Seria: B U D O W N IC T W O z. 93 N r kol. 1514
Rafal SIEŃKO*
Politechnika K rakow ska
BADANIE, ANALIZA NUMERYCZNA I WZMACNIANIE TYPOWYCH KABLOBETONOWYCH DŹWIGARÓW DACHOWYCH
S treszczen ie. W referacie przedstawiono sposoby badania stanu technicznego typowych kablobetono- wych dźwigarów dachowych, opisano m odele numeryczne zastosowane do weryfikacji obliczeniowej nośności konstrukcji przekrycia dachowego oraz zaproponowano nowe rozwiązanie wzm ocnienia dźwigarów o rozpięto- ściach 15-24 m poprzez sprężenie ich kablami bezprzyczepnościowym i, kotwionymi w specjalnym systemie zakotwień. Zastosowany system pozwala na doprężenie pasa dolnego nie tylko w czasie naprawy, ale również w dowolnym okresie ich dalszej eksploatacji.
RESEARCH, NUMERICAL ANALYSIS AND STRENGTHENING OF POST-TENSIONED PRESTRESSED CONCRETE ROOF GIRDERS
S u m m ary. This paper deals about researching methods o f post-tensioned prestressed concrete roof gird
ers’ durability degree. Numerical models o f girders, which were applied to verify load capacity, were described.
The new solution o f strengthening o f structure in the means o f supplemental prestressing o f girders with rectilin
ear unbounded tendons anchored in a specially designed anchorage system was proposed. This solution gives the possibility o f adjustment o f the prestressing force, not only during the reparation, but also during further exploi
tation.
1. W stęp
W latach pięćdziesiątych w prow adzono w Polsce do pow szechnego stosow ania w budow nictwie przem ysłow ym lekkie prefabrykow ane dachow e dźw igary kablobetonow e KBO i KBOS sprężone kablam i o zakotw ieniach stożkow ych [1], Pas górny tych dźw igarów miał kształt paraboliczny dostosow any do lini przebiegu m om entu, natom iast pas dolny - kształt prostoliniowy. K able sprężające 12<)>5, których liczba zależała od typu dźw igara, prowadzone były w kanałach w ew nętrznych pasa dolnego. Po sprężeniu cięgien otw ory w ypełniane były iniekcją z zaczynu cem entow ego. Produkow ano dźw igary o rozpiętościach 15, 18, 21 oraz
* O piekun naukow y: Prof. dr hab. inż. K rzysztof Dyduch.
24 m. M ogły być one jednoczęściow e (KBO ) lub składane z segm entów (K B O S). N a rys.l przedstaw iono przykładow o w idok dźw igarów KBOS-15 i KBOS-24.
W bardzo krótkim czasie w zniesiono w Polsce setki hal z zastosow aniem dźwigarów ka- blobetonow ych ja k o elem entów nośnych konstrukcji dachu. N iestety, w spaniała idea rozwią
zania konstrukcyjnego nie zaw sze m iała w łaściw e rozw iązania technologiczne [2], W następ
stw ie kilku katastrof budow lanych, w w yniku których zniszczeniu uległy kablobetonowe dźw igary łukow e, zaniechano stosow ania elem entów kablobetonow ych jako konstrukcji no
śnej przekryć dachow ych.
