Prof. dr hab. inĪ. Wiesław BUCZKOWSKI, kmbibr@au.poznan.pl
Prof. dr hab. inĪ. Adam NIEDZIELSKI, katgeotech@poczta.onet.pl
Akademia Rolnicza im. A. Cieszkowskiego w Poznaniu
Dr inĪ. Janusz KOWALSKI, janusz.kowalski@ikb.poznan.pl
Politechnika PoznaĔska
WPŁYW WADLIWEGO POSADOWIENIA
NA AWARIĉ KAPLICY
THE INFLUENCE OF UNPROPER FOUNDATION
ON THE DAMAGE OF THE CHAPEL
Streszczenie W pracy opisano przypadek stanu awaryjnego budynku kaplicy. Na skutek
braku rozpoznania podłoĪa gruntowego doszło do czĊĞciowego posadowienia budynku na
terenie wyrobiska Īwiru co było przyczyną nadmiernych i nierównomiernych osiadaĔ
fundamentów i spowodowało silne spĊkanie Ğcian. Na podstawie badaĔ geotechnicznych i
konstrukcyjnych zaproponowano i wykonano wzmocnienie fundamentów, sklamrowanie
pĊkniĊü w Ğcianach oraz spiĊcie budynku Ğciągami naprĊĪonymi termicznie. Zakres i sposób
naprawy okazały siĊ skuteczne i przywróciły budynkowi kaplicy pełną sprawnoĞü techniczną.
Abstract The paper presents the damage of the chapel. Following the lack of proper description of the soil
conditions within the former gravel pit, a part of the building was founded on a layer of excavation backfill
consisting of various geomaterial. Excessive and uneven settlements of the building foundations which were
observed resulted in huge cracks of walls and floor. Having conducted geotechnical and construction research,
foundation reinforcement, clamps of wall cracks and thermically tightened bowstrings were designed and
executed. The range and methods of repair proved effective and enabled safe and proper use of the chapel.
1. Wprowadzenie
Artykuł dotyczy analizy przyczyn dynamicznie narastającego procesu pĊkania Ğcian i
odkształceĔ posadzki w budynku kaplicy rzymsko-katolickiej, zlokalizowanej na terenie
Wielkopolski oraz opracowania i wykonania stosownych napraw i wzmocnieĔ
przywracających obiektowi pełną sprawnoĞü techniczną. Obiekt ten wzniesiono pod koniec
lat 80-tych XX w. w technologii tradycyjnej, posadawiając go czĊĞciowo na obszarze
zasypanej Īwirowni. Pierwsze, drobne zarysowania pojawiły siĊ na Ğcianach zewnĊtrznych
juĪ w kilka miesiĊcy po oddaniu kaplicy do uĪytkowania. W miarĊ upływu czasu powstawały
kolejne rysy, a rozwartoĞü wczeĞniej zaobserwowanych systematycznie wzrastała.
RównoczeĞnie zaczĊła pĊkaü posadzka. Przemieszczenia pionowe, fragmentów posadzki z
początkiem 2005 r. osiągnĊły wartoĞü powyĪej 5,0 cm. Płaszczyzna spĊkanej posadzki uległa
pochyleniu w kierunku Ğciany zewnĊtrznej. W zaistniałej sytuacji władze koĞcielne wyłączyły
obiekt z uĪytkowania.
375
2. Krótki opis konstrukcji kaplicy
Analizowana kaplica została zaprojektowana w układzie halowym, dwunawowym,
jednokondygnacyjnym, o zróĪnicowanej szerokoĞci naw.
Rys. 1. Schematyczny rzut przyziemia Rys. 2. Przekrój poprzeczny
Nawa główna ma długoĞü 13,34 m i szerokoĞü: 8,54 m. Od strony południowej przylega do
niej prezbiterium o wymiarach 3,12 x 5,44 m, a od strony północnej usytuowana jest kruchta
o wymiarach 2,40 x 4,30 m. WysokoĞü nawy głównej – od terenu do okapu wynosi 5,10 m, a
do kalenicy 10,30 m.
