Nieprawidłowo zaprojektowane lub wykonane połączenia balustrad prowadzą do degradacji warstw wykończeniowych, powstawania nadmiernych przemieszczeń, zmniejszenia poczucia bezpieczeństwa mieszkańców, a nawet awarii budowlanych.
W artykule wskazano na genezę wad, zbadano stan degradacji połączeń balustrad i wykończenia płyt balkonowych w budynku OWT po 21 latach eksploatacji. Ponadto przeanalizowano szereg współcześnie wykonywanych projektów balustrad oraz obliczeniowo zweryfikowano nośność połączeń w różnorodnych wariantach. Brak w aktualnych normach jednoznacznej wartości obciążeń przekazywanych na balustrady może powodować przekroczenie stanów granicznych w stalowych elementach kotwiących i prowadzić do ich degradacji lub awarii. Konsekwencją tych wad jest konieczność licznych napraw i pogorszenie komfortu życia mieszkańców. Istotne jest, jednoznaczne określenie dopuszczalnych obciążeń działających na balustrady oraz opracowanie wytycznych sposobu ich montażu.
W budynkach wielkopłytowych obok licznie zdiagnozowanych wad połączeń warstw fakturowych z warstwami nośnymi belko-ścian [2, 3] można spotkać się z wadami wykonania podpór płyt balkonowych [4] oraz degradacją wykończenia balkonów i balustrad [1]. Często pomijanym, istotnym aspektem w odniesieniu do awaryjności są połączenia balustrad. W budynkach wykonanych w systemach wielkopłytowych np. OWT projektowano połączenia do górnej powierzchni płyty za pośrednictwem stalowych marek zabetonowanych w płycie balkonowej (rys. 1). Mocowanie do ścian realizowano za pomocą odginanych prętów lub płaskowników. Wadą takich połączeń jest zmniejszenie skuteczności hydroizolacji balkonów – warstwy izolacyjne są „przebite” przez połączenia balustrad z płytami. Akumulacja wody, związana z nasiąkliwością betonu i oddziaływania termiczne prowadzą do degradacji betonu i stali, a wcześniej do uszkodzenia posadzki płyt balkonowych.
W celu zweryfikowania postawionej tezy przeprowadzono badania nieniszczące balustrad budynku OWT wybudowanego w 1990 r. w Białymstoku. Za pomocą młotka Schmidta określono klasę betonu płyty o grubości 16 cm i wysięgu 1,2 m do klasy C16/20. Rozstaw słupków mocujących wykonanych z płaskowników o grubości 6 mm wynosił 1,2 m. Za pomocą twardościomierza ultradźwiękowego wstępnie oszacowano granicę plastyczności stali, z której wykonano elementy balustrad, poprzez korelację twardości z parametrami wytrzymałościowymi. W rezultacie badań niszczących potwierdzono, że poprawnie zaklasyfikowano stal kształtowników do gatunku S235. Pomiary wykonane grubościomierzem ultradźwiękowym wykazały ubytek grubości słupków wynoszący od 0,2 do 0,4 mm. Zabetonowaną markę stalową o wymiarach 6×6 cm i grubości 5 mm również zaklasyfikowano do gatunku S235. Ubytek grubości miejscowo wynosił do 0,2 mm. W wyniku badań makroskopowych określono destrukcję posadzki, zwłaszcza w rejonie czoła płyty i słupków stalowych oraz korozję kształtowników i obróbki blacharskiej (rys. 2 i 3). Zaobserwowano także liczne wykwity i spękania tynku od spodu balkonu.
Woda penetrująca przez przebitą warstwę hydroizolacji, oddziaływania termiczne oraz niewłaściwe zabezpieczenie przeciwkorozyjne kształtowników stanowią główną przyczynę zaobserwowanej degradacji warstw wykończeniowych i słupków balustrad.