Rys. 1. Widok dźwigarów kablobetonowych KBOS-15 i KBOS-24
Fig. 1. V iew o f precast post-tensioned prestressed concrete girders KBOS-15 and K BO S-24
Przyczyny koniecznych wzm ocnień dachow ych dźw igarów kablobetonow ych [2]
N a obniżenie stopnia trw ałości dźw igarów kablobetonow ych ma w pływ wiele czynników, które m ożna podzielić na trzy podstaw ow e grupy:
a) błędy konstrukcyjne. N ależy tu zaznaczyć, że obliczenia statyczno-wytrzym ałościowe
były w ykonyw ane zgodnie z uproszczonym schem atem statycznym , którego rozw iązanie da
wało dość bezpieczne wyniki. Błędne natom iast były często rozw iązania technologiczne, jak:
podw ieszanie rurociągów do pasów dolnych, złe rozw iązania odw odnienia połaci powodujące zalew anie strefy zakotw ień itp.;
b) błędy w ykonaw cze. Do najczęściej w ystępujących błędów tego typu należą m.in.: ubytki
i zbyt słaba zapraw a w stykach segm entów dźw igarów, brak iniekcji lub niepełne wypełnienie kanałów kablow ych, nieobetonow anie zakotw ień kabli, wadliwe oparcie dźw igarów na słu
pach, stosow anie zbyt grubych w ylew ek w pokryciach połaci dachowych;
c) błędy eksploatacyjne. U żytkow nicy bardzo często nie przeprow adzali okresow ych kon
troli dźwigarów. Szczególnie zaniedbyw ane były pokrycia dachow e, których napraw a najczę
ściej sprow adzała się do nałożenia nowej w arstw y papy i lepiku, co pow odow ało dodatkowe zw iększenie obciążenia. Lekcew ażone było zabezpieczenie dźw igarów przed szkodliwym
wpływem agresyw nego środow iska zm ieniającego się w raz ze zm ian ą w ykorzystania hali, co prowadziło do korozji kabli. Proces niszczenia stali sprężającej m oże być w yw ołany bezpo
średnim oddziaływ aniem czynnika korozyjnego na odsłonięte fragm enty cięgien (np. przy nieobetonow anych zakotw ieniach) lub pośrednio - poprzez infiltrację substancji agresywnych wew nątrz pozbaw ionej w łaściw ości ochronnych otuliny betonowej. Zjaw isko korozji potę
gowane je s t dodatkow o w pływ em wad m ateriałow ych, takich jak: zanieczyszczenie w proce
sie produkcji, w trącenia niem etaliczne, różnice w składzie chem icznym itp. oraz w ielkością naprężeń, jakim poddana je s t stal sprężająca [3],
Sposoby badania stanu technicznego dźw igarów kablobetonow ych
N ajczęściej ocena stanu technicznego dźw igarów polega na ocenie w izualnej oraz odpo
w iednich pom iarach, do których należą:
- obserw acja i ocena, czy w ystąpiły zarysow ania w pasie dolnym i ew entualny pom iar sze
rokości rys,
- badanie w ytrzym ałości betonu dźw igarów i zapraw y w stykach segm entów, - kontrola zakotw ień,
- kontrola stopnia w ypełnienia kanałów kablow ych zaczynem cem entow ym , - kontrola stopnia korozji stali sprężającej oraz w łaściw ości ochronnych betonu, - pom iar ugięć p asa dolnego dźw igarów , ew. pom iar odkształceń elem entów dźwigara.
Dotychczasow e m etody w zm ocnień
W trakcie prow adzonej kontroli stanu technicznego dźw igarów kablobetonow ych w kilku zakładach przem ysłow ych południow ej Polski stw ierdzono w ystępow anie zarysow ania za
prawy w ypełniającej styki dolnych pasów dźw igarów , bardzo du żą korozję zakotw ień kabli z uwagi na ich nieobetonow anie oraz przyrost ugięć w czasie. W jednej z hal stan techniczny dźw igarów budził tak duże zastrzeżenia, że podjęto decyzję o natychm iastow ym ich w zm oc
nieniu. Poniew aż produkcja prow adzona w hali nie m ogła zostać przerw ana ze w zględów technologicznych, szukano m etody w zm ocnienia uszkodzonych dźw igarów pozw alającej na jej w ykonanie praktycznie bez przestoju w zakładzie oraz dającej gw arancję bezawaryjnej
pracy konstrukcji w dalszych latach eksploatacji.
W dotychczasow ych m etodach w zm ocnień dźw igarów stosow ano [2, 4, 5]:
- odciążenie dźw igarów poprzez usunięcie części niekonstrukcyjnych w arstw przekrycia dachow ego,
- w zm ocnienie dźw igara kablobetonow ego dw om a dźwigaram i stalowym i, kratowymi, - zam ianę na konstrukcję żelbetową,
- zastosow anie ściągów z prętów lub płaskow ników ze stali zwykłej, - doprężenie z zastosow aniem kabli prętowych,
- doprężenie z zastosow aniem kabli z drutów lub splotów ze stali sprężającej.