Otaczający kaplicĊ teren jest obniĪony w stosunku do posadzki o 0,05 do 0,45 m. Nad nawą
główną wykonano dach drewniany, dwuspadowy o konstrukcji jĊtkowej.
Znajdująca siĊ w nawie bocznej sala katechetyczna, której wymiary po obrysie zewnĊtrznym
wynoszą: 4,28 x 8,45 m, pokryta jest dachem krokwiowym, jednospadowym. Maksymalna
wysokoĞü tego pomieszczenia powyĪej posadzki wynosi 5,27 m.
Rys. 3. Widok ogólny kaplicy od strony północno-wschodniej
Przeprowadzone badania i pomiary wykazały, Īe Ğciany zewnĊtrzne kaplicy mają gruboĞü
51 cm i wykonane zostały z cegły sitówki i szczelinówki. Znajdujący siĊ poniĪej fundament
376
wykonany z gruzobetonu nie posiada Īadnych odsadzek. Jego szerokoĞü jest równa
szerokoĞci muru. GłĊbokoĞü posadowienia fundamentów wynosi 1,1 m poniĪej poziomu
terenu. Lokalnie w poziomie posadowienia stwierdzono wystĊpowanie głazów i kawałków
drewna. Ławy fundamentowe nie zostały zazbrojone prĊtami podłuĪnymi.
Łuki nad oknami w Ğcianach zewnĊtrznych wykonano z cegły ceramicznej pełnej klasy „10”
na zaprawie cementowo-wapiennej „3” o gruboĞci 2 cegły.
3. Warunki gruntowo wodne
W celu ustalenia rzeczywistych warunków gruntowo-wodnych w sąsiedztwie spĊkanych i
zarysowanych Ğcian wykonano 6 odwiertów usytuowanych w naroĪach zewnĊtrznych kaplicy
oraz wzdłuĪ najbardziej spĊkanej Ğciany wschodniej. OdległoĞü miĊdzy otworami wynosiła
Ğrednio około 7-8 m, a ich głĊbokoĞü dochodziła do 6 m.
W otworach tych stwierdzono, Īe nasypy niebudowlane tworzące powierzchniową
warstwĊ podłoĪa mają miąĪszoĞü od 0,2 m do 2,1 m. NajgłĊbsze zaleganie utworów
nasypowych wystĊpowało pod najbardziej spĊkaną Ğcianą wschodnią kaplicy.
WystĊpujące w rejonie posadowienia kaplicy grunty nasypowe to mieszanina piasków
drobnych, Ğrednich i piasków gliniastych, zawierająca gruz ceglany i betonowy, kamienie,
domieszkĊ humusu, pojedyncze kawałki gałĊzi i korzeni.
WyĪej opisana warstwa podĞcielona jest gruntami spoistymi o miąĪszoĞci od 0,3 m do
0,8 m, lokalnie dochodzi do 2,2 m. Piaski drobne i Ğrednie, dominujące w podłoĪu
przewarstwione są lokalnie gruntami gliniastymi. Warstwa zbudowana z glin piaszczystych a
miejscami glin pylastych, glin i glin zwiĊzłych ma miąĪszoĞü od kilkudziesiĊciu centymetrów
do blisko 2,0 m. GłĊbsze warstwy podłoĪa, poniĪej 2,5 m zbudowane są wyłącznie z piasków
Ğrednich (rys. 4).
Rys. 4. Przekrój geotechniczny I-I wzdłuĪ Ğciany wschodniej kaplicy.
377
Na podstawie wyników sondowaĔ lekką sondą dynamiczną (DPL) ustalono, Īe grunty
nasypowe są w stanie luĨnym. Ich stopieĔ zagĊszczenia
zmieniał siĊ od wartoĞci 0,15 do 0,33.
PoniĪej głĊbokoĞci 2,0 m piaski drobne i Ğrednie mają stopieĔ zagĊszczenia od 0,40 do 0,66.
StopieĔ plastycznoĞci I
L
gruntów spoistych dochodzi do wartoĞci 0,35.
