VIII Techniki podpierania, wzmacniania tymczasowego lub trwałego z wykorzystaniem stali (ciąg dalszy)

VIII-1. Wzmacnianie istniejących budowli przy użyciu grodzic stalowych

Wykonanie zapory ze stalowych grodzic wokół filaru mostu Karola w Pradze przed przystąpieniem do konserwacji obiektu

Elementy stalowe stosowane na etapie przygotowawczym prac konserwatorskich - takie jak: stalowe grodzice, mikropale, słupy na głębokich fundamentach gniazdowych lub wstrzykiwane kotwie gruntowe - są często niewidoczne, pomimo że stanowią bardzo ważne elementy konstrukcyjne. Od jakości wykonania robót przygotowawczych zależy w znacznym stopniu trwałość budowli poddawanych przebudowie lub renowacji. Pierwszy etap konserwacji polega bardzo często na obudowaniu obiektu stalowymi grodzicami, co pozwala usunąć wodę z otoczenia fundamentów, by móc je naprawić lub wzmocnić. Dzięki temu znacznie łatwiej można przeprowadzić docelową stabilizację starych budowli, których konstrukcja części podziemnej została osłabiona wskutek błędów budowlanych, nierównomiernego osiadania ziemi poniżej fundamentu, wahania poziomu wód gruntowych lub też z powodu nieskutecznie albo źle przeprowadzonych prac remontowych w przeszłości. Korzyści z zastosowania tego typu rozwiązań wynikają też z faktu, że to często jedyny sposób na przeprowadzenie operacji naprawczych w warunkach względnego komfortu, którego nie zapewniają metody tradycyjne. Nie bez znaczenia jest krótszy czas i mniejszy koszt realizacji. Dla przykładu, szybkość wykonania szczelnych ścianek ze stalowych grodzic lub możliwość uzyskania dostępu dla osadzenia mikropali w trudnych warunkach są wystarczająco przekonującymi powodami do użycia stalowych grodzic.

Osadzanie mikropali w piwnicy i wzdłuż ścian zewnętrznych budowli gotyckiej

Pierre Engel dla www.constructalia.com

VIII-2. Wykonanie mikropali wzmacniających z wykorzystaniem skręcanych rur wiertniczych

Mikropali zaczęto używać podczas renowacji i podbudowy fundamentów dzięki zastosowaniu bardzo poręcznych wiertnic z głowicami o zmiennej orientacji kątowej, pozwalającej uzyskać średnicę odwiertu do 250 mm. Wiertło montuje się na żerdziach zestawianych z nakręcanych jeden po drugim odcinków o długości około 1 metra, dzięki czemu wiertnica może pracować w pomieszczeniu o ograniczonej wysokości.Montaż żerdzi odbywa się poprzez gwintowane złączki mikropali w rozciąganiu. Inne systemy łączenia polegają na spawaniu lub zastosowaniu tulei specjalnych. Nośność mikropala uzyskuje się poprzez tarcie boczne, ściskanie głowicy jest zazwyczaj nieistotne. Zastosowanie tej technologii polega na wykonaniu odwiertu i osadzeniu w nim stalowych rur bezszwowych typu wiertniczego o średnicy 140 mm. Rurą wprowadza się do otworu zaczyn cementowy. Ciśnienie iniekcji cementu zależy od rodzaju gruntu i założonych parametrów docelowych pala.

Obciążenia są przenoszone na głowicę mikropala wyposażonego w płytę oporową zamocowaną do żerdzi przy pomocy systemowych nakrętek. Siły przenoszone są na zaczyn cementowy, który podlega tarciu o ścianki odwiertu i w ten sposób przenosi siły ściskania na otaczający grunt w miejscu kontaktu. Wywołanie efektu tarcia bocznego wymaga ruchu między rdzeniem pala i gruntem. Obciążenie mikropala powoduje jego osiadanie, niewielkie w podłożu skalnym i o wiele większe w glebach spoistych, takich jak gliny. Obciążenie użytkowe mikropali o średnicy 140 mm jest najczęściej rzędu 500 kN.

Etap montażu stalowych mikropali

Przykład wzmocnienia istniejących fundamentów przy użyciu mikropali; szczegół rozmieszczenia pali pod nowymi pasami fundamentów.

