Rozbiórka obiektu wzniesionego w technologii wielkiej płyty stanowi cenny materiał do rozwoju metod diagnostycznych. Artykuł badawczy opieramy na byłej siedzibie Miastoprojektu Białystok.
Budynki w technologii wielkiej płyty były montowane powszechnie w wielu krajach Europy w latach 1970-1990. Budownictwo prefabrykowane charakteryzowało się stosowaniem typowych elementów ściennych i stropowych oraz powtarzalnych rozwiązań systemowych. W podobnych lub nawet identycznych rozwiązaniach prefabrykatów i ich połączeń wykonano tysiące budynków. Taki powtarzalny typ konstrukcji pozwala na analizy całej grupy systemowych obiektów poprzez ograniczone liczbowo badania, a w przypadku metod niszczących nawet pojedyncze przypadki stanowią cenny materiał badawczy.
Stan techniczny elementów konstrukcyjnych wykonanych z prefabrykatów żelbetowych zależy od wielu czynników, wśród których najważniejszymi są jakość wykonania elementów w wytwórniach, sposób transportu i składowania na placu budowy, dokładność ich montażu, jakość wypełnienia złączy betonem, a na kolejnym etapie właściwe utrzymanie obiektu [1]. Nie mniej istotny wpływ mają również naturalne procesy starzenia się materiałów, zwłaszcza narażonych na wpływ agresywnego środowiska. Pod względem trwałości konstrukcji budynków wielkopłytowych potencjalnie słabymi miejscami są pionowe i poziome złącza scalające poszczególne elementy prefabrykowane. Wilgoć przenikająca przez elementy ścian zewnętrznych wędruje kapilarnie złączami na odcinki ścian wewnętrznych, woda z pomieszczeń generujących wilgoć (kuchnie, łazienki) przenika natomiast w złącza zlokalizowane bezpośrednio przy nich. Elementy zewnętrzne wykonane z płyt prefabrykowanych, tj. ściany, stropodachy, balkony, loggie są bezpośrednio, całą powierzchnią, narażone na oddziaływanie deszczu, temperatury oraz zanieczyszczeń występujących w środowisku atmosferycznym.
Na przestrzeni kilkudziesięciu lat użytkowania stan zarówno elementów prefabrykowanych, jak i połączeń zrealizowanych między nimi, ulegał stopniowemu pogarszaniu. Elementy konstrukcyjne, a także całe budynki wymagały bieżących napraw czy modernizacji [2-4]. Zmiany systemowe w Europie Centralnej niekorzystnie nałożyły się na proces użytkowania, stąd wiele napraw było odwlekanych ponad miarę ze względów finansowych. Stopniowej degradacji ulegają także elementy drugorzędne takie jak obróbki blacharskie czy balustrady balkonów [5].
W celu oceny stanu konstrukcji niezbędne jest przeprowadzenie badań, których wyniki stanowią podstawę do wykonania obliczeń numerycznych. Uzyskane wyniki pozwolą na podjęcie odpowiednich decyzji co do dalszej eksploatacji obiektu, np. naprawy, wzmocnienia, czy nawet wyłączenia z eksploatacji lub rozbiórki. Budownictwo wielkopłytowe charakteryzuje się wadami, które określono jako typowe dla tego rodzaju konstrukcji. Wady te powstawały już na etapie wznoszenia obiektu wskutek nieprawidłowego montażu. Wynika to z faktu przeprowadzania prac konstrukcyjnych przez niewykwalifikowanych pracowników, niedostateczny nadzór, a także przez niską jakość stosowanych wówczas materiałów budowlanych.
Błędy popełnione podczas montażu są trudne do zidentyfikowania i monitorowania w użytkowanych budynkach mieszkalnych, ze względu na uciążliwość przeprowadzania badań dla lokatorów. Jednakże wśród dużej liczby obiektów można odnaleźć także budynki nieukończone, opuszczone lub przeznaczone do rozbiórki. Stanowią one doskonały poligon badawczy, dostarczający cennych danych związanych z degradacją materiałów konstrukcji w czasie eksploatacji. Pozwalają też na weryfikację przydatności i skuteczności nowoczesnych metod przeznaczonych do niszczących i nieniszczących badań obiektów wielkopłytowych. Autorzy uczestniczyli w demontażu 12-kondygnacyjnego obiektu (Rys. 1), na którym przeprowadzili szereg badań wizualnych, niszczących oraz nieniszczących. Pozyskane wyniki oraz sformułowane wnioski mogą stanowić przyczynek do usprawnienia oceny stanu technicznego obiektów wielkopłytowych. Szczególnie cenne jest porównanie wyników badań wizualnych i nieniszczących z wynikami badań niszczących, co umożliwia kalibrację ocen.
