Konrad RODACKI2
WYKORZYSTANIE FIBROBETONU DO KONSTRUKCJI SPRĘŻONYCH KABLAMI Z PRZYCZEPNOŚCIĄ NA PRZYKŁADZIE ANLAIZY WIEŻY POD TURBINĘ
WIATROWĄ
W pracy został omówiony wpływ włókien stalowych na właściwości mechaniczne betonu. Przedstawiona została analiza 200 metrowej wieży sprężonej kablami z przyczepnością bez zbrojenia miękkiego. Pokazane i omówione zostały przykłady konstrukcji wykonane jako betonowe bez wzmocnienia stalą zwykłą. Na końcu została przedstawiona koncepcja wykonania wieży.
1. Wprowadzenie
Konstrukcje sprężone wykonywane jako monolityczne mają obecnie duże zastosowanie na świecie, a także w Polsce. Spowodowane jest to wieloma zaletami jakimi charakteryzują się te konstrukcje. Pozwalają na stosowanie dużych rozpiętości dla stropów, mostów - zmniejszają ciężar konstrukcji bez zmniejszenia jej nośności. Wykonywanie elementów sprężonych wymaga od wykonawców dużej precyzji i sprawności. Do zmniejszenia kosztów oraz usprawnienia wykonawstwa powstał pomysł zastosowanie betonu zbrojonego strukturalnie włóknami stalowymi, całkowicie eliminując zbrojenie miękkie. Na przykładzie analizy 200-metrowej wieży pod turbinę wiatrową zostaną pokazane stosowania takiego materiału do konstrukcji mocno wytężonych. Wysokie konstrukcje narażone są na niebezpieczne oddziaływania dynamiczne. Wykorzystanie betonu do ich budowy daje większą odporność na takie oddziaływania, wynika to przede wszystkim z większego ciężaru właściwego betonu. Dodatkowo przy wykonywaniu konstrukcji w technologii na mokro mamy możliwość zastosowania większej średnicy trzonu bez ograniczeń. Natomiast dla elementów stalowych czy betonowych prefabrykowanych mamy ograniczenia z uwagi na transport elementów, maksymalna średnica to 4,5m
1
Doktorantka Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej
2. Charakterystyki fibrobetonu
Beton ze zbrojeniem strukturalnym charakteryzuje się podwyższonymi właściwościami mechanicznymi w porównaniu z betonem zwykłym. Włókna zastępujące zbrojenie powodują zmniejszenie koncentracji naprężeń, dzięki czemu oprócz podwyższonych wytrzymałości na rozciąganie i ścinanie fibrobeton cechuje się podniesioną odpornością na powstawanie rys, pękanie oraz podwyższona odpornością zmęczeniową i udarnością. Orientacyjny wpływ włókien na wytrzymałość i sprężystość betonu przestawia tablica 1 [2] .
Tab. 1 Orientacyjny wpływ włókien na wytrzymałość i sprężystość betonu [2]
Właściwość Wpływ
skurcz ↓ 30 do 50%
wytrzymałość na ściskanie ↑ 10 do 30% wytrzymałość na rozciąganie ↑ 20 do 40% wytrzymałość na zginanie ↑ 30 do 70% wytrzymałość na miejscowy docisk ↑ 10 do 30%
moduł sprężystości praktycznie bez zmian
udarność ↑ 6-10 razy
ścieralność ↓do 50%
mrozoodporność ↑ 30 do 60%
Fibrobeton ma zdolność do przenoszenia obciążeń po zarysowaniu elementu, którą określa się za pomocą krzywej „siła -ugięcie” rysunek 1. Powierzchnia pod wykresem interpretowana jest jako energia potrzebna do zniszczenia.
Rys. 1 Krzywa „siła – ugięcie” dla a) betonu b)fibrobetonu [2]
Efektywność włókien zależy przede wszystkim od ich ilości, kształtu, wymiarów oraz od przyczepności do betonu. Na rysunku 2 przedstawiony jest wpływ włókien na wytrzymałość na
zginanie w zależności od rodzaju i ilości włókien.
