29-33 michalek.indd

PRZEGLĄD BUDOWLANY

4/2007

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

1. Wprowadzenie

W pracy [4] podano klasyfikację przyczyn wywołu-

jących nadmierne zarysowanie różnych konstrukcji

żelbetowych i murowych. Przyczyny te podzielono

na dwie grupy: materiałowo-fizykalne (skurcz i pęcz-

nienie betonu, wahania temperatury, agresywność

środowiska) i mechaniczno-wytrzymałościowe (prze-

ciążenia konstrukcji, błędny schemat statyczny, nie-

równomierne osiadanie podłoża). Według autorów

prac [2, 3, 4] najczęstszą przyczyną nadmiernego

zarysowania i innych uszkodzeń konstrukcji betono-

wych są nierównomierne osiadania fundamentów.

Do częstych błędów projektowo-konstrukcyjnych

można zaliczyć także brak oddzielenia za pomocą

dylatacji dwóch lub więcej części budynku o różnej

wysokości, zróżnicowanych obciążeniach i różnym

poziomie posadowienia. Wiadomo, że wyższa część

budynku osiada bardziej, powodując tym samym

zarysowanie części niższej. W pracy [4] podano wiele

przykładów uszkodzeń i awarii obiektów budowlanych

spowodowanych nieprawidłową pracą fundamentów

lub brakiem dylatacji. W pracach [2, 3] omówiono

także sposoby rozwiązania konstrukcyjnego i przy-

kłady dylatacji części budowli i budynków różniących

się wysokością i wartościami obciążeń użytkowych.

Uszkodzenia (diagnostyka i monitoring)

żelbetowej konstrukcji elektrowni wodnej

na Odrze we Wrocławiu

Dr inż. Janusz Kubiak, dr inż. Aleksy Łodo, dr inż. Jarosław Michałek

Politechnika Wrocławska

Dylatacje, ze względu na nierównomierne osiadanie

fundamentów, muszą przebiegać przez całą wyso-

kość budynku, łącznie z fundamentami.

Nadmierne zarysowanie konstrukcji żelbetowej wywo-

łuje pogorszenie jej nośności, trwałości, walorów

użytkowych oraz zagrożenia korozyjne betonu i stali.

Według przepisów normy [5] wytyczne dotyczące

parametrów zarysowania są bardzo zróżnicowane

i zależą od rodzaju konstrukcji i klasy ekspozycji

środowiska. Na przykład dla klasy X0 (środowisko

części nadwodnej analizowanego obiektu), graniczna

szerokość rozwarcia rys w

lim

wynosi 0,3 mm, przy

minimalnej grubości otuliny betonowej c

min

= 15 mm

i minimalnej klasie betonu B15.

Specyficznymi budowlami, szczególnie narażony-

mi na przedstawione uszkodzenia oraz nadmierne

odkształcenia i zarysowania są elektrownie wodne.

Jako budowle hydrotechniczne składają się one

z wielu obiektów o różnym przeznaczeniu i zróżnico-

wanej konstrukcji [1]. Powinny posiadać prawidłowo

zaprojektowane fundamenty i układ nośny niewraż-

liwy na zmienne warunki gruntowo-wodne (powódź,

susza). Bardzo często w trakcie budowy elektrowni

wodnych były i są nadal popełniane liczne błędy pro-

jektowe i wykonawcze.

Rys. 1. Elektrownia Wrocław I – hala maszyn i przylega-

jący do niej budynek rozdzielni oraz most dojazdowy

Rys. 2. Blok siłowni, hala maszyn oraz kanały wylotowe

z turbinowni

PRZEGLĄD BUDOWLANY

4/2007

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

W artykule przedstawiono opis uszkodzeń i zaryso-

wań elementów i konstrukcji budynków Elektrowni

Wodnej na rzece Odrze we Wrocławiu. Stwierdzono,

że zasadniczą przyczyną tych uszkodzeń jest nierów-

nomierne osiadanie fundamentów głównych obiektów

Elektrowni i brak dylatacji pomiędzy nimi. Podano

także sposoby naprawy i zabezpieczeń uszkodzonych

konstrukcji.

