Seria: B U D O W N ICTW O z. 104 N r kol. 1695
Szymon K A ŹM IERCZAK*
Politechnika K rakow ska
ZBIORNIKI PREFABRYKOWANE SPRĘŻONE CIĘGNAMI BEZPRZYCZEPNOŚCIOWYMI
Streszczenie. Referat przedstaw ia w ybrane problem y projektow ania i realizacji nowoczesnych zbiorników prefabrykow anych sprężonych cięgnam i bezprzyczepnościow ym i.
Przeanalizowano w pływ nieciągłości zbrojenia obw odow ego oraz realizacji przesuwnego połączenia na dolnej kraw ędzi pow łoki na stan naprężenia w pionow ych złączach elem entów prefabrykowanych.
PRECAST TANKS PRESTRESSED WITH UNBONDED TENDONS
Summary. In the paper selected problem s dealing w ith design and technology o f the new type o f precast concrete tanks prestressed w ith unbonded tendons are presented. T he influence of the horizontal reinforcem ent discontinuity and execution o f the sliding connection at the bottom edge o f the tank shell on the vertical jo in ts stress state w as analysed.
1. Wprowadzenie
W ypełnienie zobow iązań przyjętych w T raktacie A kcesyjnym Polski do Unii Europejskiej, ratyfikow anym przez Polskę 23 lipca 2003 r., który w części dotyczącej wyposażenia aglom eracji w system y kanalizacji zbiorczej i oczyszczalnie ścieków odw ołuje się do dyrektyw y 91/271/EW G , w ym agać będzie w horyzoncie czasow ym do 2015 r.
budowy, rozbudow y i/lub m odernizacji oczyszczalni ścieków kom unalnych i system ów kanalizacji zbiorczej [1]. Inw estycje te zostały przew idziane do realizacji głów nie w latach 2003-05 oraz 2 0 0 6 -1 0 (tabl. 1). Etap realizacji konstrukcji budow lanej je s t jedynie fragmentem całego procesu budow lanego. W zw iązku z ograniczeniam i czasowym i, jakie zostały postaw ione przed w ykonaw cam i, należy zastanow ić się nad rozw iązaniam i technologicznymi, które znacznie skróciłyby etap w znoszenia konstrukcji, a ściślej etap
* Opiekun naukow y: D r hab. inż. A ndrzej Seruga
budow y zbiorników dla oczyszczalni ścieków. Jednym z rozw iązań je s t zastosowanie technologii prefabrykacji oraz sprężania przy budow ie zbiorników z betonu.
Tablica 1 Program w yposażenia aglom eracji w oczyszczalnie ścieków w dostosowaniu do wymogów
ustaw y z dnia 18 lipca 200 lr. - Prawo w odne i Traktatu A kcesyjnego [1]
Okres realizacji Programu
G rupa w ielkości aglomeracji
(RLM *)
Liczba aglomeracji
objętych Programem w
zakresie modernizacji,
rozbudowy i budowy oczyszczalni
Liczba oczyszczalni do realizacji
Nakłady finanso
we [min zl]
Ogółem M oderni
zacja
Rozbu
dowa
R ozbudow a + m odernizacja Budowa
Modernizacja gospodarki odpadowej
2 0 0 3 - 2005
> 100 tys. 43 65 58 - 3 4 2205
1 5 - 1 0 0
tys. 198 205 178 3 16 8 2017
2 - 15 tys. 168 172 19 52 45 56 812
Razem 409 442 255 55 64 68 5034
2 0 0 6 - 2010
> 1 0 0 tys. 21 32 11 - 18 3 2585
1 5 - 1 0 0
tys. 99 99 4 19 39 24 13 867
2 - 15 tys. 133 170 4 38 26 74 28 590
Razem 253 301 19 57 83 101 41 4042
2011 - 2013
> 100 tys.
1 5 - 1 0 0 tys.
2 - 1 5 tys. 28 30 1 18 3 8 - 60
2 0 1 4 - 2015
> 100 tys.
1 5 - 1 0 0 tys.
2 - 1 5 tys. 378 390 53 153 102 82 2156
* R L M - rów now ażna liczba m ieszkańców (1 RLM oznacza ładunek organiczny ulegający rozkładow i biologicznem u w yrażony pięciodniow ym biochem icznym zapotrzebowaniem na tlen (B Z T 5), w ilości 60 g tlenu na dzień.
