Z E S Z Y T Y N A U K O W E PO LITE C H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: B U D O W N IC T W O 2 .8 1
_______ 1995 N r kol. 1292
A ndrzej A JD U K IEW IC Z, Jacek H ULIM K A, Alina K LISZC ZEW IC Z, Ryszard M A Ć K O W SK I
BADANIA ZWIĄZANE Z REKONSTRUKCJĄ ŚCIAN ŻELBETOWYCH SILOSÓW CYLINDRYCZNYCH
Streszczenie. Ściany żelbetowych silosów użytkowanych przez długi okres są w większości uszkodzone skutkiem działania różnych wpływów zewnętrznych i wewnętrznych. Naprawy takich ścian wymagają dokładnej oceny i indywidualnego doboru metod. Przedstawiono badania, jakie towarzyszyły rekonstrukcji dużych silosów cylindrycznych na zboże.
T H E TEST S C O N N E C T ED W IT H R EC O N STR U C TIO N
OF R E IN FO R C E D -C O N C R E T E W ALLS IN C Y LIN D RICA L SILOS
S um m ary. W alls o f reinforced-concrete silos used for long tim e are in majority dam aged due to actions o f various external or internal influences. Repairs o f such walls require exact apprisals and individual selections o f methods. T he tests concurrent with reconstruction of large cylindrical silos for g rain have been presented.
D IE M IT R EK O N ST R U K T IO N D E R ZY LIN D R ISC H EN STA H LBETO N SILO W Ä N D E V ER B U N D E N FO R SC H U N G SA R B E IT
Z usam m enfassung. Bei langen Benutzen der Stahlbetonsilowändetzten erfolgen die grössten Beschädigungen infolge verschidener äußerer oder innerer Einwirkungen. Die Reparatur dieser W ände erfordert eine genaue Bewertung und individuelle Methodenauslese. E s wurden Forschungsarbeiten dargestellt, die m it den Reparaturen großer zylindrischer Getreidesilowände verbunden sind.
1. W P R O W A D Z E N IE
R ozw ój żelbetow ych konstrukcji pow łokow ych w minionym półw ieczu był powodem do d um y projektantów i w ykonaw ców w wielu krajach. Jednokrzyw iznow e pow łoki walcowe zyskały pow szechne zastosow anie w zbiornikach, w tym na w ielką skalę w silosach.
W dążeniu do efektów ekonomicznych, a tak że w skutek sw ego rodzaju nieświadomości z ag ro żeń trw ałości obiektów , projektow ano sto su n k o w o cienkie pow łoki ścian silosów, z m inim alnym otuleniem zbrojenia dopuszczalnym w norm ach. Przy niskim poziomie w y k o n aw stw a w naszym kraju, w tym daleko posuniętej nonszalancji w zakresie przygotow ania i układania betonu, było to postępow anie krótkow zroczne i z gruntu niew łaściw e.
O becnie, po okresach 20 do 30 lat nieprzerw anej eksploatacji, zw ykle bez odpowiedniej konserw acji, w ystępują istotne problemy zw iązane z bezpieczeństw em obiektów tym pow ażniejsze, im gorsze były w arunki użytkow ania.
N ap ra w a zagrożonych konstrukcji w celu ich d o raźn eg o zabezpieczenia i przedłużenia ich eksploatacyjnego "żywota" należy w spółcześnie d o najpow ażniejszych wyzwań stojących p rzed budow nictw em [1], D ziałania te obecnie m o g ą być i są prow adzone na wielką skalę, dzięki w ielu dostępnym now oczesnym środkom i m etodom , ale praw ie zaw sze są to zabiegi b ard zo kosztow ne, sięgające kilkudziesięciu procent, czasem naw et powyżej połow y wartości obiektów .
W e w znoszeniu i użytkow aniu silosów pow szechność w ystępow ania zagrożeń awaryjnych i liczne katastrofy były pow odem dużej liczby p rac badaw czych i zaostrzenia przepisów nor
m ow ych w w ielu krajach. Rów nież w naszym k raju znow elizow ano i znacznie rozszerzono przepisy norm ow e [2], a szerokie badania są tem atem cyklicznych konferencji [3],
D o k ład n e rozpoznanie stanu zagrożenia i w y b ó r n a tej podstaw ie racjonalnych metod napraw y, z w zięciem pod uw agę planow anego o k resu eksploatacji, je s t działaniem istotnym zaró w n o z punktu w idzenia technicznego, jak i ekonom icznego.