2. Charakterystyka obiektu

Elektrownie wodne, a właściwie siłownie wodne,

przylegające do jazu (siłownie przyjazowe) zalicza

się do elektrowni przepływowych [1]. Usytuowane

są na rzekach nizinnych i łącznie z jazem stanowią

element budowli piętrzącej wodę. Pracują na róż-

nicy poziomów górnej i dolnej wody na jazie (spad

elektrowni) i charakteryzują się zmienną mocą zależ-

ną od naturalnego, niezdeformowanego przepływu

wody istniejącego w rzece.

Do siłowni przyjazowych zaliczyć można Elektrownię

Wodną Wrocław I zlokalizowaną na odnodze rzeki

Odry w centrum Wrocławia (rys. 1, 2, 3). Jest ona

wyposażona w cztery hydrogeneratory prądotwórcze

– dwie turbiny wodne Kaplana produkcji czeskiej

i dwie Francisa produkcji niemieckiej o pionowych

układach wału, dające łączną moc 4,83 kW.

Budowę Elektrowni, według projektu architek-

ta Maxa Berga ukończono w 1924 r. Obiekt jest

ciekawym przykładem architektury przemysłowej

w stylu „Neues Bauen” z lat 20. XX wieku. Elewacje

budynków mają naturalną fakturę muru ceglanego

(rys. 1 i 2) oraz ciekawy wystrój architektoniczny

autorstwa L. Moshamera i R. Konwiarza. Główny por-

tal Elektrowni (od wschodu) zdobi ekspresjonistycz-

na płaskorzeźba nawiązująca do symboliki sił natury

– nagi mężczyzna wyłaniający się z żywiołów – dzieło

R. Bednorza (rys. 5).

Dane techniczne Elektrowni są następujące: maksy-

malny spad zainstalowany – 5,2 m; średnia produk-

cja roczna energii elektrycznej – około 21300 MWh;

zdolności przepustowe wody: turbiny – 126 m

/s, jaz

stały – 45 m

/s, zastawki – 214 m

/s i upust płuczący

– 170 m

/s.

Na rysunku 3 przedstawiono usytuowanie obiektów

Elektrowni w korycie rzeki. Kompleks bloku siłowni

z nadbudowaną nad nim halą maszyn

➀

oraz budynek

rozdzielni

➁

‚ wraz z łącznikiem

➂

i przybudówką

➃

kształt litery L i przesunięty jest względem jazu w dół

rzeki.

Konstrukcja budowlana przepływowej siłowni wodnej

niskiego spadu [1] pełni rolę budowli piętrzącej, prze-

noszącej parcie górnej wody na fundament. Musi także

odpowiadać wymaganiom technicznym i eksploata-

cyjnym narzuconym układem i wymiarami urządzeń

mechanicznych i elektrycznych. Konstrukcyjnie siłow-

nia dzieli się na dwie części – masywny blok siłowni

z betonu monolitycznego i część wzniesioną powyżej

bloku siłowni zwaną halą maszyn.

Na rysunku 4 przedstawiono podłużny przekrój pio-

nowy dokonany przez blok siłowni i poprzeczny

przez halę maszyn Elektrowni.

Blok siłowni ma kon-

strukcję żelbetową, monolityczną o następujących

parametrach: długość 41,25 m, szerokość 30,0 m,

poziom spodu fundamentu 103,0 m, poziom górnej

powierzchni 114,25 m (rzędna turbinowni). Znajdują

się w nim m.in.: masyw turbin (turbinownia), kanały

wlotowe tzw. spirale, rury ssawne, system zasuw i krat

oraz kanały wylotowe i upust płuczący. Blok siłowni

podzielony jest dylatacją na dwie sekcje zawierające

po dwa turbozespoły.

Hala maszyn ma następujące wymiary: długość

47,7 m, szerokość 12,5 m, poziom posadzki 117 m,

wysokość do płaszczyzny dachu 13,70 m. W budyn-

ku hali maszyn w równych odstępach są ustawione

dwie sekcje urządzeń, zawierające po dwa genera-

tory prądotwórcze i układ transformatorów. Ponadto

wyposażona jest ona w suwnicę pomostową o udźwi-

gu Q = 300 kN, przeznaczoną do przenoszenia

i montażu ciężkich elementów turbin i generatorów,

głównie wirnika generatora. Budynek hali maszyn ma

konstrukcję szkieletową monolityczną – żelbetowe

słupy ze wspornikami pod belki podsuwnicowe, rygle

dachowe i belki podsuwnicowe. Ściany zewnętrzne

wykonane są z cegły ceramicznej pełnej grubości

51 cm. Stropodach ma konstrukcję płytowo-żebrową

z płytą ceramiczną.

