instytut techniki budowlanej eks… · 7. pn-en 1991-1-6:2007 eurokod 1: oddziaływania na...
TRANSCRIPT
®
I n s t y t u t T e c h n i k i B u d o w l a n e j
WARSZAWA 2 0 1 7 r .
P r a ca nr T P / 37 7 / 5 / 2 0 17 (0 278 6 / 16 / Z 00 N Z K )
Ekspertyza stanu technicznego iglicy
Pałacu Kultury i Nauki
00-611 Warszawa, ul. Filtrowa 1, tel. 22 825-04-71, fax 22 825-52-86
INSTYTUT TECHNIKI BUDOWLANEJ
00-611 Warszawa, ul. FIltrowa 1, tel. 022 8250471. Fax 022 8255286. Dyrektor: tel. 022 8251303, 022 8252885, www.itb.pl
Zakład Konstrukcji Budowlanych i Geotechniki
022) 56 64 335 - Kierownik Zakładu
(022) 57 96 165 – Sekretariat NZK-2
fax : (022) 57 96 189
e-mail: [email protected]
Tytuł pracy:
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki
Nr pracy usługowej: TP/377/5/2017 (02786/16/Z00NZK)
Zleceniodawca: Zarząd Pałacu Kultury i Nauki Spółka z o.o., Pl. Defilad 1,
00-901 Warszawa
Wykonawcy:
Kierownik zespołu: dr hab. inż. Paweł Lewiński, prof. nadzw.
mgr inż. Sławomir Dudziak
mgr inż. Adrian Strąk
Weryfikacja: dr inż. Jarosław Szulc
Weryfikacja: dr inż. Ewa Sudoł
Kierownik Zakładu NZK: dr inż. Artur Piekarczuk
Pracę rozpoczęto: czerwiec 2017 r. zakończono: sierpień 2017 r.
Wykonano w liczbie 7 egzemplarzy
®
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 2/23
SSPPIISS TTRREEŚŚCCII
SPIS TREŚCI ............................................................................................................................. 2
1. INFORMACJE WSTĘPNE .............................................................................................. 3
1.1. Przedmiot opracowania ................................................................................................ 3
1.2. Podstawa formalna i merytoryczna opracowania ........................................................ 3
1.3. Cel opracowania ........................................................................................................... 3
1.4. Zakres opracowania ..................................................................................................... 3
1.5. Materiały wykorzystane przy opracowaniu opinii ....................................................... 3
2. OPIS TECHNICZNY IGLICY PKIN WRAZ ZE WZMOCNIENIAMI ......................... 5
2.1. Opis techniczny pierwotnej konstrukcji iglicy PKiN .................................................. 5
2.2. Sposób wzmocnienia iglicy w miejscu wżeru obwodowego nad chińskim
daszkiem ....................................................................................................................... 6
2.3. Sposób wzmocnienia iglicy PKiN w rejonie wokół górnej kuli .................................. 7
3. PRZEGLĄD TECHNICZNY KONSTRUKCJI IGLICY PRZY
ZASTOSOWANIU TECHNIK ALPINISTYCZNYCH ......................................................... 10
3.1. Opis stanu technicznego płaszcza iglicy PKiN od strony wewnętrznej .................... 10
3.2. Opis stanu technicznego płaszcza iglicy PKiN od strony zewnętrznej...................... 10
4. BADANIA NIENISZCZĄCE PŁASZCZA IGLICY ORAZ BADANIA ZŁĄCZ
SPAWANYCH ......................................................................................................................... 11
4.1. Badania nieniszczące płaszcza iglicy ......................................................................... 11
4.2. Opis stanu technicznego iglicy PKiN w strefie obwodowego wżeru
obwodowego .............................................................................................................. 12
4.3. Badania złącz spawanych ........................................................................................... 12
5. BADANIA I OCENA STANU ZABEZPIECZEŃ ANTY-KOROZYJNYCH
ORAZ OCENA ZNISZCZEŃ KOROZYJNYCH ................................................................... 13
6. KONTROLNE OBLICZENIA STATYCZNO – WYTRZYMAŁOŚCIOWE
KONSTRUKCJI IGLICY ........................................................................................................ 13
6.1. Model obliczeniowy iglicy ......................................................................................... 13
6.2. Założenia dotyczące obciążeń i ich kombinacji ......................................................... 15
6.3. Założone warunki stanów granicznych ...................................................................... 17
6.4. Wyniki analizy statyczno-wytrzymałościowej i sprawdzenie stanów
granicznych iglicy ...................................................................................................... 18
7. ANALIZA WNIOSKÓW Z BADAŃ I OBLICZEŃ ..................................................... 20
8. WYTYCZNE W ZAKRESIE DALSZEGO POSTĘPOWANIA Z
KONSTRUKCJĄ IGLICY ............................................................................................. 21
9. WNIOSKI I ZALECENIA.............................................................................................. 22
Załącznik nr 1. Ocena stanu technicznego konstrukcji stalowej iglicy PKiN wraz z
dokumentacją fotograficzną i pomiarami grubości w miejscach wżerów korozyjnych,
inż. Bohdan Zagórowski, Warszawa, lipiec 2017
Załącznik nr 2. Wyniki pomiarów i ocena zabezpieczeń antykorozyjnych konstrukcji stalowej
iglicy PKiN
Załącznik nr 3. Dokumentacja rysunkowa i fotograficzna.
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 3/23
11.. IINNFFOORRMMAACCJJEE WWSSTTĘĘPPNNEE
1.1. Przedmiot opracowania
Przedmiotem niniejszego opracowania jest konstrukcja iglicy Pałacu Kultury i Nauki w
Warszawie.
1.2. Podstawa formalna
Podstawę formalną opracowania stanowi Umowa nr TP/377/5/2017
(02786/16/Z00NZK) pomiędzy Zarządem Pałacu Kultury i Nauki Spółka z o.o., pl. Defilad
1, 00-901 Warszawa a Instytutem Techniki Budowlanej, ul. Filtrowa 1, 00-611 Warszawa
zawarta w dniu 13.06.2017 r.
1.3. Cel opracowania
Celem opracowania jest ocena stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki w
Warszawie wraz z wytycznymi w zakresie dalszego postępowania z konstrukcją iglicy.
1.4. Zakres opracowania
Zakres ekspertyzy obejmuje następujące czynności przewidziane do realizacji pracy:
1. Analiza dokumentacji technicznej obiektu.
2. Opracowanie opisu technicznego konstrukcji iglicy PKiN
3. Opracowanie programu badań konstrukcji iglicy
4. Przegląd techniczny konstrukcji iglicy przy zastosowaniu technik alpinistycznych
5. Badania nieniszczące płaszcza iglicy oraz badania złącz spawanych
6. Badania i ocena stanu zabezpieczeń antykorozyjnych oraz ocena zniszczeń korozyjnych,
7. Kontrolne obliczenia statyczne konstrukcji iglicy
8. Analiza wniosków z badań i obliczeń.
9. Opracowanie wytycznych w zakresie dalszego postępowania z konstrukcją iglicy
10. Opracowanie ekspertyzy wraz z wnioskami i zaleceniami oraz weryfikacją.
Niniejsze opracowanie nie obejmuje oceny technologii montażu systemów antenowych.
1.5. Materiały wykorzystane przy opracowaniu opinii
1) Niekompletna archiwalna dokumentacja projektowa konstrukcja iglicy Pałacu Kultury
i Nauki w Warszawie.
2) Orzeczenie techniczne dotyczące opracowania dokumentacji technicznej wzmocnienia
konstrukcji nośnej iglicy oraz zdjęcia nieużywanych anten i urządzeń powyżej górnej kuli
w PKiN w Warszawie. Projekt wstępny. Praca ITB Sk-19 /NK-1 /92, Warszawa, 1992.
