Bezpieczeństwo mechanicznych zakotwień membrany PCV-P

Rys. 1. Przekrój pokrycia dachu: 1 – folia PCV-P 1,5 mm, 2 – welon szklany, 3 – izolacja termiczna ze styropianu 300 mm, 4 – folia PE 0,2 mm, 5 – blacha trapezowa TR 160/250 gr. 1,25 mm, 6 – płyty akustyczne, 7 – korpus łącznika z tworzywa sztucznego, 8 – stalowy wkręt samogwintujący o średnicy 5 mm, 9 – zgrzewanie

Dachowe membrany z tworzyw sztucznych znajdują zastosowanie do wierzchniego jednowarstwowego krycia dachów nowych oraz modernizowanych, przede wszystkim wielkopowierzchniowych. Membrany mocuje się do podłoża betonowego, z blach stalowych lub drewnianego różnego rodzaju atestowanymi mechanicznymi łącznikami liniowymi lub punktowymi. Łączniki projektuje się stosownie do obciążeń wynikających ze ssącego oddziaływania wiatru z uwzględnieniem stref klimatycznych, ukształtowania dachu, obciążeń brzegowych, rodzaju podłoża i obliczeniowych nośności połączeń.

Opis konstrukcji przekrycia hali
Konstrukcję nośną hali widowiskowo-sportowej stanowią żelbetowe monolityczne słupy sztywno zamocowane w fundamentach oraz oparte na nich drewniane łukowe dźwigary dachowe ze stalowymi ściągami. Rozpiętość dźwigarów, odpowiadająca rozpiętości hali, wynosi ok. 70 m, a długość hali to ok. 90 m. W kierunku poprzecznym usztywnienie konstrukcji stanowią żelbetowe monolityczne ściany szczytowe, do których przylegają niższe przybudówki.

Konstrukcyjne podłoże przekrycia dachowego hali zaprojektowano i wykonano z blachy trapezowej TR 160/250 o grubości 1,25 mm. Blachy mocowano stalowymi wkrętami do górnych pasów łukowych dźwigarów. Na blachach ułożono paroizolację z folii PE o grubości 0,2 mm, następnie izolację termiczną z płyt styropianowych EPS-100 i EPS-70 (dwie warstwy 10 + 20 cm), welon z włókien szklanych o gramaturze min. 120 g/m2 oraz zewnętrzną wodochronną membranę dachową z miękkiego polichlorku winylu (PVC-P) o grubości 1,5 mm, przeznaczoną do mocowania mechanicznego. Pod konstrukcyjnym podłożem z blachy trapezowej zamontowano lekkie płyty akustyczne, za wyjątkiem skrajnych pasów o szerokości około 1,5 m, wzdłuż przeciwległych podłużnych ścian hali.

Membranę PCV-P mocowano do trapezowych blach za pomocą łączników złożonych z tulei z tworzywa sztucznego i stalowych wkrętów. Mocowanie odbywało się przez izolację termiczną. Stosowano atestowane łączniki, zgodnie z Aprobatą techniczną [1] przeznaczone do mocowania termoizolacji i hydroizolacji. Układ warstw przekrycia dachu oraz sposób kotwienia do konstrukcyjnego podłoża przedstawiono na rys. 1.

Zaprojektowano i wykonano mocowanie membrany łącznikami w zmiennych rozstawach, stosownie do rozkładu obciążeń krawędziowych, wynikających z normy obciążenia wiatrem. W polach krawędziowych o szerokościach 5 m, przy ścianach szczytowych i wzdłuż ścian podłużnych, łączniki rozmieszczano co 250 mm, w rzędach rozstawionych co 0,95 m. W strefie środkowej dachu łączniki rozmieszczano także co 250 mm, w rzędach rozstawionych co 1,5 m. Rozstaw rzędów łączników odpowiadał szerokościom pasów stosowanej folii PCV-P.