Prostopadle do bloku siłowni i hali maszyn usytu-

owany jest budynek rozdzielni

➁

mieszczący także

Rys. 3. Rozmieszczenie budynków Elektrowni oraz nume-

racja reperów do pomiarów przemieszczeń pionowych

PRZEGLĄD BUDOWLANY

4/2007

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

nastawnię i pomieszczenia biurowe. Zadaniem roz-

dzielni jest skierowanie i przekazanie energii do wła-

ściwych torów przesyłowych oraz zasilenie obwodów

własnych. Nastawnia zaś steruje pracą całej siłowni.

Budynek rozdzielni jest wielokondygnacyjnym (jedna

kondygnacja podziemna, pięć nadziemnych) budyn-

kiem o szkieletowej, monolitycznej konstrukcji żelbe-

towej i wymiarach: długość 31,5 m; szerokość 6,5 m.

Ściany zewnętrzne wykonane są z cegły ceramicznej.

Fundament stanowi płyta żelbetowa o wymiarach

34,3 × 9,0 m i grubości 0,95 m, zaopatrzona w ostro-

gę od strony dolnej wody. Spód fundamentu usytu-

owano na poziomie 112,4 m, a ostrogę na 109,7 m.

Pomiędzy blokiem siłowni i halą maszyn

➀

a budyn-

kiem rozdzielni

➁

znajduje się tzw. łącznik

➂

o kon-

strukcji opierającej się z jednej strony na bloku siłowni,

a z drugiej na konstrukcji budynku rozdzielni (rys. 3,

4). Na przedłużeniu łącznika usytuowana jest przybu-

dówka

➃

z klatką schodową o konstrukcji monolitycz-

nej, połączoną podobnie jak łącznik z halą maszyn

i budynkiem rozdzielni.

Tak więc w części nadziemnej układy nośne budyn-

ków hali maszyn i rozdzielni poprzez konstrukcje

łącznika i przybudówki są ze sobą sztywno połączone.

Ściany przenikają się wzajemnie, a elementy stropów

są związane monolitycznie.

3 Warunki gruntowo-wodne. Remont nabrzeży

Podłoże gruntowe w obrębie Elektrowni scharakte-

ryzowano w oparciu o niemieckie mapy geologiczne

i badania gruntu pochodzące z okresu przedwojenne-

go. Podłoże stanowią osady trzecio- i czwartorzędowe.

Górne warstwy zawierają gliny zwałowe, piaski, żwiry

i mułki piaszczyste. Są to plejstoceńskie, dość nośne

osady aluwialne rzeki Odry, osiągające miąższość

około 15,0 m, pod którymi zalegają mioceńskie, słab-

sze osady ilaste, iłopiaszczyste oraz piaski z lignitem.

Z tego opisu wynika, że fundamenty bloku siłowni

i budynku rozdzielni posadowiono na gruntach o zróż-

nicowanych właściwościach. Ponadto z dodatkowych

badań ustalono, że budynek rozdzielni posadowiono

na pozostałościach wcześniejszej konstrukcji drewnia-

nej i drewniano-murowej.

Stwierdzono, że wahania poziomów wody w rzece

wynikające z pór roku i nasilonych opadów nie są

niebezpieczne dla obiektów Elektrowni, natomiast

znaczne szkody poczyniła lipcowa powódź z 1997

roku. Szczególnie duże zniszczenia odnotowano

w umocnieniach i zabezpieczeniach skarp i nabrze-

ży – głównie od strony wody dolnej Elektrowni.

Uszkodzenia palisad i umocnień skarp w sąsiedztwie

budynku rozdzielni od strony kanału wylotowego

groziły wymywaniem i rozluźnieniem struktury gruntu

pod fundamentami. W 2001 roku wykonano remont

nabrzeży kanału wylotowego polegający na wykona-

niu stalowych ścianek szczelnych i pali Jotgrouting,

ułożeniu koszy siatkowych wypełnionych kamieniami

(tzw. gabionów) oraz wykonaniu wykładziny kamien-

nej na nowoprofilowanych skarpach.

