Zabudowa plombowa. Przykład nowatorskiego posadowienia budynku

W artykule przedstawiono autorską konstrukcję fundamentów budynku nowo projektowanego, która była odpowiedzią na zrzeczenie się praw autorskich przez autora pierwotnego rozwiązania projektowego budynku – w części konstrukcyjno-budowlanej. Nie podano w artykule szczegółów niemających bezpośredniego wpływu na logikę konstrukcyjną, która w niniejszej pracy ma znaczenie priorytetowe.

Główne przyczyny katastrof budowlanych

Do najczęstszych przyczyn natury technicznej i organizacyjnej zagrożeń, awarii i katastrof obiektów budowlanych należą według [3]:

• niedostateczne i błędne rozpoznanie podłoża gruntowego oraz warunków gruntowo-wodnych pod obiekty;
• złe fundamentowanie oraz jego niewłaściwe zaprojektowanie bez uwzględniania oddziaływania konstrukcji na podłoże gruntowe (dotyczy zwłaszcza zabudowy plombowej);
• nieodpowiednie typy konstrukcji przyjęte w projektowaniu obiektów, dotyczące określonych technologii, sposobów posadowienia i warunków eksploatacji;
• nieprzestrzeganie norm i błędna ich interpretacja, aprobat technicznych, wytycznych, instrukcji przedmiotowych w odniesieniu do danych warunków projektowanego obiektu;
• nieuzasadnione odstępstwa od norm, aprobat technicznych i wytycznych przy projektowaniu konstrukcji w warunkach specjalnych;
• błędne rozpoznanie pracy konstrukcji obiektu przy nietypowych obciążeniach, np. parasejsmicznych, oraz obciążeniach wiatrem, śniegiem, pyłem, lodem itp.;
• błędy inżynierskie i techniczne przy projektowaniu stężeń, połączeń elementów i całych konstrukcji budowlanych;
• nieodpowiednie lub błędne dobranie: technologii wykonania, rodzajów materiałów, wyrobów i elementów konstrukcyjnych oraz wykończeniowych, zwłaszcza w stosunku do obiektów zabytkowych; niedostateczne uwzględnienie opinii inwestorów i użytkowników przy powtarzalnych realizacjach budowy obiektów.

Zabudowa plombowa. Posadowienie budynków przy obiektach sąsiednich

Bez zastosowania dodatkowych nośnych konstrukcji zabezpieczających, na trwałe wbudowanych do podłoża, poziom posadowienia nowo projektowanego obiektu budowlanego nie powinien naruszać linii określonej na rys. 1 [4]. Rozkład ten zapobiega utracie stateczności obiektu istniejącego. Jest to podstawowa zależność, którą należy mieć na względzie przed rozpoczęciem planowania ustroju konstrukcyjnego posadowienia w aspekcie tzw. budownictwa plombowego. Przedstawiony na rys. 1 kąt, wynikający z pochylenia 1:2 (1:3), musi spełniać nierówność α < ?, gdzie ? jest kątem tarcia wewnętrznego gruntu.

Rys. 1. Wpływ istniejącego budynku na głębokość posadowienia nowego budynku (rys. P. Bieranowski wg [4])

W omawianym przypadku budynku plombowego warunek ten nie został spełniony w pierwotnym założeniu.

Zobacz też: Uwarunkowania prowadzenia robót podwodnych w obiektach inżynierskich

Pierwotne opracowanie posadowienia konstrukcji

Nowo projektowany budynek plombowy zaplanowano do realizacji w technologii tradycyjnej. Mury nośne zaprojektowano z cegły wapienno-piaskowej gr. 25 cm; ściany piwnic wznoszone z betonowych bloczków fundamentowych o grubości ścian nadziemnych; stropy żelbetowe pracujące w jednym i dwóch kierunkach, dach dwuspadowy kryty dachówką ceramiczną. Pod ścianami zaprojektowano ławy żelbetowe. Projektowany budynek z punktu widzenia funkcji miał spełniać cele handlowe – w poziomie parteru, oraz mieszkalne – na pozostałych kondygnacjach. Pierwotne opracowanie konstrukcji posadowienia budynku projektowanego zilustrowano na rys. 2.

Rys. 2. Pierwotny zamysł posadowienia budynku nowo projektowanego przy istniejącym (rys. P. Bieranowski wg projektu pierwotnego)

Ściany nośne budynku istniejącego zostały wzniesione z murowych elementów drobnowymiarowych – cegła ceramiczna pełna, gr. 38 cm – i posadowione na ławach. Stropy wykonano na belkach stalowych. Obiekt istniejący jest w pełni podpiwniczony i ma trzy kondygnacje nadziemne oraz nieużytkowe poddasze, połać dachu jest dwuspadowa.

