Nadzór autorski projektanta przy realizacji obiektów, szczególnie tych skomplikowanych, jest zdecydowanie niezbędny.
Przy projektowaniu żelbetowych zbiorników na ciecze wpływ skurczu betonu jest często pomijany w obliczeniach statycznych [1, 4]. Projektanci uznają takie postępowanie za uzasadnione, jeżeli w wytycznych do projektu wskażą warunki, jakie muszą być spełnione, jeżeli chodzi o skład betonu, jego pielęgnację w pierwszych dniach po ułożeniu, a także przerwy dylatacyjne. W zaleceniach tych pomija się zwykle problem ciągłości betonowania, uznając, że jest on sam w sobie elementem tzw. sztuki budowlanej. Przedstawiony przykład zbiornika oczyszczalni ścieków, przy którego budowie zbyt duża przerwa między betonowaniem fundamentu i ściany zbiornika doprowadziła do jej zarysowania, dowodzi, że projekt powinien zawierać także wytyczne odnośnie do samego betonowania, nie pozostawiając wykonawcy swobody interpretacyjnej [2, 3, 5].
Fot. 1. Widoczne przecieki w miejscu powstałych rys od zewnętrznej strony w zewnętrznym płaszczu reaktora (zauważone 10 grudnia)
Charakterystyka obiektu
Rozpatrywany zbiornik żelbetowy jest elementem oczyszczalni ścieków. Jest to cylindryczny zbiornik otwarty o średnicy wewnętrznej 39,0 m i wysokości mierzonej od góry fundamentu 6 m (rys. 1). W środku zbiornika znajduje się cylindryczna kolumna posadowiona na płycie dennej. Przestrzeń zbiornika została podzielona na komory technologiczne za pomocą wewnętrznego cylindrycznego płaszcza, o średnicy 26,0 m, oraz usytuowanych wzdłuż średnicy ścian żelbetowych. Grubość żelbetowego zewnętrznego i wewnętrznego płaszcza zbiornika wynosi 0,40 m, natomiast grubość ścian usytuowanych wzdłuż średnicy zbiornika 0,45 m. Ściany cylindryczne posadowione zostały na pierścieniowych fundamentach o szerokości 1,60 m i wysokości 0,50 m. Dno zbiornika wykonano w postaci niezależnej płyty żelbetowej o grubości 0,30 m. W płaszczu zewnętrznym zbiornika wykonano pięć dylatacji pionowych, równomiernie rozmieszczonych wzdłuż obwodu, wykonanych z rur plastikowych w celu tworzenia kontrolowanych rys skurczowych. W płaszczu wewnętrznym wykonano trzy takie dylatacje. Do wykonania zbiornika zastosowano beton C 30/37, o W 8 i F 150, zbrojony stalą AIIIN. Stopień zbrojenia obwodowego płaszcza zewnętrznego był zmienny wzdłuż wysokości płaszcza i wynosi od 0,49% w górnej do 0,66% w dolnej części płaszcza.
Stopień zbrojenia zewnętrznego pierścienia fundamentowego wynosił 0,13%. Zbiornik docelowo miał zostać częściowo obsypany gruntem, przy czym wysokość części nieobsypanej jest zmienna wzdłuż obwodu zbiornika.
Projektant zwracał szczególną uwagę na zagadnienia związane ze szczelnością i skurczem betonu. Założył, że skurcz będzie ograniczony do minimum przez odpowiednie zabiegi technologiczne, takie jak zaprojektowanie mieszanki betonowej o ściśle ograniczonej ilości cementu na 1 m3 mieszanki, dobór odpowiedniego kruszywa, zastosowanie cementu o małym cieple wiązania i przez odpowiednią pielęgnację betonu.
Fot. 2. Widoczne iniekcje powstałych rys oraz obszar naprawy przecieków
Historia betonowania zbiornika
Wykonywanie zbiornika rozpoczęto od betonowania ławy fundamentowej płaszcza wewnętrznego. Prace rozpoczęto w połowie czerwca. Po 14 dniach przystąpiono do betonowania płaszcza wewnętrznego. Znacznie dłuższa różnica czasu dzieliła wykonanie ławy fundamentowej płaszcza zewnętrznego i walcowej ściany tego płaszcza. Betonowanie fundamentu płaszcza zewnętrznego rozpoczęto 26 czerwca, natomiast betonowanie ściany płaszcza zewnętrznego − 2 sierpnia, czyli po 38 dniach po wykonaniu ławy fundamentowej. Rozszalowanie fundamentu zewnętrznego nastąpiło po 5 dniach od chwili rozpoczęcia betonowania, natomiast ściany zewnętrznej po 24 dniach od chwili betonowania.