Nachylony odwiert wewnątrz i na zewnątrz budynku

Pierre Engel dla www.constructalia.com

VIII-3. Przebieg prac na placu budowy: zastosowanie stalowych mikropali do wzmocnienia gotyckich kolumn

Kolejne etapy konsolidacji i remontu piwnicy klasztoru Bernardynów

Pierre Engel dla www.constructalia.com

VIII-4. Zabezpieczenie i podbudowa fundamentów, murów zbrojonych i słupów stalowych

Wykonywanie parkingów pod dziewiętnastowiecznymi budynkami, ze ścianami o konstrukcji stalowej wypełnionej cegłą jest stosunkowo częste. Taka budowa wymaga podbudowania istniejącej konstrukcji i jej w ten sposób wzmocnienia. Lekka i łatwa do zastosowania stal jest idealnym materiałem do wykonywania zastrzałów, okuć, podpór i podtrzymania tego typu obiektów.

Budowa podziemnych parkingów pod halami Flachat w Asnières (Francja) lub pod halą w Albi wiązała się z koniecznością wzmocnienia istniejących struktur poprzez ich podwieszenie, co umożliwiło wykonanie ścian i elementów infrastruktury. Ten rodzaj wzmacniania przy użyciu profili budowlanych zależy od podtrzymywanej konstrukcji, ale ogólna metodologia pozostaje taka sama.

Konstrukcja dachowa i ściany zewnętrzne są podpierane przy wykorzystaniu osadzonych w podłożu mikropali, wykonanych techniką wtłaczania zaczynu cementowego do skręcanych ze sobą rur wiertniczych. Ściany zewnętrzne zostały wzmocnione przy pomocy okuć stalowych (w przypadku hal Flachat) lub podparte przy pomocy zastrzałów wspartych o fundamenty (hala w Albi). Obciążenia pionowe zostały przeniesione na mikropale.

Zabezpieczenie stalowej konstrukcji dachu hali w Albi wymagało wykonania ogólnej podbudowy fundamentów obiektu. Celem operacji było zapobieżenie ewentualnym deformacjom dziewiętnastowiecznej konstrukcji podczas budowy podziemnego parkingu i zachowanie jej zwartości konstrukcyjnej. W tym celu przeniesiono obciążenie ścian bocznych i słupów podtrzymujących konstrukcję dachową na mikropale, zakotwione w gruncie metodą iniekcji zaczynu cementowego. Osadzone na 10 metrów i rozmieszczone co 4,80 m, mikropale zostały wykonane ze skręcanych rur wiertniczych.

Po osadzeniu mikropali i wylaniu grubej stopy betonowej pod ścianami zewnętrznymi, unieruchomiono elewacje przy pomocy ukośnych zastrzałów - rozmieszczonych w odległości co 4,80 m - przejmujących wszystkie siły poziome przenoszone z konstrukcji dachowej na ściany zewnętrzne. Sześć słupów wewnętrznych z żeliwa i cegły podtrzymujących konstrukcję dachową wzmocniono i ustabilizowano wykonując pod każdym z nich stopę żelbetową o grubości 50 cm spoczywającą na czterech mikropalach. Stopa ta stanowi oparcie dla czterech zastrzałów gwarantujących stabilność słupa. Po zabezpieczeniu konstrukcji można było przystąpić do usunięcia starych płyt i rozpoczęcia wykopów pod nowy parking.

Pierre Engel dla www.constructalia.com

VIII-5. Wykonanie mikropali tymczasowych lub wzmacniających przy pomocy wbijanych pali typu HP

Słupy fundamentowe typu HP robione są z profili H walcowanych na gorąco, o jednakowej grubości półek i środnika. Zapewnia to wysoką stabilność profili podczas wbijania i korzystniejszy stosunek masa/obwód. Słupy sprawdzają się doskonale podczas operacji wzmacniania lub kotwienia tymczasowych konstrukcji stosowanych do podtrzymywania elewacji.

Stalowe słupy fundamentowe stosowane w terenie zabudowanym pozwalają uniknąć wykonywania uciążliwych wykopów, zwłaszcza tam gdzie te wykopy są szczególnie niepożądane. Możliwe jest też ich wykorzystanie jako fundamentów budowli trwałych lub konstrukcji tymczasowych (pawilony wystawowe). Pogrążanie słupów odbywa się metodą udarową lub udarowo-wibracyjną w zależności od rodzaju gruntu, a ich nośność jest efektem tarcia bocznego lub oporu głowicy. Stosuje się je w skupiskach jako podstawę do wylania płyty fundamentowej lub niezależnie - jako fundamenty lokalne. Przy wykorzystaniu tymczasowym ogranicza się maksymalną nośność do siły, która pozwala na wyciągnięcie słupa, zazwyczaj około 500 kN.