Z dośw iadczeń badaw czych zebranych przy rekonstrukcji dw óch grup silosów w latach 1993-95 prezentujem y jako przykład badania tow arzyszące procesow i rekonstrukcji grupy sześciu silosów na zboże, zagrożonych głów nie o d w pływ ów zew nętrznych, ale także w pew nym stopniu w skutek zmian w użytkow aniu. O biekty te stanow iły szczególnie dogodny poligon badaw czy, gdyż każdy silos w grupie był w istocie niezależny, wykonywany w jed n ak o w y sposób, ale w ystaw iony na nieco zróżnicow ane działanie niekorzystnego
środow iska zew nętrznego.
Badania zw iązane z rekonstrukcją ścian. 487
2. CHARAKTERYSTYKA O B IEK T U BAD AŃ
Grupa sześciu niezależnych silosów w układzie szeregowym (ry s.l) została w zniesiona w roku 1969 na obrzeżu terenów przem ysłow ych miasta Tychy. Silosy te stanow ią głów ne zbiorniki zboża w dużej bazie magazynowej, a ich uzupełnieniem są silosy stalow e o znacznie mniejszej pojemności. Każdy z silosów ma pojem ność około 8500m 3, czyli około 600 0 t masy ziarna.
Powłoki ścian silosów w ykonano w deskow aniach ślizgowych, o stałej grubości 25cm.
Projekt z roku 1966 przewidywał ów czesną m arkę betonu 200 (czyli rzędu obecnej B17,5), zbrojenie rów noleżnikow e 0 1 8 m m (34G S) w odstępie 140mm oraz zbrojenie południkow e 012m m (StO) w odstępie 330mm ; ten sam układ zbrojenia przewidziano przy obydwu powierzchniach ściany na całej niemal wysokości.
R y s.l. U sytuow anie grupy sześciu jednakow ych silosów na zboże Fig. 1. Situation o f the group o f six the same silos for grain
Według projektu w ykonano silosy z opróżnianiem dennym za pom ocą trzech przenośników taśmowych usytuowanych w tunelach (rys.2a). O tw ory w stropach tuneli zapew niały charakter opróżniania pośredni pom iędzy centrycznym a szczelinowym. N iesym etria opróżniania była w tedy niewielka w obec dużej wartości promienia hydraulicznego kom ory rf,= 4,75rn.
A.Ajdukiewicz, J.Hulimka, A .K liszczew icz, R.Maćkowski W okresie eksploatacji, w skutek w ym ogów przeobrażającego się system u masowego tran sp o rtu w naszym kraju, zaszła konieczność zapew nienia m ożliw ości opróżniania b ocznego, w p ro st n a sam ochodow e środki transportu. W tym celu d o k o n an o w każdym silosie, w dw óch przeciw ległych punktach pow łoki, przebicia o tw o ró w i um ieszczono w nich stalow e przew ody rurow e. Jednocześnie zam ocow ano do pow łoki zadaszenia (rys.2b).
W prow adzone zm iany spow odow ały znaczne rozszerzenie m ożliw ych schem atów obciążeń p ow łoki ścian silosów zarów no w zakresie w pływ ów statycznych (od zadaszeń), jak i dynam icznych (b o czn e opróżnianie) - w prow adzono niekorzystne dla pow łoki obciążenia lokalne. W obec stosow ania jednoczesnego opróżniania silosa w różny sposób (na rys.2b podano oszacow anie globalne procentow ego przepływu m ateriału w ciągu roku) pojawiła się m ożliw ość wielu kom binacji chwilowych obciążeń. Lokalne obciążenia niesymetryczne są działaniam i krótkotrw ałym i, ale stosunkow o częstymi.
