Analiza trwałości żelbetowych komór fermentacyjnych
Durability analysis of reinforced concrete digestive tanks
Strefa kotwienia dzwonu wentylacyjnego
arch. autorów
Obiekty inżynierskie wykorzystywane w procesach technologicznych oczyszczania ścieków są projektowane jako budowle o znacznej trwałości, a następnie użytkowane w okresach nie mniejszych niż kilkadziesiąt lat.
W trakcie realizacji czynności wynikających z okresowych badań i przeglądów oraz nieprzewidzianych sytuacji będących efektem uszkodzeń komór fermentacyjnych autorzy udokumentowali wady i procesy destrukcyjne, spo-wodowane obniżeniem właściwości materiałów w długim okresie eksploatacji, a także krótkotrwałymi procesami działania obciążeń wyjątkowych.
Zobacz także
BASCOGLASS Sp. z o. o. Pręty kompozytowe do zbrojenia betonu
Pręty kompozytowe wykorzystywane są w konstrukcjach budowlanych od kilkudziesięciu lat. Wysoka odporność na korozję, duża wytrzymałość na rozciąganie, obojętność elektromagnetyczna oraz łatwość cięcia...
Pręty kompozytowe wykorzystywane są w konstrukcjach budowlanych od kilkudziesięciu lat. Wysoka odporność na korozję, duża wytrzymałość na rozciąganie, obojętność elektromagnetyczna oraz łatwość cięcia to główne czynniki decydujące o wyborze prętów kompozytowych jako zbrojenia konstrukcji. Liczne realizacje, w których zastosowano takie zbrojenie oraz pozytywne wyniki wielu badań świadczą o tym, iż jest ono dobrą alternatywą dla klasycznej stali zbrojeniowej.
dr inż. Marcin Górski, dr inż. Bernard Kotala, mgr inż. Rafał Białozor Przykłady zastosowania prętów FRP oraz deskowań traconych
Pręty kompozytowe stwarzają wiele możliwości zastosowania w konstrukcjach budowlanych wszędzie tam, gdzie tradycyjne zbrojenie stalowe przestaje być efektywne. Wśród nich największą popularnością w realizacjach...
Pręty kompozytowe stwarzają wiele możliwości zastosowania w konstrukcjach budowlanych wszędzie tam, gdzie tradycyjne zbrojenie stalowe przestaje być efektywne. Wśród nich największą popularnością w realizacjach budowlanych cieszą się pręty kompozytowe oparte na włóknie szklanym. Ciekawą propozycją wykorzystania materiałów FRP jest ich zastosowanie w budownictwie betonowym jako deskowanie tracone. Nie jest to metoda powszechna i znajduje uznanie głównie w Stanach Zjednoczonych.
inż. Łukasz Górecki, mgr inż. Krzysztof Grzegorzewicz Keramzyt i styropian jako lekkie wypełnienia nasypów drogowych
Intensywny rozwój infrastruktury drogowej skutkuje prowadzeniem nowych szlaków komunikacyjnych na terenach dotąd niewykorzystywanych ze względu na wystąpienie w podłożu gruntów słabych i bardzo ściśliwych....
Intensywny rozwój infrastruktury drogowej skutkuje prowadzeniem nowych szlaków komunikacyjnych na terenach dotąd niewykorzystywanych ze względu na wystąpienie w podłożu gruntów słabych i bardzo ściśliwych. W takich przypadkach najczęściej stosuje się wzmocnienie podłoża poprzez zastosowanie pali, kolumn, zbrojenia geosyntetykami.
W wyniku przeprowadzonych wieloletnich badań kilkunastu komór fermentacyjnych wykazano, że trwałość obiektu zmniejszają procesy destrukcji, z których szczególnie istotne są uszkodzenia skutkujące zmianą schematu statycznego konstrukcji obiektu [1].
Wymienione czynniki były przyczyną kilku katastrof, spośród których autorzy prezentują postępujący proces degradacji komory fermentacyjnej, skutkujący uszkodzeniem konstrukcji w stopniu eliminującym obiekt z eksploatacji.