Rys.2 Wpływ zawartości i kształtu włókien stalowych na wytrzymałość betonu na rozciąganie przy zginaniu [3]
Jak widać z wykresu wpływ zbrojenia przy zawartości Vf < 0,5% – jest nieznaczny. Około 1% obserwujemy już znaczne polepszenie się właściwości betonu. Stosując włókna haczykowate otrzymujemy lepszą przyczepność stali do matrycy, jego efektywność jest znacznie większa.
Dane na temat odporności zmęczeniowej fibrobetonu na ściskanie wskazują na znikomy wpływ włókien. W przypadku rozciągania bezpośredniego betonu stwierdzono wytrzymałość zmęczeniową wynoszącą 65-70 % doraźnej wytrzymałości na rozciąganie ( dla betonu zwykłego wynosi ona około 50%) . V. Ramakrihnan wykazał, że przy cyklicznym obciążeniu zginającym do 2*106 cykli wytrzymałość zmęczeniowa wzrasta do około 90-95% doraźnej wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu. Co wskazuje na zasadność zastosowania fibrobetonu do konstrukcji obciążonych cyklicznie. W tabeli 2 zestawione są klasy wytrzymałości fibrobetonu wg RILEM TC162-TDF.
Tab. 2 Klasy wytrzymałości fibrobetonu wg RILEM TC162-TDF [7]
Klasy wytrzymałości fibrobetonu C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/60 ffck 20 25 30 35 40 45 50 ffctm 3.7 4.3 4.8 5.3 5.8 6.3 6.8 ffctk 2.6 3 3.4 3.7 4.1 4.4 4.8 Efcm 29 30.5 32 33.5 35 36 37
3. Przykłady konstrukcji bez zbrojenia miękkiego
Wśród polskich konstruktorów głównie panuje opinia, że stosowanie betonu bez zbrojenia miękkiego nie jest poprawne i bezpieczne, ponieważ beton może się nadmiernie rysować. Jednakże,
od kilku lat w Polce powszechnie stosowane są płyty strunobetonowe, które nie posiadają stali zwykłej. Sięgają one rozpiętości do 21m, jako elementy konstrukcyjne sprawdzają się bardzo dobrze, są lekkie i wytrzymałe.
W Europie rzadko spotkamy przykłady zastosowania fibrobetonu bez zbrojenia miękkiego do elementów konstrukcyjnych mocno obciążonych, jednak można już znaleźć przykłady takich konstrukcji. Ultra wysokiej wytrzymałości fibrobeton został zastosowany do sprężonego mostu w Bourge-les-Valence we Francji. Most ma rozpiętość 22 m skonstruowany z belek typu TT, szerokość elementu to 220mm a wysokość 900mm. Belki mostu zbrojone są wyłącznie kablami sprężającymi oraz włóknami stalowymi o zawartości 40kg/m3(ok. 0,5%),. Na rysunkach 3 i 4 pokazane są zdjęcia z budowy mostu.
Rys. 3 i 4. Wiadukt Bourge-les-Valence we Francji podczas wznoszenia [4]
4. Obciążenia działające na wieże
Głównym obciążeniem działającym na wieże to wiatr, jego oddziaływanie zostało przyjęte według PN-EN –1991-1-4 dla najniekorzystniejszej strefy wiatrowej 2.
Wiatr również oddziałuje na gondolę oraz wirnik z łopatami, to obciążenie zostało przyjęte według PN-IEC 61400-1/2, są to 2 siły statyczne:
wypadkowa charakterystyczna siła generowana wiatrem na łopatę o wartości 401,4kN, wypadkowa charakterystyczna siła generowana wiatrem na gondole o wartości 77,85kN.
