XXVIKonferencja

Naukowo-Technicznaawarie budowlane 2013

JACEK HULIMKA , jacek.hulimka@polsl.pl Politechnika Śląska w Gliwicach MARCIN SKWAREK, marcin.skwarek@pracowniaprojektowa.com.pl Pracownia Projektowa M. Skwarek, J. Hulimka Sp.J.

ŻELBETOWE WIEŻE TELEKOMUNIKACYJNE PO 50 LATACH EKSPLOATACJI

REINFORCED CONCRETE TELECOMMUNICATION TOWERS AFTER 50 YEARS OF SERVICE

Streszczenie W referacie przedstawiono, na przykładzie pięciu niemal identycznych obiektów, jedno z typowych rozwiązań żelbetowych wież telekomunikacyjnych. Obiekty te wykorzystywane były jako nośniki aparatury nadawczej dużej mocy, a obecnie stanowią konstrukcje wsporcze różnych systemów antenowych. Wszystkie wieże objęto ekspertyzami zawierającymi inwentaryzację uszkodzeń, badania materiałowe, rozpoznanie zbrojenia, pomiary pionowości, obliczenia statyczno-wytrzymałościowe i zalecenia remontowe. Powtarzalność zastosowanych rozwiązań i materiałów pozwoliła na wyciągnięcie wniosków dotyczących wpływu pięćdziesięciu lat użytkowania na stan konstrukcji.

Abstract The paper presents by the example of five nearly identical objects one of the most common solutions to reinforced concrete telecommunication towers. Originally, these structures were used to support large broadcasting antennas, and nowadays they are supporting structures of different antennas systems. All towers were covered with engineering evaluations regarding damage inventory, material tests, reinforcement recognition, vertical measurements, structural analysis and repair recommendations. Repeatability of the solutions and materials allowed to draw conclusions on the effects of fifty years of service on the condition of the structures.

1. Wstęp

Zapewnienie ogólnego dostępu do odbioru programów telewizyjnych i radiowych wyma-ga, w przypadku transmisji naziemnej, stworzenia sieci obiektów nadawczych o różnej mocy. Podstawę stanowią centra i ośrodki nadawcze dysponujące aparaturą o mocy pozwalającej na pokrycie sygnałem obszarów o znacznej powierzchni. Obecnie obiekty te wykorzystywane są do transmisji programów telewizyjnych w technologii cyfrowej (oraz analogowej, do 23.07.2013 r.), radiowych oraz obsługi komórkowych sieci telefonicznych. Jako konstrukcje wsporcze aparatury przesyłowej wykorzystywane są maszty i wieże sta-lowe, a w mniejszym stopniu różnej konstrukcji wieże żelbetowe. W referacie przedstawiono, na przykładzie pięciu obiektów, jedno z rozwiązań wież żelbetowych stosowanych w latach 60. dwudziestego wieku. Wszystkie opisane obiekty są w podobnym wieku (około 50 lat), co pozwala na wyciągnięcie ogólnych wniosków dotyczących wpływu wykonawstwa i długolet-niej eksploatacji na stan techniczny konstrukcji.