100% 60%
Rys.2. P rzekroje pojedynczego silosa
a) pierw otna zasada opróżniania, b) zm ienione - kom binow ane opróżnianie F ig.2 . C ross-sections o f a single siło
a) original principle o f unloading, b) modified - combined unloading
Badania zw iązane z rekonstrukcją ścian. 489
3. ZAKRES WAD I U SZK O D ZEŃ btLO SÓ W
Główne wady i uszkodzenia pow łok ściennych w ystępow ały od zew nątrz i obejm owały:
• nierówności pow ierzchni zewnętrznej związane z wadliwym procesem wznoszenia:
(a) pierścieniow e bruzdy uzupełniane zaprawą, (b) zafalow ania pow ierzchni wzdłuż południków w zakresie ±40mm, (c) odsłonięte zbrojenie rów noleżnikow e, zw łaszcza w stykach (w adliwe połączenia na zakład);
• pow ierzchniow e zniszczenie betonu, z lokalnymi odsłonięciami w kładek zbrojenia;
nasilenie tych zniszczeń jest znacznie większe po zachodniej stronie pow łok (rys.3) - od tej strony w ieją przew ażające wiatry i na tym kierunku znajduje się duża elektrow nia (odległa o około lO km ) i miejska elektrociepłow nia (w odległości niespełna 500m);
Rys.3. Ogólny zarys położenia głów nych uszkodzeń Fig. 3. General outline o f the main dam ages location
• zarysowania zew nętrznej powierzchni, o rozw artości do 0,4m m przy w ypełnionym silosie;
siatka zarysowań pokryw a się w przew adze z układem zbrojenia (rys.4), jed n ak przew ażają rysy pionow e; odkryw ki rys wskazały zarówno zaaw ansow aną korozję i lokalny obraz rozsadzania betonu (zw łaszcza w rysach poziomych), ja k i nieznaczne ślady korozji (częściej w rysach pionowych).
Tego rodzaju kom binacja objawów zniszczenia je s t dość typow a dla konstrukcji żelbe
towych poddanych długotrw ałym w pływom atmosferycznym oraz wielu cyklom obciążeń zmiennych. Nasilenie uszkodzeń jest z reguły zw iązane ze z łą jakością betonu - niską wytrzymałością i nieszczelną strukturą.
490
Rys.4. Przekrój ściany silosa i w idok układu rys n a pow ierzchni zewnętrznej w zdłuż siatki prętów zbrojenia poziom ego i pionow ego
Fig.4. Cross-section o f silo wall and view o f pattern o f cracks on the external surface along the net o f horizontal and vertical bars o f reinforcem ent
W konstrukcji wykonywanej w deskow aniach ślizgow ych pow szechna jest duża zmienność cech betonu. W omawianych silosach badania sklerom etryczne w ytrzym ałości prowadzone w zd łu ż południków wykazały rozrzuty w ytrzym ałości gw arantow anej (oszacowanie) w p rzedziale 15,2M Pa do 26,1'MPa, przy w skaźnikach zm ienności od 13,1 do 32,0% ,
P om iary, badania w ytrzym ałościow e i obszerne obliczenia spraw dzające były przedmiotem kom pleksow ej ekspertyzy stanu obiektu. A naliza teoretyczna, ja k też wytyczne naprawy zaw arte w tej ekspertyzie nie są tu om aw iane ■
* E kspertyzę opracow ał w 1993 roku zespół w składzie: prof.A .A jdukiew icz, dr K.Ostrowski i d r M .W łaszczuk
Badania związane z rekonstrukcją ścian. 491 4. REKONSTRUKCJA I TO W A R ZY SZĄ C E B A D A N IA
Wstępne badania zw iązane były z o cen ą stanu obiektu i obejmowały .
- sklerometryczne pom iary w ytrzym ałości betonu, w kilku ciągach na w ysokości każdego silosa;
- badania chemiczne próbek pobranych w różnych punktach ścian silosów pod kątem oceny stopnia karbonizacji betonu.
Duże rozrzuty w yników badań w ytrzym ałości betonu na powierzchni ścian w poszczegól
nych pierścieniach (badano co lm ), w tym miejscowe szczególnie słabe miejsca, nie pozwalające na pomiary, stanowiły podstaw ę do zalecenia zmywania ciśnieniowego, do
branego do usuwania betonu o w ytrzym ałości niższej niż 5MPa.
Badania chemiczne z o ceną karbonizacji na grubości pow łoki są stosunkow o rzadko dotąd stosowane, natomiast inform acja tak a jest istotna przy ocenie trwałości, zw łaszcza w ścianach, przez które w sposób ciągły przenika od w nętrza para w odna. Stw ierdzono dużą grubość (6 do lOcm) w arstw y o istotnie zmniejszonej alkaliczności (rys.5a). N a pow ierzchni beton wykazywał odczyn lekko kw aśny pH = 5,0 do 6,0.
