Używamy cookies i podobnych technologii m.in. w celach: świadczenia usług, reklamy, statystyk. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień Twojej przeglądarki oznacza, że będą one umieszczane w Twoim urządzeniu końcowym. Pamiętaj, że zawsze możesz zmienić te ustawienia. Szczegóły znajdziesz w Polityce Prywatności.

Katastrofa budowlana aluminiowego masztu telekomunikacyjnego z odciągami

07.01.2016

Odstępstwo od procedur projektowych, technologicznych i odbiorczych spowodowało katastrofę.

Opis konstrukcji

Aluminiowy maszt telekomunikacyjny o wysokości 80 m był zlokalizowany w pierwszej strefie wiatrowej w od­krytym terenie na niewielkim wznie­sieniu (304 m n.p.m.).

Maszt ten został zaprojektowany jako konstrukcja składająca się z 24 typowych segmentów o długości 3,00 m każdy, segmentu podporowe­go o długości 6,0 m oraz segmentu końcowego o długości 2,0 m. Na ostatnim segmencie masztu prze­widziano szpicę odgromową o wy­sokości 1,0 m. Konstrukcję trzonu masztu wykonano ze stopu aluminium gatunku EN AW6005A T6. Segmen­ty zaprojektowano z rur okrągłych. Krawężniki masztu z rur średnicy 80 x 5,0 mm (od poziomu 0,0 do po­ziomu 6,0 m) oraz z rur o średnicy 80 x 3,0 mm (od poziomu 6,0 do poziomu 81,0 m). Skratowania poziome i krzyżulce zaplanowano z rur o śred­nicy 35 x 2,0 mm. Wszystkie połą­czenia przewidziano jako spawane metodą TIG w osłonie argonu. Pręty skratowań zaplanowano łączyć z kra­wężnikami spoinami czołowymi na pełny przetop (spoina obejmuje całą grubość elementu). Połączenia seg­mentów zaprojektowano jako doczo­łowe śrubowe na trzy śruby M10 x 35 klasy 5.8. Kołnierze w połączeniu miały zostać wykonane z aluminiowej blachy płaskiej w kształcie sześcio- kąta o grubości 5,0 mm. Kołnierze wzmocniono żebrami z blach również o grubości 5,0 mm. W żebrach prze­widziano otwory o średnicy 11 mm do mocowania lin odciągów.

 

Fot. 1 Aluminiowy maszt telekomunikacyjny M100F o wysokości 80,0 m tuż po katastrofie

 

Odciągi zaprojektowano z lin ocyn­kowanych grubości 5,0 mm, Rm = 1770 MPa T6x7 wg PN-69/M-80208. Liny odciągów mocowano za pomocą szekli prostych G4153 o średnicy 10 mm. Pętle lin przewidziano skrę­cać na zaciski linowe w liczbie trzech sztuk w rozstawie co pięć średnic liny. Segment podstawy masztu zapro­jektowano o zbieżnych krawężnikach zakończonych wspólną rurą 190 x 5 mm z otworem na przegub ze śrubą M24 x 240 klasy 5.8.

Główne projektowe parametry tech­niczne masztu:

- wysokość 80,0 m + 1,0 m szpica odgromowa;

- rozstaw poprzeczny krawężników 1000 mm (wymiar w osiach), liczba segmentów 33 (1 x 6,0 m + 24 x 3,0 m + 1 x 2,0 m + szpica odgro­mowa);

- liczba odciągów 33 w trzech płasz­czyznach pionowych co 120o, pozio­my odciągów (+6,0; +15,0; +24,0; +33,0; +39,0; +45,0; +51,0; + 60,0; + 66,0; + 72,0; + 78,0), z projektowanym wstępnym nacią­giem 1,8 kN.