Analiza rozwiązań konstrukcji obiektu
Komorę fermentacyjną o pojemności 3150 m3 ukształtowano z trzech głównych elementów konstrukcyjnych:
- masywnego leja osadowego,
- walcowej ściany komory
- i kopuły stożkowej, przekrywającej zbiornik.
Wszystkie elementy zaprojektowano jako monolityczne, z betonu zbrojonego. W zworniku stożka usytuowano dzwon zamykający, ustabilizowany na żelbetowym pierścieniu - tzw. latarni. Zaprojektowana i zrealizowana grubość powłoki stożkowej wynosiła 0,30 m.
Zbrojenie po obu stronach walcowej powłoki ściany komory wykonano z prostych prętów pionowych i pierścieniowych prętów poziomych. Lej osadowy ukształtowano w formie bryły odwróconego stożka o nachyleniu tworzącej pod kątem 45°.
Grubość żelbetowej ściany stożka jest zmienna i wynosi 0,50-0,80 m. Przekrój i wymiary komory zilustrowano na RYS. 1.
RYS. 1. Przekroje badanych komór fermentacyjnych; rys. archiwa autorów
Monitorowanie kolejnych etapów procesów destrukcyjnych
W prezentowanej żelbetowej komorze fermentacyjnej wady urządzeń wentylujących i sterujących spowodowały nadmierny wzrost ciśnienia wewnętrznego biogazu [3] pozyskiwanego w procesie oczyszczania gromadzonego medium i zniszczenie strefy oparcia żeliwnego dzwonu na tzw. latarni. Opisane wady zilustrowano na RYS. 2.
W stanie realizacji pionowe pręty zbrojenia grubościennej powłoki walcowej, zabetonowane w górnym wieńcu, stwarzały warunki utwierdzenia powłoki stożkowej, przekrywającej komorę.
Czytaj też: Ocena stanu granicznego zmęczenia konstrukcji żelbetowych w ujęciu norm krajowych i europejskich
Rys. 2. Strefa kotwienia dzwonu wentylacyjnego - stadium po wybuchu biogazu; rys. archiwa autorów
|
W efekcie wybuchu została zniszczona struktura betonu powłoki stożkowej przekrycia, a w strefie wieńca powstała pozioma szczelina rozwarstwiająca obie powłoki i eliminująca sztywną strefę kontaktu. Szerokość rozwarcia poziomej szczeliny, zinwentaryzowana przez autorów podczas badań, wynosiła 3-5 mm. W celu naprawy zniszczonej konstrukcji wykonano nowe przekrycie stożkowe, wykorzystując spękaną powierzchnię jako szalunek. W wyniku badań i analizy numerycznej na spękanej płycie autorzy ukształtowali żelbetową konstrukcję wzmacniającą grubości 0,25 m. Obie powłoki stożkowe oparto i zespolono na ścianie walcowej grubości 0,80 m. Strefy rozwarstwienia i szczeliny wypełniono wysokociśnieniowym środkiem chemoutwardzalnym z dodatkiem cementów miałkich, zrekonstruowano elementy dzwonu, a odbudowany obiekt dopuszczono do eksploatacji. Podczas prac kontrolnych realizowanych po wznowieniu procesu technologicznego, funkcjonującego w cyklu ciągłym, w dolnej części ścian zbiornika stwierdzono pionowe zarysowania i pęknięcia, skutkujące rozszczelnieniem powłoki walcowej i penetracją gromadzonego agresywnego medium na zewnątrz komory. Objawy przecieków i sączeń identyfikowano tylko lokalnie na zewnętrznej powierzchni betonowej ściany zbiornika. |
ABSTRAKT |
|
W artykule przedstawiono wyniki analizy wpływu spękań żelbetowych ścian na bezpieczną eksploatację obiektu o żelbetowej konstrukcji monolitycznej z wykorzystaniem modelu grubej powłoki walcowej. Wykazano, że w dolnej partii ścian komory nie spełniono warunków stanu granicznego nośności i użytkowalności pierścieniowego przekroju żelbetowego. Przyczyną występujących wad były błędy w ocenie funkcji naprężeń i zastosowanie niewłaściwego zbrojenia oraz zmiana schematu statycznego eksploatowanej konstrukcji w konsekwencji wybuchu biogazu. Sformułowano koncepcję wykonania wzmocnień. The article presents the analysis of the influence of cracks in reinforced concrete (RC) walls on safe operation of a monolithic ferroconcrete structure. It was shown that the bottom parts of the digester walls failed to meet the requirements concerning serviceability limit state-SLS for load carrying capacity, or ultimate limit state (ULS) as well as stability of the RC tubular cross-section of the digester. The causes of failure were found to be due to errors in assessment of stress distribution function and use of inadequate steel reinforcement, as well as a change of static design of the construction in use as a consequence of biogas explosion. A concept of structural reinforcement was developed. |
Warunki szczelności powłok komór fermentacyjnych
Zrealizowana trwała odbudowa przekrycia stożkowego umożliwiała wznowienie procesu oczyszczania ścieków oraz pozyskiwania biogazu, podczas gdy rozszczelniona strefa dolna grubej powłoki walcowej była przyczyną kolejnego stadium utraty trwałości [4].