Wyniki wstępnych badań, łącznie ze stw ierdzoną gęstą siatką zarysowań, skłoniły do za
stosowania zabiegu oryginalnego w dotychczasow ych zastosowaniach krajowych, a mianowicie realkalizacji wgłębnej i doszczelniania w w arunkach zaaw ansow anego stanu naprężenia w powłoce.
Alkalizację przeprow adzono za p o m o cą przebadanego wcześniej w naszym laboratorium środka Consecrete-CSC, stosow anego częściej do uszczelniania zbiorników na ciecze. Jed
nocześnie wykorzystano m ożliw ość w ypełnienia silosa z niewielkim przeciążeniem - w ilgot
nym ziarnem, powyżej norm alnego poziom u. D ało to dwie korzyści: nastąpiło pew ne nawilżenie betonu na całej grubości ściany (sprzyjające procesowi alkalizacji) oraz w yw ołało pełne otwarcie istniejących rys. W tych w arunkach w głębna alkalizacja i wypełnienie rys były możliwie najlepiej zrealizowane.
Pomiary głębokości zasięgu alkalizacji, dokonane na próbkach rdzeniowych betonu 08Omm pobranych w różnych punktach pow łoki, wykazały w ysoką skuteczność do głębokości około 12cm (rys.5b).
Należy przy tym podkreślić, że dokonany zabieg doszczelniania i realkalizacji musiał z jednej strony być wykonany za po m o cą środków obojętnych, nieszkodliwych w kontakcie z żywnością, a z drugiej - musiał zapew niać częściow ą przepuszczalność gazow ą ściany.
Trzecia grupa badań tow arzyszących rekonstrukcji dotyczyła popraw ności ułożenia i związania z betonem pierw otnym w arstw y betonu natryskowego.
Warstwę tę, o grubości 25mm, zaprojektow ano w celu odtw orzenia grubości ściany i zapewnienia otulenia stali zbrojeniowej. Przyjęto jej w ykonanie bez żadnej w arstw y pośred
niej (tzw. sczepnej). B adania przyczepności tak wykonanej w arstwy w pierwszym
napraw ianym silosie były tym bardziej istotne, że procesowi układania i dojrzew ania betonu tow arzyszyły w yjątkow o w ysokie tem peratury (lato 1994), co przy ograniczonych możli
wościach pielęgnacji m ogło doprow adzić do wadliwego pow iązania dw óch betonów .
pH=10,5-r11,0
b) c)
/
/. s l ć .
J.60-100 ■
pH =10,5
-2 5 0
R ys.5. P rzeciętne przekroje ściany w toku rekonstrukcji: a) po w stępnym
czyszczeniu, b) po zmyciu ciśnieniowym i realkalizacji, c) po ułożeniu betonu natryskow ego;
1 - strefa skarbonizow anego betonu (pH < 9), 2 - zm yta pow ierzchnia betonu, 3 - beton zalkalizow any (pH > 10) z nasyconymi rysami, 4 - beton natryskowy z dodatkiem m ikrokrzem ionki, 5 - pow łoka m alarska przepuszczalna dla pow ietrza
F ig.5. A verage cross-sections o f the wall: a) after initial cleaning, b) after pressure-w ashing and re-alkalization, c) after shotcrete placing;
1 - zone o f carbonized concrete (pH < 9), 2 - w ash-cleaned concrete surface, 3 - alkalized concrete (pH > 1 0 ) with filled cracks, 4 - shotcrete with m icrosilica adm ixture, 5 - cover paint penetrative for air
Z e zrekonstruow anej ostatecznie ściany (rys.5c), po jej w yschnięciu, pobrano, w losowo wybranych m iejscach na całym obw odzie powłoki, próbki rdzeniow e (w alce 080m m x 100mm) i p o d d an o je badaniom n a rozciąganie. Próbki przygotow yw ano do badań w
/’ IM
\ ' ' ' / / / //
4
/ /' f '/ / /
Badania zw iązane z rekonstrukcją ścian.
zrywarce, przyklejając do wyszlifowanych pow ierzchni uchwyty stalowe, za pom ocą mało penetrującego kleju epoksydowego.
