E:PARAMETRYZACJANOWYPARAMETRYZACJA1.2004DiM1.04SPISbluebox.ippt.pan.pl/~mglinic/dim_1_04.pdf ·...

1 / 2004ISSN 1643-1618

W kwartalniku DROGI i MOSTY drukowane s¹ prace naukowe, nauko-wo techniczne i studialne z dziedziny in¿ynierii l¹dowej, obejmuj¹ce za-gadnienia z zakresu projektowania, budowy i utrzymania dróg, lotnisk,

mostów oraz innych obiektów infrastruktury drogowej.

ZESPÓ£ REDAKCYJNY

Micha³ A. Glinicki - redaktor naczelnyMariusz Wojdal - sekretarz redakcjiJuliusz Cieœla, Stanis³aw P. Glinicki,

Szymon Imie³owski, Jerzy Pi³at

RADA PROGRAMOWA

Andrzej M. Brandt, Maciej Gryczmañski, Józef Judycki,Wojciech Radomski, Leszek Rafalski, Dariusz Sybilski,

Antoni Szyd³o, Witold Wo³owicki

© Copyright by Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa 2004

ADRES REDAKCJI ”D R O G I i M O S T Y”

INSTYTUT BADAWCZY DRÓG I MOSTÓW

ul. Jagielloñska 80, 03-301 Warszawa

tel.(0-22) 811 39 99, 675 57 88 fax (0-22) 811 17 92

e-mail: [email protected]

” D R O G I i M O S T Y ” 1 / 2 0 0 4

SPIS T R E Œ C I

A d a m M. G l i n i c k i, M i c h a ³ A. G l i n i c k i, I r e n e u s z M i k u l i c k i −Ocena napowietrzenia betonów w nawierzchniach jezdni i parkingów · · · · · · · · · 5

C e z a r y K r a s z e w s k i, J a n P a c h o w s k i − Wykorzystanieprzetworzonych osadów porafineryjnych do stabilizacji gruntóww budownictwie drogowym. Cz. II - Badania odcinków doœwiadczalnych · · · · · · 25

G r a ¿ y n a £ a g o d a, M a r e k £ a g o d a − Aspekt estetycznykszta³towania obiektów mostowych · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 55

I z a b e l a M a r c z e w s k a, W ³ o d z i m i e r z S o s n o w s k i −Projektowanie ogólnego kszta³tu mostu przy u¿yciu metodoptymalizacji topologicznej · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 87

Wskazówki dla Autorów· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 103

C O N T E N T S

A d a m M. G l i n i c k i, M i c h a ³ A. G l i n i c k i, I r e n e u s z M i k u l i c k i −Evaluation of air-entrainment in concrete roads and parking pavements · · · · · · · · 5

C e z a r y K r a s z e w s k i, J a n P a c h o w s k i − Utilization of post - refineryoil sludge for soil stabilisation in road construction.Part II - Trial sections tests · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 25

G r a ¿ y n a £ a g o d a, M a r e k £ a g o d a − Aesthetic aspect of the shapeof bridge structures · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 55

I z a b e l a M a r c z e w s k a, W ³ o d z i m i e r z S o s n o w s k i −General shape design of the bridge structure using topologyoptimalization methods · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 87

Instruction for Authors · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 103

Nr 1 2004

ADAM M. GLINICKI1)

MICHA£ A. GLINICKI2)

IRENEUSZ MIKULICKI3)

OCENA NAPOWIETRZENIABETONÓW W NAWIERZCHNIACH

JEZDNI I PARKINGÓW

STRESZCZENIE. W pracy przedstawiono rezultaty wdro¿enia metodyki badañ struktury po-

rów powietrznych do oceny w³aœciwoœci betonów nawierzchniowych. Na zlecenie inwestora

lub nadzoru budowy przeprowadzono badania na próbkach stwardnia³ego betonu, pobranych

z kilku placów budów: nawierzchni drogi, nawierzchni na przejœciu granicznym, nawierzchni

parkingów na gruncie i parkingów wielopoziomowych. Wyniki badañ zestawiono z wymagania-

mi normowymi i krajowymi specyfikacjami technicznymi. W kilku przypadkach stwierdzono wy-

stêpowanie nieprawid³owoœci struktury porów powietrznych w betonie, pomimo zastosowania

œrodków napowietrzaj¹cych spe³niaj¹cych wymagania normowe. W innych nawierzchniach

uzyskano obrazy struktury œwiadcz¹ce o w³aœciwym napowietrzeniu betonów. Na podstawie

analizy rozmieszczenia porów powietrznych w betonie, wbudowanym w nawierzchniê drogi

krajowej w ci¹gu kilkunastu miesiêcy, uzyskano œwiadectwo dobrej jednorodnoœci, sta³ej wyso-

kiej jakoœci produkcji mieszanki betonowej i wykonania nawierzchni. Wskazano mo¿liwoœci

optymalizacji mikrostruktury betonów nawierzchniowych na podstawie badania porów powietrz-

nych w stwardnia³ym betonie.

1. WSTÊP

Stosowanie betonów napowietrzonych do wykonania nawierzchni drogowych jestpraktyk¹ rozpowszechnion¹ w wielu krajach, w których z powodu warunków klima-tycznych zapewnienie mrozoodpornoœci betonów ma pierwszorzêdne znaczenie.

1) mgr in¿. – GDDKiA Oddzia³ w Bia³ymstoku, Laboratorium Drogowe2) doc. dr hab. in¿. – Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN oraz Instytut Badawczy Dróg

i Mostów, Warszawa3) mgr in¿. – GDDKiA Oddzia³ w £odzi, Laboratorium Drogowe

DROGI i MOSTY 5

Napowietrzanie mieszanki betonowej jest praktycznym sposobem zapobiegania roz-sadzaniu betonu wskutek zamra¿ania wody w kapilarach, wynikaj¹cym z teorii ciœ-nienia hydraulicznego, sformu³owanego przez Powersa [1] w 1945 roku. Od wielu lats¹ znane i akceptowane pogl¹dy, ¿e warunkiem koniecznym uzyskania odpowiedniejmrozoodpornoœci jest w³aœciwa iloœæ w³aœciwie rozmieszczonych pêcherzyków po-wietrza w betonie (np. Fagerlund [2], Rusin [3]). Poprzez w³aœciwe rozmieszczenierozumie siê równomiern¹ przestrzenn¹ dystrybucjê drobnych pêcherzyków powie-trza, które s¹ rozmieszczone dostatecznie blisko siebie, tak aby dzia³a³y jako komorykompensuj¹ce naprê¿enia, powstaj¹ce wskutek przyrostu objêtoœci wody zamar-zaj¹cej w kapilarach.

Napowietrzanie mieszanki betonowej oraz liczne wymagania dotycz¹ce sk³adu i pro-porcji mieszanki, wynikaj¹ce z wymagañ mrozoodpornoœci, stanowi¹ podstawêwspó³czesnej technologii betonów nawierzchniowych wed³ug Ogólnych SpecyfikacjiTechnicznych GDDKiA [4] oraz normy na lotniskowe nawierzchnie z betonu cemen-towego [5]. Analogiczne wytyczne w zakresie budowy betonowych nawierzchni drógformu³uje niemiecki dokument ZTV Beton-StB 01 wprowadzony w 2001 roku [6]. Wtym kontekœcie u¿ytkownik nowej normy PN-EN 206-1: 2003 [7] natychmiast zauwa-¿a brak bezpoœrednich wymagañ mrozoodpornoœci betonu, co stanowi istotn¹ ró¿nicêw porównaniu z zaleceniami normy PN-88/B-06250 [8], jak równie¿ z wymienionymidokumentami administracji drogowej. Wdro¿enie normy PN-EN 206-1: 2003 do sto-sowania w praktyce, wraz z krajow¹ norm¹ uzupe³niaj¹c¹ PN-B-06265 [9], wymagajej w³aœciwego umiejscowienia obok specyfikacji GDDKiA.

Celem pracy jest przedstawienie wyników badañ struktury porów powietrznych wbetonach nawierzchniowych wykonanych na kilku odcinkach drogi i parkingach wlatach 2001-2003. Badania zosta³y przeprowadzone w laboratorium IPPT PAN napróbkach stwardnia³ego betonu pobranych z wykonanych nawierzchni na zlecenieb¹dŸ inwestora b¹dŸ nadzoru budowy.

2. WYMAGANE NAPOWIETRZENIE BETONU

Zapewnienie trwa³oœci betonu jest przewodnim motywem normy PN-EN206-1:2003. Wprowadzone zosta³y klasy oddzia³ywania œrodowiska obejmuj¹cem.in. oddzia³ywanie mrozu, oznaczone XF1-XF4. Wymagania w odniesieniu do be-tonów nara¿onych na oddzia³ywanie mrozu s¹ wszak¿e ograniczone do minimalnejklasy wytrzyma³oœci na œciskanie, maksymalnego wskaŸnika wodno-cementowego,minimalnej zawartoœci cementu oraz minimalnego napowietrzenia. W klasach eks-pozycji XF2, XF3 i XF4 wymaga siê napowietrzenia wynosz¹cego 4%, rozumiane-go jako minimalna zawartoœæ powietrza w mieszance betonowej, okreœlona metod¹ciœnieniow¹. Górn¹ granicê zawartoœci powietrza stanowi wyspecyfikowana war-toœæ minimalna powiêkszona o 4%. Kryteria zgodnoœci dotycz¹ce zawartoœci powie-trza w napowietrzonej mieszance betonowej okreœlaj¹ maksymalne dopuszczalne

DROGI i MOSTY 1/2004

6 Adam M. Glinicki, Micha³ A. Glinicki, Ireneusz Mikulicki

odchylenia pojedynczych wyników badania: -0,5% od dolnej granicy oraz +1,0% odgórnej granicy. Zatem zawartoœci powietrza w napowietrzonej mieszance betonowejpowinny mieœciæ siê w granicach 3,5% - 9%.

Wymagania napowietrzenia wed³ug [7] zosta³y uproszczone w stosunku do wymagañnormy PN-88/B-06250, w której potrzebne napowietrzenie by³o m.in. uzale¿nione oduziarnienia kruszywa (jedynie do 6% przy uziarnieniu kruszywa do 32 mm). Dopusz-czalna wed³ug nowej normy w klasach XF2-XF4 wartoœæ maksymalnego wskaŸnikaw/c wynosi od 0,45 do 0,55, podczas gdy norma [8] dopuszcza³a wskaŸniki w/c wgranicach 0,55-0,75. Ostrzejsze wymagania nowej normy dotycz¹ tak¿e minimalnejzawartoœci cementu od 300 do 340 kg/m3, gdy dotychczas wymagane minimalne za-wartoœci cementu by³y nie wiêksze ni¿ 270 kg/m3. Intencjê Autorów normy EN 206-1nale¿y odczytywaæ wiêc jako przekonanie, ¿e odpowiednio niski wskaŸnik w/c i od-powiednio wysoka zawartoœæ cementu i wytrzyma³oœæ betonu na œciskanie usprawie-dliwia znaczne uproszczenia wymagañ dotycz¹cych napowietrzenia betonu.

Z definicji domieszkami napowietrzaj¹cymi s¹ substancje umo¿liwiaj¹ce wprowa-dzenie podczas mieszania okreœlonej iloœci równomiernie rozmieszczonych pêche-rzyków powietrza (wg PN-EN 206-1 zwykle o œrednicach 10-300 µm), które pozo-staj¹ w betonie stwardnia³ym. Wed³ug normy PN-EN 934-2: 2002 [10] wymaganiadotycz¹ce domieszek napowietrzaj¹cych, zawarte w tablicy 5 tej normy, dotycz¹ -oprócz wytrzyma³oœci na œciskanie betonu - zawartoœci powietrza w mieszance beto-nowej i charakterystyki rozk³adu porów w stwardnia³ym betonie. Na betonie wzorco-wym przeprowadza siê wiêc sprawdzenie wskaŸnika rozmieszczenia porów (ang.spacing factor), który nie powinien przekraczaæ 0,200 mm. Mo¿na mniemaæ, ¿e skorodomieszka napowietrzaj¹ca spe³nia wymagania stawiane w normie [10], to jej stoso-wanie w ka¿dym betonie (nie tylko wzorcowym) automatycznie zapewni w³aœciwerozmieszczenie pêcherzyków powietrza przy zapewnieniu w³aœciwej objêtoœci wpro-wadzanego powietrza. Takie by³o prawdopodobnie za³o¿enie normy EN 206-1.

Na podstawie przepisów szczegó³owych dotycz¹cych betonów stosowanych w bu-downictwie komunikacyjnym [4] koniecznoœæ napowietrzania betonu wynika z sa-mej definicji betonu nawierzchniowego: jest to beton napowietrzony o okreœlonejwytrzyma³oœci na rozci¹ganie przy zginaniu i mrozoodpornoœci, wbudowany w na-wierzchniê. Przez beton napowietrzony rozumie siê beton zawieraj¹cy dodatkowowprowadzone powietrze w postaci pêcherzyków, w iloœci nie mniejszej ni¿ 3,5% ob-jêtoœci zagêszczonej masy betonowej, powsta³e w wyniku dzia³ania dodanych do-mieszek napowietrzaj¹cych. Powietrze celowo wprowadzane do mieszanki beto-nowej definiuje siê jako mikroskopijne pêcherzyki zwykle o œrednicy od 10 µm do300 µm oraz kszta³cie sferycznym; wprowadzane do mieszanki betonowej z regu³yprzez zastosowanie œrodka powierzchniowo czynnego.

Wymagania OST D - 05.03.04 [4] dotycz¹ zarówno sk³adników betonu, m.in.:

• zawartoœæ cementu ≥ 350 kg/m3, a zawartoœæ cementu wraz z ziarnamido 0,25 mm ≤ 450 kg/m3,

OCENA NAPOWIETRZENIA BETONÓW W NAWIERZCHNIACH 7

• wskaŸnik wodno-cementowy < 0,45.

• domieszka napowietrzaj¹ca,

• kruszywa ³amane i ¿wirowe o okreœlonej mrozoodpornoœci, œcieralnoœci,nasi¹kliwoœci, spe³niaj¹ce wymagania zawartoœci ziarn nieforemnych,zanieczyszczeñ itd.

oraz w³aœciwoœci betonu stwardnia³ego, tj.

• klasa betonu od B 30 do B 50,

• wytrzyma³oœæ betonu na rozci¹ganie przy zginaniu 4,0 - 6,5 MPa,

• nasi¹kliwoœæ betonu ≤ 5,0%,

• mrozoodpornoœæ betonu: min. F 150 (metoda zwyk³a wg PN-B/06250) orazodpornoœæ na z³uszczanie powierzchniowe wskutek oddzia³ywania mrozui soli odladzaj¹cych,

• wskaŸnik rozmieszczenia porów powietrznych ≤ 0,200 mm.

Zalecana zawartoœæ powietrza w mieszance betonowej podana jest w tablicy 1.

Tablica 1. Zalecana zawartoœæ powietrza w mieszance betonowej [4]Table 1. Recommended air volume in concrete mix [4]

Maksymalnaœrednica

ziaren kruszywa

Zawartoœæ powietrza w mieszance [%]

bez domieszki up³ynniaj¹cejlub uplastyczniaj¹cej

z domieszk¹ up³ynniaj¹c¹lub uplastyczniaj¹c¹

œrednia dzienna minimalna œrednia dzienna minimalna

8 mm 5,5 5,0 6,5 6,0

16 mm 4,5 4,0 5,5 5,0

31,5 mm 4,0 3,5 5,0 4,5

Parametr rozmieszczenia porów powietrznych okreœla czy beton stwardnia³y (a niemieszanka betonowa) jest w³aœciwie napowietrzony, tj. czy potrzebna iloœæ porów po-wietrznych jest w³aœciwie rozmieszczona, gdy¿ wiadomo [2], ¿e struktura porów po-wietrznych w betonie jest krytycznym wskaŸnikiem jego odpornoœci na oddzia-³ywanie mrozu i soli odladzaj¹cych.

3. OPIS BADAÑ STRUKTURY PORÓW POWIETRZNYCH

Badania struktury porów powietrznych w betonie przeprowadzono na próbkach-od-wiertach pobranych z nawierzchni jezdni lub parkingów. Odwierty rdzeniowe pobie-rano przy u¿yciu ró¿nych wiertnic do betonu stosuj¹c wiert³a koronkowe o œrednicy



oko³o 100 mm. Odwierty wykonano prostopadle do powierzchni jezdni przez ca³¹gruboœæ nawierzchni lub na g³êbokoœæ co najmniej 150 mm.

Pobrane próbki walcowe zosta³y przeciête wzd³u¿ tworz¹cej walca, aby uzyskaæ prób-ki p³askie reprezentuj¹ce przekroje prostopad³e do powierzchni jezdni. Wyciête prób-ki p³askie mia³y wymiary 100× 100 mm (szerokoœæ× g³êbokoœæ od powierzchni). Wcelach porównawczych wyciêto tak¿e próbki p³askie z kostek betonowych o boku150 mm, formowanych w laboratorium na etapie projektowania mieszanki betono-wej. Technika przygotowania zg³adów do obserwacji mikroskopowych i metoda ana-lizy struktury porów powietrznych w betonie zosta³a szczegó³owo opisana przezZa³ochê i Kasperkiewicza [11]. Stosowana w IPPT PAN automatyczna metoda anali-zy odpowiada okreœlonej w normie PN-EN 480-11: 2000 [12] metodzie trawersowej,polegaj¹cej na zliczaniu i pomiarze d³ugoœci przeciêæ linii trawersowej z porami po-wietrznymi. Rozk³ad œrednic porów powietrznych okreœla siê na podstawie d³ugoœciprzeciêæ linii trawersowej. W porównaniu z metodami analizy manualnej ([13], [14])zastosowanie metody automatycznej analizy struktury porów pozwala znacznie przy-spieszyæ badanie przy zachowaniu wysokiej precyzji pomiarów.

Strukturê porów powietrznych charakteryzuj¹ nastêpuj¹ce parametry:

– ca³kowita zawartoœæ porów powietrznych - A,

– wskaŸnik rozmieszczenia porów - L,

– zawartoœæ mikroporów o œrednicy do 300 µm - A300

,

– powierzchnia w³aœciwa porów -α.

WskaŸnik rozmieszczenia porów powietrznych okreœla uœrednion¹ najwiêksz¹ od-leg³oœæ od dowolnego punktu w stwardnia³ym zaczynie cementowym do najbli¿szejpustki powietrznej, jak pokazano schematycznie na rysunku 1. Wed³ug wzorów poda-nych w normie [12] wskaŸnik rozmieszczenia porów oblicza siê na podstawie warto-œci A (zawartoœæ porów powietrznych w stwardnia³ym betonie) orazα (powierzchniaw³aœciwa porów), okreœlanych bezpoœrednio na podstawie pomiarów.


Rys.1 Schematyczna ilustracja rozmieszczenia porów powietrznych w przekroju betonu

Fig.1. Schematic distribution of air voids in a cross section of hardened concrete

4. WYNIKI BADAÑ NAPOWIETRZENIA BETONÓW “IN SITU”

4.1. NAWIERZCHNIA PARKINGU DWUPOZIOMOWEGO

Badania przeprowadzone w IPPT PAN na zlecenie inwestora dotyczy³y betonu w gór-nej p³ycie odkrytego parkingu samochodów przed hipermarketem. Badania zosta³yprzeprowadzone na etapie projektu mieszanki betonowej i wyboru dostawcy betonuoraz podczas kontroli jakoœci wbudowanego betonu. Przedmiotem wyboru by³ pro-jekt betonu klasy B 37, wykonanego przy wskaŸniku w/c ≤ 0,45, z u¿yciem grysówgranitowych lub bazaltowych o uziarnieniu do 16 mm. Porównywane mieszanki beto-nowe zosta³y napowietrzone przy zastosowaniu œrodków napowietrzaj¹cych, spe³-niaj¹cych wymagania odpowiednich norm. W tablicy 2 podano zawartoœæ cementu iwskaŸnik wodno-cementowy szeœciu porównywanych mieszanek betonowych. Za-mieszczone zbiorcze wyniki badania struktury porów powietrznych wskazuj¹, ¿ewskaŸnik rozmieszczenia porów ≤ 0,200 mm – wymagany w œwietle normy [10] –uzyskano w przypadku betonów oznaczonych BP 8, BP 11 i BP 12. Na podstawie wy-sokiej zawartoœci mikroporów o œrednicy poni¿ej 300 µm oraz wysokiej powierzchniaw³aœciwej porów, mo¿na wnioskowaæ o wysokiej jakoœci procesu napowietrzania be-tonu: pêcherzyki powietrza, g³ównie o œrednicy poni¿ej 0,5 mm, s¹ rozmieszczonerównomiernie i blisko siebie. Porównanie rozk³adu wielkoœci porów w betonie po-zwala jednoznacznie odró¿niæ w³aœciwe i nieprawid³owe struktury porów powietrz-nych, co zilustrowano przyk³adowo na rysunku 2. W odró¿nieniu od struktury poróww betonie BP 12, w betonie BP 4 przewa¿aj¹ pêcherzyki powietrza o œrednicach po-wy¿ej 0,5 mm, a zawartoœæ mikroporów wynosi jedynie 0,8%. Tak¹ znaczn¹ ró¿nicêstruktury porów powietrznych zauwa¿ono przy ró¿nicy zawartoœci powietrza niewie-le przekraczaj¹cej 1%. Uzyskane wyniki badañ umo¿liwi³y inwestorowi szczegó³ow¹ocenê oferentów i dokonanie wyboru najlepszego wykonawcy.

Tablica 2. Wyniki badania struktury porów powietrznych w próbkach betonówprzeznaczonych na nawierzchniê parkinguTable 2. Results of air void structure tests on specimens of concrete designedfor parking pavement

Oznaczeniebetonu

WskaŸnik w/cZawartoœæ cementu

[kg/m3]

L

[mm]

α

[mm2/mm3]

A300

[%]

A

[%]

BP1 0,39 386 0,23 26 0,89 3,29

BP4 0,38 386 0,32 16 0,83 4,55

BP6 0,43 395 0,21 28 1,34 3,82

BP8 0,45 364 0,19 23 1,60 6,15

BP11 0,38 370 0,16 24 2,34 6,66

BP12 0,38 370 0,15 30 2,84 5,71



Przyjêto oznaczenia:

L – wskaŸnik rozmieszczenia porów wed³ug PN-EN 480-11:2000,

A300

– zawartoœæ mikroporów o œrednicy ≤ 300 µm,

α – powierzchnia w³aœciwa porów,

A – zawartoœæ powietrza w stwardnia³ym betonie.


Rys.2. Rozk³ad œrednic porów powietrza w betonie przeznaczonym

na nawierzchniê parkingu (BP4, BP12)

Fig.2. Distribution of air void diameters in concrete designed

for parking pavement (BP4, BP12)

Kontrola jakoœci napowietrzania betonu wbudowanego w nawierzchniê parkingu,przeprowadzona po 5 tygodniach od wykonania, na odwiertach o œrednicy 100 mm,potwierdzi³a zgodnoœæ z projektem betonu. Na podstawie przeprowadzonych badañstwierdzono wskaŸnik rozmieszczenia porów w betonie wynosz¹cy 0,11mm, zawa-rtoœæ mikroporów 3,0%, oraz powierzchniê w³aœciw¹ porów wynosz¹c¹ 30 mm-1.Œwiadczy³o to o wysokiej jakoœci produkcji betonu i prawid³owej technologiiuk³adania i zagêszczania betonu.

4.2. NAWIERZCHNIA PARKINGU TIR PRZEDCENTRUM DYSTRYBUCJI

Badania dotyczy³y nawierzchni parkingu na samochody ciê¿arowe, wykonanego zbetonu na podbudowie z gruntu stabilizowanego cementem. Beton napowietrzonyklasy B 35 wykonany zosta³ m.in. z cementu CEM I 42,5 NA, z u¿yciem superpla-styfikatora i domieszki napowietrzaj¹cej (tabl. 3). Projektowano mrozoodpornoœæbetonu F150 wg PN-B/88-06250. Wed³ug dokumentacji zmierzona zawartoœæ po-wietrza w mieszance betonowej wynosi³a 5%.

Tablica 3. Proporcje mieszanki betonowej B 35 na nawierzchniê parkinguTable 3. Mix design for B 35 concrete for parking pavement

Sk³adniki Zawartoœæ [kg/m3]

cement CEM I 42,5 NA 385

grys bazaltowy 8-16 568

grys bazaltowy 2-8 662

piasek p³ukany 662

woda 168

superplastyfikator 1,4% m.c. 5,4

domieszka napowietrzaj¹ca 0,033% m.c. 0,127

razem 2450

W zwi¹zku z w¹tpliwoœciami inwestora odnoœnie jakoœci wbudowanego betonu prze-prowadzono badania strukturalne na odwiertach z nawierzchni. Na podstawie prze-prowadzonych badañ stwierdzono ca³kowit¹ zawartoœæ powietrza w stwardnia³ymbetonie 13,8%, wskaŸnik rozmieszczenia porów w betonie wynosz¹cy 0,22 mm orazpowierzchniê w³aœciw¹ porów wynosz¹c¹ 9,3 mm-1. Bardzo wysoka zawartoœæ po-wietrza oraz niska powierzchnia w³aœciwa porów œwiadcz¹ o niew³aœciwym napo-wietrzeniu mieszanki. Jak pokazano na rozk³adzie zawartoœci powietrza w funkcjiœrednicy porów (rys. 3) przewa¿aj¹ca czêœæ porów w stwardnia³ym betonie mia³aœrednice w granicach od 0,45 mm do 2,0 mm (a nie 0,01- 0,30 mm jak domniemano w



normie PN-EN 206-1). £¹czna iloœæ powietrza i rozk³ad wielkoœci porów by³a zapew-ne wynikiem nadmiernej iloœci œrodka napowietrzaj¹cego albo niestabilnoœci¹ napo-wietrzenia; ewentualnym przyrostem napowietrzenia w czasie transportu mo¿na by³o-by wyt³umaczyæ rozbie¿noœæ wyników pomiaru zawartoœci powietrza w stwardnia³ymbetonie (na odwiertach z nawierzchni) i w mieszance betonowej - mo¿liwe ¿e pomiarudokonano przy wêŸle, a nie na placu budowy.

4.3. NAWIERZCHNIA JEZDNI NA ODCINKU DROGI KRAJOWEJ

Badania przeprowadzone zosta³y w dwóch etapach: podczas projektowania mieszan-ki betonowej (na kostkach o boku 150 mm formowanych w laboratorium) oraz pod-czas budowy nawierzchni (na próbkach-odwiertach o œrednicy 100mm pobranych znawierzchni). W sk³adzie zastosowanej mieszanki betonowej B 40 zastosowano ce-ment CEM I 32,5, grysy amfibolitowe i kwarcytowe do 32 mm, superplastyfikator idomieszkê napowietrzaj¹c¹ (tabl. 4). Wyniki badania struktury porów powietrznychs¹ przedstawione w tablicy 5. Przyjêto oznaczenia identyczne jak w tablicy 2.


Rys.3. Rozk³ad œrednic porów powietrza w betonie wbudowanym w nawierzchniê

parkingu (wartoœci œrednie z dwóch próbek AV 16 i AV 17)

Fig. 4. Distribution of air void diameters in concrete pavement

(average of two specimens AV 16 and AV 17)

Tablica 4. Proporcje mieszanki betonowej B 40Table 4. Mix design for B 40 concrete


cement CEM I 32,5 R 360

grys 16-32mm 645

grys 8-16 mm 475

grys 2-8 mm 228

piasek 0-2 mm 551

woda 144



razem 2403

Tablica 5. Wyniki badania struktury porów powietrznych w betonienawierzchniowymTable 5. Test results of air void structure in concrete pavement

Oznaczeniepróbki

L

[mm]

α

[mm2/mm3]

A300

[%]

A

[%]

etap projektowania mieszanki betonowej

DK_01A 0,11 49 2,00 3,61

DK_01B 0,10 53 2,07 3,70

DK_02A 0,15 41 1,27 2,65

DK_02B 0,11 47 1,82 3,95

etap kontroli jakoœci zbudowanej nawierzchni

DK2_1 0,11 35 3,40 6,75

DK2_2 0,12 46 1,81 3,66

DK3_1 0,12 41 2,32 4,49

DK3_2 0,12 48 1,80 3,29

DK3_3 0,12 50 1,81 3,09

DK3_4 0,16 38 0,94 2,66

DK4_1 0,12 47 2,12 3,48

DK4_2 0,13 43 1,93 3,24



Z przeprowadzonych badañ na etapie projektowania mieszanki betonowej wynika,¿e wskaŸnik rozmieszczenia porów w betonie zawiera³ siê w granicach od 0,11 do0,15 mm, natomiast powierzchnia w³aœciwa porów wynosi³a od 35 do 53 mm-1. Jakstwierdzono, parametry struktury porów powietrznych betonu wbudowanego w na-wierzchniê nie odbiega³y zasadniczo od parametrów okreœlonych na etapie projekto-wania mieszanki: w ci¹gu kilkunastu miesiêcy prowadzenia prac betonowych wskaŸ-nik rozmieszczenia porów powietrznych w stwardnia³ym betonie utrzymywa³ siê wgranicach 0,11-0,16 mm. Œwiadczy to o wysokiej jakoœci napowietrzenia mieszankibetonowej.

Uzyskane w ramach nadzoru budowy wyniki badania mrozoodpornoœci betonu wy-kaza³y po 150 cyklach zamra¿ania i odmra¿ania wed³ug normy [8]:

– ubytek masy od 0 do 0,27 % (jezdnia lewa ) oraz od 0,05 do 0,42% (jezdnia pra-wa),

– spadek wytrzyma³oœci na œciskanie : od 4,0 do 13,1 % (jezdnia lewa) oraz od 6,3do 9,3 % (jezdnia prawa).