3) Projekt wzmocnienia powłoki nośnej iglicy PKiN w miejscu wystąpienia obwodowego
wżeru korozyjnego, Praca ITB NU- 511/94, ITB, Warszawa, 1994.
4) Projekt zamocowania anten na iglicy PKiN, Etap I, Część 6. Projekt wzmocnienia iglicy
w rejonie wokół górnej kuli, Biuro Budowlane Projektowo – Wykonawcze, Warszawa,
1994.
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 4/23
5) Ocena iglicy PKIN na podstawie wizji lokalnej w dniu 23.05.2000 r. Biuro Budowlane
Projektowo – Wykonawcze Warszawa, czerwiec, 2000 r.
6) Opinia techniczna. Ocena stanu technicznego iglicy w związku z planowanymi
wymianami systemów antenowych, Emitel Sp. z o.o., Warszawa, 2016 r.
7) Wymiana anten UKF i VHF w RTCN Warszawa / PKiN, Projekt koncepcyjny, EmiTel
Sp. z o.o., Warszawa, 2016 r.
8) Dąbrowski O., Kolendowicz T., „Poradnik inżyniera i technika budowlanego”, Tom 3,
Arkady, Warszawa, 1983.
9) Żurański J. A, Jaśpińska B., „Directional analysis of extreme wind speeds in Poland”.
Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics 65 (1996), 13-20.
10) Żurański, J. A., Wpływ warunków klimatycznych i terenowych na obciążenie wiatrem
konstrukcji budowlanych, Prace Naukowe Instytutu Techniki Budowlanej, ITB,
Warszawa 2005.
11) Rakowski G., Kacprzyk Z., „Metoda elementów skończonych w mechanice konstrukcji”.
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1993.
12) Labocha, S., Paluszyński, J., „Stalowe słupy powłokowe”. PWN, Warszawa 2017.
13) Żurański, J. A., Gaczek, M., „Obciążenie wiatrem budynków w ujęciu normy PN-EN
1991-1-4:2008”. Inżynieria i Budownictwo 9 (2010), 494-501.
14) Skwarek, M., Hulimka, J., „Obciążenia w obliczeniach stalowych wież kratowych na
podstawie Eurokodów - szersze spojrzenie”. Inżynier Budownictwa 5 (2012).
15) Inne informacje przekazane przez Zleceniodawcę.
Normy i wytyczne:
1. PN-EN 1990:2004 Eurokod: Podstawy projektowania konstrukcji, z poprawkami
2. PN-EN 1991-1-1:2004 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje - Część 1-1:
Oddziaływania ogólne – ciężar objętościowy, ciężar własny, obciążenia użytkowe w
budynkach, z poprawkami
3. PN-EN 1991-1-3:2005 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje - Część 1-3:
Oddziaływania ogólne - Obciążenie śniegiem, z poprawkami
4. PN-EN 1991-1-4:2005 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje - Część 1-4:
Oddziaływania ogólne - Oddziaływania wiatru, z poprawkami
5. PN-EN 1991-1-4:2008 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje - Część 1-4:
Oddziaływania ogólne - Oddziaływania wiatru, z poprawkami
6. PN-EN 1991-1–5:2005 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje - Część 1-5:
Oddziaływania ogólne - Oddziaływania termiczne, z poprawkami
7. PN-EN 1991-1-6:2007 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje - Część 1-6:
Oddziaływania ogólne - Oddziaływania w czasie wykonywania konstrukcji,
z poprawkami
8. PN-EN 1991-1-7:2008 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje - Część 1-7:
Oddziaływania ogólne - Oddziaływania wyjątkowe, z poprawkami
9. PN-EN 1993-1-1:2006 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-1:
Reguły ogólne i reguły dla budynków, z poprawkami
10. PN-EN 1993-1-5:2008 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-5:
Blachownice, z poprawkami
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 5/23
11. PN-EN 1993-1-6:2008 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-6:
Wytrzymałość i stateczność konstrukcji powłokowych
12. PN-EN 1993-1-8:2006 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-8:
Projektowanie węzłów, z poprawkami
13. PN-EN 1993-1-9:2007 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-9:
Zmęczenie, z poprawkami
14. PN-EN 1993-1-10:2007 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-10:
Dobór stali ze względu na odporność na kruche pękanie i ciągliwość międzywarstwową,
z poprawkami
15. PN-EN 1993-3-1:2008 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 3-1:
Wieże, maszty i kominy - Wieże i maszty, z poprawkami
16. PN-B-03200:1990 Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie
17. PN-93/B-03201 Konstrukcje stalowe. Kominy. Obliczenia i projektowanie
18. PN-B-03204:2002 Konstrukcje stalowe. Wieże i maszty. Projektowanie i wykonanie
19. ISO 12494:2001 Atmospheric icing of structures
22.. OOPPIISS TTEECCHHNNIICCZZNNYY IIGGLLIICCYY PPKKIINN
2.1. Opis techniczny pierwotnej konstrukcji iglicy PKiN
Opis techniczny konstrukcji iglicy PKiN sporządzono na podstawie analizy
dokumentacji technicznej obiektu i dodatkowych pomiarów dokonanych in situ. Konstrukcja
iglicy Pałacu Kultury i Nauki w Warszawie została zaprojektowana jako stalowa powłoka
użebrowana, złożona z części walcowej - u dołu i stożkowej – u góry, usztywniona w
poziomie + 187,290 m przestrzenną konstrukcją prętową (wraz ze stropem zespolonym)
podpartą poniżej poziomu stropu o rzędnej dokumentacyjnej +180,600 m. Konstrukcja części
walcowej wznosi się od rzędnej +178,350 m do rzędnej +201,460 m, a części stożkowej - od
rzędnej +201,460 m do rzędnej +220,710 m (poziom styku montażowego do oparcia górnej
kuli). Średnica zewnętrzna powłoki walcowej wynosi 1550 mm, a średnica powłoki
stożkowej zwęża się od 1550 mm na poziomie +201,460 m do 560 mm na poziomie +220,710
m. W projekcie przyjęto, że część walcowa powłoki wykonana zostanie z blachy o grubości
14 mm, natomiast część stożkowa u dołu do rzędnej +211,180 m wykonana zostanie z blachy
o grubości 12 mm, a powyżej z blachy o grubości 10 mm. W rzeczywistości całą powłokę
wykonano z blachy o grubości 12 mm. Część walcowa powłoki została usztywniona 4
zewnętrznymi żebrami pionowymi z dwuteownika I 300 mm, a ponadto powłoka została
wzmocniona żebrami poziomymi z blachy o grubości 12 mm w rozstawie 2100 mm w części
górnej do rzędnej +196,600 m, a niżej - do rzędnej +187,400 m są to żebra o zmiennym
rozstawie. Poniżej usztywnienia stropem w poziomie + 187,290 m żebra poziome nie
występują. W części walcowej powłoki wykonano 4 otwory drzwiowe, zaokrąglone u góry, o
szerokości 400 mm i o wysokości 1600 mm; na poziomach: +181,620 m, +188,500 m,
+193,600 m i +197,600 m. Drzwi i otoczenie otworów wzmocniono żebrami. Dolna część
powłoki iglicy została początkowo oparta na ruszcie stropowym w poziomie +177,230 m za
pośrednictwem belek-wymianów, na których konstrukcja dna iglicy została oparta
przegubowo w poziomie +179,350 m. Następnie konstrukcję iglicy połączono ze stropem w
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 6/23
poziomie +180,600 m za pośrednictwem łap stalowych z dwuteowników, a po
przeprowadzeniu tych czynności dolna część rury stalowej została odcięta na poziomie
+180,600 m. Żebra pionowe iglicy, które pełniły rolę prowadnic, opierają się w sposób
przesuwny na ceownikach połączonych z rusztami stropów zespolonych w poziomach +
187,290 m oraz +180,600 m. Sylwetkę iglicy przedstawiono na rys. l, a schemat
konstrukcyjny iglicy przedstawiono na rys. l w Załączniku nr 3. Obudowa elewacyjna, która
składała się z konstrukcji stalowej w postaci układu szyn (wraz z obudową) i luster, została
zdemontowana. Natomiast iglica wyposażona jest w inne elementy dekoracyjne i osłonowe
wykonane z blachy miedzianej i z tworzyw sztucznych. Dolna kula o średnicy ok. 5,2 m
została zamontowana pomiędzy poziomem +189,800 m a poziomem +194,600 m. Wewnątrz
dolnej kuli na wysokości +193,600 m znajduje się pomost w formie rusztu z prętów
okrągłychmm opartych na ceownikach i kątownikach stalowych. Szyby utrzymywane
są za pomocą konstrukcji prętowej z nierdzewnych profili zimnogiętych. Żebra pionowe o
złożonym przekroju dwuteowym mają wysokość zmienną liniowo od 95 mm do 280 mm.
