Trwałość konstrukcji betonowych a środowisko w projektowaniu zintegrowanym

W budownictwie trwałość konstrukcji betonowych oraz ich wpływ na środowisko są ściśle powiązane. Obniżona trwałość prowadzi przede wszystkim do konieczności przeprowadzenia niezbędnych napraw lub wzmocnień, co wpływa na bezpośrednie zanieczyszczenie środowiska.

Naprawy lub wymiany elementów oznaczają zaś zużywanie materiałów i energii, powodują więc dodatkową emisję zanieczyszczeń.

Wpływ na środowisko podczas projektowania konstrukcji betonowych

Działalność budowlana w dziedzinie konstrukcji betonowych obejmuje pozyskanie surowców, produkcję materiałów i elementów składowych, wykonawstwo, użytkowanie, utrzymanie i naprawy, a wreszcie rozbiórkę i recykling.

Wpływ na środowisko każdego etapu i wszystkich razem należy rozważać i oceniać ilościowo. Cały cykl związany jest z różnymi aspektami, jak: globalne ocieplenie, zużycie energii i surowców, emisja odpadów, zanieczyszczanie powietrza, wody i gruntu, generowanie hałasu i drgań.

Całkowite koszty związane z zapewnieniem wymaganego poziomu użyteczności obiektu związane są z nakładami na czynności utrzymania (w tym naprawy bieżące) oraz nakładami początkowymi.

Szczególnie istotna w kontekście trwałości konstrukcji betonowych jest rola nakładów początkowych, na które składa się dobór rozwiązań projektowych oraz materiałowych.

W przypadku zwiększenia nakładów początkowych na uzyskanie rozwiązania optymalnego do danych warunków eksploatacji można spodziewać się obniżonych kosztów bieżących utrzymania w założonym okresie eksploatacji RYS. 1 [1, 2, 3].

Na RYS. 2 przedstawiono pożądane aspekty projektowania zintegrowanego. Dotychczas w projektowaniu dominują aspekty grupy (1) [1]. Rozważane do tej pory całkowicie odrębnie aspekty grupy (2) i (3) powinny być tak samo ważne jak tradycyjne projektowanie konstrukcji, mające na celu osiągnięcie wymaganych cech grupy (1).

Nowe podejście, które powinno być stosowane podczas projektowania, określa się jako projektowanie zintegrowane na okres użytkowania i wyraża się w praktyce wieloaspektowym projektowaniem, uwzględniającym:

• różne aspekty (funkcjonalno-konstrukcyjne, trwałościowe, środowiskowe, ekonomiczne, socjo-kulturowe),
• kolejne fazy użytkowania przez cały okres projektowy, czyli od pozyskania i produkcji materiałów lub elementów, przez wznoszenie, użytkowanie i konserwację, do rozbiórki, recyklingu i utylizacji odpadów,
• różne poziomy optymalizacji (dotyczące materiałów, składników, elementów, całych konstrukcji).

W zależności od typu konstrukcji betonowej należy sformułować zbiór kryteriów będących narzędziem oceny każdej konstrukcji – mostu, drogi czy budynku.

Niezwykle ważnymi kryteriami niezawodności konstrukcji są jej trwałość, bezpieczeństwo oraz użytkowalność. Obecnie elementy te stawiane są w procesie projektowania na równi, jednakże w przeszłości w projektowaniu ujmowano je w różnym stopniu.

Już od ponad stu lat tworzone są zalecenia i zasady normowe dotyczące problematyki bezpieczeństwa, podczas gdy aspekty użytkowalności zaczęły się pojawiać w dokumentach ok. 50 lat temu.

Zwrócenie uwagi na trwałość konstrukcji w toku projektowania i podjęcie prób ujęcia pewnych zasad związanych z tą problematyką to historia 30-letnia. Tymczasem jest to najtrudniejsza i wymagająca największego zakresu prac doświadczalnych część normalizacji projektowania [1].

Problem trwałości w projektowaniu konstrukcji betonowych, określany także projektowaniem na okres użytkowania, opiera się na badaniach fizykochemicznych, ze szczególnym naciskiem na tematykę chemiczną. Do tej pory badania skupiają się na czterech grupach zagadnień:

• skutkach karbonatyzacji,
• korozji chlorkowej,
• działaniach fizycznych - zamrażaniu/odmrażaniu (mrozoodporności),
• skutkach innych oddziaływań chemicznych.

Przedstawiony aspekt trwałości obecny jest w zaleceniach w wersji uproszczonej i w bardzo niewielkim stopniu. Dodatkowo tematy stanowiące kwestie sporne na arenie międzynarodowej (czyli albo słabo poznane, albo stanowiące problem w uzgodnieniach między krajami), zostały w Eurokodzie 2 [4] oraz normach związanych.