4. Analiza geodezyjnych pomiarów przemieszczeń

Na obiektach Elektrowni oraz terenie przyległym usy-

tuowano sieć reperów kontrolnych (rys. 3), na któ-

rych od 1989 roku praktycznie co roku dokonuje się

pomiarów przemieszczeń [8]. Z pomiarów tych wyni-

ka, że przemieszczenia pionowe bloku siłowni i hali

Rys. 4. Podłużny przekrój pionowy bloku siłowni i hali maszyn ➀, poprzeczny budynku rozdzielni ➁ (rysunek wg doku-

mentacji oryginalnej)

PRZEGLĄD BUDOWLANY

4/2007

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

maszyn (repery 118–123) nie wykazują znacznych

przyrostów (przez ostatnie 10 lat maksymalne osia-

danie wyniosło 2,1 mm). Zaobserwowano natomiast

większe i zróżnicowane przyrosty przemieszczeń pio-

nowych budynku rozdzielni (repery 94 – 6,3 mm; 95

– 8,1 mm; 124 – 9,9 mm). Taki wynik pomiarów wska-

zuje (czego można było się spodziewać), że wysoki

budynek rozdzielni przemieszcza się silniej niż blok

siłowni z halą maszyn.

W latach 2000–2002 zmierzono także odchyłki piono-

wości narożników budynku rozdzielni w dwu płasz-

czyznach. Zmierzone wychylenia czterech narożników

świadczą o tym, że budynek ulega pewnym skrę-

ceniom w kierunku kanału wylotowego Elektrowni.

Stwierdzono ponadto, że przemieszczenia innych

obiektów Elektrowni, w tym elementów jazu stałego,

murów oporowych rzeki, kanałów górnego i dolnego

oraz wałów i filarów są nieduże.

5. Opis uszkodzeń i analiza przyczyn ich powstania

Stwierdzono, że pomieszczenia znajdujące się pod

lustrem wody (piwnice hali maszyn) i dylatacja

oddzielająca sekcje turbozespołów są niezarysowane

i szczelne. Zauważono natomiast znaczne zarysowa-

nia (rysy i pęknięcia 0,5–8 mm) w elementach stro-

powych, ścianach, posadzkach, a także elementach

Rys. 7. Rysy w strefie oparcia żelbetowej belki spoczni-

kowej klatki schodowej przybudówki ➃ opartej na ścianie

budynku rozdzielni ➁

Rys. 8. Uszkodzenia w strefie oparcia belki stropowej

nad piwnicą budynku rozdzielni

Rys. 6. Rysy ukośne nad oknami w ścianach przybu-

dówki ➃

Rys. 5. Brama wjazdowa do hali maszyn – rysy nad nad-

prożem bramy

PRZEGLĄD BUDOWLANY

4/2007

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

klatek schodowych, filarach i nadprożach bram łącz-

nika i przybudówki, czyli elementach konstrukcyjnych

łączących blok siłowi i halę maszyn z budynkiem

rozdzielni. Duże uszkodzenia elementów konstrukcyj-

nych występują także w samym budynku rozdzielni.

Na rysunkach 5, 6, 7 i 8 podano przykłady rys i pęk-

nięć wybranych fragmentów obiektów Elektrowni.

W różnych okresach prowadzono w wybranych miej-

scach monitoring zmian szerokości rozwarcia tych rys

za pomocą reperów szklanych [6, 7]. Stwierdzono,

że zmiany te były niewielkie.

Stwierdzono, że główną przyczyną uszkodzeń ele-

mentów konstrukcyjnych łącznika i przybudówki oraz

niektórych ścian budynku rozdzielni są zróżnicowane

wartości osiadań fundamentów budynku rozdzielni

w stosunku do bloku siłowni. Świadczą o tym wyniki

pomiarów przemieszczeń pionowych budynku roz-

dzielni, a także wychyleń jego narożnika oraz przebieg

rys i pęknięć. Blok siłowni z halą maszyn posadowio-

ny jest na fundamencie obniżonym o 9,3 m w sto-

sunku do fundamentu budynku rozdzielni (rys. 4).

Konstrukcje obiektów mają oddzielne fundamen-

ty, lecz połączone są ze sobą w części piwnicz-

nej za pomocą żelbetowego stropu, a w części

parterowej poprzez żelbetowe belki podsuwnicowe,

elementy klatki schodowej oraz żebra konstrukcji

dachu. Proces osiadań fundamentów tych obiektów

nie zakończył się w okresie osiemdziesięcioletniej

eksploatacji Elektrowni, ze względu na zmienność

poziomu wody i jej destrukcyjne działanie.

