRC Handeesblad

2006 r., Ŝe koszt katastrof budowlanych na świecie wynosi 5 miliardów euro rocznie, co

stanowi co najmniej 10% dochodu narodowego Holandii. Geotechnika, jak wcześniej

wspomniano, towarzyszy konstrukcji inŜynierskiej w kaŜdym etapie inwestycyjnym, stąd za

interesujące moŜna uznać dwie kwestie. Pierwsza dotyczy częstości występowania katastrof

budowlanych w poszczególnych etapach inwestycyjnych, które pokazano na rys. 1, tj. w fazie

projektowania konstrukcji obiektu i eksploatacji. Druga dotyczy globalnego udziału podłoŜa

w katastrofie budowlanej. Odpowiedź na pierwsze pytanie moŜna znaleźć w publikacji

Sowersa (1993), który przeanalizował 500 katastrof budowlanych w Stanach Zjednoczonych.

58% z tych katastrof było związanych z wadliwym projektem. 38% powstało w czasie budo-

wy, a 4% w czasie eksploatacji obiektu. Rozpoznane przyczyny to ignorancja, względnie

odrzucenie odpowiedniej technologii. W 88% przypadkach, liczba katastrof mogłaby być

zredukowana poprzez zastosowanie profesjonalnej wiedzy oraz wprowadzenie modyfikacji

systemu konstrukcyjnego. Sowers cytuje badania Kaminetzkego z 1991 roku, który podaje,

Ŝe błędy pojawiają się od 36–37% w etapie projektowania, 29–53% podczas budowy obiektu,

a od 6–23% w czasie eksploatacji obiektu. Zastosowanie wadliwej technologii jest według

Sowersa przyczyną tylko 12% katastrof. Brandl (2004) na podstawie europejskich statystyk

stwierdza, Ŝe od 80 do 85% wszystkich awarii budowlanych związanych było z podłoŜem

budowlanym. Chapman i Marcelteau (2004) wykazali, Ŝe w około 46–50% projektach

geotechnicznych stwierdzono zasadnicze rozbieŜności pomiędzy dokumentacją geotechniczną

a warunkami w podłoŜu. Warto się, więc przyjrzeć czynnikom, które mają wpływa na zarzą-

dzanie ryzykiem w inŜynierii geotechnicznej.

4. Zarz ą dzanie ryzykiem w in Ŝ ynierii geotechnicznej

W grupie niepewności związanych z projektem geotechnicznym znajduje się jeden bardzo

waŜny czynnik, który został przez Van Staverena (2008) nazwany: „nieosiągalną subiekty-

wnością indywidualnego profesjonalisty, zajmującego się warunkami gruntowymi”. Czynnik ten

znany jest takŜe pod pojęciem „czynnika ludzkiego” (Sowers, 1993; Lumb, 1974; Bea, 2006).

Czynnik ten łączy się ściśle ze sferą „ percepcji ryzyka”. O tym jak istotną rolę odgrywa ta grupa

niepewności w zarządzaniu ryzykiem w projektowaniu geotechnicznym dowodzą dane podane

105

Referaty problemowe

przez Van Tola (za Van Staverenem, 2007). Van Tol stwierdził, Ŝe awarie 40-tu wykopów

budowlanych były spowodowane w 80% tym, Ŝe nie zastosowano współczesnej wiedzy geote-

chnicznej we właściwym czasie i właściwym miejscu. Percepcję inŜynierską zdefiniował Slovic

(2000) podając, Ŝe to pojęcie odnosi się do róŜnego typu stanowiska i oceny sytuacji przez

geotechnika. Wpływ percepcji na zarządzanie ryzykiem wydaje się być oczywisty, bowiem

kaŜdy specjalista jest inną osobowością, o innym stopniu wykształcenia i doświadczeniu.

Sowers (1993) podaje, Ŝe w Stanach Zjednoczonych tylko niewielka liczba inŜynierów, po uzys-

kaniu dyplomu, poszerza wiedzę poprzez indywidualne studia lub kursy. Wydaje się, Ŝe ten pro-

blem ma równieŜ miejsce w Polsce, gdzie do przygotowania projektu budowlanego wykorzy-

stuje się dwa rodzaje dokumentacji; dokumentację geologiczno-inŜynierską i geotechniczną.

W dokumentacji geologiczno-inŜynierskiej bardzo często zalecenia odnośnie sposobu posado-

wienia budowli, oceny jej współpracy z podłoŜem i niezbędne zalecenia konstrukcyjne podawa-

ne są przez osoby, które w czasie studiów nie miały moŜliwości zapoznania się ze statyką

budowli i wytrzymałością materiałów. Percepcja dwóch specjalistów geologa i geotechnika

w projektowaniu geotechnicznym jest więc mocno zróŜnicowana. Za dobry przykład, który

ilustruje efekt percepcji kilkunastu róŜnych geotechników moŜna uznać obliczenie nośności pali,

ich przemieszczeń oraz współczynnika stateczności, na podstawie tych samych parametrów.

Tab. 1 została opracowana przez van Staverena (2006).