 

Fot. 2 Uszkodzone połączenia kołnierzowe

 

Posadowienie masztu zaprojektowa­no na studni fundamentowej z krę­gów betonowych o średnicy 1,2 m. Środek studni proponowano wypełnić betonem klasy C12/15. Kręgi betono­we zamierzano zagłębić w warstwie nośnej (grunty skaliste zaliczone do skał twardych z przewarstwienia- mi w postaci łupków) na głębokość 0,2 m, licząc od stropu wydzielonej nośnej warstwy. Pod stopą funda­mentową zaproponowano chudy be­ton klasy C8/10. Na podstawie roz­poznania geotechnicznego w miejscu posadowienia masztu wiercenia nie wykazały istnienia wód gruntowych. Występujące warunki gruntowe zali­czono do złożonych, a projektowany maszt zaliczono do II kategorii geo­technicznej.

Zakotwienie odciągów zrealizowa­no za pośrednictwem stalowej płyty o wymiarach 0,5 m x 1,0 m i grubości 5 mm usztywnionej od spodu, stosu­jąc kotwę gruntową o średnicy 20 mm i długości 3,0 m. Poziom zakotwienia kotwy gruntowej wynosił -2,7 m. Przewidziano zasypanie kotew grun­towych piaskiem z jednoczesnym za­gęszczeniem bryły wykopu.

 

Fot. 3 Segment podstawy masztu bezpo­średnio po awarii

 

Katastrofa budowlana

Na początku 2014 r. podczas pory­wów wiatru (wg danych uzyskanych z IMiGW, SHM Suków maksymalna prędkość wiatru w porywach wyno­siła 64,8 km/h) doszło do katastrofy budowlanej masztu. Minęło wówczas ok. sześciu miesięcy jego eksploata­cji od wybudowania. Katastrofa mia­ła miejsce w czasie porywów wiatru i niezbyt dużych prędkościach, mniej­szych od przyjmowanych wartości charakterystycznych dla danej strefy obciążenia wiatrem. Nastąpiło kaska­dowe wysuwanie się lin z zacisków w konsekwencji utrata stateczności położenia aluminiowego masztu. Stan masztu po katastrofie pokazano na fot. 1-5.

 

Fot. 4 Stan lin odciągów w zakotwieniu po awarii

 

Opis badanych elementów konstrukcji masztu po awarii

Przeprowadzono badania materiałowe oraz badania wytrzymałościowe zako­twień lin zniszczonego w katastrofie
budowlanej masztu. Badania wykona­no w Certyfikowanym Laboratorium Politechniki Krakowskiej. Do badania pobrano próbki materiału z krawężni­ków i wykratowania.

Przeprowadzono badania zakotwienia lin wykonanych dokładnie tak jak liny w maszcie, który uległ katastrofie. Zastosowano nowe zaciski - ogól­nie dostępne, po trzy sztuki, jak przewidywał projekt. Otrzymane wy­niki badań materiałowych przedsta­wiono w tabl. 1. Ścieżki równowagi badanych zakotwień przedstawiono na rys. 1, a wartości uzyskanej noś­ności granicznej zakotwień pokazano w tabl. 2. Nośność zakotwień cechu­je niska wartość oraz bardzo duża zmienność (38%).

 

Fot. 5 Stan podpory masztu po awarii

 

Tabl. 1 Badania materiałowe stopu aluminium [MPa]

Element

Nr próby

Rp01

Rp01, m

Rp02

R

p02,m

R

m

R

m, m

Rura 35/2

LB/24/14-7

225

227,75 x , = 5,6 n = 8 min. 221 maks. 240

248

245,25 x , = 4,5 n = 8 min. 241 maks. 254

269

270,00 x , = 6,5 n = 8 min. 260 maks. 277

LB/24/14-8

240

254

277

Rura 80/3

LB/24/14-1

221

241

269

LB/24/14-2

230

247

276

LB/24/14-3

227

243

270

LB/24/14-4

228

246

277

LB/24/14-5

226

241

260

LB/24/14-6

225

242

262

 

Tabl. 2 Zestawienie wyników nośności zakotwienia lin [kN]

Nr próby

Nosnosc

N [kN]

m

Uwagi

Próba 1

5,80

5,99

x , = 2,29 n = 3 min. 3,80 maks. 8,36

V = 2,29/5,99 = 0,38 = 38%

Próba 2

3,80

Próba 3

8,36

 