Na zwiększone osiadania budynku rozdzielni ma

także wpływ jego posadowienie na dość niestabilnej

wąskiej wyspie podmywanej przez przepływającą

wodę, szczególnie przy wysokich stanach wody.

Uzyskano informacje, że budynek ten posadowiono

na słabym gruncie, głównie piasku, gruzu ceglanego

i innych pozostałościach poprzedniej budowli oraz

że istnieje groźba występowania tzw. sufozji (osłabie-

nie struktury gruntu przez wody podziemne wyługo-

wujące minerały i ziarna podłoża).

6. Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych przez autorów

analiz stanu technicznego, warunków użytkowa-

nia, wyników wieloletnich pomiarów geodezyjnych

oraz oceny zakresu uszkodzeń i zarysowań obiek-

tów Elektrowni Wodnej Wrocław I, stwierdzono brak

zagrożeń bezpieczeństwa ludzi i eksploatowanych

urządzeń. Opisane w punkcie 5 uszkodzenia kon-

strukcji łącznika, przybudówki i fragmentów budynku

rozdzielni wynikają z błędu projektowego polegają-

cego na niewłaściwym rozwiązaniu posadowienia

budynku rozdzielni – brak dylatacji oddzielającej

go od bloku siłowni i zbyt słaby fundament. W celu

umożliwienia dalszej bezpiecznej eksploatacji obiek-

tów Elektrowni, zalecono obserwację (monitoring)

szerokości rozwarcia rys we wskazanych przez auto-

rów miejscach. Pomiaru szerokości rozwarcia rys

można dokonywać za pomocą specjalnych mierni-

ków umożliwiających pomiar i zapis wyników w dłu-

gim okresie czasu. W razie braku takich urządzeń

zaproponowano naklejenie tradycyjnych reperów

szklanych. Zalecono także niewypełnianie pęknięć

i rys materiałem nieodkształcalnym (np. zaprawa

cementową), gdyż stanowią one obecnie naturalną,

korzystną dla pracy konstrukcji dylatację. Można

je wypełnić materiałem elastycznym, oferowanym

przez działające na terenie naszego kraju firmy

specjalizujące się w renowacji i naprawach beto-

nu. Zalecono ponadto kontynuowanie corocznych

pomiarów geodezyjnych przemieszczeń elementów

konstrukcyjnych Elektrowni w oparciu o istniejące

i umieszczone dodatkowo repery oraz dokonywanie

okresowych (maksimum co 5 lat) przeglądów i badań

stanu technicznego obiektów.

BIBLIOGRAFIA

[1] Budownictwo betonowe. T. XVII. Budowle wodne śródlądowe.

Kierownik zespołu autorskiego: Balcerki W., Arkady, Warszawa 1969

[2] Kubiak J., Stachurski W., Konstrukcje żelbetowe. T. I–IV, Warszawa,

T. I – 1984; T. II – 1987, T. III – 1989; T. IV – 1991

[3] Grabiec K., Konstrukcje betonowe. Przykłady obliczeń statycznych.

PWN, Warszawa – Poznań 1977

[4] Mitzel A., Stachurski W., Suwalski J., Awarie konstrukcji

betonowych i murowych. Arkady, Warszawa 1973

[5] PN-B-03264:2002. Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone.

Obliczenia statyczne i projektowanie

[6] Kubiak J., Łodo A., Michałek J., Ekspertyza techniczna określająca

przyczyny i zakres uszkodzeń oraz sposób zabezpieczenia konstrukcji

obiektu Elektrowni Wodnej Wrocław I. Zespół Rzeczoznawców PZITB,

Oddział we Wrocławiu, Wrocław 2004

[7] Kubiak J., Łodo A., Ekspertyza techniczna. Określenie przyczyn

i zakresu uszkodzeń oraz sposobu zabezpieczenia konstrukcji

budynku Elektrowni Wodnej Wrocław I zlokalizowanej we Wrocławiu.

Zakład Usług Techniczno-Ekonomicznych ALMA S.C., Wrocław 1995

[8] Traczewski W., Winter J., Wynalek J., Badanie przemieszczeń

pionowych Elektrowni Wodnej Wrocław I. Raporty Instytutu

Geotechniki i Hydrotechniki Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1996,

1997, 1998, 2000, 2001, 2002