Opis awarii
Podczas porywów halnego wiatru uszkodzone zostało pokrycie dachu hali. Nastąpiło oderwanie membrany dachowej z folii PCV-P na około 1/4 połaci dachu. Oderwana od pozostałych warstw przekrycia membrana cyklicznie unosiła się na wysokość do ok. 1,5 m (rys. 2) i falowała przy kolejnych porywach wiatru. Na części połaci o większym nachyleniu w trzech miejscach w okolicy łączenia pasów o różnej szerokości nastąpiło rozerwanie styków membrany. Łączna szerokość rozerwanej membrany wynosiła około 3,0 m (rys. 2c). Zerwaniu uległ również fragment docieplenia szczytowej ściany w jednym narożu od strony oderwanej membrany (rys. 3).


Rys. 2. Uszkodzenia membrany PCV-P: a, b) oderwanie od podłoża i unoszenie membrany, c) rozerwanie poprzecznych styków


Rys. 3. Zerwany fragment ocieplenia szczytowej ściany

Oprócz uszkodzeń pokrycia stwierdzono również uszkodzenia innych małych elementów, zabudowanych na obiekcie lub w bezpośredniej jego bliskości, jak zerwanie lamp, przewrócenie skrzynki stacji elektrycznej. Na pobliskich stokach górskich, w odległości około 0,5 km, zauważono złamanie kilku pojedynczych drzew.

Badania przyczyn awarii
W celu ustalenia przyczyn awarii przeprowadzono szczegółowe oględziny uszkodzeń, badania na obiekcie nośności na wyrywanie zastosowanych łączników, badania laboratoryjne obejmujące: nośność stalowych wkrętów na osiowe wyrywanie z blachy TR 160/250 o gr. 1,25 mm, nośność tworzywowych tulei na wyrywanie wkrętów, wytrzymałość membrany na rozciąganie i rozdzieranie oraz przeprowadzono obliczenia statyczno-wytrzymałościowe zakotwień membrany. Badania prowadzono zgodnie z wytycznymi [2], a obliczeniową analizę na podstawie norm [3] i [4].

Na podstawie oględzin uszkodzonych łączników, w około 20% zakotwień, stwierdzono zniszczenie polegające na wysunięciu się łba wkrętów przez tuleję (rys. 4a), wyrwaniu całego łącznika wraz ze stalowym wkrętem (rys. 4b), a także rozerwaniu korpusu tulei (rys. 4c). W pozostałych 80% wypadków zakotwień wystąpiło rozerwanie membrany PCV-P na odcinku od otworu na tuleję łącznika do bliższej krawędzi pasów folii i wysunięcie folii spod łącznika (rys. 5).


Rys. 4. Obrazy zniszczeń łączników – opis w tekście


Rys. 5. Rozerwanie membrany w strefach zakotwień

W celu określenia przyczyn uszkodzeń przeprowadzono laboratoryjne badania nośności stalowych wkrętów o średnicy 5 mm na wyrywanie z blachy TR 160/250 o grubości 1,25 mm przy osiowym obciążeniu statycznym. Badania prowadzono przy założeniach:

• zróżnicowanej głębokości osadzenia wkrętów poniżej dolnej powierzchni blachy. Przyjęto głębokości równe 10, 20 i 30 mm,
• zmiennego położenia wkrętu wzdłuż szerokości górnej fałdy blachy. Badano wkręty w następujących położeniach: w środku poziomego odcinka fałdy, na krawędzi zagłębienia fałdy, w środku zagłębienia fałdy oraz w środku ukośnego odcinka zagłębienia fałdy. Położenia te schematycznie zaznaczono na rysunkach w tabeli 1.

Do badań przygotowano łącznie 12 próbek. W każdej próbce wkręty wprowadzano w innym miejscu lub na inną głębokość. Widok próbki w maszynie wytrzymałościowej i przykładowy obraz zniszczenia przedstawiono na rys. 6.