Obwodowe usztywnienia poziome wykonano na bazie blach osłonowych i niesymetrycznych
ceowników o wysokości 25 mm. Trzon iglicy poniżej dolnej kuli jest obudowany
cylindrycznym płaszczem z blachy miedzianej o średnicy ok. 3,0 m, zwieńczonym stożkiem
ściętym tworzącym daszek. Górna kula o średnicy ok. 1,7 m została zamontowana pomiędzy
poziomem +221,030 m a poziomem +222,950 m i jest ona obudowana przestrzenną
konstrukcją kratownicową, służącą do umieszczenia na jej górnym podeście konstrukcji słupa
złożonego z 4 krawężników kątownikowych połączonych przewiązkami o wysokości 7,50 m,
służącego do podtrzymywania anten telewizyjnych. Na tym słupie jest jeszcze zamontowany
maszt antenowy o wysokości ok. 5,0 m. Górna kula wykonana jest z dwóch czasz: stalowej
czaszy wewnętrznej o grubości blachy 10 mm z użebrowaniem konstrukcyjnym oraz czaszy
zewnętrznej o grubości 4 mm, wykonanej z mosiądzu, obłożonej na powierzchni zewnętrznej
lusterkami o wymiarach 100100 mm przykręcanymi śrubami do nagwintowanych otworów
wykonanych w powłoce kulistej. W otworach powłoki znajdują się światła sygnalizacyjne i
specjalne wsporniki do zaczepienia lin pomostu roboczego.
2.2. Istniejące wzmocnienia iglicy w miejscu wżeru obwodowego „nad chińskim daszkiem”
Iglica Pałacu Kultury i Nauki była dwukrotnie wzmacniana z uwagi na wadliwe
wykonanie spoin łączących blachy i uszkodzenia spowodowane działaniem korozji [2, 3, 4].
Pierwsze wzmocnienie zrealizowano w 1992 r. i polegało ono na zamontowaniu po
wewnętrznej stronie powłoki w części walcowej 14 pionowych płaskowników o długości
11,70 m każdy, tj. z blach od poziomu +184,350 m do poziomu +196,050 m, o wymiarach
poszczególnych przekrojów: 20012 (2 szt.), 16012 (4 szt.) i 15012 (8 szt.). Z uwagi na
trudności w montażu tak długich blach podzielono je na segmenty o długości 1,0 m lub 2,0 m,
które były łączone między sobą na całej szerokości spoiną czołową V o grubości 12 mm. W
projekcie wzmocnienia [2] założono, że blachy wzmacniające zaprojektowane ze stali St3S
będą połączone z konstrukcja stalową iglicy za pomocą śrub M 12 mm klasy 8.8. Śruby w
blachach o szerokość i 150 i 160 mm będą rozmieszczone w 2 rządach mijankowo. Rozstaw
śrub w rzędach wynosi 290 mm. Przewidziano dokręcenie śrub za pomocą klucza
dynamometrycznego w celu uzyskania pełnego momentu skręcającego o wartości 0,06 kNm.
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 7/23
W 1994 r. dokonano kolejnego wzmocnienia, co wiązało się z eliminacją skutków wżeru
korozyjnego zlokalizowanego na styku powłoki stalowej ze stropem żelbetowym na poz.
+187,89m [3]. Wżer został zlokalizowany podczas prac związanych z demontażem obudowy
iglicy oraz wykonywaniem zabezpieczeń antykorozyjnych w końcu 1993 r. W ramach
projektu wzmocnienia powłoki nośnej iglicy PKiN w miejscu obwodowego wżeru
korozyjnego [3] wykonano inwentaryzację szczegółową wżeru wraz z pomiarami grubości
powłoki nośnej iglicy i odsłonięciem miejsca wżeru, przeprowadzono analizę statyczno -
wytrzymałościową powłoki iglicy z uwzględnieniem wżeru, opracowano koncepcję
wzmocnienia iglicy w miejscu wżeru oraz projekt wzmocnienia.
Przy doborze sposobu wzmocnienia wżeru kierowano się następującymi założeniami:
- uzyskanie nośności iglicy zbliżonej do takiej, jaką miała po wzmocnieniu blachami
pionowymi o długości 1170 cm wykonanym w 1993 roku;
- nie powiększanie istniejących oraz nie wykonywanie nowych otworów osłabiających
konstrukcję nośną iglicy;
- zespolenie obu wzmocnień dla ich lepszej współpracy.
W wyniku przyjęcia takich założeń opracowano koncepcję wzmocnienia iglicy w miejscu
wżeru obwodowego za pomocą blach pionowych o długości 171 cm i o grubości 12 mm,
usytuowanych w tych samych miejscach na obwodzie, co blachy poprzedniego wzmocnienia.
Blachy te przykręcono śrubami M12 klasy 10.9. Klasa śrub została zwiększona, by nie
powiększać otworów na śruby ani nie zwiększać ich liczby. Dla lepszego zespolenia
konstrukcji iglicy z nakładkami wzmacniającymi wżer, nakładki istniejące i nakładki wżeru
połączono za pomocą spawania. Śruby naprężono dokręcając je w 2 etapach do 0,08 kNm.
2.3. Istniejące wzmocnienia iglicy PKiN w rejonie wokół górnej kuli
Na iglicy PKiN, powyżej górnej kuli, przewidziano zainstalowanie 20 anten typu
EAP 402/A. Konstrukcję wsporczą pod ich zamocowanie stanowi stalowy
czterogałęziowy słup o wysokości 6,40 m. Jak wykazały wcześniejsze ekspertyzy [2, 3],
inwentaryzacja konstrukcji oraz analizy obliczeniowe - istniejący maszt antenowy nad górną
kulą (rura o średnicy 247 mm i grubości ścianki 8,5 mm) nie posiadał dostatecznej
sztywności oraz nośności (z uwagi na warunek wytrzymałości zmęczeniowej) dla
przeniesienia obciążeń od nowej konstrukcji wsporczej anten. Wobec powyższego zaistniała
konieczność wymiany masztu i wzmocnienia konstrukcji istniejącej.
Opracowano rozwiązanie spełniające równocześnie dwie funkcje [4]:
- wzmocnienie istniejącej konstrukcji iglicy,
- przeniesienie obciążeń z konstrukcji wsporczej anten na istniejącą konstrukcję iglicy pod
górną kulą.
Konstrukcję wzmocnienia zaprojektowano w formie struktury prętowej - przestrzennej
kratownicy o wysokości 2750 mm i przekroju maksymalnym 21002100 mm, wykonanej z
rur 708 i kątowników (typowe profile walcowane). W celu zapewnienia sztywnego i
stabilnego oparcia całości (konstrukcji wsporczej anten i kratownicy), do rury iglicy na
poziomie +220,60 m zamocowano kołnierz w kształcie kwadratowej płyty o boku 1250 mm
(z otworem kołowym pośrodku) oparty na 4 słupkach – zastrzałach, na którym dopiero
oparto konstrukcję kratownicy przestrzennej. Elementy 4 słupków – zastrzałów oparto na 4
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 8/23
pionowych „płetwach”, które połączono z istniejącym pierścieniem w poz. +218,500 m.