N iektóre z tych metod m ogą budzić kontrow ersje, a nawet s ą błędne. T rzeba bowiem w pełni zdaw ać sobie spraw ę z pracy statycznej dźw igara przy obciążeniach i zrywaniu po
szczególnych cięgien oraz odpow iedzieć na pytanie, czy zaproponow ane w zm ocnienie będzie zaw sze skuteczne.
2. Analiza obliczeniowa dźwigarów
W przedstaw ionej pracy przeprow adzono szczegółow ą analizę statyczno-wytrzymało- ściow ą dźw igarów K BO i KBOS dla trzech przyjętych m odeli num erycznych. Do obliczeń, które w ykonyw ane były w program ie R O B O T 97, zastosow ano dw a m odele płaskiej ramy:
a) ram ę „przegubow ą” proponow aną w publikacji [1], w której słupki połączone są z pasami dźw igara w sposób przegubow y - (rys.2a),
b) ram ę „sztyw ną”, gdzie słupki przenoszą m om enty na pas dolny i górny - (rys.2b). Model ten, zdaniem autora, bardziej odpow iada rzeczyw istej konstrukcji dźwigara, ponieważ często, w brew zaleceniom projektantów , stosowano pełne utw ierdzenie słupków w pa
sach.
W obu przypadkach siła sprężająca została zam odelow ana w postaci siły skupionej przyło
żonej na początku i końcu dźw igara na pewnym m im ośrodzie. W obliczeniach uwzględniono fazow ość pracy konstrukcji (zm ienna geom etria ze względu na zespolenie z nadbetonem).
Badano także w pływ zarówno doprężenia konstrukcji, ja k i spadku stopnia sprężenia od zry
w ania poszczególnych kabli.
c) przestrzenny m odel num eryczny hali z dźwigaram i kablobetonow ym i.
Przekrycie hal przem ysłow ych, w których dźw igary kablobetonow e są głównym i elemen
tam i nośnym i, stanow ią w w iększości żelbetow e płyty żebrow e oparte na dźw igarach i ze
spolone z pasem górnym poprzez nadbeton. R ów nocześnie istnieje zespolenie samych płyt dachow ych m iędzy so b ą na całej rozpiętości dźw igara. Jeśli nie m a nieciągłości nadbetonu w
dźwigarze, w ydaje się w pełni uzasadnione zam odelow anie dachu ja k o w ycinka pow łoki, w której pasy górne dźw igarów sta n o w iąjej żebra, zaś pasy dolne p rac u jąja k o ściągi.
a)
b)
Rys. 2. Płaskie model numeryczne dźwigara kablobetonowego K.BOS-15 Fig. 2. 2D numerical models o f post-tensioned prestressed girder KBOS-15
Bardzo często w przekryciu hal stosow ane były św ietliki dachow e - gąsienicow e lub kale
nicowe, które m ontow ano zam iast części płyt dachow ych. Chcąc zbadać, ja k i w pływ m ają one na pracę całej konstrukcji hali, zbudow ano model, w którym uw zględniono w ystępow a
nie gąsienicow ych św ietlików dachow ych. O ba przestrzenne m odele obliczeniow e skonstru
owano w program ie D IA N A opartym na M ES - rys.3 i 4
Rys. 3. Przestrzenny model hali żelbetowej z zastosowaniem dźwigarów KBOS-24 Fig. 3. 3D numerical model o f concrete hall with post-tensioned concrete girders KBOS-24
3. Weryfikacja doświadczalna modeli numerycznych
W trakcie doprężania dźw igarów, w jakim autor brał udział podczas w zm acniania hal z dźw igaram i K BO S-15 i K BO S-24 w jednym z zakładów przem ysłow ych, prowadzono jedno
cześnie pom iar przem ieszczeń pasów dolnych w środkach ich rozpiętości zarówno w płasz
czyźnie pionow ej, ja k i poziom ej. Rów nocześnie badano zm ianę odkształceń betonu w cha
rakterystycznych punktach konstrukcji. Bazy pom iarow e długości 200 mm naklejone były zarów no na pasie dolnym , ja k i górnym w okolicach w szystkich słupków. Pom iaram i objęto rów nież płyty dachow e w pasie bezpośrednio przyległym do dźw igarów. K ażdy punkt pomia
row y składał się z czterech baz.