Pierre Engel dla www.constructalia.com

VIII-6. Podbudowa fundamentów budynku poprzez dodanie osadzonych słupów

Metoda osadzania słupów na głębokich fundamentach podpartych jest zaadaptowana do wykonania nowych fundamentów pod istniejącymi budynkami. Do metody tej sięga się często podczas budowy podziemnych parkingów. Istniejąca konstrukcja musi uprzednio zostać podparta. W tym celu dodane stalowe słupy stanowią nowy fundament budowli.

Słupy stalowe są nieco wyższe niż zakładana wysokość podpiwniczenia. Wprowadza się je do otworu wierconego świdrem spiralnym. Ich podstawa zostaje zatopiona w masie zbrojonego betonu, wylanego do poziomu docelowego fundamentu. Strop przyszłego parkingu wspiera się na tych słupach, umożliwiając zrobienie podkopu pod budynkiem i tym samym rozpoczęcie realizacji infrastruktury.

Należy brać pod uwagę możliwość wyboczenia słupów w fazie budowy. Aby zapobiec temu zjawisku, wypełnia się otwory żwirkiem porozdzielanym warstwami chudego betonu na poprzednio ustalonych poziomach. O ile stosunkowo łatwo opanowano problem ustawienia głowic słupów w płaszczyźnie poziomej, to znacznie trudniejsza jest ich regulacja w płaszczyźnie pionowej. Odchylenia można jednak korygować przy pomocy siłowników hydraulicznych. Zaletą użytych słupów stalowych jest lekkość i łatwość ich przemieszczania. Nadają się one doskonale do operacji montażu i regulacji, przejmując znaczne obciążenia pionowe przy niewielkich przekrojach. 1. Wiercenie otworu i utwardzenie go przy pomocy bentonitu. 2. Osadzenie stalowego słupa wraz ze zbrojeniem stopy fundamentowej. 3. Zalanie gniazda betonem i rozpoczęcie usuwania bentonitu. 4. Wykonanie otuliny słupa z chudego betonu, pospółki i cementu (dla zapobieżenia wyboczeniom w fazie przejściowej). 5. Zrobienie wstępnego wykopu w celu wykonania stropu kontaktowego. 6. Wykonanie belki i stropu kontaktowego między podbudową a nadbudową. 7. Jednoczesne prowadzenie robót w strefie nadbudowy i infrastruktury w formule "top & down" – przy pracy w podkopie na dolnym poziomie z jednoczesnym prowadzeniem robót budowlanych na górze. Pierre Engel dla www.constructalia.com

VIII-7. Przykład podwieszenia kompletnej struktury

W tym przypadku istniejący budynek został poddany prawdziwej operacji chirurgicznej, w celu doprowadzenia do "lewitacji" budynku dawnej elektrowni Prado. Aby utrzymać podwieszoną w powietrzu ścianę z cegły nowego budynku oraz jego metalową strukturę wykonano trzy rusztowania podpierające rozmieszczone na planie trójkąta, które spełniają także rolę komunikacji pionowej (zawierają windy osobowe, podnośniki i klatki schodowe).

Struktura podtrzymująca składa się z systemu stalowych belek osłaniających ścianę z cegły, którą wzmocniono dodatkowo specjalną obręczą. Oderwany od ziemi poprzez odcięcie od podbudowy budynek rzuca wyzwanie prawu grawitacji i szokuje inżynierów nonszalancją odważnej konstrukcji. Struktury i fundamenty w części podziemnej zrealizowano w technologii tradycyjnej. W efekcie konstrukcja z cegły uzyskała stalową nadbudowę - w celu zwiększenia wysokości i uzyskania dodatkowych kondygnacji.

Widok ukończonego projektu Caixa Forum w Madrycie autorstwa architektów Herzog i De Meuron:

Pierre Engel dla www.constructalia.com

VIII-8. Przebudowa konstrukcji areny na centrum handlowe poprzez czasowe podwieszenie ścian zewnętrznych

Projekt restrukturyzacji wnętrza wielkiej areny

"Las Arenas" znajduje się w Barcelonie, obok dzielnicy Montjuic, w sąsiedztwie wielu muzeów, instalacji targowych i stadionu olimpijskiego. Projekt autorstwa brytyjskiego architekta Richarda Rogera zakłada przebudowę Areny, na której kiedyś odbywały się walki byków, na nowe centrum handlowe z zachowaniem oryginalnej zabytkowej konstrukcji z cegły. Aby uzyskać dostęp do wnętrza obiektu z poziomu ulicy, podkopano dolną partię elewacji, a całą arenę podparto przy użyciu 20 par słupów stalowych w kształcie bumerangu. Założonym celem przebudowy była renowacja historycznej elewacji, wykonanie czterech dużych wejść, aby można było wykorzystać przestrzeń zgodnie z nowym przeznaczeniem obiektu. Z początkowych 45 000 m² uzyskano po przebudowie 149 000 m² powierzchni (handlowej, rozrywkowej i technicznej) oraz parking na 1250 samochodów.

