* Prof. dr hab. inż. Marian Gwóźdź, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska.

MARIAN GWÓŹDŹ*

WPŁYW UKSZTAŁTOWANIA DACHU NA STAN BEZPIECZEŃSTWA LEKKICH HAL STALOWYCH

INFLUENCE OF THE SHAPE OF ROOF ON SAFETY LEVEL LIGHT STEEL HALLS

S t r e s z c z e n i e

Wraz ze zmianami systemowymi, jakie zachodziły w Polsce w latach 90. XX wieku zaczęto budować liczne lekkie stalowe hale wielkogabarytowe, wykorzystując nowe technologie w zakresie materiałów i wyrobów budowlanych oraz nowe rozwiązania konstrukcyjne. Standardem architektonicznym, większości realizacji tej kategorii budynków są płaskie dachy, attyki na całym obwodzie i często świetliki, o dużej po-wierzchni, wyprowadzone ponad poziom połaci dachu. Takie ukształtowanie dachu hali w warunkach klimatycznych Polski, stwarza zagrożenie bezpieczeństwa budynku, zwłaszcza gdy dominującym obciążeniem grawitacyjnym jest obciążenie śniegiem.

Słowa kluczowe: dach, śnieg, lekka hala

A b s t r a c t

Simultaneously with political changes which have been occurring in Poland from the nineties of the previous century a lot of large-size light steel halls have been built. New systems of load-bearing structure have been designed for them in many cases; furthermore, new technologies as well as new materials have been applied frequen-tly. Flat roofs, attics built all over the roof circumference and, in addition, great-areal lanterns raised above the roof level are usually representative of such category of buil-dings. Under climate conditions typical for Poland territory this shape of the roof is the source of the imminence of building safety, especially if the snow load is a dominant gravitational action.

Keywords: roof, snow, light steel hall

232

1. Wstęp

Bezpieczeństwo wielkogabarytowych budynków halowych zaprojektowanych i wybu-dowanych w Polsce w latach 1995–2006 zostało zakwestionowane w wyniku serii awarii i katastrof budowlanych do jakich doszło w latach 2005–2006. Poważna awaria centrum handlowego Leroy Merlin w Gdańsku w roku 2005 [1], była pierw-szym sygnałem potencjalnych zagrożeń bezpiecznej eksploatacji tej grupy obiek-tów. Zawalenie się dachu hali wystawowej MTK w Chorzowie w styczniu 2006 r. jest najpoważniejszą katastrofą budowlaną lekkiej konstrukcji stalowej w Polsce. Wspo-mniane niepowodzenia budowlane są znane nie tylko w środowisku architektów i konstruktorów lecz także szerokiej opinii publicznej. Nie są nagłaśniane dość liczne przypadki napraw i wzmocnień nowych hal wielkogabarytowych już po kilkuletniej eksploatacji, a nawet w trakcie ich budowy. Cechy wspólne, charakterystyczne dla tych obiektów, to zastosowanie nowoczesnej lekkiej obudowy ścian i pokrycia dachu oraz rozwiązania architektoniczne dachów płaskich z attykami, licznymi świetlikami, czasem połaciami wielopoziomowymi o dużej powierzchni. Obciążenia weryfikują-ce nośność takich dachów to działania klimatyczne: śnieg, wiatr, wilgotność powie-trza i dobowe wahania temperatury. Formowaniu się worków śnieżnych dodatkowo sprzyjają wszelkie płotki, reklamy i przewody wentylacyjne (il. 1).

W artykule przedstawiono wpływ ukształtowaniem dachu na formowanie się po-krywy śnieżnej, na przykładzie zawalonej hali pawilonu MTK w Chorzowie. Jest to przypadek reprezentatywny pod względem architektonicznym i jednocześnie naj-pełniej udokumentowany pod względem meteorologicznym. Ponadto wskazano podstawowe wymagania bezpieczeństwa, jakie należy formułować w projektach bu-dowlanych obiektów wieloprzestrzennych, opierając się na zaleceniach współcze-snej generacji norm europejskich, a w szczególności na rekomendacjach eurokodu PN-EN 1990 i 1991-1-3.

Il. 1. Dach hali z attykami i przewodem wentylacyjnym o dużej średnicy

Ill. 1. Flat roof above the hall with attics and ventilation pipe of large diameter

233

2. Opis konstrukcji dachu hali MTK w Chorzowie

Schemat stalowej konstrukcji nośnej hali MTK pokazano na il. 1. Wymiary pawilonu w rzucie poziomym wnosiły 97,36×102,88 m, a jego wysokość 10,18 m. Na całym ob-wodzie budynku zaprojektowano attyki, o wysokości około 0,60 m. W części środkowej dachu wykonano centralny świetlik o rzucie poziomym 47,00×52,75 m, z dachem pła-skim, podniesionym około 3,00 m ponad poziom połaci dolnej. Na dachu znajdowało się ponadto 8 świetlików obwodowych o wymiarach w rzucie poziomym 6,00×6,00 m i wysokości 2,00 m. Słupy ramowe główne, były zlokalizowane na przecięciu osi E` i M` z osiami 6, 11 i 15, por. il. 1. Słupy podpierały ruszt kratownicowy, uformowany z podcią-gów kratowych w osiach E` i M`, o zmiennej rozpiętości i dźwigarów kratowych głównych w osiach 6, 11 i 15, o rozpiętości 47,00 m. Ruszt wypełniono quasi-strukturą prętową, na której oparto lekkie pokrycie dachu, złożone z blachy trapezowej ocieplonej styropianem, z izolacją przeciwwilgociową z papy termoizolacyjnej. Według inwentaryzacji powypad-kowej, masa pokrycia dachu nie przekraczała wartości gk = 25 kg/m2. Szczegółowy opis konstrukcji nośnej hali MTK zamieszczono między innymi w pracy [2].