676 Hulimka J. i in.: Żelbetowe wieże telekomunikacyjne po 50 latach eksploatacji

2. Opis konstrukcji wież

Wieże (rys. 1, 2) zaprojektowano i wykonano jako żelbetowe, monolityczne, w deskowa-niach przestawnych. Z konstrukcyjnego punktu widzenia wieża jest wspornikiem o kołowym przekroju pierścieniowym, utwierdzonym w fundamencie płytowo-żebrowym. Wysokość poszczególnych obiektów (liczona od poziomu gruntu) mieści się w zakresie od około 62÷77 m, a głębokość posadowienia w zakresie od 3,2÷5,2 m. Zewnętrzna średnica trzonu w każdym z obiektów jest stała i wynosi 5,50 m lub 5,80 m, przy grubości ściany od 0,50 m w części dolnej do 0,20 m powyżej poziomu około 9 m. Na wysokości trzonu zlokalizowano szereg kołowych okienek, w części obiektów zlikwido-wanych po niespełna 30 latach eksploatacji. Fundament wykonano jako płytowy o średnicy od 17,0 m do 19,0 m i stałej we wszystkich wieżach grubości 0,60 m, użebrowany na całej wysokości części podziemnej. Zastosowano tutaj 16 żeber trapezowych o grubości 0,70 m, w układzie promieniowym (co 22,5°). Dodatkowo, na obwodzie płyty wykonano obwodową ścianę do poziomu gruntu, tworząc tym samym otwartą skrzynię balastową. W trzech obiektach ściana obwodowa stanowi bezpo-średni fundament rotundy obejmującej dolną część trzonu. W górnej części każdej wieży ukształtowana została głowica (rys. 2) mieszcząca pomiesz-czenia techniczne. W górną część trzonu wbudowano dwie pionowe tarcze żelbetowe o gru-bości 0,30 m tworzące centralny układ o przekroju krzyża. Jest on zbieżny w dolnej części, a dalej ma stały przekrój z tarczami o szerokości 3,80 m, sięgając do poziomu dachu głowicy. Opisany wyżej układ tarczowy stanowi centralną część głowicy. W dolnej części głowicy ukształtowano żelbetowy strop, którego zewnętrzna część, wychodząca poza obrys trzonu, wsparta jest dodatkowo na 12 wspornikach tarczowych o zmiennym przekroju. Z poziomu tego stropu, ponad wspornikami tarczowymi wyprowadzonych zostało 12 czterokondygnacyj-nych słupów, odchylonych od pionu w kierunku zewnętrznym. Słupy te stanowią zewnętrzne podpory promieniowo ustawionych żeber trzech wewnętrznych stropów głowicy oraz dachu. Słupy wykonano jako zespolone, żelbetowe, z rdzeniem w postaci dwugałęziowego słupa z ceowników z przewiązkami. Wewnętrznymi podporami żeber stropowych są belki rozpięte pomiędzy ramionami opisanego przekroju krzyżowego. Stropy wewnętrzne oraz stropodach głowicy wykonano jako monolityczne, płytowo-żebrowe. W ostatnim stropie wewnętrznym wykonano dodatkową obwodową belkę pośrednią. W liniach zewnętrznych belek obwodowych stropów w przekroje żelbetowe wbetonowano belki stalowe z podwójnych ceowników połączonych z gałęziami opisanych wyżej słupów (rdzeni) stalowych. W poziomach trzech kolejnych kondygnacji głowicy pola pomiędzy słupami i wieńcami stropów (belkami obwodowymi) wypełniono ścianą z ceramicznej cegły kratówki, z otworami okiennymi. W poziomie ostatniej kondygnacji ścianę oparto na obwo-dowej belce pośredniej, tworząc wokół pomieszczenia obwodową galerię. Tym samym w ostatniej kondygnacji słupy obwodowe nie są wbudowane w ściany. W poziomie pierwszego od dołu wewnętrznego stropu, wokół głowicy utworzono wspor-nikowy balkon o wysięgu 2,70 m. W czterech wieżach konstrukcję balkonu tworzy obetono-wany ruszt stalowy, wykonany w postaci 12 podwójnych głównych belek wspornikowych w liniach słupów, 24 wspornikowych belek drugorzędnych (po dwie w każdym polu pomiędzy belkami głównymi) oraz żeber obwodowych – skrajnej i dwóch pośrednich. W jednej z wież balkon wykonano jako płytowy wspornik żelbetowy o zmiennym przekroju.

Konstrukcje żelbetowe 677

Rys. 1. Przykładowe wieże

678 Hulimka J. i in.: Żelbetowe wieże telekomunikacyjne po 50 latach eksploatacji

Na stropodachu wieży wykonano prostokątną nadbudówkę o konstrukcji murowej, prze-krytą żelbetową płytą dachową. Wewnątrz trzonu wbudowano szereg pośrednich stropów opartych na krzyżujących się belkach stalowych. Generalnie, dwa pola każdego z opisanych układów pozostawiono jako wolne, w jednym wbudowano stalową konstrukcję szybu windowego, a w jednym spiralne schody stalowe wraz ze spocznikami. W obrębie głowicy zarówno dźwig osobowy, jak i stalowe schody spiralne wbudowane są w zamknięte szachty żelbetowe ukształtowane na bazie ramion krzyża tarczowego. W dolnym stropie głowicy, w części zewnętrznej, zastosowano od dołu ocieplenie z betonu lekkiego, z podwieszoną betonową warstwą ochronną. Dach nad ostatnią kondygnacją głowicy, dach nadbudówki, powierzchnię galerii obwodo-wej nad najwyższym stropem oraz powierzchnię balkonu obwodowego pokryto papą termo-zgrzewalną lub elastyczną powłoką uszczelniającą na bazie cementu. Każdą z wież nadbudowano kratową konstrukcją stalową zakotwioną w górnej części opisanego wyżej układu krzyżujących się tarcz.