Fot. 6 a) widok badanego zakotwienia liny odciągu w maszynie wytrzymało­ściowej; b) widok zakotwienia liny odciągu po badaniu - wysunięcie liny z zacisków

 

Obliczenia sprawdzające

Przeprowadzono obliczenia statyczne i dynamiczne za pomocą programu Autodesk Robot Structural Analysis Pro­fessional 2015, korzystając z zaleceń podanych w [1-9]. Otrzymano nastę­pujące wyniki opisujące prawdopodob­ny mechanizm zniszczenia i „grę" sił w odciągach w chwili awarii:

- Prawdopodobne wytężenie odcią­gów przy zrealizowanym sposobie za­kotwienia lin (bez kausz, trzy zaciski, bez atestów, usytuowane dowolnie po długości, niezgodnie z PN-73/m-080241, z niekontrolowanym nacią­giem wstępnym) odpowiadające pręd­kości wiatru w czasie wystąpienia awarii (64,4 km/h = 18,0 m/s2) wynosiło ok. 5,99 kN/9,22 mm2 (649,7 MPa), przy Rm/n = 1770 MPa/4 = 442 MPa.

- Rzeczywiste obciążenie masztu mie­rzone prędkością wiatru, rozumianą jako jednocyklowe oddziaływanie, od­powiadające zbadanej średniej nośno­ści połączenia (649,7 MPa) oszaco­wano na ok. 6,2 m/s2 (22,2 km/h).

- Na podstawie obserwacji zachowa­nia się zacisków w trakcie prowa­dzonych badań wytrzymałościowych, w trakcie przygotowania elementów próbnych, w aspekcie cykliczności oddziaływania wiatru, nośność zacisków oceniono poniżej 3,8 kN (412 MPa), prędkość przykładane­go obciążenia w trakcie badań miała istotny wpływ na kształt i wartości ścieżki równowagi badanych zakot­wień lin (badania przeprowadzono przy prędkości narastania prze­mieszczeń odpowiadającej badaniom statycznym 10 mm/min).

 

Rys. 1 Ścieżki równowagi badanych zakotwień lin Ø 5 mm

 

Badając przyczyny katastrofy, stwier­dzono brak spełnienia podstawowego warunku projektowego, a mianowicie wymaganej nośności zakotwienia lin, co było jeszcze spotęgowane niedo­stosowaniem naciągu wstępnego lin na poszczególnych poziomach masz­tu (przyjęto w projekcie jednakowy naciąg wstępny lin równy 1,8 kN), brakiem możliwości regulacji nacią­gu. Doprowadziło to do nierówno­miernego rozkładu sił w odciągach, a w niektórych wręcz do zlikwidowa­nia naciągu wstępnego (co można było stwierdzić również na drugim takim samym maszcie o wysokości 60 m, usytuowanym w sąsiedztwie, a zaprojektowanym i zrealizowanym przez tego samego wykonawcę). Wy­wołało to kolejne przeciążenie innych odciągów, wystąpił kaskadowy model zniszczenia zakotwień, a w końcowym efekcie nastąpiła utrata stateczności położenia i upadek masztu.

W wyniku przeprowadzonych obliczeń wykazano, że przyczyną powstania awarii masztu była utrata statecz­ności położenia masztu przy istnie­jących warunkach konstrukcyjnych lin odciągów. Brak wymaganej nośności zakotwienia lin był zasadniczą przy­czyną zaistniałej katastrofy budowla­nej masztu aluminiowego. Niezależnie od tego zaprojektowany (wg reguł odpowiadających masztom stalowym) i wykonany maszt nie spełniał wymo­gów stanu granicznego nośności, a w konsekwencji i wymogów nieza­wodności.

 

Rys. 2 Model obliczeniowy masztu w anali­zie globalnej

 

Wnioski

Bezpośrednią przyczyną katastrofy budowlanej masztu aluminiowego była rażąco niska nośność zakotwienia lin, wywołana błędami projektowymi, a dopełniona niewłaściwym wykonaw­stwem (montażem i odbiorem).