Tabela 1. Efekt róŜnicy w percepcji

Analiza

Obliczone wartości

Wartości zmierzone

Min

Max

Nośność graniczna pali

(Clayton 2001)

Przemieszczenie poziome pali

(Kort 2002)

Współczynnik stateczności zbocza

(Koelewijn 2002)

1000 kN

5400 kN

2850 kN

50 mm

500 mm

100 mm

0.36

1.65

–

W ocenie ryzyka związanego z percepcją nie moŜna pominąć odmiennego spojrzenia na

zarządzanie ryzykiem pozostałych stron procesu inwestycyjnego. Do tych stron naleŜy zali-

czyć; polityków, środki masowego przekazu, konsultantów. Ten temat jest w Polsce dobrze

znany, bowiem w przeszłości wiele inwestycji musiało być zakończonych w terminie ustalo-

nym przez grono polityczne. Bardzo ściśle z percepcją łączą się dwa kolejne źródła niepew-

ności, a mianowicie losowość i „fuzziness”.

Losowość cech podłoŜa budowlanego ma bardzo złoŜony charakter i była przedmiotem

licznych badań. Problem losowości dotyczy dwóch kwestii, a mianowicie losowości parame-

trów, które opisują właściwości podłoŜa warunkach in-situ (np. Lumb, 1966; Lacasse, 1982,

1994) i losowości mierzonych wartości w określonej technice badania (np. Młynarek, 2007;

Schultze, 1971). Za niezwykle waŜne zagadnienie naleŜy uznać ocenę losowości właściwości

próbki gruntu i losowości warstwy podłoŜa, która występuje w warunkach in-situ. W przypad-

ku ośrodka gruntowego ten problem eksponuje się w sposób szczególny. Za istotną kompli-

kację rozwiązania zagadnienia tzw. „ przejścia ” z parametrów określanych dla próbki gruntu

w laboratorium do losowości parametrów dla jednorodnej geotechnicznie warstwy gruntów,

uwaŜa się jakość pobranej próbki gruntu do laboratorium oraz wpływ rekonsolidacji próbki

w laboratorium do stanu napręŜenia geostatycznego w warunkach in-situ (Karslud,

Lunne, 2005). Ten problem skrótowo został omówiony w pkt. 5.

106

Młynarek Z.: Podło Ŝ e gruntowe a awaria budowlana

Bardzo dobrym przykładem, który przedstawia spójność pomiędzy percepcją i losowością

jest przykład wykorzystania wartości parametrów wytrzymałości na ścinanie dla zwymiaro-

wania fundamentów lub obliczenia współczynnika stateczności podany przez Patela

i Nicholsona (2007).

Rys. 2 pokazuje rozkład parametrów, który opisuje wytrzymałość na ścinanie gruntu. Jeśli

rozkład tego parametru jest normalny, wówczas inŜynier geotechnik w zaleŜności od własnej

percepcji, moŜe przyjąć znacznie róŜniące się liczbowe wartości tego parametru. Fakt ten

będzie miał istotne znaczenie w projektowaniu geometrii fundamentu lub nawet w ustaleniu

koncepcji posadowienia fundamentu. Z rys. 2 wynika, Ŝe mamy do czynienia z trzema rodza-

jami parametrów, które uwzględniają losowość badanej warstwy gruntu w podłoŜu.

Rys. 2. Rodzaje parametrów wytrzymałości na ścinanie w ujęciu analizy statystycznej

Pierwszy typ parametru określa parametr „najbardziej prawdopodobny”, który reprezentuje

wartość średnią, obliczoną z całej populacji wyznaczonych wartości parametrów wytrzyma-

łości na ścinanie. Drugim parametrem jest parametr „najbardziej niekorzystny”, który repre-

zentuje 0,1% części danych. Ten parametr reprezentuje „ najgorszą wartość, która jak będzie

wierzył projektant, moŜe wystąpić w praktyce”. Trzeci parametr zdefiniowany jest po przez

tzw. „ wartości charakterystyczne parametru”. Taką definicję moŜna znaleźć równieŜ w Euro-

kodzie EC7. Wartość tego parametru mieści się w przedziale, który opisany jest wartością

średnią oraz 5% przedziałem ufności. Losowości parametrów geotechnicznych gruntów po-

święcono wiele prac (np. Lee, 1974; Lumb, 1960; Schultze, 1971).

Niepewności projektowe związane z tzw. „ fuzziness” zajmują znaczącą pozycję w zarzą-

dzaniu ryzykiem w projektowaniu geotechnicznym. Pojęcie „fuzziness” jest rozumiane jako

brak precyzji w definicji lub koncepcji rozwiązania. Dobrym przykładem, który dowodzi

o braku precyzji w definicji moŜe być ograniczenie oceny właściwości warstwy gruntu podło-

Ŝa poprzez podanie tylko nazwy gruntu np. ił pylasty, plastyczny. W Polsce przygotowuje się

duŜo dokumentacji geologiczno-inŜynierskich, które stanowią podstawę do zwymiarowania

fundamentów obiektów, w których parametry mechaniczne gruntów określa się wyłącznie na

podstawie rodzaju gruntu i oceny stanu gruntu za pomocą stopnia plastyczności. Te dwie

informacje dają moŜliwość wyznaczenia z normy PN 81/B-0320 parametrów, które określają

wytrzymałość na ścinanie oraz moduły ściśliwości. W ten sposób pomija się zasadnicze czyn-

niki, które decydują o wytrzymałości na ścinanie np.; sposób realizacji ścieŜek napręŜeń

107

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: