X L V I I I K O N F E R E N C J A N AU K O W A
KOMITETU INŻ YNIERII LĄ DOWEJ I WODNEJ PAN
I KOMITETU NAUKI PZITB
Opole – Krynica
2002
Janusz NICZYJ
1
PORÓ WNANIE WIZUALNYCH OCEN STANU TECHNICZNEGO
PRĘ TÓ W DREWNIANYCH DŹWIGARÓ W KRATOWYCH
DOKONANYCH W ODSTĘ PIE 30-LETNIM
1. Wstę p
Ocena stanu technicznego konstrukcji drewnianych jest waż nym polem działania inż ynierów
zwłaszcza, ż e wię kszość tych konstrukcji powstała kilkadziesią t lat temu i wymagają one
obecnie przeglą du, oszacowania stanu i dokonania napraw. Przykładem mogą być tu
działania podję te przez Departament Obrony Narodowej Kanady który w roku 1988 zlecił
przygotowanie odpowiedniego programu komputerowego dla oceny stanu technicznego
i koniecznych napraw konstrukcji na podstawie przeprowadzanych inspekcji dla ponad 200
drewnianych hangarów zbudowanych podczas drugiej wojny światowej, których głównymi
elementami dachu są drewniane kratownice typu Warrena. W 1993 roku został stworzony
przez Foo i Akhrasa [1] system ekspercki o nazwie TRUSS oparty na analizie obiektowo
zorientowanej. Stworzona baza wiedzy poprzez swą formę graficznego interfejsy pomaga
wprowadzić ocenę danego elementu i ukierunkować uż ytkownika co do sposobu
przeprowadzenia wymaganych napraw. Ocenianymi elementami są mię dzy innymi wymiary
elementu, nachylenie włókien, uszkodzenia mechaniczne, rozpad materiału, rozczepienie
końców elementu itd. Baza wiedzy jest uzupełniane systematycznie i pozwala poprawiać
informacje wynikają ce z procesu oceny wizualnej i upływu czasu.
Waż nym elementem oceny stanu technicznego jest inspekcja obiektu i dokonane oceny
wizualne stanu jej elementów. Czę sto uż ywane w takiej ocenie są zmienne lingwistyczne,
które stosowane są do oceny elementów, jak i stanu całej konstrukcji.
Prezentowane oceny stanu technicznego dotyczą przekrycia dachowego wolnostoją cej
hali o wymiarach 220
´
64 m. Hala została wykonana w połowie lat trzydziestych.
Konstrukcja dachu oparta jest na ścianach zewnę trznych oraz słupach ż elbetowych
rozstawionych w wę złach siatki 8
´
16 m, tworzą c konstrukcje czteronawową dwuspadową o
rozstawie czteroprzę słowych dźwigarów kratowych co 8 m. Wysokość hali od posadzki do
dolnego poziomu pasów dolnych wią zarów kratowych wynosi 10.25 m. Cała konstrukcja
dachowa wykonana została z drewna sosnowego. Na podstawie badań wycię tych próbek
przyję to drewno o klasie K27.
1
Dr inż ., Wydział Budownictwa i Architektury Politechniki Szczecińskiej
172
Rys. 1. Schematy statyczne: a) podcią gów, b) wią zarów dachowych
Schematy statyczne czteroprzę słowych wią zarów i jednoprzę słowych podcią gów
dachowych oraz przyję te oznaczenia prę tów przedstawiono na rys. 1.
Przeprowadzono przeglą d wszystkich elementów konstrukcji dachowej hali. Chodzi tu
o wią zary główne – 28 sztuk, podcią gi dachowe – 3 sztuki, płatwie kratowe w ilości 15 oraz
krokwie i deskowania pokrycia – 14080 m
2
. Przeglą d dotyczył takż e stanu 5945 wę złów i
styków pasów. Zastosowano pierwszy stopień badań konstrukcji drewnianych [2], w którym
analiza stanu technicznego elementów konstrukcji nośnych obję ła m.in.: oceny wizualne
uszkodzeń, pobieranie próbek drewna, ocenę wytrzymałości drewna, inwentaryzację pę knię ć
z określeniem ich głę bokość i i rozległości, sprawdzenie stanu łą czników. Wszelkie
zauważ one uszkodzenia były identyfikowane, interpretowane i zapisywane wg jednolitego
systemu oznaczeń przedstawionego na rys. 2.
Ostatniego przeglą du konstrukcji dokonano w 1994 roku. Dla lepszego zobrazowania
stanu istnieją cego badanej konstrukcji porównano oceniany stan elementów z przeglą dem
który został wykonany w 1964 roku stosują c taki sam system oceny za pomocą określeń
lingwistycznych jaki ówcześnie przyję to. Badania w 1964 i 1994 roku zostały wykonane
przez pracowników Instytutu Inż ynierii Lą dowej Politechniki Szczecińskiej. Moż liwość
porównania ocen stanu elementów z roku 1964 i 1994 dotyczy tylko prę tów wią zarów
głównych i podcią gów gdyż dla innych elementów konstrukcji dachu nie było ocen z roku
1964. Przeglą d prę ta zwią zany był z oceną wszystkich czterech powierzchni elementu co
dało przy ilości 1708 prę tów wią zarów 6832 oceniane powierzchnie, a w przypadku
podcią gów przy 75 elementach 300 ocenianych powierzchni prę tów. Ł ą cznie oceniano
stan 7132 powierzchni prę tów. Dla jednego prę ta wią zarów było 224 ocen stanu
technicznego i 56 ocen jednej powierzchni elementu. Natomiast dla podcią gów
odpowiednio 24 i 6 ocen.
4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0
D1 D2 D3 D4
D5 D6 D7 D8 D8
K4 S5 K5 S6 K6 S7 K7 S8 K7
K1 S2 K2 S3 K3 S4
S1
G8
G8
G7
G6
G5
G4
G3
G2
G1
1.4
6
2.8
9
16.0
16.0
K1 S1 K2 S2 K3 S3 K3 S2 K2 S1 K1
2.08
(3.0)
16.0 m
2.6 2.6 2.8 2.8 2.6 2.6
D1 D2 D3 D3 D2 D1
G1 G2 G3 G3 G2 G1
a)
b)
173
Rys. 2. Obraz uszkodzeń i odpowiadają ce im oceny lingwistyczne
Całkowita długość wszystkich prę tów dźwigarów poddanych ocenie wynosiła 6,5 km.
Natomiast całkowita długość wszystkich elementów, takich jak płatwie kratowe i krokwie –
24,78 km.
2. Przyję te oznaczenia rodzajów pę knieć
Dla oceny stanu każ dego prę ta przyję te opisy lingwistyczne i zwią zane z tym rodzaje
uszkodzenia przedstawiono na rys.2. Otrzymano wię c zbiór ocen lingwistycznych składają cy
się z 8 elementów:
‘OCENA’ = {pcp, pcg, ppp, ppg, upp, upg, ulp, ulg}. (1)
Jako pę knię cie płytkie przyję to pę knię cie się gają ce na głę bokość nie wię kszą niż 1/3
grubości danego elementu. Natomiast pę knię cie głę bokie jako się gają ce na głę bokość
podłużne, ciągłe, płytkie – (pcp)
podłużne, ciągłe, głę bokie – (pcg)
podłużne, przerywane, płytkie – (ppp)
podłużne, przerywane, głę bokie – (ppg)
ukośne, pojedyncze, płytkie – (upp)
ukośne, pojedyncze, głę bokie – (upg)
ukośne, liczne, płytkie – (ulp)
ukośne, liczne, głę bokie – (ulg)
174
wię kszą niż 1/3 grubości danego elementu. Przyję to takż e parametr określają cy na jakiej
długości prę ta wystę puje dany rodzaj pę knię cia, a wię c na 1/3, 2/3 i 3/3.
3. Oceny lingwistyczne stanu prę tów
Ilość ocen dla każ dej powierzchni dla wybranych prę tów bę dą cych krzyż ulcami (K3, K4
i K7) wią zarów głównych przedstawiono w tab. 1 oraz dla prę tów podcią gów (D1, G3, K3)
w tab. 2. W kolumnie 13 tych tablic pokazano maksymalne naprę ż enia obliczeniowe, które
uzyskano dla róż nych kombinacji obcią ż eń.
W tablicach przyję to nastę pują ce oznaczenia powierzchni prę tów: P-przednia, T-tylna,
G-górna, D-dolna (kol.3, tab. 1, tab. 2).
Tablica 1. Oceny wizualne krzyż ulców wią zarów
Oceny lingwistyczne
Lp Element
Rok
pcp
pcg
ppp ppg upp upg
ulp
ulg
s
[MPa]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
1
1964
4
9
3
8
2
P
1994
10
7
2
3
2
3
1964
2
9
3
9
4
T
1994
3
5
6
8
1
1
1
5
1964
2
3
5
6
G
1994
3
8
1
7
2
2
7
1964
2
14
1
3
8
D
1994
7
8
2
2
3
1
9
1964
10
35
7
25
10
K3
S
1994
23
28
11
20
1
2
6
4
-13.2
11
1964
1
12
P
1994
1
13
1964
2
1
14
T
1994
1
1
15
1964
1
1
16
G
1994
17
1964
1
1
1
18
D
1994
19
1964
1
5
1
2
20
K4
S
1994
1
1
1
5.8
21
1964
2
23
4
8
22
P
1994
12
2
11
11
23
1964
5
21
2
13
24
T
1994
10
2
9
2
13
25
1964
1
26
G
1994
4
1
1
27
1964
3
1
28
D
1994
1
1
2
1
1
29
1964
7
48
6
22
30
K7
S
1994
23
5
26
1
4
25
-12.2
175
Tablica 2. Oceny wizualne wybranych prę tów podcią gu
Oceny lingwistyczne
Lp
Element
Rok
pcp
pcg
ppp
ppg
upp
upg
ulp
ulg
s
[MPa]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
1
1964
1
1
2
P
1994
1
3
1964
1
1
4
T
1994
1
1
5
1964
6
G
1994
3
7
1964
1
2
2
8
D
1994
1
1
9
1964
2
4
3
10
D1
S
1994
6
1
1
3.9
11
1964
1
1
12
P
1994
1
13
1964
1
1
14
T
1994
1
15
1964
16
G
1994
1
1
17
1964
18
D
1994
19
1964
1
1
1
1
20
G3
S
1994
2
2
-12.8
21
1964
1
1
22
P
1994
1
1
23
1964
1
24
T
1994
25
1964
26
G
1994
3
1
27
1964
2
1
1
28
D
1994
1
1
1
29
1964
3
2
2
30
K3
S
1994
1
5
1
2
-12.7
0
10
20
30
40
50
pcp pcg ppp ppg upp upg ulp ulg
1964
1994
Il
oś
ć
oc
en
Rys. 1. Histogram ocen lingwistycznych dla krzyż ulca K7 wią zarów
176
0
1
2
3
4
5
6
pcp pcg ppp ppg upp upg ulp ulg
1964
1994
Il
oś
ć
oc
en
Rys. 2. Histogram ocen lingwistycznych dla pasa dolnego D1 podcią gów
Na rys. 1 i 2 przedstawiono przykładowe wykresy dokonanych ocen odpowiednio dla
krzyż ulca wią zarów – K7, oraz pasa dolnego podcią gów – D1. Przedstawiono wyniki bę dą ce
sumą ocen dla poszczególnych ocen lingwistycznych w postaci wykresów porównują cych
oceny z roku 1964 i 1994. Pokazują one zmiany jakościowe ocen wizualnych dokonanych w
30-letnim odstę pie czasu.
W tab. 3 przedstawiono porównanie procentowe otrzymanych ocen dla róż nych prę tów
wią zarów z podziałem na elementy rozcią gane i ściskane, oraz zsumowane oceny dla
poszczególnych ocen lingwistycznych dla wszystkich prę tów rozcią ganych (kol. 17 i 18)
i ściskanych (kol. 19 i 20) dźwigarów.
Tablica 3. Oceny wizualne prę tów wią zarów
Oceny lingwistyczne [%]
Lp
Elementy
Rok
pcp
pcg
ppp
ppg
upp
upg
ulp
ulg
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
1964
8,4
54,3
5,0
30,8
1,2
0,3
2
rozcią gane
1994
5,1
29,7 10,5 38,2
0,5
2,2
5,4
8,4
3
1964
7,1
52,2
9,0
30,8
0,9
4
PD
ściskane
1994
5,1
29,4
8,9
38,4
2,8
3,3
12,1
5
1964
8,3
39,5 14,1 38,1
6
rozcią gane
1994
7,9
28,9 10,9 36,9
1,2
0,4
0,8
13,0
7
1964
8,9
50,4 11,6 27,8
0,3
0,3
0,7
8
PG
ściskane
1994
5,1
23,8
9,3
38,3
2,9
3,5
17,1
9
1964
10
rozcią gane
1994
3,6
25,0
60,7
10,7
11
1964 11,1 77,8
4,8
6,3
12
S
ściskane
1994
2,3
33,5 10,2 50,6
3,4
13
1964 13,3 60,1 13,3 13,3
14
rozcią gane
1994 14,3
14,3 14,3
57,1
15
1964 11,1 52,1
6,7
29,8
0,3
16
K
ściskane
1994
9,3
24,1 11,7 32,5
1,2
0,7
6,1
14,4
17
1964
8,5
48,9
8,7
33,2
0,7
18
rozcią gane
1994
6,2
28,9 10,2 38,4
0,8
1,4
3,4
10,7
19
1964
9,5
53,3
8,7
27,8
0,1
0,2
0,4
20
W
sz
ys
t
ki
e
ściskane
1994
6,2
26,5 10,3 38,1
0,4
1,6
3,9
13,0
177
0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
1 0 0
[% ]
p c p p c g p p p p p g u p p u p g u lp u lg
O c e n y lin g w is ty c z n e
1 9 6 4
1 9 9 4
Rys. 3. Histogram ocen lingwistycznych dla prę tów ściskanych wią zarów
0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
1 0 0
[% ]
p c p
p c g
p p p p p g
u p p u p g
u lp
u lg
O c e n y lin g w is ty c z n e
1 9 6 4
1 9 9 4
Rys. 4. Histogram ocen lingwistycznych dla prę tów rozcią ganych wią zarów
Dla ocen łą cznych na rys. 3 przedstawiono histogram zmian ocen lingwistycznych
wynikają cych z przeglą du wizualnego dla prę tów ściskanych, a na rys. 4 histogram dla
prę tów rozcią ganych otrzymanych w czasie inspekcji dokonanych w roku 1964 i 1994.
4. Uwagi koń cowe
Prezentowana ocena wizualna z 1964 r. przeprowadzona po około 30 latach od powstania
konstrukcji pokazuje, ż e dominowały wtedy oceny z cią głymi pę knię ciami podłuż nymi
i poprzecznymi. Po kolejnych 30 latach ich liczba się zmniejszyła w ocenach wizualnych a
pojawiły takż e się liczne głę bokie pę knię cia ukośne określane przez ocenę lingwistyczną
(ulg). W zmianach jakościowych oceny stanu tych samych elementów dało się zauważ yć
przewagę zmian typu: ppp
®
ulg, ppg
®
ulp, pcg
®
ppg, ppg
®
pcg, ppg
®
ulg.
Mimo upływu kilkudziesię ciu lat nie stwierdzono uszkodzeń w prę tach z zerową
wartością siły podłuż nej. Podobnie rozcią gane prę ty krzyż ulców nie wykazały w odstę pie 30
lat zmian ich jakości oceny wizualnej. Dla prę tów ściskanych pracują cych na granicy stanu
nośności ilość pę knię ć jest zdecydowanie wię ksza niż dla prę tów rozcią ganych o około 30%
dla wią zarów i 20% dla podcią gów.