2. Charakterystyka konstrukcji
P odstaw ow ym elem entem konstrukcyjnym pow łoki w alcow ej je s t prefabrykat o określonym profilu poprzecznym , szerokości 2,36 m. G rubość elem entu m oże w ynosić 0,16, 0,18 i 0,20 m. W ysokość elem entu m oże dochodzić do kilkunastu metrów. Średnica zbiornika do około 60 m. N a zew nętrznej pow ierzchni elem entu w zdłuż obu kraw ędzi bocznych w yprofilow ane je s t pionow e żeberko, w w yniku czego grubość prefabrykatu w obrębie styku je s t w iększa o 0,06 m (ry s.l). W pionow ym styku konstrukcyjnym nie przewiduje się zbrojenia zw ykłego. Pojedyncze cięgna sprężające typu 7 <|> 5 m m kotw ione s ą w jednym lub dw óch pilastrach. Prefabrykow ane elem enty ustaw iane s ą na w ielow arstw ow ych podkładkach
z teflonu, um ożliw iających przesunięcie elem entu oraz stalow ym klinie usytuow anym w osi elementu. N a jednej pow ierzchni bocznej prefabrykatu, w zdłuż obu kraw ędzi, przyklejone są uszczelki neoprenowe.
W przypadku zbiorników nieobsypanych [3], aby spełnić kryteria naprężeniow e w powłoce należy zastosow ać przesuw ne (p = 0,2) połączenie ściany z dnem na etapie sprężania oraz przegubowe w stadium eksploatacji, przy naciągu w kolejności co drugie cięgno od dolnej krawędzi pow łoki. W przypadku obsypania zbiornika gruntem alternatyw nym rozwiązaniem je s t sztyw ne połączenie pow łoki z p ły tą den n ą w stadium eksploatacji.
Technologia realizacji połączenia przesuwnego na etapie sprężania w ym aga, aby cała płyta denna bądź obw odow e pasm o szerokości 0,5 - 1,0 m, było w ykonyw ane po sprężeniu powłoki. D okładny opis konstrukcji oraz technologii realizacji zbiornika zam ieszczono w pracy [4],
Rys.l. Przekrój przez pionowe złącze elementów prefabrykowanych Fig.l. Cross section through vertical joint o f precast elements
3. Wpływ obciążenia temperaturą na wartość projektowanej siły sprężającej
Liczba obw odów cięgien sprężających w ynika z w arunku elim inacji obw odow ych naprężeń rozciągających pow iększonych o tzw. rezerw ę trw ałych naprężeń ściskających i je st ftinkcją założonego schem atu statycznego pow łoki (warunków brzegow ych), param etrów materiałowych oraz działających obciążeń.
AL... jV,
gdzie:
N ^ w - obw odow a siła rozciągająca od parcia hydrostatycznego cieczy,
a j - naprężenia w yw ołane różnicą tem peratur na wew nętrznej i zew nętrznej powierzchni pow łoki w odniesieniu do tem peratury scalenia zbiornika,
Npd - osiow a siła podłużna od sprężenia, N pd = Pk>sup lub Pk,inf w SGU.
W dotychczasow ej praktyce inżynierskiej bardzo często przy projektowaniu siły sprężającej traktow ano obciążenie tem peraturą ja k o drugorzędne. Jak w ykazały liczne prace [3,6,7], projektow anie sprężenia zbiornika jedynie dla przeniesienia obciążenia od parcia hydrostatycznego cieczy i zakładanie, iż w prow adzenie trw ałych naprężeń ściskających rzędu 1,0 - 2,0 M Pa je s t w ystarczające do przeniesienia naprężeń rozciągających wywołanych obciążeniem te m p e r a tu rą -je s t błędem.
Przykład
Zbiornik o prom ieniu w ew nętrznym R w = 13,175 m, grubości pow łoki h = 0,18 m i w ysokości pow łoki H = 6,8 m, w ykonany z betonu klasy B45 o m odule sprężystości Ecm = 34 G Pa, w spółczynniku Poissona v = 0,2 i w spółczynniku rozszerzalności term icznej a T = 1 * 10"5 1/°C. W przypadku zbiornika na ścieki m ożem y spodziew ać się tem peratury medium w ew nątrz zbiornika rzędu t* = + 40°C. Rozpatrzm y okres zim y o tem peraturze powietrza zew nętrznego te = - 24°C. Rozpatruje się dw a w arianty pow łoki przegubowo połączonej z dnem: zbiornik nieocieplony (w ariant A ; 9; = +38,09°C , 9 e = -1,12°C ) i ocieplony warstwą w ełny m ineralnej grubości 50 mm (w ariant B ; 9i = +39,7 °C , 9 e = +33,59 °C).
W przypadku zbiornika nieocieplonego (w ariant A) poziom naprężeń rozciągających na zew nętrznej pow ierzchni pow łoki zarówno w kierunku południkow ym , jak i rów noleżnikow ym znacznie przekracza poziom naprężeń rysujących:
- kierunek południkow y fctm = 3,2 M P a < 9,65 M P a (x = 2,4 m),
- kierunek rów noleżnikow y fct + a łjP = 0,7 M Pa + 2,0 M Pa < 11,37 M Pa (x = 6,8 m).
W przypadku zbiornika ocieplonego w arstw ą w ełny m ineralnej o grubości 5 cm (wariant B) naprężenia te w ynoszą odpowiednio:
- kierunek południkow y fctm = 3,2 M P a < 5,83 M P a ( na w ysokości x = 1,0 m), - kierunek rów noleżnikow y fct + aą,p = 0,7 M P a + 2,0 M Pa > 2,09 M Pa (x = 2,5 m).
D opiero w przypadku w ariantu B naprężenia rozciągające w kierunku równoleżnikowym nie spow odują zarysow ania pionow ych styków konstrukcyjnych przy założeniu rezerwy
naprężeń ściskających od sprężenia rzędu a^jP = 2,0 M P a i w ytrzym ałości styku na rozciąganie równej fct = 0,7 M P a (założenie zalecane przez tw órców opisyw anej technologii).
— d— FhprężeniapcłuiTikcMe (zginanie) -wariant A
l^rężmarówdeżnikMe
(zgjnanie) - wariart A bhprężenia równoleżnikcwe (siła osiewa) - wariant A— ■— hhprężEniapoluiTikeMe (zgranie) -wariant B Nhpręśnia równoleżnikowe (zgranie) - wariant B Nbprężmia równoleżnikowe (siła osiewa) - wariant B
-10 -8 -6 4 -2 0 2 4 6 8 10 a [MF%i]
Rys. 2. Rozkład naprężeń południkowych i równoleżnikowych na powierzchni zewnętrznej Fig. 2. Distributions o f the vertical and horizontal stresses at the external surface
Projektując zbiorniki m onolityczne lub prefabrykow ane o ciągłym zbrojeniu obwodowym, m ożem y dopuścić w ystąpienie rys pionow ych lub poziom ych oraz kontrolow ać szerokość ich rozw arcia stopniem zbrojenia zw ykłego w przekroju. W przypadku zbiorników o nieciągłym zbrojeniu obw odow ym najsłabszym ogniw em konstrukcji je s t złącze m iędzy elementami prefabrykow anym i. Przekroczenie poziom u rów noleżnikow ych naprężeń rysujących w złączu spow odow ane obciążeniem tem peraturą w yw oła niekontrolow any rozwój rysy oraz redystrybucję naprężeń w yw ołanych zn aczną lokalną u tratą sztyw ności przekroju. W yjściowy schem at statyczny pow łoki osiow o sym etrycznej ciągłej przechodzi w układ płyt połączonych quasi-przegubam i. O bciążenie tem peraturą w yw ołuje określony poziom naprężeń na skutek ograniczenia odkształceń konstrukcji. W m om encie zarysow ania pionowych złączy następuje zw iększenie sw obody odkształceń i rów noczesne zm niejszenie naprężeń w yw ołanych obciążeniem tem peraturą.
Na rysunkach 3 i 4 przedstaw iono deform ację zbiornika w yw ołaną obciążeniem różnicą temperatur na pow ierzchniach zew nętrznych (ti = + 40°C, At = -20°C), w przypadku powłoki ciągłej (rys. 3) i układu płyt o zerowej sztyw ności złączy (rys. 4). Jak w idać na rysunkach, dopuszczenie do zarysow ania niezbrojonych złączy elem entów płytow ych w zbiornikach
prefabrykow anych m oże całkow icie zm ienić charakter pracy takiej konstrukcji. Należy spodziew ać się znacznego przyrostu przem ieszczeń radialnych górnej krawędzi zbiornika w yw ołanych zarów no obciążeniem tem peraturą, ja k i parciem hydrostatycznym cieczy oraz przyrostu rozw artości rys na styku prefabrykat - zaczyn złącza. W przypadku projektowania sprężenia jedynie dla rów now ażenia obciążenia parciem hydrostatycznym cieczy projektant zakłada coraz rzadszy rozstaw cięgien sprężających w kierunku górnej kraw ędzi powłoki.
Rys. 3. Deformacja powłoki ciągłej od obciążenia temperaturą Fig. 3. View o f the continuous shell deformation under thermal loading
L .
Rys. 4. Deformacja układu płyt od obciążenia temperaturą
Fig. 4. View of the system o f panels deformation under thermal loading
4. Realizacja połączenia przegubowo - przesuwnego
D ecydujący w pływ na opisany m echanizm pracy pow łoki m a poziom wprowadzonych naprężeń ściskających w przekroju złącza, który w prost zależy m iędzy innymi od przyjętego schem atu statycznego powłoki na etapie sprężania zbiornika. N a rys. 5 przedstawiono
pomierzone przem ieszczenia dolnej kraw ędzi zbiornika podczas sprężania [4], Rysunek 6 pokazuje przyrost rozw artości styków [w mm] w kierunku obw odow ym pom ierzony na zewnętrznej pow ierzchni złączy dla w ysokości x = 1,8 m. B adania dotyczyły zbiornika opisanego szczegółow o w [4] o prom ieniu w ew nętrznym R w = 13,175 m, grubości ściany h = 0,18 cm i w ysokości zbiornika H = 6,85 m. Etap eksploatacji - okres badań czerwiec- paździemik 2002. O bciążenie tem peraturą: tj = +40°C , te = +10°C (listopad).
etap 18c
etap 36c
po 24 h
R = 13,265 m
Rys. 5. Rozkład przemieszczeń radialnych powłoki wp [mm] na wysokości x = 0,05 m Fig. 5. Distributions o f the radial displacements the shell wp [mm] at the level x = 0,05 m
czerwiec '02 lipiec '02 a październik '02
listopad'02 Poziom "0"
Rys. 6. Rozkład przyrostu rozwartości pionowych styków [mm] na wysokości x = 1,80 m Fig. 6. Distribution of the vertical joints’ width increase [mm] at the level x = 1,80 m
5. Wnioski
W przypadku projektow ania zbiorników o nieciągłym zbrojeniu obw odow ym nie należy dopuszczać do pionow ego zarysow ania złączy m iędzy elem entam i prefabrykow anym i.
O graniczenie rów noleżnikow ych naprężeń rozciągających w yw ołanych obciążeniem tem peraturą, poniżej poziom u naprężeń rysujących uzyskam y stosując ocieplenie ściany zbiornika (np. dla ww. przypadku w arstw ą w ełny m ineralnej gr. 50 mm). N aw et w przypadku ocieplenia ściany zbiornika należy liczyć się z m ożliw ością poziom ego zarysow ania powłoki na skutek naprężeń południkow ych w yw ołanych obciążeniem tem peraturą. Nieprawidłowa realizacja połączenia przesuwnego na etapie sprężania (rys. 5), utw ierdzenie płyt nr 10-18, spow odow ała zm niejszenie naprężeń ściskających od sprężenia zbiornika i w efekcie przyrost rozw artości styków na tym odcinku do 0,3 mm (rys. 6).
K ażdorazow e przeprow adzenie szczegółowej analizy działających obciążeń oraz pracy statycznej konstrukcji, zastosow anie izolacji term icznej w celu ograniczenia naprężeń w yw ołanych obciążeniem tem peraturą oraz zachow anie szczególnej staranności przy realizacji założonych w arunków brzegow ych pozw ala uzyskać konstrukcję zbiornika o odpow iedniej trw ałości i wodoszczelności.
LITER A TU R A
1. K rajow y Program O czyszczania Ścieków K om unalnych, W arszawa, grudzień 2003.
2. Seruga A.: Projektow anie prefabrykow anych betonow ych zbiorników cylindrycznych na ciecze sprężonych cięgnam i bezprzyczepnościow ym i. Inżynieria i Budownictwo, nr 2, 2001, s .l 12-117.
3. Seruga A.: A naliza stanów naprężenia i odkształcenia w pow łokach zbiorników cylindrycznych z betonu sprężonego. M onografia nr 289, Politechnika Krakowska, K raków 2003.
4. Seruga A ., K aźm ierczak Sz.: O dkształcenia i przem ieszczenia pow łoki walcowej prefabrykow anego zbiornika sprężonego cięgnam i bezprzyczepnościow ym i, XIII K onferencja N aukow o-Techniczna „Żelbetow e i sprężone zbiorniki na m ateriały sypkie i ciecze” , K raków , 1 9 - 2 1 listopada 2003, s . l 83 - 190.
5. Seruga A., K aźm ierczak Sz.: W pływ pilastra na stan naprężenia sprężonej powłoki w alcow ej Czasopism o Techniczne Z. 7-Ś/2004 (RO K 100) ISDN 0011-4561 W ydaw nictw o Politechniki K rakow skiej, 2004.
6. M elerski E.S.: N um erical analysis for environm ental effects in circular tanks, Thin W alled Structures 40 (2002), 703-727.
7. Priestley M .J.N, V itharana N .D .: Significance o f tem perature-induced loadings on concrete cylindrical reservoir w alls, A CI Structural Journal/ Sept.-Oct. 1999, 737 - 747.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Stanisław Kuś