Rys. 6. Badanie próbek na wyrywanie stalowych wkrętów z blachy: a) próbka w maszynie wytrzymałościowej, b) widok próbki po zniszczeniu

Wyniki badań zawarto w tabeli 1. Umiejscowienie wkrętu na szerokości górnej fałdy blachy oraz głębokość jego wkręcenia nie wpływały istotnie na wynik badania. Uzyskane siły wyrywające były większe lub równe 2,0 kN. Wartość średnia siły niszczącej wyniosła 2,28 kN i była nieco niższa od charakterystycznej nośności tego typu łączników wg Aprobaty [1], wynoszącej 2,5 kN.

Badanie nośności dachowych łączników z tworzywa sztucznego na osiowe wyrywanie z nich stalowych wkrętów przeprowadzono w sposób bezpośredni w maszynie wytrzymałościowej (rys. 7a). Badaniu poddano 6 łączników. Wszystkie badane łączniki niszczyły się przez oderwanie stożka łącznika od jego korpusu (rys. 7b). W żadnym wypadku nie stwierdzono przeciągnięcia łba wkrętu przez tuleję, jak to obserwowano w zniszczonych elementach na obiekcie. Uzyskane w badaniach siły niszczące wynosiły od 1,80 kN do 1,88 kN (wartość średnia: 1,83 kN) i były średnio o 19% mniejsze od charakterystycznej nośności takich łączników, wynoszącej wg Aprobaty [1] 2,20 kN. Należy tu jednak podkreślić, że współczynniki bezpieczeństwa w wypadku zniszczenia przez wyrwanie wkrętu z blachy, są znacznie większe niż w wypadku zniszczenia przez zerwanie tulei lub wyrwanie wkrętu z tulei. Dlatego o nośności zakotwienia obliczeniowo decyduje warunek wytrzymałości na wyrywanie wkrętu z blachy.


Rys. 7. Badanie łączników na przeciąganie łba wkrętów przez tuleję: a) próbka w maszynie wytrzymałościowej, b) widok próbki po zniszczeniu

Badania wyrywania łączników przeprowadzono także na obiekcie, w pięciu punktach na części połaci, która nie uległa uszkodzeniu. Do badań wykorzystano urządzenie DYNA Pull-off Tester Z15 ze specjalnym uchwytem, pozwalającym na zaczepienie talerzyka łącznika i osiowe obciążenie. W czterech badanych punktach siły wyrywające doprowadzono do wartości 1,05 ÷ 1,20 kN i ze względu na duże sprężyste ugięcia styropianowego podłoża, pomimo zastosowanych podkładek, nie było możliwe dalsze zwiększenie siły. W piątym badanym punkcie łącznik wyciągnięto przy sile 1,0 kN, mniejszej od deklarowanej obliczeniowej nośności wynoszącej 1,35 kN wg Aprobaty [1]. Z oględzin przeprowadzonych z kosza zwyżki od wnętrza obiektu stwierdzono pojedyncze miejsca wadliwych zakotwień, w których wkręty osadzone były na niewystarczającej głębokości pod blachą (rys. 9).


Rys. 8. Badanie łączników na wyrywanie na obiekcie: odsłonięty talerzyk łącznika


Rys. 9. Wady montażu łączników – mała głębokość osadzenia wkrętów

Przeprowadzono także badania membrany PCV-P na rozerwanie i na rozciąganie, zgodnie z normami [5] i [6]. Uzyskane w badaniach siły rozdzierające (230 ÷ 300 N/50 mm) i rozciągające (1,24 kN/50 mm) były większe od odpowiednich minimalnych wartości producenta [7] – 178 N/50 mm i 1,232 kN/50 mm.