Rys. 2. Przykładowy widok wieży i głowicy

W trzech z opisanych obiektów wokół dolnej części trzonu wykonano obwodowy budynek (rotundę) o kształcie kołowym. Jest to obiekt dwukondygnacyjny, mieszczący pomieszczenia techniczne, pomieszczenia biurowe i mieszkanie służbowe. W części obwodu obiekt wykona-no bez stropu pośredniego. Z konstrukcyjnego punktu widzenia rotunda jest żelbetową monolityczną ramą prze-strzenną. Tworzy ją 16 ram płaskich, ustawionych promieniowo wokół trzonu. Każda z ram jest dwukondygnacyjna, z ryglami opartymi przegubowo na wspornikach trzonu i sztywno połączonych ze słupami zewnętrznymi. Słupy są zbieżne (zwężają się ku dołowi) i są oparte przegubowo na obwodowej ścianie fundamentu. Sztywność przestrzenną zapewniają obwo-dowe wieńce w poziomie stropu pośredniego i stropodachu.

Konstrukcje żelbetowe 679

Strop pośredni wykonano jako monolityczną płytę wieloprzęsłową; w tym samym sche-macie wykonano stropodach, stosując jednak odwrócony układ konstrukcyjny, ze zlico-waniem dolnej powierzchni płyty i żeber. W stropie pośrednim od dołu zastosowano izolację z betonu komórkowego. Ściany zewnętrzne i wewnętrzne wykonano jako murowane z cegły ceramicznej, obustron-nie tynkowane. Pokrycie dachowe wykonano z papy asfaltowej na lepiku. Komunikację pionową wewnątrz rotundy zapewniają schody wewnątrz trzonu; dodatkowo w rzucie rotundy wykonano schody prowadzące do mieszkania służbowego.

3. Stan techniczny konstrukcji wież

Wszystkie przedmiotowe wieże objęto ekspertyzami, obejmującymi przegląd i ocenę stanu technicznego, badania materiałowe, rozpoznanie zbrojenia, pomiary pionowości, obliczenia statyczno-wytrzymałościowe i szczegółowe zalecenia remontowe (wydane także w postaci odrębnych projektów). Stwierdzone we wszystkich konstrukcjach wady i uszkodzenia były powtarzalne. Do najistotniejszych należały:

– bardzo silne wady struktury betonu w praktycznie wszystkich elementach żelbetowych (rys. 3, 4), najsilniejsze na stykach płyt szalunkowych oraz uszkodzenia betonu,

– lokalnie bardzo silna korozja niedostatecznie otulonych prętów zbrojeniowych (rys. 5), – bardzo silne uszkodzenia korozyjne stali zbrojeniowej i profilowej oraz spękania,

uszkodzenia i odpadanie otuliny betonowej w słupach zewnętrznych na ostatniej kondygnacji głowicy, gdzie słupy nie są wbudowane w ściany ceglane (rys. 6),

– silne spękania murowanych ścian nadbudówek, – znaczne przecieki wody przez powierzchnię dachu nad niezabudowaną częścią ostatniej

kondygnacji głowicy; lokalnie widoczne są nacieki wyługowanych z betonu soli wapnia, świadczące o długim okresie penetracji wody przez beton (rys. 7),

– niewłaściwie wypełnione gniazda montażowe stalowych belek w trzonie, – błędy montażowe, korozja powierzchniowa, a lokalnie korozja wżerowa w strefach

podporowych stalowych elementów nośnych stropów pośrednich w trzonie (rys. 8), – uszkodzenia korozyjne elementów stalowego rusztu balkonu obwodowego (rys. 9), – bardzo silne zużycie powłoki malarskiej na wszystkich zewnętrznych powierzchniach

betonu, – silne zużycie, a lokalnie całkowite zniszczenie okien w trzonie (rys. 10), – różnej intensywności uszkodzenia elementów wyposażenia, a w tym barier ochronnych

i wewnętrznych schodów stalowych, – znaczne zużycie pokrycia na powierzchni stropodachu, galerii i balkonu; pokrycie

papowe nie jest przystosowanie do przenoszenia obciążeń wynikających z ruchu pieszego.