Siły zostały przyłożone do wierzchołka wieży, zgodnie z kierunkiem oddziaływania wiatru. Istotnym obciążaniem jest ciężar własny, nie tylko samej konstrukcji ale również wyposażenia i turbiny. Ciężar turbiny wiatrowej przyjęto według danych firmy ENERCON dla E126/7580kW. Waga gondoli to 220 ton, a piasty wraz z łopatami 360 ton, natomiast wyposażenie to: drabina wewnętrzna z systemem asekuracyjnym, od góry fundamentu po szczyt wieży 0,15kN/m; galerie pomostowe na wysokościach 100m,150m oraz 198m - 1,18kN/m2; dźwig towarowo osobowy, GLP 1000 – 27kN.
5. Analiza wieży sprężonej z fibrobetonu o wysokości 200m
Przeprowadzono analizę koncepcyjną 200 - metrowej wieży pod turbozespół wiatrowy. Do obliczeń przyjęto beton C50/60 oraz zawartość włókien stalowych Vf=1,5. Wieża została zamodelowana w programie RFEM, jako powłoka o stałej grubości i 30cm ze zmienną średnicą od 7m w podstawie do 4m u szczytu. Materiał użyty w modelu to normowy beton C50/60, . Uwzględnione zostały 2 sytuacje SGU: a) montażowa (ciężar wieży + wiatr działający na wieże) oraz b) eksploatacyjna ( ciężar wieży + ciężar wyposażenia + turbina wiatrowa + wiatr działający na wiatr i turbinę).
Rys. 5 Naprężenia na dolnym fragmencie wieży w sytuacji montażowej
Na rysunku 5 i 6 przedstawiono naprężenia pionowe u podstawy wieży wywołane obciążeniami zewnętrznymi w sytuacji montażowej (rys.3) oraz w sytuacji użytkowej (rys.4). Znak „-” oznacza ściskanie. Aby ograniczyć rozciągania betonu do wieży wprowadzono 28 kabli sprężających złożonych z 7 splotów 7Φ5 każdy. Rysunek 7 przedstawia rozmieszczenie zakotwień kabli u podstawy wieży.
Rys. 6 Naprężenie na dolnym fragmencie wieży w sytuacji eksploatacyjnej
Na rysunkach 8 i 9 pokazano mapy naprężeń z uwzględnieniem sprężenia. Udało się zredukować rozciągania w sytuacji montażowej całkowicie natomiast w sytuacji użytkowej do 3,3MPa. Największe wychylenie górnego punktu wieży w sytuacji eksploatacyjnej od pionu wyniosło 201,5cm. Jest to mniej niż 1/100 wysokości wspornika.
Rys.8 Naprężenia na dolnym fragmencie wieży w sytuacji montażowej po sprężeniu
6. Koncepcja wykonania wieży
Rys. 10 Schemat wykonania montażu kabli w fundamencie
Budowa takich obiektów nie należy do łatwych realizacji, dlatego zaproponowano wykonanie wieży zbieżnym systemem deskowań ślizgowych. Polega ona na wznoszeniu konstrukcji w jednym procesie technologicznym, pręty ślizgowe dokładane są podczas podnoszenia się szalunków natomiast grubość i średnica ściany redukowane są za pomocą skrzynek. Prędkość wznoszenia Rys. 9 Naprężenie na dolnym fragmencie wieży w sytuacji eksploatacyjnej po sprężeniu
wynosi 3-8m na dobę. Kolejnym etapem jest wprowadzenie kabli sprężających, przewiduje się, że pręty ślizgowe będą prowadzone w kanałach, tak aby można je było wyciągnąć po zakończeniu wznoszenia konstrukcji. Podczas ich wyciągania ma równocześnie nastąpić wciąganie kabli sprężających. W fundamencie o średnicy 30m przewiduje się wykonanie komory we wnętrzu wieży o średnicy 6,7m. Pod każdą parą kabli zostanie wykonana bruzda o wymiarach 62x40cm w celu wprowadzenia kabla oraz umieszczenia zakotwienia 1,1m pod wieżą. Przez bruzdy wciągane będą kable do samego szczytu wieży. Na rys. 10 przedstawiony jest schemat wykonania komory oraz bruzd.