Analiza wyników badań
Według informacji IMGW średnia prędkość wiatru zmierzona w najbliższej stacji, usytuowanej ok. 8 km od przedmiotowej hali, w dniu awarii osiągała wartość 25 m/s. Z uwagi na usytuowanie hali przy zboczu górskim nie można jednak wykluczyć występowania w tym dniu lokalnych porywów wiatru o większych prędkościach chwilowych.

Z norm wiatrowych wynika, że obliczeniowa maksymalna chwilowa prędkość wiatru w miejscu lokalizacji hali (III strefa) może wynosić 54,5 m/s zgodnie z normą PN-B-02011:1977/Az1 [3] (przy założonej charakterystycznej prędkości wiatru 30 m/s) oraz 43,9 m/s zgodnie z Eurokodem PN-EN 1991-1-4: 2008 [4]. Największa zanotowana prędkość wiatru w okolicach położenia przedmiotowej hali wg [8] w okresie 1961 ÷ 1995 wynosiła 40 m/s.

Na podstawie rodzaju i zakresu szkód, które wystąpiły w terenie przy hali oraz na dachu hali, w oparciu o tabele intensywności wiatru [8] szacuje się, że chwilowe wartości prędkości wiatru mogły w tym dniu oscylować w okolicy 30÷35 m/s (108÷126 km/h).

Ze sprawdzających obliczeń nośności łączników na odrywanie wiatrem, zgodnie z normą PN-B-02011:1977/Az-1 [2] oraz Eurokodem 1 PN-EN 1991-1-4: 2008 [3], oraz przy założeniu deklarowanej w Aprobacie technicznej [1] obliczeniowej wartości nośności łączników 1,35 kN, wynika że graniczny stan nośności we wszystkich strefach dachu był zachowany – zapasy obliczeniowych nośności wynoszą od 1,4 do 2,5. Wynika stąd, że założenia odnośnie rodzajów łączników oraz ich rozstawów, przyjęte w projekcie, spełniają wymagania analizowanych norm obciążenia wiatrem i Aprobaty [1].

Obliczeniowo wyznaczono charakterystyczne wartości prędkości wiatru, przy których możliwe byłoby zniszczenie łączników przy wartościach sił niszczących uzyskanych w badaniach. Najmniejszą prędkość wiatru równą 38,9 m/s, powodującą zniszczenie połączenia, uzyskano wg PN-EN [4]. Wartość ta jest zbliżona do, oszacowanej wg [8] wartości chwilowej 35 m/s oraz możliwych odnotowywanych we wcześniejszych latach maksymalnych wartości prędkości wiatru halnego w rejonie hali 40 m/s. Można stąd wnosić, że przy prędkościach wiatru, które mogły wystąpić w rejonie dachu hali, możliwe było uszkodzenie pokrycia i oderwanie membrany od podłoża, nawet w wypadku pełnej nośności wszystkich łączników kotwiących membranę do podłoża.

Na podstawie przeprowadzonej analizy można założyć następujące 3 prawdopodobne mechanizmy oderwania się od podłoża i podniesienia dachowej membrany:

1. Oderwanie się membrany zostało zainicjowane w miejscach wadliwie zamontowanych łączników, przy występującym silnym wietrze, a następnie w sposób lawinowy, dochodziło do rozrywania folii na krawędziach i wyrywania kolejnych łączników.
2. Na skutek porywu wiatru doszło do oderwania się folii na stykach poprzecznych (rys. 4c), co spowodowało wystąpienie dodatkowego ciśnienia wewnętrznego pod membraną i znaczny wzrost sił działających na łączniki, aż do ich zniszczenia.
3. Nie jest wykluczone również, że zniszczenie zostało zainicjowane silnym chwilowym porywem wiatru, w obszarze prawidłowo zakotwionych łączników.