Strukturę prętowo - przestrzenną kratownicy wokół górnej kuli w poz. +223,382 m
zwieńczono głowicą w kształcie kwadratowej płyty o boku 1250 mm z otworem kołowym
pośrodku, pod którą znajdują się istniejące pierścienie użebrowane części stożkowej iglicy.
Głowicę ostatecznie połączono z górnym pierścieniem za pomocą spawu. Dopiero na tak
skonstruowanej głowicy posadowiono konstrukcję wsporczą anten, zwieńczoną dodatkowo
masztem antenowym o wysokości 5,4 m, którego szczyt wypada na poziomie +234,900 m.
Sylwetka iglicy (na podstawie [7]) została pokazana na rys. 1.
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 9/23
Rys. 1. Sylwetka iglicy (na podstawie [7]). „Stan projektowany” dotyczy obecnych anten.
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 10/23
33.. PPRRZZEEGGLLĄĄDD TTEECCHHNNIICCZZNNYY KKOONNSSTTRRUUKKCCJJII IIGGLLIICCYY PPRRZZYY
ZZAASSTTOOSSOOWWAANNIIUU TTEECCHHNNIIKK AALLPPIINNIISSTTYYCCZZNNYYCCHH
3.1. Opis stanu technicznego płaszcza iglicy PKiN od strony wewnętrznej
Opracowano program badań konstrukcji iglicy PKiN i na tej podstawie przeprowadzono
przegląd techniczny tej konstrukcji, którego dokonano m.in. przy zastosowaniu technik
alpinistycznych. Ocenę stanu technicznego konstrukcji stalowej iglicy PKiN wraz z
dokumentacją fotograficzną i pomiarami grubości w miejscach wżerów korozyjnych zawiera
Załącznik nr 1, natomiast uzupełniającą dokumentację fotograficzną - Załącznik nr 3.
Wewnętrzny płaszcz iglicy nie był konserwowany i zabezpieczany od wielu lat. Występują tu:
wżery korozyjne punktowe,
wżery korozyjne powierzchniowe,
wżery na połączeniu z podestami ponad pomostem ruchomym,
łuszcząca się farba na powierzchni.
Brak konserwacji i wykonywania kompleksowego zabezpieczania antykorozyjnego
wewnętrznej strony płaszcza iglicy stał się powodem występowania punktowych wżerów
korozyjnych, jak i występowania lokalnej korozji powierzchniowej. Wżer korozyjny o
powierzchni 0,01 m2, stwierdzony na wewnętrznej stronie płaszcza iglicy na poz. 0,50 m
poniżej dolnej kuli od str. północnej, pokazano na fot. 2. Stwierdzono również występowanie
korozji w miejscach łuszczącej się powłoki farby zabezpieczającej.
Większość tych usterek występuje w górnej części iglicy na odcinku górnym - do ok. 10
m poniżej kuli górnej. Występująca korozja na wewnętrznej stronie płaszcza iglicy w
większości przypadków ma charakter powierzchniowy. Występują również wżery punktowe
o powierzchni ok. 10 cm2 w ilości do 5 wżerów na 1 m
2. Korozyjne ubytki stali w tych
wżerach punktowych nie przekraczają 1,5 mm. Pomiary grubości płaszcza iglicy na
połączeniu trzech wewnętrznych górnych podestów z płaszczem iglicy znajdują się w
załączonym odrębnym opracowaniu Pracowni Badań Nieniszczących UT-eSKO - Warszawa,
które jest częścią Załącznika nr 1.
3.2. Opis stanu technicznego płaszcza iglicy PKiN od strony zewnętrznej
Wykonana w ostatnim czasie modernizacja systemów antenowych na iglicy, polegająca
na wymianie konstrukcji wsporczych anten i samych anten, obejmowała również
pomalowanie od strony zewnętrznej płaszcza iglicy na odcinku między pomostem ruchomym
i spodem górnej kuli. Na nowo pomalowanych powierzchniach nie stwierdzono
występowania ognisk korozyjnych i innych uszkodzeń. Lustra na czaszy zewnętrznej górnej
kuli zostały zabezpieczone i ustabilizowane klejem silikonowym w czasie poprzednich
przeglądów technicznych. Przestrzenna obudowa rurowa – konstrukcyjna utrzymująca maszt
z antenami nad górną kulą oraz fragment starej konstrukcji nad górną kulą pod masztem
antenowym nie zostały poddane pracom konserwacyjnym. Występują tam ogniska korozji
punktowej, powierzchniowej i naloty korozyjne. Korozja ta występuje zarówno na
elementach konstrukcyjnych jak i na śrubach łączących te elementy (patrz zdjęcia w
Załączniku nr 1).
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 11/23
W czasie przeglądu iglicy, poza wyżej opisanymi miejscami korozji, nie stwierdzono
pęknięć na elementach obudowy górnej kuli i na maszcie antenowym nad górną kulą.
Z uwagi na to, że prac konserwacyjnych, poza miejscowymi zabezpieczeniami nalotów
korozyjnych wykonywanymi w czasie przerw konserwacyjnych anten TV, nie wykonywano
od 25 lat - odcinek między spodem górnej kuli a podstawą masztu antenowego nad górną kulą
wymaga obecnie oczyszczenia i zabezpieczenia farbami ochronnymi.
Odcinek iglicy między spodem górnej kuli a pomostem ruchomym (jak podano wyżej) został
pomalowany na kolor żółty. Nowo położona farba na całej powierzchni zewnętrznego
płaszcza iglicy uniemożliwiła stwierdzenie na tym odcinku występowania korozji na
pierścieniach zewnętrznych i na płaszczu. Poniżej pomostu ruchomego płaszcz iglicy od
strony zewnętrznej nie był zabezpieczony antykorozyjnie. Występują tam nieprawidłowo
wykonane otwory na kable; fot. 8 przedstawia nieprawidłowo wykonany otwór w powłoce
iglicy, który z uwagi na nacięcia poziome grozi inicjacją kruchego pęknięcia.
Wykonanie na tym odcinku prac antykorozyjnych wymaga demontażu blach osłonowych nad
i pod dolną kulą. Remontu i prac antykorozyjnych wymaga również obudowa dolnej kuli oraz
elementy iglicy i jej obudowy na odcinku między pomostem ruchomym a dolną kulą. Fot. 1
przedstawia widok dolnej kuli od spodu. Widoczne są wycięcia w blachach osłonowych
stożka podporowego. Fot. 3 i 4 przedstawiają wycięcia elementów nośnych iglicy na
poziomie +188,85 m (wewnątrz obudowy iglicy pod dolna kulą) odpowiednio na lewo i na
prawo od drzwiczek. Na kolejnych fot. 5, 6 i 7 widoczne są uszkodzenia korozyjne obudowy
dolnej kuli, wynikające z niezabezpieczenia połączeń różnego typu metali.
Na przestrzennej konstrukcji stalowej pod „chińskim daszkiem” stwierdzono
występowanie korozji na profilach stalowych, a szczególnie na krawędziach tych profili.
Uszkodzeniom korozyjnym sprzyjają zanieczyszczenia pochodzenia biologicznego, które
widoczne są na węzłach kratownic pod „chińskim daszkiem”, co pokazano na fot. 9. Tego
typu zanieczyszczenia występują także wewnątrz dolnej kuli. Stwierdzono też deformacje
pasa górnego dźwigara krawędziowego (ukośnego) pod „chińskim daszkiem”, co pokazano
na fot. 10. W przypadku tych konstrukcji wymagane jest wykonanie prac antykorozyjnych.