Wnętrze trzonu żelbetowego we wszystkich wieżach było silnie zawilgocone w wyniku bezpośredniego przenikania wody oraz kondensacji pary wodnej. Zgodnie z zachowanymi fragmentami oryginalnej dokumentacji projektowej wszystkie wieże wykonano z betonu marki 250 at. (trzon) i 170 at. (fundament, głowica). Z każdej konstrukcji pobrano próbki rdzeniowe w celu oceny rzeczywistej klasy betonu. Uzyskane wyniki pozwoliły na zakwalifikowanie betonu w trzonach do klasy C25/30 (w jednym przypadku C20/25), a w stropach głowic do klasy C20/25 (w jednym przypadku C16/20).

680 Hulimka J. i in.: Żelbetowe wieże telekomunikacyjne po 50 latach eksploatacji

Rys. 3. Przykład wady betonowania

Rys. 4. Przykład wady betonowania

Rys. 5. Przykład korozji zbrojenia

Rys. 6. Przykład uszkodzenia słupa galerii

Rys. 7. Przykład przecieków przez dach

Rys. 8. Oparcie belki stropu w trzonie

Odczyn pH powierzchniowej warstwy betonu (otuliny) we wszystkich zbadanych próbkach zawierał się w przedziale pomiędzy 8,5 i 10,5, świadcząc o silnej karbonatyzacji, a tym samym niewłaściwej ochronie zbrojenia przed korozją. W oryginalnej dokumentacji przyjęto wykonanie zbrojenia trzonu i fragmentów głowicy ze stali St52, a pozostałych elementów ze stali St0S. W wykonanych odkrywkach i w pobra-nych próbkach rdzeniowych potwierdzono użycie tych gatunków stali.

Konstrukcje żelbetowe 681

Rys. 9. Przykład uszkodzeń balkonu

Rys. 10. Przykład uszkodzeń okna w trzonie

Szczegółowe oględziny konstrukcji nie wykazały jakichkolwiek symptomów mogących świadczyć o przekroczeniu nośności trzonu lub stropów. Wykonane pomiary geodezyjne wykazały w kolejnych poziomach (co około 1/5 wysokoś-ci trzonu wraz z głowicą) wypadkowe wychylenia od pionu nieprzekraczające 1/1000 rzędnej poziomu pomiarowego. Obliczenia statyczno-wytrzymałościowe, przeprowadzone przy uwzględnieniu zbadanych parametrów materiałowych i rozkładów zbrojenia, wykazały spełnienie przez trzon wieży warunków stanów granicznych nośności i użytkowalności (także przy uwzględnieniu ubytków korozyjnych zbrojenia i odchyłek wymiarów trzonu). Wyliczone nośności stropów w głowicy mieściły się w zakresie od 2,0÷7,5 kN/m2, a stropu rotundy w zakresie od 2,0÷5,0 kN/m2.

4. Przyczyny obserwowanego stanu konstrukcji

Obserwowane wady i uszkodzenia przedmiotowych wież mają swoje źródło w dwóch grupach przyczyn. Pierwszą z nich są błędy popełnione na etapie wykonania obiektów, a częściowo także na etapie ich użytkowania – podczas napraw i remontów. Do grupy tej należy zaliczyć wszel-kiego rodzaju błędy betonowania (raki, nierówności, złe ustawienie deskowań, zbyt mała otulina zbrojenia), niewłaściwe osadzenie elementów stalowych (pomosty), wady geometry-czne trzonu i wieży stalowej oraz niestaranności w wykonaniu pokrycia papowego. Do grupy tej włączyć można także pewne błędy projektowe, wśród których istotnym jest brak zapew-nienia właściwej wentylacji trzonu oraz zastosowanie rozwiązań zagrażających przenikaniem wody do konstrukcji (np. przejścia podporowych elementów nadbudowanych wież stalowych przez dach). Drugą grupę przyczyn stanowią skrajnie niekorzystne warunki użytkowania obiektów, a w tym narażenie ich na bezpośrednie działanie opadów atmosferycznych, oblodzenia i wiatru oraz na szybkie zmiany temperatury. Oddziaływania te w okresie kilkudziesięciu lat w sposób oczywisty doprowadzić musiały do powstania szeregu uszkodzeń, zwłaszcza tam, gdzie wieża wykazywała opisane wyżej wady pierwotne.