Wytrzyma³oœæ betonu na œciskanie po 28 dniach wynosi³a od 40,4 do 58,0 MPa (jezd-nia lewa) oraz od 42,3 do 52,4 MPa (jezdnia prawa). Otrzymane wyniki wytrzy-ma³oœci i mrozoodpornoœci betonu œwiadcz¹ o wysokiej jakoœci oraz trwa³oœcibetonu i koresponduj¹ z wynikami struktury porów powietrznych w betonie.

4.4. NAWIERZCHNIA DROGOWEGO PRZEJŒCIA GRANICZNEGO

Badania przeprowadzone zosta³y na próbkach-odwiertach o œrednicy 100mm, pobra-nych z nawierzchni. Sk³ad zastosowanej mieszanki betonowej B 40 podano w tablicy6. Podczas betonowania odcinka próbnego nawierzchni zmierzona zawartoœæ powie-trza w mieszance betonowej, okreœlona metod¹ ciœnieniow¹, wynosi³a od 4,0 do 5,6%.

Tablica 6. Proporcje mieszanki betonowej B 40 na nawierzchniê przejœcia granicznegoTable 6. Mix design for B 40 concrete for a frontier facilities pavement


cement CEM I 42,5 NA 395

grys granodiorytowy 8-16 568

grys granodiorytowy 2-8 662

piasek p³ukany 662

woda 156



razem 2448


Uzyskane wyniki badania struktury porów powietrznych, przedstawione w tablicy 7(oznaczenia identyczne jak w tabl. 2), œwiadcz¹ o dobrej jakoœci procesu napowie-trzania betonu: pêcherzyki powietrza, g³ównie o œrednicy poni¿ej 0,5 mm, s¹ roz-mieszczone równomiernie i blisko siebie. WskaŸnik rozstawu porów w betoniewynosi³ 0,11- 0,12 mm, natomiast powierzchnia w³aœciwa porów wynosi³a od 35 do53 mm-1. Parametry struktury porów powietrznych betonu wbudowanego w na-wierzchniê drogowego przejœcia granicznego spe³niaj¹ wymagania normy [10] orazogólnych specyfikacji [4].

Tablica 7. Wyniki badania struktury porów powietrznych w próbkach pobranychz nawierzchni betonowejTable 7. Results of air void structure tests on specimens cored outof concrete pavement

Oznaczenie próbkiL

[mm]

α

[mm2/mm3]

A300

[%]

A

[%]

PG1_G 0,11 34,5 2,47 6,45

PG1_D 0,11 28,3 3,09 7,81

PG2_G 0,11 30,0 2,85 6,97

PG2_D 0,12 32,2 3,30 6,42

W ramach badañ nadzoru budowy stwierdzono prawid³ow¹ wytrzyma³oœæ wbudo-wanego betonu. Badania przeprowadzone na odcinku próbnym wykaza³y wytrzy-ma³oœæ betonu na œciskanie w granicach od 34,0 do 35,8 MPa po 7 dniach (naodwiertach o œrednicy 100 mm). Wytrzyma³oœæ betonu po 28 dniach wynosi³a: od46,7 do 52,4 MPa przy œciskaniu próbek szeœciennych o boku 150 mm oraz od 5,6 do6,0 MPa przy rozci¹ganiu przy zginaniu. Wyniki kontroli wytrzyma³oœci na œciskaniena próbkach kostkowych pobieranych w kolejnych dniach betonowania nawierzchnipokazano na rysunku 4 (ka¿dy punkt oznacza wartoœæ œredni¹ z trzech wyników ba-dania kostek o boku 150 mm). Chocia¿ zawartoœæ powietrza w stwardnia³ym betoniesiêga³a 7,8% uzyskano w³aœciwy i stabilny poziom wytrzyma³oœci betonu.



5. DYSKUSJA WYNIKÓW

Na podstawie przeprowadzonych doœwiadczeñ mo¿na stwierdziæ, ¿e nie zawsze uzy-skuje siê w³aœciw¹ strukturê porów powietrznych w krajowych betonach wbudowa-nych w konstrukcje nara¿one na mróz i nieraz œrodki odladzaj¹ce, pomimo za-stosowania domieszek napowietrzaj¹cych zgodnych z normami. Nierzadko wprowa-dzone powietrze zawiera pêcherzyki o œrednicach powy¿ej 0,300 mm, które niespe³niaj¹ w³aœciwej funkcji zapewnienia mrozoodpornoœci, a przy œrednicach pêche-rzyków siêgaj¹cych 2mm znacz¹co obni¿aj¹ wytrzyma³oœæ betonu. Jak mo¿na wiêczauwa¿yæ, normowy zapis wg PN-EN 206-1, definiuj¹cy pêcherzyki powietrzawprowadzane do betonu przy napowietrzaniu: "zwykle o œrednicach 10-300 µm", niekoresponduje z wnioskami wynikaj¹cymi z praktyki. Jednoczeœnie sformu³owane wtej normie wymagania na ca³kowit¹ objêtoœæ powietrza w mieszance (i stosowanametoda badawcza) zupe³nie nie koresponduj¹ z podan¹ definicj¹ pêcherzyków po-wietrza wprowadzanych przy napowietrzaniu.

Zaobserwowane relacje miêdzy wynikami pomiarów zawartoœci powietrza w stwar-dnia³ym betonie A oraz wynikami pomiarów zawartoœci powietrza w mieszance be-tonowej wymagaj¹ komentarza. Regularnie obserwuje siê ró¿nice tych wielkoœci, s¹przecie¿ mierzone w odmienny sposób: w betonie – pomiar bezpoœredni na powierz-chni przekroju, w mieszance - pomiar poœredni na podstawie zmiany wysokoœcis³upa wody w ciœnieniowym naczyniu pomiarowym. Równie¿ inny jest zakres po-miarowy: metoda ciœnieniowa wskazuje ca³kowit¹ zawartoœæ powietrza, w tym bar-dzo du¿e i bardzo ma³e pêcherzyki powietrza, które s¹ poza zakresem pomiarowym


Rys.4. Wytrzyma³oœæ na œciskanie betonu wbudowanego w nawierzchniê

drogowego przejœcia granicznego

Fig.4. Compressive strength of concrete in a frontier facilities pavement

metody wed³ug PN-EN 480-11. Metoda ciœnieniowa okreœla ca³kowit¹ zawartoœæ po-wietrza, w tym: pustki wskutek niedostatecznego zagêszczenia mieszanki (do1-1,5%), pustki w kruszywie oraz pory powietrzne powsta³e wskutek napowietrza-nia. Przy stosowaniu ró¿nych dodatków mineralnych do betonów wykonanych w la-boratorium IPPT PAN zaobserwowano ró¿nice zawartoœci powietrza okreœlone wmieszance i w stwardnia³ym betonie wynosz¹ce oko³o 1-1,5%. Przy przemys³owejprodukcji betonu ró¿nice te mog¹ byæ wiêksze, uwarunkowane sposobem transportumieszanki i zagêszczania. Ucieczka wprowadzonego powietrza na etapie wbudowa-nia mieszanki jest zjawiskiem spotykanym, a kontrola zawartoœci powietrza w mie-szance nie wychwyci tej patologii. Faktyczn¹ intencj¹ napowietrzania jest bowiemuzyskanie w³aœciwego rozmieszczenia porów w stwardnia³ym betonie, wbudowa-nym w konstrukcjê, a nie tylko napowietrzenie mieszanki.

Przeprowadzona analiza struktury porów powietrznych w badanych betonach nawie-rzchniowych pozwala nie tylko na porównanie z wymaganiami czy eliminacjê niepra-wid³owoœci technologicznych, ale tak¿e dostarcza danych do mo¿liwej optymalizacjinapowietrzenia. Szacuje siê bowiem, ¿e z powodu wzrostu ogólnej porowatoœci beto-nu o 1% spadek wytrzyma³oœci wynosi oko³o 5%. Dlatego celowa jest optymalizacjanapowietrzenia [15] zmierzaj¹ca do obni¿enia ogólnej porowatoœci betonu przy jed-noczesnym zapewnieniu w³aœciwej ochrony przed rozsadzaniem betonu wskutek za-mra¿ania wody. Na podstawie uzyskanych wyników badañ na rysunkach 5-6 przed-stawiono rozk³ad zawartoœci porów powietrznych w betonach nawierzchniowych wfunkcji œrednicy porów. W odró¿nieniu od wykresów na rysunkach 2-3, tutaj na osipionowej przedstawiono skumulowan¹ zawartoœæ powietrza. Przedstawiono przy-k³ady betonów niedostatecznie napowietrzonych (ozn. 1541, 1706, XII_L1A,XII_L1B), zbyt napowietrzonych (ozn. AV16, AV17) oraz dobrze napowietrzonychczyli charakteryzuj¹cych siê wspó³czynnikiem rozmieszczenia porów poni¿ej 0,2mm(pozosta³e). W³aœciwa wartoœæ wspó³czynnika rozmieszczenia porów odpowiada tuzawartoœci powietrza 2-3,5% w zakresie œrednic porów do 500 µm oraz jedynie 2-3%zawartoœci powietrza w zakresie œrednic porów miêdzy 500 i 3000 µm. Niedostatecz-ne napowietrzenie betonu widaæ ju¿ po zawartoœci porów do 500 µm, która nie siêga1,5%. Natomiast nadmierne napowietrzenie oznacza du¿¹ zawartoœæ porów powietrz-nych o œrednicach powy¿ej 500 µm, przekraczaj¹c¹ nawet 8%.

Kolejne przyk³ady rozk³adu œrednic porów powietrznych w betonach nawierzchnio-wych przedstawiono na rysunku 6. Jak widaæ, w zakresie œrednic do 300 µm zawar-toœæ powietrza wzrasta w przybli¿eniu liniowo ze wzrostem œrednicy porów. Cha-rakterystyczny w przypadku betonów w³aœciwie napowietrzonych pozostaje niewiel-ki wzrost porowatoœci w zakresie œrednic powy¿ej 500 µm. Uznaje siê, ¿e w tym za-kresie œrednic pory znacz¹co wp³ywaj¹ na obni¿enie wytrzyma³oœci betonu, a zatemp³aski odcinek wykresu odpowiada minimalizacji negatywnego wp³ywu porów nawytrzyma³oœæ. Przedstawione wykresy dostarczaj¹ wiêc iloœciowych argumentów,potwierdzaj¹cych za³o¿enie przyjmowane w technologii betonów napowietrzonych,¿e w³aœciwe napowietrzenie jedynie nieznacznie obni¿a wytrzyma³oœæ betonu.



Na rysunku 7 przedstawiono liczbê zarejestrowanych porów powietrznych w funkcjiich œrednicy w zakresie do 300 µm. Na przedstawionych przyk³adach widaæ, w przy-padku w³aœciwie napowietrzonego betonu znacz¹cy liczbowo udzia³ maj¹ pory oœrednicach do 60 µm. Potwierdza to spostrze¿enie sformu³owane w [16], a jednoczeœ-nie otrzymuje siê liczbowe dane do optymalizacji mikrostruktury betonu.


Rys.5. Skumulowana zawartoœæ powietrza w betonie w funkcji œrednicy porów w zakresie do

3000 µm oraz fragment tego wykresu w zakresie do 500 µm

Fig.5. Cumulative air volume versus void diameter in concrete specimens (up to 3000 µm

and an enlarged part of the diagram up to 500 µm)

Przedstawione wyniki badañ betonów “in-situ” pozwalaj¹ stwierdziæ, ¿e kontrola ja-koœci napowietrzania na podstawie badania struktury porów powietrznych w stward-nia³ym betonie ma du¿e znaczenie. Badania betonu stosowanego w klasach ekspo-zycji XF2, XF3 i XF4 nale¿a³oby realizowaæ nastêpuj¹co:

a) na etapie projektowania mieszanki betonowej napowietrzonej: oprócz zaleceñtechnologicznych normy PN-EN 206-1 nale¿y sprawdziæ wskaŸnik rozmieszcze-nia porów powietrznych w betonie stwardnia³ym; potwierdzenie w³aœciwego



Rys.6. Skumulowana zawartoœæ powietrza w betonie w funkcji œrednicy porów w zakresie

do 3000 µm oraz fragment tego wykresu w zakresie do 500 µm

Fig.6. Cumulative air volume versus void diameter in concrete specimens (up to 3000 µm

and an enlarged part of the diagram up to 500 µm )

rozmieszczenia porów powietrznych trzeba traktowaæ jako warunek koniecznyuzyskania struktury betonów mrozoodpornych;

b) na etapie kontroli jakoœci wbudowanego betonu: sprawdzenie wskaŸnika rozmie-szczenia porów powietrznych w betonie stwardnia³ym nale¿y przeprowadziæ naodwiertach pobranych w konstrukcji (min. 2 odwierty o œrednicy 100 mm, bada-nie na przekrojach prostopad³ych do powierzchni zewnêtrznych konstrukcji,okreœlenie wskaŸnika rozmieszczenia porów w warstwie 100 mm od zewnêtrznejpowierzchni, czêstotliwoœæ badania: min. 1 na obiekt lub na 5000 m3 betonu lubna 25 000 m2 zewnêtrznej powierzchni konstrukcji nara¿onej na mróz, wilgoæ iewentualnie œrodki odladzaj¹ce).

Postulowana czêstotliwoœæ badañ, odpowiadaj¹ca dotychczas stosowanej czêstotli-woœci pobierania próbek do badañ mrozoodpornoœci, powinna zostaæ zweryfikowanaw pierwszych latach praktyki w tym zakresie.

6. WNIOSKI

Chocia¿ technologia betonów napowietrzonych jest znana od wielu lat, faktyczn¹kontrolê jakoœci napowietrzania umo¿liwiaj¹ – realizowane w Polsce od niedawna –badania struktury porów powietrznych. Na podstawie badañ struktury porów powie-trznych w próbkach stwardnia³ych betonów, pobranych z wykonanych nawierzchnibetonowych, stwierdzono wystêpowanie nieprawid³owoœci struktury napowietrza-nia, takich jak:


Rys.7. Liczba porów powietrza w funkcji œrednicy porów w zakresie do 200 µm

Fig.7. Number of air voids as a function void diameter up to 200 µm

– niedostateczna lub nadmierna zawartoœæ powietrza w stwardnia³ym betonie,

– niekorzystny rozk³ad œrednic pêcherzyków powietrza: ma³o pêcherzyków oœrednicach poni¿ej 300 µm, a nadmiar pêcherzyków o wiêkszych œrednicach a¿do 4 mm,

– niew³aœciwe rozmieszczenie pêcherzyków powietrza, opisane wysokimi warto-œciami wskaŸnika rozmieszczenia porów L > 0,200 mm.

Niew³aœciw¹ strukturê porów powietrznych w betonie uzyskano w kilku przypad-kach, pomimo zastosowania œrodków napowietrzaj¹cych spe³niaj¹cych wymaganianormowe.

W innych badanych przypadkach nawierzchni uzyskano wyniki œwiadcz¹ce o w³aœci-wej strukturze napowietrzenia betonów. Na podstawie analizy wskaŸnika rozmiesz-czenia porów powietrznych w stwardnia³ym betonie w ci¹gu kilkunastu miesiêcyprowadzenia prac betonowych betonie uzyskano œwiadectwo dobrej jednorodnoœci,wysokiej jakoœci produkcji mieszanki betonowej i wykonania nawierzchni.

Wprowadzenie wymagania w³aœciwej struktury porów powietrznych w stwardnia³ymbetonie w OST GDDKiA jest uzasadnione i warte powtórzenia w krajowej normiePN-B-06265 z powodu braku takiego wymagania w PN-EN 206-1. Faktycznie niebêdzie to nowy zapis normowy, a jedynie przed³u¿enie wa¿noœci wymagania sfor-mu³owanego w odniesieniu do betonu wzorcowego w normie PN-EN 934-2 na betonkontrolowany na odwiertach z wykonanej konstrukcji.

BIBLIOGRAFIA

[1] Powers T.C.: A working hypothesis for further studies of frost resistance. Jour. Ame-rican Concrete Institute, 16, 4, 245-272, 1945

[2] Fagerlund G.: Trwa³oœæ konstrukcji betonowych. Arkady, Warszawa 1997

[3] Rusin Z.: Technologia betonów mrozoodpornych. Polski Cement, Kraków 2002

[4] Ogólne Specyfikacje Techniczne D- 05.03.04 "Nawierzchnia betonowa". GDDKiA,Warszawa 2003

[5] PN-V-83002 Lotniskowe nawierzchnie z betonu cementowego. Wymagania ogólne

i metody badañ. PKN, 1999

[6] ZTV Beton-StB 01 "Uzupe³niaj¹ce techniczne warunki kontraktów i wytyczne w za-kresie budowy betonowych nawierzchni dróg". Bundesministerium fur Verkehr,Bau- und Wohnungswesen, Bonn 2001 (w jêz.niem.)

[7] PN-EN 206-1: 2003 Beton - Czêœæ 1. Wymagania, w³aœciwoœci, produkcja, zgod-noœæ. PKN, 2003

[8] PN-88/B-06250 Beton zwyk³y. PKN, 1988

[9] PN-B-06265 Krajowe uzupe³nienie do normy PN-EN 206-1. PKN, 2003 (projekt)

[10] PN-EN 934-2: 2002 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu - Domieszki do beto-nu. Definicje i wymagania. PKN, 2002



[11] Za³ocha D., Kasperkiewicz J.: Zastosowanie iloœciowej analizy obrazu do ocenystruktury porów w betonie napowietrzanym. DROGI i MOSTY, nr 2/2002, 107-118

[12] PN-EN 480-11: 2000 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Oznaczanie chara-kterystyki porów powietrznych w stwardnia³ym betonie. PKN, 2000

[13] Elsen J., Lens N., Vyncke J., Aare T., Quenard D., Smolej V.: Quality assurance andquality control of air entrained concrete. Cement and Concrete Research, 24,1267-1276, 1994

[14] Elsen J.: Automated air void analysis on hardened concrete. Results of a Europeanintercomparison testing program. Cement and Concrete Research, 31, 1027-1031,2001

[15] Rusin Z.: Napowietrzanie betonu - mo¿liwoœæ optymalizacji. Konferencja DNIBETONU, Polski Cement, Szczyrk 2002

[16] Pigeon M., Pleau R.: Durability of concrete in cold climates. E&FN SPON, 1995

EVALUATION OF AIR-ENTRAINMENT IN CONCRETE ROADSAND PARKING PAVEMENTS

Abstract

Application of air void structure testing method for evaluation of durability of concrete

pavements in freeze-thaw conditions is presented. Tests were performed on hardened

concrete specimens cored out of several recently constructed pavements like a road

pavement, a frontier facilities pavement, ground and multistory parking slabs. Results of tests

were analysed in relation to requirements imposed by national technical specifications and

standards. Non-adequate air-pore structure was detected in some cases in spite of application

of air entrainment admixtures conforming to standards. In several cases the test results

confirmed the proper entrained air void structure. During several months of concrete pavement

construction the monitored spacing factor of air voids in concrete was well below 0.200 mm

and the adequate frost resistance test results were obtained. The significance of air voids

structure parameters is discussed in relation to the commonly specified total air volume in

concrete mix. Some possibilities for optimization of air voids structure in concrete pavements

are indicated.

PODZIÊKOWANIE

Badania przeprowadzono w ramach Projektu Badawczego NATO Science for Peace SfP

97.1888, koordynowanego przez prof. A.M.Brandta w latach 1999-2003. W przygotowaniu

próbek i oznaczaniu charakterystyki porów powietrznych w stwardnia³ym betonie uczestniczyli:

mgr in¿. Agnieszka Litorowicz, mgr in¿. Dariusz Za³ocha oraz mgr in¿. Marek Zieliñski z IPPT

PAN.


Nr 1 2004

CEZARY KRASZEWSKI1)

JAN PACHOWSKI2)

WYKORZYSTANIE PRZETWORZONYCHOSADÓW PORAFINERYJNYCH DO

STABILIZACJI GRUNTÓWW BUDOWNICTWIE DROGOWYM

Cz. II - Badania odcinków doœwiadczalnych3)

STRESZCZENIE. Stwierdzone w badaniach rozpoznawczych w³aœciwoœci stabilizacyjne prze-

tworzonych osadów porafineryjnych da³y podstawê do wykonania i badañ odcinków doœwiad-

czalnych w terenie. W badaniach odcinków obok aspektu technicznego uwzglêdnione zosta³y

przepisy z zakresu ochrony œrodowiska. Temat badawczy jest realizowany w ramach polsko-

duñskiego projektu EUREKA – Soilstabsorbent we wspó³pracy z Politechnik¹ Warszawsk¹, Poli-

technik¹ Wroc³awsk¹, Narodow¹ Fundacj¹ Ochrony Œrodowiska – Zak³ad Us³ug Ekologicznych

w P³ocku - Ekoglobe.

Przeprowadzone badania wykaza³y, ¿e grunty stabilizowane niewielkim dodatkiem przetwo-

rzonego osadu porafineryjnego w iloœciach 2÷9% uzyskuj¹ wzrost wskaŸnika noœnoœci wnoœ

podobnie jak przy stabilizacji gruntów wapnem hydratyzowanym.

Ponadto dodatek ten wp³ywa korzystnie na zmianê stopnia wysadzinowoœci gruntów spoistych

i ma³ospoistych.

1 mgr in¿. − Instytut Badawczy Dróg i Mostów w Warszawie2) prof. dr in¿. − Instytut Badawczy Dróg i Mostów w Warszawie3) kontynuacja artyku³u opublikowanego w nr 4/2003

DROGI i MOSTY 25

1. WSTÊP

Przeprowadzone dotychczas próby zestalenia wapnem palonym mielonym uwodnio-nych osadów porafineryjnych w instalacji ORTWED do postaci proszku lub granulatuwykaza³y mo¿liwoœæ przetworzenia osadów do postaci umo¿liwiaj¹cej ich ³atwiejszezagospodarowanie [1]. Instalacjê ORTWED zainstalowan¹ w P³ocku przy PKNORLEN jako tymczasow¹ przedstawia rysunek 1.

Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska z dnia 27.IX.2001r. w sprawie katalogu odpa-dów [2, 3] wprowadza katalog odpadów, który okreœla:

– grupy odpadów w zale¿noœci od Ÿród³a ich powstawania,

– podgrupy i rodzaje odpadów oraz ich kody,

– listê odpadów niebezpiecznych,

– sposób klasyfikowania odpadów.

Zgodnie z ww. Rozporz¹dzeniem nieprzetworzone osady porafineryjne zaliczyæ nale-¿y do grupy odpadów niebezpiecznych o kodzie identyfikacyjnym uzale¿nionym odzawartoœci zwi¹zków ropopochodnych:

05 01 09*– osady z zak³adowych oczyszczalni œcieków zawieraj¹ce substancje

niebezpieczne i zawartoœci ropopochodnych do 12%,

19 08 10*– t³uszcze i mieszaniny olejów z oczyszczania œcieków o zawartoœci ro-

popochodnych do 5%.


26 Cezary Kraszewski, Jan Pachowski

Rys.1. Instalacja tymczasowa do zestalania osadów petrochemicznych ORTWED

zainstalowana w P³ocku

Fig.1. System ORTWED for solidifying petrochemical deposits installed in P³ock

Podjête w ramach polsko-duñskiego projektu EUREKA- Soilstabsorbent badania nadzastosowaniem przetworzonych osadów porafineryjnych obejmowa³y dwa kierunki.

Pierwszy kierunek to badania gruntów stabilizowanych przetworzonym osadem, któ-ry jest tematem niniejszego artyku³u, drugi to badania popio³ów z odsiarczania spalinw instalacji, w której przetworzone osady zosta³y zastosowane jako sorbent.

Przedstawione wyniki dotycz¹ osadów porafineryjnych o kodzie 19 08 10*

przetworzonych w skali technicznej w wytwórni zlokalizowanej przy PKN ORLENw P³ocku. Badania by³y prowadzone w nastêpuj¹cych kierunkach:

• badania pod k¹tem oddzia³ywania przetworzonego osadu oraz instalacji utyli-zuj¹cej na œrodowisko prowadzone przez Politechnikê Warszawsk¹, InstytutZaopatrzenia w Wodê i Budownictwa,

• badania nad przydatnoœci¹ przetworzonego osadu jako spoiwa do stabilizacjigruntów przeprowadzone przez IBDiM.

Przetworzony osad na spoiwo do stabilizacji gruntów dla celów drogowych powinienstanowiæ sypki proszek o wilgotnoœci do 5%. Tak ma³a wilgotnoœæ jest wy- maganaw celu osuszenia gruntu co sprzyja wzrostowi noœnoœci. Tak¿e ze wzglêdów transpo-rtowych jest to element bardzo istotny. Aktualnie w drogownictwie na szerok¹ skalêstosuje siê metodê stabilizacji gruntów na miejscu za pomoc¹ frez drogowych. Doty-czy to stabilizacji cementem lub wapnem. Metoda polega na tym, ¿e spoiwo wza³o¿onych iloœciach rozk³adane jest na gruncie za pomoc¹ specjalnej rozk³adarki.Do rozk³adarek spoiwa s¹ tankowane pneumatycznie z cementowozów co wymaga,aby transportowane spoiwa by³y suche.

2. W£AŒCIWOŒCI PRZETWORZONYCH OSADÓW

Do badañ by³y pobierane próbki w ró¿nych okresach produkcji. W pocz¹tkowej fazieprodukcji badania wykaza³y, ¿e przetworzony osad charakteryzuje siê znaczn¹ zmien-noœci¹. Zmiennoœæ dotyczy³a kolorystyki, zawartoœci CaO i wilgotnoœci. Przetwo-rzony osad cechowa³ siê zbyt ma³¹ zawartoœci¹ CaO i zwi¹zan¹ z tym nisk¹ aktywno-œci¹ i wysok¹ wilgotnoœci¹. Nastêpnie, po zwiêkszeniu dodatku wapna palonego douwodnionych osadów zaolejonych uzyskiwano jednorodny produkt przetworzenia,który by³ badany pod k¹tem zastosowania w odcinkach doœwiadczalnych.

Jak opisano powy¿ej, w pocz¹tkowej fazie przetwarzania uzyskiwano produkt o du¿ejwilgotnoœci koloru ciemnobrunatnego, dalej nazwany produktem ciemnym – próbka 1.Wynika³o to z niejednorodnoœci dozowania wapna, jak równie¿ du¿ej zmiennoœci su-rowca – zaolejonych osadów. W póŸniejszym okresie powstawa³ produkt lepszejjakoœci, o wiêkszej zawartoœci CaO, zwany produktem jasnym – próbka 2.

W celu ustalenia niezbêdnego dodatku wapna palonego do pó³p³ynnego osadu w La-boratorium IBDiM wykonano wzorce zawieraj¹ce 15÷40% CaO. Badanie to mia³ostanowiæ symulacjê reakcji jaka zachodzi w reaktorze urz¹dzenia ORTWED podczas

WYKORZYSTANIE OSADÓW PORAFINERYJNYCH DO STABILIZACJI GRUNTÓW 27

procesu zestalania. Na przygotowanych próbkach wykonano badania wilgotnoœci wy-tworzonego produktu po 6 i 24 godzinach od wymieszania oraz badania aktywnoœci Ät

w HCl. Próbki te umieszczone w s³oikach stanowi¹ wzorce do przybli¿onego okreœle-nia zawartoœci CaO w przetworzonych osadach (rys. 2).

Wyniki badañ przetworzonego osadu uzyskanego w IBDiM, jak równie¿ osadu prze-tworzonego w wytwórni w P³ocku, pobranego w ró¿nych okresach, przedstawiono wtablicach 1 i 2.

Jak widaæ na rysunku 2 w pocz¹tkowej fazie - lipiec/sierpieñ 2002 r. przetworzonyosad zawiera³ 15÷20% CaO, póŸniej w okresie wrzesieñ/listopad 2002 r. 25÷30%.Produkt ciemny stanowi³ granulat o znacznej wilgotnoœci, produkt jasny by³ w postaciproszku i o mniejszej wilgotnoœci. Z analizy danych przedstawionych w tablicy 1 wy-nika, ¿e parametry przetworzonego osadu uzyskiwanego w skali technicznej nie odpo-wiada³y przyjêtym za³o¿eniom wilgotnoœciowym; wilgotnoœæ utrzymywa³a siê wgranicach od 31÷38% praktycznie wykluczaj¹c zastosowanie do stabilizacji gruntów.Wynika z tego wniosek, ¿e dodatek 30% wapna palonego do osadów by³ za ma³y. Stanuwodnienia osadów jest bardzo zmienny; osady charakteryzuj¹ siê zawartoœci¹ suchejmasy od 7÷70%, co wymaga zmiennej iloœci dodatków wapna przy zapewnieniu pre-cyzyjnej kontroli jego dozowania. Rysunki 3 i 4 przedstawiaj¹ uwod- nione osadyporafineryjne w postaci p³ynnej przed zestaleniem i po zestaleniu w instalacjiORTWED, sk³adowane na ha³dzie w postaci granulatu lub wilgotnego proszku.

Na podstawie wyników przedstawionych w tablicy 1 i na rysunku 2 mo¿na zauwa¿yæ,¿e zestalenie osadu porafineryjnego do postaci granulatu b¹dŸ proszku uzyskuje siê



Rys.2. Wzorce o ró¿nej zawartoœci CaO wykonane w Laboratorium IBDiM

dla porównywania z produktem przetwarzania osadów uzyskiwanym w P³ocku

Fig.2. Reference samples with various CaO content obtained at IBDiM for

a comparison with sludge processed in P³ock

ju¿ przy ma³ych dodatkach wapna - od 15% wagowych. Jednak do zastosowania jakospoiwo w drogownictwie przetworzony osad powinien posiadaæ okreœlon¹ aktywnoœæ

∆t oraz nisk¹ wilgotnoœæ, któr¹ wstêpnie za³o¿ono poni¿ej 5%. Aktywnoœæwi¹¿e siê z zawartoœci¹ wolnego CaO w spoiwie.