Ustabilizowany poziom zwierciadła wody gruntowej zmierzono na głĊbokoĞciach 2,3 m do
2,8 m poniĪej terenu. W wiĊkszoĞci otworów poziom wody nawiercono w warstwie piasków
zalegających pod przewarstwieniem gliniastym. Z wywiadu Ğrodowiskowego w terenie
wynika, Īe poziom ten moĪe byü wyĪszy o około 50 cm.
4. Opis stanu istniej
ącego
Szczegółowe oglĊdziny Ğcian, konstrukcji dachu i posadzek w kaplicy, połączone z
wykonaniem niezbĊdnych pomiarów inwentaryzacyjnych wykazały, Īe najbardziej
zniszczone były: Ğciana zewnĊtrzna – podłuĪna (wschodnia) i przyległa do niej posadzka w
kaplicy oraz Ğciana wewnĊtrzna poprzeczna, oddzielająca nawĊ główną od prezbiterium.
Na Ğcianie zewnĊtrznej wschodniej, na obu jej powierzchniach widoczne były zarysowania i
pĊkniĊcia muru o rozwartoĞci dochodzącej do 8-9 mm, układające siĊ we wszystkich
moĪliwych kierunkach: poziomym, pionowym i ukoĞnym.
Rys. 5. SpĊkania widoczne na Ğcianie zewnĊtrznej
378
Rys. 6. Widok spĊkaĔ na wewnĊtrznej powierzchni Ğcian zewnĊtrznych.
Koncentracja tych uszkodzeĔ widoczna była głównie na filarkach miĊdzyokiennych oraz w
bezpoĞrednim ich sąsiedztwie.
NajwiĊksze pod wzglĊdem rozwartoĞci pĊkniĊcia muru stwierdzono na Ğcianie poprzecznej,
oddzielającej nawĊ główną od prezbiterium, nad otworem łukowym, w tzw. „kluczu” łuku.
Jego rozwartoĞü dołem wynosiła 17 mm i zanikała ku górze.
Rys. 7. Widok pĊkniĊü i zarysowaĔ na Ğcianie poprzecznej
SpĊkania posadzki w kaplicy wraz z przemieszczeniami pionowymi widoczne były wzdłuĪ
Ğciany zewnĊtrznej wschodniej. SpĊkania te miały w zasadzie charakter nieregularny i
379
koncentrowały siĊ w paĞmie szerokoĞci około 1,80 m od Ğciany zewnĊtrznej. WielkoĞü
przemieszczeĔ pionowych, tworzących uskoki, wynosiła lokalnie około 5,0 cm.
Rys. 8. SpĊkana posadzka z lastriko (widoczne przemieszczenie pionowe)
4. Mechanizm powstania zniszczeĔ
Usytuowanie oraz charakter stwierdzonych zarysowaĔ i spĊkaĔ Ğcian zewnĊtrznych i
wewnĊtrznych kaplicy a takĪe jej posadzki wskazują jednoznacznie, Īe ich przyczyną jest
wadliwie zaprojektowane i wykonane posadowienie budynku. Pozostałe czynniki, w tym
błĊdy projektowe i bardzo niski poziom wykonawstwa mają charakter drugorzĊdny, które
jedynie proces zniszczeĔ przyĞpieszyły i spotĊgowały. Do czynników tych naleĪy zaliczyü:
- w przypadku projektowania: brak zbrojenia podłuĪnego ław fundamentowych oraz zbyt
mała ich szerokoĞü, a takĪe brak wieĔca Īelbetowego, usztywniającego cały budynek i jego
Ğciany; zaprojektowano i wykonano tylko murłatĊ opartą swobodnie na murze, bez Īadnych
skotwieĔ,
- w zakresie wykonawstwa: brak właĞciwych izolacji przeciwwilgociowych, niewłaĞciwe
wyprofilowanie spadku terenu wokół kaplicy ( w kierunku Ğcian, zamiast odwrotnie),
zastosowanie zróĪnicowanych pod wzglĊdem jakoĞciowym i wytrzymałoĞciowym
elementów Ğciennych itp. a takĪe brak rynien i rur spustowych, które odprowadzałyby wody
opadowe poza rejon murów fundamentowych.
Główną przyczyną zaobserwowanych zniszczeĔ było czĊĞciowe posadowienie budynku na
nasypie niekontrolowanym. W takiej sytuacji wielkoĞü osiadaĔ jest praktycznie nie do
ustalenia, podobnie jak i miejsca w których one wystąpią.
W analizowanym przypadku, w nasypach stwierdzono wystĊpowanie gruzu, kawałków
drewna, humusu, co dodatkowo komplikuje proces osiadania. Znajdujące siĊ w nasypach
elementy drewniane, w miarĊ upływu czasu ulegają rozkładowi biologicznemu, powodując
powstanie wewnątrz gruntu licznych pustek i wolnych przestrzeni, które sprzyjają procesowi
nierównomiernego osiadania.
Wskutek wadliwie ukształtowanego terenu wody opadowe spływały w kierunku budynku,
i migrowały w głąb zatrzymując siĊ na stropie gruntów spoistych, wywołując ich
uplastycznienie a takĪe zagĊszczenie gruntów leĪących powyĪej.
Brak zbrojenia podłuĪnego fundamentów powodował, Īe ulegały one odkształceniom wraz
z podłoĪem, a w konsekwencji spowodowały powstawanie rys i pĊkniĊü w najsłabszych
miejscach opartych na nich murów, czyli w stykach filarów z murami podokiennymi.
Powstaniu zarysowaĔ i pĊkniĊü sprzyjał charakter obciąĪeĔ tych elementów. Filarki
380
obciąĪone były ciĊĪarem własnym i dachem, a mury podokiennie przenosiły jedynie ciĊĪar
własny.
Przekazywanie obciąĪeĔ z dachu wiąĪe siĊ z oddziaływaniem sił rozporu na filarki
miĊdzyokienne. Siły rozporu powodują, Īe przy braku usztywnienia w poziomie oparcia
wiĊĨby dachowej, filarki pracują jak wsporniki obciąĪone na koĔcu siłami skupionymi:
pionową od ciĊĪaru dachu oraz poziomą wywołaną rozporem.
Filarek w swej dolnej czĊĞci jest związany z murem podokiennym, a zatem w miejscu tym
wystĊpuje maksymalny moment zginający, którego wartoĞü znacznie przekracza noĞnoĞü
muru w tym przekroju. Dowodem tego są rysy i pĊkniĊcia poziome na wewnĊtrznej
powierzchni Ğciany, czyli po stronie włókien rozciąganych, których rozwartoĞü jest znacznie
wiĊksza niĪ na powierzchni zewnĊtrznej. Destrukcyjny wpływ rozporu na filarki
miĊdzyokienne potwierdzają równieĪ wyniki pomiarów wychyleĔ murów zewnĊtrznych w
poziomie okapu. Są one zróĪnicowane, ale ich Ğrednia wartoĞü kształtuje siĊ w granicach 5 –
6 cm. WielkoĞü tych wychyleĔ powoduje wzrost mimoĞrodu, na którym działa obciąĪenie
pionowe, a jednoczeĞnie przyczynia siĊ do wzrostu wytĊĪenia całego przekroju.
6. Sposób wykonania wzmocnie
Ĕ i napraw
SpoĞród wielu znanych metod umoĪliwiających likwidacjĊ wystĊpujących uszkodzeĔ i
nieprawidłowoĞci, zdecydowano siĊ wykorzystaü te, które spełniały nastĊpujące kryteria:
- umoĪliwiały wykorzystanie tanich i powszechnie dostĊpnych materiałów budowlanych,
- pozwoliły na wykonanie prac wzmacniająco–naprawczych przy zastosowaniu
nieskomplikowanych technologii i ich realizacjĊ przy udziale stosunkowo nisko
wykwalifikowanych pracowników (miejscowa siła robocza),
- skracały cykl wykonania prac do niezbĊdnego minimum, poniewaĪ kaplica została
wyłączona z eksploatacji, a zapotrzebowanie społeczne na jej uĪytkowanie było bardzo duĪe.
W celu przywrócenia budynkowi pełnej sprawnoĞci technicznej i umoĪliwienia dalszej
bezpiecznej eksploatacji, naleĪało:
- zahamowaü proces dalszego osiadania Ğcian zewnĊtrznych budynku,
- zlikwidowaü destrukcyjny wpływ rozporu spowodowany pracą wiĊĨby dachowej,
(wychylenie Ğcian zewnĊtrznych z pionu) i pĊkniĊcie muru nad łukiem, w Ğcianie miĊdzy
nawą i prezbiterium,
- zlikwidowaü wszystkie rysy i pĊkniĊcia wystĊpujące na Ğcianach i filarkach,
- usunąü skutki nierównomiernego osiadania posadzki wzdłuĪ wschodniej Ğciany
zewnĊtrznej.
W celu likwidacji procesu nierównomiernego osiadania gruntu i posadowionego na nim
fundamentu zdecydowano siĊ na przegłĊbienie fundamentów do głĊbokoĞci ok. 2,0 m poniĪej
poziomu terenu i posadowienia ich na warstwie noĞnej gruntu z jednoczesnym poszerzeniem
fundamentów.
WiĊkszoĞü rys i pĊkniĊü stwierdzona na powierzchni murów analizowanej kaplicy to
przede wszystkim skutek przekroczenia noĞnoĞci granicznej murów w strefie włókien
rozciąganych. Dlatego teĪ usuwanie ich powiązano z wprowadzeniem elementów stalowych o
róĪnych kształtach i formie, których zadaniem było przenoszenie sił rozciągających.
W zaleĪnoĞci od lokalizacji rys i pĊkniĊü, ich rozwartoĞci, charakteru uszkodzeĔ itp.
zaproponowano:
- metodĊ osiatkowaĔ,
- metodĊ zszywek,
- metodĊ spinania muru klamrami.
381
W przypadku spĊkanego i odkształconego pasma posadzki wzdłuĪ Ğciany zewnĊtrznej
zaproponowano wyburzenie istniejącej posadzki, całkowitą wymianĊ gruntu w podłoĪu na
grunt zagĊszczony warstwami do stopnia zagĊszczenia I
D
= 0,7 i wykonanie nowej posadzki.
Prace remontowe rozpoczĊto od sklamrowania oraz „zszycia” istniejących rys i pĊkniĊü.
WiĊksze przelotowe pĊkniĊcia zabezpieczono zakładając na murach z obu stron szczelin
płaskowniki połączone przez całą gruboĞü muru prĊtami stalowymi ĭ 12 z nagwintowanymi
koĔcami. Płaskowniki osadzono w uprzednio wykutych bruzdach. PĊkniĊcia o mniejszej
rozwartoĞci lub widoczne tylko z jednej strony muru zabezpieczono poprzez osadzenie
zszywek w kształcie litery ] osadzonych w wywierconych otworach, po przeciwległych
stronach pĊkniĊcia oraz w bruĨdzie prostopadłej do rysy łączącej te otwory. Zszywki
osadzono na zaprawie cementowej.
W nastĊpnej kolejnoĞci przystąpiono do wykonania konstrukcji odciąĪającej ĞcianĊ
wschodnią. Na wysokoĞci około 80 cm powyĪej posadzki w kaplicy wykuto w murze bruzdĊ
podłuĪną o głĊbokoĞci 5 cm. Na tym samym poziomie wykuto równieĪ podobną bruzdĊ po
stronie zewnĊtrznej Ğciany. W bruzdach tych na zaprawie cementowej osadzono ceowniki
([NP180) spiĊte Ğrubami ĭ 16. Osadzone ceowniki podparto zastrzałami wykonanymi z
okrąglaków. Rozwiązanie konstrukcji odciąĪającej pokazano na rys. 9.
Rys. 9. Widok konstrukcji odciąĪającej.