Podsumowanie
Opisany wypadek awarii pokrycia dachu wykonanego z membrany PCV-P, mechanicznie kotwionej do podłoża z blachy trapezowej, wskazuje zdaniem Autorów na zbyt małe poziomy bezpieczeństwa przy określaniu nośności na wyrywanie, przyjmowane przy tego typu zakotwieniach. Mechaniczne łączniki, kotwiące membrany do podłoża z blach trapezowych poprzez grube warstwy ocieplające (styropian, wełna mineralna), stwarzają uzasadnione problemy montażowe. Utrudniona jest także kontrola poprawności wykonania połączenia – montażysta pracujący na dachu nie widzi, czy osadzany wkręt został wprowadzony na odpowiednią głębokość. Natomiast wadliwe zamocowanie nawet jednego łącznika (przy nawet kilkunastu tysiącach na powierzchni dachu hali) znacznie osłabia cały system i może zainicjować proces lawinowego zniszczenia (oderwanie lub zerwanie membrany) przy obciążeniu wiatrem.

Według obowiązujących wytycznych ETAG 006 [2] zaleca się przyjmowanie następujących wartości współczynników bezpieczeństwa ? dla obliczeniowych sił wyrywających łączniki przy oddziaływaniu wiatru: podłoża z blach stalowych ? = 2,0, podłoża drewniane i aluminiowe ? = 2,5, podłoża betonowe ? = 3,0. Wartości te uwzględniają wpływ rodzaju podłoża, lecz nie uwzględniają ryzyka związanego z uzasadnionym prawdopodobieństwem wystąpienia wad montażu w konkretnych systemach kotwienia tego typu pokryć.

W przedstawionym tu przypadku uszkodzone pokrycie dachu hali naprawiono i dodatkowo zabezpieczono przez odtworzenie zerwanych połączeń i wprowadzenie dodatkowych rzędów punktowych łączników rozmieszczonych co 250 mm, w połowie szerokości poszczególnych pasów folii, na całej powierzchni dachu. W ten sposób bezpieczeństwo zakotwień na odrywanie, powodowane ssaniem wiatru poprawiono ok. dwukrotnie.

Literatura
[1] Aprobata techniczna AT-15-7425/2007: Łączniki dachowe Gunnebo typu G do mocowania termoizolacji i hydroizolacji. ITB, Warszawa, 2007.
[2] Wytyczne ETAG 006: Systemy pokryć dachowych z elastycznych wyrobów wodochronnych mocowanych mechanicznie. ITB, seria Dokumenty EOTA, Warszawa, 2000.
[3] PN-77/B-02011:1977/Az1: Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie wiatrem. PKN, Warszawa, 2009.
[4] PN-EN 1991-1-4: 2008. Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje - Część 1-4: Oddziaływania ogólne – Oddziaływania wiatru.
[5] PN-EN 12310-2: 2002: Elastyczne wyroby wodochronne. Określenie wytrzymałości na rozdzieranie. Część 2: Wyroby z tworzyw sztucznych i kauczuku do izolacji wodochronnej dachów.
[6] PN-EN 12311-2: 2002: Elastyczne wyroby wodochronne. Określenie własności mechanicznych przy rozciąganiu. Część 2: Wyroby z tworzyw sztucznych i kauczuku do izolacji wodochronnej dachów.
[7] Renolit Alkorplan F: System z mocowaniem mechanicznym. Materiały producenta. Renolit Polska Sp. z o.o.
[8] Żurański J. A., Gaczek M.: Oddziaływanie huraganowego wiatru na budowle. X Konf. Naukowo-Techniczna Problemy rzeczoznawstwa budowlanego. Warszawa, Miedzeszyn, 22–24 kwietnia 2008 r.

dr inż. Zbigniew Pająk
Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa
dr inż. Łukasz Drobiec
Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa


CZYTAJ WIĘCEJ

Systemy dachowe TPO i PVC Mapeplan
Dachy płaskie z membran z tworzyw sztucznych
Membrany hydroizolacyjne z PVC - zasady układania
Przenośne masy kotwiczące
Stałe systemy kotwiczące
Membrany dachowe z PVC. DachGam

---