Po opróżnieniu zbiornika przystąpiono do badań wewnętrznych i zewnętrznych powierzchni spękanych betonowych ścian komory. Wzdłuż tworzących walca ustawiono rusztowanie wysokości 12 m.
Badane ściany czyszczono mechanicznie, zmywając silnym strumieniem wody i uzyskano powierzchnię przydatną do celów dokładnej inwentaryzacji rys i spękań.
Czytaj też: Materiały naprawcze do betonu stosowane w obiektach inżynierskich
Stwierdzono spękania o kierunkach pionowym i ukośnym. Szerokość rozwarcia rys zwiększała się w środkowej strefie wysokości ściany. W sąsiedztwie kopuły i leja osadowego pionowe rysy zamykały się. Szerokość rozwarcia istniejących zarysowań określono w przedziale 0,1-2,0 mm. Spękania były zlokalizowane wzdłuż całego obwodu komory, w odstępach około kilkunastu do kilkudziesięciu centymetrów (RYS. 3).
W wyniku analizy archiwalnych, zdekompletowanych fragmentów dokumentacji konstrukcyjnej stwierdzono, że zrealizowany układ i średnice prętów zbrojenia w dolnej partii ścian zbiornika nie odpowiadają stanowi projektowemu. Nie stwierdzono uszkodzeń i destrukcji leja osadowego.
W miejscu połączenia konstrukcji leja ze ścianą komory zidentyfikowano przerwę technologiczną w procesie betonowania konstrukcji.
Na obwodzie, w strefie połączenia z masywem leja, stwierdzono poziomą szczelinę o rozwartości 1-3 mm widoczną na długości około 10 m.
Na poziomie gzymsu górnego były widoczne poziome zarysowania o rozwartości 3-5 mm, powstałe w wyniku nadmiernego wzrostu ciśnienia gazu fermentacyjnego.
Nieregularne spękania o rozwartości 2-3 mm występowały na dolnej powierzchni kopuły. Wnętrze szczelin do górnego poziomu składowania ścieków było zawilgocone.
Rys. 3. Zarysowania ściany komory inwentaryzowane w trakcie badań: a) w rozwinięciu wewnętrznej powierzchni ściany, b) maksymalne szerokości rozwarcia rys na wysokości ściany komory: rys. autorów
Rozwojowi procesów korozji betonu i zbrojenia sprzyjało agresywne, siarczanowe środowisko ścieków oraz temperatura wynosząca około 30°C [5]. Wewnątrz zbiornika wytwarzał się biogaz, składający się głównie z metanu, siarkowodoru i dwutlenku węgla, którego ciśnienie stanowiło dodatkowe obciążenie konstrukcji zbiornika.
Rozkład naprężeń w ścianie zbiornika
Zjawisko wytężenia wewnętrznej powierzchni ściany komory oceniono na podstawie klasycznego modelu Lamego.
Grubościenny przekrój rurowy był poddany równomiernemu ciśnieniu, które może działać od strony zewnętrznej i wewnętrznej w sposób pokazany na RYS. 4.
Na podstawie analizy zjawiska zarysowań ściany zbiornika sformułowano koncepcję wystąpienia stanu zagrożenia katastrofą spowodowanego uplastycznieniem prętów zbrojenia konstrukcyjnego. Promień wewnętrzny analizowanej komory fermentacyjnej wynosił D/2 = rw = 8,0 m, grubość ściany g = 0,8 m, a promień zewnętrzny zatem był równy rz = 8,0 + 0,8 = 8,8 m.
W obliczeniach uwzględniono parcie hydrostatyczne płynnego medium, którego górną powierzchnię określono na rzędnej +14,5 m oraz eksploatacyjne ciśnienie biogazu wewnątrz komory, wynoszące 30,0 kPa.
Dokonano analizy funkcji naprężeń σr i σu w płaskim stanie odkształcenia.
Największa wartość naprężeń obwodowych rozciągających występowała na powierzchni wewnętrznej i na poziomie 1,0 m wynosiła σu (rw) = 1,76 MPa, a naprężenia rozciągające na zewnętrznej powierzchni płaszcza części walcowej przy rz = 8,8 m na tym poziomie wynosiły σu (rz) = 1,60 MPa.
Z porównania obliczonych wartości naprężeń wynika, że na wewnętrznej powierzchni powłoki wystąpiła koncentracja naprężeń rozciągających σu. Były one większe od naprężeń na powierzchni zewnętrznej o około 10%. Analogicznie określono naprężenia wewnętrzne na poziomach od +3,0 do +12,0 m. Obliczone wartości przedstawiono w TABELI 1.
Ocena stanu bezpieczeństwa konstrukcji
Obliczenia nośności ściany wykonano uwzględniając rzeczywisty przekrój poprzeczny prętów zbrojenia i stwierdzoną klasę betonu, określone na podstawie wyników badań i pomiarów inwentaryzacyjnych [6].
Badania wytrzymałości betonu przy wykorzystaniu metod niszczących realizowano ograniczając liczbę odwiertów i pozyskiwanych do badań próbek z miejsc o zróżnicowanej wstępnie i makroskopowo strukturze betonu. Badania nieniszczące weryfikowano przez sprawdzenie krzywych regresji [7].
W dolnej strefie zbiornika warunki nośności granicznej, określone na podstawie normy [8], którą wykorzystywano na etapie projektowania obiektu, okazały się spełnione, co wynikało z ukształtowania zbrojenia w strefie współpracy ściany z dnem.
Na wysokości ściany określonej rzędną +1,0 m stwierdzono po obu stronach ściany zbrojenie obwodowe z prętów Æ24 mm, ze stali gładkiej klasy A-I, usytuowanych w średnim rozstawie co 17 cm. Wytrzymałość betonu, wyznaczona na podstawie badań nieniszczących, odpowiadała klasie C16/20 (B20).
Nośność graniczną rozciąganych przekrojów pierścieniowych komory na określonych poziomach sprawdzono wykorzystując postanowienia normy [8]. Normowy warunek stanu granicznego nośności na poziomie +1,0 m, dla obliczeniowej wartości granicy plastyczności stali na rozciąganie, przedstawia nierówność
NSd = 0,70 MN > NRd = 210×26,59×10–4 MN = 0,56 MN
gdzie:
NSd - siła podłużna od wartości obliczeniowej obciążeń,
NRd - nośność obliczeniowa z uwagi na siłę podłużną,
nie został spełniony, co spowodowało fakt nadmiernego wytężenia analizowanego przekroju.
Analogiczne warunki normowe, odpowiednio na rzędnych +3,0 m oraz +5,0 m, przy identycznym rozstawie zbrojenia, również nie były spełnione. Na wysokości ściany określonej rzędną +6,0 m normowy warunek nośności granicznej był już spełniony, a przekrój można było uznać za bezpieczny.
Ocena stanu zarysowań ścian komory
Obliczona w odniesieniu do rzeczywistych warunków przekroju zbrojenia maksymalna szerokość rozwarcia rys na poziomie +3,0 m, wynosząca 1,59 mm, oraz rozstaw zarysowań równy 850 mm były zbliżone do wyników uzyskanych na podstawie pomiarów, przedstawionych na RYS. 3.
Przeprowadzone badania potwierdziły zarysowania o największej szerokości rozwarcia, wynoszącej około 2 mm, na poziomie +3,0 m.
Rzeczywiste zmierzone rozwarcia rys płaszcza komory na rzędnej powyżej +10,0 m zmniejszały się do szerokości 0,1-0,2 mm lub uległy zamknięciu.
Wystąpienie zarysowań lub spękań ścian zbiornika o rozwartości większej niż 0,1 mm, przy zachowaniu warunku szczelności, w świetle wymagań normy [8], było niedopuszczalne, a wykonane obliczenia udokumentowały nieuchronność wystąpienia uszkodzeń konstrukcji powłoki walcowej w aspekcie warunków stanu granicznego zarysowania.
Przyczyny wystąpienia stanu awaryjnego
W wyniku kilkunastoletnich badań, pomiarów i napraw oraz sukcesywnie realizowanych obliczeń stwierdzono, że ze względu na zbyt małe przekroje zbrojenia pierścieniowego w dolnej strefie komory walcowej, na poziomach od +1,0 do +5,0 m, konstrukcja zbiornika nie spełniała warunków stanu granicznego nośności oraz użytkowalności w zakresie szerokości rozwarcia rys.
Zaistniały stan awaryjny, zasygnalizowany wystąpieniem zjawiska rozszczelnienia i przecieków, a następnie potwierdzony w efekcie badań makroskopowych zarysowanych powierzchni ścian wewnętrznych i zewnętrznych zbiornika, został wywołany przekroczeniem stanu granicznego nośności i nierównomiernym rozkładem naprężeń rozciągających.
Proces karbonizacji i zniszczenia betonu w powłoce walcowej był konsekwencją początkowego stadium zarysowań. Odkształcenia betonu w elementach konstrukcji zbiorników powodowane były przede wszystkim naprężeniami wywołanymi obciążeniem statycznym i ciśnieniem biogazu, również obciążeniem termicznym wynikającym ze zmian temperatury gromadzonego medium podczas fermentacji oraz procesami fizykochemicznymi zachodzącymi w wewnętrznych warstwach betonu, poddanych procesom korozji w strefie kontaktu z medium zawierającym agresywne substancje.
Istotne jest, że mimo wskazanych wad powstałych na etapie realizacji obiektu, w początkowym stadium eksploatacji powierzchnia ściany walcowej nie została rozszczelniona. Analizowane zjawiska zainicjowała dopiero zmiana schematu statycznego konstrukcji, będąca skutkiem nadmiernego ciśnienia, połączona z procesami warunkującymi trwałość obiektu, uwzględnionymi w normie [8].
Koncepcja wzmocnienia ścian zewnętrznych komory
W celu odtworzenia wymaganych parametrów eksploatacyjnych w uszkodzonej komorze fermentacyjnej opracowano koncepcję wzmocnienia nadmiernie wytężonej ściany walcowej.
Niezbędne okazało się wykonanie wewnętrznej żelbetowej powłoki grubości 0,25 m i wysokości 6,0 m, zakotwionej w konstrukcji leja osadowego. Zastosowano zbrojenie pierścieniowe konstrukcji wzmacniającej z prętów średnicy o Ø25 mm, usytuowanych co 15-20 cm.
Czytaj: Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych zgodnie z normą PN-EN 1504
Uwzględniając przyjęty przekrój zbrojenia i klasę betonu, sprawdzono warunek rysoodporności i szczelności. Przewidziano zastosowanie betonu klasy C30/37 o stopniu wodoszczelności W8, dla warunków środowiska o klasie ekspozycji XA1.
Zmniejszono również rozstaw prętów pionowych.
Siatki zbrojenia stabilizowano w oryginalny sposób, prętami kotwionymi w ścianach komory, wykorzystując beton o właściwościach scharakteryzowanych pH > 11.
Rys. 5. Szczegóły wzmocnienia: a) osadzenie prętów kotwiących, b) schemat naprawy spękań o rozwartości 2-5 mm; 1 - Ceresit CX15, 2 - uszczelnienie pęczniejące, 3 - sznur dylatacyjny, 4 - podkład gruntujący, 5 - kit dylatacyjny trwaleplastyczny, 6 - zaprawa wysokowytrzymałościowa; rys. autorów
Skarbonatyzowane warstwy betonu, jako bezużyteczne w fazie rekonstrukcji, skuwano, a uzyskaną powierzchnię oczyszczano strumieniem wody.
Nieszczelności płaszcza zbiornika powyżej poziomu +6,0 m oraz spękania wewnętrznej powierzchni kopuły przekrycia, które miały wpływ na korozję zbrojenia w bezpośrednim kontakcie z agresywnym ciekłym medium, eliminowano poprzez wykonanie prac zabezpieczających techniką iniekcyjną.
Uszczelnienie spękań i zarysowań, w sposób przedstawiony na RYS. 5, zapewniło zahamowanie procesów destrukcyjnych.
Przecieki zostały wyeliminowane i nie było podstaw do prognozowania dalszej propagacji zjawisk degradacji elementów konstrukcji zbiornika.
Trwałość komory zsynchronizowano z przewidywaną technologią eksploatacji, prognozując co najmniej dwudziestoletni bezawaryjny okres użytkowania.
Podsumowanie
Konstrukcje inżynierskie eksploatowane w środowisku agresywnym należą do obiektów szczególnie narażonych na niebezpieczeństwo wystąpienia awarii czy katastrofy. W przypadku stwierdzenia wad konstrukcję obiektu należy poddać ocenie z uwzględnieniem aktualnego schematu statycznego i rzeczywistych rozwiązań konstrukcyjnych oraz zmiennych eksploatacyjnych parametrów technologicznych.
W aspekcie interpretacji wytycznych określonych w normie [10], niezawodność eksploatowanej konstrukcji należy poddać ocenie w odniesieniu do następujących działań:
- przywrócenie bezpiecznej użytkowalności istniejącej konstrukcji, uwzględniając współpracę nowych elementów konstrukcyjnych,
- sprawdzanie stanu, czy konstrukcję można obciążyć stosownie do przewidywanej zmiany sposobu użytkowania, uwzględniając wydłużenie okresu eksploatacji,
- naprawa wadliwej konstrukcji, na przykład uszkodzonych działaniem czynników zewnętrznych, a szczególnie w sytuacji losowych skutków oddziaływań wyjątkowych.
W kształtowaniu nowych konstrukcji komór fermentacyjnych, a także renowacji komór eksploatowanych, należy uwzględniać klasę ekspozycji w zależności od warunków środowiska. Stosowane dotychczas w elementach zbiorników betony klasy C16/20 (B20) należy całkowicie wyeliminować i wykorzystywać betony o wytrzymałości i trwałości odpowiadającej co najmniej klasie C30/37.
Referat był prezentowany na 61. Konferencji Naukowej KILiW PAN i KN PZITB - Krynica 2015
Literatura
- L. Runkiewicz, "Diagnostyka konstrukcyjna obiektów budowlanych", "Przegląd budowlany", nr 3/2006.
- J. Douglas, B. Ransom, "Understanding Building Failures", IV wyd, New York, Routledge, 2007.
- R.J. Martin, A. Reza, L.W. Anderson, "What is an explosion? A case history of an investigation for the insurance industry", "Journal of Loss Prevention Processes", 13/2000, pp. 491–497.
- J. Sun, L. Lu, "Coupled effect of axially distributed load and carbonization on permeability of concrete", "Construction and Building Materials", Vol. 79, 15 March 2015, pp. 9–13.
- C. Xiong, L. Jiang, Z. Song, R. Liu, L. You, H. Chu, "Influence of cation type on deterioration process of cement paste in sulfate environment", "Construction and Building Materials", Vol. 71, 30 November 2014, pp. 158-166.
- J. Krentowski, "Disaster of an industrial hall caused by an explosion of wood dust and fire", "Engineering Failure Analysis"; DOI 10.1016/j.engfailanal.2014.12.015; 2015.
- L. Runkiewicz, "Metody nieniszczące stosowane do oceny właściwości materiałów budowlanych w diagnostyce budowlanej", "Inżynieria i Budownictwo", 9/2005.
- PN-84/B-03264, "Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Obliczenia statyczne i projektowanie".
- PN-EN 1992-1-1, "Eurokod 2. Projektowanie konstrukcji z betonu - CEN European Committee of Standardization. Eurocode2: Design of concrete structures (ENV 1992–1-1)", Bruksela 2004.10. PN-ISO 2394: 2000, "Ogólne zasady niezawodności konstrukcji budowlanych".