Po wprowadzeniu kabli następuje zazbrojenie i zabetonowanie pozostałej części fundamentu. Po stwardnieniu betonu wykonywany będzie naciąg jednostronny od góry, a następnie iniekcja zaczynem cementowym kanałów.
7. Podsumowanie
Połączenie fibrobetonu oraz sprężenia daje wiele korzyści. Po pierwsze pozwala wyeliminować zbrojenie miękkie, które utrudnia wykonie elementów sprężonych. Po drugie fibrobeton to materiał o znacznie lepszych właściwościach mechanicznych w stosunku do zwykłego betonu. Dzięki dodaniu włókien do mieszaki betonowej otrzymujemy większą wytrzymałość na rozciąganie, a także również zdolność do przenoszenia obciążeń po zarysowaniu. Analizowana konstrukcja narażona przede wszystkim jest na działanie dynamiczne oraz zmęczeniowe, dzięki zastosowaniu fibrobetonu wieża staje się odporniejsza na takie oddziaływania. Sprężenie zostało wprowadzone, aby zwiększyć sztywność konstrukcji oraz ograniczyć rozciągania. W przyjętym rozwiązaniu wieży największe naprężenia rozciągające w sytuacji montażowej bez sprężenia wyniosły 0,7MPa a w sytuacji użytkowej po sprężeniu 4,8MPa. Zakładając wg RILEM TC162-TDF wytrzymałość fibrobetonu na rozciąganie ff1=6,8MPa łatwo zauważyć, iż:
konstrukcja wieży może zostać wzniesiona do pełnej wysokości wynoszącej 200m bez etapowego sprężenia i bez ryzyka zarysowania,
po sprężeniu konstrukcja pracować będzie jako niezarysowana
W artykule przedstawiono przykłady konstrukcji wykonanych bez zbrojenia miękkiego, co udowadnia możliwość stosowania betonu tylko ze zbrojeniem strukturalnym i sprężającym. Jednak mało mamy jeszcze doświadczenia w tej dziedzinie budownictwa, dlatego należy przyjrzeć się temu problemowi poprzez analizę oraz badania elementów sprężonych z fibrobetonu.
Literatura
[1] Project UpWind :Design limits and solutions for very large wind turbines; A 20 MW turbine is feasible, March 2011
[2] T. Zych : Współczesny fibrobeton - możliwość kształtowania elementów konstrukcyjnych i form architektonicznych, Czasopismo techniczne, Kraków 2010
[3] M.A. Glinicki: Beton ze zbrojeniem strukturalnym, XXV Ogólnopolskie warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 2010
[4] J. Walraven: Innovative materials and technologies for concrete structures, Deft
[5] J.Krakowska, A. Łapko : Przydatność stosowania nowoczesnych kompozytów firbrobetonowych w konstrukcjach budowlanych, Budownictwo i Inżynieria środowiska, Białystok [6] M.A. Glinicki: Wytrzymałość równoważna fibrobetonu na zginanie, Inżynier Budownictwa, Styczeń 2008
[7] RILEM TC162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete. „Materials and Structures”. 36, 2003, 560-567.
[8] SKN SEP: Generatory stosowane w elektrowniach wiatrowych
[9] PN-EN 1992-1-1 -Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków
[10] PN-EN 1991-1-4 - Oddziaływanie na konstrukcje. Część 4: Oddziaływania ogólne - Oddziaływania wiatru
[11] M. Miska: Projekt prefabrykowanej wieży betonowej turbozespołu wiatrowego wraz z fundamentem, praca magisterska, Kraków 2010
USING THE POST TENSIONED FIBRES REINFORCED BOUNDED TENDON