Rys. 4. Przestrzenny model hali żelbetowej z zastosowaniem dźwigarów KBOS-24, w którym uwzględniono w ystępowanie dachowych św ietlików gąsienicow ych
Fig. 4. 3D numerical model o f concrete hall with post-tensioned concrete girders KBOS-24, where apply r o o fs skylights
W tabl. 1 zam ieszczono porów nanie w yników obliczeń num erycznych oraz w yników po
m iarów przeprow adzonych w trakcie doprężania dźw igarów KBOS-24.
Poniew aż oceniając stan techniczny dźw igarów m usim y postaw ić sobie pytanie, jak i jest stan naprężeń w pasie dolnym oraz czy w szystkie kable są naprężone, prowadząc analizę nu
m eryczną m odelow ano rów nież zryw anie poszczególnych kabli. Ze w zględu na pozytywną w eryfikację dośw iadczalną m odelu trójw ym iarow ego bez św ietlików, m ożna sądzić, że w
w yniku sym ulacji zryw ania kabli rów nież otrzym am y w yniki zbliżone do rzeczyw istego za
chow ania się konstrukcji przekrycia. O bliczenia w ykazały, iż spadek siły sprężającej w środ
kow ym dźw igarze, spow odow any np. korozyjnym pęknięciem jednego cięgna, powoduje ugięcie pasa dolnego w środku je g o rozpiętości w dół o ok. 3,6 mm (co je s t w ielkością bardzo m a łą w porów naniu np. z 1/600 L = 40 mm). Zm niejszeniu u legają rów nież naprężenia m ie
rzone n a dolnej kraw ędzi pasa dolnego o ok. 1,60 M Pa, które po zsum ow aniu z naprężeniam i istniejącym i w pasie dolnym d ad zą w w yniku naprężenia ściskające na poziom ie 1,04 MPa.
T ablica 1 P orów nanie w yników analizy num erycznej i pom iarów - opis w tekście
A u z [m m ]*** A Nx [kN ] A M y [kN m ] A (J x [M Pa]* A e x t - r x-io"1
składowa suma składowa suma składowa suma składowa suma składowa suma
Stan przed doprężeniem Model płaski -9 .1 -9 ,1 + 384,6 + 384,6 -4 ,1 1 -4 ,11 + 5,18 + 5,18 + 1,49 + 1,49 Model przestrzenny -3 ,6 -3 ,6 + 230,0 + 230,0 -5 ,4 8 -5 ,4 8 + 2,64 + 2,64 + 0,76 + 0,76
P om iary - - - - - - - - - --
Zerwanie i jednego kabla
Model płaski -5 ,0 - 14,1 -1 9 7 ,3 + 187,3 -2 ,0 9 -6 ,2 0 -3 ,3 0 + 1,88 -0 ,9 5 + 0,54 Model przestrzenny -1 ,9 -5 .5 -1 1 0 ,0 + 120,0 + 0,40 -5 ,0 8 - 1,60 + 1,04 -0 ,4 6 + 0,30
P om iary - - - - - - - - - -
Zerwanie dwóchkabli M odel płaski - 10,1 -1 9 ,2 - 394,6 + 10,0 -4 ,1 8 -8 ,2 9 - 6,60** - 1,42** -1 .9 0 ** -0 ,4 1 **
M odel przestrzenny - 3 ,8 -7 ,4 - 220,0 + 10,0 + 0,80 -4 ,6 8 - 3,20** - 0,56** - 0,92** -0 ,1 6 **
Pom iary - - - - - - -- - - ~
Doprężenie 4x75kN Model płaski + 7,7 -1,4 + 289,2 + 673,8 + 4,85 + 0,74 + 5,11 + 10,29 + 1,47 + 2,96 Model przestrzenny + 4,4 + 0,8 + 223,0 + 453,0 + 2,03 -3 ,4 5 + 3,68 + 6,32 + 1,06 + 1,82
Pom iary 3,6 - 4.8 - - - - - + 3,61 - + 1,04 -
* - wartości na dolnej krawędzi przekroju pasa dolnego
** - wartości obliczone w osi pionowej przekroju pasa dolnego
*** - wartości ujem ne o znaczają przem ieszczenie pasa dolnego w dół
O kazuje się, że m ierząc ugięcia pasa dolnego oraz obserw ując zarysow ania betonu, nie j e steśm y w stanie w pełni ocenić stanu technicznego dźw igarów kablobetonow ych, a przede w szystkim w ielkości siły sprężającej w pasie dolnym.
