Budynek jest parterowym obiektem mieszkalnym z poddaszem, z murowanymi ścianami nośnymi, stropem opartym na ścianach oraz drewnianą konstrukcją dachu. Obiekt jest ujęty w gminnej ewidencji zabytków, a jego dokumentacja techniczna oraz oryginalne rysunki nie były dostępne. Charakterystycznym elementem budynku jest ściana lukarny, na której występują zarysowania ukośne. To właśnie ten element stanowił główny przedmiot przeprowadzonych badań konstrukcyjnych. Budynek znajduje się w odległości około 80 m od drogi wojewódzkiej, 35 m od drogi ekspresowej oraz 15 m od wiaduktu. Głównym wyzwaniem inżynierskim było ustalenie, czy zaobserwowane zarysowania są wynikiem drgań wywołanych ruchem drogowym, czy też powstały na skutek uwarunkowań konstrukcyjnych i fundamentowych budynku.
Ponieważ pierwotna dokumentacja nie była dostępna, rzeczywistą geometrię oraz układ konstrukcyjny obiektu odtworzono za pomocą skanera laserowego 3D FARO Focus S70. Uzyskana w ten sposób chmura punktów została wykorzystana do opracowania dokładnej dokumentacji CAD w 2D i 3D, a następnie do stworzenia trójwymiarowego modelu MES w programie RFEM 6.12 firmy Dlubal. Układ konstrukcyjny zamodelowano z wykorzystaniem elementów belkowych dla komponentów liniowych oraz elementów powierzchniowych dla murowanych ścian i elementów stropu. Model obejmował 1742 elementy prętowe i 17 941 elementów powierzchniowych, przy założonym rozmiarze elementu skończonego 0,25 m. Materiały obejmowały mur z cegły, beton i drewno. Ich właściwości mechaniczne i masowe zdefiniowano odpowiednio do charakterystyki istniejącego obiektu.
Istotną trudnością była niepewność dotycząca rzeczywistego sposobu posadowienia i warunków gruntowych, ponieważ nie przeprowadzono badań gruntu ani odkrywek fundamentów. Aby rozwiązać ten problem, w modelu RFEM zastosowano interakcję konstrukcji z podłożem, wykorzystując sprężyny translacyjne na poziomie fundamentów. Rozpatrzono trzy różne warianty sztywności podłoża, od podłoża o nieskończenie dużej sztywności aż po podłoże podatne. W przypadku podatnego podłoża uwzględniono również nieliniowość związaną z możliwością odrywania się fundamentu od podłoża. Pozwoliło to ocenić wrażliwość odpowiedzi dynamicznej i konstrukcyjnej budynku na nierozpoznane warunki gruntowe.
Do kompleksowego modelowania metodą elementów skończonych, generowania i weryfikacji siatki, analizy modalnej, analizy interakcji podłoże–konstrukcja oraz analizy historii czasowej wykorzystano program RFEM firmy Dlubal. Do wyznaczenia postaci drgań własnych zastosowano metodę Lanczosa, natomiast do analizy dynamicznej wykorzystano niejawną metodę Newmarka z krokiem czasowym wynoszącym 0,001 s. Model poddano działaniu obciążeń stałych i zmiennych oraz dynamicznych wymuszeń wywołanych ruchem drogowym, które uzyskano bezpośrednio z pomiarów przyspieszeń wykonanych w obiekcie. Zarejestrowane przebiegi drgań przyłożono na poziomie fundamentów, dzięki czemu model numeryczny mógł odwzorować rzeczywiste wymuszenia dynamiczne, którym poddany był budynek. W ten sposób proces analityczny połączył skanowanie laserowe 3D, rekonstrukcję w środowisku CAD, pomiary drgań w obiekcie oraz analizę w programie RFEM firmy Dlubal, tworząc zintegrowaną metodę diagnostyczną.
Analiza numeryczna wykazała, że przyjęta sztywność podłoża miała znacznie większy wpływ na odpowiedź konstrukcji niż samo dynamiczne oddziaływanie wywołane ruchem drogowym. W przypadku podatnego podłoża częstotliwości drgań własnych podstawowej postaci drgań zmniejszyły się nawet o 65%, natomiast maksymalne naprężenia styczne w analizowanej ścianie lukarny różniły się o około 30%. Dla porównania, uwzględnienie zmierzonych drgań wywołanych ruchem drogowym w kombinacjach obciążeń zmieniło maksymalne naprężenia styczne jedynie o 0,2–3,7%. Porównanie obliczonych trajektorii naprężeń głównych z zaobserwowanymi ukośnymi zarysowaniami wskazało, że uszkodzenie było przede wszystkim związane z warunkami podparcia i zachowaniem konstrukcyjnym ściany, a nie z drganiami wywołanymi ruchem drogowym. Projekt pokazuje, w jaki sposób program Dlubal RFEM może być skutecznie stosowany do oceny złożonych istniejących konstrukcji, szczególnie w sytuacjach, gdy brak jest pierwotnej dokumentacji, a warunki gruntowe są niepewne. Osiągnięto to poprzez połączenie dokładnej rekonstrukcji geometrii, zmierzonych wymuszeń dynamicznych oraz zaawansowanej analizy numerycznej.
| Miejsce | Warszawa, Polska |
| Analiza konstrukcji | Instytut Techniki Budowlanej |