Rys. 1. Szkic żelbetowego zbiornika oczyszczalni ścieków:
a) rzut zbiornika, b) przekrój porzeczny zbiornika
a) rzut zbiornika, b) przekrój porzeczny zbiornika
Opis uszkodzeń zbiornika
Podczas przeprowadzania (w grudniu) próby szczelności wykonanego reaktora po wypełnieniu zbiornika wodą do poziomu 3,5 m zauważono ślady przecieków na ścianie płaszcza zewnętrznego. Układały się one w regularny ciąg pionowych linii rozmieszczonych na zewnętrznej powierzchni płaszcza reaktora, w jego dolnej części, wzdłuż całego obwodu. Na fot. 1 pokazano zarejestrowane podczas sprawdzenia szczelności wybrane miejsca przecieków.
Długość zauważonych przecieków była różna, nie przekraczała na ogół 1,0 m. Miejsca przecieków tworzyły charakterystyczny kształt trójkątów; najszersze były na dole, przy połączeniu z fundamentem i zanikały stopniowo ku górze. Według informacji wykonawcy intensywność przecieków była niewielka i zmniejszała się w czasie. Miejsca przecieków uwidoczniły pionowe rysy, wcześniej niezauważone.
Uszkodzenia płaszcza zewnętrznego, w postaci pionowych rys, zauważono następnego dnia po rozpoczęciu próby szczelności − po 166 dniach od momentu wykonania fundamentu zewnętrznego i 129 dniach od chwili rozpoczęcia betonowania płaszcza zewnętrznego (fot. 1). Zauważone rysy rozpoczynały się od styku płaszcza z fundamentem i rozwijały się w kierunku pionowym na wysokość ok. 1 m. Rozstaw wynosił ok. 1 m, a ich układ był dość regularny wzdłuż całego obwodu zewnętrznego płaszcza.
Autorzy nie mieli możliwości oszacowania szerokości rozwarcia rys, ponieważ w dniu wizji lokalnej została już zakończona iniekcja tych rys (fot. 2). Biorąc pod uwagę charakter zauważonych przecieków, można przypuszczać, że ich rozwarcie było największe w dolnej, przyfundamentowej, części płaszcza i zmniejszało się stopniowo ku górze. Istnienie przecieków wskazuje na przelotowy charakter powstałych rys. Na podstawie uzyskanych informacji o niewielkiej intensywności przecieków i jej zmniejszaniu się w czasie można domniemywać, że szerokość rozwarcia rys była niewielka.
Przebieg odkształceń skurczowych w fundamencie i płaszczu zewnętrznym reaktora
Analiza przyczyn powstałych uszkodzeń
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń kontrolnych można stwierdzić, że przyczyną powstałych rys nie mogło być jedynie obciążenie technologiczne parciem cieczy. Zbiornik zaprojektowano w ten sposób, że panująca maksymalna siła rozciągająca płaszcz zewnętrzny, wywołana parciem cieczy, była mniejsza od siły rysującej, wyznaczonej przy założeniu fazy I. Charakter rys oraz informacje na temat terminów betonowania poszczególnych elementów zbiornika skłaniały do postawienia hipotezy, że główną przyczyną powstałych uszkodzeń mógł być skurcz betonu. W celu sprawdzenia tej hipotezy przeprowadzono analizę odkształceń skurczowych w fundamencie i ścianie zewnętrznej reaktora w okresie, jaki upłynął od chwili rozpoczęcia betonowania do dnia, w którym stwierdzono występowanie przecieków. W tab. 1 przedstawiono procedurę wyznaczania odkształceń wywołanych skurczem betonu według metody wprowadzonej do PN-B-03264:2002. Podane w tabeli wartości odnoszą się do płaszcza zewnętrznego zbiornika po 129 dniach od chwili rozpoczęcia betonowania. Zbrojenie obwodowe ściany zmniejsza nieco wartości odkształceń, co zostało uwzględnione w obliczeniach zgodnie z [4]. Podobne obliczenia przeprowadzono dla pierścienia fundamentowego po 38 i 166 dniach od chwili rozpoczęcia betonowania fundamentu.
W tab. 2 przedstawiono wartości całkowitych odkształceń skurczowych fundamentu i ściany zewnętrznej zbiornika w charakterystycznych punktach czasowych. Na wykresie pokazano przebieg odkształceń skurczowych w fundamencie i płaszczu zewnętrznym reaktora od momentu rozpoczęcia betonowania fundamentu do chwili zauważenia przecieków.
Rys. 2. Naprężenia obwodowe w płaszczu zewnętrznym zbiornika wywołane obniżeniem temperatury o 6,84oC
Na wykresie pokazany jest przyrost naprężeń skurczowych w fundamencie od chwili rozpoczęcia betonowania płaszcza zewnętrznego do momentu zauważenia przecieków, a także różnica między odkształceniami skurczowymi płaszcza a przyrostem odkształceń skurczowych w fundamencie zbiornika.
Analiza odkształceń skurczowych w fundamencie i ścianie zewnętrznej potwierdziła postawioną wcześniej hipotezę, że skurcz betonu stanowił główną przyczynę powstałych uszkodzeń w ścianie zewnętrznej zbiornika. Betonowanie płaszcza zewnętrznego reaktora (na którego powierzchni stwierdzono przecieki spowodowane rysami) rozpoczęto po 38-dniowej przerwie od chwili zabetonowania pierścieniowego fundamentu płaszcza zewnętrznego. W ciągu tego okresu w pierścieniowym fundamencie wystąpiła już znaczna część skurczu betonu. Jak wynika z obliczeń (patrz tab. 2), w chwili rozpoczęcia betonowania płaszcza zewnętrznego całkowite odkształcenie skurczowe fundamentu (z uwzględnieniem zbrojenia) wynosiło 0,000064 (0,064mm/m). W chwili rozpoczęcia próby szczelności, 9 grudnia, całkowite odkształcenie skurczowe fundamentu wynosiło 0,000105 (0,105 mm/m). Przyrost odkształcenia skurczowego fundamentu od chwili rozpoczęcia betonowania płaszcza zewnętrznego do dnia przeprowadzenia próby szczelności reaktora osiągnął wartość 0,000105 – 0,000064 = 0,000043 (0,043 mm/m). W tym czasie (129 dni) odkształcenie skurczowe zewnętrznego płaszcza reaktora wyniosło 0,000112 (0,112 mm/m), było więc znacznie większe aniżeli przyrost odkształcenia fundamentu. Różnica tych odkształceń, wynosząca 0,000112 – 0, 000043 = 0,0000684 (0,0684 mm/m), stanowi miarę oporu zewnętrznego, z jakim fundament przeciwstawia się swobodnym odkształceniom skurczowym płaszcza. Tego typu opór wywołuje zawsze naprężenia rozciągające w betonie, którego odkształcenia skurczowe są krępowane. Podkreślane jest to zgodnie w pracach [1, 2, 3, 4].
W celu oszacowania skutków krępującego działania fundamentu na zewnętrzny płaszcz reaktora wpływ ten wymodelowano w obliczeniach statycznych za pomocą równomiernego obniżenia temperatury płaszcza zbiornika o wartość 105*0,0000684 = 6,84oC.
Tab. 1. Wyniki obliczeń odkształceń płaszcza zewnętrznego reaktora, wywołanego skurczem, po 129 dniach od chwili rozpoczęcia betonowania
Obliczenia wykonano dla zewnętrznego płaszcza walcowego reaktora biologicznego, analizując cały układ, wykorzystując metodę elementów skończonych. Przyjęto, że ściana płaszcza z ławą fundamentową połączona jest przegubowo. Obliczenia statyczno-wytrzymałościowe wykonano przy zastosowaniu komercyjnego programu obliczeniowego. Przyjęto powłokowy typ konstrukcji, o sześciu stopniach swobody. Zastosowano siatkę elementów skończonych prostokątną. Wykorzystano czworokątne czterowęzłowe, powierzchniowe elementy skończone.
Jak wynika z obliczeń (patrz rys. 2), takie obniżenie temperatury, adekwatne do wartości oporu stawianego przez wcześniej wykonany fundament odkształceniom skurczowym płaszcza, prowadzi do powstania naprężeń rozciągających w betonie płaszcza, których maksymalna wartość wynosi 2,20 MPa. Po uwzględnieniu zbrojenia, analizując przekrój w fazie Ia, naprężenia te wynoszą 2,11 MPa.
Skurcz betonu powoduje również naprężenia rozciągające w betonie (i ściskające w stali) wskutek wewnętrznego oporu stawianego przez niepodlegające skurczowi zbrojenie. Na podstawie obliczeń (tab. 1), zgodnie z [4], opór stawiany przez zbrojenie płaszcza po uwzględnieniu relaksacji betonu wskutek pełzania mógł wywoływać w chwili przeprowadzania próby szczelności dodatkowe naprężenia rozciągające o wartości 0,15 MPa.
Łączne działanie skurczu (wskutek oporu zewnętrznego i wewnętrznego) mogło spowodować, w chwili przeprowadzania próby szczelności, naprężenia rozciągające w betonie równe 2,11 MPa + 0,15 MPa = 2,26 MPa, a więc już przekraczało wytrzymałość charakterystyczną betonu C30/37 na rozciąganie (fctk = 2,0 MPa). W chwili zauważenia przecieków zbiornik był wypełniony do wysokości ok. 3,5 m powyżej poziomu dna. Naprężenia wywołane parciem cieczy w dolnej części zbiornika osiągały wtedy wartość 1,66 MPa (obliczoną jak dla fazy I z uwzględnieniem zbrojenia). Sumując się z naprężeniami wywołanymi skurczem, powodowały powstanie naprężeń całkowitych znacznie przekraczających średnią wytrzymałość betonu C30/37 na rozciąganie (2,26 MPa + 1,66 MPa = 3,92 MPa > fctm = 2,9 MPa). Tak więc rysy wywołane łącznym działaniem skurczu betonu i parcia cieczy mogły powstać przy stosunkowo niskim poziomie napełnienia zbiornika, a można zaryzykować stwierdzenie, że część z nich mogła pojawić się jeszcze przed przeprowadzeniem próby szczelności. Rysy te, mające bardzo małe rozwarcie, mogły pozostawać niezauważone do chwili napełnienia reaktora i uwidocznić się przy dodatkowych naprężeniach rozciągających wywołanych parciem cieczy.
|
Liczba dni liczona od rozpoczęcia betonowania fundamentu
|
Fundament zewnętrzny reaktora
|
Ściana zewnętrzna reaktora
|
Uwagi
|
|
5
|
0,000017
|
–
|
Rozszalowanie fundamentu
|
|
38
|
0,000062
|
0,000000
|
Rozpoczęcie betonowania ściany zewnętrznej
|
|
62
|
0,000074
|
0,000031
|
Rozszalowanie ściany
zewnętrznej |
|
166
|
0,000105
|
0,000112
|
Stwierdzenie występowania przecieków
|
Tab. 2. Wartości całkowitych odkształceń skurczowych fundamentu i ściany zewnętrznej
Wnioski
Analiza powstałego zarysowania zbiornika oczyszczalni ścieków – przeprowadzona z uwzględnieniem wszystkich możliwych wpływów w tym reologicznych – wykazała, że główną przyczyną powstałych rys były zróżnicowane odkształcenia skurczowe w obszarze styku ławy fundamentowej ze ścianą zbiornika. Ta różnica odkształceń przy braku poślizgu na styku wspomnianych dwóch podstawowych elementów konstrukcyjnych zbiornika spowodowała obwodowe poziome naprężenia rozciągające w dolnej partii ściany, które spowodowały przy próbie szczelności pojawienie się rys pionowych stanowiących źródło przecieków. Stało się tak mimo dochowania, wydawałoby się, wszelkiej staranności w ograniczaniu rozmiarów skurczu betonu na etapie projektowania zbiornika. Opisywany przypadek wskazuje na potrzebę ingerencji projektanta w ramach nadzoru autorskiego także w realizację obiektu, szczególnie tak odpowiedzialnego jak w analizowanym przypadku. Przypadek ten pokazuje także, jak niebezpieczne, w aspekcie szczelności, mogą być zbyt długie przerwy między betonowaniem fundamentów i ścian zbiorników na ciecze.
prof. zw. dr inż. Tadeusz Godycki-Ćwirko
dr hab. inż. Piotr Korzeniowski
mgr inż. Paweł Piotrkowski
Politechnika Gdańska
Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska
Problemy opisywane w niniejszym artykule zostały także przedstawione w nr. 10 miesięcznika „Inżynieria i Budownictwo”, jednak ze względu na zasięg „Inżyniera Budownictwa” oraz wagę poruszanych problemów warto zapoznać z nimi szersze grono odbiorców.
Literatura
1. B. Bukowski, Morfologia rys w konstrukcjach betonowych i żelbetowych, Archiwum Inżynierii Lądowej, z. 3, 4, 1957.
2. T. Szulczyński, Wpływ skurczu betonu na wielkość momentu zarysowania zginanych elementów żelbetowych, Archiwum Inżynierii Lądowej, tom XXI, z. 2/1975.
3. T. Godycki-Ćwirko, Morfologia rys w konstrukcjach z betonu, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok 1992.
4. K. Flaga, Naprężenia skurczowe i zbrojenie przypowierzchniowe w konstrukcjach betonowych, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2004.
5. R. Maurer, N.V. Tue, K. Haveresch, A. Arnold, Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreiten bei dicken Wänden, „Bauingenieur” 10/2006.