Budynek projektowany jest wyższy od obiektu istniejącego o kondygnację oraz dodatkowo posiada poddasze użytkowe.

Czytaj też: Stalowe stężenia tymczasowe w budynkach o konstrukcji murowej i żelbetowej

Zabudowa plombowa. Logiczne przyjęcie założeń

W pierwotnym zamierzeniu projektowym podstawowym błędem konstrukcyjnym było posadowienie budynku nowo projektowanego na ławie obiektu istniejącego, bez logicznego rozpatrzenia zaistniałej sytuacji. Podstawą logiki posadowienia w warunkach budownictwa plombowego jest dylatowanie konstrukcji oraz jak najmniejsza ingerencja w ustabilizowane podłoże pod fundamentem istniejącym. Wykonanym podbiciem nie spełniono warunków określonych na rys. 1, ponadto dla odsadzek ławy nie zapewniono geometrycznych wymogów normowych [5] (aktualnie wtedy obowiązujących, przed rokiem 2010), pozostawiając ją bez poszerzenia. Zmiany założeń projektowych dokonano w początkowej fazie realizacji nowo projektowanego budynku.

Ze względu na specyficzny układ sąsiadujących budynków autor zaproponował ustrój posadowienia zaprezentowany na rys. 4, 5 i 6. Na rys. 3 przedstawiono rozmieszczenie konstrukcji stropów nad piwnicą (a) i parterem (b). Specyfiką tego rozwiązania ustroju konstrukcyjnego posadowienia w warunkach zabudowy plombowej jest to, że zaprojektowano ustrój, który całkowicie odciążył istniejący fundament (ławę) bez dokonywania zmian w zamierzeniu ustalonym przez architekta – ściana konstrukcyjna projektowana w płaszczyźnie ławy nie zmieniła swojego położenia, została jedynie od ławy oddylatowana. To się przyczyniło do zniwelowania projektowych strat ekonomicznych, gdyż zbędne stało się dokonywanie zmian w koncepcji architektonicznej.

Rys. 3. Rozmieszczenie konstrukcji stropów nad piwnicą (a) i nad parterem (b). Konstrukcję stropów nad parterem (oraz powyższych) oparto na trzech krawędziach – dotyczy projektu naprawczego (rys. P. Bieranowski)

Rys. 4. Szczegół ilustrujący całkowite odciążenie ławy istniejącej, bez zmiany położenia projektowanej ściany konstrukcyjnej szczytowej (rys. P. Bieranowski)

Rys. 5. Rzut ustroju fundamentowego odciążającego całkowicie ławę istniejącą (rys. P. Bieranowski)

Rys. 6. Przekrój 1-1 nowego ustroju fundamentowego (rys. P. Bieranowski)

W nowym ustroju posadowienia ścianę szczytową przyległą do istniejącej ściany (rys. 3-6) oparto na żelbetowej belce wykształtowanej na kierunku normalnym do wspierającej ją sekcji wspornikowej (rys. 4-6). Część wspornikową (belki połączone z żelbetową płytą stropu) oparto na studniach fundamentowych. Konstrukcja wsporcza pod ścianę szczytową została odpowiednio odciążona przez oparcie stropów wyższych kondygnacji – od stropu nad parterem (nad częścią niepodpiwniczoną) – jako przenoszących obciążenia z trzech krawędzi, tym samym przyległa ściana szczytowa nie podlegała pracy statycznej od żelbetowych stropów konstruowanych w układzie krzyżowozbrojonym. Grodzice wykorzystano jako podpory do przeniesienia oddziaływań na grunt istniejącej ławy oraz projektowanego układu studni żelbetowych. Układ ten, dzięki oddylatowaniu, pozwolił również na niwelację strat cieplnych przez przenikanie do gruntu.

Sprawdź: Fundamenty Galerii Młociny w Warszawie. Case study

Model MES i analiza rezultatów statycznych

Zdecydowano się zasymulować pracę zaproponowanego w opracowaniu ustroju konstrukcyjnego za pomocą modelu MES programu Graitec Advance Design [11] (rys. 7, 8, 9). W modelu starano się odwzorować wszelkie założenia poczynione przy doborze opisanego rozwiązania. W ramach uproszczenia przyjęto obciążenie ciężarem własnym oraz równomierne obciążenie warstwami wykończeniowymi i obciążenie użytkowe na wszystkich stropach.