Wg PN-S-96035:1997 [4] przyjmuje siê, ¿e materia³ wykazuje zadowalaj¹c¹ aktyw-noœæ, gdy∆t >30oC. Norma ta dotyczy badañ popio³ów lotnych i opisana w niej metodabadania aktywnoœci powszechnie stosowana jest w drogownictwie do badania aktyw-noœci popio³ów lotnych. Badanie polega na pomiarze przyrostu temperatury ∆t w oCpróbki spoiwa o masie 30 g po dodaniu do niej 24 ml 10% kwasu solnego. Przybli¿on¹zawartoœæ wolnego CaO dla substancji o wilgotnoœci ≤ 5% i zwi¹zan¹ z tym aktyw-noœæ mo¿na wyznaczyæ z poni¿szych zale¿noœci:

• substancja nieaktywna lub bardzo ma³o aktywna o zawartoœci

CaO < 3,5% – ∆t > 27 oC,

• substancja ma³o aktywna o zawartoœci 3,5% ≤ CaO < 7% – ∆t = 28÷40 oC,

• substancja aktywna o zawartoœci 7% ≤ CaO < 14% – ∆t = 40÷50 oC,

• substancja bardzo aktywna o zawartoœci CaO ≥ 14% – ∆t > 50 oC.

Badania laboratoryjne wykaza³y, ¿e w zale¿noœci od iloœci dodatku wapna palonego doosadów uzyskuje siê pewne niewielkie zró¿nicowanie przetworzonych osadów podwzglêdem aktywnoœci; s¹:

– nieaktywne przy stosowaniu wapna w iloœciach do 25%,

– ma³o aktywne lub aktywne przy stosowaniu wapna w iloœciach od 25÷40%.


Rys.3. Zaolejone osady przed

przetworzeniem – faza p³ynna

Fig.3. Oily deposits before

processing - liquid phase

Rys.4. Zaolejone osady po

przetworzeniu - faza sta³a

Fig.4. Oily deposits after

processing - solid phase



Tablic

a1.W

ynik

ibadañ

osadów

zaole

jonych

zP

³ocka

zesta

lonych

ró¿nym

idodatk

am

iw

apna

palo

nego

mie

lonego

Table

1.R

esults

ofte

sts

ofoily

deposits

from

P³o

ck

solid

ifie

dw

ith

various

quic

klim

eadditiv

es

Osa

dy

zaole

jone

[%]

Wap

no

pal

one

mie

lone

[%]

Wil

gotn

oœæ

[%]

Akty

wnoœæ

∆toC

Bar

wa

Konsy

sten

cja

po

6godz.

od

wym

iesz

ania

po

24

godz.

od

wym

iesz

ania

100

0104,9

--

czar

na

pó³p

³ynna

85

15

48,3

35,5

23

c.br¹

zow

agra

nula

t

80

20

35,2

24,2

25

br¹

zow

agra

nula

t

75

25

20,8

14,9

28

c.sz

ara

pro

szek

70

30

16,3

9,9

32

szar

apro

szek

65

35

12,2

7,4

34

szar

apro

szek

60

40

10,6

4,5

37

j.sz

ara

pro

szek

0100

3,4

--

bia

³apro

szek


Tablic

a2.W

ynik

ibadañ

prz

etw

orz

onych

osadów

wytw

orz

onych

wró

¿nych

okre

sach

Table

2.R

esults

ofte

sts

perf

orm

ed

on

pro

cessed

oil

slu

dge

atvarious

pro

duction

periods

Rodza

ji

mie

jsce

prz

etw

orz

enia

Wil

gotn

oœæ

w[%

]Z

awar

toœæ

wody

[%]

Akty

wnoœæ

∆t[o

C]

Uw

agi

Osa

dy

zaole

jone

zest

alone

zw

apnem

pal

onym

mie

lonym

wS

trze

lcac

hO

pols

kic

h-

sier

pie

ñ2000

r.5,0

4,8

33

Prz

echow

yw

ane

wbec

zkac

h

Osa

dy

zaole

jone

zest

alone

zw

apnem

pal

onym

mie

lonym

wIB

DiM

-li

pie

c2002

r.2,8

2,7

35

Prz

echow

yw

ane

wla

bora

tori

um

Osa

dy

prz

etw

orz

one

win

stal

acji

wP

³ock

u

02.0

8.0

236,6

526,8

220

Sk³a

dow

ane

na

woln

ym

pow

ietr

zu,

bez

zadas

zenia

Osa

dy

prz

etw

orz

one

win

stal

acji

wP

³ock

u

20.0

8.0

230,8

523,5

821

Sk³a

dow

ane

na

woln

ym

pow

ietr

zu,

bez

zadas

zenia

Osa

dy

prz

etw

orz

one

win

stal

acji

wP

³ock

u

8-9

.09.0

238,2

827,6

823

Sk³a

dow

ane

na

woln

ym

pow

ietr

zu,

bez

zadas

zenia

Wynika z tego, ¿e praktycznie mo¿na uzyskaæ przetworzony osad aktywny przy stoso-waniu wapna palonego w iloœciach 35÷40% wagowych. Przy takich dodatkach wapnawilgotnoœæ zestalonego osadu wynosi od 4,5% do 10%, co wyklucza pneumatycznytransport takiego spoiwa ze wzglêdu na mo¿liwoœæ zapychania siê instalacji. Pomiarywilgotnoœci przetworzonych osadów przeprowadzone po 6 i po 24 godzinach od prze-tworzenia wykazuj¹, ¿e w tym krótkim czasie nastêpuje znaczny spadek wilgotnoœci.

Dodatkowo przeprowadzono badania zawartoœci wolnego CaO oraz innych zwi¹z-ków wapnia CaCO3 i Ca(OH)2 metod¹ analityczn¹ wg [5] oraz metod¹ dyfrakcji rent-genowskiej. Celem badañ by³o ustalenie zmian sk³adu chemicznego przetworzonegoosadu w czasie oraz okreœlenie jego aktywnoœci. Badania prowadzono po up³ywie 7,28, 42 i 90 dni od wytworzenia. Próbki przetworzonego osadu by³y sezonowane w wa-runkach naturalnych, zamkniête szczelnie w worku bez dostêpu powietrza oraz wlaboratorium z dostêpem powietrza (tabl. 2). Wyniki badañ zawartoœci zwi¹zków wa-pnia przedstawiono w tablicy 3 i na rysunku 5.

Z analizy wyników przedstawionych na rysunku 5 wynika, ¿e nie wystêpuj¹ istotnezmiany w zawartoœci wolnego CaO w czasie do 42 dni. Po tym czasie nastêpujeza³amanie siê krzywych, odzwierciedlaj¹cych znaczne zmniejszenie siê zawartoœciCaO, by po 90 dniach osi¹gn¹æ ok. 50÷70% jego pocz¹tkowej zawartoœci. Dostêp po-wietrza w przypadku próbek przechowywanych w laboratorium wp³ywa na zmniej-szenie siê zawartoœci CaO, natomiast przetworzony osad przechowywany w szczel-nych workach charakteryzuje siê mniejszymi spadkami zawartoœci CaO. Jednak wprzypadku obu próbek sezonowanych w ró¿nych warunkach okres 42 dni jest granicz-ny, po którym nastêpuje gwa³towny spadek zawartoœci CaO.

Powy¿sze spostrze¿enia potwierdzaj¹ badania dyfrakcji rentgenowskiej (tabl. 3). Ob-serwuje siê tu zjawisko karbonizacji wapna i przechodzenie tlenku wapnia CaO w fazêwêglanu wapnia Ca(CO)3. Z up³ywem czasu nastêpuje spadek zawartoœci CaO orazCa(OH)2, co t³umaczy zmniejszenie siê aktywnoœci i sprawnoœci dzia³ania przetwo-rzonych osadów jako spoiwa.



Tablica 3. Zestawienie intensywnoœci wybranych refleksów dyfrakcyjnychTable 3. Intensity of selected diffraction reflexes

Miejsceprzechowywania

próbki

Czas odwyprodukowania

Intensywnoœæ refleksów

Ca(OH)2 CaO CaCO3

4,90 [Å] 2,62 [Å] 3,33 [Å] 3,04 [Å]

Laboratorium7 dni 166 197 211 155

90 dni 128 168 195 208

Warunkinaturalne

7 dni 180 216 207 163

90 dni 123 143 141 180

Zawady 6 miesiêcy 205 268 105 141

Wilgotnoœæ przetworzonych osadów zmniejsza siê z up³ywem czasu. Przy wyjœciowejwilgotnoœci ok. 20%, po 90 dniach nastêpuje jej spadek do 14% w przypadku próbkiprzechowywanej w szczelnie zamkniêtym worku, natomiast próbka przechowywanaw laboratorium na wolnym powietrzu wykazuje wiêkszy spadek wilgotnoœci do ok.4% (rys. 6). Wilgotnoœæ po 42 dniach sezonowania przetworzonych osadów ulega nie-wielkim zmianom.


Rys.5. Zawartoœæ wolnego CaO w przetworzonych osadach w funkcji czasu

od przetworzenia i pielêgnacji w ró¿nych warunkach

Fig.5. The content of free CaO in the processed sludge in various periods

from its production and curing under different conditions

Rys.6. Zale¿noœæ wilgotnoœci przetworzonych osadów od czasu i warunków przechowywania

Fig.6. The influence of storage time and storage conditions on humidity of processed sludge

Przyk³adow¹ charakterystykê ró¿nych próbek produktu pobranego z tymczasowej in-stalacji ORTWED przedstawiono w tablicy 4 i na rysunku 7.

Osady przetworzone do postaci sta³ej pod wzglêdem uziarnienia wg klasyfikacji geo-technicznej [6] odpowiadaj¹ py³om. Sk³ad ziarnowy zale¿y od iloœci zastosowanegowapna palonego do zestalenia osadu. Im wiêksza iloœæ wapna, tym przetworzony osadjest drobniejszy. Przy ma³ych dodatkach wapna uzyskuje siê granulat, natomiast przywiêkszych – proszek. Proszek ma zabarwienie szaro brunatne i charakteryzuje siê za-pachem typowym dla wêglowodorów. Zaobserwowane zmiany uziarnienia na przed-stawionym wykresie nie nale¿¹ do du¿ych. Zawartoœæ frakcji drobnych przecho-dz¹cych przez sito 0,075 mm waha siê w granicach od 82÷92%.

Przetworzony osad jest materia³em niewysadzinowym i nie pêczniej¹cym. Charakte-ryzuje siê wskaŸnikiem noœnoœci bezpoœrednio po ubiciu Wnoœ=12÷13%, który utrzy-muje siê na tym poziomie podczas 28 dniowej pielêgnacji, w tym 7 dni moczenia.Bezpoœrednio po ubiciu próbki przetworzonego osadu charakteryzuj¹ siê zbli¿on¹ no-œnoœci¹ niezale¿nie od zawartoœci wapna.

Przetworzony osad porafineryjny charakteryzuje siê gêstoœci¹ w stanie zagêszczonymod 1,01 g/cm3 do 1,13 g/cm3. Ni¿sza gêstoœæ jest charakterystyczna dla osadu zestalo-nego wiêksz¹ iloœci¹ wapna. Gêstoœæ w stanie luŸnym dla badanych odmian przetwo-rzonego osadu porafineryjnego wynosi odpowiednio 0,737 g/cm3 przy wiêkszejzawartoœci wapna i 0,765 g/cm3 dla odmiany zawieraj¹cej mniej wapna. Pod wzglê-dem aktywnoœci materia³ obu badanych próbek wg klasyfikacji zgodnej zPN-S-96035:1997 [4] by³ nieaktywny lub bardzo ma³o aktywny. Stwierdzenie to wy-maga wyjaœnienia, gdy¿ wed³ug wzorców wykonanych w IBDiM, po porównaniu ichparametrów ustalono, ¿e zawartoœæ wapnia w badanym produkcie wynosi 15÷25 %.



Rys.7. Wykres uziarnienia przetworzonego osadu otrzymanego w ró¿nych okresach

Fig.7. Grain distribution chart obtained in various periods

Tablica 4. Zestawienie cech fizyczno – mechanicznych próbek przetworzonegoosadu pobranego z instalacji ORTWED w ró¿nych

okresach produkcji (ciemny i jasny)Table 4. Physical and mechanical properties of specimens taken from

the ORTWED system at various production periods (dark and light)

Badana cechaProdukt pobrany z instalacji

Próbka 1 Próbka 2

Wilgotnoœæ optymalna wopt

[%] 20,8 41,8

Gêstoœæ objêtoœciowa w stanie luŸnym [g/cm3] 0,765 0,737

Maksymalna gêstoœæ objêtoœciowa szkieletu gruntowegoρds

[g/cm3] 1,129 1,012

Wilgotnoœæ próbek w [%] 38,28 30,48

Zawartoœæ wody w [%] 27,68 23,36

Aktywnoœæ produktu ∆t [oC] 23 24

Analiza sitowa (na mokro) pozostaje na sicie # w % masy

4,00 mm 0,00 0,00

2,00 mm 1,60 0,52

1,00 mm 2,86 1,26

0,50 mm 2,62 0,94

0,25 mm 4,13 1,82

0,125 mm 4,45 1,93

0,075 mm 2,93 1,33

Przechodzi przez sito # 0,075 mm 81,41 92,20

WskaŸnik noœnoœci Wnoœ (CBR)

bezpoœrednio po zagêszczeniu 12/12 13/12

po 7 dniach moczenia w wodzie 11/10 10/9

po 28 dniach w tym 7 dni moczenia w wodzie 13/14 16/15

Wytrzyma³oœæ na œciskanie [MPa]

R7 0,4 0,6

Rp

14 0,35 0,58

Rm

28 0,23 0,49

Oznaczenia:

R7

- wytrzyma³oœæ na œciskanie po 7 dniach i ca³kowitym nasyceniu próbek wod¹,

Rp

14- wytrzyma³oœæ na œciskanie po 14 dniach i ca³kowitym nasyceniu próbek wod¹,– wytrzyma³oœæ na

œciskanie po 14 dniach i ca³kowitym nasyceniu próbek wod¹

Rm

28- wytrzyma³oœæ na œciskanie po 28 dniach ( w tym 14 dni nasycania próbek wod¹)


Próbki charakteryzuj¹ siê du¿¹ wilgotnoœci¹ naturaln¹ o wartoœci w=30÷38%. Mimozestalenia osadu do postaci proszku utrzymuje siê wilgotnoœæ na doœæ wysokim pozio-mie. Wynika z tego wniosek, ¿e przetworzony osad porafineryjny musi dojrzewaæ napowietrzu pod wiat¹ w celu odparowania nadmiaru wody. Przetworzony osad wyka-zuje cechy wi¹¿¹ce, przejawiaj¹ce siê niewielk¹ wytrzyma³oœci¹ na œciskanie osiowe,która jest uzale¿niona od zawartoœci zwi¹zków wapna (CaO i Ca(OH)2) i wzrasta zup³ywem czasu.

Z przeprowadzonych badañ wynika wniosek, ¿e mimo stosowania du¿ych dodatkówwapna palonego do zestalenia osadu, jego wilgotnoœæ utrzymuje siê na poziomie unie-mo¿liwiaj¹cym transport cementowozami, co ogranicza stosowanie na wiêksz¹ skalê.Do celów drogowych w celu osuszenia gruntu i jego stabilizacji wymagaæ nale¿y jaknajmniejszej wilgotnoœci spoiwa i mo¿na przyj¹æ ¿e powinna ona wynosiæ max. 5%.Dlatego te¿ po procesie zestalenia w reaktorze przetworzony osad wymaga odparowa-nia nadmiaru wilgoci, b¹dŸ d³u¿szego przebywania w reaktorze i przy zawartoœci CaOw stosunku do masy uwodnionego osadu > 35 % .

3. ZAKRES BADAÑ GRUNTÓW NA ODCINKACHDOŒWIADCZALNYCH

Wymagania przedstawione w [7, 8] nak³adaj¹ obowi¹zek uzyskania wysokich para-metrów technicznych dla pod³o¿a drogowego (wtórny modu³ odkszta³ceniaE2=100÷120 MPa, wskaŸnik zagêszczenia Is=1,00÷1,03 – pod³o¿e G1) jak równie¿ dlani¿szych warstw budowli ziemnych (E2=30÷100 MPa i Is=0,95÷1,00) w zale¿noœci odg³êbokoœci zalegania warstwy i obci¹¿enia ruchem. Parametry te czêsto s¹ nieosi¹gal-ne w gruntach naturalnych (miejscowych), zw³aszcza przewilgoconych gruntachspoistych, które bez ulepszenia s¹ nieprzydatne do robót ziemnych. Grunty te, to miê-dzy innymi przewilgocone gliny, py³y, i³y, piaski pylaste i gliniaste, które zalicza siêdo gruntów “trudno urabialnych”, sprawiaj¹cych k³opoty w robotach ziemnych. Na-le¿¹ one do grupy gruntów wysadzinowych i bardzo wysadzinowych, o ograniczonejprzydatnoœci do robót ziemnych wg [7] poni¿ej strefy przemarzania i nieprzydatnychw strefie oddzia³ywania wody i mrozu. Zastrze¿enia przedstawione w [7] dotycz¹ od-powiedniego umiejscowienia oraz zabudowy tych gruntów w budowli ziemnej oraznak³adaj¹ obowi¹zek ulepszenia spoiwami w strefie przemarzania. Poprawa w³aœci-woœci gruntów w wyniku zastosowania odpowiednio dobranego spoiwa zwiêkszaszanse ich wykorzystania zamiast wymiany.

W praktyce wybór odpowiedniego rodzaju i wielkoœci dodatku spoiwa uzale¿nia siêod:

– rodzaju, stanu i wilgotnoœci gruntu,

– koniecznego lub po¿¹danego efektu wzmocnienia (zwiêkszenie noœnoœci izmniejszenie wra¿liwoœci na wp³ywy atmosferyczne).



Skutecznoœæ ulepszenia i wybór odpowiednich dodatków spoiwa ustala siê na podsta-wie badañ laboratoryjnych gruntów i mieszanek, uzyskania za³o¿onych parametrówtechnicznych (wskaŸnik noœnoœci wnoœ, wytrzyma³oœæ na œciskanie R) na próbkachpoddanych ró¿nym warunkom pielêgnacji. Przydatnoœæ i warunki realizacji wybrane-go rozwi¹zania powinny byæ sprawdzone praktycznie na poletku próbnym.

Przedmiotem badañ przedstawionych w tym rozdziale by³o ustalenie wp³ywu prze-tworzonych osadów w procesie ulepszenia ma³o noœnych gruntów w robotach zie-mnych (budowa nasypów i ulepszone pod³o¿e drogowe) oraz w stabilizacji gruntówpod k¹tem wykorzystania w podbudowach drogowych. Badania wstêpne laboratoryj-ne wykaza³y korzystny wp³yw przetworzonych osadów na wzrost noœnoœci i wytrzy-ma³oœci gruntów spoistych. Wykazano, ¿e przetworzony osad daje porównywalnyefekt wzmocnienia, jak wapno hydratyzowane Ca(OH)2.

Z uwagi na wy¿ej przedstawione rozwa¿ania badania rozszerzono w stosunku do eta-pu wstêpnego o wykonanie i badania odcinków doœwiadczalnych z u¿yciem gruntówstabilizowanych przetworzonymi osadami.

Badania przebiega³y dwuetapowo. W pierwszej kolejnoœci prowadzono badania labo-ratoryjne pozwalaj¹ce ustaliæ cechy gruntów w stanie naturalnym, a nastêpnie wp³ywprzetworzonych osadów na grunty poddane ulepszeniu. W drugim etapie prowadzonobadania polowe na odcinkach doœwiadczalnych, które zaprojektowano na podstawierozpoznania terenowego i badañ laboratoryjnych. Przy wyborze gruntów kierowanosiê tym, aby by³y to grunty s³abe, o niskiej noœnoœci, nieodporne na dzia³anie wody imrozu. Te kryteria spe³niaj¹ grunty spoiste - i³y, gliny, py³y i ma³ospoiste – piaski gli-niaste i pylaste, py³y piaszczyste, które zalicza siê do gruntów wysadzinowych lubw¹tpliwych wg klasyfikacji podanej w [7].

Przeprowadzono tak¿e badania stabilizacji gruntów niespoistych przetworzonymiosadami oraz rozszerzono program o stabilizacjê odpadów elektrownianych. Uzyska-no bardzo interesuj¹ce wyniki badañ mieszanin popio³ów i popio³o-¿u¿li z ma³ymi do-datkami przetworzonych osadów, które bêd¹ przedstawione w odrêbnej publikacji.

Badania wp³ywu przetworzonych osadów na zmianê w³aœciwoœci fizyko-mechanicz-nych gruntów mineralnych i antropogenicznych przeprowadzono na:

– piaskach œrednich,

– piaskach drobnych,

– piaskach pylastych,

– py³ach piaszczystych,

– piaskach gliniastych,

– mieszaninach popio³owo-¿u¿lowych,

– popio³ach lotnych.

W ramach projektu opracowano i wykonano konstrukcje trzech odcinków próbnych:

• nawierzchnia drogi gruntowej w miejscowoœci Plecka D¹browa,


• nawierzchnia Targowiska Miejskiego w Piasecznie przy ul. Jana Paw³a II nr 59,

• nasyp badawczy z popio³ów lotnych na sk³adowisku Zawady – E. Siekierki.

4. STABILIZACJA GRUNTÓW SPOISTYCH I MA£OSPOISTYCHW POWIECIE P£OCKIM

4.1. W£AŒCIWOŒCI GRUNTÓW PRZEZNACZONYCHDO STABILIZACJI

Badania nad przydatnoœci¹ przetworzonych osadów do stabilizacji gruntów przepro-wadzono na gruntach mineralnych niespoistych i ma³ospoistych, pobranych z odcin-ków drogowych, gdzie planowano wykonaæ poligony doœwiadczalne. Badania prze-prowadzono na nastêpuj¹cych gruntach:

P i a s e k œ r e d n i – z odcinka I³ów - Gilówka Górna,

P i a s e k d r o b n y – z odcinka w miejscowoœci Nowy Duninów,

P i a s e k p y l a s t y – z odcinka w miejscowoœci Drobin,

P y ³ p i a s z c z y s t y – z odcinka w miejscowoœci Plecka D¹browa.

Grunty po ulepszeniu ró¿nymi dodatkami przetworzonych osadów zosta³y poddanebadaniom noœnoœci i wytrzyma³oœci przy ró¿nych warunkach pielêgnacji. Dodatkowouformowane próbki pos³u¿y³y do okreœlenia bezpiecznego dodatku przetworzonegoosadu do gruntów pod k¹tem ochrony œrodowiska naturalnego. Badania w tym zakre-sie prowadzi³ Instytut Zaopatrzenia w Wodê i Budownictwa Politechniki Warsza-wskiej. Charakterystykê gruntów przeznaczonych do ulepszenia ró¿nymi dodatkamiprzedstawiono w tablicy nr 5.

4.2. WYNIKI BADAÑ CECH FIZYCZNYCH GRUNTÓW ULEPSZONYCHPRZETWORZONYMI OSADAMI

Grunty o charakterystyce przedstawionej w tablicy 5 ulepszono dodatkami przetwo-rzonych osadów w iloœciach 6÷12% masowych. W tej czêœci badañ okreœlono wp³ywprzetworzonych osadów na noœnoœæ gruntów w ró¿nych warunkach pielêgnacji, jakrównie¿ na zmianê parametrów informuj¹cych o stopniu wysadzinowoœci czyli wska-Ÿnika WP [9] i HkB [10]. Wp³yw przetworzonych osadów na zmianê parametrów geo-technicznych gruntów stabilizowanych przetworzonymi osadami przedstawiono wtablicy 6.



Tablica 5. W³aœciwoœci gruntów u¿ytych do badañTable 5. Properties of tested soils

Badana cecha

Rodzaj gruntu

Piasek œredni Piasek drobnyPiasekpylasty

Py³piaszczysty

Maksymalna gêstoœæ objêtoœciowaszkieletu gruntowego ρ

ds[g/cm3]

1,710 1,738 1,812 1,904

Wilgotnoœæ optymalna wopt

[ %] 11,50 10,90 12,40 11,50

Porowatoœæ n 0,35 0,34 0,32 0,28

WskaŸnik noœnoœci Wnoœ (CBR)w [%] po 4 dobach z obci¹¿eniem

32/18 29/18 10/16 16/14

Pêcznienie liniowe “p” [%] 0,0 0,0 0,0 0,09

WskaŸnik piaskowy WP [%] 70 75 56 19

Kapilarnoœæ bierna HkB [cm] 30 30 30 160

Odczyn pH 8 7 8 7

Analiza sitowa

Pozostaje na sicie w %

10 mm 0,59 0,0 0,0 0,0

2 mm 8,51 0,34 0,68 3,21

1 mm 11,74 0,92 1,93 6,93

1,5 mm 17,32 5,50 7,45 17,19

0,25 mm 57,68 50,83 34,57 41,29

0,125 mm 87,4 83,62 70,69 55,29

0,075 mm 94,58 95,63 85,38 68,37

Poni¿ej 0,075 mm 5,42 4,37 14,62 31,63

4.3. WYNIKI BADAÑ WYTRZYMA£OŒCI NA ŒCISKANIE GRUNTÓWULEPSZONYCH

W celu okreœlenia w³aœciwoœci wi¹¿¹cych przetworzonych osadów jako spoiwa wy-konano badania wytrzyma³oœci na œciskanie oraz badania mrozoodpornoœci. S¹ topodstawowe parametry dla podbudów drogowych z gruntów stabilizowanych spoiwa-mi takimi jak: cement, wapno, aktywny popió³ [11-13].

Próbki o wymiarachφ=5cm i h=8 cm zagêszczono normaln¹ energi¹ wed³ug [14]. Pró-bki zosta³y poddane pielêgnacji zgodnie z [11]. Wyniki badañ przedstawiono w tabli-cy 7.


Tablica 6. Wyniki badañ cech fizycznych gruntów ulepszonych przetworzonymiosadamiTable 6. Physical properties of soils treated with the processed oil sludge

Rodzajgruntu

Dodatekprzetworzo-

nych osadów

[ %]

WskaŸnik noœnoœci Wnoœ [%]Pêcznienie

p [%]

WskaŸnikpiaskowy

WP

[ %]

Kapilarnoœæbierna

Hkb [cm]

bezpoœred-nio

po 4dobach

po7 dobach

Piasekœredni

0 35/24*) 32/18 0,0 70 30

6 27/26 24/25 28/29 0,0 67 -

10 31/30 30/30 32/33 0,0 63 -

12 34/35 33/34 36/38 0,0 62 -

Piasekdrobny

0 30/19 29/18 - 0,0 75 30

6 36/28 50/39 55/37 0,0 65 -

Piasekpylasty

0 13/20 10/16 0,0 56 30

6 36/21 51/36 56/38 0,0 48 -

Py³piasz-czysty

0 25/26 16/14 0,09 19 160

6 26/28 19/20 25/27 0,0 33 -

8 30/32 28/30 29/31 0,0 36 -

*) Wnoœ 35/24 oznacza Wnoœ =35% przy penetracji t³oka 2,5cm i Wnoœ =24% przy penetracji 5,0cm

Tablica 7. Zestawienie wyników badañ wytrzyma³oœci na œciskanie gruntówulepszonych ró¿nymi dodatkami przetworzonych osadówTable 7. Results of compression tests of soil treated with processed oil sludge

Rodzaj gruntu

Dodatek przetworzonychosadów

[ %]

R7

[MPa]

R28

[MPa]

R100

[MPa]

Piasek œredni

6 0 0,075 0,10

10 0,15 0,175 0,15

12 0,22 0,275 0,25

Py³ piaszczysty

4 0,20 0,10 0,18

6 0,25 0,15 0,25

8 0,35 0,20 0,21



Kompozycje gruntu ulepszonego ró¿nymi dodatkami przetworzonych osadów podda-no dodatkowo stabilizacji emulsj¹ asfaltow¹. Cel zastosowania emulsji by³ dwojaki.Cel techniczny - zwiêkszenie wytrzyma³oœci i cel ekologiczny - zmniejszenie wymy-walnoœci substancji szkodliwych do œrodowiska. W badaniach zastosowano emulsjêasfaltow¹ kationow¹ wolno rozpadow¹ K3-60%, o zawartoœci bitumu 60%. Z uwagina wra¿liwoœæ emulsji na podwy¿szone temperatury badania prowadzono w ró¿nychtemperaturach. Jest to istotne zw³aszcza, gdy warstwa zawieraj¹ca asfalt znajduje siêw strefie oddzia³ywania wysokich temperatur w okresie letnim. Wyniki badañ przed-stawiono w tablicy 8.

Tablica 8. Wyniki badañ wytrzyma³oœciowych piasku œredniego pobranego z drogiI³ów – Gilówka Górna ulepszony dodatkiem przetworzonego osadu i emulsji K3 – 60

Table 8. Results of strength tests of medium-grained sand specimens from theI³ów – Gilówka Górna road, treated with processed oil sludge and K3 - 60 emulsion

Dodatekprzetworzonego

osadu

(%)

Dodatekemulsji

K3 – 60

Wytrzyma³oœæ na œciskanie przy ró¿nej pielêgnacji i ró¿nychtemperaturach [MPa]

R7

R m

14R m

28R m

100

temperatura temperatura temperatura temperatura

20oC 40oC 60oC 20oC 40oC 60oC 20oC 40oC 60oC 20oC

6 5 0,15 0,10 0,08 0,20 0,15 0,12 0,25 0,20 0,15 0,10

10 5 0,20 0,15 0,10 0,25 0,20 0,15 0,30 0,25 0,20 0,15

12 5 0,25 0,20 0,15 0,30 0,25 0,20 0,35 0,30 0,25 0,25

Rm – próbki przechowywane (suszone) w warunkach powietrzno – suchych a¿ do osi¹gniêcia sta³ejmasy

4.4. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAÑ LABORATORYJNYCH

Jak przedstawiono w tablicy 5 grunty, do badañ u¿yto gruntów niespoistych i w jed-nym przypadku gruntu ma³o spoistego. S¹ to grunty mineralne o gêstoœci objêtoœcio-wej szkieletu gruntowego ρ

ds= 1,710÷1,904 g/cm3. Przyjmuj¹c klasyfikacjê wg [6],

grunty niespoiste (piaski œrednie, drobne i pylaste) charakteryzuj¹ce siê wskaŸnikiempiaskowym WP=56÷75 >35 i kapilarnoœci¹ biern¹ HkB= 30 cm zaliczyæ nale¿y dogruntów niewysadzinowych – odpornych na dzia³anie wody i mrozu. Py³ piaszczysty –grunt ma³o spoisty o WP = 16 i HkB = 160 cm klasyfikowany jest jako grunt w¹tpliwy –o ograniczonej odpornoœci na dzia³anie tych czynników. Przeprowadzone badaniawskaŸnika noœnoœciW

noœpotwierdzaj¹ powy¿sze rozwa¿ania. Grunty niespoiste chara-

kteryzuj¹ siê po nasyceniu wod¹ wskaŸnikiem Wnoœ~30%, natomiast py³ piaszczystyni¿sz¹ noœnoœci¹ o Wnoœ ~16%. Pod wzglêdem odczynu pH wszystkie badane gruntyklasyfikuj¹ siê do gruntów obojêtnych lub lekko alkalicznych pH = 7÷8.

Badania mieszanek piasków œrednich z ró¿nymi dodatkami przetworzonego osadu niewykaza³y istotnej poprawy noœnoœci w piaskach œrednich, niezale¿nie od warunków i


czasu pielêgnacji. Noœnoœæ piasku œredniego ulepszonego 6%, 10% i 12% dodatkiemprzetworzonego osadu jest porównywalna z noœnoœci¹ wyjœciow¹ piasku niestabilizo-wanego. Nawet po 7 dobowej pielêgnacji próbek nie zaobserwowano przyrostu noœ-noœci. W tym przypadku przetworzony osad nie stanowi stabilizatora dla tego rodzajugruntów. Podobna sytuacja wystêpuje tak¿e w piaskach drobnych, mimo, ¿e po 4 do-bach nast¹pi³ wzrost wskaŸnika noœnoœci to w stosunku do piasku nieulepszonego; nieby³ to wzrost istotny. Piaski œrednie i drobne u¿yte do badañ w stanie naturalnym (bezulepszenia) poddane 4 dobowemu nasyceniu wod¹ nie trac¹ noœnoœci, wiêc s¹ to grun-ty noœne. Wp³yw przetworzonego osadu jako stabilizatora na te grunty jest niewielki.

Piaski pylaste i py³y piaszczyste, w odró¿nieniu od gruntów opisanych powy¿ej, s¹gruntami wra¿liwymi na dzia³anie wody i trac¹ noœnoœæ podczas 4 dobowego nasyca-nia wod¹. Poddane stabilizacji przetworzonymi osadami w iloœci 6÷8%, ju¿ nie wyka-zuj¹ spadku noœnoœci, a nawet jej wzrost. Wzrost noœnoœci w tym przypadku jestznaczny, a wskaŸnik Wnoœ jest od 2 do 5 razy wiêkszy ni¿ wskaŸnik Wnoœ gruntów nie-ulepszonych po nasyceniu wod¹. Normowe 4 dobowe nasycanie wod¹ zastosowanozgodnie z PN-S-02205:1998 w której podaje siê metodykê badania wskaŸnika noœno-œci. W wynikach badañ dostrzec mo¿na charakterystyczn¹ cechê. Dodatek przetwo-rzonych osadów do gruntów niespoistych powoduje zmniejszenie siê wartoœci wska-Ÿnika piaskowego WP, natomiast w py³ach piaszczystych nast¹pi³o odwrotne zjawi-sko – wzrost wartoœci WP. W przypadku gruntów wysadzinowych o ma³ej wartoœciWnoœ < 25 jest to zjawisko bardzo pozytywne, które powoduje, ¿e grunty staj¹ siê mniejwysadzinowe czyli bardziej odporne na dzia³anie wody i mrozu. Py³ piaszczysty owskaŸniku WP =19 poddany stabilizacji przetworzonym osadem uzyska³ wskaŸnikWP=33÷36. Oznacza to zmianê klasyfikacji z gruntu wysadzinowego do gruntuw¹tpliwego lub niewysadzinowego.

Badania wytrzyma³oœci na œciskanie gruntów ulepszonych przetworzonymi osadamiwykazuj¹ niewielkie wartoœci zarówno w piaskach œrednich jak i w py³ach piaszczys-tych. Uzyskiwane wartoœci nie spe³niaj¹ wymagañ stawianym podbudowom drogo-wym. Badania wykaza³y, ¿e wytrzyma³oœæ uzale¿niona jest od dodatku przetwo-rzonych osadów do gruntu: czym wiêkszy jest dodatek, tym wiêksza wytrzyma³oœæ. Za-uwa¿yæ mo¿na, ¿e ten sam dodatek przetworzonych osadów do gruntów wywo³uje lep-sze wi¹zanie w py³ach ni¿ w piaskach, podobnie jak w badaniach wskaŸnika noœnoœci.

Próby stabilizacji emulsj¹ asfaltow¹ piasków œrednich ulepszonych ró¿nymi dodatka-mi przetworzonych osadów wykaza³y niewielkie wytrzyma³oœci na œciskanie, wyklu-czaj¹ce zastosowanie takich kompozycji w podbudowach drogowych.

Powy¿sze rozwa¿ania pozwalaj¹ na ustalenie pewnej prawid³owoœci. Stabilizacjagruntów niespoistych (piasków œrednich i drobnych) przetworzonymi osadami nieprzynosi poprawy parametrów geotechnicznych, ale im grunty s¹ drobniejsze, tymuzyskiwane efekty wzmocnienia s¹ wyraŸniejsze. W celu praktycznego sprawdzeniaskutecznoœci wzmacniania gruntów przetworzonymi osadami wybrano do realizacjiodcinek doœwiadczalny o pod³o¿u z py³ów piaszczystych zlokalizowany w miejsco-woœci Plecka D¹browa.



4.5. WYNIKI BADAÑ NA ODCINKU DOŒWIADCZALNYM

Wyniki badañ laboratoryjnych wykaza³y pozytywny wp³yw przetworzonych osadówna zmianê w³aœciwoœci gruntów pylastych. Da³o to podstawê do sprawdzenia w skalinaturalnej zachowania siê podbudowy z gruntu stabilizowanego przetworzonym osa-dem pod wzglêdem technicznym i ekologicznym. W tym celu w paŸdzierniku 2002 r.wykonano odcinek próbny drogi gruntowej o pod³o¿u z py³ów piaszczystych w gospo-darstwie rolnym w miejscowoœci Plecka D¹browa. W pod³o¿u drogi zalegaj¹ w górnejwarstwie do 1÷1,5 m py³y piaszczyste i g³êbiej do g³êbokoœci 2,5 m p.p.t gliny piasz-czyste wg [15]. Wody gruntowej na badanym odcinku nie stwierdzono. Droga grunto-wa po opadach atmosferycznych traci³a noœnoœæ uniemo¿liwiaj¹c jej przejezdnoœæ. Napodstawie badañ laboratoryjnych zaprojektowano podbudowê z gruntu pod³o¿a stabili-zowanego 8% dodatkiem przetworzonych osadów w stosunku do masy szkieletu grun-towego z warstw¹ jezdn¹ z pospó³ki. Przekrój wykonanej konstrukcji nawierzchniprzedstawiono na rysunku 8.

Przeznaczony do badañ odcinek drogi jest czêœci¹ drogi dojazdowej do pól upraw-nych. Otoczenie drogi z jednej strony stanow¹ pola uprawne z drugiej drzewostan przyogrodzeniu posesji. Widok wykonanego odcinka przedstawiono na rysunku 9.

Odcinek zaprojektowano w technologii mieszania gruntu na miejscu. Do mieszaniagruntu zastosowano sprzêt rolniczy, który umo¿liwia³ mieszania gruntu na za³o¿on¹gruboœæ. Przetworzony osad dostarczony przyczep¹ ci¹gnikow¹ zosta³ roz³o¿ony rêcz-nie. Po wymieszaniu gruntu z przetworzonym osadem warstwê gruntu zagêszczonowalcem drogowym. Wykonany odcinek stanowiæ mia³ poligon do badañ noœnoœci iwp³ywu na œrodowisko naturalne w 2 letnim okresie obserwacji.

Przed rozpoczêciem robót zosta³y za³o¿one piezometry w celu zbadania “t³a” – stanuekologicznego wód gruntowych. Badania próbek wody gruntowej mia³y na celu okre-œlenie wp³ywu przetworzonych osadów na zanieczyszczenie wód w zakresie wskaŸni-ków istotnych przy odprowadzaniu œcieków do wód lub do ziemi zgodnie z [16].


Rys.8. Przekrój konstrukcji nawierzchni odcinka doœwiadczalnego

Fig.8. Cross section of the experimental pavement

Badania w tym zakresie by³y prowadzone przez Instytut Zaopatrzenia w Wodê i Bu-downictwa Politechniki Warszawskiej

W czasie budowy odcinka by³y prowadzone badania stopnia wymieszania, zagêszcze-nia warstwy i noœnoœci. Do badañ noœnoœci zastosowano metody dynamiczne - p³ytêdynamiczn¹ [17-19] i tester Clegga (impact soil tester) wg [20]. Wyniki przeprowa-dzonych badañ przedstawiono w tablicy 9.

Badania przedstawione w tablicach 9 i 10 przeprowadzone zosta³y bezpoœrednio powykonaniu podbudowy (przed jej zwi¹zaniem) i bêd¹ kontynuowane przez okres 2 latw ró¿nych warunkach pogodowych. Wykonana nawierzchnia znajduje siê pod ru-chem ciê¿kich maszyn i przyczep rolniczych.



Rys.9. Widok odcinka po wykonaniu, przed przykryciem pospó³k¹

(paŸdziernik 2002 r.)

Fig.9. View of completed section before covering with sand-gravel

(October 2002)

Tablica 9. Zestawienie wyników badañ wskaŸnika noœnoœci Wnoœ

i dynamicznegomodu³u odkszta³cenia Evd warstwy gruntu stabilizowanej 8% dodatkiem

przetworzonych osadów - badania wykonane w paŸdzierniku 2002 r.Table 9. Results of the W

noœload capacity ratio and the Evd dynamic modulus

of deformation of a soil layer stabilised by adding 8% of the processedsludge - test performed in October 2002

Punktbadawczy

P³yta dynamiczna Tester Clegga

Osiadanie

s [mm]

Dynamiczny modu³odkszta³cenia

Evd [MPa]

Wnoœ [%]

W punkcie bad. Wartoœæ œrednia

1 1,12 20,036,93

21,8036,67

2 0,94 24,725,16

7,078,99

3 1,23 18,295,16

7,078,99

4 0,66 33,9314,01

10,476,93

5 1,06 21,2211,35

10,178,99

6 0,95 23,6214,18

11,588,99

7 1,56 14,5514,01

15,4916,98

8 0,78 28,8416,98

18,6220,27

9 1,80 12,6920,27

14,638,99

10 0,92 24,296,98

18,6220,27

11 0,80 28,426,93

10,4714,01

Wartoœci œrednie na badanym odcinku

Osiadanie

1,07 mm

Modu³ dynamiczny

22,78 MPa

Wnoœ (CBR)

12,99 %


Tablica 10. Zestawienie badañ wskaŸnika zagêszczenia Is

warstwy podbudowyTable 10. Results of I

scompaction ratio of the subbase layer

Badana cecha Punkt-1 Punkt-2

Wilgotnoœæ pobranej próbki 19,30 % 16,61 %

Gêstoœæ objêtoœciowa szkieletu gruntowego pobranejpróbki*) ρ

d[g / cm3]

1,544 1,593

Maksymalna gêstoœæ objêtoœciowa szkieletu gruntowegoρ

ds[g / cm3]

1,625 1,625

Wilgotnoœæ optymalna wopt % 16,5 16,5

WskaŸnik zagêszczenia Is 0,95 0,98

*) próbka pobrana cylindrem wciskanym o sztywnych œciankach

5. STABILIZACJA GRUNTÓW POD£O¯A NA OBSZARZETARGOWISKA MIEJSKIEGO W PIASECZNIE

5.1. OPIS POD£O¯A

Targowisko Miejskie zlokalizowane jest przy ul. Jana Paw³a II nr 59 w Piasecznie.Dokumentacja techniczna oraz badania w³asne IBDiM [21] dotycz¹ce stanu i rodzajugruntów wystêpuj¹cych na tym terenie wykaza³y, ¿e pod³o¿e pod projektowane targo-wisko stanowi nasyp niekontrolowany z gruntów ma³ospoistych i spoistych (py³y,py³y piaszczyste, piaski gliniaste, gliny piaszczyste) przemieszanych z gruzem budo-wlanym. W górnej warstwie pod³o¿a bezpoœrednio pod projektowan¹ konstrukcjê na-wierzchni wydzielono nastêpuj¹ce rodzaje gruntów:

• py³y piaszczyste – na obszarze czêœci handlowej targowiska,

• piaski gliniaste – na obszarze dróg komunikacyjnych.

Wg klasyfikacji geotechnicznej (tabl. 13) powy¿sze grunty zalicza siê do gruntów wy-sadzinowych lub bardzo wysadzinowych. Wykonane wiercenia w pod³o¿u do g³êbo-koœci 2,0 m nie wykaza³y wystêpowania wody gruntowej, co upowa¿nia do przyjêciawarunków wodnych jako dobrych. Przyjmuj¹c powy¿sze za³o¿enia - grunty wysadzi-nowe i warunki wodne dobre otrzymamy zgodnie z [8, 22] grupê noœnoœci pod³o¿aG3. Ponadto, pod³o¿e charakteryzowa³o siê nisk¹ noœnoœci¹ o wartoœci wtórnegomodu³u odkszta³cenia E2=9÷36 MPa oraz wskaŸnikiem Wnoœ=4÷8%. Wyniki badañ te-renowych pod³o¿a gruntowego w stanie naturalnym przedstawiono w tablicy 11.



Tablica 11. Wyniki badañ terenowych noœnoœci pod³o¿a gruntowegow stanie naturalnym – teren targowiska miejskiego w PiasecznieTable 11. Results of field tests of load capacity of soil in a natural

state - the area of the municipal market square in Piaseczno

Stanowisko badawczewg. planu

Rodzaj badania

Wnoœ (CBR) [%](impact soil tester)

E1 / E2 [MPa] Evd [MPa]

Czêœæ handlowa targowiska

1 - 2/7 3

2 - - -

3 - - -

4 0 4/15 7

5 3 9/21 9

6 5 12/36 14

7 1 4/17 8

Wartoœæ œrednia 3 6/19 8

Drogi komunikacyjne

8 3 3/9 5

9 5 4/14 7

10 2 3/10 5

11 8 6/17 9

12 4 4/14 6

Wartoœæ œrednia 4 4 / 13 6

Rozpatruj¹c przydatnoœæ pod³o¿a w stanie naturalnym do posadowienia konstrukcjidrogowej nawet o ma³ym obci¹¿eniu ruchem nale¿y stwierdziæ, ¿e pod³o¿e wymagawzmocnienia. Za³o¿ono zgodnie z [7], ¿e pod³o¿e powinno charakteryzowaæ siê mini-malnym modu³em E2 ≥ 60 MPa lub Wnoœ > 10%. Do wykonania drogi dojazdowej orazplacu targowego przyjêto konstrukcje nawierzchni przedstawione poni¿ej.

Na targowisku miejskim w Piasecznie przetworzony osad porafineryjny zosta³ u¿ytydo wzmocnienia (ulepszenia) pod³o¿a gruntowego. Projekt konstrukcji wg rysunku 10zosta³ poprzedzony rozpoznawczymi badaniami terenowymi oraz laboratoryjnymi.Zaprojektowano 2 rodzaje warstw wzmacniaj¹cych: z 3% zawartoœci¹ przetworzo-nych osadów na terenie parkingu oraz z 6% zawartoœci¹ na terenie drogi dojazdowej(rys. 10).

Odcinki by³y wykonywane w technologii mieszania na miejscu. Przetworzony osadroz³o¿ony na gruncie mieszany by³ na odpowiedni¹ g³êbokoœæ przy pomocy


“mieszarko-frezarki” drogowej. W czasie budowy odcinków prowadzono badania do-stosowane do specyfiki budowanego obiektu (okreœlenie stopnia wymieszania, bada-nia zagêszczenia, badania wskaŸnika noœnoœci Wnoœ i modu³y E1, E2, Evd). W badaniachzastosowano nowoczesne urz¹dzenia badawcze – impact soil tester (tester Clegg`a) –do okreœlania wskaŸnika Wnoœ (CBR) w terenie, p³ytê dynamiczn¹ – do okreœlaniawskaŸnika zagêszczenia I

si modu³u odkszta³cenia Evd. Podobnie jak przy realizacji

poprzedniego odcinka doœwiadczalnego i tym razem zosta³y wykonane otwory bada-wcze z piezometrami w celu umo¿liwienia badañ próbek wody pod k¹tem od-dzia³ywania przetworzonego osadu na œrodowisko. Badania w tym zakresie s¹ reali-zowane przez Instytut Zaopatrzenia w Wodê i Budownictwa Politechniki Warszaw-skiej.

Zaprogramowano 2-letni okres badawczy. Odcinki bêd¹ obserwowane i badane w ró¿-nych porach roku, co pozwoli na praktyczn¹ ocenê zastosowanych rozwi¹zañ.

5.2. W£AŒCIWOŒCI GRUNTÓW PRZEZNACZONYCH DOSTABILIZACJI

W³aœciwoœci gruntów naturalnych i po ulepszeniu dodatkiem przetworzonych osadówprzedstawiono w tablicy 12.



Rys.10. Przekrój konstrukcji nawierzchni dróg komunikacyjnych

Fig.10. Cross section of the pavement

Tablica 12. W³aœciwoœci gruntów przeznaczonych do stabilizacjiTable 12. Properties of soil designed for stabilisation

Lp.Rodzaj

gruntu

Dodatekproduktu

[%]

WskaŸnik noœnoœci Wnoœ

(CBR)

[%]

WskaŸnikpiaskowy

[%]

Kapilarnoœæbierna

[cm]

R7

[MPa]

R28

[MPa]bezpoœrednio

po 7

dobach

1Py³

piaszczysty

0 3/4*)

2/2 11 190

2 27/30 43/42 17 125 0,05 0,05

6 24/27 48/52 26 100 0,10 0,10

2Piasek

gliniasty

0 7/9 5/4 12 195

3 15/18 50/46 20 130 0,35 0,40

6 23/25 47/43 24 95 0,40 0,50

9 24/25 47/45 27 65 0,50 0,50

*)pierwsza wartoœæ oznacza Wnoœ (CBR) okreœlony przy penetracji 2,5 mm, druga wartoœæ Wnoœ (CBR) przy

penetracji 5 mm

Grunty w stanie naturalnym charakteryzowa³y siê nisk¹ noœnoœci¹, zw³aszcza po na-syceniu wod¹. grunty modyfikowane niewielkim dodatkiem przetworzonych osadówwykaza³y znaczny wzrost wskaŸnika noœnoœci. W przypadku gruntów ulepszonychprzetworzonym osadem obserwujemy wzrost wskaŸnika Wnoœ o ok. 10 razy w stosun-ku do noœnoœci gruntów nieulepszonych. Modyfikacja gruntów wp³ywa na zmianê ta-k¿e innych parametrów geotechnicznych. Chodzi o wysadzinowoœæ gruntów. Gruntynieulepszone charakteryzuj¹ siê wysok¹ wartoœci¹ kapilarnoœci biernej HkB~200 cm inisk¹ wartoœci¹ wskaŸnika piaskowego WP=11÷12. Oznacza to, ¿e grunty nale¿¹ dokategorii gruntów wysadzinowych (tabl. 13). Grunty poddane modyfikacji przetwo-rzonym osadem zmieniaj¹ swoj¹ charakterystykê pod tym wzglêdem i mo¿na je za-kwalifikowaæ ju¿ do innej grupy – do gruntów w¹tpliwych. Okazuje siê, ¿e wiêkszydodatek przetworzonego osadu wywo³uje wiêksze zmiany w gruntach, natomiast ju¿niewielkie dodatki powoduj¹ du¿e zmiany w tym zakresie. Jest to korzystna cecha,powoduj¹ca zwiêkszenie siê odpornoœci gruntów na dzia³anie wody i mrozu. Bezpo-œrednio po ulepszeniu uzyskuje siê wzrost noœnoœci tak bardzo po¿¹danej w czasieprzygotowywania pod³o¿a drogowego. Ponadto istnieje mo¿liwoœæ wyeliminowaniab¹dŸ ograniczenia kosztownej wymiany gruntów.


Tablica 13. Podzia³ gruntów pod wzglêdem wysadzinowoœci wg [22]Table 13. Soil classification with regard to heaving [22]

Wyszczególnienie Grupy gruntów

w³aœciwoœci niewysadzinowe w¹tpliwe sadzinowe

Rodzaj gruntu

rumoszniegliniasty¿wirpospó³kapiasek grubypiasek œrednipiasek drobny¿u¿el nierozpadowy

piasek pylastyzwietrzelinagliniastarumosz gliniasty¿wir gliniastypospó³ka gliniasta

ma³o wysadzinowe:glina piaszczysta zwiêz³a,glina zwiêz³a, glina pyla-sta zwiêz³a, i³,i³ piaszczysty, i³ pylastybardzo wysadzinowe:piasek gliniasty, py³, py³piaszczysty,glina piaszczysta, glina,glina pylasta, i³ warwowy

Zawartoœæ cz¹stek wgPN-88/B-04481,

≤0,075 mm≤0,02 mm

<15<3

15 ÷ 303 ÷ 10

>30>10

Kapilarnoœæ bierna wgPN-60/B-04493, Hkb,, m

<1,0 ≥1,0 >1,0

WskaŸnik piaskowy wgBN-64/8931-01,WP

>35 25 ÷ 35 <25

5.3. BADANIA NOŒNOŒCI POD£O¯A PO ULEPSZENIUPRODUKTEM

Uzyskane wyniki badañ noœnoœci , które przeprowadzono trzema metodami wyka-za³y, ¿e pod³o¿e uleg³o znacznemu wzmocnieniu po ulepszeniu produktem (tabl. 14).Uzyskano za³o¿ony modu³ odkszta³cenia E2>60 MPa i Wnoœ >10%. Analizuj¹c wynikitych badañ daje siê zauwa¿yæ, ¿e nie ma istotnego wp³ywu wielkoœæ dodatku przetwo-rzonego osadu do gruntu. Ju¿ ma³e modyfikacje 3% dodatkiem przetworzonego osaduwp³ywaj¹ znacz¹co na poprawê noœnoœci i w miarê zwiêkszania dodatku produktu tenwzrost jest praktycznie niewielki. Potwierdza siê tu zale¿noœæ jak¹ uzyskano w bada-niach laboratoryjnych Wnoœ.



Tablica 14. Wyniki badañ noœnoœci pod³o¿a po ulepszeniuprzetworzonymi osadami

Table 14. Results of load capacity tests on soil afterstabilisation with the processed sludge

Stanowisko badawczeRodzaj badania

Wnoœ (CBR) [%] E1 / E2 [MPa] Evd [MPa]

Czêœæ handlowa targowiska (3% przetworzonego osadu)

1 22 26/59 27

2 19 34/72 34

3 21 32/65 30

4 27 25/56 26

5 29 34/75 38

6 33 28/61 27

7 26 30/62 28


Drogi komunikacyjne (6% przetworzonego osadu)

8 37 38/82 39

9 30 28/63 32

10 26 28/58 27

11 28 32/68 31

12 23 29/64 34


6. ODDZIA£YWANIE NA ŒRODOWISKO

Badania w zakresie oddzia³ywania na œrodowisko prowadzone by³y przez Wydzia³ In-¿ynierii Œrodowiska Instytutu Zaopatrzenia w Wodê i Budownictwa Politechniki Wa-rszawskiej. Wstêpne badania [23] wykaza³y, ¿e parametry wyci¹gu wodnego z same-go przetworzonego osadu nie spe³niaj¹ wymogów okreœlonych w [16]. Wynika z tegowniosek, ¿e produkt nie mo¿e stanowiæ samodzielnego materia³u do zastosowañ geo-technicznych, np. do budowy nasypów lub ulepszonego pod³o¿a b¹dŸ warstw kon-strukcji nawierzchni.

Znacznie korzystniejsze wyniki badañ uzyskuje siê po wymieszaniu produktu z grun-tem. Wystêpuje wtedy zmniejszenie siê koncentracji szkodliwych sk³adników tj. me-tali ciê¿kich (Pb, Ni, Cr, V, Zn). Wyniki badañ laboratoryjnych wymywalnoœciwykaza³y, ¿e 6% dodatek do gruntów nie stanowi zagro¿enia dla œrodowiska. Badaniapróbek wody pobranej z piezometrów zlokalizowanych w pobli¿u odcinków prób-nych nie wykaza³y zagro¿enia dla œrodowiska nawet przy stosowaniu 8% dodatkuproduktu. Badania pod k¹tem oddzia³ywania na œrodowisko bêd¹ kontynuowaneprzez okres 2 lat


7. WNIOSKI

Przedstawione w niniejszej publikacji wyniki badañ produktu powsta³ego z zestaleniametod¹ ORTWED uwodnionych osadów porafineryjnych z PKN ORLEN S.A. wP³ocku upowa¿niaj¹ do sformu³owania nastêpuj¹cych wniosków:

– Przetworzony osad 30÷40% dodatkiem wapna palonego mielonego do postacista³ej w instalacji ORTWED posiada w³aœciwoœci stabilizuj¹ce grunty spoiste ima³ospoiste. Pod wzglêdem uziarnienia wg klasyfikacji geotechnicznej prze-tworzony osad odpowiada py³om. Jest materia³em niewysadzinowym kolorujasno-brunatnego lub jasno-szarego.

– Przetworzony osad nie mo¿e stanowiæ samodzielnego materia³u do zastosowañgeotechnicznych ze wzglêdu na du¿¹ koncentracjê szkodliwych sk³adników (me-tali ciê¿kich i substancji ropopochodnych). Jego rozproszenie w iloœciach 2÷9%w materiale mineralnym pozwala na bezpieczne stosowanie pod wzglêdemochrony œrodowiska.

– Stwierdzono korzystny wp³yw dodatku przetworzonego osadu do gruntów spoi-stych i ma³ospoistych. Przeprowadzone badania wykaza³y, ¿e grunty stabilizo-wane niewielkim dodatkiem przetworzonego osadu w iloœciach 2÷9% uzyskuj¹wzrost wskaŸnika noœnoœci Wnoœ podobnie jak przy stabilizacji gruntów wapnemhydratyzowanym.

– Dodatek przetworzonego osadu wp³ywa korzystnie na zmianê stopnia wysadzi-nowoœci gruntów spoistych i ma³ospoistych. Uzyskuje siê wzrost wartoœciwskaŸnika piaskowego WP kwalifikuj¹cy grunt do innej grupy .

– Nie stwierdzono korzystnego wp³ywu dodatku przetworzonego osadu (do 12%)jako stabilizatora do gruntów niespoistych, gdy¿ nie uzyskiwano w tym przypad-ku wysokiej poprawy wskaŸnika noœnoœci Wnoœ.

– Zwiêkszony dodatek przetworzonego osadu nie spe³nia wymogów ekologicz-nych.

– Nowoczesna metoda przetwarzania osadów wapnem palonym CaO pozwoli naszersze zagospodarowanie odpadów porafineryjnych w drogownictwie.

– Z uwagi na dofinansowywanie przez PKN ORLEN przetwarzania odpadówporafineryjnych wynika niski koszt pozyskiwania produktu z przetworzonychosadów. Zastosowanie tego materia³u jako spoiwa (przetworzonego osadu) dowykorzystania na szersz¹ skalê w drogownictwie przynieœæ mo¿e wymiernekorzyœci ekonomiczne administracji, inwestorom i wykonawcom robót drogo-wych.

BIBLIOGRAFIA

[1] Tokaj W., Wileñski P.: Sprawozdanie z pracy badawczej realizowanej w ramach blo-ku nr 64 pt: Wstêpne rozpoznanie mo¿liwoœci wykorzystania odpadów petrochemi-cznych utylizowanych metod¹ ORTWED do stabilizacji gruntów - IBDiM 2000 r.praca niepublikowana



[2] Ustawa o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001 r. Dz. U. Nr 62. poz. 628

[3] Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska z dnia 27 wrzeœnia 2001 r. w sprawie kataloguodpadów (Dz. U. Nr 112, poz. 1206)

[4] PN-S-96035:1977 Drogi samochodowe. Popio³y lotne

[5] PN-EN 451 - 1 Metoda badania popio³u lotnego - Oznaczanie zawartoœci wolnegotlenku wapnia

[6] PN-86/B-02480 Grunty budowlane. Okreœlenia, symbole, podzia³ i opis gruntów

[7] PN-S-02205: 1998 Drogi samochodowe. Roboty ziemne. Wymagania i badania

[8] Rozporz¹dzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 r. wsprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadaæ drogi publiczne i ichusytuowanie; Dziennik Ustaw nr 43 poz. 430

[9] BN-64/8931-01 Drogi samochodowe. Oznaczanie wskaŸnika piaskowego

[10] PN-60/B-04493 Grunty budowlane. Oznaczanie kapilarnoœci biernej

[11] PN-S-96012:1998 Drogi samochodowe. Podbudowa i ulepszone pod³o¿e z gruntustabilizowanego cementem

[12] PN-S-96011:1998 Drogi samochodowe. Stabilizacja gruntów wapnem do celówdrogowych

[13] BN-71/8933-10 Drogi samochodowe. Podbudowa z gruntów stabilizowanych akty-wnymi popio³ami lotnymi

[14] PN-88/B-04481 Grunty budowlane. Badania próbek gruntu

[15] Sprawozdanie z badañ przydatnoœci gruntów do stabilizacji zestalonym produktem zosadów porafineryjnych na terenie powiatu P³ockiego, IBDiM 2002 r., Laborato-rium Geotechniki; praca zespo³owa

[16] Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie warun-ków, jakie nale¿y spe³niæ przy wprowadzaniu œcieków do wód lub do ziemi oraz wsprawie substancji szczególnie szkodliwych dla œrodowiska wodnego. (Dz. U. Nr212, poz. 1799)

[17] Dynamischer Platendruckversuch – Schnellprüfverfahren für die Qualitätssicherungvon ungebundenen Schichten-Kudla, Floss, Trautmann – 1987

[18] Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau TP BF -StB Teil B8.3; Dynamischer Plattendruckversuch mit Hilfe des Leichten Fallgewichtsgerätes,Ausgabe 1997

[19] Rafalski L.: Metoda badania zagêszczenia podtorza za pomoc¹ p³yty obci¹¿anej dy-namicznie. Prace IBDiM, 3/1985

[20] CONTROLS - Instruction manual. IMPact soil tester. Cat 34-T0168/A


[21] Sprawozdanie z badañ przydatnoœci gruntu do stabilizacji zestalonym produktem zosadów porafineryjnych na terenie nawierzchni Targowiska Miejskiego w Piaseczniewraz z badaniami terenowymi odcinków doœwiadczalnych - za³¹cznik nr 1 A, 1B, IB-DiM, 2002; Laboratorium Geotechniki; praca zespo³owa

[22] Katalog typowych nawierzchni podatnych i pó³sztywnych. Instytut Badawczy Drógi Mostów, GDDP, Warszawa 1997

[23] Barkiewicz. B, Obierak I.: Wstêpne badania chemiczne zastosowania produktuORTWED w budownictwie drogowym w aspekcie oddzia³ywania na œrodowisko.Praca niepublikowana, Politechnika Warszawska, Wydzia³ In¿ynierii Œrodowiska,Warszawa 2001

UTILIZATION OF POST - REFINERY OIL SLUDGE FOR SOILSTABILISATION IN ROAD CONSTRUCTIONPART II: Trial sections tests

Abstract

Tests confirmed product’s stabilizing properties, constituting a basis for manufacturing and

testing of field trial sections. Section tests covered both the technical aspect and the

environmental protection regulations. The research is conducted within the Polish-Danish

EUREKA – Soilstabsorbent project in joint effort with the Warsaw University of Technology,

Wroc³aw University of Technology, Ecological Service Department of National Environmental

Protection Foundation in P³ock - Ekoglobe.



Nr 1 2004

GRA¯YNA £AGODA1)

MAREK £AGODA2)

ASPEKT ESTETYCZNY KSZTA£TOWANIAOBIEKTÓW MOSTOWYCH

STRESZCZENIE. W staro¿ytnoœci estetykê przedmiotu rozwa¿ano w aspekcie takich w³a-

snoœci jak funkcja czy przyjemnoœæ odbioru, co wyra¿a³o siê w harmonijnych proporcjach

wymiarów. Tak z grubsza prezentowane t³o filozoficzne definiuje estetykê w projektowaniu

mostów, pojmowan¹ jako: z jednej strony z punktu widzenia przede wszystkim formy i kszta³tu,

zaœ z drugiej strony z punktu widzenia funkcjonalizmu i trwa³oœci. Projektowanie mostu jest w

istocie problemem in¿ynierskim. Spoœród wielu wa¿nych aspektów, decyduj¹c¹ rolê odgry-

waj¹ bezpieczeñstwo, metody monta¿u i ekonomika. Niestety, aspekt estetyczny zanied-

bywany jest nazbyt czêsto, lecz i tu dokonano wielkiego wk³adu dla rozwoju estetyki mostów.

Zalecenia podane w tym artykule wyp³ywaj¹ przede wszystkim z rozwa¿ania punktów wi-

dzenia autorów na podstawie doœwiadczeñ i literatury. Problem zaczyna nabieraæ znaczenia w

aspekcie wzmo¿onych wysi³ków, maj¹cych na celu dostosowanie systemu drogowego Polski

do standardów wymaganych dla nowoczesnego transportu.

1. WPROWADZENIE

Obiekty mostowe zawsze wywo³ywa³y okreœlone odczucia estetyczne, wp³ywa³y nasamopoczucie i psychikê obserwatorów. Bez wzglêdu na poziom intelektualny iwra¿liwoœæ obserwatora, obiekty te z regu³y budz¹ emocje estetyczne. Nale¿a³oby jezatem tak kszta³towaæ, aby ich wp³yw na odczucia odbiorców by³ pozytywny. Nieulega w¹tpliwoœci, budowa mostów, chocia¿ przez wielu by³a i jest traktowana

1) dr hab. in¿. - Instytut Dróg i Mostów Politechniki Warszawskiej2) dr in¿. - Instytut Badawczy Dróg i Mostów w Warszawie

DROGI i MOSTY 55

jak rzemios³o, od najdawniejszych czasów wiele wspólnego mia³a ze sztuk¹, a wdwudziestym wieku zainteresowali siê ni¹ nawet teoretycy sztuki i estetycy. Jak pisa³prof. Tatarkiewicz w przedmowie do dzie³a prof. Wasiutyñskiego "O architekturzemostów": "artyœci i in¿ynierowie przyswoili sobie wiedzê zawodow¹ filozofów, logi-ków, estetyków", w innym zaœ miejscu stwierdza autorytatywnie, ¿e wspó³praca in-¿ynierów, artystów i estetyków od dawna by³a i jest rzeczywistoœci¹ [1].Obecnie, w obliczu gwa³townego rozwoju komputeryzacji, wzmo¿onej poda¿y no-woczesnych materia³ów i technologii, sprawy wymiarowania czy wyposa¿enia zwyk-le nie sprawiaj¹ wiêkszych trudnoœci, zw³aszcza w przypadku obiektów ma³ych iœrednich rozpiêtoœci. Natomiast bardzo wa¿nym zagadnieniem do rozwi¹zania jestsprawa estetycznego ukszta³towania, której warto dzisiaj poœwiêciæ wiêcej uwagi. Ze-spo³y projektowe, a czasami pojedynczy in¿ynierowie, kszta³tuj¹ obiekty mostowe wosamotnieniu, bez szerszych konsultacji, najczêœciej staraj¹c siê wype³niæ tylkoza³o¿enia funkcjonalne i wytrzyma³oœciowe. Na uwzglêdnienie czynników estetycz-nych przy projektowaniu mostów z regu³y brakuje czasu i pieniêdzy. Celem tego ar-tyku³u jest próba skierowania uwagi projektantów mostów na mo¿liwoœci este-tycznego kszta³towania konstrukcji i minimalizowania negatywnych skutków inge-rencji nowo wybudowanego obiektu mostowego w otaczaj¹cy krajobraz [2]. Maj¹cna uwadze zwiêkszaj¹c¹ siê liczbê konstrukcji in¿ynierskich, nie mo¿na dopuœciæ,aby ich wygl¹d oddzia³ywa³ negatywnie na œrodowisko. Czasami ma³ym nak³ademkosztów mo¿na uzyskaæ estetyczny wygl¹d obiektów mostowych i tym samym uczy-niæ nasze drogi piêkniejszymi, a do naszych krajobrazów nie wprowadzaæ dysharmo-nii.

2. G£ÓWNE ZASADY ESTETYKI W PROJEKTOWANIUMOSTÓW

Ju¿ w staro¿ytnoœci znane by³y prawid³a, które wykorzystywali przy kszta³towaniuform mistrzowie budowlani, w tym tak¿e i twórcy mostów [1]. Jako regu³ê nadrzêdn¹traktowano zasadê prawdziwoœci formy, która obejmuje prawid³a wynikaj¹ce z celuu¿ytkowego oraz z warunków wykonania i eksploatacji mostu. Równie wa¿na jestzasada ca³oœci, przypominaj¹ca o dostrzegalnoœci wszystkich elementów formy i ichwspó³zale¿noœci. Zasada prostoty zaleca, aby forma by³a nieskomplikowana, a liczbaelementów ma³a (rys. 1) [3].

Czytelnoœæ formy dotyczy ³atwego dostrzegania wspó³zale¿noœci formy elementów,funkcji i uk³adu si³ [4]. Zasada unikania pustki (rys. 2) polega na odrzuceniu nic niemówi¹cych i niezrozumia³ych form, zaœ zasada miarowoœci (rys. 3) obejmuje cechyrównoœci wystêpuj¹ce miêdzy elementami form, barw, œwiat³a, cienia itp., daj¹cerytm i proporcje. Uœwiadomienie sobie tych regu³ i zastosowanie ich w procesie pro-jektowania jest warunkiem koniecznym do tego, aby zrealizowany obiekt spe³nia³pok³adan¹ w nim nadziejê, czyli by³ spo³ecznie akceptowany i zgodny z za³o¿eniamiprojektowymi.


56 Gra¿yna £agoda, Marek £agoda

Nie jest to jednak warunek wystarczaj¹cy, gdy¿ do pe³nego sukcesu potrzebne jestzaanga¿owanie projektanta, jego poczucie piêkna, doœwiadczenie, wiedza, znajo-moœæ œrodowiska, w którym ma byæ zlokalizowany obiekt. Zasad nigdy nie nale¿y

ASPEKT ESTETYCZNY KSZTA£TOWANIA OBIEKTÓW MOSTOWYCH 57

Rys.1. Prosta forma obiektu mostowego [3]

Fig.1. The simple bridge structure form [3]

Rys.2. Projektant czêsto odrzuca pustkê, poniewa¿ zna wartoœæ jej

wype³nienia (a, b [5], c [6])

Fig.2. The designer often throws away the emptiness because he knows

the value of its fulfillment (a, b [5], c [6])

traktowaæ oddzielnie, ani tym bardziej wybiórczo. Dotykaj¹ one obszarów wzajem-nie na siebie zachodz¹cych i uzupe³niaj¹cych siê [7]. Nale¿y zdawaæ sobie sprawê ztego, ¿e wymienione zasady dotycz¹ nie tylko obiektu, ale tak¿e ka¿dej jego czêœci zosobna, jak równie¿ otoczenia, którego elementem jest projektowany most.

Aby most by³ piêkny, konieczna jest jak najszerzej pojmowana wysoka jakoœæ. Cho-dzi tu o najwy¿szy poziom projektowania, optymaln¹ technologiê wykonania i utrzy-mania, najlepsz¹ jakoœæ u¿ytych materia³ów konstrukcyjnych i wykoñczeniowych.

Fakt, ¿e obiekt mostowy s³u¿y przez wiele lat wielu pokoleniom i powinien byæ przeznie akceptowany, równie¿ nie zawsze jest uwzglêdniony i doceniony. Czasami bar-dzo trudno jest unikn¹æ pewnych upiêkszeñ typowych dla panuj¹cej mody, odbiera-nych w póŸniejszych czasach jako swoiste fanaberie czy dziwactwa projektanta.Mog¹ byæ one akceptowane w przypadku czegoœ, co ma ograniczon¹ i krótk¹ ¿ywot-noœæ jak np.: ubiory, samochody, muzyka pop, fryzury, wystrój domu itp. In¿ynier,projektant kuszony pewnymi ekstrawagancjami dnia dzisiejszego de facto hamujepostêp. A przecie¿ ¿ycie obdarza ludzi wielkim darem tworzenia, który jest odkryw-czy i sprawia radoœæ. Wszelkie ozdoby i upiêkszenia, mo¿e atrakcyjne w jakimœ okre-sie, zazwyczaj piêtnuj¹ konstrukcjê jako historyczn¹ osobliwoœæ. Raczej rzadko itylko w odosobnionych przypadkach przydaj¹ one obiektowi dodatkowej wartoœci(rys. 4).



Rys.3. Eurytmia elementów konstrukcji [8]

Fig.3. Eurytmics of construction elements [8]

I pó³ biedy, jeœli problem polega na nieatrakcyjnym zestawie barw [9] (rys. 5) (za-wsze istnieje mo¿liwoœæ przemalowania obiektu), gorzej, je¿eli szczególna moda czyfantazja projektanta dotyczy formy obiektu (rys. 6).

Ogólnie wiadomo, ¿e dzie³o in¿yniera projektanta w ka¿dym otoczeniu oddzia³uje naobserwatorów z pewn¹ moc¹. Chocia¿ pojedynczy oryginalny most mo¿e podnieœæwalory estetyczne miejsca, na którym siê znajduje, to jednak powinien on ³agodniewpisywaæ siê w otoczenie.

Czasami kontrast mo¿e przynieœæ pozytywny efekt, lecz operowanie nim wymagawyj¹tkowego wyczucia, wielkiej wyobraŸni i doœwiadczenia. Proœciej i bezpiecz-niej jest stosowaæ zasadê zgodnoœci konstrukcji z otoczeniem [11]. Rysunek mostumusi harmonizowaæ z bezpoœrednim otoczeniem i dobrze “pasowaæ” w krajobrazie.W zdecydowanej wiêkszoœci przypadków konstrukcja mostu nie powinna przejmo-waæ roli krzykliwej dominanty w naturalnym, spokojnym krajobrazie, choæ z dru-giej strony nie mo¿e w nim te¿ gin¹æ (rys. 7). W wiejskim, rustykalnym œrodowisku


Rys.4. Oryginalny wystrój mostów, harmonizuj¹cy z otoczeniem (fot. M £agoda)

Fig.4. The original decoration of bridges harmonizes with the environment (photo M. £agoda)

Rys.5. Ozdoby i upiêkszenia, charakteryzuj¹ce obiekty jako historyczn¹

osobliwoœæ (fot. M £agoda)

Fig.5. Decorations and beautifies, characterizing structures as historical

peculiar (photo M. £agoda)

dobrze bêdzie wygl¹da³ obiekt, w którym wyeksponowano surowy kamieñ lub drew-no (rys. 8).

Na terenach magazynowych lub w otoczeniu hal przemys³owych powinien znaleŸæsiê most o g³adkiej konstrukcji stalowej lub betonowej. Szczególnej uwagi wymaga



Rys.6. Fantazja projektanta, dotycz¹ca formy obiektu (a [3], b [10], c [6], d [fot. M. £agoda])

Fig.6. The designer imagination related to the structure appearance (a [3], b [10], c [6],

d [photo M. £agoda])

Rys.7. Most przerzucony ponad dolinami

górskimi, harmonijnie wpisany w krajobraz [8]

Fig.7. Bridge thrown above mountain valleys,

harmoniously situated in the landscape [8]

Rys.8. Rustykalna wyk³adzina przyczó³ka [8]

Fig. 8. Rustical facing of bridge abutment [8]

projektowanie wiaduktów w obszarze zabytkowym i miejskim. Konstrukcja mostupowinna byæ zgodna z oczekiwaniem spo³ecznym. Opinia spo³eczna, wsparta œrod-kami masowego przekazu jest wielk¹ si³¹, z któr¹ zawsze nale¿y siê liczyæ.

Ta omawiana powy¿ej zgodnoœæ dotyczy równie¿ zale¿noœci miêdzy form¹ i funkcj¹.Dobrze by³oby, gdyby ta zale¿noœæ by³a czytelna dla postronnego obserwatora.Uk³ad elementów konstrukcyjnych powinien te¿ jasno wskazywaæ na wielkoœci i kie-runki przep³ywu si³ wewnêtrznych. Znajomoœæ funkcji jest niezbêdna do zrozumie-nia formy.

Odmian¹ zasady czytelnoœci formy jest zasada unikania pustki. Mo¿na stwierdziæ, ¿eforma nieczytelna jest pusta. Cz³owiek unika pustki, gdy¿ nic mu ona nie mówi, niezna jej wartoœci, natomiast dostrzega wartoœæ jej wype³nienia. Pustka nie tylko nudzii nu¿y, lecz os³abia zdolnoœæ dzia³ania przez brak podniet emocjonalnych. Cz³owiekw sposób naturalny broni siê przed pustk¹, unikaj¹c jej lub j¹ wype³niaj¹c. P³askaœciana, brak rozdzielenia elementów konstrukcyjnych, ukrycie uk³adu si³ wewnêtrz-nych czy sposobu wykonania, dzia³a odpychaj¹co. Jednak, aby forma nie straci³aczytelnoœci, wype³nienie formy treœci¹ nie mo¿e oznaczaæ nadmiernego wzbogaca-nia jej zbyt wielk¹ liczb¹ elementów (rys. 9).

Obiekty mostowe, w zale¿noœci od rodzaju schematu statycznego konstrukcji, cha-rakteryzuj¹ siê okreœlonym stopniem dynamizmu lub zrównowa¿enia. Nawet przypowierzchownej obserwacji wyraŸnie widaæ, ¿e w mostach reprezentuj¹cych sta-tyczny rozk³ad si³, najczêœciej wystêpuj¹ce kierunki si³ to poziom i pion. Kierunki tewynikaj¹ z dzia³ania si³ ciê¿koœci i stanowi¹ podstawê rozwa¿añ i obliczeñ statyczn-ych, jak i intuicyjnego wyczucia równowagi konstrukcji mostu. Te jakby symbolestanów równowagi wywo³uj¹ wra¿enie stabilnoœci, natomiast wra¿enie ruchu, a ra-czej jego mo¿liwoœæ powstaje zawsze, gdy odchylenia od pionu lub poziomu s¹ wy-raŸnie widoczne. Na rysunku 10 pokazano, w jaki sposób, pos³uguj¹c siê od-chyleniem od pionu lub poziomu, mo¿na uzyskaæ wra¿enie ruchu.


Rys.9. Wra¿enie pustki i sposób zaradzenia temu [12]

Fig.9. The emptiness impression and remedy for it [12]

3. POWI¥ZANIE OBIEKTU MOSTOWEGO Z OTOCZENIEM

Zró¿nicowaniu krajobrazu w naszym kraju zawdziêczamy, ¿e Polskie drogi prze-biegaj¹ po wszystkich mo¿liwych formach terenu i w okolicach o ró¿nym charakt-erze. Mog¹ zatem byæ to obszary typowo rolnicze, leœne i górzyste, ale te¿ wielko-miejskie i przemys³owe. Ci¹gi dróg przecinaj¹ regiony Polski, charakteryzuj¹ce siêznacz¹cymi ró¿nicami kulturowymi miêdzy sob¹. Uwarunkowania te wymuszaj¹stosowanie bardzo starannego doboru rozwi¹zañ konstrukcyjnych [11]. Ka¿dyobiekt mostowy powinien mieæ swój odrêbny charakter, zgodny ze specyfik¹ re-gionu, w którym zosta³ wybudowany. Na charakter drogi ma wp³yw zwi¹zana z ni¹infrastruktura, g³ównie parkingi, stacje benzynowe, restauracje, motele i chyba wnajwiêkszym stopniu wiadukty nad nimi z uwagi na ich liczbê i czas ekspozycji orazmosty, które zawsze by³y obiektami spektakularnymi. Zatem inny charakter bêdziemia³a droga na Podhalu, a inny na Wybrze¿u. Dlatego na pewnych odcinkach drógobiekty mostowe powinny mieæ wspólne cechy, czasem nawet powtarzalne roz-wi¹zania, uzale¿nione od krajobrazu i regionu. Idea³em by³oby, aby ka¿dy po-dró¿ny móg³ zauwa¿yæ ró¿nice regionalne. Wype³nienie takiego za³o¿enia jesttrudne do zrealizowania, ale w odniesieniu do wiaduktów czasami niewielkie nawetzmiany w projekcie typowym mog¹ wp³ywaæ bardzo zdecydowanie na charakterobiektu. Drobne przeróbki mog¹ dotyczyæ kszta³tu podpór, rozwi¹zania balustrady,kolorystyki, faktury elewacji czy rodzaju u¿ytego materia³u. Tak wiêc w przypadkuobiektów ma³ych i œrednich rozpiêtoœci wzglêdy technologiczne i ekonomiczne po-woduj¹, ¿e kszta³ty ustrojów noœnych s¹ podobne, natomiast podpory, zw³aszczaskrajne i wyposa¿enie mog¹ mieæ formy nadaj¹ce obiektowi regionalny, indywidu-alny styl. Obiekty mostowe wiêkszych rozpiêtoœci, których w naszym kraju nie bu-duje siê przecie¿ tak wiele, powinny mieæ indywidualny, niepowtarzalny charakter.



Rys.10. Dynamika wygl¹du podpór [13]

Fig.10. Dynamic of bridge piers look [13]

Badania opinii spo³ecznej wyraŸnie potwierdzaj¹, ¿e wœród obiektów powtarzalnych(ale nie identycznych) wskazane jest wykonanie szczególnej, nawet ekstrawaganc-kiej konstrukcji. Nietypowy obiekt mo¿e ³atwo staæ siê znakiem w przestrzeni -punktem charakterystycznym, wyznaczaj¹cym rytm podró¿y. Mosty pokazane na ry-sunku 11, to obiekty oryginalne, budz¹ce zainteresowanie, czasem mo¿e nawet za-chwyt. Ka¿de miasto chcia³oby mieæ wizytówkê w postaci niebanalnej konstrukcji,najlepiej mostu. Wa¿ne jest jednak, aby taki obiekt nie by³ zbyt ekstrawagancki, by³raczej konstrukcj¹ o charakterze ponadczasowym, w sposób umiarkowany poka-zuj¹c¹ panuj¹cy w chwili obecnej styl w budownictwie.

Obiekty mostowe nie powinny wprowadzaæ dysonansu do otoczenia. Opieraj¹c siêna wynikach badañ, mo¿na powiedzieæ, ¿e spokojna konstrukcja belkowa czy ³uko-wa bêdzie w³aœciwsza np. od podwieszonej w naturalnym krajobrazie o charakterzerolniczym czy leœnym (rys. 12). Natomiast obiekt podwieszony [15] bêdzie dobrzewygl¹da³ na obszarze z nowoczesn¹ zabudow¹ przemys³ow¹ lub miejsk¹ (rys. 13). Wpierwszym przypadku bardzo odpowiednia bêdzie surowa wyk³adzina kamienna, zaœw drugim bardziej wskazane bêd¹ delikatnie ukszta³towane krawêdzie o g³adkim wy-koñczeniu.


Rys.11. Nietypowe obiekty mostowe (a [14], pozosta³e fot. G. £agoda)

Fig.11. Atypical bridge structures(a [14], other photos G. £agoda)

Wybór odpowiedniego materia³u i jego obróbka powinny byæ okreœlone w pewnymstopniu przez charakter otoczenia. Jeœli obiekt posiada elementy murowane, to nale-¿y d¹¿yæ, aby do budowy lub wyk³adzin u¿ywaæ naturalnego kamienia z okolicy,gdzie ten kamieñ wystêpuje, poniewa¿ na tym terenie jest on czêsto widywany wokolicy jako ska³a lub podmurówki, ogrodzenia czy inne elementy zabudowy.

Na obszarach, gdzie nie wystêpuje kamieñ naturalny, nale¿y u¿ywaæ ceg³y. Tam,gdzie zale¿y nam na pokazaniu lekkoœci i smuk³oœci konstrukcji, dobrze jest stoso-waæ powierzchnie g³adkie z zaokr¹glonymi krawêdziami. W œrodowisku leœnym iwiejskim nale¿y zachowywaæ naturalne œlady deskowania z pokazaniem s³ojów o ró-¿nym stopniu chropowatoœci, natomiast w otoczeniu przemys³owym i miejskim le-piej jest stosowaæ szalunek p³ytowy (stalowy lub ze sklejki), daj¹cy g³adki orto-gonalny wzór. Na terenach zielonych i o charakterze rekreacyjnym dobrze jest ekspo-nowaæ przyjazne dla otoczenia kolory kruszyw naturalnych lub stosowaæ faktury czyok³adziny nawi¹zuj¹ce swoim wygl¹dem do materia³ów naturalnych spotykanych wokolicy.



Rys.12. Spokojna konstrukcja belkowa w naturalnym krajobrazie [8]

Fig.12. Calm beam construction in natural landscape [8]

Rys.13. Obiekty podwieszone na obszarach z nowoczesn¹ zabudow¹:

(a [8], b [fot. M. £agoda])

Fig.13. Cable stayed bridge in the area of modern surroundings:

(a [8], b [photo M. £agoda])

4. DOBÓR SCHEMATU STATYCZNEGO

Odpowiedni dobór w³aœciwego schematu statycznego to jeden z najistotniejszychproblemów w projektowaniu mostów. W zasadzie wyboru, adekwatnego do ota-czaj¹cego œrodowiska i krajobrazu nale¿y dokonaæ pomiêdzy dwoma systemami roz-wi¹zañ. Pierwszy to obiekty o lekkich podporach i smuk³ych przês³ach, drugi torozwi¹zania krêpych przêse³ z solidnymi podporami.

W otoczeniu zamkniêtym z wyraŸnymi œcianami jak np. w górach czy w lesie lepszybêdzie wiadukt ciê¿szy, o mniejszych rozpiêtoœciach przêse³. Natomiast szerokootwarty pejza¿ wymaga bardziej œmia³ego, smuk³ego rozwi¹zania. W niektórychprzypadkach mo¿na znaleŸæ lepsze rozwi¹zanie na zasadzie kontrastu. Znane s¹ bar-dzo smuk³e i lekkie konstrukcje przerzucone nad górskimi dolinami czy w terenie le-œnym. Stosowanie skrajnego kontrastu wymaga wielkiej wra¿liwoœci i wyczucia, copowoduje, ¿e nie zawsze i nie wszystkim udaje siê osi¹gn¹æ w³aœciwy efekt.

Nadrzêdn¹ zasad¹ przy podziale obiektu na przês³a powinno byæ unikanie budowypodpór w przeszkodzie. Jeœli jest to ciek, to podpory powinny byæ usytuowane pozaobszarem nurtowym. W przypadku wiaduktów, wskazane jest pozostawienie jak naj-wiêkszego œwiat³a dla drogi pod obiektem.

Ustroje noœne o schemacie statycznym w postaci ³uku ze œcianami czo³owymi, pro-stej belki lub ramy wskazane s¹ tam, gdzie po¿¹dane jest podkreœlenie ciê¿koœciobiektu. Przyczó³ki w takich przypadkach równie¿ powinny byæ solidne i wyraŸnieoddzielone od reszty konstrukcji. Smuk³oœæ konstrukcji belkowych (p³ytowych),swobodnie podpartych i ramowych jest zdecydowanie najmniejsza, co czasami spra-wia niekorzystne wra¿enie. Zbyt du¿¹ wysokoœæ ustroju, konieczn¹ ze wzglêdówwytrzyma³oœciowych, mo¿na ,,ukryæ" przez redukcjê wysokoœci konstrukcyjnej przykrawêdziach w przekroju poprzecznym lub stosuj¹c wsporniki. Wsporniki bardzo ra-dykalnie ³agodz¹ skutki ma³ej smuk³oœci i efektywnoœæ ich jest wprost proporcjonal-na do ich wysiêgu (rys. 14).


Rys.14. Wp³yw efektu oœwietlenia na odczucie wra¿enia smuk³oœci konstrukcji

Fig.14. The influence of lighting effect onto impression feeling of construction slenderness

Interesuj¹ce rozwi¹zania daj¹ ³uki a¿urowe (rys. 15). £uk, wspieraj¹c siê na podpo-rach, nawet jednym przês³em mo¿e pokonaæ szerok¹ przeszkodê. Najczêœciej wów-czas ma on ma³¹ wysokoœæ i w konstrukcjach z jazd¹ gór¹ w kluczu ³¹czy siê zpomostem. Stanowi to bardzo lekk¹, nie koliduj¹c¹ z otoczeniem konstrukcjê. Podterminem “³uk” kryje siê nieprawdopodobne bogactwo mo¿liwoœci kszta³towania.Na rysunku 15 pokazano symbolicznie tylko kilka obiektów [16].

Zdaniem autorów wybór ³ukowego ustroju noœnego jako najbardziej odpowiedniegow wiêkszoœci krajobrazów w badaniach opinii spo³ecznej by³ ca³kowicie uzasadnio-ny [11]. Z lekkimi konstrukcjami ³ukowymi konkuruj¹ (przede wszystkim z powo-dów du¿ych kosztów budowy) trójprzês³owe uk³ady ramowe z ukoœnymi podporami(rys. 16). Konstrukcje ramowe o proporcjach wywodz¹cych siê z ³uku dwuprze-gubowego najkorzystniej prezentuj¹ siê tam, gdzie cienkie u do³u podpory zwiêk-szaj¹ swój przekrój ku górze. W przypadku konstrukcji po³o¿onych wysoko ponadpoziomem terenu przyjmuje siê proporcje ³uku trójprzegubowego z mocno pocie-nionym ryglem w œrodku rozpiêtoœci. W takim obiekcie rozk³ad si³ wewnêtrznych



Rys.15. £uki a¿urowe (a [8], b, d [14], c [fot. M. £agoda])

Fig.15. Openwork arches (a [8], b, d [14], c [photo M. £agoda])

jest bardziej zgodny z lini¹ ciœnieñ, zaœ kszta³t konstrukcji staje siê l¿ejszy, bardziejsmuk³y i elegancki.

Mosty o innych schematach statycznych, takich jak konstrukcje podwieszone orazwisz¹ce, wymagaj¹ wyj¹tkowo starannego opracowania i w grupie mostów œredniej ima³ej rozpiêtoœci powinny wystêpowaæ raczej jako nietypowe, szczególne obiekty.Uwaga ta dotyczy przede wszystkim krajobrazu naturalnego. Mog¹ to byæ swego ro-dzaju “punkty orientacyjne” [11] w charakterystycznych miejscach dróg szybkiegoruchu lub obiekty reprezentacyjne w du¿ych miastach.

5. PODPORY

Niezaprzeczalna jest rola kszta³tu podpór w opracowaniu estetyki obiektu mostowe-go. Podpory powinny byæ tak kszta³towane, by pe³nione przez nie funkcje podparciaby³y ³atwo dostrzegalne. W podporze poœredniej o zmieniaj¹cym siê kszta³cie prze-kroju na jej wysokoœci w odró¿nieniu np. od prostego s³upa, forma zewnêtrzna suge-ruje zmienny przebieg si³. W niskich s³upach przyrost si³ wewnêtrznych wywo³anywysokoœci¹ podpory jest tak nieznaczny, ¿e projektanci rzadko stosuj¹ zmianê prze-kroju poprzecznego. W bardzo wysokich s³upach (rys. 17) ciê¿ar w³asny powodujeistotny wzrost si³ pionowych, a pozosta³e oddzia³ywania wywo³uj¹ wraz ze zbli-¿aniem siê do podstawy zwiêkszenie momentów zginaj¹cych, zatem uzasadnionyjest zmienny przekrój na wysokoœci podpory. Taki projekt konstrukcji podpory zgod-ny jest z zasad¹ czytelnoœci i prostoty.

W celu nadania obiektom atrakcyjnej formy projektanci czasami uciekaj¹ siê dokszta³towania podpór, zw³aszcza poœrednich, niezgodnie z rzeczywistym przebie-giem si³. W takiej sytuacji warto byæ ostro¿nym, poniewa¿ udziwnienia nie zawsze


Rys.16. Formy ³ukowe i ramowe [8]

Fig.16. Arch and frame forms [8]

prowadz¹ do oczekiwanych efektów, a zasada prawdziwoœci formy pozostaje w sfe-rze zamierzeñ.

Technologia wykonania narzuca, by w jednym obiekcie mostowym wszystkie pod-pory, w tym i przyczó³ki, by³y wykonane z tego samego materia³u, o podobnej faktu-rze i podobnym kszta³cie. Podobieñstwo to czyni zadoœæ zasadzie prawdziwoœci iprostoty formy. Natomiast proporcje i kszta³t zale¿¹ od dobrego projektu. W celupodkreœlenia jednoœci i spójnoœci materia³u konstrukcji i podpór dobrze jest niekiedypos³u¿yæ siê kolorem.

Podpory poœrednie bardzo mocno wp³ywaj¹ na ekspresjê obrazu obiektu. Szczegól-nie jest to odczuwalne w przypadku filarów z kamienia, a wiêc z materia³u ma³o pla-stycznego i tak ciê¿kiego, ¿e podpory maj¹ zapewnion¹ statecznoœæ przede wszyst-kim ci¹¿eniem samych bloków kamiennych. Obecnie, prawie wszystkie podporywykonywane s¹ z betonu, tym niemniej, tam gdzie wa¿ne jest podkreœlenie solidno-œci i stabilnoœci, filary s¹ wykañczane wyk³adzin¹ kamienn¹. Wzajemne powi¹zanie-poszczególnych kamieni powinno byæ wyraŸnie zaznaczone. Najczêœciej filary wy-³o¿one du¿ymi p³ytami kamiennymi przenosz¹ du¿e si³y. Jest to wyraŸnie dostrzegal-ne przez ka¿dego obserwatora. U¿yte tworzywo ma tu szczególne znaczenie. Wp³y-wa nie tylko na fakturê zewnêtrzn¹, ale wzbudza wyobra¿enie o si³ach, które budow-la przenosi, o sposobie ich przenoszenia, o ciê¿arze w³asnym elementów, o ich spój-noœci i wewnêtrznej pracy. Na rysunku 18 pokazano wspó³czesny most o masywnychpodporach wy³o¿onych p³ytami kamiennymi



Rys.17. Uzasadniona i kontrowersyjna zmia-

na przekroju poprzecznego wzd³u¿ wysokoœci

podpory poœredniej (fot. G. £agoda)

Fig.17. Reasonable and controversial change

of transverse section along the height

of bridge pier (photo G. £agoda)

Nale¿y jednak mieæ na uwadze, ¿e w przypadku doœæ krótkich i szerokich obiektówmasywne filary w postaci œcian mog¹ wywo³aæ tzw. “zjawisko tunelowe”. Tego (nie-korzystnego dla bezpieczeñstwa i wygl¹du mostu) zjawiska mo¿na unikn¹æ przez za-stosowanie podpór s³upowych lub œcian z otworami (rys. 19). Przy filarach cienko-œciennych z otworami zadawalaj¹cy wygl¹d zale¿y od w³aœciwych proporcji i kszta³-tu otworów. Wa¿ne s¹ tu proporcje wymiarów samego otworu, miêdzy otworem aœcian¹, proporcje miêdzy gruboœci¹ œciany filara a pozosta³ymi wymiarami oraz miê-dzy oczepem i podstaw¹.

Podpory s³upowe stwarzaj¹ mo¿liwoœci unikniêcia “zjawiska tunelowego”, choæ i tuwarto stosowaæ siê do zasad podanych przez Leonhardta [8], aby zjawisko nazwane“lasem podpór” nie zaciemnia³o obrazu konstrukcji.

Pojedyncze filary (œciany) mog¹ mieæ ró¿norodnie ukszta³towane powierzchnieboczne oraz przekroje poprzeczne w postaci rozmaitych figur geometrycznych. Je-¿eli przekrój poprzeczny filara zwiêksza siê ku podstawie, to takie pochylenie na-zywamy “normalnym”. Wtedy filar sprawia wra¿enie masywniejszego, bardziej“przysadzistego”. Je¿eli przekrój poprzeczny filara zmniejsza siê ku podstawie, po-chylenie jest nazywane "odwrotnym". Takie ukszta³towanie filara mo¿e zmieniæ na


Rys.18. Podpory

z wyk³adzin¹ kamienn¹ [8]

Fig.18. Piers with stone

facing [8]

Rys.19. Podpory

œcienne z otworami

(fot. M. £agoda)

Fig.19. Wall supports

with openings

(photo M. £agoda)

korzyœæ wygl¹d mostu. Nale¿y pamiêtaæ, ¿e k¹t pochylenia nie mo¿e byæ zbyt du¿y,aby nie nadaæ filarom przesadnych karykaturalnych proporcji.

Tam, gdzie filary maj¹ pochylone krawêdzie, stosuje siê oczepy lub wsporniki. Je¿elikorpus filara jest pochylony odwrotnie, to wsporniki mog¹ byæ krótsze ni¿ w przy-padku filarów z korpusem pochylonym normalnie.

Dobre efekty wizualne osi¹ga siê przy wyraŸnym wyodrêbnieniu konstrukcji oczepu(rys. 20). Wtedy nawet krótkie wsporniki tak nie ra¿¹, jak w filarach bez wyodrêbnie-nia oczepu.

Tam, gdzie stosuje siê pochylenia, dobrze wygl¹daj¹ podpory wysokie, smuk³e.Opracowania amerykañskie podaj¹ konkretne zasady kszta³towania takich filarów.Okreœlaj¹ one wzajemne proporcje miêdzy poszczególnymi elementami konstrukcji.Na rysunku 21 pokazano g³ówne zasady konstruowania smuk³ych podpór jed-nos³upowych ze wspornikami.



Rys.20. Masywny filar

z wyodrêbnionym oczepem

ze wspornikami [14]

Fig. 20. Massive pillar

with bracketed girt

distinguished [14]

Rys. 21. Zasady kszta³towania smuk³ych podpór jednos³upowych ze wspornikami

Fig. 21. Rules of slender pillars with brackets formation

Odbiór estetyczny podpór poœrednich w postaci filarów w du¿ym stopniu uzale¿nio-ny jest od faktury powierzchni i jej barwy. W ostatnich latach coraz czêœciej techno-logia i koszty wykonania narzucaj¹ proporcje, zmierzaj¹ce ku uproszczeniu form. Narysunku 22 pokazano filary w postaci pali o wielkiej œrednicy. Powierzchnia bocznaw czêœci nadziemnej posiada fakturê rowkow¹, co daje interesuj¹cy efekt ³amaniaœwiat³a. Przy takich podporach (rys. 22) wsporniki mog¹ byæ krótkie i znacznie wy¿-sze ni¿ L/4 (jak proponuje siê w wytycznych amerykañskich). Wykorzystanie wspo-rników w postaci dwóch p³aszczyzn (rys. 22.b) i pr¹¿kowanie powierzchni bocznejfilarów powoduje, ¿e wysokoœæ wspornika niezgodna z tymi wytycznymi, sprawiadobre wra¿enie.

Przy projektowaniu filarów bardzo wa¿ne jest ukszta³towanie faktury oraz wykorzy-stanie najbardziej subtelnych elementów plastyki, jakimi s¹ gry œwiate³ i cieni. Pro-mienie s³oneczne, padaj¹c pod ró¿nymi k¹tami w coraz to inny sposób wp³ywaj¹ nawidok powierzchni podpory. Poszukiwanie piêkna œwiat³ocieni wiedzie do nowych,zupe³nie wczeœniej nie znanych uk³adów plastycznych. Przy szarych monotonnychpodporach betonowych faktura powierzchni daj¹ca grê œwiat³a i cieni mo¿e staæ siêdominuj¹cym elementem kompozycji obrazu. Przy ciemniejszych filarach uzyskanieciekawej gry œwiat³ocieni wymaga g³êbokiej, bogatej faktury powierzchni, zaœ p³yt-sza faktura spe³nia swoje zadanie i mo¿e byæ bardziej subtelna tam, gdzie barwa fila-ra jest jaœniejsza. Na bia³ych matowych formach cienie rysuj¹ siê najwyraŸniej inajsilniej kontrastuj¹ z jasnoœci¹ oœwietlonych p³aszczyzn. Widoczne s¹ na nich na-wet stosunkowo niewielkie ró¿nice w natê¿eniu œwiate³ i cieni (rys. 23). W kompozy-cjach wielobarwnych wyrazistoœæ œwiat³ocienia zwykle jest bardzo os³abiona wsku-tek konkurencyjnego oddzia³ywania zestawu barw.


Rys.22. Podpory s³upowe jako przed³u¿enie pala fundamentowego

Fig.22. Pillars as the lengthening of foundation piles

W przypadku podpór skrajnych szczególnie wa¿nym zagadnieniem jest wydobycie ipodkreœlenie plastyki bry³ i detali, a uzyskanie tego efektu jest mo¿liwe poprzez ope-rowanie œwiat³em, barw¹ i faktur¹. Czynniki takie jak œwiat³o, barwa i faktura wystê-puj¹ zawsze razem, choæ znaczenie i rola ka¿dego z nich w kompozycji ogólnej jestodmienna. Ukszta³towanie bry³ sk³adowych i ich wzajemne ulokowanie daje projek-tantowi bardzo wiele mo¿liwoœci eksponowania lub tonowania poszczególnych p³a-szczyzn, a przez to wp³ywania na wygl¹d obiektu. Proporcje i ekspozycja bry³ w przy-czó³ku powinny zale¿eæ od rodzaju i wielkoœci ustroju noœnego, ³o¿ysk i wspornikówchodnikowych.

6. ROLA WYPOSA¯ENIA I INNYCH CZYNNIKÓW

Wyposa¿enie jest jednym z bardzo wa¿nych elementów decyduj¹cych o wygl¹dzieobiektu, zale¿nym jednak od wielkoœci konstrukcji i pozycji obserwatora. Elementywyposa¿enia odgrywaj¹ wiêksz¹ rolê przy estetycznej ocenie mostów mniejszych.Gdy mamy do czynienia z du¿ym obiektem, to aby ogarn¹æ ca³¹ konstrukcjê, patrzy-my na ni¹ z pewnego oddalenia. Szczegó³y wówczas ulegaj¹ zatarciu, staj¹ siê mniejwyraŸne lub zgo³a ca³kiem niewidoczne. Natomiast, gdy obserwacja du¿ego mostuma miejsce z niewielkiej odleg³oœci, odbiór obiektu sprowadza siê do wra¿enia wy-wieranego na obserwatora przede wszystkim przez elementy wyposa¿enia.

Balustrady

W przypadku nowoczesnych obiektów najbardziej odpowiednia jest bariera lekka,ma³o widoczna. Proste po³¹czenie s³upków i przeci¹gów lub tylko same szczeblinkidobrze wygl¹daj¹ na wiêkszoœci mostów budowanych wspó³czeœnie. Równoleg³e



Rys.23. Jasne podpory z faktur¹ uwydatniaj¹c¹ cienie na powierzchni [14], [17]

Fig. 23. Bright piers with texture emphasising shadows on surface [14], [17]

przeci¹gi, rzadko po³¹czone z pionowymi s³upkami, podkreœlaj¹ linie poziome i s¹odpowiednie dla obiektów, po których prowadzony jest szybki, intensywny ruch.

Masywna balustrada czasami (raczej rzadko) ze wzglêdów praktycznych (rzadziejestetycznych) bywa konieczna. W takich sytuacjach umieszczenie w jednej p³asz-czyŸnie pe³noœciennej balustrady, bez widocznego oddzielenia jej od konstrukcjiprzêse³, zawsze powoduje zwiêkszenie odczucia ciê¿koœci (rys. 24). Mo¿na jednakzastosowaæ ró¿ne œrodki zaradcze. Jednym z nich jest za³amanie p³aszczyzn balus-trady i ustroju noœnego, co sprawia powstanie ró¿nicy w odcieniach koloru (dziêkiza³amaniu œwiat³a).

Prawie zawsze w³aœciwe jest zastosowanie zró¿nicowania barw balustrady (najpiêk-niejsze s¹ pastelowe) i ustroju noœnego. Odmienny kolor balustrady oddziela j¹ odkonstrukcji i eksponuje, czyni¹c ca³oœæ przejrzyst¹ i lekk¹. Czasami, w przypadku in-tensywnego ruchu pieszego jak np. na k³adkach dla pieszych, montowane s¹ elemen-ty wsporcze dla sta³ych lub tymczasowych os³on. Wsporniki te i os³ony dodatkowospe³niaj¹ rolê elementów wzbogacaj¹cych obraz zewnêtrzny konstrukcji (rys. 25).


Rys. 24. Wra¿enie ciê¿koœci i pustki tam, gdzie nie ma rozdzia³u miêdzy balustrad¹

a ustrojem noœnym (fot. M. £agoda)

Fig. 24. The weight and emptiness impressions, wherever there is no distinction

between the balustrade and superstructure (photo M. £agoda)

Rys. 25. Elementy wsporcze i os³onowe na konstrukcjach z przejœciami

dla pieszych o intensywnym ruchu (fot. M. £agoda)

Fig. 25. Brackets and protections elements on the structures with intensive

pedestrian traffic crossings (photo M. £agoda)

£o¿yska

W wiêkszoœci obiektów mostowych ³o¿yska nale¿¹ do istotnych elementów kon-strukcyjnych. To one przejmuj¹ obci¹¿enia z ustroju noœnego i przekazuj¹ je na pod-pory.

W celu uzyskania czytelnej formy i przejrzystoœci uk³adu si³ w konstrukcji, czêstodobry efekt mo¿e byæ osi¹gniêty za pomoc¹ wyraŸnego eksponowania ³o¿ysk na fila-rach i przyczó³kach. £o¿yska stalowe, garnkowe, a zw³aszcza wa³kowe, ods³oniête zka¿dej strony, sprawiaj¹, ¿e uk³ad si³ i ich przep³yw z dŸwigara g³ównego do podporyjest czytelny. Na rysunku 26 pokazany jest obraz ³o¿ysk ods³oniêtych.

Czasami dla uzyskania pozytywnego efektu potrzebne jest zamaskowanie ³o¿ysk.Rolê maskuj¹c¹ mog¹ pe³niæ œciany skrzyde³ek czêœciowo cofniête pod wspornikchodnikowy, co dodatkowo uplastycznia widok boczny.

Odwodnienie

Najwiêksze znaczenie dla odbioru estetycznego mostu z uwagi na odwodnienie majego stan techniczny, a w zasadzie skutki z niego wynikaj¹ce. Stan odwodnieniaobiektu zwi¹zany jest z jego ukszta³towaniem oraz wieloma detalami konstrukcyjny-mi, takimi jak: izolacja, system drena¿u, studzienki, rury odprowadzaj¹ce wody opa-dowe itp. Z³y stan ka¿dego elementu systemu odwodnienia skutkuje przenikaniemwody przez elementy konstrukcji, co objawia siê zaciekami, stalaktytami, korozj¹,ubytkami, przebarwieniami powierzchni itp. To wszystko wp³ywa bardzo negatyw-nie na odbiór estetyczny mostu. Równie¿ wyj¹tkowo starannie nale¿y projektowaærury odprowadzaj¹ce wodê z pomostu. Szczególnie jest to wa¿ne, gdy rury te prowa-dzone s¹ na zewn¹trz konstrukcji ustrojów noœnych i podpór (rys. 27).



Rys.26. WyraŸne eksponowanie ³o¿ysk (fot. M. £agoda i Mostostal Kraków)

Fig.26. Clear exhibiting of bearings (photos M. £agoda and Mostostal Kraków)

Nasypy

Du¿e znaczenie ma równie¿ szczegó³owe opracowanie po³¹czenia drogi z mostem.Estetyczne wykoñczenie nasypu, w którym zatopiony jest przyczó³ek obiektu, madu¿e znaczenie dla ogólnego wygl¹du. Zakoñczenie nasypu zawsze musi byæ umoc-nione, aby wygl¹da³ schludnie i dobrze spe³nia³ swoj¹ funkcjê. Umocnienie nasypumo¿na wykonaæ na wiele sposobów. W starych obiektach najprostszym sposobemby³o obsiewanie traw¹, tworz¹c¹ darñ, lub innymi roœlinami, pe³ni¹cymi podobnefunkcje. Nasyp umocniony w sposób naturalny, wyrównany i poroœniêty darni¹ po-zwala na to, ¿e wyeksponowany jest most, a nie dojazd do obiektu. Inaczej ma siêrzecz z nasypem umocnionym sztucznie. Powierzchnia wybrukowana, lub zabudo-wana np. betonowymi elementami, mo¿e bardzo ³atwo kontrastowaæ z otoczeniem,staj¹c siê w nim krzykliw¹ dominant¹, przyt³aczaj¹c¹ swym oddzia³ywaniem samobiekt mostowy (rys. 28).


Rys.28. Krzykliwa dominacja wybrukowanych nasypów (fot. G. £agoda)

Fig.28. Noisy domination of paved embankments (photo G. £agoda)

Rys.27. Szczegó³ rozwi¹zania technicznego przys³oniêcia rury odwadniaj¹cej [18]

Fig.27. Detail of technical solution of draining pipe cover [18

Zawsze lepiej jest ograniczyæ powierzchniê wybrukowan¹ do koniecznego mini-mum, aby nie dopuœciæ do przewagi nasypu nad obiektem w³aœciwym i nie tworzyæ wobrazie ogólnym fragmentów z du¿ymi powierzchniami pustymi. Ograniczenie bru-ku do przestrzeni pod mostem jest korzystniejsze dla wygl¹du obiektu, jednak mniejwygodne dla s³u¿b zajmuj¹cych siê utrzymaniem obiektu.

7. KOLORYSTYKA OBIEKTÓW MOSTOWYCH

Najczêœciej stosowane materia³y do budowy mostów to beton, stal, czasem drewno.O tym, który z nich zostanie zastosowany, decyduje zazwyczaj przeznaczenie obiek-tu, charakter otoczenia (rodzaj krajobrazu), predyspozycje projektanta oraz czêsto¿yczenia inwestora i koszt inwestycji.

Bardzo wa¿ne jest, aby bez wzglêdu na rodzaj materia³u dobraæ odpowiedni kolorbocznej powierzchni dŸwigarów. Prawid³owy dobór barw jest problemem z³o¿onym.DŸwigary g³ówne o p³askich powierzchniach s¹ z regu³y wysokie, dlatego by zmniej-szyæ wra¿enie ciê¿koœci, barwa masywnego ustroju noœnego nie powinna byæ zbytagresywna, jeœli jednak intensywna barwa jest ju¿ faktem, nale¿y przynajmniej rozja-œniæ belkê podporêczow¹ oraz balustradê. Zró¿nicowanie kolorów ustroju noœnego ipodpór jest równie¿ wskazane ze wzglêdu na czytelnoœæ formy (rys. 29).



Rys.29. Kolorystyka konstrukcji mostu Siekierkowskiego (fot. M. £agoda)

Fig.29. Colouring of Siekierkowski Bridge construction (photo M. £agoda)

Ostre agresywne barwy dobrze wygl¹daj¹ w obiektach stalowych, wykonanych zprzekrojów rurowych [19], [20]. Od czasu opanowania technologii wytwarzania igiêcia przekrojów rurowych, ze wzglêdu na ich liczne zalety, stosowane s¹ one corazczêœciej. Profile te powoduj¹ interesuj¹ce efekty za³amywania siê i rozpraszaniaœwiat³a na zakrzywionych powierzchniach.

W Polsce najliczniejsz¹ grupê obiektów stanowi¹ konstrukcje betonowe, a poœródnich rozwi¹zania typowe. Aby unikn¹æ monotonii, projektanci mog¹ urozmaiciæ po-wierzchniê boczn¹ ustroju noœnego przez zastosowanie interesuj¹cej faktury np.przez wyeksponowanie koloru kruszywa, pozostawienie naturalnych œladów desko-wañ czy stosowanie oryginalnych wyk³adzin szalunków (rys. 30).

W budownictwie mostowym coraz czêœciej pojawiaj¹ siê formy zbli¿one swym ry-sunkiem do naturalnych. Traktowanie natury jako godnej naœladowania mistrzyni mad³ug¹, siêgaj¹c¹ staro¿ytnoœci tradycjê. Analogie z formami organicznymi stanowi¹element humanizacji techniki. Formy takie czêsto wystêpuj¹ na powierzchniach p³ytgzymsowych. Pe³n¹ one nie tylko funkcjê ozdobn¹, lecz s¹ równie¿ szalunkiem dlaizolacji i nawierzchni. Przyk³adem zastosowania regionalnych motywów roœlinnychna p³ytach gzymsowych s¹ wiadukty nad autostrad¹ w okolicach Salzburga. Na trasiekilkudziesiêciu kilometrów wielobarwne kompozycje roœlinne na bocznych po-wierzchniach ustrojów noœnych ciesz¹ oczy u¿ytkowników autostrady (rys. 31). Mo-tywy takie lub inne symbole mog¹ staæ siê elementami charakteryzuj¹cymi danyobszar czy podkreœlaj¹cymi ró¿nice regionalne.


Rys.30. Ró¿norodnoœæ faktur stosowanych w mostownictwie betonowym

Fig.30. Variety of textures applied in concrete bridge engineering

Rys.31. Te obiekty budz¹ du¿e zainteresowanie przeje¿d¿aj¹cych

turystów (fot. G. £agoda)

Fig.31. Those structures raise a large curiosity of tourists

passing by (photo G. £agoda)

Na pewno mniej absorbuj¹, ale równie¿ urozmaicaj¹ widok boczny wiaduktu wzorygeometryczne na p³ytach gzymsowych lub o ró¿nym zabarwieniu (rys. 32).

Barwa obiektu ma du¿y wp³yw na wygl¹d zewnêtrzny konstrukcji, dlatego te¿ trudnojest omawiaæ to zagadnienie w oderwaniu od innych czynników. Przecie¿ ka¿dy ele-ment konstrukcji jest jakoœ zabarwiony. Nic wiêc dziwnego, ¿e wczeœniej przy oma-wianiu innych problemów zawsze uwzglêdniano kwestiê koloru. Najogólniej rzeczbior¹c barwy konstrukcji mostowych powinny byæ dostosowane do otoczenia i raczejjasne. Kolory naturalne s¹ zazwyczaj lepsze ani¿eli kolory jaskrawe, “transparento-we”. Je¿eli wystêpuj¹ specjalne wzglêdy, które wymagaj¹ “ukrycia” obiektu w kraj-obrazie, to skuteczniejsze jest zastosowanie barwy ciemnej, zw³aszcza jeœli chodzi og³ówny ustrój noœny, ukryty pod wspornikiem chodnika. W przypadku zaœ, gdy cho-dzi o specjalne eksponowanie konstrukcji wiaduktu, po¿¹dany jest kontrast z t³em wtonie lub kolorze. Bardzo efektywne bywaj¹ kolory bia³y i czarny. Zarówno kolorczarny jak i bia³y zaleca siê stosowaæ z pewnym zabarwieniem: czarny w kierunkuniebieskiego a bia³y w kierunku kremowego. Mówi¹c bardziej ogólnie, odcienie sza-rawe bêd¹ lepsze w krajobrazie naturalnym z uwagi na to, ¿e harmonizuj¹ lepiej z na-turalnym œrodowiskiem we wszystkich porach roku, zaœ zabarwienie jaskrawe (nie-bieskie, zielone, czerwone lub ¿ó³te) jest po¿¹dane na terenach przemys³owych lubzurbanizowanych, zw³aszcza nowoczesnych (rys. 33).

Wra¿enie lekkoœci w przypadku balustrady czy porêczy mo¿na uzyskaæ przez poma-lowanie ich na kolor w odcieniu o ton jaœniejszym od koloru konstrukcji. Zró¿nico-wanie barw stosuje siê równie¿ w celu rozró¿nienia i wyraŸniejszego zaznaczeniaodrêbnoœci i funkcji poszczególnych elementów konstrukcji. Pos³ugiwanie siê barw¹wymaga od projektanta du¿ego doœwiadczenia i wyczucia. Wa¿ne jest nie tylko zgra-nie kolorów poszczególnych elementów, ale przede wszystkim uzyskanie harmonii zotaczaj¹cym obiekt krajobrazem.



Rys.32. P³yty gzymsowe stanowi¹ce kolorystyczny akcent (fot. M. £agoda)

Fig. 32. Cornices plates determining a coloristic accent (photo M. £agoda)

8. NOWE TENDENCJE W PROJEKTOWANIU MOSTÓW

W ostatnich latach w budownictwie mostowym pojawi³y siê nowe materia³y kon-strukcyjne [21], nie maj¹ce odniesienia w dotychczas stosowanych standardach. S¹to nowe generacje betonów i kompozytów betonopodobnych; tworzywa sztuczne,zbrojone ró¿nego rodzaju w³óknami; najnowsze asortymenty stali konstrukcyjnych,nie wspominaj¹c o nowoczesnych materia³ach naprawczych, izolacyjnych i wyposa-¿eniowych oraz nowych rodzajach pow³ok antykorozyjnych dla konstrukcji stalo-wych i betonowych. Wytyczaj¹ one obecne tendencje rozwojowe mostownictwa.Powstaj¹ konkurencyjne technologie, a tak¿e niespotykane dotychczas typy kon-strukcji. Przy racjonalnym wykorzystaniu mo¿liwoœci, jakie daj¹ nowe materia³y itechnologie, budowane obiekty mostowe mog¹ byæ funkcjonalne, ekonomiczne i es-tetyczne.

Obserwuj¹c przemiany historyczne, mo¿na zauwa¿yæ, ¿e ka¿dy nowy materia³ wpocz¹tkach jego stosowania “naœladuje” formy w³aœciwe materia³om tradycyjnym.Zanim zostan¹ stworzone formy wykorzystuj¹ce optymalnie w³aœciwoœci nowychtworzyw, zawsze up³ywa trochê czasu. Forma k³adek w Kolding i w Pontresina, wy-konanych z FRP [22] (ang. Fibre Reinforced Plastics) pokazuje, ¿e w tych przypad-kach aplikowano ukszta³towanie adekwatne konstrukcjom stalowym (rys. 34).


Rys.33. Jaskrawo ubarwione obiekty mostowe w centrach aglomeracji miejskich

(fot. M. £agoda)

Fig.33. Brightly coloured bridge structures in centres of municipal agglomeration

(photo M. £agoda)

Tymczasem w³aœciwoœci FRP ró¿ni¹ siê zdecydowanie od w³aœciwoœci stali. Jednakwypracowanie w³asnych form dla FRP jest tylko kwesti¹ czasu.

Wp³yw wysokowytrzyma³ych betonów i wspó³czesnych stali na rozwój mostownic-twa i na wygl¹d konstrukcji mostowych jest niezaprzeczalny.

Wspó³czesna stal, okreœlana skrótem “HPS” (ang. High Performance Steel), nale¿ydo nowej generacji materia³ów konstrukcyjnych. Odznacza siê lepszymi w³aœciwoœ-ciami przede wszystkim w zakresie wytrzyma³oœci, granicy plastycznoœci, twardoœci,spawalnoœci, odpornoœci na kruche pêkniêcia, zdolnoœci do formowania na zimnooraz odpornoœci na korozjê. W³aœciwoœci tej stali pozwalaj¹ na bardziej œmia³ekszta³towanie konstrukcji.

Zmienna gruboœæ blach np. w pó³kach dŸwigarów g³ównych sprawia, ¿e dok³adniejmo¿na dostosowaæ przekrój poprzeczny ustroju noœnego do rozk³adu si³ wewnêtrz-nych. Rysunek konstrukcji jest wtedy bardziej p³ynny, bez widocznych zmian prze-kroju. Wiêksze gruboœci blach powoduj¹, ¿e przekroje s¹ bardziej krêpe. Liczbaelementów, jak np. liczba belek g³ównych, mo¿e byæ dziêki temu mniejsza. W mo-stach zespolonych œredniej rozpiêtoœci mo¿na nawet dwukrotnie zmniejszyæ liczbêdŸwigarów blachownicowych, zachowuj¹c tê sam¹ wysokoœæ konstrukcyjn¹. Mniej-sza liczba belek czyni konstrukcjê bardziej czyteln¹ i prostsz¹. Wsporniki podchod-nikowe o znacznie wiêkszych wysiêgach rzucaj¹ cieñ na powierzchnie boczne belekg³ównych i przez to konstrukcja wydaje siê smuklejsza i l¿ejsza.

Poœród nowych rozwi¹zañ w ostatnich latach pojawi³y siê nowe konstrukcje zespolo-ne tzw. mosty “integralne”. W konstrukcjach tych poprzecznice przewidziano jedy-nie w osi ³o¿ysk. W ten sposób uzyskano mo¿liwoœæ oparcia ustroju noœnego napodporze o dwóch ³o¿yskach, a nie jak w przypadku konstrukcji klasycznych na tylu³o¿yskach, ile jest dŸwigarów. Równie¿ zbêdny sta³ siê oczep podporowy, a przy du-¿ej liczbie dŸwigarów uzyskuje siê ma³¹ wysokoœæ ustroju. Ma to niezaprzeczalnywp³yw na wygl¹d konstrukcji. Poprzecznice przecinaj¹c ustrój noœny, bardzo wyra-Ÿnie dziel¹ konstrukcjê na poszczególne przês³a. Obiekt przez to wydaje siê niecociê¿szy w okolicy podpór i z daleka przypomina raczej konstrukcje o przês³ach swo-bodnie podpartych (rys. 35).



Rys.34. K³adka w Kolding i w Pontresina [23], [24]

Fig.34. Footbridge in Kolding and in Pontresina [23], [24]

J. Mathivat z Francji zaproponowa³ w 1988 roku konstrukcje ci¹g³e z betonu sprê¿one-go, podwieszone jednoczeœnie za pomoc¹ gêstego olinowania do niskich pylonów.Po³¹czenie idei mostu podwieszonego i belkowego sprê¿onego da³o w efekcie nowytyp konstrukcji. Mosty te (z podwieszeniem doprê¿aj¹cym) po angielsku zwane s¹"Extradosed Prestressed Bridges" lub "Bridges with the Advantages of Prestressed".Mosty Extradosed wygl¹dem przypominaj¹ mosty podwieszone, ale ich parametrykonstrukcyjne odpowiadaj¹ mostom belkowym. W widoku ogólnym charakteryzuj¹siê miêdzy innymi tym, ¿e wysokoœci konstrukcyjne dŸwigarów g³ównych s¹ znaczniemniejsze ni¿ w normalnych mostach belkowych, a pylony s¹ 2÷ 3 krotnie ni¿sze ni¿ wklasycznych mostach podwieszonych (rys. 36).


Rys.35. Ustrój noœny konstrukcji zespolonej, z³o¿onej z walcowanych dŸwigarów stalowych,

po³¹czonych z betonow¹ poprzecznic¹ podporow¹, wyraŸnie dziel¹c¹

ustrój noœny na przês³a (fot. G. £agoda)

Fig.35. Composite superstructure made of rolled steel girders, united with concrete

support cross-beam, clearly dividing the superstructure

into span (photo G. £agoda)

Rys.36. Typowe przyk³ady mostów Extradosed;

a) Sunniberg [25] i b) Tsukuhara [17], c) most

Tsukuhara na tle mostu podwieszonego [17]

Fig.36. Typical example of Extradosed bridges; a) Sunniberg [25] and b) Tsukuhara [17],

c) bridge Tsukuhara on the background of cable stayed bridge [17]

Bardziej racjonalne wykorzystanie w³aœciwoœci betonu i stali doprowadzi³o przezmodyfikacjê sprê¿onych przekrojów skrzynkowych do powstania nowego typu prze-kroju tj. konstrukcji PCS, (ang. Prestressed Composite Structures). Najwa¿niejszeelementy ustroju noœnego, czyli pomost pe³ni¹cy jednoczeœnie rolê pasa górnegooraz pas dolny, wykonane s¹ z betonu (dolny z betonu wysokiej wytrzyma³oœciBWW) i po³¹czone s¹ œrodnikami stalowymi lub betonowymi (rys. 37). Zbrojeniesprê¿aj¹ce znajduje siê w p³ycie betonowej lub poza ni¹, jako sprê¿enie zewnêtrznew przestrzeni ograniczonej pasem górnym i dolnym oraz œrodnikami p³askimi z bla-chy falistej lub kratownicowymi.

Pokazany na rysunku 38 wiadukt de l'Arc jest kolejn¹ modyfikacj¹ konstrukcji PCS,w której dolny pas zosta³ mocno zredukowany i gdzie wprowadzono zmienn¹ nad³ugoœci wysokoœæ konstrukcyjn¹ ustroju noœnego. Zastosowane tutaj stalowe prze-kroje rurowe s¹ z wielu powodów bardzo atrakcyjnymi elementami konstrukcyjnymido kszta³towania mostów.

Dynamiczny rozwój materia³ów konstrukcyjnych i technologii budowy konstrukcjiin¿ynierskich wywiera istotny wp³yw na wygl¹d nowo wznoszonych obiektów mo-stowych. Rozwój znanych (mosty integralne) i tworzenie nowych (SPACES, Extra-dose, PCS, konstrukcje rurowe) typów konstrukcji to wielki potencja³, daj¹cy szansêurozmaicenia wygl¹du naszych mostów (rys. 39).



Rys.37. Typowy przekrój PCS oraz gotowy obiekt (Struktural Endineering International)

Fig.37. Typical PCS section as well as finished structure (Struktural Endineering International)

Rys.38. Wiadukt de l'Arc [14]

Fig.38. De l'Arc viaduct [14]

9. PODSUMOWANIE

Nie ulega w¹tpliwoœci, ¿e w Polsce niektórzy projektanci nie przywi¹zuj¹ zbyt du¿ejwagi do wygl¹du projektowanych przez siebie mostów. Wynika to byæ mo¿e z faktu,¿e nie doceniaj¹ oni dostatecznie roli i mocy oddzia³ywania na obserwatorów piêknaobiektów mostowych czy ca³ych tras mostowych. Koncentruj¹ siê g³ównie na wy-pe³nianiu wymogów konstrukcyjnych, wytrzyma³oœciowych, funkcjonalnych, rza-dziej ekonomicznych, nie bior¹c pod uwagê faktu, ¿e oddzia³ywanie estetyczne, tote¿ jest bardzo wa¿na funkcja obiektu.

Wynikaj¹ce st¹d trudnoœci s¹ byæ mo¿e rezultatem braku estetycznego wyczucia,spowodowanego dominacj¹ wykszta³cenia technicznego nad wartoœciami humani-stycznymi. Czasem te¿ trudnoœci te s¹ efektem zbyt rzadkiego siêgania do dobrychwzorów. Bior¹c pod uwagê, ¿e planowana budowa sieci autostrad poci¹gnie za sob¹koniecznoœæ zaprojektowania tysiêcy mostów i wiaduktów, powstaje pytanie, czy nienale¿a³oby wype³niæ luki, polegaj¹cej na braku przystêpnego podrêcznika projekto-wania estetycznych mostów. Przypomnienie teoretycznych zasad i regu³ projektowa-nia architektonicznego mostów to tylko czêœæ zadania, drugim wa¿nym aspektemwsparcia dla projektantów jest praktyczne zilustrowanie tych zasad, przytoczeniewielu dobrych, czytelnych przyk³adów konkretnych obiektów mostowych lub stwo-rzenie katalogów detali konstrukcyjnych, wspomagaj¹cych projektantów. Ka¿dyobiekt in¿ynierski, choæby by³ oparty na standardowych wzorcach, mo¿e byæ kon-strukcj¹ oryginaln¹ dziêki zró¿nicowanemu wyposa¿eniu, urozmaiconej fakturze ikolorystyce, jak równie¿ ze wzglêdu na to, ¿e przecie¿ ka¿dy wybudowany jest w in-nym otoczeniu.

Poœród wielu tysiêcy budowanych obiektów trudno bêdzie nadaæ ka¿demu orygi-naln¹, niepowtarzaln¹ formê, zatem powtórzenia dobrych projektów, to rzecz nie-unikniona, natomiast bardzo istotnym zagadnieniem jest umiejêtnoœæ dopracowaniaszczegó³ów, eksponowania elementów poprawiaj¹cych ogólny wygl¹d i maskowa-nia detali niekoniecznie podnosz¹cych estetykê rozwi¹zania. Jak wielkie znaczenie


Rys.39. Awangardowa konstrukcja betonowo-wstêgowa [26]

Fig.39. Avant-garde concrete-ribbon construction [26]

mo¿e mieæ podniesiony tu problem, ilustruj¹ pokazane poni¿ej przyk³ady. Rysunek40 przedstawia dwa elementy tej samej przeprawy mostowej, wykonanej w tym sa-mym czasie i zaprojektowanej w tym samym biurze, ale pod kierunkiem dwóch ró¿-nych in¿ynierów. Skutek jest a¿ nadto widoczny.

BIBLIOGRAFIA

[1] Wasiutyñski Z.: O architekturze mostów. PWN 1971

[2] Biliszczuk J., Machelski Cz., Onysyk J., Wêgrzyniak M., Prabucki P.: K³adki dla pie-szych jako elementy promocji otaczaj¹cego terenu. IV Krajowa KonferencjaESTETYKA MOSTÓW, 21 - 28, W-wa - Popowo, 17 - 19 kwietnia 2002

[3] Cywiñski Z.: Mosty w Japonii. Biblioteczka ZMRP - Zeszyt Nr 5, Kraków 2001

[4] £agoda M., £agoda G.: Czytelnoœæ formy w kszta³towaniu mostów. I Krajowa Konfe-rencja ESTETYKA MOSTÓW, 85 - 89, W-wa - Jadwisin, 28 - 29 kwietnia 1994

[5] Enterprise detravaux Publics de L'Ouest.: Le dialogue est la meilleure fondation. Valde Loire - Nantes 2000

[6] International Iron and Steel Institute.: Innovation in steel. Bridge around the World.Rotterdam 1997

[7] £agoda G., £agoda M.: Formy ekspresji w kszta³towaniu mostów. I Krajowa Konfe-rencja ESTETYKA MOSTÓW, 79 - 85, W-wa - Jadwisin, 28 - 29 kwietnia 1994



Rys.40. Przyk³ady odmiennego podejœcia z punktu widzenia estetyki do rozwi¹zania

szczegó³ów odwodnienia wiaduktów (fot. M. £agoda)

Fig.40. Examples of different approach from aesthetics point of view to solution

of details viaduct drainage (photo M. £agoda)

[8] Leonhard F.: Bridges. Aesthetics and Design, DVA 1982

[9] Rzepiñska M.: Studia z teorii i historii koloru. t. I, Kraków 1966

[10] British Steel:bridges for regeneration. London 1997

[11] £agoda G.: Wiadukty nad autostradami - wybrane zagadnienia kszta³towania kon-strukcyjnego i estetycznego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, War-szawa 2001

[12] Geoghegan M.: Koror - Babeldaub Bridge repair. VSL News nr 2, Lyssach 1996

[13] Flaga K., Mendera Z.: Mosty we Francji. Biblioteczka ZMRP - Zeszyt Nr 4, Kraków2000

[14] OTUA: Ponts metalliques. Bulletin 19, Valmy 1999

[15] £agoda M., £agoda G.: Wybrane zagadnienia estetyki obiektów podwieszonych. IIIKrajowa Konferencja ESTETYKA MOSTÓW, 127 - 135, W-wa - Popowo, 22 - 23kwietnia 1999

[16] £agoda M., £agoda G.: Aspekty estetyczne kszta³towania mostu przez Narew wOstro³êce. II Krajowa Konferencja ESTETYKA MOSTÓW, 109 - 117, W-wa - Ja-chranka, 25 - 26 kwietnia 1996

[17] Nihon Doro Kodan: Development of technology for expressway bridges. Tokyo1998

[18] Pritchard B.: Bridge design for economy and durability. London 1992

[19] Straski J.: Architecture of bridges as developed from the structural solution. 12-22,FIP Notes, nr 4/1994

[20] Biliszczuk J., Onysyk J., Machelski Cz.: Krajowe przyk³ady kszta³towania obiektów mo-stowych z rur stalowych. III Krajowa Konferencja ESTETYKA MOSTÓW, 41 - 49,W-wa - Popowo, 22 - 23 kwietnia 1999

[21] £agoda G.: Wybrane nowoœci w technice mostowej i ich wp³yw na estetykê mostów.In¿ynieria i Budownictwo, 9/1999, 499 - 503

[22] Trochymiak W.: Wybrane problemy estetyki mostów z polimerów wzmacnianychw³óknami. III Krajowa Konferencja ESTETYKA MOSTÓW, 225 - 233, W-wa - Po-powo, 22 - 23 kwietnia 1999

[23] Braestrup M.: Footbridge constructed from glass-fibre-reinforced profiles, De-nmark. Structural Engineering International, 4/99

[24] Keller T.: Towards structural forms for composite fibre materials. Structural Engine-ering International, 4/99

[25] Menn C.: Functional shaping of piers and pylons. Structural Engineering Internatio-nal, 4/1998

[26] Japan Prestressed Concrete Contractors Association: Shiosai Bridge. Tokyo 1999


AESTHETIC ASPECT OF THE SHAPE OF BRIDGE STRUCTURES

Abstract

The ancients considered aesthetics to be a property of an object, like function or pleasure, a

property that manifested itself in the harmonious proportions of the dimensions. This roughly

summarized philosophical background indicates that aesthetics in bridge design can be

assessed, above all, from the point of view of form and shape, on one hand, and from that of

functionalism and efficiency, on the other. Bridge design is essentially an engineering problem.

Safety, construction process, and economy, among other things, play decisive roles Un-.

fortunately, the aesthetic aspect is often neglected, and few significant contributions have been

made toward the advancement of bridge aesthetics. The recommendations given in this paper

derive mainly from consideration of view expressed by authors in the basis of experience and

literature. The problem becomes of increasing importance with the greater efforts now being

made to bring the road system of Poland up to the standards required for modern transport.



Nr 1 2004

IZABELA MARCZEWSKA1)

W£ODZIMIERZ SOSNOWSKI2)

PROJEKTOWANIE OGÓLNEGO KSZTA£TUMOSTU PRZY U¯YCIU METOD

OPTYMALIZACJI TOPOLOGICZNEJ

STRESZCZENIE. Niniejsza praca ma na celu przedstawienie metody projektowania wstêpne-

go kszta³tu konstrukcji mostowej drog¹ optymalizacji topologicznej. Metoda ta jest obecnie bar-

dzo szeroko wykorzystywana w wielu ga³êziach przemys³u, m. in. samochodowego i lotniczego.

Przedstawiamy mo¿liwoœci wykorzystania tej metody na etapie okreœlania koncepcji mostu.

W proponowanym sformu³owaniu poszukiwany jest optymalny rozk³ad gêstoœci "sztucznego"

materia³u zastêpczego nazywanego Prostym Izotropowym Materia³em z Prawem Potêgowym

(ang. Simple Isotropic Material with Penalization) [1] rozmieszczonego w obszarze projek-

towym, przy zdefiniowanym obci¹¿eniu i warunkach brzegowych. Wyjœciowy obszar pro-

jektowy stanowi¹ tarcze sprê¿yste pracuj¹ce w p³askim stanie naprê¿enia i wype³nione

materia³em zastêpczym. W wyniku optymalizacji topologicznej materia³ zastêpczy jest roz-

rzedzany w obszarach ma³o wytê¿onych i zagêszczany w obszarach wymagaj¹cych wzmoc-

nienia. Obszary zagêszczenia materia³u tworz¹ kszta³t optymalny.

Algorytmy analizy i optymalizacji topologicznej s¹ realizowane przy u¿yciu metody elementów

skoñczonych i heurystycznych metod optymalizacji topologicznej. Proponowane podejœcie

pozwala uzyskaæ kszta³t konstrukcji mostowej o dowolnych, wstêpnie za³o¿onych wymiarach

zewnêtrznych.

1 dr in¿. − Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa2) doc. dr hab. in¿. − Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa

DROGI i MOSTY 87

1. WPROWADZENIE

Zazwyczaj wstêpny projekt mostu tworzony jest na podstawie okreœlonych wymo-gów dotycz¹cych wytrzyma³oœci, funkcjonalnoœci czy estetyki. Znaj¹c ogólne wy-miary konstrukcji mostowej oraz rodzaj i wielkoœæ obci¹¿enia opracowuje siê kon-cepcjê mostu korzystaj¹c z doœwiadczenia i intuicji projektanta. Dalsza optymaliza-cja konstrukcji polega na poprawianiu ju¿ istniej¹cego projektu. Mo¿na modyfiko-waæ dowolne parametry projektowe, w tym parametry kszta³tu, ale trzeba pogodziæsiê z faktem, ¿e podstawowa konfiguracja jest z góry zadana przez projektanta i niemo¿e byæ zasadniczo zmieniana. Wady tej nie posiada optymalizacja topologiczna.Pozwala ona ³atwo okreœliæ wiele pocz¹tkowych konfiguracji konstrukcji mosto-wych. Nale¿y jedynie podaæ ogólne wymiary mostu, schemat podparcia i obci¹¿eniaa procedura sama okreœla optymalny kszta³t konstrukcji.

Zadanie optymalizacji topologicznej polega na odpowiednim zaprojektowaniu gêsto-œci lub sztywnoœci materia³u zastêpczego znajduj¹cego siê w obszarze projektowym.Materia³ zastêpczy nazywany jest Prostym Izotropowym Materia³em z Prawem Potê-gowym [1] (ang. Simply Isotropic Material with Penalization).

W procesie optymalizacji topologicznej materia³ zastêpczy jest zagêszczany w obsza-rach wymagaj¹cych usztywnienia. Materia³ przemieszcza siê tworz¹c czêsto zupe³nienowy uk³ad, np. wyniku optymalizacji topologicznej tarcz uzyskujemy uk³ady przy-pominaj¹ce uk³ady kratowe, których pasy górne lub dolne, w zale¿noœci od projektu,stanowi¹ ³uki. Ostatecznie, przy za³o¿onej iloœci materia³u, uzyskujemy najbardziejsztywn¹ konstrukcjê. Z bry³y o okreœlonych wymiarach kszta³towany jest nowy uk³admog¹cy stanowiæ podstawê opracowywanej koncepcji konstrukcji.

W niniejszej pracy zajmiemy siê mo¿liwoœci¹ wykorzystania optymalizacji topologi-cznej przy tworzeniu ogólnego kszta³tu mostu. Proponujemy, aby powy¿sz¹ metodêprojektowania stosowaæ do okreœlania ogólnego kszta³tu nietypowych konstrukcjimostowych. Nale¿y podkreœliæ, ¿e otrzymany kszta³t konstrukcji nie jest gotowymprojektem mostu a jedynie propozycj¹ jednej z rozwa¿anych koncepcji.

Oparta na œcis³ych metodach analizy wra¿liwoœci, optymalizacja topologiczna jest no-woczesn¹, interdyscyplinarn¹ dziedzin¹ badañ naukowych s³u¿¹c¹ bezpoœrednio za-stosowaniom praktycznym. Analiza wra¿liwoœci rozwijana jest od oko³o 25 lat,historiê rozwoju tej grupy metod numerycznych zawieraj¹ podrêczniki [2], [3].

Optymalizacja topologiczna liczy sobie zaledwie kilkanaœcie lat, pierwsze prace uka-za³y siê w latach osiemdziesi¹tych, przegl¹d literatury mo¿na znaleŸæ w monografii [1].Wiêkszoœæ prac prezentowanych na tegorocznym, œwiatowym kongresie poœwiêconymoptymalizacji (5-th World Congres on Structural and Multidisciplinary Optimization,Lido di Jesolo, Wenecja, 2003) dotyczy³a tej w³aœnie tematyki [4], [5]. Efektywnoœæomawianych metod numerycznych wynika z mo¿liwoœci metody elementów skoñczo-nych stanowi¹cej podstawê omawianych algorytmów [6]. Przedstawiona metoda opty-malizacji ma charakter bardzo ogólny. Mo¿e byæ stosowana do rozwi¹zywania bardzoskomplikowanych zadañ.


88 Izabela Marczewska, W³odzimierz Sosnowski

W artykule zosta³ zaprezentowany algorytm numeryczny realizuj¹cy proces optymali-zacji topologicznej. Podstawow¹ zalet¹ przedstawionego algorytmu jest jego niskikoszt numeryczny. Dziêki temu mo¿emy w bardzo krótkim czasie (na przyk³ad kilku-nastu minut) uzyskaæ wiele rozwi¹zañ, które mog¹ znacznie wzbogaciæ proces opra-cowywania koncepcji. Jedno rozwi¹zanie wymaga zaledwie kilkunastu sekund obli-czeñ na komputerze klasy PC.

Algorytm optymalizacji topologicznej zaprezentowany w pracy ma charakter heury-styczny. Taki algorytm jest zale¿ny od pewnych parametrów, które nale¿y okreœliædrog¹ testów numerycznych. Istnieje wiele opracowañ [8], w których podane s¹ war-toœci powy¿szych parametrów.

Uk³ady uzyskane drog¹ optymalizacji topologicznej cechuj¹ siê maksymaln¹ sztyw-noœci¹, przy za³o¿onej iloœci materia³u. Fakt ten ma zasadniczy wp³yw na ca³kowitykoszt realizacji konstrukcji. Jest oczywiste, ¿e ze wzglêdów ekonomicznych, prefero-wane s¹ konstrukcje wymagaj¹ce mniejszego zu¿ycia materia³u.

Celem optymalizacji topologiczej mo¿e byæ równie¿ okreœlenie optymalnej iloœcimateria³u z jakiego zostanie wykonany uk³ad. W takim przypadku nale¿y wprowa-dziæ dodatkowe kryteria typu przemieszczeniowego i naprê¿eniowego. To drugie po-dejœcie nie jest jednak tematem niniejszej pracy i zosta³o w niej jedynie zasyg-nalizowane.

Zamieszczone w pracy ogólne kszta³ty mostów, uzyskane na drodze optymalizacjitopologicznej s¹ podobne do kszta³tów istniej¹cych mostów, co potwierdza przydat-noœæ metody do wykorzystywania jako narzêdzie wspomagaj¹ce twórczy procestworzenia koncepcji mostu. Na rysunku 1 przedstawiono przyk³ad koncepcji mostuuzyskanej metod¹ optymalizacji topologicznej dostêpny pod adresem:http://www.cmap.polytechnique.fr/~optopo/homog_en.html.

PROJEKTOWANIE KSZTA£TU MOSTU METODAMI OPTYMALIZACJI TOPOLOGICZNEJ 89

Rys.1. Ogólny kszta³t mostu uzyskany drog¹ optymalizacji topologicznej

http://www.cmap.polytechnique.fr/~optopo/homog_en.html

Fig.1. Topology optimization of the bridge

http://www.cmap.polytechnique.fr/~optopo/homog_en.html

2. PROSTY IZOTROPOWY MATERIA£ Z PRAWEMPOTÊGOWYM

Zastosowany w pracy materia³ jest materia³em sztucznym o zmiennej gêstoœci0< <ρ ρ

o, gdzieρ

ojest gêstoœci¹ rzeczywistego materia³u litego. Na pocz¹tku proce-

su optymalizacji materia³ lity jest równomiernie rozmieszczony w obszarze projekto-wym i posiada wyjœciow¹ “sztuczn¹” gêstoœæ ρ ρ<

o. W obszarach wymagaj¹cych

usztywnienia materia³ zagêszcza siê do postaci litej i wówczas jego gêstoœæ jest równaρ ρ=

o. W pozosta³ych obszarach materia³ jest usuwany (ρ→ 0) lub pozostaje nadal

rozrzedzony, (ρ ρ<o). Obszar projektowy jest podzielony na elementy skoñczone.

Gêstoœæ materia³u zastêpczego w elemencie obszaru projektowegoΩ wyra¿a siê wzo-rem

ρ ζ ρ=e o

, (1)

gdzie ζe

jest zmienn¹ decyzyjn¹ w zadaniu optymalizacji topologicznej i oznaczamiarê gêstoœci materia³u zastêpczego. Dla p³askiego stanu naprê¿enia sztywnoœæ ele-mentu z materia³em zastêpczym dana jest wzorem, wg [1],

D De e

p

o=ζ , (2)

gdzieDo

jest macierz¹ sta³ych materia³owych dla materia³u litego i przyjmuje postaæ

Do

E=− −

⎡

⎣

⎢⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥⎥

1

1 0

1 0

0 01

2

2ν

νν

ν. (3)

E i ν s¹ odpowiednio modu³em Younga i wspó³czynnikiem Poissona. Dla materia³uizotropowego z prawem potêgowym wyk³adnik p musi spe³niaæ nierównoœæ, wg [8],

p D

p

≥− +

⎛⎝⎜ ⎞

⎠⎟

≥

max ,2

1

4

12

ν ν, dla

max dla151

7 5

3

2

1

1 23

−−

−−

⎛⎝⎜ ⎞

⎠⎟

νν

νν

, , .D

(4)

Dla tak dobranych wartoœci p punkty krzywych wyra¿aj¹cych zale¿noœæ pomiêdzysztywnoœci¹ a miar¹ gêstoœci materia³u dla materia³u sztucznego pokrywaj¹ siê zpunktami Hashina-Shtrikmana dla kompozytu zbudowanego z dwóch materia³ów o



ró¿nych w³asnoœciach materia³owych, [8]. W pracy rozwa¿ane s¹ uk³ady tarczowe2D o wspó³czynniku Poissona ν=1/3. St¹d ze wzoru (4) wynika i¿ p ≥ 3. Wielkoœæwyk³adnika p mo¿e byæ dobierana tak¿e na podstawie testów z przedzia³u 1 < p < 9,[7]. Im wy¿sze wartoœci p tym rozwi¹zanie zawiera mniej stref z materia³em o gêsto-œciach poœrednich, które trzeba by³oby wyeliminowaæ. Sposoby eliminacji takichstref s¹ opisane np. w pracy [7], [8]. Zgodnie ze wzorem (4) w pracy przyjêto p = 3.

W zadaniu optymalizacji topologicznej poszukiwany jest optymalny rozk³ad fikcyj-nego materia³u zastêpczego wype³niaj¹cego obszar projektowy. Na tym etapie proje-ktowania, który jak ju¿ mówiliœmy dotyczy koncepcji (architektury) mostu, nie jestistotne jaki to materia³: beton, stal czy kompozyt polimerowy.

3. SFORMU£OWANIE ZADANIA OPTYMALIZACJITOPOLOGICZNEJ

Zadanie okreœlania optymalnej gêstoœci materia³u zastêpczego w obszarze projekto-wym, ze wzglêdu na minimaln¹ globaln¹ podatnoœæ c uk³adu mo¿na zapisaæ w nastê-puj¹cy sposób, wg [9]: znajdŸ

minζe

e

e

T

e

N

e

T

e e

A

edAc = ,q B D B q

=∑ ∫

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

1

(5)

przy ograniczeniach:

Kq F= , (6)

ζ ν νe

e

N

e ee

N

f= =∑ ∑− =

1 1

0 ,(7)

ζ ζe e

min , ,≤ ≤10 (8)

gdzie qe

jest wektorem przemieszczeñ wêz³owych e-tego elementu, Ae

jest polemelementu tarczy, B

ejest macierz¹ pochodnych funkcji kszta³tu. Równanie (6) jest

równaniem równowagi uk³adu, q jest globalnym wektorem przemieszczeñ wêz³ówkonstrukcji, K i F s¹ odpowiednio globaln¹ macierz¹ sztywnoœci i wektorem si³ zew-nêtrznych, ν

ejest objêtoœci¹ elementu dyskretyzacji. Wyra¿enie (7) jest równaniem

sta³ej iloœci materia³u w ca³ym obszarzeΩ. Pierwszy cz³on wyra¿enia (7) oznacza ob-jêtoœæ materia³u zastêpczego, zaœ drugi jest objêtoœci¹ obszaru projektowego pomno-¿on¹ przez sta³¹ f. Sta³a ta okreœla stopieñ pocz¹tkowego rozrzedzenia materia³u


litego w obszarze projektowymΩ. Jeœli objêtoœæ materia³u litego jest o po³owê mniej-sza od objêtoœci obszaru projektowego to wówczas f=0,5. Wyra¿enie (8) okreœla za-kres zmiennoœci miary gêstoœci materia³u zastêpczego. Gdyζ

eprzyjmuje wartoœæ 1,0

wówczas element jest ca³kowicie wype³niony materia³em litym. Obszary, w których

ζ ζe e= min uwa¿ane s¹ za puste. Ze wzglêdów numerycznych przyjmuje siê, ¿e dolne

ograniczenie ζe

min powinno byæ dobrane tak, aby nie by³o mniejsze ni¿ dopuszczalny

poziom dok³adnoœci arytmetyki komputera. W naszym przypadku przyjêto ζe

min =0,1e-07.

Istnieje tak¿e mo¿liwoœæ optymalizacji topologicznej uk³adu z jednoczesnym uwz-glêdnieniem optymalizacji iloœci materia³u poprzez dobór odpowiedniej wielkoœciparametru f. W tak postawionym problemie bêdziemy mieli dwie funkcje celu.Pierwsz¹ funkcj¹ celu bêdzie iloœæ materia³u, z którego bêdzie wykonany uk³ad, któ-ra zale¿y od wielkoœci parametru f. Drug¹ funkcj¹ celu, tak jak w poprzednim sfor-mu³owaniu, bêdzie minimalna podatnoœæ, której wartoœci w poszczególnych krokachiteracyjnych zale¿¹ od odpowiednio rozmieszczanego materia³u. Naturalnym jest, ¿eje¿eli nie wprowadzimy dodatkowych ograniczeñ to przy projektowaniu na podsta-wie kryterium maksymalnej sztywnoœci wymiary elementów uk³adu bêd¹ d¹¿y³y donieskoñczonoœci. Aby unikn¹æ takich rozwi¹zañ nale¿y zdefiniowaæ dodatkowe wa-runki w postaci ograniczeñ typu naprê¿eniowego i przemieszczeniowego. Wówczassformu³owanie zadania optymalizacji ogólnego kszta³tu maksymalnie sztywnej i lek-kiej konstrukcji mo¿e byæ podane nastêpuj¹co: znajdŸ

min minf

e

T

e

T

e

Ae

N

e

e

dAc =ζ

q B D B qe e∫∑

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

⎛

⎝

⎜⎜

⎞

⎠=1

⎟⎟

, (9)

przy ograniczeniach (6), (7), (8) oraz dodatkowych ograniczeniach:

typu naprê¿eniowego

σ σ σi i

dop i n≤ =, 1,... , , (10)

typu przemieszczeniowego

u u i ni i

dop

u≤ =, ,... , ,1 (11)

gdzieσ σi i i

dop

i

dopu u, , , s¹ odpowiednio naprê¿eniem i przemieszczeniem w i-tym ele-

mencie oraz i-tym wêŸle uk³adu.σi

dop

i

dopu, s¹ odpowiednio naprê¿eniem i przemiesz-

czeniem dopuszczalnym w i-tym elemencie oraz i-tym wêŸle uk³adu. n nuσ ,

oznaczaj¹ liczbê ograniczeñ typu naprê¿eniowego i przemieszczeniowego. Niniejsze



podejœcie nie jest jednak tematem pracy i zosta³o jedynie zasygnalizowane. W pracywykorzystywane jest natomiast sformu³owanie podane wzorami (5)-(8).

Optymalizacja topologiczna mo¿e byæ stosowana tak¿e miêdzy innymi do projekto-wania ogólnego kszta³tu uk³adów drgaj¹cych. Przyk³ady innych zastosowañ oma-wianej metody mo¿na znaleŸæ w bardzo wielu pracach, niektóre z nich s¹ omawianew [7] i [8].

4. KRYTERIA OPTYMALNOŒCI

Rozwi¹zanie zadania minimalizacji globalnej podatnoœci przy ograniczeniach da-nych wzorami (6)-(8) mo¿e byæ uzyskane drog¹ okreœlenia punktu stacjonarnegofunkcji Lagrange’a okreœlanego z warunków optymalnoœci Kuhna-Tuckera. FunkcjaLagrange’a dla zadania (5)-(8) przyjmuje postaæ [9]

( )L fe

p

e

N

e

T

e

o

e

T

e e ee

N

e

N

= + − + −⎛⎝⎜ ⎞

⎠= ==∑ ∑∑ζ λ ζ ν ν

1 11

q k q Kq FΓ

( ) ( )

⎟ +

+ − + −= =∑ ∑ξ ζ ζ ξ ζ

e

d

e

N

e e e

g

e

N

e1 1

10min , ,(12)

gdzie k B D Be

o

e

T

o e

A

dA

e

= ∫ jest macierz¹ sztywnoœci elementu z materia³em litym.Γ iλ

s¹ mno¿nikami Lagrange'a stoj¹cymi przy ograniczeniach typu równoœciowego, zaœ

ξe

d i ξe

g s¹ mno¿nikami Lagrange'a stoj¹cymi przy ograniczeniach typu nierówno-

œciowego. Warunki optymalnoœci Kuhna-Tuckera wyra¿one s¹ zale¿noœciami:

∂∂ζ

∂∂

∂∂λ

∂∂ξ

L

L

e

e

d

= = =

≤

0 0 0

0

, , ,

,

L L

ΓL

e

d

e

d

e

g

ξ ∂∂ξ

ξ

∂∂ξ

ξ

≥ =

≤ ≥

0 0

0 0

, ,

, ,

e

d

e

g

L ∂∂ξ

ξL

e

g e

g =0.

(13)

W prezentowanej pracy problem optymalizacji topologicznej by³ rozwi¹zywanyprzy u¿yciu metod kryteriów optymalnoœci. W metodach tych na ka¿dym kroku ite-racyjnym okreœlany jest zbiór ograniczeñ aktywnych. Jeœli znamy strefy gdzie ogra-niczenia nierównoœciowe s¹ nieaktywne to mo¿emy w nich pos³ugiwaæ siê rów-noœciowymi warunkami stacjonarnoœci funkcji Lagrange’a. W strefach gdzie ograni-czenia s¹ aktywne pos³ugujemy siê nierównoœciowymi warunkami Kuhna-Tuckera.


Dla poœrednich wartoœci zmiennych decyzyjnych ζ ζe e

min < < 1,0 ograniczenia nie-

równoœciowe (8) staj¹ siê nieaktywne. Uwzglêdniaj¹c zale¿noœæ (12) kryterium opty-malnoœci dla poœrednich wartoœci miar gêstoœci materia³u mo¿na zapisaæ w postaci

( )− =

−p

e

p

e

T

e

o

e

e

ζλν

1q k q

1,0 ,(14)

gdzie ke

o jest macierz¹ sztywnoœci elementu z litym materia³em rzeczywistym o gê-stoœci ρ

o. Wprowadzaj¹c oznaczenie

( )Q

pe

e

p

e

T

e

o

e

e

= −−ζλν

1q k q

,(15)

wyra¿enie (15) mo¿emy zapisaæ w postaci Qe= 1,0. Interpretacja fizyczna wyra¿enia

(15) jest nastêpuj¹ca: gêstoœæ pochodnej podatnoœci z miar¹1

λjest równa jeden w ka¿-

dym elemencie obszaru dla poœrednich miar gêstoœci materia³uζe. Gdy spe³niony jest

warunek (15) dla poœrednich miar gêstoœci ζ ζe e

min < < 1,0 rozwi¹zanie uwa¿ane jest

za optymalne.

Gdy dolne ograniczenie staje siê aktywne ζ ζe e

min − =0 i ξe

d ≥ 0 kryterium optymal-

noœci przyjmuje postaæ

Qe

e

d

e

= − ≤1 1ξλν

,(16)

Dla górnego ograniczenia aktywnego ζe− =1 0, ξ

e

g ≥ 0 a kryterium optymalnoœciprzyjmuje postaæ

Qe

e

d

e

= + ≥1 1ξλν

. (17)

Wykorzystuj¹c powy¿sze zwi¹zki Bendsoe [1] zaproponowa³ nastêpuj¹cy schematuaktualniania zmiennych

( )( )ζ

ζ ζ ζ ζ ζη

e

k

e e e e

k

e em Q

+ =

− ≤ −1

max gdy maxmin min, ,( )( )m

Qe e

kηζ gdy min 1,( )( ) ( )( )( )( )

ζ ζ ζ ζ

ζ

ηe

max

min gdy

+ < < −

+

m Q m

m

e e

k

e e

e

min ,

,1 ( )( )min 1, ,ζ ζηe e e

km Q+ ≤

⎧

⎨⎪⎪

⎩⎪⎪

(18)



gdzie η jest parametrem t³umienia, m d³ugoœci¹ kroku. Mno¿niki Lagrange'aΓ i λ s¹

wyznaczane z warunków∂∂

L

Γ=0 oraz

∂∂λ

L =0.

Wprowadzenie parametru t³umienia ma na celu przybli¿anie wartoœci Qe, uzyskanej

w danej iteracji, do jedynki. Wówczas rozwi¹zanie spe³nia kryterium optymalnoœci

(14). Przyjmuj¹c η=1/2 zbli¿amy siê z wartoœciami Qe

do jednoœci, np. 11 10488, ,= ,

zaœ 0 990 0 995, ,= . D³ugoœæ kroku m okreœla o ile na danej iteracji mo¿e wzrosn¹æ lub

zmaleæ wartoœæ miary gêstoœci materia³u. W pracy miara ta jest dobrana jako1

500 02x

e

max ,= . Wprowadzenie powy¿szych parametrów wi¹¿e siê z heurystycznym

typem algorytmu optymalizacji topologicznej.

5. PRZYK£ADY NUMERYCZNE

5.1. PRZYK£AD 1

Za³ó¿my, ¿e chcemy zaprojektowaæ most dla samochodów z jazd¹ do³em nad p³ytk¹rzek¹ o p³askich brzegach, wg schematu przedstawionego na rysunku 2.

Rozwa¿aj¹c wstêpn¹ koncepcjê mostu nale¿y zwróciæ uwagê na warunki podparcia.Na tym etapie projektu nie zachodzi potrzeba zastosowania takiego samego sposobupodparcia dla obszaru projektowego jak dla uzyskanego mostu. Specyfika zadaniawymaga wprowadzenia podpór nieprzesuwnych dla obszaru projektowego. W proje-kcie wstêpnym opracowywanym przy u¿yciu optymalizacji topologicznej podporypowinny znajdowaæ siê w miejscach gdzie przewiduje siê usytuowanie przyczó³kówlub filarów miêdzy przês³owych. Przy dalszych obliczeniach projektu nale¿y wpro-wadziæ inne warunki, np. takie, które zapewniaj¹ konstrukcji statyczn¹ wyznaczal-noœæ.

W przedstawionym podejœciu obszarem projektowym s¹ tarcze sprê¿yste. D³ugoœætarczy wynika z rozstawu podpór, wysokoœæ jest okreœlona przez projektanta dowol-nie. Rozk³ad gêstoœci materia³u uzyskany drog¹ optymalizacji topologicznej dla ta-kich uk³adów nie zale¿y od wartoœci obci¹¿enia istotny jest natomiast jego rozk³ad.W miejscu gdzie bêdzie znajdowa³ siê pas jezdny nale¿y wprowadziæ obci¹¿enieci¹g³e. Podobnie, na rozk³ad gêstoœci materia³u nie maj¹ wp³ywu jego w³asnoœcisprê¿yste, takie jak modu³ Younga. W pracy przeprowadzone s¹ obliczenia przyza³o¿eniu, ¿e modu³ Younga jest równy 210 GPa co odpowiada stali konstrukcyjnej.Nale¿y podkreœliæ, ¿e taki sam kszta³t mostu uzyskalibyœmy przyjmuj¹c E=1 N.Oczywiœcie wartoœci obci¹¿enia i sta³e materia³owe wp³ywaj¹ na odpowiedŸ uk³adulecz maj¹ znaczenie dopiero na etapie wymiarowania konstrukcji. Wtedy bowiemprzeprowadzana jest dok³adna analiza wytrzyma³oœci i optymalizacja wymiarów wkolejnych fazach projektowania. Problematyka ta wychodzi jednak poza zakres ni-niejszej pracy.


Wobec powy¿szych za³o¿eñ przyjmujemy, ¿e obszar projektowy stanowi tarcza nie-przesuwnie zamocowana w naro¿ach i równomiernie obci¹¿ona wzd³u¿ dolnej kra-wêdzi tak jak to pokazano na rysunku 2. Do rozwi¹zania zadania statyki przyjêtoobci¹¿enie o intensywnoœci q =1000 kN/m oraz nastêpuj¹ce dane materia³owe:E=210 GPa oraz ν=0,3. Obszar projektowy podzielono na 3000 prostok¹tnych, tar-czowych, czterowêz³owych elementów skoñczonych.

W zadaniu optymalizacji topologicznej przyjêto: p =3, η= 0,5, m= 0,02, f = 0,5,

ζe

min = 0,1e-07.

Optymalny kszta³t konstrukcji oraz przebieg ca³ego procesu optymalizacji w kolej-nych krokach iteracyjnych przedstawia rysunek 2. Rozwi¹zanie optymalne uzyskanow 60-tym kroku iteracyjnym. Stwierdzono oko³o 70 procentowy spadek wartoœciglobalnej podatnoœci (równowa¿ny 70 procentowemu wzrostowi sztywnoœci) w sto-sunku do stanu pocz¹tkowego.

W wyniku optymalizacji topologicznej przemieszczony w obszarze projektowymmateria³ tworzy uk³ad przypominaj¹cy most podwieszony. Pas noœny stanowi ³uk doktórego za pomoc¹ ciêgien jest przymocowany pomost.



Rys.2. Œcie¿ka optymalizacji topologicznej i rozmieszczenie materia³u tarczy w p³askim

stanie naprê¿enia obci¹¿onej równomiernie wzd³u¿ dolnej krawêdzi, podpartej w dwóch

naro¿nych wêz³ach

Fig.2. Topology optimization - iteration path and the material distribution in plain stress

slab subjected to in-plane, distributed load, supported at two corners' nodes

5.2. PRZYK£AD 2

Nale¿y zaprojektowaæ most dla samochodów z jazd¹ gór¹ nad rzek¹ o bardzo stro-mych brzegach, któr¹ p³ywaj¹ statki. Przyjêto, ¿e schemat zastêpczy stanowi tarczanieprzesuwnie zamocowana w naro¿ach i równomiernie obci¹¿ona wzd³u¿ górnejkrawêdzi, tak jak to pokazano na rysunku 3. Dane do analizy uk³adu i rozwi¹zania za-dania optymalizacji topologicznej przyjêto takie same jak w poprzednim przyk³ad-zie.

Optymalny kszta³t tarczy oraz przebieg ca³ego procesu optymalizacji w kolejnychkrokach iteracyjnych przedstawia rysunek 3. Rozwi¹zanie optymalne uzyskano w60-tym kroku iteracyjnym. Podatnoœæ konstrukcji optymalnej spad³a o oko³o 90 % wstosunku do wartoœci podatnoœci dla projektu pocz¹tkowego.

W wyniku optymalizacji topologicznej materia³ przemieszcza siê w obszarze proje-ktowym tworz¹c uk³ad przypominaj¹cy kratownicê z pasem dolnym w kszta³cie ³ukui prostym pasem górnym. Oddzia³ywanie zewnêtrzne przenoszone przez pas górnyjest przekazywane do pasa dolnego poprzez s³upy.



stanie naprê¿enia obci¹¿onej równomiernie wzd³u¿ górnej krawêdzi,

podpartej w dwóch naro¿nych wêz³ach

Fig.3. Topology optimization - iteration path and the material distribution in plain

stress slab subjected to in-plane, distributed load,

supported at two corners' nodes

5.3. PRZYK£AD 3

Niniejszy przyk³ad pokazuje jak tworzy siê optymalny kszta³t mostu z pomostem wœrodku wysokoœci obszaru projektowego. W przypadku tym obci¹¿enie przy³o¿onejest w po³owie wysokoœci tarczy zamocowanej nieprzesuwnie tak jak to pokazano narysunku 4. Pozosta³e dane do analizy uk³adu i rozwi¹zania zadania optymalizacjitopologicznej przyjêto takie same jak w poprzednich przyk³adach.

Optymalny kszta³t tarczy oraz przebieg ca³ego procesu optymalizacji w kolejnychkrokach iteracyjnych przedstawiono na rysunku 4. Rozwi¹zanie optymalne uzyskanow 60-tym kroku iteracyjnym. Podatnoœæ konstrukcji optymalnej spad³a o oko³o 90 %w stosunku do wartoœci podatnoœci dla projektu pocz¹tkowego.

Uzyskana konstrukcja mostu posiada cechy uk³adu Nielsena, [11], pokazanego na ry-sunku 5. Konstrukcje noœn¹ uzyskanego uk³adu stanowi ³uk, który na œrodkowym od-cinku dŸwiga g³ówn¹ p³ytê mostu poprzez ciêgna.




stanie naprê¿enia obci¹¿onej równomiernie w œrodku wysokoœci, podpartej w dwóch

naro¿nych wêz³ach

Fig.4. Topology optimization - iteration path and the material distribution in plain stress slab

subjected to in-plane, distributed load in the middle of the height, supported at two corners'

nodes

5.4. PRZYK£AD 4

Niniejszy przyk³ad pokazuje jak tworzy siê optymalny kszta³t mostu z pomostem wœrodku wysokoœci obszaru projektowego przy wprowadzeniu dwóch podpór nieprze-suwnych. W przypadku tym, tak jak w poprzednim przyk³adzie, obci¹¿enie przy³o¿o-ne jest w po³owie wysokoœci tarczy (rys. 6). Pozosta³e dane do analizy uk³adu irozwi¹zania zadania optymalizacji topologicznej przyjêto takie same jak w poprze-dnich przyk³adach.

Optymalny kszta³t tarczy oraz przebieg ca³ego procesu optymalizacji w kolejnychkrokach iteracyjnych przedstawiono na rysunku 6. Rozwi¹zanie optymalne uzyskanow 60-tym kroku iteracyjnym. Podatnoœæ konstrukcji optymalnej spad³a o oko³o 90 %w stosunku do wartoœci podatnoœci dla projektu pocz¹tkowego. Uzyskana konstruk-cja mostu stanowi dwuprzês³owy uk³ad z podwieszonym pomostem.


Rys.5. Most Saigo, (http://www.khi.co.jp/tekkou/catalog/FrameRight6-e.html). Lokalizacja:

Shimane Prefecture, Japonia, d³ugoœæ 270 m, szerokoœæ 6 m, rok oddania 1977

Fig.5. Saigo bridge, (http://www.khi.co.jp/tekkou/catalog/FrameRight6-e.html). Location:

Shimane Prefecture, Japan, length 270 m, width 6 m, date of completion 1977

6. PODSUMOWANIE

Optymalizacja topologiczna pozwala ustaliæ wstêpny kszta³t konstrukcji i mo¿e sta-nowiæ uzupe³nienie warsztatu pracy in¿yniera projektanta. Nale¿y jednak podkreœliæ,¿e optymalizacja nie zast¹pi twórczego myœlenia projektanta jego intuicji i doœwiad-czenia. Mo¿e natomiast wspomóc i wzbogaciæ ten proces. Szybkoœæ uzyskiwaniarozwi¹zañ pozwala rozwa¿aæ wiele ró¿nych koncepcji przy stosunkowo ma³ymnak³adzie pracy i w krótkim czasie.

Przedstawiona metoda optymalizacji ma charakter bardzo ogólny. Zosta³a wpraw-dzie przetestowana na stosunkowo prostych przyk³adach ale mo¿e byæ stosowana dorozwi¹zywania znacznie bardziej skomplikowanych zadañ.

Powy¿szy wniosek móg³ byæ sformu³owany przede wszystkim dziêki temu, ¿e algo-rytmy optymalizacyjne zosta³y sprzê¿one z najbardziej uniwersaln¹ metod¹ nume-ryczn¹ rozwi¹zywania zadañ in¿ynierskich, jak¹ jest metoda elementów skoñczo-nych.




stanie naprê¿enia obci¹¿onej równomiernie w œrodku wysokoœci, podpartej w dwóch

wêz³ach

Fig.6. Topology optimization - iteration path and the material distribution in plain stress slab

subjected to in-plane, distributed load in the middle of the height, supported at two nodes

Metoda projektowania ogólnego kszta³tu przy wykorzystaniu optymalizacji topolo-gicznej jest metod¹ stosunkowo now¹. Jednak rozwój tej metody jest nies³ychaniedynamiczny.

Prezentowany w pracy problem optymalizacji topologicznej jest sformu³owany wtaki sposób, ¿e na rozk³ad materia³u w obszarze projektowym nie maj¹ wp³ywuw³aœciwoœci materia³u i wielkoœæ obci¹¿enia a jedynie wymiary, kszta³t, warunkipodparcia i rozk³ad obci¹¿enia obszaru projektowego oraz wstêpna iloœæ materia³u fi-kcyjnego. Dlatego przedstawione sformu³owanie problemu optymalizacji topologi-cznej mo¿e byæ jedynie wykorzystywane przy tworzeniu koncepcji konstrukcji. Niemo¿emy siê spodziewaæ, ¿e uzyskamy od razu gotowy projekt, który spe³nia wszy-stkie kryteria np. wytrzyma³oœciowe. Uzyskamy natomiast informacjê jak mog³y bybyæ usytuowane elementy przysz³ej konstrukcji aby by³a ona najbardziej sztywna.Nie dostaniemy tak¿e informacji na temat wymiarów tych elementów. Mo¿emy jedy-nie okreœliæ, które z nich powinny byæ krêpe a które smuk³e. Szczegó³owe wymiarys¹ ustalone w dalszych etapach procesu projektowania. Zawarte w pracy rozwa¿aniapozostaj¹ wiêc w fazie wstêpnego projektu architektonicznego.

BIBLIOGRAFIA

[1] Bendsoe M.P.: Optimization of Structural Topology, Shape and Material. SpringerVerlag, Berlin Heidelberg, 271, 1995

[2] Kleiber M., Antunez H., Hien T.D., Kowalczyk P.: Parameter Sensitivity in NonlinearMechanics. J. Wiley, 406, 1997

[3] Sosnowski W.: Numeryczna symulacja, analiza wra¿liwoœci i optymalizacja proce-sów deformacji konstrukcji, monografia. Wydawnictwo Akademii Bydgoskiej,211, 2003

[4] Marczewska I.: Sosnowski W., Marczewski A., Bednarek T.: Topology and Sensitivity-Based Optimization of Stiffened Plates and Shells. World Congres on Structural andMultidisciplinary Optimization (WCSMO-5), Lido di Jesolo, Wenecja, 2003

[5] Sigmund O., Jensen J. S.: Design of acoustic devices by topology optimization.World Congres on Structural and Multidisciplinary Optimization (WCSMO-5),Lido di Jesolo, Wenecja, 2003

[6] Zienkiewicz O.C., Taylor R.L.: The finite element method : Volume 1 : The basis, Vo-lume 2: Solid mechanics, 5-th Edition. Butterworth-Heinemann, 689, 459, 2000

[7] Hassani B., Hinton E.: Homogenization and Structural Topology Optimization, The-ory, Practice and Software. Springer-Verlag London Limited, 268, 1999

[8] Bendsoe M.P., Sigmund O.: Topology optimization, Theory, Methods and Applica-tions. Springer, 370, 2003

[9] Marczewska I.: Wieloetapowa optymalizacja topologii, kszta³tu i parametrów prze-krojowych z³o¿onych konstrukcji zginanych. Praca doktorska, IPPT PAN, 172,2003


[10] http://www.cmap.polytechnique.fr/~optopo/homog_en.html

[11] http://www.khi.co.jp/tekkou/catalog/FrameRight6-e.html

GENERAL SHAPE DESIGN OF THE BRIDGE STRUCTURE USINGTOPOLOGY OPTIMALIZATION METHODS

Abstract

The paper deals with a new method which can be used in initial design of the bridge

constructions, when the fundamental decisions related to the type of the bridge must be

considered. Sensitivity based topology optimization is the modern, interdisciplinary design

tool, which is used in many practical problems. The numerical topology optimization algorithm

consists of two basic steps at each iteration: the first, the analysis of the system is performed

and the second, the design variables are updated.

In the problem of topology optimization the optimal redistribution of the artificial, non-real

material should be determined in design domain in order to minimize the mean compliance of

the structure. This material is called Simple Isotropic Material with Penalization [1].

In optimization process the artificial material with intermediate non real density ρ is re-

distributed. It is concentrated in stiffened zones ρ ρ=o. The result of the optimization is the

optimal global shape of the construction.

The presented examples demonstrate how quickly and easily one can obtain the optimal global

shape of the bridge construction using numerical topology optimization procedure.



WSKAZÓWKI DLA AUTORÓW

1. W kwartalniku “DROGI I MOSTY” drukowane s¹ oryginalne prace naukowe,naukowo-techniczne i studialne z dziedziny in¿ynierii l¹dowej, obejmuj¹ce zagadnie-nia z zakresu projektowania, budowy i utrzymania dróg, lotnisk, mostów i innychobiektów infrastruktury drogowej. Je¿eli fragmenty zg³oszonego artyku³u by³y wczeœ-niej publikowane nale¿y o tym powiadomiæ Redakcjê. Po wczeœniejszym uzgodnieniutematyki z Redakcj¹ drukowane s¹ te¿ prace przegl¹dowe.

2. Tytu³ artyku³u powinien byæ zwiêz³y. Zasadnicz¹ czêœæ artyku³u nale¿y poprzedziækrótkim podsumowaniem stanu wiedzy w zakresie omawianych zagadnieñ. Sfor-mu³owanie problemu powinno byæ przedstawione w sposób klarowny i treœciwy.Wyniki badañ nale¿y przedstawiæ w sposób syntetyczny, unikaj¹c powtórzeñ, np. da-nych przedstawionych na wykresach nie podawaæ w postaci tabelarycznej. Nale¿yunikaæ u¿ywania nazw handlowych i zastrze¿onych znaków towarowych. Wnioskipowinny wynikaæ z przeprowadzonych badañ. Po¿¹dane jest wskazanie potencjal-nych sposobów zastosowania uzyskanych wyników w praktyce projektowej lub wy-konawczej.

3. Objêtoœæ artyku³u wraz z rysunkami i tablicami nie powinna przekraczaæ 30 stronformatu A-4. Tekst powinien byæ napisany jednostronnie, z podwójn¹ interlini¹ imarginesami 40mm po lewej stronie i 20 mm po prawej. Wymagane jest przygoto-wanie tekstu przy u¿yciu programu komputerowego Word (œrodowisko Windows).Wydruk tekstu wraz z ilustracjami i tablicami nale¿y przes³aæ w dwóch egzempla-

rzach wraz z dyskiem formatu 3,5" lub CD-R.

4. Treœæ artyku³u nale¿y stosownie podzieliæ na rozdzia³y i podrozdzia³y numerowa-ne. Pierwsza strona tekstu powinna zawieraæ: imiona i nazwiska autorów, tytu³ arty-ku³u, streszczenie na 10-20 wierszy oraz dane adresowe autorów (tytu³ i stopieñnaukowy, nazwa instytucji, numer telefonu, adres e-mail).

5. Wszystkie symbole u¿ywane w tekœcie powinny byæ objaœnione. Wzory matema-tyczne powinny byæ numerowane po prawej stronie w nawiasach okr¹g³ych, kolejnow ca³ej pracy. Stosowaæ jednostki uk³adu SI.

6. Rysunki i tablice nale¿y kolejno numerowaæ cyframi arabskimi i za³¹czaæ na od-dzielnych stronach. Zestawienie podpisów pod rysunkami i opisu tablic nale¿ydo³¹czyæ na osobnej kartce. Ilustracje nale¿y przygotowaæ w formie ostatecznej, abyby³y dobrze czytelne po zmniejszeniu do formatu strony B5; opis rysunków wykonaæ

WSKAZÓWKI DLA AUTORÓW 103

czcionk¹ jednej wielkoœci (redakcja nie ma mo¿liwoœci poprawiania rysunków). Fo-tografie mog¹ byæ wydrukowane w kolorze. Je¿eli rysunki lub dane do tablic zosta³yzaczerpniête z innych prac, w podpisie nale¿y podaæ Ÿród³o.

7. Publikacje cytowane powinny byæ numerowane w nawiasach kwadratowych w ko-lejnoœci pojawiania siê w tekœcie. W spisie publikacji cytowanych na koñcu artyku³unale¿y podaæ wszystkie dane bibliograficzne, tj. nazwisko i inicja³y imion autora,tytu³ ksi¹¿ki, wydawnictwo, miejsce i rok wydania, liczba stron (w przypadkuksi¹¿ki) lub nazwisko i inicja³y imion autora, tytu³ artyku³u, tytu³ czasopisma, numeri rok, wydania, numer strony pocz¹tkowej i koñcowej (w przypadku czasopisma).

8. Tytu³ artyku³u, streszczenie, tytu³y tablic i podpisy pod rysunkami nale¿y prze-t³umaczyæ na jêzyk angielski. Streszczenie w jêzyku angielskim mo¿e byæ w wersjirozszerzonej.

9. Wszystkie nades³ane prace bêd¹ recenzowane. Opinie Recenzentów stanowi¹ pod-stawê do podjêcia decyzji przez Redakcjê o akceptacji pracy, niezbêdnych popraw-kach lub modyfikacjach itd. Opinie Recenzentów bêd¹ przekazywane Autorom bezujawniania nazwisk. Raz w roku zostanie opublikowana lista wszystkich Recenzen-tów.

10. Redakcja zastrzega sobie prawo do wprowadzania skrótów i zmian redakcyjnychdo tekstu artyku³ów przyjêtych do druku. Przed oddaniem do druku tekst zostanieprzes³any Autorom do akceptacji.

Doc. dr hab. in¿. Micha³ A. Glinicki

Redaktor Naczelny Kwartalnika “DROGI i MOSTY”

e-mail: [email protected]


104 WSKAZÓWKI DLA AUTORÓW

E:PARAMETRYZACJANOWYPARAMETRYZACJA1.2004DiM1.04SPISbluebox.ippt.pan.pl/~mglinic/dim_1_04.pdf ·...

Documents

Transcript of E:PARAMETRYZACJANOWYPARAMETRYZACJA1.2004DiM1.04SPISbluebox.ippt.pan.pl/~mglinic/dim_1_04.pdf ·...