Il. 2. Schemat stalowej hali MTK w Chorzowie

Ill. 2. Scheme of steel hall MTK in Chorzów

W projekcie budowlanym dach hali zaprojektowano ze spadkami połaci 3% oraz klasycznym system odwodnienia w postaci rynien i rur spustowych, rozmieszczonych przy okapach wyższej i niższej części dachu [3]. W projekcie wykonawczym, zamie-niono jednak cały system odwodnienia, projektując dach płaski bez spadków. Zamiast rynien i rur spustowych, zaprojektowano wpusty dachowe, usytuowane w środkowej

234

części każdej połaci. Oczekiwano, że woda opadowa będzie spływała do wpustów w miejscach największych ugięć kratowych płatwi dachowych, a z nich rurami odpły-wowymi ∅ 32 mm. Wszystkie podciągi i płatwie kratowe zaprojektowano jednak bez podniesienia wykonawczego, nawet przy rozpiętości kratownicy głównej l= 47,00 m. Przeprowadzone kontrolne obliczenia statyczne dla obciążenia dachu ciężarem wła-snym i równomierną pokrywą śniegu o masie s = 0,8×70 = 56 kg/m2, wykazały ugięcia połaci świetlika centralnego o strzałce 24 cm oraz połaci dolnej o strzałce 18 cm.

3. Oddziaływania klimatyczne w obrębie hali MTK

Cykl inwestycyjny pawilonu MTK w Chorzowie był krótki. Decyzje o zatwierdze-niu projektu budowlanego i pozwolenie na budowę zostały wydane w maju 1999 r., a montaż stalowej konstrukcji nośnej zakończono już w listopadzie 1999 r. Hala zo-stała zgłoszona do odbioru w kwietniu 2000 r. Przytoczone powyżej daty są ważne, ponieważ wg dokumentacji powykonawczej, już w styczniu 2000 r., a więc jeszcze w trakcie budowy, mogło dojść do pierwszego przeciążenia konstrukcji nośnej hali. Według zachowanej korespondencji uczestników procesu inwestycyjnego, w trak-cie intensywnych opadów śniegu w styczniu 2000 r., na płaskim dachu utworzyła się pokrywa śnieżna o grubości rzeczywistej h ≈ 50 cm. Wyniki pomiarów grubości pokrywy śnieżnej na gruncie, pochodzące ze stacji hydrologiczno-meteorologicznej IMiGW w Katowicach-Muchowcu, pokazano na il. 2a. Jak wynika z il. 3a, w trze-ciej dekadzie stycznia, grubość pokrywy śnieżnej osiągnęła wartość charaktery-styczną dla strefy klimatycznej Katowic hk = 0,30 m. Był to śnieg świeży o gęstości 150 kg/m3. Stosunek C = 150h/245hk można interpretować jako globalny empiryczny współczynnik kształtu dachu. Wartość tego współczynnika wg danych z il. 3a wynosi C = 150×0,5/245×0,3 = 1,02 > 0,80 i jest większa od wartości przyjętej w projekcie wykonawczym dla dachów płaskich C = 0,8 wg normy PN-80/B-02010. Z wykresu temperatur dobowych pokazanych na il. 3c wynika ponadto, że zima 1999/2000 była łagodna i okresowo bezwietrzna, ze średnią temperaturą około 0°C. W połączeniu z dużymi strzałkami ugięć połaci, mogło dojść do redystrybucji obciążenia śniegiem (topnienia śniegu w ciągu dnia i zamarzania nocą). Dach jednak szybko i sprawnie odśnieżono, wykorzystując ciężki sprzęt i profesjonalne ekipy montażowe.

Do udokumentowanego przeciążenia dachu hali MTK doszło w sezonie 2001/2002. Dynamika pogodowa była jednak w tym roku inna niż opisana powyżej. Zima była mroźna, por. il. 4c i okresowo wietrzna, z prędkością wiatru w porywach vk = 10–20 m/s. W styczniu 2002 r. wg danych na il. 4a, grubość pokrywy śnieżnej na gruncie przekroczyła nieznacznie poziom charakterystyczny hx = 0,30 m. Na dachu hali uformował się ogromny worek śnieżny przy świetliku głównym, wzdłuż osi 15. Został on zinwentaryzowany i opisany w dokumentacji powykonawczej. Wysokość worka przy ścianie świetlika wg tych danych wynosiła h ≈ 3,00 m, a w odległości 4,5 m od osi 15 zmniejszyła się do wartości 0,70 m. Wynika stąd, że wartość maksymal-na empirycznego współczynnika kształtu dachu nierównomiernej pokrywy śnieżnej C = 170×3,00/245×0,3 = 6,9 > 2,5 była większa od wartości C = 2,5 wg normy PN-80/B-02010. Efektem lokalnego przeciążenia była awaria dźwigara kratowego głównego, w którym doszło do zerwania śrub w styku montażowym.