Kolejnym etapem było odcinkowe, podbetonowanie fundamentu, po uprzednim usuniĊciu
gruntu nasypowego. Fundamenty wzmocniono zarówno od strony zewnĊtrznej Ğciany, jak i
od Ğrodka kaplicy, po usuniĊciu pasa przyĞciennego posadzki. Na murach fundamentowych w
trakcie wzmacniania fundamentów ułoĪono izolacjĊ przeciwwilgociową.
Po wzmocnieniu fundamentów w celu wyeliminowania destrukcyjnego wpływu rozporu
załoĪono Ğciągi z prĊtów o Ğrednicy 24 mm, po obu stronach Ğciany poprzecznej,
oddzielającej nawĊ główną od prezbiterium. ĝciągi o róĪnej długoĞci naprĊĪono termicznie, z
wykorzystaniem Ğrub rzymskich.
Ostatnim etapem było odtworzenie posadzki w pasie przy Ğcianie wschodniej, po uprzednim
wypełnieniu otworów powstałych przy podbetonowaniu fundamentów, zagĊszczonym
gruntem piaszczystym. Po zakoĔczeniu prac remontowo-wzmacniających kaplicĊ
wyposaĪono w rynny i rury spustowe.
Wykonane naprawy okazały siĊ skuteczne. Kaplica została po remoncie ponownie oddana do
eksploatacji. Po roku uĪytkowania nie stwierdzono ponownych zarysowaĔ murów ani
posadzki.
382
7. Wnioski
1. Zasadniczą przyczyną powstałych uszkodzeĔ i spĊkaĔ elementów konstrukcyjnych kaplicy
były warunki gruntowo-wodne, które nie zostały rozpoznane przed opracowaniem projektu
architektoniczno-budowlanego kaplicy. Lokalizacja kaplicy na terenie dawnej Īwirowni
wymagała szczególnej ostroĪnoĞci w projektowaniu fundamentów. NaleĪało liczyü siĊ
przede wszystkim z obecnoĞcią materiałów nasypowych w stanie luĨnym w warstwie
przypowierzchniowej oraz ze zróĪnicowaną miąĪszoĞcią nasypów.
2. Brak właĞciwego i rzetelnego rozpoznania geotechnicznego podłoĪa gruntowego jaki miał
miejsce w analizowanym przypadku powinien byü sygnałem przypominającym o
koniecznoĞci wykonania badaĔ geotechnicznych na etapie projektowania budowli. Mimo
obowiązku przeprowadzenia takich badaĔ, w praktyce czĊsto obserwuje siĊ oszczĊdzanie
na ich wykonywaniu. Nierzadko projektuje siĊ budowle na podstawie skromnego
rozpoznania makroskopowego podłoĪa.
3. Stwierdzone rysy i pĊkniĊcia oraz odkształcenia poziome Ğcian i filarków a takĪe
przemieszczenia pionowe posadzki to konsekwencja wystąpienia błĊdów projektowych i
wykonawczych, co doprowadziło do kumulowania ich skutków, a nastĊpnie do stanu
przedawaryjnego budynku, zagraĪającego bezpieczeĔstwu uĪytkowników.
4. Zaproponowane i zrealizowane wzmocnienia oraz naprawy zostały dostosowane do
warunków i lokalnych moĪliwoĞci wykonawczych. Okazały siĊ one skuteczne, bowiem
mimo upływu roku od chwili zakoĔczenia prac remontowych, nie pojawiły siĊ Īadne nowe
pĊkniĊcia, zarysowania i odkształcenia.
Literatura
1. Eugeniusz Masłowski, Danuta SpiĪewska: „Wzmacnianie konstrukcji budowlanych”,
Arkady, Warszawa 2000.
2. K.S. Brand: „Konstrukcje budowlane. Naprawy, wzmocnienia i przeróbki”. Wydawnictwo
Komunikacji i ŁącznoĞci, Warszawa 1972.
3. PN-B-02479 Geotechnika. Badania geotechniczne. Zasady ogólne.
383
384