Rury betonowe – przykłady różnych zastosowań
CONCRETE PIPES – EXAMPLES OF DIFFERENT APPLICATIONS
Streszczenie
W pracy przedstawiono przykłady i możliwości zastosowań prefabrykowanych betono- wych rur żelbetowych i sprężonych produkowanych w kraju. Na podstawie przeprowa- dzonych badań przeanalizowano zakres możliwości zastosowań tych elementów również poza rozwiązania przewidziane w projekcie.
Abstract
In the paper the examples of various applications of reinforced and prestressed pipes produced in country are presented.
Basing on the experiments performed a range of posibilities of applications of those elements including also the solutions not involved in the project.
Andrzej Kmita
dr inż. Andrzej Kmita – Politechnika Wrocławska, Instytut Budownictwa
Rury betonowe – przykłady różnych zastosowań
Rury betonowe – przykłady różnych zastosowań
1. Wprowadzenie
Rury będące przedmiotem niniejszego referatu, ze względu na ich technologię wykona- nia oraz przeznaczenie projektowe zgodnie z aktualnymi normami i przepisami [1-7], można podzielić na dwie grupy. Pierwsza to rury betonowe dwukierunkowo sprężone, przeznaczone na kolektory ciśnieniowe głównie magistrali wodnych. Grupa druga to rury żelbetowe, przystosowane do realizacji kolektorów w technice mikrotunelingu.
Możliwość rozszerzenia zastosowania tych rur poza rozwiązania projektowe wyma- gało przeprowadzenia studiów i badań [9-16]. Jest to przedmiotem niniejszej pracy.
2. Charakterystyka techniczna rur
Betonowe dwukierunkowo sprężone rury typu Betras [8] zostały zaprojektowane jako elementy kolektorów ciśnieniowych w trzech klasach ciśnień 0,5; 1,0 i 1,5 MPa.
Minimalna klasa betonu przewidziana w projekcie wynosi 40 MPa. Zbrojenie w formie spirali wykonane jest ze stali gładkiej o średnicy od 4 do 8 mm, przy czym zarówno skok uzwojenia, jak i średnica rury związane są zakładaną klasą rury. Sprężenie podłużne to stal nagwintowana. Oba rodzaje zbrojenia wykonane są oczywiście ze stali do konstrukcji sprężonych. Konstrukcję rury przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Konstrukcja sprężonej rury Betras
Andrzej Kmita Rury betonowe – przykłady różnych zastosowań Druga grupa elementów omawianych w niniejszej pracy to rury żelbetowe przystoso-
wane do realizacji techniką mikrotunelingu. Jak wiadomo zaletą tej metody jest możliwość układania kolektorów o dużych średnicach, bez konieczności wykonywania wykopów.
Rury są układane w gruncie bezpośrednio na żądanej głębokości, bez ingerencji w istniejącą infrastrukturę (fot. 2) podziemną. Z tego powodu znajdują one zastosowanie na terenach zurbanizowanych. Rury te wykonywane są w asortymencie średnic wewnętrznych od 600 do 3000 mm. Grubość ścianki oraz zbrojenie są zależne od klasy produkowanych ele- mentów. Najczęściej stosowane klasy to od 60÷120. Przez klasę rozumie się tu obciążenie liniowo rozłożone w [kN/m] wzdłuż tworzącej się rury (zgodnie ze schematem badań wytrzymałości na zgniatanie według odpowiedniej normy [1, 3]), przy którym nie zostaje przekroczona dopuszczalna rozwartość rysy wmax.
Fot. 2. Rura żelbetowa przystosowana do techniki mikrotunelingu w trakcie montażu
Przykładowe rozwiązanie konstrukcyjne rury przedstawiono na rys. 3.
Na rysunku tym przedstawiono również rozwiązanie w obszarze styku dwóch rur.
Minimalna klasa betonu stosowana w tych elementach wynosi B50, zbrojenie w formie spirali zewnętrznej i wewnętrznej, to stal St3-b-500. Zbrojenie to jest najczęściej zgrzewane ze zbrojeniem podłużnym tego samego gatunku.
Andrzej Kmita Rury betonowe – przykłady różnych zastosowań a) Przekrój podłużny
b) Przekrój poprzeczny
Rys. 3. Przekrój podłużny a) i poprzeczny b) żelbetowej rury przystosowanej do techniki mikrotunelingu DN 900
3. Badania rur
Ze względu na możliwość wszechstronnego zastosowania rur sprężonych przeprowa- dzono badania w następującym zakresie:
– badania przydatności rur do budowy kolektorów odprowadzających wody agresyw- – badania wytrzymałościowe w zakresie możliwości stosowania ich w kolektorach ne,
bezciśnieniowych,
– badania możliwości wykonania otworów w istniejącym kolektorze dla wprowadzenia instalacji o mniejszej średnicy (φmax 300 mm),
– odporność na lokalne naciski (obciążenie odnośnie rur żelbetowych, badania labora- toryjne przeprowadzono w zakresie:
Andrzej Kmita Rury betonowe – przykłady różnych zastosowań – wytrzymałości na zgniatania,
– oceny sztywności pierścieniowej, – rysoodporności,
– współpracy stalowego kołnierza z betonową częścią rury.
W zakresie nośności na ściskanie i lokalnego docisku przeprowadzono analizę nu- meryczną zagadnienia.
Badania doświadczalne zostały przeprowadzone w Laboratorium Instytutu Budow- nictwa Politechniki Wrocławskiej [9-16].
4. Przykłady i możliwości zastosowań
Odnośnie rur sprężonych jednym z przykładów ich zastosowania są kolektory bezci- śnieniowe. Zgodnie z obowiązującymi przepisami przeprowadzono badania tych rur na zgniatanie (fot. 4. ). Jako kryterium przyjęto maksymalną wartość rozwartości rys 0,2 mm. W tabeli przedstawiono wyniki badań.
Tabela 1. Parametry wytrzymałościowe rur sprężonych Typ
rury [MPa]
ftm=
[MPa] Pe-0,2
[kN/m] Pn
[kN/m]
600 III 63,4 2,72 143 264
1000 III 73,0 2,83 118 273
1600 III 54,0 2,58 142 338
– średnia wytrzymałość betonu na ściskanie, ftm – średnia wytrzymałość betonu na rozciąganie,
Pcr-02 – obciążenie, przy którym rysy osiągają rozwartość 0,2 mm, Pn – obciążenie niszczące
Fot. 4. Sprężona rura DN 800 na stanowisku badawczym
Andrzej Kmita Rury betonowe – przykłady różnych zastosowań Innym ciekawym przykładem zastosowań tych rur o średnicy DN = 1600 mm są przepompownie. Na rys. 5 pokazano układ instalacji przepompowni rozmieszczonej we- wnątrz sprężonej rury. Jednym z najciekawszych zastosowań rur sprężonych to kolektory realizowane nie w gruncie, ale na zewnątrz.
Rys. 5. Przepompownia na ba- zie rury sprężonej DN1600
Andrzej Kmita Rury betonowe – przykłady różnych zastosowań Na fot. 6. przedstawiono podwójny kolektor z rur sprężonych DN 800 podpartych na
dwóch podporach. Transportowane medium charakteryzuje się bardzo wysokim stężeniem chlorków, a dodatkowo przez kolektor tłoczone są drobne frakcje łamanego kruszywa, które powodują ścieranie betonowej otuliny w obszarze koryta. Rury te pracują około dwudziestu lat na terenie Zagłębia Miedziowego koło Rudnej.
Fot. 6. Podwójny kolektor z rur sprężonych koło Rudnej, Zagłębie Lubińsko-Głogowskie Ciekawym przykładem zastosowania rur sprężonych jest budowa elektrowni wodnej w Drangadal w Norwegii fot. 7 i 8. Zgodnie z uzyskanymi informacjami od producenta rur zostały one wykorzystane do realizacji dwóch równorzędnych zadań:
1) przechwycenie potoków górskich i zamknięcie ich w kolektor tłoczny wody o długości 1 650 mb,
2) spuszczanie wody kolektorem z istniejącej zapory położonej kilkaset metrów powyżej miejsca, gdzie miała powstać elektrownia, długość kolektora 1 500 mb.
Ze względu na skaliste podłoże i duże spadki (lokalna różnica poziomów około 130 m) podstawowym wymaganiem było dostarczenie rur ciśnieniowych odpornych na uszkodzenia mechaniczne o dużej sztywności poprzecznej i odporności na ściskanie, które przeniosą, występujące przy ujściu kolektorów, ciśnienia robocze.
Projektowana elektrownia ma zaopatrywać w wodę gminę Drangadal.
Do realizacji zadania przewidziano rury ciśnieniowe BETRAS o średnicy DN 1000 mm.
Ciśnienie robocze zgodnie z danymi projektowymi wynosiło na odpowiednich odcinkach 20, 16 i 12 bar.
Trasa rurociągu realizowana była zgodnie z projektem, metodą minerską. Wyznaczona trasa przygotowywana była poprzez częściowe wysadzanie skał, które następnie były skruszone do granulacji 0÷200 mm, a otrzymany w ten sposób urobek wykorzystano jako podłoże pod rury. Niektóre odcinki trasy wymagały uzgodnień i akceptacji z Norweskim Ministerstwem Ochrony Środowiska. Inwestycję zakończono wiosną 2004 roku.
Andrzej Kmita Rury betonowe – przykłady różnych zastosowań
Jeżeli chodzi o rury żelbetowe przystosowane do mikrotunelingu ( rys. 3) to poza zakresem przewidzianym w projekcie można je stosować do wszelkiego rodzaju prze- pustów. Nośność tych rur, przy jednoczesnym zapewnieniu granicznej rozwartości rys, pozwala na przenoszenie bardzo dużych obciążeń.
Zgodnie z rys. 3 rury te jako rury o stałej średnicy zewnętrznej mogą być zastosowane przy realizacji obiektów komunikacyjnych. Przede wszystkim widzi się tu możliwość zastosowania jako elementy zewnętrzne słupów estakad. Stanowić mogą samonośny element przenoszący obciążenia w fazie realizacji oczepów podpór oraz w szczególnych przypadkach obciążenia elementów przęseł. Korzyści wynikające z tego rozwiązania to skrócenie czasu realizacji budowy, co daje duże korzyści ekonomiczne i zapewnia większą trwałość na oddziaływanie środowiska.
Przy typowym wykorzystaniu rur żelbetowych przystosowanych do mikrotunelingu bardzo duży nacisk kładzie się na możliwość realizacji jak najdłuższych odcinków z jednej studni do drugiej. Wymaga to od projektantów rur stosowania materiałów o podwyż- szonych parametrach wytrzymałościowych. Na rys. 9. przedstawiono wyniki analizy nośności elementu jako funkcji wytrzymałości betonu na ściskanie.
Fot. 7. Kolektor w Drangadal – zejście ze
zbocza góry Fot. 8. Kolektor w Drangadal – przejście przez
siodło
Andrzej Kmita Rury betonowe – przykłady różnych zastosowań
Rys. 9. Zmiana nośności rury NRd jako funkcja wytrzymałości betonu:
NRd(ea) – obciążenie osiowe,
NRd(r) – obciążenie na granicy rdzenia przekroju rury
5. Podsumowanie
Jak widać z przedstawionych przykładów oraz analizy możliwości stosowania rur be- tonowych, żelbetowych i sprężonych, elementy te mogą być wykorzystywane w wielu przypadkach nieprzewidzianych projektem.
Podstawowym warunkiem, aby produkowane w kraju elementy rurowe mogły mieć tak wielokierunkowe wykorzystanie, jest ich jakość. Jeżeli elementy te zostaną zaprojek- towane zgodnie z odpowiednimi normami [1-7] oraz poddane wymaganym badaniom kontrolnym, to ich wysoka jakość będzie po prostu wynikiem końcowym całego procesu realizacji.
Odrębnym zagadnieniem związanym z realizacją rur betonowych są dynamicznie rozwijające się technologie realizacji kolektorów oraz wprowadzane na rynek betony o coraz wyższych parametrach wytrzymałościowych i odporności na wszelkiego rodzaju agresywne środowiska. Stosowanie takich rozwiązań wymaga prowadzenia, ciągłych badań zarówno w zakresie parametrów wytrzymałościowych, jak i trwałości stosowanych elementów. Wyniki tych badań mogą być podstawą do wytycznych projektowania rur z nowej generacji materiałów.
Literatura
[1] PN-EN-1916:2005. Rury i kształtki z betonu niezbrojonego, betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe.
[2] Pr EN 1916. Concrete pipes and fittngs unreinforced steel fibre and reinforced. 1999 CEN.
[3] PN-EN 639. Ogólne wymagania dotyczące betonowych rur ciśnieniowych oraz złączy i kształtek.
PKN, 1999.
[4] PN-EN 640. Rury ciśnieniowe żelbetowe i rury ciśnieniowe żelbetowe ze zbrojeniem równomiernie rozłożonym (bez płaszcza stalowego) oraz złączki i kształtki, PKN, 1999.
[5] PN-EN 641. Rury ciśnieniowe żelbetowe z płaszczem blaszanym oraz złącza i kształtki. PKN, 2000.
[6] PN-EN 642. Rury ciśnieniowe z betonu sprężonego z płaszczem lub bez płaszcza blaszanego łącznie ze złączami i kształtkami oraz specjalne wymagania dotyczące stali sprężającej. PKN, 2000.
[7] ATV-A 161 E. Structural Caluculation of Driven Pipes. GFA, 1990.
[8] Rury Betras projekt zunifikowany 1987.
[9] Kmita A., Pędziwiatr J.: Badanie betonowych rur sprężonych. Inżynieria i Budownictwo 1/96.
Andrzej Kmita Rury betonowe – przykłady różnych zastosowań
[10] Kmita A.: Ocena siły sprężającej w betonowych rurach typu Betras. XVI Sympozjum doświadczalnych badań w mechanice ciała stałego. Warszawa 1994.
[11] Kmita, A., Wróblewski, R.: 1996. Stiffness of reinforced concrete pipes of circular section under load along meridian. Proceedings of II International Scientific Conference ‘Analytical Models and New Concepts in Mechanics of Concrete Structures’, Łódź, pp. 287-292.
[12] Kmita, A., Wróblewski, R.: 1998. Experimental verification of plane stress concrete FE models – Beams and shells. Proceedings of the Euro-C 1998 conference on computational modelling of concrete struc- tures. A.A. Balkema. Rotterdam/Brookfield. vol. 2, pp. 79-985.
[13] Kmita, A., Wróblewski, R.: 1998. Numerical and experimental analysis of high performance concrete shells used in pipes. Proceedings of the International Colloquium on Lightweight Structures in Civil Engineering. Warsaw, pp. 290-293.
[14] Kmita A., Wróblewski R., Styś D.: Prefabrykowane rury żelbetowe stosowane do mikrotunelingu.
Diagnostyka, utrzymanie, remonty, modernizacje oraz budowa obiektów budowlanych na terenie Lubińskiego Zagłębia Miedziowego. Wrocław 2001.
[15] Kmita A.: Badanie współpracy kolektorowej rury betonowej ze stalowym kołnierzem. Konstrukcje zespolone, VI Konferencja naukowa. Zielona Góra 2002.
[16] Kmita A.: Problemy projektowania rur i kształtek betonowych w świetle obowiązujących norm i prze- pisów budowlanych. Infrastruktura podziemna miast. Wrocław 2005.