44.. BBAADDAANNIIAA NNIIEENNIISSZZCCZZĄĄCCEE PPŁŁAASSZZCCZZAA IIGGLLIICCYY OORRAAZZ BBAADDAANNIIAA
ZZŁŁĄĄCCZZ SSPPAAWWAANNYYCCHH
4.1. Badania nieniszczące płaszcza iglicy
W okresie czerwiec-lipiec 2017 r. wykonano badania grubości płaszcza iglicy od
strony zewnętrznej i od strony wewnętrznej. Zestawienie wartości pomiarów grubości
płaszcza iglicy w miejscu występowania wżerów korozyjnych, przeprowadzonych przez
Pracownię Badań Nieniszczących UT-eSKO (Warszawa), zawiera Sprawozdanie z badań
pomiarów grubości metodą ultradźwiękową, które jest częścią Załącznika nr 1. W czasie
przeglądu dokonano pomiarów grubości trzonu iglicy PKiN w rejonach występowania
wżerów korozyjnych (na 7-miu poziomach). Na uwagę zasługuje fakt, że grubość
zewnętrznego płaszcza iglicy na całej jego wysokości wynosi od 11,6 mm do 12,2 mm.
Wielkości te (jak wspomniano wyżej) różnią się od wartości podanych w oryginalnej
dokumentacji konstrukcyjnej iglicy (por. opis w p. 2.1). Głębokość większości wżerów
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 12/23
korozyjnych zawiera się w przedziale od ok. 2,0 mm do ok. 4,0 mm, ale zdarzają się
przypadki wżerów o głębokości dochodzącej do 6 mm.
4.2. Opis stanu technicznego iglicy PKiN w strefie obwodowego wżeru obwodowego
Podczas prac związanych z demontażem obudowy iglicy oraz wykonywaniem zabezpieczeń
antykorozyjnych w końcu 1993 r. zlokalizowany został obwodowy wżer korozyjny. Wówczas
przeprowadzono pierwsze pomiary głębokości wżeru oraz przeprowadzono wstępną analizę
dotyczącą bezpieczeństwa iglicy. Stwierdzono, że z uwagi na odciążenie iglicy związane ze
zdjęciem części anten oraz demontażem obudowy, nośność powłoki iglicy jest dostateczna i
w okresie zimowym można nie wzmacniać iglicy w miejscu wżeru obwodowego, a jedynie
wykonać tymczasowe zabezpieczenia antykorozyjne. Prace takie zostały wykonane przez
konserwatorów ekipy wysokościowej. Przed przystąpieniem do montażu nowych anten
konieczne było jednak wzmocnienie powłoki iglicy w obszarze wżeru nad „chińskim
daszkiem”. Wykonano szczegółowe pomiary ubytków korozyjnych i stwierdzono, że średnio
ubytek wynosi 3 mm. Następnie w 1994 r. dokonano kolejnego wzmocnienia, co zostało
opisane w p. 2.2. Jednak z badań przeprowadzonych w ramach obecnej ekspertyzy wynika, że
zgodnie z opisem zamieszczonym w Załączniku nr 1 wżery korozyjne występują także w
pasie powyżej strefy wzmocnienia, co zostało poddane analizie statyczno –
wytrzymałościowej (por. rozdz. 6). Powyżej poziomu wzmocnienia głębokość wżerów
korozyjnych wzrasta lokalnie do ok. 4,0 mm, ale w poz. +200,960 m są przypadki wżerów o
głębokości dochodzącej do prawie 6 mm.
4.3. Badania złącz spawanych
Specjaliści z firmy Roboty Ogólnobudowlane Specjalistyczno Wysokościowe - inż.
Bohdan Zagórowski oraz eksperci ITB dokonali oceny stanu technicznego spoin. W strefie
spoin występują punktowe uszkodzenia korozyjne usytuowane zgodnie z opisem
zamieszczonym w Załączniku nr 1. Wizualnej ocenie podlegały wszystkie spoiny zarówno od
strony wewnętrznej jak i od strony zewnętrznej. Poza nielicznymi punktami korozji spoin od
strony wewnętrznej, nie stwierdzono nadmiernych ubytków korozyjnych w połączeniach
spawanych. Na zewnętrznej powierzchni spoin nie obserwuje się znaczących uszkodzeń
korozyjnych. Sprawdzono spoiny w styku poziomym pomiędzy częścią walcową i częścią
stożkową konstrukcji nośnej iglicy i nie stwierdzono tam widocznych uszkodzeń. Dodatkowe
spoiny zostały wykonane na poziomie poniżej górnej kuli, w miejscu zamocowania
wsporników pod konstrukcję wsporczą słupa czterogałęziowego służącego do zamocowania
anten nadawczych TV. W tym celu przyspawano dodatkowo 4 pionowe „płetwy”. Wszystkie
spoiny mocujące „płetwy” były już kilkakrotnie badane, przy czym bezpośredni po
wykonaniu - metodami nieniszczącymi i zostały odpowiednio zabezpieczone antykorozyjnie.
Tak więc, za wyjątkiem miejsc korozji punktowej, stan techniczny spoin nie budzi zastrzeżeń.
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 13/23
55.. BBAADDAANNIIAA II OOCCEENNAA SSTTAANNUU ZZAABBEEZZPPIIEECCZZEEŃŃ AANNTTYY--
KKOORROOZZYYJJNNYYCCHH OORRAAZZ OOCCEENNAA ZZNNIISSZZCCZZEEŃŃ KKOORROOZZYYJJNNYYCCHH
Wyniki pomiarów i ocena zabezpieczeń antykorozyjnych konstrukcji stalowej iglicy w
PKiN zawiera Załącznik nr 2.
Nowo wykonane, skuteczne zabezpieczenia antykorozyjne konstrukcji iglicy od strony
zewnętrznej obejmują odcinek płaszcza iglicy na między pomostem ruchomym a spodem
górnej kuli. Płaszcz iglicy od strony zewnętrznej został na tym odcinku zabezpieczony
antykorozyjnie i ostatecznie pomalowany na kolor żółty. Natomiast przestrzenna obudowa
rurowa górnej kuli, stanowiąca konstrukcję utrzymującą maszt z zamocowanymi na nim
antenami nad górną kulą oraz fragment starej konstrukcji nad górną kulą na połączeniu z
masztem - nie były ostatnio poddawane konserwacji. Występują tam ogniska korozji
punktowej, powierzchniowej i naloty korozyjne. Korozja ta występuje zarówno na
elementach konstrukcyjnych, jak i na śrubach łączących te elementy.
W części dolnej iglica nie została pomalowana i zabezpieczona antykorozyjnie poniżej
pomostu ruchomego. Fragment ten wymaga remontu i prac antykorozyjnych. Dotyczy to
zarówno osłony iglicy pod pomostem ruchomym, konstrukcji dolnej kuli, jak i osłony iglicy
na poziomie balkonu betonowego nad „chińskim daszkiem”. W szczególności ogniska
korozyjne występują na połączeniach żeber pionowych dolnej kuli (o konstrukcji ze stali
nierdzewnej) z konstrukcją nośną iglicy (ze stali zwykłej). Na fot. 5 widoczna jest korozja w
styku nierdzewnych żeber dolnej kuli ze stalowym trzonem iglicy. Ponadto skorodowane są
elementy stalowe stożka ściętego stanowiącego obudowę spodniej części dolnej kuli, w której
dokonano wycięć.
Strona wewnętrzna iglicy nie była konserwowana w sposób kompleksowy, poza
antykorozyjnym zabezpieczeniem wżerów korozyjnych na połączeniu trzech górnych
podestów wewnętrznych z płaszczem iglicy.