235

a

b

c

Il. 3. Charakterystyka pokrywy śnieżnej, wilgotność i temperatura w sezonie zimowym 1999/2000

Ill. 3. Characteristic of snow, cover and temperature in winter 1999/2000

236

a

b

c

Il. 4. Charakterystyka pokrywy śnieżnej, wilgotność i temperatura w sezonie zimowym 2001/2002

Ill. 4. Characteristic of snow, cover and temperature in winter 2001/2002

237

a

b

c

Il. 5. Charakterystyka pokrywy śnieżnej, wilgotność i temperatura w sezonie zimowym 2005/2006

Ill. 5. Characteristic of snow, cover, and temperature in winter 2005/2006

238

Do kolejnego przeciążenia dachu hali MTK doszło z początkiem stycznia 2006 r., gdy po intensywnych opadach śniegu uformowała się równomierna pokrywa śnież-na o grubości 50–60 cm. Charakterystykę pokrywy śnieżnej na gruncie w sezonie zimowym 2005/2006, wg danych IMiGW pokazano na il. 5. Przy bezwietrznej pogo-dzie (v = 0–4 m/s), uformowała się równomierna pokrywa śnieżna, a jej maksymal-na grubość osiągnęła w dniu 21 stycznia wartość h = 36 cm oraz masę 80 kg/m2. Przeprowadzone po katastrofie hali MTK, bezpośrednie pomiary ciężaru pokrywy śniegowo-lodowej zalegającej na zachowanych fragmentach dachu wykazały war-tości Sk = 1,01–1,45 kN/m2, wobec pomierzonego w sąsiedztwie hali ciężaru śniegu na gruncie gk = 0,83 kN/m2. Dla uśrednionego ciężaru śniegu i lodu zalegającego na dachu hali MTK, dostajemy oszacowanie empirycznego współczynnika kształtu dachu hali MTK C = 1,23/0,83 = 1,48.

4. Wnioski

Udokumentowane obciążenia śniegiem dachu hali MTK w Chorzowie wskazują, że norma PN-80/B-02010, nie stanowiła wystarczającej podstawy do prognozowa-nia w projekcie budowlanym obciążenia śniegiem. Definicja zapisana w p. 1.3.3. tej normy: „grubość charakterystyczna pokrywy śnieżnej gk – grubość warstwy śniegu na gruncie (o średniej masie 245 kg/m3 – przypis własny), która może być prze-kroczona przeciętnie raz w ciągu 5 lat” w świetle danych IM i GW zamieszczonych na rys. 2–4 była poprawna. Jednak prognozy wieloletniej obciążenia śniegiem na gruncie w normie PN-80/B-02010 nie zamieszczono. Odpowiednią formułę ekstra-polacyjną gT, dla okresu powrotu obciążeń maksymalnych T ≥ 5 lat podaje eurokod PN-EN 1991-1-3:

gT = gk{1 – 0,78v[ln(–ln(1 – 1/T)) + 0,58]}/(1 + 2,59v) (1)

gdzie:gk – charakterystyczne obciążenie gruntu o okresie powrotu 50 lat (sk wg no-

wej mapy klimatycznej Polski, zamieszczonej w załączniku krajowym do normy PN-EN 1999-1-3),

v – współczynnik zmienności (v = 0,7 dla miejscowości położonych do 300 m n.p.m.).

Przeprowadzone pomiary ciężaru pokrywy śnieżnej na dachu hali MTK w 2006 r. oraz wcześniejsza inwentaryzacja wyjątkowej zaspy śnieżnej jaka uformowała się przy świetliku głównym na dachu hali w 2002 r., nie potwierdzają wartości współ-czynników kształtu dachu C wg PN 80/B-02010 (przyjęte do normy w latach 1970. wg badań kanadyjskich). Współczynniki C należy dla dachów płaskich zweryfikować uwzględniając warunki klimatyczne Polski. W projektach budowlanych zaleca się różnicować wymagania bezpieczeństwa wg eurokodu PN-EN 1990 (klasy konse-kwencji CC1–CC3 i klasy niezawodności RC1–RC3) oraz uwzględniać obciążenie śniegiem wg PN-EN 1991-1-3.

239

L i t e r a t u r a

[1] Kajfasz S., Po katastrofie hali MTK w Katowicach – wybrane problemy i uwagi, Inżynieria i Budownictwo, nr 12/2006.

[2] Biegus A., Rykaluk K., Katastrofa hali Międzynarodowych Targów Katowickich w Chorzowie, Inżynieria i Budownictwo, nr 4/2006.

[3] Mendera Z., Analiza przyczyn katastrofy hali wystawowej w Katowicach, XXIII Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane, Katowice 2007.