4. Przestrzenny charakter pracy przekrycia dachowego z kablobetonowymi dźwigarami dachowymi
N a podstaw ie w ykonanych obliczeń num erycznych oraz analizy w yników pom iarów stw ierdzono, że praca łukow ego, kratow ego dźw igara kablobetonow ego je s t jakościow o inna, niż praca łuku ze ściągiem . Spow odow ane je st to przede wszystkim przestrzenną pracą całej
konstrukcji hali (rys.3). Ze względu na znaczną sztywność płyt dachow ych i wzajemne po
w iązanie elem entów przekrycia dachow ego, zarówno siły w prow adzane poprzez sprężenie do pasa dolnego, ja k i siły pochodzące od obciążeń zew nętrznych rozkładają się pomiędzy pasem dolnym , pasem górnym a płytam i dachowymi.
o
CSvO
+
■et CS+
o00
+
CS+Rys. 5. Rozkład siły podłużnej N x [kN] na długości pasów w dźwigarze K BO S-24 w trakcie pracy konstruk
cji przed doprężeniem
Fig. 5. Longitudinal force N x [kN] in a top and bottom flange o f post-tensioned girder KBOS-24 before strengthening o f structure
N a rys. 5 pokazano rozkład sił podłużnych na długości pasów dolnego i górnego dźwigara K BO S-24 podczas norm alnej pracy konstrukcji (przed jej w zm ocnieniem ). Założono tutaj w ystępow anie pełnej siły we w szystkich cięgnach sprężających. A nalizując rozkład sił za
równo w dźw igarach, ja k i w płytach dachow ych zauważam y, że zarówno przew ażająca część pow łoki, ja k i pasy dolne i górne dźw igarów podlegają ściskaniu. Taki rozkład sił w kon
strukcji pow oduje znaczne odciążenie pasa dolnego.
5. Metoda wzmocnienia dźwigarów kablobetonowych
Przy w yborze koncepcji w zm ocnienia dźw igarów kablobetonow ych przyjęto zasadę, iż w zm ocnienie projektuje się tylko jed en raz i to na pełną siłę sprężającą w dźw igarze, zaś re
alizacja siły sprężającej przebiegać m oże etapam i w czasie, w zależności od zachow ania się dźw igara, z m ożliw ością dow olnego doprężenia poszczególnych kabli.
Z aprojektow ano doprężenie dźw igarów poprzez kontrolow ane sprężenie ich pasa dolnego zew nętrznym i kablam i L I 5,5 o trasie prostoliniowej, rozłożonym i sym etrycznie po obydwu stronach pasa dolnego [6, 7]. Cięgna te posiadają czterostopniow ą ochronę przed korozją - osłonkę polietylenow ą w ew nętrzną, w ypełnioną smarem o w łaściw ościach antykorozyjnych oraz osłonkę PE zew nętrzną w ypełnioną zaczynem cem entow ym (iniekcją). Z apew niają one rów nież m ożliw ość zm iany siły naciągu w dow olnym mom encie, co uniezależnia nośność
dźwigarów od stanu istniejących kabli. Przyjęto zasadę pokryw ania się m im ośrodów cięgien sprężających istniejących w dźw igarze i kabli doprężających. Ze w zględu na prostoliniow ą trasę i znikom e tarcie na długości, zaprojektow ano jednostronny naciąg kabli, stosując z je d nej strony system zakotw ień czynnych, a z drugiej zakotw ienia bierne.