66.. KKOONNTTRROOLLNNEE OOBBLLIICCZZEENNIIAA SSTTAATTYYCCZZNNOO –– WWYYTTRRZZYYMMAAŁŁOOŚŚ--
CCIIOOWWEE KKOONNSSTTRRUUKKCCJJII IIGGLLIICCYY
6.1. Model obliczeniowy iglicy
Model obliczeniowy iglicy wykonano w programie Dlubal RFEM 5 (rys. 2) jako
przestrzenny ustrój powłokowo-prętowy, w którym uwzględniono obecność wszystkich
konstrukcyjnych elementów nośnych (trzonu, żeber pionowych, konstrukcji ramowo-
kratowych – dolnej i zabezpieczającej górną kulę). Geometrię modelu oraz profile prętów
(kątowniki, ceowniki i dwuteowniki) wprowadzono zgodnie z dostarczoną dokumentacją
techniczną [1÷7]. Ustrój podparto przegubowo w miejscach, w których występują stalowe
słupy nośne konstrukcji stalowej PKiN. Wżery korozyjne w modelu uwzględniono jako pasy
szerokości 20 cm o zmniejszonej grubości trzonu.
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 14/23
W kierunku XPO1
IzometriaPO1
Rys. 2. Widok modelu numerycznego iglicy PKiN.
W analizie założono sprężystą pracę betonu i stali. Przyjęto następujące parametry
materiałowe:
stal gatunku S235 JR (na podstawie opracowania [6])
E = 210 GPa – moduł Younga,
ν = 0,3 – współczynnik Poissona,
fyk = 235 MPa – charakterystyczna granica plastyczności,
fu = 360 MPa – charakterystyczna wytrzymałość na rozciąganie,
γM0 = γM1 = 1,0 – częściowy współczynnik bezpieczeństwa do oceny nośności
przekroju i stateczności pręta (na podstawie PN-EN 1993-3-1:2006 [N15]),
γM2 = 1,25 – częściowy współczynnik bezpieczeństwa do oceny nośności przekroju
osłabionego (na podstawie PN-EN 1993-3-1:2006 [N15]).
beton (na podstawie [6])
E = 31 GPa – moduł Younga,
ν = 0,2 – współczynnik Poissona.
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 15/23
Pola przemieszczeń, odkształceń i naprężeń zostały wyznaczone w wyniku analizy MES w
zakresie dużych deformacji (określanych wg PN-EN 1993-1-6 [N11] jako analiza sprężysta
geometrycznie nieliniowa GNA).
6.2. Założenia dotyczące obciążeń i ich kombinacji
Rozpatrzono następujące przypadki obciążenia:
G1 – obciążenie ciężarem własnym konstrukcji
G2 – ciężar wyposażenia (anteny, podkonstrukcja anten, elementy dekoracyjne)
QW1 – wiatr w kierunku osi y (rys. 2)
QW2 – wiatr działający pod kątem 45˚
Qice – obciążenie oblodzeniem.
Analizowane kombinacje obciążeń zestawiono w tablicy 1.
Tabl. 1. Wykaz rozpatrywanych kombinacji obciążeń
Nr Typ kombinacji Kombinacja obciążeń
1 SGN wiatr Y γG (G1+G2) + γQ QW1
2 SGN wiatr 45˚ γG (G1+G2) + γQ QW2
3 SGN wiatr + oblodzenie γG (G1+G2) + γQ k ψ QW + γQ Qice
4 SGN wiatr + oblodzenie γG (G1+G2) + γQ k QW + γQ ψ Qice
5 SGU wiatr Y G1+G2 + QW1
6 SGU wiatr 45˚ G1+G2 + QW2
Ponieważ iglica zlokalizowana jest na terenie miejskim, w którym konsekwencje jej
zniszczenia mogą być bardzo poważne, została ona zakwalifikowana do 3 klasy
niezawodności wg PN-EN 1993-3-1 [N15]. Współczynniki bezpieczeństwa odpowiadające
tej klasie są równe: γG = 1,2; γQ = 1,6. Przyjęto następujące wartości: współczynnika
jednoczesności ψ = 0,5 (na podstawie normy [N15]), współczynnika redukcyjnego k = 0,5
(na podstawie zaleceń z literatury branżowej [14] i analizy normy ISO 12494 [N19]). Po
analizie obciążeń przyjętych w pracy [6] i własnych obliczeniach kontrolnych, w odniesieniu
do kombinacji 3 i 4 stwierdzono, że przemnożenie obciążenia wiatrem przez współczynniki
ψ i k daje wypadkowe obciążenie w kierunku prostopadłym do osi iglicy znacznie mniejsze
niż w przypadku kombinacji 1 i 2. Dlatego za miarodajne do oceny SGN uznano kombinacje
1 i 2. Kombinacje wprowadzone w programie obliczeniowym zestawiono w tablicy 2.
Tabl. 2. Wykaz kombinacji obciążeń wprowadzonych w programie obliczeniowym
Nr Typ kombinacji Kombinacja obciążeń
1 SGN wiatr Y 1,2 (G1+G2) + 1,6 QW1
2 SGN wiatr 45˚ 1,2 (G1+G2) + 1,6 QW2
5 SGU wiatr Y G1+G2 + QW1
6 SGU wiatr 45˚ G1+G2 + QW2
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 16/23
Wartości obciążeń stałych ustalono na podstawie udostępnionych materiałów [1÷7] oraz
własnych czynności inwentaryzacyjnych. Obciążenie wyposażeniem zostało wprowadzone do
modelu w postaci sił skupionych w miejscach podwieszenia anten i obciążenia
równomiernego rozłożonego w miejscu, gdzie kule dekoracyjne opierają się na trzonie
(obciążenie równomiernie rozłożone na linii).
Siły (Fw) wywierane przez wiatr na konstrukcję iglicy zostały ustalone zgodnie z normą
PN-EN 1991-1-4:2008 [N5] na podstawie wyrażenia (5.3) tamże:
Fw = cs cd cf qp Aref.
Współczynnik konstrukcyjny cs cd większy od jedności uwzględniający dynamiczne
efekty turbulentnego oddziaływania wiatru został wyznaczony metodą 1 wg
PN-EN 1991-1-4:2008 [N5]. Pierwsza częstość drgań własnych konstrukcji, konieczna do
wyznaczenia współczynnika konstrukcyjnego, została ustalona z wykorzystaniem MES
i wynosi według tych obliczeń 1,12 Hz.
Współczynnik oporu aerodynamicznego cf w odniesieniu do kratownicowej części
konstrukcji i obudowy w kształcie kuli wyznaczony został zgodnie z PN-EN 1991-1-4:2008
[N5], a w odniesieniu do elementów wyposażenia (anten) zgodnie z PN-EN 1993-3-1:2008
[N15]. Normy serii PN-EN nie określają, w jaki sposób wyznaczyć cf użebrowanej rury
dodatkowo obudowanej podkonstrukcją kratową. W związku z powyższym skorzystano ze
wzoru proponowanego w takim przypadku przez wycofaną polską normę PN-93/B-03201
[N17]. W celu ustalenia rzeczywistej wartości współczynnika aerodynamicznego trzonu iglicy
należałoby przeprowadzić badania tunelowe.
Pole powierzchni odniesienia Aref i wartość szczytowa ciśnienia prędkości wiatru
qp zostały ustalone zgodnie z PN-EN 1991-1-4:2008 [N5].
Obciążenie parciem wiatru zostało wprowadzone w postaci sił skupionych w miejscach
podwieszenia anten, w górnych węzłach konstrukcji kratowej oraz jako obciążenie
równomiernie rozłożone na powierzchni trzonu iglicy.
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 17/23
IzometriaPO3: Wiatr Konstrukcja kierunek Y IzometriaPO5: Wiatr Konstrukcja kierunek 45
a) b)
Rys. 3 Widok iglicy z symbolami obciążenia wiatrem (od lewej): a) w kierunku Y, b) pod
kątem 45˚
6.3. Założone warunki stanów granicznych
W analizie rozpatrzono dwa miarodajne stany graniczne wg PN-EN 1993-1-6 [N11]
dotyczące trzonu iglicy:
LS1: Zniszczenie plastyczne
Założono, że naprężenia zredukowane wyznaczone wg hipotezy HMH w ramach
analizy GNA (tym samym uwzględniając efekty II rzędu) na powierzchni powłoki
powinny być mniejsze lub równe obliczeniowej granicy plastyczności stali.