Obecnie autorzy w swojej pracy zawodowej, związanej z nowo powstającymi budynkami, spotykają błędy projektowe powodujące nadmierne odkształcenia balustrad, które wpływają na zmniejszenie poczucia bezpieczeństwa ich użytkowników. W przypadku barier z wypełnieniem szklanym deformacje mogą skutkować powstawaniem naprężeń grożących awarią. Istotnym aspektem może być rozbieżność przyjmowanych przez projektantów, wartości obciążeń poziomych balustrad. Obciążenie poziomą siłą ciągłą, działającą prostopadle do płaszczyzny balustrady wg normy [5] dla budynków mieszkalnych powinno wynosić 1,0 kN/m. Eurokod [6] dopuszcza wybór owego obciążenia z przedziału od 0,2 do 1,0 kN/m, przy czym wartością zalecaną jest 0,5 kN/m.
Autorzy przeprowadzili obliczenia statyczne, które wykazały, że największy wpływ na stabilność połączenia ma korelacja pomiędzy grubością płytki kotwowej, a ilością kotew i działających na balustradę obciążeń. Do ukazania różnic w wytężeniu płytek kotwowych stworzono model obliczeniowy w programie Ansys [7]. Założono połączenie doczołowe ze stali gatunku S235 (obecnie najczęściej stosowana do wykonywania balustrad i ich połączeń). Słupki w rozstawie co 0,75 m, balustrada obciążona ciężarem własnym oraz siłą ciągłą o wartości 0,5 lub 1 kN/m działającą poziomo prostopadle do płaszczyzny balustrady na pochwyt balustrady. Współczynniki obliczeniowe przyjęto jak dla kombinacji SGN, tj. γGj,sup=1,35 i γQ,1=1,5 [8]. Schemat połączenia balustrady z płytą balkonową oraz analizowany model numeryczny zaprezentowano na rys. 4.
Wyniki analizy przedstawiono w postaci wykresów naprężeń w płytkach kotwowych, w zależności od ich grubości, liczby kotew oraz wielkości obciążeń (rys. 5).
Obliczenia wykazały, że przyjęcie obciążenia 0,5 kN/m działającego prostopadle na pochwyt balustrady nie powoduje przekroczenia naprężeń nawet w najcieńszej płytce, czyli o grubości 8 mm mocowanej na dwie kotwy. Przyjęcie obciążenia 1 kN/m i mocowanie na dwie kotwy powoduje powstanie naprężeń na poziomie ponad 264 MPa, co oznacza, że dopiero płytka o 12 mm grubości jest w stanie spełnić stan graniczny nośności. W przypadku stosowania czterech kotew, wystarczająca jest płytka o grubości 10 mm (rys. 6).
Wykresy dla płytek kotwowych mocowanych na dwie kotwy wskazują na koncentrację naprężeń w środku płytek oraz w miejscach styku płytka – kotwy. Największe naprężenia w przypadku mocowania na cztery kotwy występują w górnej, rozciąganej strefie połączenia z blachą stalową, do której montowany jest słupek balustrady. Różnica w naprężeniach pomiędzy dwoma sposobami kotwienia wynosi od 25% do 48% i jest największa w przypadku najcieńszej płytki. Należy jednakże zwrócić uwagę na grubość płyty żelbetowej przy stosowaniu czterech kotew, ponieważ zbyt mała grubość otuliny może skutkować rozwarstwieniem płyty w strefie montażu kotew.
Przyjęcie obciążenia zalecanego przez Eurokod tj. 0,5 kN/m może skutkować takim doborem sposobu mocowania i grubości płytki kotwowej, który w przypadku incydentalnych, większych obciążeń prowadzi do przekroczenia naprężeń i nadmiernych odkształceń balustrady, a nawet jej awarii.
Inne wadliwe rozwiązania, zaobserwowane na etapie prac projektowych i wykonawczych w współcześnie wznoszonych obiektach to m.in.:
– Błędnie przyjmowane gatunki stali używane do wykonania połączeń, profili oraz kotew. Stal ocynkowana po dłuższym czasie eksploatacji traci właściwości ochronne i ulega degradacji. Zalecane jest stosowanie stali nierdzewnej.
– Stosowanie w warunkach zimowych kotew chemicznych z iniektem nieprzystosowanym do działania ujemnych temperatur, powodujących spadek oczekiwanej nośności.