Uniesienie wieńca o średnicy 100 metrów wykonanego z cegły

Zmiana przeniesienia obciążeń w istniejącym obiekcie przy całkowitym jego podparciu jest w realizacji przedsięwzięciem bardzo delikatnym podczas etapów budowy. Połączenie aren, początkowo osadzonych na kamieniach, z usytuowanym poniżej poziomem drogi, wymagało podkopania się pod istniejącą konstrukcję i tym samym przerwania łańcucha bezpośredniego przeniesienia obciążeń do istniejących fundamentów. Dla jego odtworzenia - przy uwzględnieniu nowych obostrzeń konstrukcyjnych - wykonano dodatkowy poziom arkad, budując zewnętrzny pierścień ze sprężonego betonu, osadzony na stalowych słupach, stanowiących obręcz dla istniejącej konstrukcji murowanej. Operację rozpoczęto od wykonania obudowy podtrzymującej górne kondygnacje areny przy pomocy stalowych podpór. Potem wybudowano pierścień zewnętrzny i przystąpiono do stopniowego podkopywania i podpierania dolnej części elewacji, aby przejść następnie do rekonstrukcji fundamentów i montażu nowych słupów w formie bumerangów.

Schemat procesu przebudowy Areny w Barcelonie w czterech etapach:

Widoki na poszczególne etapy istnienia Areny w Barcelonie w czterech przełomach budowlanych:

Widok na tymczasowe słupy podpierające, zewnętrzną obręcz i projekt profili bumerang:

Pierre Engel dla www.constructalia.com

VIII-9. Przebudowa wieży PB12 na wieżę Opus w dzielnicy Paryża - la Défense

Etapy transformacji obiektu PB12, który po rekonstrukcji nazwano wieżą Opus

Realizacja odbudowy wieży PB12 w podparyskim la Défense stanowiła problem związany z uzyskaniem odpowiednich zezwoleń. Istniało ryzyko, że aktualnie obowiązujące przepisy urbanistyczne uniemożliwią uzyskanie zgody na rekonstrukcję wieży po jej uprzednim wyburzeniu. Z tego względu inwestor - przy współpracy biura projektów architektonicznych Valode et Pistre - wybrał dopuszczalny urbanistycznie wariant: przebudowę z całkowitą wymianą konstrukcji. Wymagało to zastąpienia 86 słupów pierwotnej elewacji rozmieszczonych co 1,5 m przez 26 nowych słupów rozstawionych w odstępach 6-metrowych.

Ewolucja struktury wieży podczas przebudowy

Oprócz kompletnej renowacji budynku, wybudowanego w latach sześćdziesiątych ubiegłego stulecia, przebudowa konstrukcji elewacji i stropów pozwoliła na uzyskanie dodatkowych 70 cm od strony północnej, południowej i wschodniej. Przewidziano również rozbudowę wieży w kierunku zachodnim. Duży rozstaw elementów strukturalnych oraz ich połączenie z centralnym trzonem skłoniły do wyboru rozwiązania "słupy i belki stalowe", skutkującego zmniejszeniem masy i przekrojów struktury nośnej. Rurowe słupy o zespolonej konstrukcji stalowo-betonowej (Ø 610 mm, gr. 12 mm) z powodzeniem wytrzymują ciężar istniejących stropów i nowych elementów wprowadzonych podczas przebudowy. Słupy te pełnią jednocześnie funkcję nośną dla nowej elewacji.

Istniejące stropy zaczynają przeszkadzać w rozmieszczeniu nowych elementów konstrukcyjnych. Słupy montowane w odcinkach dwukondygnacyjnych dowiązywane są prowizorycznie do istniejących stropów przy pomocy stalowych zastrzałów. Po uzbrojeniu słupy zalewane są betonem. Gdy montaż dochodzi do najwyższej kondygnacji, odcina się zastrzały, które następnie stopniowo są usuwane rozpoczynając od góry budynku. Płyty stropowe zostają połączone z profilem peryferycznym spinającym nowe elementy nośne przykręcone do tej belki.

Etapy prac przebudowy wieży

Pierre Engel dla www.constructalia.com