Na uszkodzenia składały się m.in. przyczyny zwią zane z specyfiką materiału: zmiany
obję tościowe i postaciowe, zmiany wywołane wpływem czasu, wady usłojenia. Wpływ
czasu uż ytkowania na niejednorodny materiał jakim jest drewno miał niewą tpliwie wpływ na
ocenę jakości zaobserwowanych uszkodzeń [2]. Wykazane w wyniku oglę dzin liczne
178
podłuż ne i ukośne pę knię cia elementów w wię kszości wynikają ze skurczu drewna przy
wysychaniu. Powstałe w elementach konstrukcji podłuż ne pę knię cia skurczowe od
wysychania w warunkach, które okazały się w rozważ anym okresie normalne tzn. obcią ż enia
nie przewyż szały ich nośności, a zmiany temperatury i wilgotności mieściły się w granicach
dopuszczalnych, w niewielkim stopniu obniż ają wytrzymałość o ile nie są za głę bokie.
W przypadku zsumowanych ocen dla wszystkich prę tów rozcią ganych lub ściskanych
wią zarów otrzymano mało róż nią ce się charakterystyki stanu elementów (kol. 17
¸
20, tab. 3,
rys. 3 i 4). Dominują dwie oceny wizualne: pcg – podłużne ciągłe głę bokie i ppg – podłużne
poprzeczne głę bokie. Charakterystyczną cechą jest pojawienie się po 30 latach licznych
pę knię ć ukośnych, zwłaszcza głę bokich (ulg). Wynikać to moż e z takż e z nierównomiernej
pracy całej konstrukcji przestrzennej, która w przypadku takiego materiału jakim jest drewno
moż e spowodować lokalne sztywności układu powodują ce powstanie skrę cania w niektórych
elementach. Te pę knię cia skurczowe mogą być niebezpieczne w przypadku elementów
rozcią ganych i zginanych.
Otrzymywane histogramy ocen dokonanych w róż nych odstę pach czasu mogą być
świadectwami stanu technicznego elementów i ich zmian w czasie, co moż e być waż ną
informacją jakościową dla oceny stanu technicznego całej konstrukcji. Analiza ocen
lingwistycznych stanu elementów przy znajomości ich wytę ż enia poprzez zastosowanie
logiki rozmytej z uwzglę dnieniem niepewności oceny wizualnej, oraz uwzglę dnienie
przedziału czasowego ich monitoringu pozwala na zaprognozowanie ich zmian stanu
technicznego w czasie.
Po analizie statyczno-wytrzymałościowej i ocenie informacji jakościowych wynikają -
cych z przeglą du wizualnego, dokonano niezbę dnych napraw, wzmocnień oraz wymiany
uszkodzonych prę tów [3].
Literatura
[1] FOO S.H.C., AKHRAS G., Prototype Object-Oriented System for Maintenance of Timber
Trusses. Journal of Computing in Civil Engineering. Vol. 8 (3), 1994, pp. 326-344.
[2] MIELCZAREK Z., Diagnostyka konstrukcji drewnianych. XX Konferencja Naukowo-
Techniczna „ Awarie Budowlane” . Szczecin-Mię dzyzdroje, 2001, s. 259-277.
[3] PACZKOWSKI W., WOJTASZEWSKI R., Wymiana uszkodzonych prę tów drewnia-
nych dźwigarów kratowych pod obcią ż eniem. Inżynieria i budownictwo. 2000, No. 5,
s. 546-548.
COMPARISON OF VISUAL ASSESSMENT OF TECHNICAL STATE
OF TIMBER TRUSS GIRDERS MEMBERS
EXECUTED WITH 30-YEARS INTERVAL
Summary
The paper presents the comparison assessment of technical state of trusses members obtained
by visual inspection. We assumed eight linguistic terms that describe the level of damage for
each area (7132) of structural elements (1783-bars). Obtained histograms of the state of
elements given information about service conditions of the roof truss girders.