– Stosowanie otworów o tzw. kształcie fasolowym w płytkach kotwowych przy jednoczesnym niestosowaniu połączeń sprężanych. Brak sprężenia powoduje wraz z upływem czasu luzowanie śrub, prowadzące do utraty sztywności połączenia.
– Wadliwie wykonane spadki w płytach balkonowych oraz niedbałe wykonanie hydroizolacji.
Na podstawie przeprowadzonych badań, zarówno obiektów istniejących i nowo powstających, autorzy zalecają stosowanie doczołowych połączeń balustrad z płytą balkonową (rys. 7a), unikając w ten sposób przebicia warstwy hydroizolacji, a co za tym idzie problemów z przenikaniem wody i szybszą korozją stali. Skutecznym rozwiązaniem z punktu widzenia trwałości jest wykończenie płyt balkonowych płytami ceramicznymi układanymi na podkładkach dystansowych (rys. 7b). Eliminuje to usterki związane z destrukcją posadzek w postaci płytek ceramicznych na zaprawie klejowej, a także jest korzystne ze względu na szybkość prowadzonych prac.
Projekty warsztatowe balustrad powinny zawierać precyzyjne wytyczne co do stosowania połączeń sprężanych w przypadku otworów fasolowych oraz uwzględniać warunki atmosferyczne podczas montażu, jeśli przewidziano zastosowanie kotew chemicznych. Jednoznaczne wytyczne montażowe pozwalają na zmniejszenie ilości błędów wykonawczych.
Przeprowadzone obliczenia potwierdziły istnienie korelacji pomiędzy grubością płytki kotwowej, a liczbą kotew i działających na balustradę obciążeń. Prawidłowy dobór geometrii połączenia balustrady z płytą balkonową wymaga przeprowadzenia obliczeń statycznych połączeń, uwzględniających rzeczywisty schemat statyczny balustrad i ich obciążeń.
W celu zachowania zapasów bezpieczeństwa autorzy, na podstawie własnych doświadczeń, zalecają stosowanie wartości obciążeń zgodnie z Polską Normą [5] lub obciążeń odpowiadających maksymalnym wartościom określonym w Eurokodzie [6].
Maciej Wardach, Katedra Konstrukcji Budowlanych i Mechaniki Budowli, Wydział Budownictwa i Nauk o Środowisku, Politechnika Białostocka
Wojciech Talipski, Unibeb SA, Bielsk Podlaski
Tekst opublikowany w Builder 2021, vol. 292, nr 11, s. 18-21.
| Bilbiografia [1] J. Dębowski, K. Firek, „Stan techniczny elementów balkonów w budynkach wielkopłytowych”, Przegląd Budowlany, nr 6/2015, s. 18-22. [2] J. R. Krentowski, P. Knyziak, M. Mackiewicz, „Durability of interlayer connections in external walls in precast residential buildings”, Engineering Failure Analysis, 2021, DOI: 10.1016/j.engfailanal.2020.105059 [3] J. R. Krentowski, P. Knyziak, M. Wardach, „Płyta na wieszaku”, Inżynier Warmii i Mazur: informator Warmińsko-Mazurskiej Okręgowej Izby Inżynierów Budownictwa, nr 1/2020, s. 14-15. [4] P. M. Bieranowski, P. Knyziak, „Non-invasive Tests of Precast Cantilever Balcony in OWT-67 System”, MATEC Web of Conferences 196, 2018, DOI: 10.1051/matecconf/201819602023. [5] PN-82/B-02003:1982 Obciążenia budowli – Obciążenia zmienne technologiczne – Podstawowe obciążenia technologiczne i montażowe. [6] PN-EN 1991-1-1:2004 Oddziaływania na konstrukcje, Część 1-1: Oddziaływania ogólne. Ciężar objętościowy, ciężar własny, obciążenia użytkowe w budynkach. [7] ANSYS Inc, Ansys R2, program komputerowy (2021). [8] PN-EN 1990:2004 Eurokod, Podstawy projektowania konstrukcji. |