LS3: Niestateczność
Założono, że konstrukcja w czasie analizy GNA nie może utracić stateczności.
Sprawdzono również nośność spoin łączących elementy trzonu iglicy w poziomach
+197,46 i +201,46 zgodnie z algorytmem normy PN-EN 1993-1-8 [N12]. Spoiny te
wytypowano ze względu na brak wzmocnień trzonu na tych wysokościach i ich lokalizację w
pobliżu wżerów korozyjnych. Ponadto przeprowadzono weryfikację nośności prętów
konstrukcji kratowych. Skorzystano z modułu RF-STEEL EC3 dostępnego w pakiecie
RFEM, w którym zaimplementowano algorytm oceny nośności zgodny z systemem
Eurokodów, w szczególności z PN-EN 1993-1-1 [9].
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 18/23
Z uwagi na brak kryteriów stanu granicznego użytkowalności w serii norm PN-EN dla
masztów, które mogłyby być wykorzystane w ocenie SGU konstrukcji iglicy, przy ocenie
przyjęto kryterium wg normy PN-B-03204:2002 [N18]. Dopuszczalne przemieszczenie
wierzchołka masztu wynosi 1/100 jego wysokości. Przemieszczenia obliczono uwzględniając
efekty II rzędu (analiza GNA).
6.4. Wyniki analizy statyczno-wytrzymałościowej i sprawdzenie stanów granicznych iglicy
W wyniku analizy MES uzyskano pola naprężeń, które wykorzystano do oceny SGN
trzonu iglicy. Mapy naprężeń zredukowanych HMH przedstawiono na rys. 4.
Naprężenia normalne
-v,max,Mises
[MPa]
245.0
235.0
210.0
185.0
160.0
135.0
110.0
85.0
60.0
35.0
10.0
0.0
Max : 765.1Min : 0.0
IzometriaKO1: SGN (STR/GEO) - Stałe / przejściowe - Równ. 6.10Powierzchnie Naprężenia Sigma-eqv,max,Mises
MaxSigma-eqv,max,Mises: 765.1, MinSigma-eqv,max,Mises: 0.0 MPa
Naprężenia normalne
-v,max,Mises
[MPa]
245.0
235.0
210.0
185.0
160.0
135.0
110.0
85.0
60.0
35.0
10.0
0.0
Max :1498.5Min : 0.0
IzometriaKO3: SGN (STR/GEO) - Stałe / przejściowe - Równ. 6.10Powierzchnie Naprężenia Sigma-eqv,max,Mises
MaxSigma-eqv,max,Mises: 1498.5, MinSigma-eqv,max,Mises: 0.0 MPa a) b)
Rys. 4. Pola naprężeń zredukowanych HMH wywołanych kombinacją SGN: a) wiatr w
kier. Y, b) wiatr w kier. 45˚
W przypadku kombinacji SGN uwzględniającej działanie wiatru w kierunku równoległym do
osi PKiN stwierdzono występowanie koncentracji naprężeń w miejscu skokowej zmiany
wysokości żeber wzmacniających, koncentracje te nie wpływają na stateczność całego
ustroju. W przypadku działania wiatru w kierunku odchylonym o 45˚ (na podstawie wyników
analizy modalnej, można stwierdzić, że „bardziej podatnym” na drgania) oprócz ww.
koncentracji, stwierdzono rozległy obszar uplastycznienia występujący w poziomie wżerów
korozyjnych w poziomie +195,9 ÷ +196,4 (σeq,Ed > fyd = 235 MPa). Zbliżenie tego obszaru
przedstawia rys. 5. Stwierdzono, że pręty części ramowo-kratowych mają wystarczającą
nośność. W odniesieniu do spoin łączących segmenty trzonu iglicy, założono ciągłość
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 19/23
i jednorodność materiału w miejscu ich występowania. Naprężenia zredukowane HMH i
normalne w tych poziomach nie przekraczają wartości dopuszczalnych dla spoin (βw –
współczynnik korekcyjny spoin, w przypadku S235 równy 0,8):
+197,46 σeq,Ed = 160 MPa < fu / (βw ∙ γM2) = 360/(0,8 ∙ 1,25) = 360 MPa
σn,Ed = 144 MPa < 0,9 fu / γM2 = 0,9 ∙ 360 / 1,25 = 259 MPa,
+201,46 σeq,Ed = 105 MPa < fu / (βw ∙ γM2) = 360/(0,8 ∙ 1,25) = 360 MPa
σn,Ed = 88 MPa < 0,9 fu / γM2 = 0,9 ∙ 360 / 1,25 = 259 MPa.
Naprężenia normalne
-v,max,Mises
[MPa]
245.0
235.0
210.0
185.0
160.0
135.0
110.0
85.0
60.0
35.0
10.0
0.0
Max :1498.5Min : 0.0
IzometriaKO3: SGN (STR/GEO) - Stałe / przejściowe - Równ. 6.10Powierzchnie Naprężenia Sigma-eqv,max,Mises
MaxSigma-eqv,max,Mises: 1498.5, MinSigma-eqv,max,Mises: 0.0 MPa
Rys. 5. Obszar koncentracji naprężeń w rejonie wżeru korozyjnego
w poziomie 195,9 ÷ 196,4 m
Wyniki analizy GNA wykazały, że ustrój nośny iglicy lub jego część nie są zagrożone
utratą stateczności. Wypadkowe przemieszczenia wierzchołka iglicy wywołane
poszczególnymi kombinacjami SGU uzyskane w wyniku analizy GNA zestawiono w tablicy
3. Deformację konstrukcji pokazano na rys. 6. Stwierdzono przekroczenie dopuszczalnego
przemieszczenia przy działaniu wiatru w kierunku odchylonym o 45˚ od osi PKiN o ok. 13 %.
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 20/23
Tabl. 3. Wypadkowe przemieszczenia wierzchołka iglicy
Typ kombinacji fmax [cm] fdop [cm] fmax/fdop
SGU wiatr Y 45,4 50,5 0,90
SGU wiatr 45˚ 56,9 50,5 1,13
45.4
|u| [cm]
45.4
41.2
37.1
33.0
28.9
24.7
20.6
16.5
12.4
8.2
4.1
0.0
Max : 45.4Min : 0.0
IzometriaKO2: SGU - CharakterystycznyOdkształcenia globalne u
Współczynnik odkształceń: 11.00Maxu: 45.4, Minu: 0.0 cm
56.9|u| [cm]
56.9
51.8
46.6
41.4
36.2
31.1
25.9
20.7
15.5
10.4
5.2
0.0
Max : 56.9Min : 0.0
IzometriaKO4: SGU - CharakterystycznyOdkształcenia globalne u
Współczynnik odkształceń: 9.00Maxu: 56.9, Minu: 0.0 cm
a) b)
Rys. 6. Deformacja konstrukcji pod wpływem działania kombinacji SGU (od lewej): a)
wiatr w kier. Y, b) wiatr w kier. 45˚
77.. AANNAALLIIZZAA WWNNIIOOSSKKÓÓWW ZZ BBAADDAAŃŃ II OOBBLLIICCZZEEŃŃ
Z przeprowadzonych badań i obliczeń wynika, że konstrukcja iglicy PKiN uległa
osłabieniu wskutek występowania wżerów korozyjnych. Pomierzone na różnych poziomach
od strony zewnętrznej i od strony wewnętrznej głębokości wżerów korozyjnych w większości
przypadków zawierały się w przedziale od ok. 2,0 mm do ok. 4,0 mm, ale zdarzały się
przypadki wżerów o głębokości dochodzącej do 6 mm. Jest też ona osłabiona wskutek wycięć
w elementach dwuteowych stanowiących użebrowanie wzmacniające konstrukcję powłokową
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 21/23
iglicy. Ponadto, w otoczeniu wycięć w dolnych częściach stożka ściętego, stanowiącego
obudowę spodniej części dolnej kuli, skorodowane są drugorzędne elementy stalowe, które
powinny wzmacniać elementy tej obudowy. Nieprawidłowo zrealizowane wycięcia występują
także w obudowie dolnej kuli oraz w samej powłoce nośnej iglicy, co skutkuje zarówno
powstawaniem nieszczelności i przecieków, jak i osłabieniem konstrukcji. Szczegółowy opis
nieprawidłowości w zakresie zabezpieczeń antykorozyjnych iglicy PKiN zawiera Załącznik
nr 2 do niniejszego opracowania.