Uzyskano duże różnice zarów no w naprężeniach zrywających, jak i w obrazie zniszczenia.
Średnie wyniki badań w przypadku typowych próbek - o płaskiej w przybliżeniu pow ierzchni kontaktu betonów - były następujące:
- próbki zerw ane w starym betonie, bez oznak zniszczenia w sąsiedztwie styku:
a tu = l,85M Pa,
- próbki zerw ane w styku, z częściowym pozostawieniem zaczynu cem entow ego na powierzchni starego betonu:
atu = l,03MPa.
W pojedynczych przypadkach występowały następujące sytuacje.
- próbka zerw ana przez nierówny styk, z wyraźnymi śladami zanieczyszczeń w zagłębieniach pow ierzchni styku (najniższy wynik w badaniach):
a tu ’ 0,26M Pa,
- próbka zerw ana w betonie natryskowym, w odległości ok. 12mm od pow ierzchni kontaktu, w e fragm encie wykazującym pory i rozfrakcjonow anie kruszywa:
a tu = 0,53M Pa.
Wyniki te uznano za w pełni zadowalające, zważywszy, że nie odrzucono żadnej próbki z odwiertów, a sam proces wiercenia może częściowo naruszać w spółpracę betonów .
5. PO DSU M OW A N IE
Przedstawiono opis podjętej rekonstrukcji grupy silosów na zboże w zakresie uzasad
niającym tow arzyszące badania. Dla dużych obiektów taki program badań wydaje się niezbędny, aby z jednej strony dokonać popraw nego wyboru metod i materiałów , a z drugiej - ograniczenia kosztów wynikających z w ielkiego zakresu prac.
W omawianym przypadku, poza środkiem alkalizującym niedostępnym jeszcze z krajowej produkcji, zastosow ano wszystkie m ateriały krajow ego pochodzenia. U zyskano blisko dwukrotną obniżkę kosztu naprawy w stosunku do metod bazujących na renom ow anych środkach zagranicznych, przy w pełni zadow alających rezultatach rekonstrukcji.
Potwierdzenie na drodze badawczej skuteczności wybranej technologii rekonstrukcji w pierwszym z napraw ianych silosów, najsilniej uszkodzonym , pozw oliło na kontynuację prac w kolejnych silosach, bez zmian technologicznych.
L IT E R A T U R A
[1] P ro ceed in g s o f IA B SE Symposium on "Extending th e Lifespan o f Structures" San Fran
cisco, A ugust 1995.
[2] P N -8 9 /B -0 3 2 6 2 Zbiorniki żelbetow e na m ateriały sypkie i kiszonki. O bliczenia statyczne i projektow anie.
[3] M ateriały 9 Konferencji i Sym pozjów z lat 1972-1992, a w tym: M ateriały Konferencji
"Ż elbetow e i sprężone zbiorniki na materiały sypkie i ciecze". W ro cław - Szklarska P o ręb a, grudzień 1992.
R ecenzent: D r hab. inż. Zdzisław Pluta Prof. Politechniki Warszawskiej W płynęło d o Redakcji 0 5 .0 6 .1995r.
Abstract
T h e pro cess o f reconstruction o f large R .C. structures should be preceded and supported by investigations and tests to select the p ro p er m ethods and materials for th e w ork. The tests co n n ected w ith appraisal and reconstruction o f the group o f six detached grain silos have been described in the paper.
T h e silos have been continuously used for over 25 years, and neighbourhood o f industrial z o n e has influenced th e reinforced-concrete walls from outside. T he bare concrete was not resistant enough, particularly having initial faults on th e surface and p o o r cover o f the steel bars. T his situation becam e quite critical w hen internal actions from grain pressure were c hanged by introduction o f pneum atic side-unloading in som e part, instead o f form er bottom conveyors.
T h e costly reconstruction w as provided, containing pressure w ash-cleaning, re-alkalization and im pregnation o f old concrete, and cover w ith shotcrete protection layer with special finishing. All m aterials used at repair process had to be harmless w hen contact with grain.
B esides, th e reconstructed walls had to be sem i-permeable to a vapour and air.
T h ree specific groups o f tests have been undertaken: (1) to assess th e degree o f concrete carbonation, (2) to m easure the depth o f effective re-alkalization o f concrete, and (3) to check th e adhesion betw een old concrete and shotcrete.