Poddany rozbiórce dwusegmentowy budynek o jedenastu kondygnacjach nadziemnych i jednej podziemnej został zrealizowany w 1978 r. w technologii OWT-67 i pełnił rolę budynku biurowego, w którym zlokalizowano lokalne biuro projektów. System charakteryzował się rozmiarem największego modułu wynoszącego 5,4×4,8 m, o wysokości kondygnacji 2,7 m [7]. Stropy o grubości 0,14 m opierały się na trzech ścianach, również o grubości 0,14 m oraz zewnętrznej tzw. belko-ścianie. Ściany wykonywane były z płyt o wysokości kondygnacji i długości pomieszczenia. Elewację opisywanego biurowca stanowiły blachy mocowane do ścian szczytowych oraz belek. Do budynku przylegały także dwie parterowe części o konstrukcji mieszanej, żelbetowo-stalowej, stanowiące główne wejście do całego kompleksu. Obiekt, który wyłączono z eksploatacji w 2011 r., został poddany rozbiórce (Rys. 2) ze względu na aspekty architektoniczne i ekonomiczne, a nie uszkodzenia i wady konstrukcji.
Na etapie poprzedzającym prace wyburzeniowe przeprowadzona została wizualna ocena stanu technicznego obiektu jako całości, jak i jego poszczególnych głównych elementów konstrukcyjnych. Ocena ta została wykonana w kontekście widocznych uszkodzeń, zgodnie z typową metodologią przeglądów okresowych budynków. Na tym etapie badań nie stwierdzono widocznych istotnych oznak degradacji zagrażających bezpieczeństwu konstrukcji w trakcie rozbiórki. Zaobserwowane wady również nie świadczyły o istotnych zagrożeniach trwałości konstrukcji w przypadku jej ewentualnego dalszego użytkowania.
W miejscach złączy poziomych stropów, czyli w połączeniach płyt stropowych, widoczne były pęknięcia świadczące o ich klawiszowaniu (przemieszczeniach pionowych krawędzi sąsiednich płyt). W górnych częściach złączy pionowych ścian stwierdzano, że wypełnienia wykonane w trakcie montażu budynku były realizowane niestarannie, beton był bardzo porowaty, o nierównej powierzchni, a także nie wypełniał całego styku prefabrykatów. W belko-ścianach, w miejscu oparcia stolarki okiennej i drzwiowej zinwentaryzowano skorodowane pręty zbrojeniowe. Nalot korozji mógł powstać po niestarannym demontażu parapetów. Robotnicy w trakcie prac doprowadzili do uszkodzeń warstwy betonowej i ekspozycji stali zbrojeniowej na oddziaływania środowiska. W innych miejscach nie stwierdzono objawów degradacji w postaci odbarwień i pęknięć wzdłuż siatki prętów, mogących świadczyć o intensywnym procesie korozyjnym prętów zbrojenia. Do wykonania badań nieniszczących autorzy zastosowali specjalistyczną aparaturę badawczą w postaci betonoskopu oraz detektora zbrojenia, wykorzystując metody ultradźwiękowe i ferromagnetyczne (Rys. 3).
W pierwszym etapie wykonano skany liniowe ścian podłużnych i poprzecznych za pomocą betonoskopu ultradźwiękowego z głowicami o częstotliwości 54 kHz. Prędkości rozchodzenia się fal dla wszystkich wykonanych odczytów mieściły się w przedziale od 3.500 do 4.000 m/s. Zgodnie z klasyfikacją zaprezentowaną w [9] świadczy to o dobrej jakości betonu.
Kolejnym etapem były skany powierzchniowe ścian i stropów z użyciem głowicy Pulse-Echo. Ocenie poddano grubości elementów, lokalizację ewentualnych pustek i nieciągłości materiałowych oraz prędkości rozchodzenia się fal ścinających. Zidentyfikowane różnice grubości elementów mieściły się w odchyłkach wykonawczych tj. ±0,5cm. Na uzyskanych obrazach nie zlokalizowano miejsc wskazujących na występowanie nieciągłości materiałowych. Prędkość fali poprzecznej zawierała się w przedziale 1.800-2.000 m/s, przy czym zazwyczaj średnia prędkość fali dla betonu wynosi 2.000 m/s [10].