Rys. 7 Model obliczeniowy projektowanej plomby w programie Graitec Advance Design

Rys. 8 Model nadziemnej kondygnacji powtarzalnej z uwzględnioną dylatacją płyty od ściany szczytowej

Rys. 9. Sposób kształtowania kondygnacji podpiwniczenia uwzględniający sąsiedztwo budynku

Płyty stropowe kondygnacji nadziemnych modelowano z zamierzoną dylatacją od ścian szczytowych (ścian przy budynkach sąsiadujących), wymuszając ich pracę w pozostałych kierunkach, tak aby maksymalnie odciążyć ścianę szczytową.

Obiekt posadowiony został na podporach sprężystych, zarówno w przypadku studni fundamentowych w poziomie stropu nad piwnicą, jak i w przypadku ław fundamentowych, na których się opierają ściany podpiwniczenia.

Ściany szczytowe opierają się na układzie wsporczym, wyksztaltowanym w poziomie przyziemia. Układ ten natomiast podparty jest szeregiem studni fundamentowych – taki zabieg pozwolił na uniknięcie obciążenia ław fundamentowych istniejącej zabudowy.

Na podstawie otrzymanych rezultatów statycznych łatwo zaobserwować charakter pracy. W artykule przedstawiono mapy sił wewnętrznych – momenty zginające w kierunku pracy układu wspornikowego w kombinacji SGN (rys. 10), oraz mapę przemieszczeń sprężystych w charakterystycznej kombinacji obciążeń (rys. 11).

Rys. 10. Mapa momentów zginających (kNm, po lewej) oraz mapa przemieszczeń (mm, po prawej)

Rys. 11. Reakcje pionowe (kN) dla studni fundamentowych symulowanych podporami sprężystymi

Jak widać, przemieszczenie krawędzi płyty w miejscu ławy fundamentowej istniejącego obiektu jest niewielkie i rekompensowane będzie zastosowaną dylatacją. Udało się to uzyskać wspomnianymi zabiegami konstrukcyjnymi.

Trwałość i naprawy konstrukcji budowlanych. Wnioski

Problematyka trwałości i napraw konstrukcji budowlanych jest bardzo złożona i wymaga szerokiej wiedzy [2, 4, 6-10]. Brak logicznych rozwiązań w fazie projektowej tego typu i innych konstrukcji skutkuje awariami oraz katastrofami budowlanymi. Na uwagę zasługuje również fakt, że nie tylko projektujący popełniają błędy, osoby sprawdzające projekt pod względem poprawności technicznej również to powielają.

W tym przypadku projektowe prace naprawcze wykonano przed realizacją błędnych założeń projektowych. Nie zawsze na tym etapie zostają dostrzeżone błędy, a skutki błędów mogą mieć wydźwięk nie tylko strat ekonomicznych, ale również tragiczny. Konstrukcja przynosi zysk tylko wtedy, gdy jest logiczna i nie stawia się jej nad zyskiem.

Należy podkreślić, że przedstawione rozwiązanie można zaliczyć do ustrojów o znacznym stopniu skomplikowania, mając na względzie również to, że po drugiej stronie budynku (nowego) użytkowana była przez cały czas droga komunikacji miejskiej. Tematyka przedstawiona w artykule może być przydatna dla szerokiego grona odbiorców, ponieważ autor nie spotkał się dotychczas z takim rozwiązaniem, jak przedstawione w niniejszej pracy.

Bibliografia

1. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (Dz.U. z 1994 r. Nr 89, poz. 414) wraz ze wszelkimi zmianami (opracowanie na podstawie t.j. Dz.U. z 2016 r. poz. 290, 961, 1165, 1250).
2. Praca zbiorowa pod redakcją: M. Kamiński, J. Jasiczak, W. Buczkowski, T. Błaszczyński, Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2007.
3. L. Runkiewicz, J. Sieczkowski, Zapobieganie awariom i katastrofom budowlanym przez kontrolę projektów budowlanych, „Wiadomości Projektanta Budownictwa” nr 3/16, Warszawa.
4. Praca zbiorowa pod kierunkiem L. Lichołai, Budownictwo ogólne, tom III „Elementy budynków, podstawy projektowania”, Arkady, Warszawa 2008.
5. PN-B-03264:2002 Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Obliczenia statyczne i projektowania, PKN, Warszawa 2002.
6. Praca zbiorowa pod redakcją: M. Kamiński, J. Jasiczak, W. Buczkowski, T. Błaszczyński, Współczesne metody naprawcze w obiektach budowlanych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2009.
7. Praca zbiorowa pod redakcją: M. Kamiński, J. Jasiczak, W. Buczkowski, T. Błaszczyński, Trwałe rozwiązania naprawcze w obiektach budowlanych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2011.
8. T. Błaszczyński, Durability and repair of building structures, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2011.
9. Praca zbiorowa pod redakcją: T. Błaszczyński, M. Siewczyńska, Trwałe metody naprawcze w obiektach betonowych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2015.
10. Praca zbiorowa pod redakcją: T. Błaszczyński, W. Buczkowski, J. Jasiczak, M. Kamiński, Trwałe metody naprawcze w obiektach budowlanych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2015.
11. Graitec Advance Design 2019 – poradnik użytkownika.