5. Zalecenia remontowe

W ramach prac przygotowawczych zalecono demontaż nieczynnych instalacji antenowych wraz z konstrukcjami wsporczymi, zabezpieczenie czynnych urządzeń i instalacji oraz zabudowanie rusztowań umożliwiających dostęp do wszystkich elementów konstrukcyjnych

682 Hulimka J. i in.: Żelbetowe wieże telekomunikacyjne po 50 latach eksploatacji

(obwodowe rusztowanie do poziomu balkonu wokół głowicy oraz lekkie rusztowania przesta-wne we wnętrzu trzonu i głowicy). W ramach zasadniczych prac zalecono:

– likwidację okienek w trzonie, poprzez zazbrojenie i zabetonowanie otworów, – oczyszczenie (odkucie, wypiaskowanie) i reprofilację wszystkich powierzchni betonowych, – uszczelnienie i iniekcję rys, – odkucie (pojedynczo) betonu ze słupów z obetonowanych profili stalowych (po ich

zastemplowaniu), oczyszczenie stali, wzmocnienie w przypadku ubytków, zabezpiecze-nie antykorozyjne i zreprofilowanie do pierwotnego przekroju,

– zabezpieczenie powierzchni narażonych na wpływy atmosferyczne, poprzez naniesienie powłoki hydrofobizującej beton i malarskich powłok ochronnych,

– oczyszczenie powierzchni poziomych narażonych na ruch pieszy (balkon, galeria, stropodach) do poziomu betonu konstrukcyjnego, reprofilację ubytków i wykonanie bezspoinowego pokrycia bitumicznego w wersji antypoślizgowej.

We wszystkich zalecanych pracach wskazano odpowiednie materiały i technologie oraz szczegółowo rozpisano wytyczne wykonawcze. Z uwagi na wymogi formalne, powyższe zalecenia przedstawiono w postaci niezależnych projektów remontu poszczególnych wież. 6. Wnioski i podsumowanie Stan techniczny wszystkich przedstawionych w referacie wież był bardzo podobny. Generalnie, w obrębie konstrukcji nośnej można było wyróżnić szereg podobnych wad i usz-kodzeń spowodowanych zarówno pierwotnymi błędami wykonawczymi, jak i naturalnym zużyciem wynikającym z wieloletniej eksploatacji. Przeprowadzone badania i oględziny jednoznacznie wykazały ogromny wpływ pierwot-nych wad struktury betonu na intensywność uszkodzeń korozyjnych stali zbrojeniowej lub obetonowanej stali profilowej. Widoczna była także całkowita nieskuteczność powłok malarskich nałożonych na niewłaściwie przygotowane podłoże betonowe. Szczęśliwie, znaczny pierwotny zapas nośności konstrukcji wież pozwolił na utrzymanie ich właściwej nośności i sztywności, jednak dalsza eksploatacja bez odpowiednich zabiegów remontowych mogła doprowadzić do rozwoju uszkodzeń w stopniu zagrażającym przekrocze-niem stanów granicznych. Przedmiotowe wieże są przykładem konstrukcji telekomunikacyjnych, które, pomimo ogromnych zmian technologii przekazu sygnału, nadal stanowią kluczowe elementy sieci nadawczej. Tym samym, pomimo upływu przewidywanego, pięćdziesięcioletniego okresu eksploatacji są one nadal wykorzystywane, a nawet pełnią dodatkowe funkcje, jako konstru-kcje wsporcze innych instalacji antenowych (w tym telefonii komórkowej). Przewidywany okres dalszej eksploatacji tych obiektów oszacować można na kolejne kilkadziesiąt lat. Zapewnienie bezawaryjnej pracy w tak długim okresie czasu wymaga nie tylko wykonania gruntownych remontów, ale także otoczenia wież bieżącą opieką, bazującą na rzetelnie prowadzonych przeglądach okresowych.