Do powstania katastrofy budowla­nej przyczyniło się zaprojektowanie, wybudowanie i użytkowanie masztu aluminiowego bez zapewnienia jako­ści, stosownie do wymagań normy PN-EN 1090-2, bez uwzględnienia klasy konsekwencji zniszczenia CC, klasy niezawodności RC, kategorii projektowanego okresu użytkowania, klasy wykonania konstrukcji aluminio­wej masztu EXC, a także poziomu nadzoru DSL i inspekcji IL.

Należy zwracać uwagę na przestrze­ganie wymogów Eurokodu 9 w trakcie projektowania, wykonawstwa, mon­tażu oraz eksploatacji konstrukcji aluminiowych, tak aby spełnione były wymogi niezawodności.

 

Jerzy Sendkowski

Biuro Budowlane Ankra Sp. z o.o. Kielce

Anna Tkaczyk, Łukasz Tkaczyk

Biuro Budowlane Bauko s.c. Kielce

 

Literatura

1. PN-EN 1990 Eurokod. Podstawy pro­jektowania konstrukcji, PKN, Warszawa 2004.

2. PN-EN 1991-1-4 Eurokod 1. Oddziały­wania na konstrukcje. Część 1-4: Od­działywania ogólne. Oddziaływania wia­tru, PKN, Warszawa 2008.

3. PN-EN 1090-3, Wykonanie konstruk­cji stalowych i aluminiowych. Część 3: Wymagania techniczne dotyczące kon­strukcji aluminiowych, PKN, Warszawa 2012.

4. PN-EN 1999-1-1 Eurokod 9. Projektowa­nie konstrukcji aluminiowych. Część 1-1: Reguły ogólne, PKN, Warszawa 2011.

5. PN-EN 1999-1-3 Eurokod 9. Projekto­wanie konstrukcji aluminiowych. Część 1-3: Konstrukcje narażone na zmęcze­nie, PKN, Warszawa 2011.

6. M. Gwóźdź, Problemy projektowe współczesnych konstrukcji aluminio­wych, „Czasopismo Techniczne" z. 4 [4-A/2017], Kraków 2007.

7. M. Gwóźdź, Stany graniczne konstruk­cji aluminiowych, „Wydawnictwo Poli­techniki Krakowskiej", Kraków 2007.

8. M. Gwóźdź, K. Kuchta, Zarządzanie niezawodnością obiektów kubaturo­wych wg norm PN-EN 1990, „Czaso­pismo Techniczne" z. 11 [2-A/2/2011], Kraków 2011.

9. M. Gwóźdź, Konstrukcje aluminiowe. Projektowanie wg Eurokodu 9, Wydaw­nictwo Politechniki Krakowskiej [mono­grafia], Kraków 2014.

10. B. Wichtowski, R. Hałas, Przyczyny stanu przedawaryjnego aluminiowych masztów antenowych w świetle ba­dań, XXV Konferencja Naukowo-Tech­niczna „Awarie budowlane", Między­zdroje, 24-27 maja 2011.

11. W. Gutkowski, Przyczyny i przebieg zniszczenia masztu radiowego w Gą­binie, „Inżynieria i Budownictwo" nr 9/1992.

12. R. Ciesielski, O katastrofach i defek­tach stalowych masztów radiowo-telewizyjnych, „Inżynieria i Budownic­two" nr 3/1992.

13. W. Żółtowski, L. Kleśta, Katastrofa masztu radiowego w Gąbinie, Przy­czyny, przebieg, skutki, „Inżynieria i Budownictwo" nr 9/1992.

14. L. Pierzak, O przyczynach zawalenia się masztu w Gąbinie, „Inżynieria i Bu­downictwo" nr 9/1992.

15. J. Niewiadomski, J. Głąbik, L. Gro­chowski, Analiza przyczyn katastrofy masztu w Gąbinie, „Inżynieria i Bu­downictwo" nr 9/1992.

 

UWAGA: Artykuł oparty jest na referacie przygotowanym na konferencję „Awarie budowlane" 2015.

Zobacz także na

www.piib.org.pl

www.kreatorbudownictwaroku.pl

www.izbudujemy.pl

Kanał na YouTube

Profil na Google+