Ze względu na dostęp jednostronny do złączy pionowych, jakość betonu sprawdzano używając trybu pomiaru pośredniego, tj. ustawianiu głowic na jednej płaszczyźnie. Otrzymane prędkości mieściły się w granicach od 1.700 do 2.100 m/s. Może to świadczyć o niskiej jakości betonu, jednak należy zaznaczyć, że w trybie pomiaru powierzchniowego, znaczący wpływ na wyniki ma jakość wierzchniej warstwy elementu. Mikropęknięcia i ubytki prowadzą do zaniżenia prędkości fal.
Kolejnym etapem było wykonanie B-skanów złączy pionowych oraz ścian wykorzystując głowicę Pulse-Echo. B-skan generuje obraz przekroju poprzecznego badanego elementu, prostopadle do powierzchni skanującej. Wykonane B-skany ujawniły występowanie pustek i rozwarstwień w wypełnieniach, powstałych na skutek niedokładnego ułożenia i zagęszczenia mieszanki betonowej podczas montażu elementów. W ścianach nie wykryto nieprawidłowości świadczących o złej strukturze betonu.
W celu identyfikacji jakości prac zbrojarskich wykonano skany liniowe i powierzchniowe przy użyciu aparatury badawczej wykorzystującej metodę ferromagnetyczną. Wyniki przeprowadzonych skanów wskazały na miejscowo niedostateczną grubość otuliny. Rozkład zbrojenia był zgodny z archiwalną dokumentacją projektową, do której autorzy posiadali dostęp.
Poziom dokładności wyników badań nieniszczących na bieżąco weryfikowano poprzez wykonanie dużej liczby odkrywek ścian, belko-ścian oraz stropów. Budynek i tak był przeznaczony do wyburzenia, więc jedynym ograniczeniem badań było zachowanie integralności strukturalnej. Odsłonięte w odkrywkach pręty zbrojeniowe nie wykazywały oznak korozji. Beton w elementach prefabrykatów był dobrej jakości i nie charakteryzował się wysoką porowatością. W celu wykonania badań laboratoryjnych wykonano odwierty rdzeniowe w różnych elementach konstrukcji (Rys. 4). W elementach belko-ścian na miejscu wykonano pomiary grubości poszczególnych warstw. Stwierdzona grubość izolacji wynosiła 5 cm, natomiast warstwa fakturowa charakteryzowała się zróżnicowaną grubością wynoszącą od 3,5 do 7,5 cm, co jest niezgodne z założeniami projektowymi. Różnice nie były widoczne z zewnątrz ze względu na elewacje wykonaną z blachy fałdowej przymocowanej do belko-ścian za pomocą stalowych listew.
Próbki przystosowano do wymiarów normowych za pomocą elektronarzędzi, oszlifowano ich powierzchnie, a następnie poddano testom wytrzymałości na ściskanie w warunkach laboratoryjnych. Wyniki badań wytrzymałościowych odwiertów rdzeniowych pobranych ze ścian, stropów oraz belko-ścian były do siebie zbliżone. Wszystkie mieściły się w przedziale od 20 do 30 MPa, co stanowiło podstawę do kwalifikacji betonu do obecnej klasy C16/20, która to jest przybliżonym odpowiednikiem ówczesnej M200, zgodnej z założeniami projektowymi.
Odwierty wykonano również w miejscach połączeń płyt stropowych i ścian. Ustalono, że jakość wypełnień złączy płyt stropowych i ścian była niezadowalająca. Stwierdzono niestaranne ułożenie mieszanki betonowej, zinwentaryzowano liczne pęknięcia wewnątrz struktury betonu oraz w miejscach kontaktu wypełnienia z dyblami ścian. Część prac badawczych wykonano w trakcie demontażu poszczególnych kondygnacji. Po demontażu płyt stropowych wykonano dokumentację fotograficzną spawanych złączy prefabrykatów (Rys. 5). Następne miejscowo odkuto ukryte wieńce ścian i wycięto blachy połączeń do badań laboratoryjnych. Na podstawie badań kilkudziesięciu pobranych próbek stwierdzono miejscowe braki spoin, zarówno pomiędzy wieńcem a marką stalową jak i między marką, a płaskownikami. Wiele połączeń miało znaczne odchyłki geometryczne – blachy wyginano na miejscu w celu umożliwienia ich montażu na nierówno umiejscowionych prefabrykatach ścian. Zinwentaryzowano również zbyt krótkie płaskowniki, spawane punktowo, niezgodnie z założeniami projektowymi. W pojedynczych przypadkach płaskowniki były przyspawane zakładkowo do drugiego płaskownika, zamiast do marki osadzonej w ścianie. Wszystkie blachy były pokryte jedynie powierzchniową warstwą korozji. Prawdopodobnie w takim stanie zostały zamontowane w czasie wznoszenia obiektu.
Podsumowanie: Stale rosnący wiek eksploatowanych budynków wielkopłytowych wiąże się z obowiązkiem wykonywania okresowych ocen ich stanu technicznego. Wady konstrukcyjne powstałe na skutek montażu takie jak: niedokładnie wykonane połączenia stalowe czy wypełniania złączy osłabiają konstrukcję budynku od początku jego istnienia. Świadczy to o dużych zapasach nośności i redystrybucji sił wewnętrznych w całym układzie konstrukcyjnym. Konstrukcje jednak są nieustannie narażone na utratę trwałości związaną z agresją środowiska oraz starzeniem się materiałów. Oznacza to, że mimo względnie dobrego stanu budynków oraz braku potwierdzonych awarii, należy stale monitorować stan konstrukcyjny obiektów wielkopłytowych.
Rozbiórka takich konstrukcji należy do rzadkości i umożliwia wykonanie bardzo dużej ilości badań, w tym niszczących, które są najbardziej uciążliwe dla mieszkańców eksploatowanych obiektów. Stanowi to wyjątkową okazję do pobrania cennych próbek badawczych, w tym próbek ukrytych złączy stalowych.
Ocena stanu technicznego konstrukcji powinna opierać się na porównaniu efektów wstępnej oceny wizualnej z wynikami badań nieniszczących oraz badań niszczących. Liczbę badań niszczących w przypadku dużych konstrukcji z prefabrykatów można ograniczyć do minimum, ze względu na koszty i uszkodzenia użytkowanej konstrukcji.
Maciej Wardach i Janusz Ryszard Krentowski
Politechnika Białostocka, Wydział Budownictwa i Nauk o Środowisku
Artykuł został opracowany na podstawie publikacji autorów: Wardach M.; Krentowski J.R.; Knyziak P. Degradation Analyses of Systemic Large-Panel Buildings Using Comparative Testing during Demolition. Materials 2022, 15, doi:10.3390/ma15113770
| Bibliografia: 1. Knyziak P. Nadbudowa Prefabrykowanych Budynków Mieszkalnych w Warszawie. Materiały Budowlane 2016, 1, 132–133, doi:10.15199/33.2016.11.57. 2. Knyziak P.; Kanoniczak M. Difficulties in Operation of Elevations in Large-Panel Buildings. In Proceedings of the IOP Conference Series: Materials Science and Engineering; 2019; Vol. 661. 3. Ligęza W. Naprawa i Wzmacnianie Budynków z Wielkiej Płyty. In Proceedings of the XXI Ogólnopolska Konferencja „Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji”, t. II; Ustroń, 2006. 4. Ligęza W. Budownictwo Wielkopłytowe Po Latach. Wybrane Problemy Remontowe (Large-Panel Buildings after Years of Exploitation. Selected Problems of Repairs). Budownictwo i Architektura 2014, 13, 15–25. 5. Wardach M.; Talipski, W. Analiza Wybranych Błędów Projektowych i Montażowych Połączeń Balustrad z Płytami Balkonowymi. BUILDER 2021, 292, 18–21, doi:10.5604/01.3001.0015.3856. 6. Wardach M.; Krentowski, J.R. Diagnostics of Large-Panel Buildings—An Attempt to Reduce the Number of Destructive Tests. Materials 2023, 17, 18, doi:10.3390/ma17010018. 7. Dzierżewicz Z.; Starosolski, W. Large Panel Systems in Poland in Years 1970-1985 (in Polish); Oficyna a Wolters Kluwer business, 2010; 8. Wardach M.; Krentowski J.R.; Knyziak, P. Degradation Analyses of Systemic Large-Panel Buildings Using Comparative Testing during Demolition. Materials 2022, 15, doi:10.3390/ma15113770. 9. Dermawan A.S.; Dewi, S.M.; Wisnumurti; Wibowo, A. Performance Evaluation and Crack Repair in Building Infrastructure. IOP Conf Ser Earth Environ Sci 2019, 328, 012007, doi:10.1088/1755-1315/328/1/012007. 10. Todorovska M.I.; Ivanovi S.S.; Trifunac M.D. Wave Propagation in a Seven-Story Reinforced Concrete Building: I. Theoretical Models. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 2001, 21, 211–223, doi:10.1016/S0267-7261(01)00003-3. |