6. Podsumowanie
Problem oceny stanu technicznego żelbetow ych hal z w budow anym i dachow ym i dźw iga
rami kablobetonow ym i je s t obecnie bardzo istotny. Po przeszło czterdziestu latach eksploata
cji w dużej części dźw igarów ujaw niły się pew ne błędy konstrukcyjne, w ykonaw cze oraz eksploatacyjne. P om iar ugięć oraz obserw acja zarysowań, ja k w ynika z przeprow adzonych obliczeń, nie w y sta rc za ją aby w pełni oszacow ać zapas bezpieczeństw a pozostający w kon
strukcji. D uża sztyw ność przestrzenna hal z dźw igaram i kablobetonow ym i pow oduje, iż ich praca je s t jak o ścio w o inna niż praca łuku ze ściągiem . W szystkie elem enty przekrycia da
chowego w spółpracują m iędzy so b ą tw orząc rodzaj pow łoki z poprzecznym i żebram i usztyw niającym i.
W przypadku znacznego spadku nośności dźw igarów należy podjąć decyzję o możliwości dalszej eksploatacji konstrukcji. W ym iana całego przekrycia dachow ego je s t przedsięw zię
ciem bardzo drogim , a często niew ykonalnym , z uwagi na konieczność w strzym ania procesu produkcji w hali. Jedyną logiczną alternatyw ą je s t w zm ocnienie dźw igarów, które należy przeprow adzić w taki sposób, aby zapew niało ono pełne bezpieczeństw o konstrukcji w trak
cie dalszej eksploatacji. Zaproponow ana m etoda napraw y przez doprężenie bezprzyczepno- ściow ym i cięgnam i zew nętrznym i z m ożliw ością regulacji siły sprężającej w czasie daje peł
n ą gw arancję dalszej bezaw aryjnej pracy dźwigarów. C zterokrotna ochrona antykorozyjna cięgien pozw ala na zastosow anie tego system u w praw ie każdych w arunkach środow isko
wych.
L ITER A TU R A
1. Zieliński A.: P refabrykow ane betonow e dźw igary sprężone, W yd. A rkady, W arszawa 1962.
2. S ym pozjum N aukow o-T echniczne: Trw ałość i niezaw odność żelbetow ych sprężonych dźw igarów dachow ych, Płock 1994.
3. Ściślew ski Z.: K orozja i ochrona zbrojenia, Wyd. Arkady, W arszaw a 1981.
4. Ziobroń W., Libura St.: W ybrane m etody rekonstrukcji dachowych dźw igarów kablobe- tonow ych, Inżynieria i Budow nictw o nr 3, 1995.
5. Łapko A., K osior M.: A naliza racjonalnych technik w zm ocnienia kablobetonow ych dźwi
garów dachow ych , Przegląd B udow lany nr 2, 1997.
6. D yduch K „ Sieńko R.: N ow e rozw iązanie w zm ocnień typow ych kablobetonow ych dźwi
garów dachow ych o rozpiętościach 15-24m, XX K onferencja N aukow a „A w arie Budow
lane” , S zczecin-M iędzyzdroje 2001.
7. D yduch K „ Sieńko R.: N um erical analysis and strengthening o f typical post-tensioned prestressed concrete arch-shaped roof girders, 1th A ll-Russia C onference on Concrete and R einforced C oncrete, M oscow 2001.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Andrzej Łapko
A bstract
In Poland, in the fifties light, precast post-tensioned prestressed concrete ro o f girders KBO and K BOS, were introduced into a w idespread use in industrial building. Unfortunately, the great idea o f structural solution not always was equipped with appropriate technological solu
tions. The problem o f estim ation o f technical state for RC halls with built-in post-tensioned prestressed concrete ro o f girders is now adays very important. M easurem ents o f deflections and observation o f cracks, as it was proved by calculations, are not enough for estim ation of the safety reserve existing in structure. For the case o f significant decrease o f girders’ capacity it is necessary to m ake decision as to the possibility o f further exploitation o f structure. The exchange o f the w hole ro o f construction is very expensive or even .^ p o ssib le . Hence, logical alternative seem s to be the strengthening o f girders prestressing with the use o f external ten
dons w ith the possibility o f regulation of prestressing force. Num erical analysis for halls with built-in post-tensioned girders by considering plain and three-dim ensional m odels was also carried out.