mgr inż. Piotr Bieranowski, konstruktor Wydział Nauk Technicznych Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

mgr inż. Kamil Dziedzic, konstruktor GRAITEC

O problemach posadowienia budynku w zabudowie plombowej

Opinia na temat zaprezentowanego rozwiązania budowlanego dr. hab. inż. Tomasza Godlewskiego z Zakładu Konstrukcji Budowlanych, Geotechniki i Betonu Instytutu Techniki Budowlanej.

Autor opinii wskazał, że „poza aspektami oryginalnego kształtowania ustroju nośnego nowo projektowanego obiektu oraz wskazaniu rozwiązań w zakresie statyki budowli w kierunku optymalizacji przyjętego zadania architektonicznego, artykuł z racji problematyki zagadnienia (i zgodnie z tytułem) odnosi się również do tematyki poprawnego rozwiązania posadowienia w uwarunkowaniach ścisłej zabudowy miejskiej.

O ile same analizy konstrukcyjne nie budzą sprzeciwu, wskazując na nowatorskie (zdaniem autorów) podejście do problemu, o tyle kwestie związane z geotechnicznymi warunkami posadowienia zostały tu potraktowane w sposób ograniczony, żeby nie powiedzieć znikomy. Opisując, istotną dla budownictwa w zwartej zabudowie, kwestię rozwiązania posadowienia, elementy warunkujące optymalny dobór fundamentów, tj. opis i stan warunków gruntowo-wodnych, analiza nośności, strefa oddziaływania wykopu zostały tu całkowicie pominięte. Jedynie nawiązanie do problematyki podłoża przedstawia rys. 1 (w artykule), brakuje jednak komentarza odnośnie do doboru określonych linii pochylenia określających potencjalny wpływ istniejącego budynku na głębokość posadowienia nowego budynku, w tym również w odniesieniu do analizowanego przypadku. Na marginesie można też dodać, że jest to podejście bardzo uproszczone, wskazujące na grunty o kątach tarcia między 20-30°. Jest to duże uogólnienie, gdyż zakres wartości tego parametru jest szerszy od kilku do nawet 40^o, w zależności od rodzaju gruntu, jego stanu genezy i historii. Jest to też opis połowiczny, ponieważ w przypadku statycznych oddziaływań geotechnicznych mamy do czynienia z oddziaływaniem zwrotnym. Wzajemne oddziaływanie istniejącego budynku na możliwość realizacji nowego obiektu jest warunkowane graniczną linią wpływu wykopu oraz graniczną linią wpływu obciążeń. Wzajemny zasięg stref oddziaływania jest tu oczywiście uzależniony od warunków w podłożu. Zjawisko to zostało opisane między innymi w trakcie realizacji I linii metra w Warszawie. (…)

Kolejne lata obserwacji i doświadczeń (głównie na metrze, ale i też przy realizacji kolejnych wysokościowców z głębokim podziemiem) dały przyczynek do opracowania szerszych i bardziej precyzyjnych wytycznych w zakresie oceny wzajemnej interakcji obiektów realizowanych w sąsiedztwie istniejącej zabudowy (Instrukcja ITB nr 376/2002). Wytyczne te sprawdziły się na tyle dobrze, że są nadal stosowane powszechnie przez projektantów i doczekały się nawet nowelizacji. (…) Charakterystyczne w zabudowie plombowej jest to, że warunek zachowania wymaganej odległości poza linią wpływu jest niemożliwy. W takim przypadku wymagane są stosowne działania mające na celu ograniczenie skutków zmian naprężeń w podłożu wynikających z etapu realizacji wykopu (odciążenie podłoża), a następnie wykonania samej konstrukcji (dociążenie podłoża)”.