Mniej ogólnie problem trwałości ujęto we wzorcowej normie międzynarodowej "Model Code for Service Life Design" [5]. Kwestia wpływu środowiska na proces projektowania uzyskała nawet termin międzynarodowy - environmentality. Uznano, że w każdym projektowaniu, oprócz wymienionych filarów niezawodności, powinno się poświęcić uwagę środowisku. Oznacza to ustosunkowanie się podczas projektowania do następujących kwestii:

• jakie są znaczące wpływy na środowisko,
• dlaczego i w jakim stopniu są one istotne (lub nie),
• jak te problemy uwzględniono w projekcie.

Części dokumentacji dotyczące Środowiskowej Deklaracji Wyrobu będą opatrywane europejskim logo EPD (Environmental Product Declaration) [1].

Projektowanie na trwałość/okres użytkowania na podstawie norm i zaleceń międzynarodowych

Głównym zamiarem przepisów projektowania konstrukcji betonowych na trwałość i okres użytkowania jest pokazanie podejścia obliczeniowego, które pomoże w uniknięciu zniszczeń wywołanych naturalnymi czynnikami środowiskowymi.

Celem jest osiągnięcie porównywalnego podejścia do obranego podczas projektowania z uwagi na bezpieczeństwo, np. w Eurokodzie 2 [4]. Są to określone modele po stronie oddziaływań oraz po stronie odporności betonu na konkretne wpływy środowiska.

W tych zakresach norma PN-EN 1992-1-1:2008 [4] w p. 2.3.1 "Projektowy okres użytkowania, trwałość, zarządzanie jakością" nie podejmuje tematyki i odsyła do rozdz. 2 normy PN-EN 1990:2004 [6], gdzie znajdują się ogólne reguły, w tym orientacyjne projektowe okresy użytkowania (TABELA).

Eurokod PN-EN 1990:2004 [6] definiuje projektowy okres użytkowania jako przyjęty w projekcie przedział czasu, w którym konstrukcja lub jej część mają być użytkowane zgodnie z zamierzonym przeznaczeniem i przewidywanym utrzymaniem, bez potrzeby dużych napraw.

W dalszej części zawarto ogólne zasady i reguły dotyczące projektowania na trwałość. Według nich konstrukcje należy projektować w taki sposób, aby zmiany następujące w projektowym okresie użytkowania, z uwzględnieniem oddziaływań środowiska i przewidywanego poziomu utrzymania, nie obniżały właściwości użytkowych konstrukcji poniżej zamierzonego poziomu.

Aby zapewnić odpowiednią trwałość konstrukcji, zaleca się uwzględnić:

• zamierzone lub przewidywane użytkowanie konstrukcji,
• wymagane kryteria projektowe,
• oczekiwane warunki środowiskowe,
• skład, właściwości i zachowanie się materiałów i wyrobów,
• właściwości gruntu,
• rodzaj ustroju konstrukcyjnego,
• kształt elementów i szczegóły konstrukcyjne,
• jakość wykonania i poziom kontroli,
• szczególne środki zabezpieczające,
• zamierzone utrzymanie w projektowym okresie użytkowania.

Warunki środowiskowe należy określić na etapie projektowania, tak aby można było ocenić ich znaczenie z uwagi na trwałość i podjąć odpowiednie środki w celu ochrony materiałów stosowanych w konstrukcji. Stopień degradacji można ocenić na podstawie obliczeń, badań doświadczalnych, doświadczenia zebranego z wcześniejszych realizacji lub kombinacji tych podejść [6].

Przedstawione wskazania, mimo iż kładą nacisk na aspekty szczegółowe, stanowią jedynie podłoże do początkowych uzgodnień projektanta ze zleceniodawcą. Brak w nich zarówno precyzyjnych wskazówek jakościowych, jak i ilościowych do założeń projektowych.

Aby uzyskać bardziej wyczerpujące informacje dotyczące projektowania na trwałość, należy sięgnąć po rozdz. 4 Eurokodu 2 [4] "Trwałość i otulenie zbrojenia". Na wstępie znajdują się kolejne ogólne zasady, nawiązujące do Eurokodu PN-EN 1990:2004 [6] oraz normy materiałowej PN-EN 206-1:2003 [7]:

• trwała konstrukcja powinna przez cały projektowy okres użytkowania spełniać wymagania ze względu na użytkowalność, nośność i stateczność, bez istotnego obniżenia przydatności lub nadmiernych, nieprzewidzianych kosztów utrzymania;
• wymaganą ochronę konstrukcji należy ustalać, biorąc pod uwagę planowane zastosowanie, projektowy okres użytkowania, program utrzymania oraz oddziaływania;
• należy rozpatrzyć ewentualną rolę oddziaływań bezpośrednich i pośrednich, warunków w środowisku oraz skutków ich wspólnego, jednoczesnego działania;
• ochrona stali przed korozją zależy od zagęszczenia, jakości i grubości otuliny betonowej i od zarysowania.
  
  Zagęszczenie i jakość otulenia osiąga się przez kontrolowanie maksymalnej wartości współczynnika wodno-cementowego i minimalnej zawartości cementu (norma PN-EN 206-1:2003 [7]), które mogą być związane z minimalną klasą betonu;
• wystawione na działanie środowiska zamocowania metalowe, które mogą być poddane przeglądowi i wymianie, można zabezpieczać powłokami ochronnymi. W innych przypadkach należy je wykonywać z materiału odpornego na korozję;
• w szczególnych przypadkach należy wziąć pod uwagę wymagania dodatkowe (np. w odniesieniu do konstrukcji o charakterze tymczasowym lub monumentalnym, konstrukcji poddanych skrajnym lub niezwykłym oddziaływaniom itd.) [4, 6, 7].

W punkcie 4.3 "Wymagania dotyczące trwałości" dodano ponadto dwie ogólne zasady. Zapisano, że w celu zapewnienia projektowego okresu użytkowania konstrukcji należy podjąć odpowiednie kroki, chroniące każdy element konstrukcji przed wpływającymi na trwałość oddziaływaniami środowiska. Należy przy tym rozpatrywać:

• koncepcję konstrukcji,
• dobór materiałów,
• szczegóły konstrukcji,
• wykonanie,
• kontrolę jakości,
• przeglądy,
• sprawdzenia,
• środki specjalne (np. zastosowanie stali nierdzewnej, powłok, ochrony katodowej).

Należy też uwzględniać wymagania dotyczące trwałości. W związku z dużą liczbą zaleceń ogólnych Eurokod 2 [4] z normami powiązanymi przedstawia szczegółowe wskazania dotyczące uwzględniania trwałości w projektowaniu. Jest to właściwie kompletny zakres zaleceń odnoszących się do projektowania konstrukcji betonowych - żelbetowych i sprężonych - z uwagi na trwałość [1].

Oddziaływania środowiskowe wpływające na konstrukcję betonową

Szczególne znaczenie ma tu interakcja oddziaływań fizycznych, chemicznych i mechanicznych.

Konstrukcja betonowa narażona jest bezpośrednio na działanie zmiennych warunków atmosferycznych oraz skażenia środowiska naturalnego w wyniku działania następujących czynników:

• agresywne działanie atmosfery wskutek zanieczyszczeń chemicznych,
• promieniowanie słoneczne,
• cykliczne oddziaływania temperatury o zmiennym znaku,
• opady atmosferyczne,
• erozyjne działanie wód, ewentualnie zanieczyszczonych związkami chemicznymi,
• środki chemiczne stosowane do zimowego utrzymania dróg,
• prądy błądzące pochodzące od trakcji elektrycznej, które mogą wywołać niszczenie betonu wskutek za-chodzących procesów fizycznych i chemicznych.

Na procesy degradacji betonu wskutek oddziaływania środowiska wpływają oddziaływania mechaniczne od obciążeń użytkowych. Niekorzystne mogą być też znaczne obciążenia stałe i zmienne, a także działanie wiatru.

Powstanie naprężeń powyżej tzw. naprężeń krytycznych może wywołać proces mikropękania, a naprężenia zmienne o charakterze wielokrotnie powtarzalnym mogą przyspieszyć proces degradacji z powodu obniżonej wytrzymałości zmęczeniowej betonu [3].

W zależności od elementu konstrukcyjnego warunki środowiskowe zużywalności betonu są zróżnicowane. Zazwyczaj stanowią kombinację kilku rodzajów oddziaływań, co przedstawiono na RYS. 3., RYS. 4., RYS. 5., RYS. 6. i RYS. 7.

Agresywne oddziaływanie środowiska na konstrukcje betonowe uporządkowano w normie PN-EN 206-1:2003 [7]. Większość powierzchni betonowych konstrukcji mostowych narażona jest na karbonatyzację (klasy XC), zamrażanie i odmrażanie przy udziale soli odladzających, głównie chlorków (klasy XF i XD) oraz intensywnego ścierania (klasy XM). Wystąpić mogą także agresywne oddziaływania chemiczne (klasy XA), uzależnione od podłoża, wód powierzchniowych i gruntowych.

Tworzenie trwałości elementów betonowych obejmuje podejmowane działania na wszystkich etapach ich powstawania, w tym także na etapie wymiarowania konstrukcji, doboru, produkcji i dostaw materiałów oraz technologii wznoszenia.

Podczas przechodzenia od fazy kształtowania do oceny uzyskanej trwałości należy listę czynników wpływających na tę ocenę uzupełnić o niepewność wynikającą z realnego przebiegu eksploatacji, w tym poziomu wytężenia, faktycznej charakterystyki środowiska, zabiegów utrzymania, napraw i remontów oraz zdarzeń ekstremalnych [3, 8, 9].

Podsumowanie

W przyszłości projektowanie konstrukcji z betonu będzie obejmować trzy obszary, wymagające w praktyce równoległego rozważania:

• Pierwszy obszar to projektowanie konstrukcyjne bazujące w podstawowym zakresie na normach konstrukcyjnych. Powinno ono obejmować koncepcję konstrukcyjną, obliczenia, rysunki i inne związane dokumenty.
  
  Ponadto projekt konstrukcyjny ujmuje specyfikację materiałów, zasady wykonawstwa i kontroli przy wznoszeniu obiektu, koncentruje się na zdolności konstrukcji do przeniesienia fizycznych oddziaływań na nią przekazywanych.
• Drugi obszar to projektowanie na trwałość, skoncentrowane na odporności konstrukcji na wpływy środowiskowe.
• Trzecim obszarem jest projektowanie środowiskowe, ocena i zminimalizowanie wpływu konstrukcji na środowisko w całym okresie użytkowania, przy spełnionych wymaganiach projektowania konstrukcyjnego i projektowania na trwałość. Taki zakres jest przedmiotem projektowania zintegrowanego [1].

Projektowanie zintegrowane na okres użytkowania to innowacyjne podejście, łączące wszystkie ważne wymagania w jeden wspólny proces projektowania. Łączy się tu projektowanie na poziomie materiału, elementu konstrukcyjnego i całej konstrukcji.

Następnie na każdym z tych poziomów rozważa się wybrane kryteria z zakresu obejmującego cztery grupy:

• środowiskowe,
• ekonomiczne,
• techniczne
• i społeczno-kulturowe (RYS. 8).

Wagi poszczególnych kryteriów są zróżnicowane dla różnych typów obiektów lub ich części. Wobec tego RYS. 9 pokazuje cztery równoległe ścieżki uwzględniające kryteria:

• wpływu na środowisko,
• ekonomiczne, łącznie z wszystkimi kosztami eksploatacji,
• techniczno-technologiczne, dotychczas dominujące w procesie projektowania,
• społeczno-kulturowe, czyli określające wpływ obiektu na warunki społeczne.

Nowością w proponowanym podejściu jest zintegrowana ocena konstrukcji betonowych w okresie użytkowania, obejmująca zależną od czasu, wielokryterialną ocenę całej konstrukcji.

Podejście to powinno także brać pod uwagę różne kryteria użytkowe, kolejne fazy okresu użytkowania i różne poziomy rozpoznania - materiały, elementy i całą konstrukcję.

Szczególnie istotny jest wpływ na środowisko w kolejnych fazach okresu użytkowania konstrukcji betonowych, związany z różnymi procesami technologicznymi.

Fazy analizowane dla okresu użytkowania konstrukcji betonowej - od koncepcji do likwidacji - mogą w różnym stopniu wpływać na środowisko. Na RYS. 9 przedstawiono przykładowy wynik analizy.

Opracowano zaawansowane metody ujęcia ilościowego oddziaływania na środowisko całych konstrukcji. Ich podstawą jest najczęściej jedna z dwóch zasad postępowania:

• profil środowiskowy - zbiory wartości odniesionych do różnych kryteriów,
• oddziaływanie na środowisko - wyrażone przez jedną charakterystyczną wartość, suma ważona wartości odniesionych do różnych kryteriów [1].

Literatura

1. A. Ajdukiewicz, "Aspekty trwałości i wpływu na środowisko w projektowaniu konstrukcji betonowych", "Przegląd Budowlany", nr 2/2011, s. 20–29.
2. A. Ajdukiewicz, "Konstrukcje betonowe projektowane na okres użytkowania - badania i nowe ujęcia normatywne" [w:] "Problemy naukowo-badawcze budownictwa", t. II "Konstrukcje budowlane i inżynierskie", Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok 2007.
3. P. Woyciechowski, G. Adamczewski, "Kształtowanie trwałości betonowych konstrukcji mostowych", Wydawnictwo Polskiej Izby Inżynierów Budownictwa Sp. z o.o., Warszawa 2014.
4. PN-EN 1992-1-1:2008, "Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków".
5. "Model Code for Service Life Designe", fib Bulletin No. 34, 2006.
6. PN-EN 1990:2004, "Eurokod. Podstawy projektowania konstrukcji".
7. PN-EN 206-1:2003, "Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność".
8. A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniok, "Diagnostyka konstrukcji żelbetowych badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu", PWN, Warszawa 2011.
9. W. Wołowicki, "Trwałość betonowych konstrukcji mostowych", konferencja "Dni Betonu. Tradycja i nowoczesność", Szczyrk 2002.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!