W wyniku tych osłabień i nieszczelności oraz braku odpowiednich zabezpieczeń
nośność konstrukcji trzonu iglicy (od początku wykonanej z blachy o grubości o 2 mm
mniejszej, niż zakładał projekt konstrukcyjny) w strefie powyżej poziomu +195,900 m jest,
jak wynika z przeprowadzonej analizy statyczno-wytrzymałościowej, niewystarczająca.
Naprężenia w spoinach nie są jeszcze przekroczone, natomiast przekroczone są wartości
dopuszczalnych przemieszczeń poziomych iglicy PKiN o ok. 13 %. Z przeprowadzonych
badań i analiz wynika więc, że system wzmocnień w postaci pionowych płaskowników
zaprojektowany przez mgr. inż. Stanisława Zakrzewskiego [2, 3] wymaga rozbudowania.
88.. WWYYTTYYCCZZNNEE WW ZZAAKKRREESSIIEE DDAALLSSZZEEGGOO PPOOSSTTĘĘPPOOWWAANNIIAA ZZ
KKOONNSSTTRRUUKKCCJJĄĄ IIGGLLIICCYY
Obecnie, po zrealizowaniu najpilniejszych zewnętrznych prac konserwacyjnych,
pozostało do wykonania szereg prac wzmacniających, antykorozyjnych i zabezpieczających.
Należy zatem przeprowadzić wymienione poniżej prace naprawcze.
1. Oczyszczenie, lokalne naprawy i zabezpieczenia antykorozyjne górnej części konstrukcji
od zewnątrz, tj. obudowy górnej kuli, wykonanej z profili rurowych 70 i kątowników
oraz fragmentu konstrukcji nad górną kulą na połączeniu z konstrukcją wsporczą anten.
2. Oczyszczenie, lokalne naprawy i zabezpieczenia antykorozyjne konstrukcji iglicy od
zewnątrz i jej obudowy w części dolnej poniżej pomostu ruchomego do poziomu stropu
nad „chińskim daszkiem”. Występują tam nieprawidłowo wykonane otwory na kable w
powłoce iglicy, które wymagają wzmocnienia w postaci pierścieni krawędziowych.
Remontu i prac antykorozyjnych wymaga również obudowa dolnej kuli oraz odcinek
trzonu iglicy między pomostem ruchomym i dolną kulą. Naprawy powinny obejmować
osłony iglicy pod pomostem ruchomym, konstrukcję dolnej kuli (zwłaszcza miejsca jej
styków z trzonem iglicy) oraz osłony iglicy na poziomie balkonu betonowego nad
„chińskim daszkiem”. Ponadto skorodowane drugorzędne elementy stalowe, które
powinny wzmacniać elementy stożka ściętego stanowiącego obudowę spodniej części
dolnej kuli, wymagają wymiany na nowe. Niezbędne jest też oczyszczenie i uszczelnienie
konstrukcji dolnej kuli oraz uzupełnienie ubytków w dolnej części jej obudowy.
Wykonanie na tym odcinku prac antykorozyjnych wymaga demontażu blach osłonowych
nad i pod dolną kulą.
3. Naprawa wycięć w elementach dwuteowych, stanowiących użebrowanie wzmacniające
konstrukcję powłokową iglicy. Konieczne jest opracowanie odpowiedniej technologii
spawania. Prace takie można prowadzić jedynie przy bezwietrznej pogodzie z uwagi na
znaczne przemieszczenia iglicy pod wpływem wiatru.
Ekspertyza stanu technicznego iglicy Pałacu Kultury i Nauki - praca nr 02786/16/Z00NZK
strona 22/23
4. Kompleksowych prac konserwacyjnych wymaga strona wewnętrzna iglicy PKiN
(większość uszkodzeń korozyjnych występuje w górnej części iglicy na odcinku do ok. 10
m poniżej górnej kuli).
5. Płaskowniki stanowiące wzmocnienie konstrukcji iglicy PKiN od wewnątrz powinny
tworzyć układy ciągłe. Elementy połączone na styk, ale nie zespawane należy po
odpowiednim wyprofilowaniu zespawać. Po wykonaniu tych prac należy przystąpić do
realizacji przedłużenia systemu wzmocnień w postaci pionowych płaskowników
(zaprojektowanych przez mgr. inż. St. Zakrzewskiego [2, 3]), podwyższając układ
wzmocnień do poziomu +200,2 m (1,0 m powyżej otworu na poz. +197,600 m). W tym
celu należy wcześniej opracować projekt techniczny przedłużenia wzmocnień, stosując
dotychczasowe zasady wzmacniania [2, 3]. Konieczne jest też opracowanie odpowiedniej
technologii spawania. Prace te także można prowadzić jedynie przy bezwietrznej pogodzie.
6. Oczyszczenie, lokalne naprawy i zabezpieczenia antykorozyjne konstrukcji usztywniającej
trzon iglicy znajdującej się pod „chińskim daszkiem”.
99.. WWNNIIOOSSKKII II ZZAALLEECCEENNIIAA
Na podstawie przeprowadzonych badań i obliczeń stwierdza się, że:
1. Konstrukcja iglicy PKiN uległa osłabieniu wskutek występowania wżerów korozyjnych.
Pomierzone na różnych poziomach od strony zewnętrznej i od strony wewnętrznej
głębokości wżerów korozyjnych zasadniczo zawierały się w przedziale od ok. 2,0 do ok.
4,0 mm, ale zdarzały się przypadki wżerów o głębokości do 6 mm. Konstrukcja iglicy
jest też osłabiona wskutek wycięć w elementach dwuteowych stanowiących jej
użebrowanie wzmacniające. Ponadto, w otoczeniu wycięć w dolnych częściach stożka
ściętego, stanowiącego obudowę spodniej części dolnej kuli, skorodowane są
drugorzędne elementy stalowe, które powinny wzmacniać elementy tej obudowy.
Szczegółowy opis nieprawidłowości w zakresie zabezpieczeń antykorozyjnych iglicy
PKiN zawiera Załącznik nr 2 do niniejszego opracowania.
2. W wyniku tych osłabień nośność konstrukcji trzonu iglicy (wykonanej z blachy o
grubości o 2 mm mniejszej, niż zakładał projekt konstrukcyjny) w strefie powyżej
poziomu +195,900 m jest, jak wynika z przeprowadzonej analizy statyczno-
wytrzymałościowej, niewystarczająca. Naprężenia w spoinach nie są jeszcze
przekroczone, natomiast przekroczone są wartości dopuszczalnych przemieszczeń
poziomych iglicy PKiN, a więc Stan Graniczny Użytkowalności o ok. 13 %.
3. Z przeprowadzonych badań i analiz wynika więc, że system wzmocnień w postaci
pionowych płaskowników (zaprojektowany przez mgr. inż. St. Zakrzewskiego [2, 3])
wymaga podwyższenia do poziomu min. +200,2 m. Należy opracować projekt techniczny
wzmocnienia iglicy, stosując dotychczasowe zasady wzmacniania, co powinno także
przyczynić się do redukcji przemieszczeń, a więc spełnienia warunku SGU. Konieczne
jest też opracowanie odpowiedniej technologii spawania.
4. Konstrukcja iglicy PKiN wymaga lokalnych napraw oraz zabezpieczeń antykorozyjnych
w następującym zakresie: