ksiazka_referaty 2012_v2.indd

Materiały konferencyjne Streszczenia referatów

Innowacyjne środki

i efektywne metody

poprawy bezpieczeństwa

i trwałości obiektów budowlanych

i infrastruktury transportowej

w strategii

zrównoważonego rozwoju

Łódź, 18-20 listopada 2012

1

Innowacyjne środki

i efektywne metody

poprawy bezpieczeństwa

i trwałości obiektów budowlanych

i infrastruktury transportowej

w strategii zrównoważonego rozwoju

Łódź, 18-20 listopada 2012

2

POLITECHNIKA ŁÓDZKAul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź

Biuro Projektu„Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju”

POLITECHNIKA ŁÓDZKAWydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii ŚrodowiskaAl. Politechniki 6, 90-924 Łódź

EGZEMPLARZ BEZPŁATNY

3

Od Lidera Konsorcjum

W styczniu 2010 rozpoczęliśmy realizację projektu w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG),

pod tytułem: Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych

w strategii zrównoważonego rozwoju.

Przypomnijmy, że w ramach projektu prowadzone są prace badawczo – rozwojowe w 8 wyodrębnionych Pakietach

Tematycznych (PT). Pakiety obejmują łącznie 47 tematów badawczych.

W projekcie utworzono także dwa pakiety pomocnicze: PT0 Zarządzanie oraz PT9 Promocja i upowszechnianie

wyników projektu.

Merytoryczne wyniki Projektu, osiągnięte do września 2011 roku, zostały przedstawione na konferencji naukowej,

która odbyła się w Łodzi w dniach 17-18 października 2011 roku. Uczestniczyły w niej 142 osoby, w tym 22 osoby re-

prezentujące przemysł, wygłoszono 61 referatów, obejmujących wszystkie pakiety tematyczne.

Od tej pierwszej konferencji Projektu minął już rok. To był rok systematycznej, efektywnej pracy, wykonywanej

zgodnie z przyjętymi i – jak się okazało – skutecznymi regułami organizacyjnymi. Zgodnie z harmonogramem Pro-

jektu zakończono prace nad 3. tematami badawczymi, kontynuowane są prace nad 44. tematami.

Wyniki badań były przedstawiane na konferencjach krajowych i zagranicznych, w tym na The 6th International

Conference on FRP Composites In Civil Engineering – CICE 2012, 13-15 June 2012, Rome.

W ramach projektu ukazały się dwie znaczące monografie:

– Wzmacnianie żelbetowych belek na ścinanie za pomocą kompozytów polimerowych; Renata Kotynia, 2011, Wy-

dawnictwo Politechniki Łódzkiej, stron 310;

– Wybrane badania i obliczenia konstrukcji budowlanych metodami probabilistycznymi; Marian Gwóźdź, Andrzej

Machowski, 2011, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, str. 217.

W minionym roku poprawiliśmy wskaźniki produktu, mimo iż ich podział między Konsorcjantów ciągle jest

przedmiotem kontrowersji. Obecnie przedstawia się to następująco (w nawiasach podano wartości docelowe):

– liczba pracowników naukowych, realizujących projekt 236 (296)

– liczba studentów, zaangażowanych w realizację projektu 56 (88)

– liczba doktorantów, zaangażowanych w realizację projektu 34 (42)

– liczba bezpośrednio utworzonych nowych etatów (EPC) 18,77 (16)

– liczba współpracujących przedsiębiorstw 15 (62)

– wartość zakupionej aparatury naukowo-badawczej 2 948 (3 011) tys. PLN

– liczba jednostek naukowych objętych wsparciem 10 (10)

Do końca września 2012 roku wydatkowaliśmy kwotę 20 225 201,76 PLN, co stanowi 61,24 % całkowitych kosztów

projektu.

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z 29 września 2011roku (Dz. U. nr 207

poz. 1237) i wyjaśnieniem NCBiR z 3 lutego 2012 roku, podjęliśmy decyzję o poddaniu się audytowi zewnętrznemu

w I kwartale 2013 roku. Sądzimy, że wnioski z audytu pozwolą na wprowadzenie zaleceń pokontrolnych do Projektu

jeszcze przed jego zakończeniem.

W niniejszej publikacji, poświęconej rezultatom Projektu osiągniętym do września 2012 roku, zachowaliśmy po-

dział na Pakiety Tematyczne i realizowane w ich ramach tematy badawcze. Streszczenia są opublikowane w wersjach

nadesłanych przez Autorów, niektóre z nich są więc bardzo skrótowe, a inne nieco szersze. Szczegóły prac i ich rezul-

taty Autorzy przedstawią w wystąpieniach konferencyjnych.

W imieniu Rady Konsorcjum i Biura Projektu wyrażamy nadzieję, że to drugie spotkanie wykonawców Projektu

posłuży wymianie doświadczeń i ewentualnemu uściśleniu zakresu badań.

Mamy też nadzieję, że współpraca wszystkich jednostek tworzących Konsorcjum będzie się toczyła równie harmo-

nijnie w kolejnym roku realizacji Projektu.

Kierownictwo Projektu

Maria Kamińska, Marek Lefik, Adam Szyda

Wstęp

4

Spis treści

Od Lidera Konsorcjum 3O projekcie 8

PT 1 | Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji

Opracowanie zasad i metod oceny bezpieczeństwa i użytkowalności szkieletów stalowych budynków 11Marian Gwóźdź

Niekonwencjonalne metody konwersji i magazynowania energii 12Dorota Chwieduk

Badanie belek żelbetowych wzmocnionych przy użyciu naprężonych laminatów CFRP 15Renata Kotynia, Krzysztof Lasek, Michał Staśkiewicz

Analiza efektywności wzmocnienia belek na ścinanie przy użyciu kompozytów polimerowych FRP 16Renata Kotynia

Analiza obliczeniowa zginanych belek żelbetowych wzmocnionych naprężonymi taśmami CFRP 19Krzysztof Lasek, Renata Kotynia

Wyniki badań doświadczalnych żelbetowych belek wzmocnionych na zginanie naprężonymi

taśmami z włóknami węglowymi 21Renata Kotynia, Krzysztof Lasek, Michał Staśkiewicz

Określenie rezerw bezpieczeństwa strefy przypodporowej słupów wewnętrznych ustrojów płytowo-

słupowych po jej zniszczeniu przez przebicie 24Włodzimierz Starosolski, Zbigniew Pająk, Barbara Wieczorek, Mirosław Wieczorek

Metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności żelbetowych konstrukcji zespolonych 27Adam Zybura, Krzysztof Gromysz, Mariusz Jaśniok

Adaptacja lub zmiana funkcji zabytkowych budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej

– procedury i algorytmy postepowania 29Wojciech Terlikowski, Andrzej Marecki

Jednoczesność obciążenia śniegiem i wiatrem 31Jerzy Antoni Żurański, Andrzej Sobolewski

Baza danych pomiarowych i jej wykorzystanie w projektowaniu budynków narażonych na drgania 33Janusz Kawecki, Krzysztof Kozioł, Krzysztof Stypuła

PT 2 | Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju

Numeryczne modelowanie efektu skali w belkach betonowych ze zbrojeniem i bez zbrojenia 35Jacek Tejchman, Ewelina Korol

Nośność i stan wytężenia płyt betonowych zbrojonych prętami z włókien bazaltowych 37Piotr Korzeniowski, Marcin Abramski, Marek Wesołowski

Czynniki wpływające na nośność belek betonowych zbrojonych prętami kompozytowymi 39Piotr Szymczak, Paweł Olbryk, Szymon Chołostiakow, Maciej Krawczyk

Zastosowanie modelu połączonego MES do symulacji lokalizacji i rys w betonie 41Jerzy Bobiński, Jacek Tejchman l

Dyskretne modelowanie betonu na poziomie kruszywa 43Jan Kozicki, Michał Nitka, Jacek Tejchman

Podejście dwuskalowe do modelowania betonu 45Michał Nitka, Łukasz Skarżyński, Jacek Tejchman

Makroskopowe modelowanie betonu w obszarze dynamicznym 47Ireneusz Marzec, Jacek Tejchman

Model kompatybilności powłok ochronnych typu pcc w świetle wymagań normy PN-EN 1504-2 49Andrzej Garbacz

Spis treści

5

Spis treści

Badania doświadczalne intermodulacji fal ultradźwiękowych drganiami niskich częstotliwości 51Krzysztof Wilde, Magdalena Rucka, Błażej Meronk

Symulacje numeryczne metody powierzchni odpowiedzi dla betonowych elementów zginanych 53Karol Winkelmann, Jarosław Górski

Spektralne elementy nieskończone jako wsparcie diagnostyki konstrukcji betonowych 55Jacek Chróścielewski, Wojciech Witkowski

PT3 | Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości

Zastosowanie sztucznych sieci nerunowych w symulacji przebiegu procesu hydratacji cementu 57Marcin Krasiński, Ismena Gawęda

Numeryczna symulacja wpływu reakcji ASR na pracę konstrukcji betonowej 59Filip Norys, Szymon Seręga, Andrzej Winnicki

Mechaniczno-chemiczny model degradacji żelbetu w warunkach agresywnych 60Adam Zybura, Tomasz Krykowski, Tomasz Jaśniok, Barbara Słomka-Słupik, Zofia Szweda, Mariusz Jaśniok

Programowanie nieliniowych modeli konstytutywnych w bibliotece GetFEM++ 63Roman Putanowicz, Anna Stankiewicz, Jerzy Pamin

Trwałość mrozowa betonów z cementami żużlowymi 64Jerzy Wawrzeńczyk, Tomasz Juszczak, Agnieszka Molendowska, Adam Kłak

Ewolucja wybranych własności materiałowych betonów do konstrukcji masywnych 66Marek Jabłoński, Arkadiusz Witek, Witold Grymin, Dariusz Gawin

Wpływ mikrosfer na Mrozoodporność wybranych zapraw cementowych 68Piotr Konca, Marcin Koniorczyk, Marcin Kwiatkowski

A consistent iterative scheme for 2D and 3D cohesive crack analysis in XFEM 69Jan Jaśkowiec, Frans van der Meer

PT 4 | Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne

Odkształcalność betonów na kruszywach wtórnych 70Alina Kliszczewicz

Diagnostyka nawierzchni drogowych i lotniskowych z wykorzystaniem zaawansowanych badań

dynamicznych 72Antoni Szydło, Bartłomiej Krawczyk, Piotr Mackiewicz

Trwałość mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych w nawierzchniach drogowych 74Antoni Szydło, Łukasz Skotnicki, Jarosław Kuźniewski

Zastosowanie asfaltu spienionego w technologii recyklingu głębokiego na zimno 75Marek Iwański, Anna Chomicz-Kowalska, Grzegorz Mazurek

Powtórne wykorzystywanie całych elementów konstrukcyjnych 77Janusz Brol, Katarzyna Adamczyk, Szymon Dawczyński

Ocena efektywności zbrojenia elementów betonowych silnymi siatkami tekstylnymi 79Bernard Kotala, Marek Węglorz

Moduł sprężystości skurcz i pełzanie betonów o dużej zawartości piasku 81Dawid Moszczyński, Artem Czkwianianc

PT 5 | Nowatorskie metody inżynierii bezpieczeństwa pożarowego

Badania wpływu prędkości nagrzewania na parametry wytrzymałościowe stali konstrukcyjnych 83Zoja Bednarek, Renata Kamocka-Bronisz, Paweł Ogrodnik, Sławomir Bronisz

Badanie wpływu emisji tlenku węgla powstającego podczas rozkładu termicznego drewna

sosnowego na jego stężenie podczas pożaru w pomieszczeniu 85Barbara Ościłowska, Bożena Kukfisz, Norbert Tuśnio

6

Spis treści

Wpływ parametrów lotnych produktów spalania różnych materiałów wyposażenia obiektów

budowlanych na czas zadziałania systemów zabezpieczeń przeciwpożarowych 86Waldemar Wnęk, Przemysław Kubica, Agata Domżał

Określenie wytycznych projektowania systemów sygnalizacji pożarowej w zakresie detekcji pożaru

w obecności systemów wentylacji bytowej obiektów budowlanych 88Waldemar Wnęk, Przemysław Kubica, Agata Domżał

Szacowanie zasięgu widzialności w dymie powstałym w czasie spalania wybranych materiałów

wyposażenia i wykończenia wnętrz 90Marzena Półka, Marek Konecki, Norbert Tuśnio

Standardowe procedury interwencyjnej wentylacji doraźnej w obiektach ZL dla sił ratowniczych

poziomu interwencyjnego 91Ireneusz Naworol, Stanisław Lipiński, Andrzej Marciniak, Aleksander Adamski

Wnioski szczegółowe dla sporządzania wytycznych wynikające z przeglądu i analizy instrukcji

bezpieczeństwa pożarowego. Cz. 2 92Grzegorz Ogrodnik, Marek Woliński

Komputerowe wspomaganie projektowania z uwagi na warunki pożarowe WG EN 1991-1-2, EN

1992-1-2, EN 1995-1-2 93Grzegorz Woźniak, Piotr Turkowski

Zasady stosowania inżynierii bezpieczeństwa pożarowego do projektowania systemów wentylacji

pożarowej tuneli drogowych 94Grzegorz Sztarbała, Grzegorz Krajewski

Badanie wpływu temperatur pożarowych na przyczepność stali do betonu 96Zoja Bednarek, Paweł Ogrodnik, Renata Kamocka-Bronisz, Sławomir Bronisz

PT 6 | Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej z uwzględnieniem strategii zrównoważonego rozwojuKompleksowa diagnostyka i ocena stanu przewodów kanalizacyjnych dla planowania zadań

eksploatacyjnych i rehabilitacji technicznej sieci 98Cezary Madryas, Tomasz Abel, Beata Nienartowicz, Bogdan Przybyła

Analiza poprzecznych żeber pośrednich dźwigarów blachownicowych z uwzględnieniem uszkodzeń 100Mieszko Kużawa, Jan Bień, Paweł Rawa

Zastosowanie metody emisji akustycznej IADP identyfikacja uszkodzeń w elementach żelbetowych 103Wiesław Trąmpczyński, Barbara Goszczyńska, Grzegorz Świt

Nowa implementacja sztucznej sieci neuronowej typu IAC wraz z przykładami zastosowań 106Marek Wojciechowski, Marcin Krasiński, Ismena Gawęda

Baza wiedzy, monitoring i system wspomagania decyzji związanych z propagacją zanieczyszczeń 107Marek Lefik, Paulina Rudnicka-Kępa, Izabela Wiśniewska

Środki poprawy bezpieczeństwa infrastruktury drogowej w zastosowa-niach praktycznych 109Stanisław Gaca, Mariusz Kieć, Marcin Budzyński

PT 7 | Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie

Parametryzacja obiektowa w procesie optymalizacji projektowania budynków energoszczędnych 111Arkadiusz Węglarz, Beata Pawłowska, Krzysztof Żmijewski

Metoda oceny budynków użyteczności publicznej z pasywnymi systemami wykorzystania energii

słonecznej pod kątem oszczędności energii oraz komfortu cieplnego i wizualnego ludzi – etap 2 113Henryk Nowak, Łukasz Nowak, Elżbieta Śliwińska, Maja Staniec

Wybrane zagadnienia konstrukcji hal energoaktywnych 115Karolina Brzezińska, Zbigniew Kowal, Karolina Otwinowska, Rafał Piotrowski, Monika Siedlecka, Andrzej Szychowski

7

Zaburzenia wymiany powietrza w budynkach wyposażonych w zbiorcze kanały wentylacyjne 117Marek Telejko, Jerzy Zbigniew Piotrowski

Indywidualny system nawiewny sposobem na poprawę jakości powietrza w pomieszczeniach

mieszkalnych 119Ewa Zender-Świercz, Jerzy Zbigniew Piotrowski

Podstawy klasyfikacji akustycznej budynków mieszkalnych 121Barbara Szudrowicz, Elżbieta Nowicka

PT 8 | Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju

Analiza zawartości substancji ropopochodnych w ściekach pochodzących z przelewu burzowego j-1 123Ewa Badowska

Zastosowanie obiektów infiltracji i bioretencji w zlewni zurbanizowanej 124Grażyna Sakson

Ekohydrologiczne metody produkcji bioenergii i detoksykacji osadów pościekowych 125Magdalena Urbaniak, Agata Drobniewska, Iwona Wagner, Maciej Zalewski

Badania emisji zanieczyszczeń z miejskich systemów kanalizacyjnych do środowiska jako podstawa

ich modernizacji 126Marek Zawilski

Laboratoryjne badanie przepuszczalności piasków hydrofobizowanych emulsjami alkoksysilanowymi 128Patrycja Baryła, Marek Wojciechowski, Marek Lefik

Technologie oczyszczania szarej wody 130Andrzej Jodłowski

Zastosowanie ultrafiltracji w oczyszczaniu szarej wody z prania domowego 133Andrzej Jodłowski, Maciej Dobrzański

Wpływ siły odśrodkowej na efektywność separacji zawiesiny 135Jerzy Sawicki

Ocena ładunków zanieczyszczeń wnoszonych do środowiska przez przelewy burzowe kanalizacji

ogólnospławnej 137Agnieszka Brzezińska, Dawid Bandzierz

Spis treści

8

O projekcie

Projekt ,,Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych

i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju” realizowany jest w ramach strategicznych pro-

gramów badań naukowych i prac rozwojowych Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka na lata 2007-2013

(Poddziałanie 1.1.2. POIG).

Projekt współfinansowany jest przez Unie Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego zgodnie

z umową o dofinansowanie nr POIG z późniejszymi aneksami. Realizacja projektu rozpoczęła się 01.01.2010 r. a za-

kończenie przewidywane jest na 31.03.2014 r. Całkowita wartość projektu wynosi 33.749.765,84 zł, a wartość dofinan-

sowania z Unii Europejskiej to 33.025.437,57 zł.

Cele

Celem ogólnym Projektu jest wsparcie działalności naukowej na potrzeby przedsiębiorców, przez podaż najnowo-

cześniejszych rozwiązań technologicznych dla gospodarki. Strategiczny cel projektu zostanie osiągnięty poprzez prze-

prowadzenie prac badawczo – rozwojowych oraz koncepcyjnych w obszarach i zagadnieniach szczególnie istotnych

dla rozwoju gospodarki kraju. Prace badawcze są prowadzone ze szczególnym uwzględnieniem kwestii oszczędności

energii, wykorzystania alternatywnych materiałów, rozwoju metod obliczeniowych i rehabilitacji obszarów zdegrado-

wanych.

Realizacja projektu powinna sprzyjać w szczególności:

• innowacyjności i konkurencyjności przedsiębiorstw poprzez możliwość adaptacji wyników i rezultatów badań do

zastosowań praktycznych,

• wzrostowi konkurencyjności polskiej nauki,

• zwiększeniu znaczenia roli nauki w rozwoju gospodarczym,

• zwiększeniu udziału innowacyjnych produktów polskiej gospodarki w rynku międzynarodowym,

• tworzeniu trwałych i lepszych miejsc pracy,

• wzrostowi wykorzystania technologii informacyjnych i komunikacyjnych w gospodarce.

Projekt jest w pełni spójny z celami ogólnymi POIG, jest również kompatybilny z celami szczegółowymi POIG,

zakładającymi min.:

• zwiększenie innowacyjności przedsiębiorstw,

• wzrost konkurencyjności polskiej nauki,

• zwiększenie roli nauki w rozwoju gospodarczym,

• zwiększenie udziału innowacyjnych produktów polskiej gospodarki w rynku międzynarodowym.

Celem szczegółowym projektu jest realizacja badań naukowych w dziedzinach takich jak: budownictwo, ochrona

środowiska, inżynieria środowiska, transport, bezpieczeństwo obywateli. Są to kluczowe dziedziny i dyscypliny na-

ukowe, które zgodnie z Krajowym Programem Badań Naukowych i Prac Rozwojowych (KPBNiPR) mają najwięk-

szy wpływ na szybki rozwój cywilizacyjno-gospodarczy kraju i budowę gospodarki opartej na wiedzy. Oznacza to,

ze projekt jest zgodny z celami I Osi priorytetowej POIG, która zakłada wsparcie prowadzenia badań naukowych

i prac rozwojowych służących budowie gospodarki opartej na wiedzy, realizowanych przez konsorcja naukowo

– przemysłowe.

Projekt jest formą upowszechniania dobrych praktyk, w zakresie współpracy nauki z gospodarką. Projekt speł-

nia kryterium wsparcia dla dużego multi- i trandyscyplinarnego projektu badawczego. Do udziału w projekcie

zostaną włączeni studenci i doktoranci, a prowadzone badania naukowe staną się podstawa prac magisterskich (in-

żynierskich) i doktorskich.

O projekcie

9

Zakres projektu

Planowane w ramach projektu działania zakładają min.:

• zapewnienie odpowiedniej bazy badawczej, w tym aparatury naukowo-badawczej, a z drugiej ukierunkowanie

już istniejących zasobów na prowadzenie badań w dziedzinach priorytetowych dla rozwoju kraju,

• umożliwienie rozwiązywania problemów badawczych na poziomie uznawanym za wysoki przez międzynaro-

dowe środowiska naukowe oraz zdolność do tworzenia rozwiązań, które nadają się do zastosowania w praktyce

społeczno-gospodarczej (przedsiębiorstwach, edukacji i administracji publicznej),

• zwiększenia innowacyjności gospodarki, poprzez zwiększenie liczby skomercjalizowanych wyników prac B+R

oraz ich wdrożeń przez przedsiębiorców,

• zwiększenie potencjału wiedzy kapitału ludzkiego jako siły napędowej wzrostu gospodarczego i służącemu zrów-

noważonemu rozwojowi społeczeństwa.

Projekt jest zgodny z celami Działania 1.1. POIG ,,Wsparcie badań naukowych dla budowy gospodarki opartej na

wiedzy” bowiem rozwiązywanie zagadnień merytorycznych objętych projektem ma duże znaczenie dla szybkiego roz-

woju cywilizacyjno-gospodarczego kraju, w szczególności zdynamizowanie zrównoważonego rozwoju gospodarcze-

go, rozwoju budownictwa mieszkalnego, użyteczności publicznej i infrastruktury sieciowej i drogowej dla poprawy

jakości życia polskiego społeczeństwa.

Pakiety tematyczne

Prace badawczo-rozwojowe są prowadzone w ramach 8 wyodrębnionych Pakietów Tematycznych (PT):

• PT 1 Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji

• PT 2 Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrówno-

ważonego rozwoju

• PT 3 Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych

i trwałości

• PT 4 Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne

• PT 5 Nowatorskie metody inżynierii bezpieczeństwa pożarowego

• PT 6 Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądo-

wej, kształtowanie infrastruktury transportowej z uwzględnieniem strategii zrównoważonego rozwoju

• PT 7 Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie

• PT 8 Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju

Projekt spełnia kryterium wsparcia dla dużych multi- i transdyscyplinarnych projektów badawczych.

Równocześnie do udziału w projekcie są włączeni studenci i doktoranci, a prowadzone badania naukowe stanowią

podstawy prac magisterskich (inżynierskich) i doktorskich.

Rezultaty

Oczekiwane rezultaty Projektu to:

• wdrożenia przemysłowe powstałe w wyniku realizacji strategicznych programów badawczych,

• komercjalizacja wybranych wyników badań B+R, wykonanych w jednostce naukowej,

• utworzenie nowych miejsc pracy (EPC),

• utworzenie nowych etatów badawczych,

• zgłoszenia patentowe jako efekt realizacji przedsięwzięcia,

• publikacje naukowe,

• stopnie naukowe uzyskane przez osoby realizujące projekt,

• wyniki prac badawczych, które zostaną odpłatnie udostępnione (sprzedane) zainteresowanym podmiotom na

zasadach rynkowych,

• wyniki prac badawczych, które nieodpłatnie zostaną udostępnione wszystkim zainteresowanym podmiotom

(osobom)

O projekcie

10

Konsorcjum

Projekt jest realizowany przez konsorcjum 10 jednostek naukowo-badawczych. Liderem Projektu jest:

• Politechnika Łódzka

ul. Żeromskiego 116

90-924 Łódź,

a jednostką bezpośrednio odpowiedzialną za zarządzanie projektem:

• Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska PŁ

Al. Politechniki 6

90-924 Łódź.

Pozostałe jednostki realizujące projekt to:

• Politechnika Śląska z siedzibą w Gliwicach, ul. Akademicka 2, 44-100 Gliwice

• Politechnika Gdańska z siedzibą w Gdańsku, ul. Narutowicza 11/ 12, 80-952 Gdańsk–Wrzeszcz

• Politechnika Świętokrzyska z siedzibą W Kielcach, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce

• Politechnika Krakowska z siedzibą w Krakowie, ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków

• Politechnika Wrocławska z siedzibą we Wrocławiu, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

• Politechnika Warszawska z siedzibą w Warszawie, Pl. Politechniki 1, 00-661 Warszawa

• Szkoła Główna Służby Pożarniczej z siedzibą, w Warszawie, ul. Słowackiego 52/54, 01-629 Warszawa

• Uniwersytet Łódzki z siedzibą w Łodzi, ul. Narutowicza 65, 90-131 Łódź

• Instytut Techniki Budowlanej z siedzibą w Warszawie, ul. Filtrowa 1, 00-611 Warszawa

O projekcie

11

Opracowanie zasad i metod oceny bezpieczeństwa

i użytkowalności szkieletów stalowych budynków

Marian Gwóźdź – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected]

W związku z nowelizacją eurokodów, w krajach UE w latach 2012-2015 realizuje się szereg projektów badawczych

przez zespoły, które opracowywały poszczególne części eurokodów. Realizowaną nowelizację norm europejskich

należy wykorzystać do uaktywnienia krajowych ośrodków naukowo-badawczych co najmniej w zakresie weryfi-

kacji załączników krajowych do poszczególnych części eurokodów, ponieważ w pierwszej edycji eurokodów PN-EN

1990÷PN-EN 1999 załączniki krajowe nie zostały zredagowane w sposób w pełni zadawalający, a minimalny obszar

krajowej aktywności normalizacyjnej obejmuje:

• weryfikację podstawowych założeń modelowych w zakresie nośności granicznej konstrukcji prętowych i po-

wierzchniowych w aspekcie jakości wykonania budownictwa krajowego,

• weryfikację współczynników nośności i obciążenia (zwłaszcza dla działań klimatycznych) oraz różnicowanie

miar niezawodności konstrukcji.

Jako przykład potrzebnej weryfikacji założeń modelowych można wskazać na imperfekcje globalne szkieletów bu-

dynków stalowych i żelbetowych, a także na imperferkcje lokalne prętów. Celem takich badań nie jest nowelizacja

odpowiednich zapisów w eurokodach, lecz ewentualne zaostrzenia wymagań odbiorowych (jeżeli przeprowadzone

badania weryfikacyjne prowadziłyby do takich wniosków).

W referacie przedstawiono dokumentację wyników własnych badań statystycznych w zakresie: cech mechanicz-

nych i geometrycznych krajowych wyrobów hutniczych produkowanych współcześnie. Badaniami statystycznymi ob-

jęto zarówno znane i popularne w Polsce gatunki stali konstrukcyjnej stosowanej na wyroby hutnicze budowlane S235

i S355, jak i nowe gatunki stali: S275, S250GD, S280GD i S320GD.

Budownictwo stalowe w Polsce latach 1995-2010 zostało zdominowane przez wielkogabarytowe hipermarkety oraz

hurtownie i magazyny wielko-powierzchniowe. Cechą wspólną tej klasy obiektów są założenia funkcjonalne, które

nie przewidują wykorzystania transportu suwnicowego oraz zastosowanie lekkiej obudowy, narażonej głównie na

działania klimatyczne: wiatru, śniegu i temperatury. Wspomniana grupa budynków była projektowana wg normy

krajowej PN-90/B-03200, która nie uwzględniała m.in. reguł wymiarowania konstrukcji stalowych cienkościennych,

podanych dopiero w eurokodach: PN-EN 1993-1-3:2008, i PN-EN 1993-1-5. Zatem po wprowadzeniu do praktyki pro-

jektowej eurokodów należy postawić pytanie: czy szkielety stalowych hal zaprojektowane w latach 1995-2010 wg norm

polskich pozostają bezpieczne w świetle nowych norm.

Obok analiz statystycznych, w referacie przedstawiono wyniki obszernej analizy porównawczej w zakresie

nośności przekrojów i prętów stalowych, projektowanych w oparciu o normy krajowe z lat 1950.÷1990. oraz eu-

rokod PN-EN 1993. Udokumentowano także wyniki pomiarów geodezyjnych imperfekcji globalnych szkieletów

stalowych hal, wybudowanych w Polsce w ciągu ostatnich 30 lat przez pojedynczą dużą krajową firmę montażo-

wą. Przygotowany referat to wyciąg z raportu z drugiej części realizacji pakietu tematycznego T.1.1. pt.: Opra-

cowanie zasad i metod oceny bezpieczeństwa i użytkowalności szkieletów stalowych budynków. Raport z badań

dokumentuje wyniki badań własnych autorów, przeprowadzonych w latach 2010÷2012 i został zredagowany jako

książka naukowa (skierowana do recenzji) adresowana do inżynierów czynnie uczestniczących w realizacjach

inwestycji budowlanych, a wykształconych w zakresie niezawodności konstrukcji stalowych na krajowej formacji

obliczeń konstrukcji – różniącej się od koncepcji europejskiej zredagowanej w eurokodach EC 1990. i EC 1993.

Praca jest przeznaczona także dla doktorantów Wydziałów Inżynierii Lądowej szkół wyższych, ponieważ zawiera

„bank danych” statystycznych umożliwiających prowadzenie pogłębionych analiz niezawodności szkieletów stalo-

wych budynków, a także innych stalowych konstrukcji prętowych.


12

Niekonwencjonalne metody konwersji

i magazynowania energii

Dorota Chwieduk – Politechnika Warszawska, Warszawa, [email protected]

Zakres tematu badawczego:

• analiza dostępności promieniowania słonecznego półsferycznego, identyfikacja zorientowania i pochylenia

płaszczyzn elementów strukturalnych budynków pod kątem ich stosowania w budownictwie;

• opracowanie zaleceń odnośnie kształtowania pochyleń i orientacji płaszczyzn elementów rozwiązań architek-

tury tradycyjnej i niekonwencjonalnej zgodnie z zasadami budownictwa energooszczędnego i przyjaznego śro-

dowisku w warunkach polskich;

• analiza zagadnienia dynamiki procesów zachodzących w obudowie budynku w wyniku zmieniających się

w czasie warunków otoczenia, ze szczególnym uwzględnieniem napromieniowywania ich promieniowaniem

słonecznym;

• analiza pozyskiwanie i akumulacja energii promieniowania słonecznego w strukturalnych magazynach z mate-

riałem ulegającym przemianie fazowej – PCM;

• badania eksperymentalne materiałów PCM i ich wpływu na bilans energetyczny i komfort cieplny;

• identyfikacja możliwych do stosowania w warunkach krajowych rozwiązań instalacyjnych systemów pro-

dukcji energii elektrycznej, ciepła i chłodu skojarzonych z budynkiem i wykorzystujących odnawialne

źródła energii;

• symulacja funkcjonowania energetycznych instalacji ogrzewania/chłodzenia pomieszczeń, podgrzewania wody

i akumulacji ciepła;

• wykorzystanie materiałów fazowo-zmiennych w magazynach ciepła instalacji ogrzewania i chłodzenia wyko-

rzystujących odnawialne źródła energii;

• modelowanie oddziaływania środowiska na funkcjonowanie aktywnych systemów słonecznych i instalacji

grzewczych z pompą ciepła (gruntową) oraz zużycie energii eksploatacyjnej;

• badania eksperymentalne wybranych instalacji energetycznych wykorzystujących odnawialne źródła energii;

• opracowanie metodyki określania efektywności energetycznej rozwiązań instalacyjnych energetyki odnawial-

nej dla różnych typów budynków;

• klasyfikacja niskoenergetycznych budynków w zależności od stopnia ich samowystarczalności energetycznej

pod kątem zastosowanych rozwiązań instalacyjnych, jak również z uwzględnieniem wzajemnego oddziaływa-

nia układu: budynek – otaczające środowisko.

Cele realizacji tematu badawczego

Jednym z celów realizacji tego tematu jest przedstawienie wpływu energii promieniowania słonecznego na bilans

cieplny budynku i na tej podstawie sformułowanie wniosków odnośnie pro-słonecznego kształtowania obudowy bu-

dynku i jego otoczenia. Celem naukowym jest sformułowanie opisu matematycznego i przeanalizowanie zagadnienia

zmiennego w czasie pozyskiwania i naturalnej konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego w budynku.

Aby cel ten był osiągnięty należy opracować i rozwiązać zagadnienia zmiennej w czasie dostępności energii promie-

niowania słonecznego do różnie usytuowanych elementów obudowy budynku i dynamiki procesów zachodzących

w obudowie budynku w wyniku zmieniających się w czasie warunków otoczenia.

Celem prac badawczych jest kompleksowe podejście do zagadnień oddziaływania promieniowania słonecz-

nego na budynek w skali całego roku, ze szczegółowym rozważeniem problematyki nieustalonych procesów

transportu energii w budynku i jego otoczeniu. Zwykle rozważania są uproszczone lub dotyczą tylko wy-

branych elementów obudowy budynku. W związku z tym nie ma zaleceń odnośnie kształtowania obudowy

budynku pod kątem oddziaływania energii promieniowania słonecznego w skali roku. Nie prowadzone są

bowiem szczegółowe analizy napromieniowania i pozyskiwania energii promieniowania słonecznego przez

obudowę budynku wykorzystujące rzeczywiste uśrednione wieloletnie dane promieniowania słonecznego, co


13

wynika nie tylko z braku dostępu do takich danych, ale i z niedoceniania roli energii promieniowania słonecz-

nego, jaką ona pełni w kształtowaniu bilansu energetycznego budynku.

Oddziaływanie energii promieniowania słonecznego jest ciągle niedoceniane, zwłaszcza w krajach położo-

nych na wyższych szerokościach geograficznych, do których należy Polska. Co więcej rola energii promienio-

wania słonecznego w kształtowaniu bilansu energetycznego budynków nie jest powszechnie znana. Jeśli nawet

energia promieniowania słonecznego jest uwzględniana przy tworzeniu koncepcji architektonicznej budynku

i jego projektowaniu, to odbywa się to w sposób bardzo uproszczony, który nie odzwierciedla istoty i charakteru

oddziaływania energii promieniowania słonecznego.

Problemy dużej energochłonności budownictwa, odpowiedzialnego za 40% zużycia energii finalnej w krajach Unii

Europejskiej, doprowadziły do powstania Dyrektywy 2002/91/EC w sprawie charakterystyki energetycznej budyn-

ków. Realizacja powyższego tematu przyczyni się do wsparcia wdrażania idei niniejszej Dyrektywy w odniesieniu do

poprawy efektywności energetycznej w budownictwie, a w konsekwencji ograniczenie zanieczyszczenia środowiska,

formułując zalecenia odnośnie kształtowania bryły budynku, jego otoczenia i wnętrza.

Kolejnym celem realizacji tego tematu jest przeprowadzenie analizy możliwości stosowania w warunkach krajo-

wych różnych rozwiązań systemów do produkcji ciepła/ chłodu i energii elektrycznej instalowanych bezpośrednio

u odbiorcy, tzn. w budynkach i opracowanie metodyki określania efektywności energetycznej rozwiązań instalacyj-

nych energetyki odnawialnej dla różnych typów budynków. Celem prac badawczych jest kompleksowe podejście do

rozwiązań instalacyjnych pozwalających rozpatrywać budynek wraz z jego instalacjami energetycznymi jako jeden

ustrój, który powinien być samowystarczalny energetycznie. Celem prac eksperymentalnych jest przeprowadzenie

analizy funkcjonowania wybranych innowacyjnych rozwiązań instalacjach w warunkach polowych (lub laboratoryj-

nych) i weryfikacja badań symulacyjnych.

Realizacja tematu masz też charakter edukacyjno- promocyjny poprzez stworzenie opracowań i narzędzi, które

będą mogły być realizowane przy wdrażaniu certyfikacji energetycznej budynków.

Celem jest również przeprowadzenie analizy możliwości wykorzystanie materiałów zmienno-fazowych (w tym hy-

brydowych) we współpracy z odnawialnym źródłami energii jako elementów magazynujących w strukturze budynku

lub w jego instalacjach ogrzewania i chłodzenia oraz zbadanie ich wpływu na bilans cieplny budynku, zwiększenia

energooszczędności i polepszenia komfortu cieplnego pomieszczeń.

Planowane rezultaty (wyniki) realizacji tematu badawczego

Rezultaty realizacji niniejszego tematu będą miały zarówno charakter badawczo – naukowy w postaci nowych

opracowań, analiz i symulacji zjawisk zachodzących w budynku i jego otoczeniu, jak i narzędzi użytkowych w postaci

graficznej i numerycznej (programy użytkowe). Przewidziane są prace naukowe dotyczące innowacyjnych materiałów

ulegających przemianie fazowej w temperaturze pomieszczeń i weryfikacja eksperymentalna otrzymanych wyników.

Wyznaczenie właściwości cieplnych elementów budynku zawierających materiały zmienno-fazowe oraz optymaliza-

cja struktury tych elementów. Realizacja tematu przyczyni się do promocji i edukacji szerszego grona społeczności

(poprzez seminaria, warsztaty, i inne formy rozpowszechniania wyników) w zakresie tworzenia koncepcji i projekto-

wania budynków współistniejących z otoczeniem naturalnym.

Prowadzone prace nad nowymi metodami konwersji energii ze źródeł odnawialnych i jej magazynowania zostaną

opublikowane i będą prezentowane z różnym stopniem złożoności, zarówno jako prace naukowo, jak i rozwojowe.

Powstaną narzędzia użytkowe do symulacji funkcjonowania wybranych rozwiązań instalacyjnych. Przewidują się

opracowanie nowych technologii związanych z materiałami zmienno – fazowymi i zastosowanie ich w urządzeniach

pilotowych. Zostaną opracowane zalecenia (wytyczne) co do tworzenia koncepcji i projektowania instalacji wykorzy-

stujących odnawialne źródła energii w budynkach niskoenergetycznych, oraz wskazania odnośnie realizacji budyn-

ków samowystarczalnych energetycznie ze względu na rozwiązania instalacyjne.

Techniczne i organizacyjne aspekty osiągnięcia założonych rezultatów (wyników) realizacji tematu badawczego

• wytyczne co do projektowania budynków oraz ich elementów ( struktura, instalacje)

• wytyczne co do projektowania usytuowania, orientacji przestrzennej i kształtowania otoczenia budynków w ce-

lu polepszenia ich energooszczędności

• wytyczne co do możliwej modernizacji istniejących budynków w celu zwiększenia ich energooszczędności

• wytyczne co do opracowania procedur kontroli właściwości wytwarzanych elementów budynków zawierają-

cych materiały zmienno-fazowe i optymalizacji tych właściwości


14

Zapotrzebowanie rynku (gospodarki) na rezultaty (wyniki) realizacji zadania badawczego. W szczególności proszę określić jakie, są realne możliwości zastosowania wyników badań w gospodarce.

W związku ze wzrostem inwestycji budowlanych i energetycznych wykorzystujących odnawialne źródła energii

rośnie zapotrzebowanie na wiedzę z tego zakresu. Poszukiwane są uproszczone metody i narzędzia projektowania

innowacyjnych rozwiązań materiałowo – strukturalnych i instalacyjnych, oraz zalecenia co do ich efektywnego stoso-

wania. Rynek budowlany poszukuje wytycznych odnośnie kształtowania obudowy budynku i jego wnętrza pod kątem

zmniejszenia zapotrzebowania na energię. Istnieje ogromny popyt na nowe materiały budowlane, które będą pełnić

nie tylko typowe funkcje konstrukcyjne, ale i energetyczne, jak np. materiały PCM, które mogą być aktywnymi (choć

pasywnymi z natury) elementami systemów grzewczo/klimatyzacyjnych.

Powiązania celów, wyników i rezultatów realizacji tematu badawczego z pozostałymi tematami badawczymi.

Wyniki badań w powyższym temacie badawczym są komplementarne z wynikami innych tematów, jako że obecnie

rozwiązania w budownictwie mają typowy charakter interdyscyplinarny.


15

Badanie belek żelbetowych

wzmocnionych przy użyciu naprężonych

laminatów CFRP

Renata Kotynia – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Krzysztof Lasek – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Michał Staśkiewicz – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Celem badań przeprowadzonych w Laboratorium Badawczym Katedry Budownictwa Betonowego była analiza

efektywności wzmocnienia belek żelbetowych przy użyciu naprężonych laminatów z włókien węglowych. Analizowa-

no wpływ zastosowania zaprawy klejowej do zespolenia taśmy z powierzchnią betonu oraz wpływ wstępnego wytęże-

nia belek przed wzmocnieniem na efekt wzmocnienia zarówno w stanie granicznym użytkowalności, jak i nośności.

W tym celu część belek wzmacniano pod ciężarem własnym, który stanowił około 25% nośności belki nie wzmocnio-

nej, a pozostałe elementy wzmacniano pod utrzymywanym w sposób stały obciążeniem, odpowiadającym około 75%

wytężeniu. Pozostałe parametry zmienne to: stopień naprężenia taśmy CFRP, obecność zaprawy klejowej lub jej brak

oraz sposób kotwienia końców taśmy na spodniej powierzchni belek. Badania obejmują 3 jednoprzęsłowe, podparte

przegubowo belki żelbetowe o przekroju 500x220 mm i rozpiętości 6000mm w osiach podpór. Belki wzmocnione były

pojedynczą taśmą CFRP naprężoną i zakotwioną przy pomocy systemu S&P, składającego się z siłownika hydraulicz-

nego oraz stalowych blach kotwiących. Jedną belkę wzmocniono taśmą bez kotwienia jej końców za pomocą mecha-

nicznych kotew stalowych, na końcowych odcinkach taśmy wykonano jednostopniową gradację siły naprężającej do

zera, co oznacza, że te fragmenty taśmy przyklejono w sposób bierny.

Badania wykazały wysoką efektywność wzmocnienia żelbetowych belek wzmocnionych czynnie wahającą się od

1,9 do 2,2 nośności elementu nie wzmocnionego, podczas gdy przy wzmocnieniu biernym stopień wzmocnienia wy-

nosi od 1,4 do 1,6 nośności belki żelbetowej (przy odkształceniach kompozytu w chwili odspojenia od 5‰ do 7‰).

Na ogół powodem zniszczenia wzmocnionych belek była utrata przyczepności miedzy kompozytem i betonem po-

stępująca od środkowej części elementu w kierunku podpór.

Wzmacnianie zginanych elementów żelbetowych przy użyciu naprężonych taśm kompozytowych typu CFRP jest

bardzo skuteczne zarówno w stanie granicznym nośności, jak i użytkowalności, zwłaszcza gdy elementy wzmacniane

są silnie obciążone przed wzmocnieniem. Możliwe jest znaczące ograniczenie odkształceń i ugięć wzmacnianego ele-

mentu oraz znaczne zwiększenie jego sztywności.


16

Analiza efektywności wzmocnienia

belek na ścinanie przy użyciu kompozytów

polimerowych FRP

Renata Kotynia – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: belki, kompozyty polimerowe, ścinanie, wzmocnienie, zniszczenie

Cel i zakres pracy

W referacie przedstawiono zagadnienie nośności na ścinanie stref przypodporowych w belkach żelbetowych, które ze

względu na niedobór nośności istniejącego zbrojenia poprzecznego wymagają wzmocnienia.

Na podstawie analizy obcych i własnych badań doświadczalnych, określono efektywność wzmocnienia w zależno-

ści od wybranych parametrów badawczych: stopnia poprzecznego zbrojenia stalowego i kompozytowego, cech wy-

trzymałościowych zbrojenia, wytrzymałości betonu, smukłości strefy ścinania i sposobu aplikacji kompozytu.

Podstawowym celem pracy było utworzenie kompleksowej bazy danych, obejmującej wyniki doświadczalnych ba-

dań elementów wzmocnionych na ścinanie za pomocą kompozytów polimerowych, zastosowanych w dwóch podstawo-

wych systemach wzmocnień. Pierwszy z nich obejmuje wzmocnienia zewnętrzne, przyklejane na powierzchni betonu,

(określenie angielskie: Externally Bonded Reinforcement – EBR). Drugi system (Near Surface Mounted Reinforcement

– NSMR) polega na wklejaniu zbrojenia kompozytowego w betonową otulinę belek w specjalnie nacięte szczeliny.

W pracy omówiono tematykę wzmacniania konstrukcji żelbetowych na podstawie aktualnego stanu wiedzy w dzie-

dzinie badań doświadczalnych i praktycznych zastosowań technologii kompozytów przyklejanych na powierzchni

betonu (metoda EBR) i wklejanych w betonową otulinę (metoda NSMR).

Analizowany problem wzmacniania na ścinanie przy użyciu kompozytów okazał się znacznie trudniejszy niż

w wypadku tradycyjnego żelbetu, ze względu na:

• idealnie sprężystą charakterystykę wytrzymałościową materiałów kompozytowych,

• anizotropową budowę kompozytów, co staje się istotne przy ich obciążaniu pod kątem do głównego kierunku

włókien,

• wrażliwość włókien na zagięcia, zwłaszcza w miejscach krawędzi przekrojów,

• niebezpieczeństwo przerwania włókien przy stosowaniu mechanicznych łączników,

• wrażliwość przyczepności kompozytu do betonu na wiele czynników (wytrzymałość betonu, stan jego po-

wierzchni, sztywność kompozytu, jakość wykonania prac wzmocnieniowych).

Do najbardziej powszechnych sposobów wzmacniania stref przypodporowych na ścinanie metodą EBR należą:

sposób „S” jedynie na bocznych powierzchniach belki, bez kotwienia końców, (rys. 1a), „U” – jednocześnie na bocz-

nych i spodniej powierzchni (rys. 1b) oraz „W” – zamknięte strzemiona obejmujące cały przekrój (rys. 1c).

(a)


17

(b)

(c)

Rys. 1. Sposoby wzmocnienia belek na ścinanie materiałami FRP (a) „S”, (b) „U”, (c) „W” [1]

W celu zwiększenia stopnia wykorzystania zbrojenia kompozytowego, a tym samym zwiększenia efektywności

wzmocnienia na ścinanie, zaproponowano technologię NSMR wklejania materiałów kompozytowych w betonową

otulinę elementu żelbetowego. Główną zaletą metody jest zwiększenie powierzchni styku wklejanego kompozytu

z betonem, co znacząco opóźnia jego odspojenie. Podstawowym warunkiem zastosowania tej metody jest odpowied-

nia grubość betonowej otuliny, w którą wklejane jest zbrojenie kompozytowe. Do wzmocnień używane są kompozyty

w postaci taśm lub prętów o przekroju okrągłym lub kwadratowym. Zbrojenie to może być wklejane pionowo lub

pod kątem do podłużnej osi belki. W celu zwiększenia efektywności wzmocnienia proponuje się wklejanie jednego

z końców tego zbrojenia w płytę przekroju teowego.

Analiza efektów wzmocnienia metodą EBR i NSMR

Analizę typów zniszczenia belek wzmocnionych na ścinanie materiałami kompozytowymi FRP omówiono szcze-

gółowo w pracy [1].

O zniszczeniu elementów wzmocnionych na zewnętrznej powierzchni (EBR) sposobem „S” i „U” decyduje od-

spojenie zbrojenia kompozytowego od betonu, podczas gdy w elementach wzmocnionych obwodowymi pętlami

(typ „W”) zniszczenie rozpoczyna się odspojeniem kompozytu od bocznych powierzchni belki, co po przekro-

czeniu jego wytrzymałości na rozciąganie doprowadza do zerwania tego zbrojenia.

Natomiast badania elementów wzmocnionych wklejanymi prętami z włókien węglowych (NSMR), wykaza-

ły występowanie trzech podstawowych mechanizmów zniszczenia na ścinanie. W pierwszym belki niszczyły

się na ogół na skutek odspojenia prętów CFRP, poprzedzonego utratą przyczepności prętów do zaprawy klejo-

wej i ukośnym zarysowaniem otaczającego je betonu. Tego sposobu zniszczenia można uniknąć zmniejszając

rozstaw prętów kompozytowych, wklejając je pod tym samym kątem do podłużnej osi elementu lub kotwiąc

ich końce w półce przekroju teowego. Drugi mechanizm zniszczenia wystąpił w przypodporowej strefie belek

o niskim stopniu porzecznego zbrojenia stalowego i kompozytowego. Na skutek dużego rozstawu poprzecz-

nego zbrojenia, ukośna rysa niszcząca w bezpośrednim sąsiedztwie podpory zmieniała swoje pochylenie na

prawie poziome wzdłuż rozciąganego zbrojenia podłużnego, co ostatecznie skutkowało odspojeniem beto-

nowej otuliny wzdłuż tego zbrojenia. Trzeci sposób zniszczenia, typowy dla belek wzmocnionych wklejony-

mi taśmami w bardzo małym rozstawie, charakteryzowało obustronne odspojenie grupy wklejonych prętów,

wraz z otaczającą betonową otuliną, od rdzenia belki ograniczonego stalowymi strzemionami. Taki sposób

zniszczenia wskazuje na negatywny wpływ zmniejszenia rozstawu wklejonego zbrojenia kompozytowego po-


18

niżej granicznego (minimalnego) rozstawu, co prowadzi właśnie do nieoczekiwanego odspojenia obu bocz-

nych warstw betonowej otuliny wraz z grupą wklejonych prętów.

Podsumowanie

Na podstawie analizy porównawczej obu technik wzmocnień EBR i NSMR można wysnuć następujące wnioski:

• technologia wzmacniania na ścinanie przy użyciu materiałów kompozytowych wklejanych w głąb betonowej

otuliny jest bardziej efektywna, niż wzmacnianie przy użyciu taśm lub mat przyklejanych na powierzchni ele-

mentów żelbetowych,

• stopień wzmocnienia zależy w obu wypadkach przede wszystkim od rozstawu kompozytowych strzemion, ich

położenia na długości odcinka ścinania i kąta ich nachylenia do podłużnej osi belki,

• najbardziej efektywne okazało się pochylenie wklejonych materiałów kompozytowych pod kątem 45°,

• efektywność wzmocnienia obu technik znacząco zależy od stopnia istniejącego, poprzecznego zbrojenia stalo-

wego i rośnie wraz ze spadkiem stopnia tego zbrojenia,

• efektywność wzmocnienia NSMR rośnie wraz ze zwiększeniem głębokości wklejonego zbrojenia, a więc za-

stosowaniem taśm kompozytowych o większej szerokości, o ile pozwoli na to grubość istniejącej betonowej

otuliny,

• największy przyrost efektywności wzmocnienia można osiągnąć przez wklejenie zbrojenia kompozytowego

w półkę przekroju teowego.

Przedstawiona w pracy tematyka stanowi część szerszego programu badawczego finansowanego z projektu POIG

„Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury

transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju”.

Literatura

[1] Kotynia R., Wzmacnianie żelbetowych belek na ścinanie za pomocą kompozytów polimerowych.

Rozprawa habilitacyjna, Łódź, 2011.


19

Analiza obliczeniowa zginanych

belek żelbetowych wzmocnionych naprężonymi

taśmami CFRP

Krzysztof Lasek – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Kotynia – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: taśmy CFRP, wzmocnienie na zginanie, EB, model obliczeniowy

Model obliczeniowy

Do obliczeniowej analizy odkształceń i nośności zginanych elementów żelbetowych wzmocnionych materiała-

mi CFRP zastosowano model nieliniowej analizy żelbetowych elementów prętowych według profesorów Kamińskiej

i Czkwianianca [1], w którym uwzględnia się tylko naprężenia normalne oraz przyjmuje:

• nieliniową zależność σ-ε dla betonu strefy ściskanej,

• doświadczalne zależności σ-ε dla stali zbrojeniowej i kompozytów CFRP,

• zasadę tension stiffening oraz założenie, że rysy prostopadłe do osi pręta są rozmyte na jego długości,

• zasadę zachowania płaskiego przekroju.

W obliczeniach rozważono przekrój żelbetowy wzmocniony zewnętrznym zbrojeniem kompozytowym CFRP,

przyklejonym na dolnej powierzchni tego przekroju (Rys. 1). Przekrój zostaje podzielony na wysokości na warstwy.

Ten podział dotyczy betonu w strefie ściskanej i rozciąganej. Stalowe zbrojenie ściskane i rozciągane oraz taśma CFRP

są traktowane jako odrębne warstwy o zadanym położeniu i polu przekroju.

Rys. 1. Odkształcenia, naprężenia i siły w żelbetowym przekroju podzielonym na warstwy

Obciążenie zewnętrzne jest wyznaczane z warunków równowagi sił i momentów w przekroju, dla kolejnych sta-

nów jego odkształcenia. Za noś-

ność przekroju przyjmuje się takie

obciążenie, przy którym zostają

osiągnięte graniczne odkształce-

nia któregoś z materiałów: beto-

nu εcu, stali εsu lub odkształcenie

taśmy dolnej εp,test, odpowiadające

jej odspojeniu od powierzchni be-

tonu.

Model obliczeniowy zastosowa-

no już wcześniej do obliczeniowej

weryfikacji badań żelbetowych be-

lek wzmocnionych taśmami CFRP

[1, 2], uzyskując bardzo dobrą

zgodność wyników obliczeniowych Rys. 2. Wygląd okna dialogowego programu


20

i doświadczalnych. Model rozbudowano o wstępnego naprężenia taśmy co w przypadku wzmocnienia czynnego pozwo-

liło uwzględnić naprężenia taśmy na odkształcalność przekroju.

Model obliczeniowy wykorzystano do stworzenia programu obliczeniowego z przyjaznym interfejsem, umożliwia-

jącym wprowadzanie danych dla elementów o różnych przekrojach i w różny sposób zbrojonych (w kilku poziomach

na wysokości przekroju, Rys. 2). W programie istnieje możliwość wprowadzania doświadczalnej charakterystyki wy-

trzymałościowej zbrojenia stalowego i kompozytowego.

Porównanie wyników badań z modelem obliczeniowym

Porównanie doświadczalnych wykresów obciążenie w funkcji krzywizny z wykresami obliczeniowymi, potwier-

dza zgodność przyjętego modelu. Nachylenie wykresów obliczeniowych i doświadczalnych jest jednakowe w całym

zakresie obciążeń, podobnie jak punkty na wykresach odpowiadające zarysowaniu belki i uplastycznieniu zbrojenia

zwykłego. Do analizy porównawczej (Rys. 3) wykonano obliczeniowe wykresy belki wzmocnionej taśmą o tej samej

charakterystyce wytrzymałościowej i wymiarach co w belce wzmocnionej czynnie oraz beli „świadka” (niewzmoc-

nionej). Na wykresach belki wzmocnionej naprężoną taśmą wyraźnie widać moment aplikacji wzmocnienia, charak-

teryzujący się spadkiem wartości krzywizny przy stałym obciążeniu belki, odpowiadającym jej wytężeniu podczas

wzmacniania.

Na obliczeniowych wykresach belek wzmocnionych biernie i czynnie zaznaczono przedział odpowiadający od-

spojeniu taśmy od powierzchni betonu. Granice tego przedziału odpowiadają odkształceniom taśmy równym 6‰

i 8‰, określonym na podstawie wyników badań doświadczalnych elementów wzmocnionych biernie [1, 2]. Po-

dobne wartości przyrostu odkształceń taśmy od samej jej aplikacji na powierzchni betonu, uzyskano w belkach

wzmocnionych czynnie [3].

Rys. 3. Porównanie doświadczalnych i obliczeniowych wykresów obciążenie – krzywizna dla elementów P05 i P06 wraz z odpowiadającymi obliczeniowymi wykresami dla elementów niewzmocnionych i wzmocnionych biernie.

Literatura[1] Kamińska M. E., Kotynia R.: Doświadczalne badania żelbetowych belek wzmocnionych taśmami CFRP.

Badania doświadczalne elementów i konstrukcji betonowych, Z. 9, Wyd. Kat. Bud. Bet. PŁ, Łódź 2000.

[2] Kotynia R., Kamińska M. E.: Odkształcalność i sposób zniszczenia żelbetowych belek wzmocnionych na

zginanie materiałami CFRP. Badania doświadczalne elementów i konstrukcji betonowych, Z. 13, Wyd. Kat.

Bud. Bet. PŁ, Łódź 2003.

[3] Kotynia R., Lasek K., Staśkiewicz. M.: O wpływie poziomu obciążenia i wzmocnienia naprężonymi taśmami

CFRP na nośność i odkształcalność belek żelbetowych. Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej Nr 1100.

Budownictwo, Z. 63/2011, Łódź 2011


21

Wyniki badań doświadczalnych żelbetowych

belek wzmocnionych

na zginanie naprężonymi taśmami

z włóknami węglowymi

Renata Kotynia – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Lasek – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]ł Staśkiewicz – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: taśmy CFRP, wzmocnienie na zginanie

Opis i cel badań

Praca dotyczy wzmacniania żelbetowych belek na zginanie przy użyciu naprężonych taśm z włóknami węglowymi,

mocowanych do spodniej powierzchni tych elementów.

Badania obejmują siedem belek żelbetowych o przekroju poprzecznym 500x220 mm i długości 6500 mm. Do wzmocnienia

elementów stosowano pojedyncze taśmy CFRP o szerokości 100 mm i grubości 1,20 mm (Rys. 1).

Rys. 1. Sposób zbrojenia i schemat obciążenia belek

Elementy obciążone były czterema siłami w rozstawie 1200 mm.

Belki wzmacniane były pod różnym obciążeniem. Część belek została wzmocniona na stanowisku wyłącznie pod

ciężarem własnym, natomiast pozostałe wzmocniono pod obciążeniem stanowiącym około 75% obciążenia niszczącego

element niewzmocniony.

W badaniach podjęto próbę analizy wpływu przyczepności materiału kompozytowego do powierzchni wzmacnia-

nego elementu na efektywność wzmocnienia. W tym celu dwie belki zostały wzmocnione naprężonymi taśmami nie-

przyklejonymi na odcinku między zakotwieniami. Element P07 został wzmocniony tym samym systemem kotwiąco


22

sprężającym, jednakże po wykonaniu wzmocnienia zostały zdemontowane szczęki kotwiące, a wolne fragmenty taśmy

(około 1000 mm) przyklejono w sposób bierny.

W celu analizy wpływu stopnia zbrojenia stalowego na efektywność wzmocnienia w serii A (P01, P02, P03, P04, P07)

elementy zbrojono dołem 4 prętami o średnicy 12 mm, a w serii B (P05, P06) czterema prętami o średnicy 16 mm.

Tab. 1. Tabelaryczne zestawienie przebadanych elementów

Wyniki badań

Niezależnie od sposobu zakotwienia taśmy, stopnia jej odkształcenia podczas naprężania, stopnia wytężenia belki

w chwili wykonywania wzmocnienia, jak i stopnia zbrojenia stalowego występującego w elemencie, zniszczenie rozpo-

czynało się z chwilą, gdy przyrost odkształceń w taśmie kompozytowej osiągał wartość od 5‰ do 7‰. Powyższe obser-

wację potwierdzają wyniki badań elementów wzmocnionych sposobem biernym, w których do odspojenia kompozytu

dochodziło przy porównywalnych odkształceniach kompozytu [1, 2]. Odspojenie kompozytu postępowało od części

środkowej elementu w kierunku podpór, w końcowej fazie materiał kompozytowy pracował jak zewnętrzny ściąg. W

zależności od sposobu zakotwienia dochodziło do wysunięcia taśmy z pod blachy kotwiącej, albo całkowitego odspojenia

taśmy (belka P07).

Rys. 2 Średnie wykresy odkształceń betonu w poziomie dolnego zbrojenia a) seria A, b) seria B

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych badań doświadczalnych można sformułować następujące wnioski:

• Wzmocnienie przy użyciu naprężonych taśm kompozytowych jest skuteczne zarówno w stanie granicznym

nośności, jak i w stanie granicznym użytkowalności poprzez zamknięcie rys i ograniczenie ugięć wzmacniane-

go elementu.

• Badania wykazały wysoką efektywność wzmocnienia żelbetowych belek wzmocnionych na zginanie przy uży-

ciu naprężonych taśm CFRP, pozwalającą uzyskać ponad dwukrotnie większą nośność w porównaniu z nośnoś-

cią elementu niewzmocnionego (dla belka P01).


23

• Na ogół powodem zniszczenia było odspojenie taśmy CFRP od powierzchni elementu, postępujące od części

środkowej w kierunku zakotwień zakończone gwałtownym wysunięciem taśmy ze szczęk kotwiących.

• Wpływ przyczepności materiału kompozytowego do powierzchni betonu widoczny był dopiero po uplastycz-

nieniu zbrojenia stalowego. Odkształcenia betonu były większe w elementach wzmocnionych bezprzyczep-

nościowo.

• Wzmocnienie w sposób czynny wykazało wysoką efektywność niezależnie od poziomu obciążenia elementu

w chwili wykonywania wzmocnienia.

• Elementy o niższym stopniu zbrojenia stalowego wykazały wyższą efektywność wzmocnienia.

• Wzmocnienie przy użyciu naprężonych taśm CFRP jest jedyną alternatywą dla silnie obciążonych konstrukcji,

dla których wzmocnienie bierne nie przyniosłoby zamierzonych efektów.

Literatura[1] Kamińska M. E., Kotynia R.: Doświadczalne badania żelbetowych belek wzmocnionych taśmami CFRP. Bada-

nia doświadczalne elementów i konstrukcji betonowych, Z. 9, Wyd. Kat. Bud. Bet. PŁ, Łódź 2000.

[2] Kotynia R., Kamińska M. E.: Odkształcalność i sposób zniszczenia żelbetowych belek wzmocnionych na zginanie

materiałami CFRP. Badania doświadczalne elementów i konstrukcji betonowych, Z. 13, Wyd. Kat. Bud. Bet. PŁ,

Łódź 2003.

[3] Kotynia R., Walendziak R., Stoecklin I., Meier U.: RC Slabs Strengthened with Prestressed and Gradually Ancho-

red CFRP Strips under Monotonic and Cycling Loading, Journal of Composites for Construction, 2011, No 15(2),

pp. 168-180.


24

Określenie rezerw bezpieczeństwa strefy przypodporowej

słupów wewnętrznych ustrojów

płytowo-słupowych po jej zniszczeniu przez przebicie

Włodzimierz Starosolski – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected] Pająk – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected] Wieczorek – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected] Mirosław Wieczorek – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected]

Słowa kluczowe: konstrukcje żelbetowe, wzmocnienie konstrukcji, katastrofa postępująca, ciągliwość stali

Inspiracja

Analiza badawcza zachowania się strefy podporowej ustrojów płytowo – słupowych w zakresie ich zniszczenia przez

przebicie prowadzona była bardzo szeroko na setkach modeli. Pozwoliło to na opracowanie metod obliczeń – w tym znor-

malizowanych. Istnieją jednak sytuacje, gdy z różnych przyczyn (np. przemrożenie betonu) następuje zniszczenie strefy

podporowej przez przebicie. W takiej sytuacji konieczne jest aby konstrukcja ustroju nie dopuściła do rozwoju katastrofy.

Celem umożliwienia opracowania procedur obliczeniowych umożliwiających prawidłową ocenę wartości zapasów nośno-

ści strefy podporowej po zniszczeniu przez przebicie, przeprowadzone zostały badania żelbetowych modeli połączenia pły-

ta-słup w skali 1:1. Badania te pozwolą na wnioskowanie, kiedy i jakie zbrojenie dolne prowadzone w strefie podporowej jest

w stanie zatrzymać dalszy rozwój jej zniszczenia po przebiciu. Badania ograniczone zostały do słupów wewnętrznych .

Realizacja

W ramach dotychczasowych prac przygotowano projekt rozbudowy stanowiska badawczego celem dostosowania jego

parametrów do wymogów planowanych badań, których celem było zapewnienie, poprzez odpowiedni układ rolek, piono-

wego prowadzenia wypychanego słupa niezależnie od niesymetrycznie działających sił.

Badania objęły trzy modele stanowiące fragment przysłupowej wewnętrznej strefy typowego monolitycznego ustroju

płytowo-słupowego. Elementy badawcze charakteryzowały się zbliżoną wytrzymałością betonu oraz jednakowym stop-

niem zbrojenia dolnego i górnego. Elementami badawczymi były kwadratowe płyty o wymiarach 2,65×2,65 m grubości 20

cm z usytuowanym od dołu słupem o kwadratowym przekroju poprzecznym 40×40 cm, który umieszczony był w trzech

pozycjach względem środka płyty (rys. 1) – usytuowanie osiowe (model I), na mimośrodzie jednokierunkowym (model II)

oraz mimośrodzie dwukierunkowym (model III). Zbrojenie modeli wykonane zostało w postaci dwóch równoległych siatek

zbrojeniowych. W każdym modelu zostało zastosowane zbrojenie dolne, krzyżujące się nad słupem ze stali zbrojeniowej

klasy C (uk>7) wg EC 2 o średnicy 16 mm

Rys. 1. Geometria modeli – położenie słupa: a) osiowe (model I), b) mimośród w jednym kierunku (model II), c) mimośród w dwóch kierunkach (model III).


25

Obciążenie modeli realizowano poprzez przyłożenie do podstawy słupa siły skupionej wywoływanej siłownikiem

hydraulicznym zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 2. Płytę mocowano za pomocą śrub do stanowiska

przytwierdzonego do płyty stropu laboratorium. Pręty dolnego zbrojenia krzyżującego się nad słupem wypuszczono

poza obrys modelu i zakotwiono w specjalnym uchwycie przymocowanym do wzmocnionego stanowiska badawczego

celem przejęcia znacznych sił powstałych po przebiciu.

Program badań obejmował dwie fazy. W pierwszej fazie wykonano dwa cykle obciążenia – pierwszy polega-

jący na wstępnym obciążeniu i odciążeniu modelu oraz drugi, w którym model był obciążany aż do zniszcze-

nia przez przebicie, wówczas nastąpił spadek wartości siły obciążającej. Następnie uwzględniono dwa warianty

badawcze.

W pierwszym przypadku dokonano całkowitego odciążenia modeli a następnie odkręcono śruby mocujące

modele do stanowiska (model typu B), natomiast w drugim przypadku nie odciążano modeli i nie odkręcono

śrub mocujących modele do stanowiska (model typu A). W drugiej fazie po przebiciu obciążenie zwiększano do

chwili zerwania jednego z prętów krzyżujących się nad słupem, co powodowało spadek siły obciążającej. Następ-

nie przystępowano do ponownego obciążenia modeli, które trwało aż do zerwania kolejnych prętów krzyżują-

cych się nad słupem.

Rys. 2. Schemat obciążania modeli

Wykonane pomiary pozwoliły na określenie zależności pomiędzy przyłożonym obciążeniem a przemiesz-cze-

niem słupa (rys. 3) oraz analizę deformacji górnej powierzchni płyty w czasie z uwzględnieniem wartości siły. Wy-

znaczono wartości sił w chwili przebicia oraz wartości sił, przy których nastąpiło zerwanie prętów krzyżujących się

nad słupem (tab. 1).

Rys. 3. Wykres zmian przemieszczenia słupa w funkcji obciążenia: a) modele typu A, b) modele typu B.


26

Modelze słupem usytuoawnym

Zniszczenie przez przebicie Zerwanie pręta I

Siła[kN]

Przemieszczenie[mm]

Siła[kN]

Przemieszczenie[mm]

osiowoPI oo/A1 602.7 15.0 514.1 167.5

PI oo/B1 541.6 15.7 428.0 447.6

mimośrodowow jednym kierunku

PII mo/A1 682.8 17.3 527.6 142.1

PII mo/B1 623.1 15.0 371.4 356.3

mimośrodowow dwóch kierun-

kach

PIII mm/A1 643.9 12.5 445.6 147.2

PIII mm/B1 638.5 12.6 382.4 366.8

Tab. 1. Wartości obciążeń niszczących uzyskane w badaniach.

Rezultaty

Celem badań było stwierdzenie jak dodatkowy moment zginający wywołany mimośrodowym działaniem obciążenia

wpływa na wartość obciążenia niszczącego to połączenie po przebiciu.

Na podstawie wykonanych badań oraz przeprowadzonych analiz obliczeniowych zostanie zaproponowany w ana-

lizowanym zakresie techniczny model obliczeniowy, który stanowić będzie podstawę proponowanych procedur

diagnostycznych do określenia nośności stref podporowych słupów wewnętrznych w monolitycznych ustrojach pły-

towo-słupowych po przebiciu.


27

Metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności

żelbetowych konstrukcji zespolonych

Adam Zybura – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected] Gromysz – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected] Jaśniok – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected]

Słowa kluczowe: żelbet, konstrukcje zespolone, korozja zbrojenia, obciążenia cykliczne, badania elektrochemiczne korozji, tłumienie drgań

Wprowadzenie i zakres badań

Żelbetowe konstrukcje zespolone składają się z dwóch warstw betonu: dolnej, którą stanowi element prefabrykowany

oraz górnej układanej na budowie. O bezpieczeństwie tych konstrukcji decyduje głównie zdolność przenoszenia naprę-

żeń stycznych w zespoleniu dwóch betonów oraz korozyjny stanu zbrojenia [1]. Zdolność przenoszenia naprężeń stycz-

nych może być oceniana na podstawie sztywności zespolenia dwóch warstw betonu oraz energii rozpraszanej przez to

zespolenie. Korozyjny stan zbrojenia może być z kolei określany w oparciu o elektrochemiczne pomiary szybkości korozji

zbrojenia. Ocena korozyjnego stanu zbrojenia będzie polegała zatem na analizie wyników badań polaryzacyjnych stało

i zmiennoprądowych przeprowadzonych metodą pomiaru oporu polaryzacji (LPR) i metodą elektrochemicznej spektro-

skopii impedancyjnej (EIS), według opracowanego elektrycznego modelu układu stal-beton.

Mechaniczny model żelbetowego stropu zespolonego [2] składa się z trzech warstw: dolnej, którą stanowi element

prefabrykowany, górnej będącej betonem układanym na budowie oraz warstwy kontaktowej. Uwzględniono, że w ma-

teriale warstw występują siły sprężyste i niesprężyste związane z tarciem wewnątrz materiałowym. Rozważano sytuację,

w której występują ciągłe odkształcenia w warstwie kontaktowej, to znaczy nie zachodzi poślizg między betonem war-

stwy dolnej i górnej. Badania modelu wykazały [2], że w procesie statycznego obciążania i odciążania płyty powstaje

pętla histerezy, która pozwala wyznaczać wartości współczynnika pochłaniania energii przy statycznym wymuszeniu

kinematycznym. Mniejszymi wartościami tego współczynnika cechują się płyty o małej sprężystości zespolenia. W zde-

finiowanym modelu przyjęto [2], że w trakcie drgań, niesprężyste siły tarcia wewnętrznego w zespoleniu oraz w betonie

warstw dolnej i górnej ujawniają się w postaci tarcia wiskotycznego. Wykazano, że drgania płyt zespolonych cechujących

się małą sztywnością zespolenia są tłumione mocniej niż drgania płyt ze sztywną warstwą kontaktową. Ponadto mniej-

szym sztywnościom warstwy kontaktowej odpowiadają mniejsze częstotliwości drgań własnych płyt.

Ocenę stanu korozyjnego żelbetowego stropu zespolonego realizuje się poprzez pomiary szybkości korozji zbrojenia

w trakcie laboratoryjnych badań polaryzacyjnych stało i zmienno-prądowych (LPR i EIS) na zbrojonych betonowych

elementach próbnych. W celu wywołania korozji zbrojenia elementy próbne są poddane oddziaływaniu agresywnych

czynników środowiskowych. W ramach badań największy nacisk jest położony na poprawną identyfikację zasięgów

polaryzacji zbrojenia, co stanowi podstawę prawidłowego określenia szybkości korozji. Analizę wyników badań do-

świadczalnych realizuje się trójwymiarowym modelem elektrochemicznym, umożliwiającym symulację wpływu na

otrzymywane wyniki złożonej geometrii badanego układu stal-beton.

Zakończenie prac scharakteryzowanych powyżej umożliwi osiągnięcie celu, jakim jest opracowanie wytycznych po-

zwalających na ocenę bezpieczeństwa i użytkowalności istniejących żelbetowych konstrukcji zespolonych ze względu na

zdolność przenoszenia naprężeń stycznych w zespoleniu oraz stopień zaawansowania korozji zbrojenia.

Przebieg badań

Badania doświadczalne płyt [3] szerokości 0,59 m, wysokości 0,18 m i rozpiętości 3,00 m wskazują, że sztywność war-

stwy kontaktowej zależy, co oczywiste, od typu zespolenia oraz od obciążenia elementu. Najmniejszą sztywnością cecho-

wało się zespolenie, wykonane na bazie powierzchni gładkiej zatartej kielnią, na której wydzieliło się mleczko cementowe.

Sztywność warstwy kontaktowej tych płyt zmniejszała się dziesięciokrotnie z 33 GPa w początkowej fazie obciążenia

do 3 GPa, gdy przyłożono do płyty w przybliżeniu połowę obciążenia niszczącego. Największą sztywnością cechowało


28

się zespolenie wykonane na bazie powierzchni uzyskanej jako odbicie formy gładkiej. Sztywność warstwy kontaktowej

tych płyt malała nieznacznie z ok. 125 GPa w początkowej fazie obciążenia do 63 GPa, gdy przyłożono w przybliżeniu

połowę obciążenia niszczącego. Wpływ zbrojenia pionowego łączącego warstwę dolną i górną na sztywność warstwy

kontaktowej, przy 0,04 % zbrojenia pionowego, oszacowano na od 1% do 3%. Większa dyssypacja energii występowała

w przypadku większej sztywności zespolenia [4]. Płyty, w których zespolenie wykonano na bazie powierzchni gładkiej

zatartej kielnią, na której wydzieliło się mleczko cementowe, uległy rozwarstwieniu. Opisane wyniki badań wskazują [3],

[4], że przyjęta w pracy [2] struktura modeli warstwy kontaktowej i płyty warstwowej jest poprawna.

W ramach części zadania dotyczącej diagnostyki korozyjnej żelbetu zakończono realizację drugiego kamienia mi-

lowego, którego celem było między innymi wykonanie badań laboratoryjnych szybkości korozji zbrojenia. Badania

przeprowadzono na betonowych elementach próbnych zbrojonych pojedynczymi prętami o zróżnicowanych średnicach

i grubościach otulin, stosując zmienne powierzchnie przeciwelektrod. Stwierdzono wyraźny wpływ geometrii układu

pomiarowego (szerokości przeciwelektrody, długości pręta i ograniczenia powierzchni polaryzacji) na kształt widma im-

pedancyjnego stalowego pręta w betonie.

Równolegle prowadzono prace związane z rozbudową modelu dwuwymiarowego opisanego w pracy [5] do trójwy-

miarowego modelu układu stal-beton umożliwiającego analizę badań korozji zbrojenia metodą elektrochemicznej spek-

troskopii impedancyjnej (EIS). Model uwzględniając elektrochemiczne charakterystyki objętościowe betonu otuliny

oraz elektrodowe prętów zbrojeniowych umożliwia symulację wpływu złożonej geometrii badanego układu stali zbro-

jeniowej w betonie. Opisany efekt uzyskano dzięki równoległemu łączeniu tzw. elementarnych schematów zastępczych

oraz wprowadzeniu elektrochemicznych charakterystyk stali i betonu przeliczanych przez zdefiniowane współczynni-

ki przestrzennej geometrii układu. Ponadto sformułowano matematyczne zależności umożliwiające wyznaczanie tzw.

teoretycznych ścieżek przewodzenia prądu przez beton, przebiegających między przeciwelektrodą i elektrodą badaną.

Aktualnie trwają prace studialne [6, 7] związane z opracowaniem wytycznych oceny stanu żelbetowych konstrukcji ze-

spolonych na podstawie badań korozyjnych zbrojenia.

Osiągnięte cele, wyniki, rezultaty

Zakończono realizację drugiego kamienia milowego, którego celem było wykonanie badań laboratoryjnych szybkości

korozji zbrojenia oraz parametrów tłumienia drgań i sztywności żelbetowych elementów zespolonych. W trakcie realiza-

cji są prace związane z trzecim, ostatnim kamieniem milowym (IV kw. 2012 r.), który polega na opracowaniu metodyki

oceny stanu żelbetowych konstrukcji zespolonych na podstawie pomiaru drgań oraz szybkości korozji zbrojenia.

Literatura[1] Zybura A., Gromysz K., Jaśniok M.: Metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności żelbetowych konstrukcji

zespolonych, Materiały konferencyjne I Konferencji POIG – Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy

bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii równoważnego

rozwoju, Łódź, 16-18.10.2011 r., s.17-18.

[2] Gromysz K.: Modeling the influence of composite stiffness on energy dissipation in reinforces composite

concrete floors. Archives of Civil Engineering, LVIII, 1, 2012, s.71-96.

[3] Gromysz K.: Estimation of stiffness and energy dissipation for the models of reinforced-concrete composite slabs

based on the investigations of statically loaded slabs, Archives of Civil Engineering, LVIII, 3, 2012, s.259-292.

[4] Gromysz K.: Badanie sztywności i rozpraszania energii w żelbetowych płytach warstwowych poddanych

obciążeniom cyklicznym, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Nr 283. Zeszyt 59, nr 3/2012/II, s.365-372

[5] Jaśniok M.: Examining and Modelling the Influance of Lenghts of Rebars in Concrete to Shapes of Impedance

Spectra, Cement Lime Concrete, special issue (praca przyjęta do druku)

[6] Zybura A., Jaśniok M., Jaśniok T.: Ocena stanu technicznego konstrukcji żelbetowych pod względem trwałości,

Materiały konferencyjne XII Konferencji Naukowo-Technicznej „Warsztat Pracy Rzeczoznawcy Budowlanego”,

Kielce-Cedzyna, 16-18.05.2012 r., s.153-171.

[7] Jaśniok M., Jaśniok T., Zybura A.: Nieniszczące badania zagrożenia korozją zbrojenia w konstrukcjach

żelbetowych, 41. Krajowa Konferencja Badań Nieniszczących, Toruń, 23-25.10.2012 r. (praca przyjęta do druku).


29

Adaptacja lub zmiana funkcji

zabytkowych budynków mieszkalnych

i użyteczności publicznej

– procedury i algorytmy postepowania

Wojciech Terlikowski – Politechnika Warszawska, Warszawa, [email protected] Marecki – Politechnika Warszawska, Warszawa, [email protected]

Zmiana funkcji obiektu implikuje często zmiany w układzie przestrzennym i konstrukcyjno – budowlanym.

Może to w sposób całkowity lub częściowy doprowadzić do zmiany istniejącego układu architektoniczno – funk-

cjonalnego, obniżając w sposób oczywisty wartość historyczną zabytku. Zachowanie oryginalnego układu ar-

chitektoniczno – funkcjonalnego jest szczególnie ważne wtedy, gdy dotyczy zabytkowych obiektów będących

przedstawicielami konkretnych, często unikatowych reprezentantów stylów architektonicznych, charakteryzu-

jących epoki historyczne.

Obok działań ściśle konserwatorskich, w procesach rewitalizacyjnych występują również działania polegające

na uczytelnieniu, uzupełnieniu, odtworzeniu historycznej przestrzeni (rewaloryzacja). Wśród działań rewalory-

zacyjnych można wyróżnić działania inwestycyjno – budowlane ingerujące w formę i funkcję obiektu zabytko-

wego. Wśród zabytkowych obiektów budowlanych podlegających procesom rewitalizacyjnym można wyodrębnić

trzy typy budynków: budynki użytkowane z funkcją niezmienioną od chwili realizacji (funkcja projektowana =

funkcja realizowana), budynki użytkowane z funkcją zmienioną w czasie eksploatacji budynku (funkcja projek-

towana ≠ funkcja realizowana), z adaptacją budynku do nowej funkcji, budynki użytkowane z funkcją zmienio-

ną w czasie eksploatacji budynku (funkcja projektowana ≠ funkcja realizowana), bez adaptacji budynku do nowej

funkcji.

Zmiana funkcji w obiekcie zabytkowym implikuje konieczność sprawdzenia wymagań podstawowych sta-

wianych budynkom, a w szczególności wymaganie bezpieczeństwa konstrukcji i bezpieczeństwa użytkowania.

Adaptacja budynku zabytkowego do nowej funkcji dotyczy zazwyczaj adaptacji układu architektoniczno – bu-

dowlanego, konstrukcyjnego, instalacji i wyposażenia budynku. Wszystko to, a zwłaszcza ingerencja w strukturę

istniejącą budynku zabytkowego, nierzadko zniszczoną lub zużytą, oprócz zwykłych działań rewitalizacyjnych,

może powodować działania dodatkowe wynikające z adaptacji:

• wymuszać zmianę układu konstrukcyjnego lub jego części, wymuszać stosowanie dodatkowych usztywnień

i rozwiązań konstrukcyjnych, wynikających z osłabienia sztywności przestrzennej budynku,

• wzmocnienia lub wymiany podstawowych elementów konstrukcyjnych takich jak ściany, stropy, słupy, wy-

nikające z ich osłabień, poprzez wykonywanie w nich nowych otworów komunikacyjnych i nową aranżację

architektoniczną, a także z przyrostu lub zmiany obciążeń,

• wymuszać adaptację, wzmocnienie, naprawę, wymianę stropów i innych elementów konstrukcji,

• wymuszać prowadzenie nowych instalacji, w tym również naruszających istniejący układ konstrukcyjny,

montaż nowych urządzeń i wyposażenia oraz nowych elementów wykończeniowych,

• wymuszać naprawę, poszerzenie, podbicie, wzmocnienie fundamentów, ze względu na przyrost naprężeń

pod nimi.

W pracy zestawiono cechy charakterystyczne stosowanych stropów zabytkowych, które powinny być brane

pod uwagę, przy analizie ich adaptacji do nowych funkcji użytkowych budynku oraz pokazano schematy dzia-

łań diagnostycznych możliwości adaptacji do nowych funkcji układu konstrukcyjnego i jego elementów (SD1,

SD2, SD3, SD4, SD5). Przedstawiono typy układów architektoniczno-konstrukcyjnych zabytkowych budynków

mieszkalnych i użyteczności publicznej, omówiono problemy formalno-prawne związane z adaptacją budynków

zabytkowych do współczesnych wymagań oraz zamieszczono schemat działań oraz trybu administracyjnego

przy legalizacji zmiany funkcji obiektu budowlanego. Algorytm postępowania i procedury dotyczące adaptacji

zabytkowych budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej do współczesnych wymagań, pod kątem zmiany

funkcji przedstawiono na schemacie.


30

P01 – ocena funkcjonalno - użytkowa budynku rehabilitowanego i analiza ekonomiczna rehabilitacyjnego zamierzenia inwestycyjnegoP02 – zakres zaleceń konserwatorskichP03 – metodyka badań i diagnozowania obiektu zabytkowego i ocena jego stanu technicznegoP04 – opracowanie programu konserwatorskiego obiektu rehabilitowanegoP05 – projekt budowlany wraz z programem konserwatorskim, przedmiar robót i specyfi kacja warunków technicznych wykonywania robót rehabilitacyjnych z uwzględnieniem problemów konstrukcyjno – architektonicznych, uzyskanie decyzji o pozwoleniu na budowęP06 – kryteria wyboru wykonawcyP07 – Realizacja robót budowlanych na obiekcie rehabilitowanym, zasady współpracy z nadzorem inwestorskim i konserwatorskimP08 – Warunki odbioru robót rehabilitacyjnych i metodyka opracowania zaleceń użytkowania obiektu rehabilitowanego


31


Jednoczesność obciążenia

śniegiem i wiatrem

Jerzy Antoni Żurański – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, Poland, [email protected] Sobolewski – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, Poland, [email protected]

Słowa kluczowe: obciążenie śniegiem, obciążenie wiatrem, kombinacje obciążeń, współczynniki do kombinacji

Wprowadzenie

Kombinacja obciążenia śniegiem i wiatrem odgrywa ważną rolę w obliczeniach projektowanej i diagnozowanej

konstrukcji. Przyjmuje się, że wartość charakterystyczna każdego oddziaływania klimatycznego ma mieć 50.letni

okres powrotu. W zestawieniach oddziaływań wartości obliczeniowe są mnożone przez współczynniki kombinacyjne.

Wartości tych współczynników są podane w Eurokodzie [1]. Jednakże oddziaływania klimatyczne, takie jak obcią-

żenie śniegiem i oddziaływania wiatru, zależą od położenia geograficznego i powinny być analizowane na podstawie

wyników lokalnych pomiarów meteorologicznych. Dotyczy to zarówno oddzielnych oddziaływań jak i ich koincyden-

cji. W referacie przedstawiono modele koincydencji tych dwóch oddziaływań klimatycznych oraz wyniki obliczeń.

Jako jednostkowy okres obserwacji, zamiast roku kalendarzowego przyjęto rok klimatyczny, rozpoczynający się 1

października. Wykorzystano dane pomiarowe z 12 stacji meteorologicznych Instytutu Meteorologii i Gospodarki

Wodnej – Państwowego Instytutu Badawczego (Chojnice, Katowice, Kętrzyn, Łódź, Poznań, Rzeszów, Siedlce, Szcze-

cin, Tarnów, Warszawa, Włodawa, Wrocław) z 44 lat pomiarów, od 01.10.1966 r. do 30.09.2010 r.

Modele koincydencji obciążenia śniegiem i wiatrem

Rozpatrzono pięć kombinacji obciążenia śniegiem i oddziaływania wiatru, zależnie od wyboru danych. Wiodące

są wartości maksymalne roczne obciążenia śniegiem gruntu i średniej 10.minutowej prędkości wiatru, na wysokości

anemometru, niezależnie od kierunku.

Kombinacja 1: wartości obciążenia śniegiem i prędkości wiatru, maksymalne roczne, zmierzone w tym samym roku

klimatycznym, lecz nie jednocześnie. Wartości prognozowane mogą być przewyższone raz w czasie T, w tym samym roku

klimatycznym, lecz nie jednocześnie. Jest to przypadek skrajny, ograniczający od góry wszystkie możliwe kombinacje.

Kombinacja 2a: maksymalne roczne obciążenie śniegiem i maksymalna dobowa prędkość wiatru, zmierzona tego

samego dnia co obciążenie śniegiem.

Kombinacja 2b: maksymalne roczne obciążenie śniegiem i maksymalna dobowa prędkość wiatru, zmierzona w

przedziale dwóch tygodni centrowanych wokół dnia, w którym zmierzono maksymalne roczne obciążenie śniegiem.

Kombinacja 3: maksymalna roczna prędkość wiatru i obciążenie śniegiem zmierzone tego samego dnia.

Kombinacja 4: maksymalna roczna prędkość wiatru i obciążenie śniegiem zmierzone tego samego dnia pod wa-

runkiem, że była pokrywa śnieżna.

Metoda opracowania Zadanie polega na znalezieniu takich wartości obciążenia śniegiem gruntu ST i prędkości wiatru VT, które będą jed-

nocześnie przewyższane raz na T lat. Prawdopodobieństwo jednoczesnego przekroczenia wartości ST i VT jest równe

(1)

gdzie F1(ST) i F2(VT) są dystrybuantami rozkładów prawdopodobieństwa obciążenia śniegiem i prędkości wiatru.

Zastosowano rozkład Gumbela, a niekiedy trójparametryczny rozkład Weibulla. Rozwiązując równanie (1) otrzymu-

je się współzależność obciążenia śniegiem gruntu i prędkości wiatru w poszczególnych kombinacjach, którą można

przeliczyć na współzależność obciążenia śniegiem i ciśnienia prędkości wiatru. Przykład pokazano na rys. 1 (ozna-

czenia wg podanych wyżej kombinacji). Stosując podejście przedstawione w [2] można każdą krzywą zastąpić trzema

32


prostymi. Ich przecięcia wyznaczają wartości do kombinacji. Dzieląc je przez wartości charakterystyczne otrzymuje

się wartości współczynnika kombinacyjnego. Możliwe są także wartości pośrednie.

Rys. 1. Współzależności obciążenia śniegiem gruntu i ciśnienia prędkości wiatru o okresie powrotu 50 lat.

Wyniki opracowania

W wyniku analizy danych pomiarowych z wymienionych na wstępie 12 stacji meteorologicznych IMGW-PIB

otrzymano wartości współczynników do kombinacji, podane w tablicy 1.

Tablica 1. Wyniki analizy współczynników do kombinacji obciążenia śniegiem i obciążenia wiatrem.

Wnioski

Wyniki otrzymane dla kombinacji 1 stanowią górne ograniczenie, które nie będzie przewyższone. Za miarodajną

można uznać kombinację 2b, przyjętą przy założeniu, że maksymalna wartość obciążenia śniegiem może się utrzymać

przez tydzień, a wartość bardzo bliska maksymalnej może wystąpić tydzień wcześniej [3].

Otrzymane wyniki są inne niż w Eurokodzie [1]. Podano tam: w przypadku obciążenia śniegiem o = 0,50, a w

przypadku obciążenia wiatrem o = 0,60. Tymczasem, na podstawie otrzymanych wyników jest możliwa do przy-

jęcia w polskim załączniku krajowym do Eurokodu [1] jedna wartość dla obu oddziaływań: średnia o = 0,20 albo

o = 0,30, jako wartość średnia plus 3. Celowe jest rozszerzenie analizy na większość stacji meteorologicznych w

Polsce i ustalenie wartości współczynników o na podstawie jej wyników.

Literatura[1] PN-EN 1990:2002 Eurokod Podstawy projektowania konstrukcji.

[2] Mathieu H.: Manuel „Securité des structures” (2 ème édition). – Comité Euro-International du Béton, Bulletin

d’Information No 127, Janvier 1980.

[3] Żurański J.A.: Sobolewski A.: Obciążenie śniegiem w Polsce. Prace Naukowe Instytutu Techniki Budowlanej,

ITB, Warszawa 2009.

33


Baza danych pomiarowych i jej wykorzystanie

w projektowaniu budynków narażonych na drgania

Janusz Kawecki – Politechnika Krakowska, Kraków, Poland, [email protected] Kozioł – Politechnika Krakowska, Kraków, Poland, [email protected] Stypuła – Politechnika Krakowska, Kraków, Poland, [email protected]

Słowa kluczowe: drgania komunikacyjne, baza danych pomiarowych

Wprowadzenie

W sąsiedztwie projektowanych budynków mogą występować albo projektuje się wystąpienie różnych źródeł

drgań zaliczanych do działań parasejsmicznych. Wśród nich wyróżnia się tzw. drgania komunikacyjne, które

generowane są przejazdami różnego rodzaju pojazdów. Przy projektowaniu takich budynków należy uwzględnić

oddziaływanie prognozowanych drgań komunikacyjnych na konstrukcję oraz oddziaływanie tych drgań na lu-

dzi w budynkach. W wielu sytuacjach projektowych wpływ drgań na ludzi miewa decydujące znaczenie w ocenie

poprawności przyjętych rozwiązań. Wynika to z tego, iż poziom progu odczuwalności drgań przez ludzi jest na

ogół (w przypadku zwykłych budynków o konstrukcji murowej albo żelbetowej) niżej usytuowany niż granica

odczuwalności drgań przez konstrukcję budynku. Z tego wynika wprowadzenie tej tematyki do tematu badaw-

czego usytuowanego w PT1. Potrzebna jest bowiem nowoczesna (uwzględniająca najnowsze możliwości oblicze-

niowe i pomiarowe) ale zweryfikowana podczas praktycznych zastosowań metodyka pomiarowo-interpretacyjna

umożliwiająca ocenę wpływu drgań na ludzi przebywających w budynkach. Przy projektowaniu budynku na-

kładane są dodatkowe warunki, aby w otoczeniu projektowanego budynku istniejące albo projektowane wpły-

wy komunikacyjne nie naruszały komfortu wibracyjnego w odniesieniu do ludzi przebywających w budynku.

Referat dotyczy zagadnienia projektowania budynków poddanych oddziaływaniu istniejących albo projektowa-

nych wpływów komunikacyjnych z zapewnieniem wymagań odnośnie do niezbędnego komfortu wibracyjnego

ludziom przebywającym w tych budynkach. Przedstawia się w nim problemy związane z kształtowaniem bazy

danych pomiarowych i jej wykorzystaniem w projektowaniu budynków narażonych na oddziaływania drgań

komunikacyjnych.

Procedury odnoszące się do oceny narażenia wibracyjnego ludzi w budynkach projektowanych

W przypadku ludzi, którzy będą przebywać w budynkach projektowanych mogą występować dwie sytuacje pro-

jektowe:

• źródło drgań jest już eksploatowane (wówczas projektuje się budynek znając parametry charakteryzujące jego

wymuszenie kinematyczne) oraz

• źródło drgań jest również projektowane (wówczas projektuje się budynek na prognozowane parametry drgań).

W obydwu wymienionych przypadkach parametry wymuszenia kinematycznego budynku wyznacza się korzy-

stając z danych zawartych w bazie danych pomiarowych. W pierwszym przypadku potrzebne są jeszcze informacje o

stopniu redukcji drgań przy przekazywaniu ich z podłoża (na którym drgania mogą być pomierzone) na fundament

projektowanego budynku, w drugim zaś z bazy danych pomiarowych uzyskuje się wszystkie informacje o parame-

trach prognozowanego wymuszenia drgań.

Budynek powinien być tak zaprojektowany, aby jego drgania nie naruszały warunków niezbędnego komfortu okre-

ślonego dla ludzi przebywających w pomieszczeniach (por. kryteria podawane w normach [1, 2] oraz opisane i dys-

kutowane np. w [3, 4]). Przeważnie, uwzględniając dokładność prognoz, zakłada się, że obliczone parametry drgań

w miejscu narażenia wibracyjnego ludzi przebywających w budynku powinny nie przekraczać progu odczuwalności

drgań przez ludzi. Przy opracowaniu metodyki pomiarowo-interpretacyjnej uwzględniono dwie różne sytuacje źródła

drgań: źródło jest eksploatowane oraz źródło jest projektowane.

34


Kształtowanie bazy danych pomiarowych

W procedurze prognozowania wpływów dynamicznych na obiekty odbierające drgania istotną rolę odgrywają

dane o oddziaływaniu prognozowanego źródła drgań na otoczenie. W przypadku drgań pochodzenia komunikacyj-

nego brak jest jeszcze ujęć modelowych, które pozwoliłyby na analityczne wyznaczenie prognozowanych parametrów

drgań obiektu odbierającego drgania w zależności od wielkości charakteryzujących źródła drgań (warunki ruchowo-

drogowe) i drogę ich propagacji. W takich sytuacjach należy skorzystać z wyników pozyskanych podczas wcześniej-

szych pomiarów dynamicznych, które tworzą zbiór nazwany bazą danych pomiarowych. Znajdują się w niej wyniki

pomiarów i analiz pozyskane z opracowań diagnostycznych zarówno w czasie budowy jak i eksploatacji dróg oraz

wyniki badań wykonanych na specjalnych poligonach badawczych. W celu zapewnienia możliwości wykorzystania

w prognozowaniu danych zawartych w BDP należy w opisie wibrogramów umieścić wszystkie istotne informacje je

charakteryzujące , do których zalicza się np. informacje: o źródle drgań, którego oddziaływanie na obiekt było przed-

miotem pomiaru,

o drodze propagacji drgań od źródła do obiektu odbierającego drgania, o obiekcie odbierającym drgania i o jego

stanie (technicznym), o przyjętym kryterium oceny wpływu drgań na obiekt odbierający drgania, o wyznaczonych

(doświadczalnie) wartościach parametrów opisujących reakcję obiektu odbierającego drgania, o ocenie wpływu drgań

na obiekt odbierający drgania (z wykorzystaniem przyjętego kryterium oceny).

Podczas realizacji niniejszego tematu badawczego oraz wielu opracowań diagnostycznych prowadzonych w Insty-

tucie Mechaniki Budowli Politechniki Krakowskiej powstał dość liczny zbiór danych, który wraz z danymi wcześniej

pozyskanymi tworzy dość obszerną bazę danych pomiarowych. Przykłady praktycznego wykorzystania bazy danych

pomiarowych w rozwiązaniu zadania projektowania budynków z uwzględnieniem kryteriów wpływu drgań na ludzi

w budynkach podano podczas prezentacji referatu.

Podsumowanie

Przykłady przedstawione w opracowaniu stanowią dobrą ilustrację możliwości stosowania metody pomiarowo-

interpretacyjnej opracowanej w IMB Politechniki Krakowskiej. Stwierdzamy zainteresowanie tą metodą badawczą ze

strony inwestorów i projektantów budynków zlokalizowanych w sąsiedztwie źródeł drgań komunikacyjnych. Jest ona

również zalecona do stosowania decyzjami władz samorządowych podejmowanymi w odniesieniu do miejscowych

planów zagospodarowania przestrzennego (por. np. [5]).

Literatura[1] PN-88/B-02171, Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach 1988, norma polska

[2] ISO 10137 Bases for design of structures – Serviceability of buildings and walkways against vibration, 2007,

International Organization for Standardization.

[3] Kawecki J., Stypuła K.: Metodyka pomiarowo- interpretacyjna wyznaczania modelu budynku przydatnego

w ocenie wpływu drgań parasejsmicznych na ludzi, Czasopismo Techniczne, 2007, z. 2-B, s. 39-46

[4] Kawecki J., Stypuła K.; Naruszenie wymagań dotyczących zapewnienia ludziom w budynku niezbędnego

komfortu wibracyjnego jako stan zagrożenia awaryjnego; Inżynieria i Budownictwo; Nr 5, 2011, str. 266-269

[5] Uchwała Nr LXXVII/2422/2006 Rady Miasta Stołecznego Warszawy z dnia 22 czerwca 2006 r. w sprawie

uchwalenia miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego regionu tzw. Dworca Południowego,

Dziennik Urzędowy Województwa Mazowieckiego Nr 146, poz. 4800

35

Numeryczne modelowanie efektu skali

w belkach betonowych ze zbrojeniem i bez zbrojenia

Jacek Tejchman – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected] Korol – Politechnika Gdańka, Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: beton, efekt skali, lokalizacja odkształceń, pola losowe, statystyka

Efekt skali jest nieodłączną cechą materiałów quasi-kruchych. Wytrzymałość nominalna, która jest miarą naprężenia

w chwili zniszczenia, maleje wraz ze wzrostem wymiarów próbki. Ponadto, przy rosnącym rozmiarze zmienia się zachowa-

nie konstrukcji od ciągliwej do kruchej. Dwa rodzaje efektu skali mają nadrzędne znaczenie dla belek betonowych oraz be-

tonowych zbrojonych [1, 2]: deterministyczny i statystyczny. Deterministyczny efekt skali jest spowodowany powstawaniem

strefy silnych lokalizacji odkształceń o pewnej skończonej objętości (tzw. stref pękania), która poprzedzają makro-rysy. Z

kolei statystyczny efekt skali powstaje wskutek przestrzennej zmienności/losowości lokalnej wytrzymałości materiału.

Przeprowadzono analizę MES belek betonowych bez karbu oraz belek betonowych zbrojonych prętami stalowy-

mi. Wyniki symulacji MES belek zbrojonych porównano z własnymi wynikami doświadczalnymi. Testy laboratoryj-

ne wykonano na smukłych belkach żelbetowych w skali naturalnej, zbrojonych podłużnie bez zbrojenia poprzecznego

na ścinanie. Belki poddano 4-punktowymu zginaniu przy stałej smukłości ścinania a/D=3.0. Belki były geometrycznie

podobne, skalowane w dwóch wymiarach: długość i wysokość, według stosunku 1:2:4. Symulacje MES wykonano przy

użyciu modelu deterministycznego, który zakłada jednorodny rozkład lokalnej wytrzymałości na rozciąganie, oraz mo-

delem statystycznym, gdzie lokalna wytrzymałość na rozciąganie opisana jest procesem probabilistycznym. W modelu

statystycznym MES zastosowano przestrzennie skorelowane pola losowe opisane rozkładem Gaussa. Do modelowania

zachowania betonu użyto izotropowy, sprężysto-plastyczny model z nielokalnym osłabieniem. Stal zbrojeniowa zdefi-

niowana była jako sprężysto-idealnie plastyczna wg von Missesa, a model kontaktu między stalą a betonem przyjęty zo-

stał za Akkermannem [3]. Symulacje MES [4] pokazały, że wzrost wysokości belki spowodował jej spadek wytrzymałości

nominalnej. W przypadku analizy deterministycznej, wytrzymałość nominalna dążyła do poziomej asymptoty (Rys.1).

Dalszy spadek zaobserwowano przy losowym rozkładzie lokalnej wytrzymałości na rozciąganie. Wartości średnie dąży-

ły do ukośnej asymptoty o nachyleniu -2/24 (w podwójnej skali logarytmicznej) określonej przez współczynnik Weibulla

m=24. Wyniki numeryczne były zgodne z analitycznym prawem efektu skali SEL Typu I wg Bazanta [2] w postaci de-

terministycznej i deterministyczno-statystycznej (Rys. 1). W analizie MES smukłych belek żelbetowych modelem deter-

ministycznym uzyskano bardzo dobrą zgodność wyników numerycznych i eksperymentalnych pod względem wartości

wytrzymałości nominalnej (Rys. 2a) oraz układu lokalizacji odkształceń na tle doświadczalnych rys (Rys. 2b). Wyniki

były zgodne z analitycznym prawem efektu skali Typu II wg Bazanta [1].

Rysunek 1. Wpływ wysokości belki betonowej D na wytrzymałość nominalna na zginanie fr.


36

Wytrzymałość nominalna na ścinanie zmalała o 40% gdy wysokość belki wzrosła czterokrotnie. Średnie wytrzy-

małości nominalnej na ścinanie były zawsze mniejsze od odpowiadającym im wartościom deterministycznym o oko-

ło 10%. Redukcja wytrzymałości średniej w modelu statystycznym była niezależna od wielkości belki. Tym samym

analiza MES wykazała, że efekt skali był głównie typu deterministycznego.

Rysunek 2. Wpływ wysokości belki żelbetowej D na wytrzymałość nominalną na ścinanie (A), obliczone lokalizacje odkształceń na tle rys z doświadczeń (B): a) D=16 cm, b) D=36cm, c) D=75 cm.

Literatura[1] Bazant Z., 1984. Size effect in blunt fracture: concrete, rock, metal. J. Engng. Mech. ASCE, 110:518-35

[2] Bazant Z., Novak D., 2001. Proposal for standard test of modulus of rupture of concrete with its size

dependence. ACI Materials Journal, 98(1):79–87.

[3] Akkermann, J., 2000. Rotationsverhalten von Stahlbeton-Rahmendecken. Dissertation, Universitat

Fridericana.

[4] Syroka-korol, E., Tejchman, J. And Mróz, Z., 2000. FE calculations of a deterministic and statistical size effect

in concrete under bending within stochastic elasto-plasticity and non-local softening. Engineering Structures

(w druku).


37

Nośność i stan wytężenia płyt betonowych

zbrojonych prętami z włókien bazaltowych

Piotr Korzeniowski – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected] Abramski – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected] Wesołowski – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: zbrojenie FRP, płyty betonowe, materiały kompozytowe, badania eksperymentalne

Wstęp

W ostatnich latach produkty kompozytowe zawierające włókna węglowe, szklane, aramidowe czy bazaltowe sto-

sowane są w konstrukcjach żelbetowych już nie tylko do wzmacniania jako taśmy czy maty, lecz również w postaci

prętów do zbrojenia betonu. Pomimo iż takie zalety kompozytów, jak wysoka wytrzymałość czy odporność korozyjna,

mogłyby zagrozić dominacji stali zbrojeniowej w budownictwie betonowym, z racji wysokiej ceny materiały te znaj-

dują zastosowanie jedynie sporadycznie.

W niniejszym artykule opisano dwie serie eksperymentów z płytami betonowymi zbrojonymi prętami z kompo-

zytu zawierającego włókna bazaltowe. Zastosowano zbrojenie bazaltowe w ilości około =1%, a więc odpowiadającej

zwykłym zastosowaniom w konstrukcjach żelbetowych.

Badania eksperymentalne płyt jednoprzęsłowych

Program badań

Wykonano dwie identyczne płyty o wymiarach 2900 mm x 900 mm x 80 mm, zbrojone dołem sześcioma prę-

tami, co dało procent zbrojenia ρ = 1,16%. Pręty do zbrojenia betonu o nominalnej średnicy 12 mm, wykonane

z kompozytu zawierającego włókna bazaltowe, miały zgodnie z danymi dostawcy wytrzymałość na rozciąganie

1100 MPa, a moduł sprężystości 90 GPa. Do wykonania elementów badawczych zamówiono beton na poziomie kla-

sy C30/37 (B37). Założone wymagania w zakresie podstawowych cech wytrzymałościowych betonu zostały przez

dostawcę w pełni spełnione.

Płyty badano w schemacie belki jednoprzęsłowej, obciążonej dwiema jednakowymi siłami skupionymi, przy czym

obciążenie zwiększano skokowo co 1,00 kN (w początkowej fazie) lub co 2,00 kN (w końcowej fazie). Wyczerpanie

nośności nastąpiło z uwagi na miażdżenie betonu w strefie ściskanej.

Wyniki badań

Z uwagi na fakt, że moduł sprężystości prętów bazaltowych (przyjęto 90 GPa) jest ponad dwukrotnie mniej-

szy od modułu sprężystości stali budowlanej (200 GPa), spodziewano się osiągnięcia znacznych ugięć badanych

elementów, co istotnie nastąpiło. Wyniki pomiaru ugięć płyt w środku rozpiętości pokazały niemal idealnie

prostoliniowy przebieg ugięć w funkcji obciążenia, a początkowe załamania wykresów pokryły się dokładnie

z momentami zarysowania płyt. Płyty osiągnęły bardzo duże ugięcia, wynoszące około 170 mm, tj. 1/15 roz-

piętości. Warto przy tym wspomnieć, że po odciążeniu płyt zachowały się one nadzwyczaj sprężyście, w dużym

stopniu powracając do stanu wyjściowego. Ugięcie trwałe po odciążeniu wyniosło około 35 mm, co stanowiło

nieco ponad 20% ich całkowitego ugięcia.

W każdej z płyt zainstalowano po trzy czujniki tensometryczne, usytuowane na trzech różnych prętach, w po-

łowie rozpiętości elementów. Pozwoliło to na wyznaczenie średnich odkształceń prętów zbrojeniowych i wzajemne

porównanie dla obu badanych płyt. Wszystkie tensometry obydwu płyt odkształcały się bardzo zgodnie (w przy-

bliżeniu liniowo) do poziomu około 5‰. Maksymalnym pomierzonym odkształceniom (od 5 do 6‰) odpowiadały

naprężenia rzędu 500 MPa, a więc zaledwie 50% nominalnej nośności prętów.


38

Badania eksperymentalne płyt dwuprzęsłowych

Program badań

W drugie serii badawczej wykonano dwie płyty o wymiarach 3600 mm x 900 mm x 80 mm, zbrojone dołem 11

prętami 8 mm (ρ = 0,94%) oraz górą nad podporami pośrednimi także 11 prętami. Rzeczywista średnica prętów

z kompozytu bazaltowego zastosowanych dla płyt tej serii badawczej odbiegała od średnicy nominalnej i wynosiła

około 7 mm. Podobnie jak w przypadku płyt jednoprzęsłowych beton przewidziany dla płyt dwuprzęsłowych spełnił

z zapasem założone wymagania klasy C30/37.

Płyty badano w schemacie belki dwuprzęsłowej, obciążonej dwiema jednakowymi siłami skupionymi, usytuowa-

nymi w środku przęseł. Różnica pomiędzy płytami polegała na fakcie, że w jednej zbrojenie podporowe wprowadzono

w przęsła na długość 50 cm, natomiast w drugiej – jedynie na długość 40 cm.

Wyniki badań

Wyniki pomiaru ugięć pokazały przebieg niemal prostoliniowy, z widocznym załamaniem wykresów pokrywają-

cym się z zaobserwowanymi momentami zarysowania płyt. Ugięcia osiągnięte przez płyty wyniosły około 40 mm, tj.

1/40 rozpiętości.

Pomiary tensometryczne wykazały, zgodnie z oczekiwaniami, że odkształcenia prętów w przekrojach podporowych

przewyższały w poszczególnych krokach obciążenia odkształcenia w przekrojach przęsłowych. Obydwa przekroje

przęsłowe wykazywały bardzo zbliżony do siebie poziom wytężenia. Podobnie jak było w płytach jednoprzęsłowych,

odczyty tensometrów sięgały poziomu 6‰. Po osiągnięciu tych odkształceń tensometry traciły zdolność do pomiaru.

Moment ten następował przy poziomie obciążenia od 43% do 77% siły niszczącej.

Niszczenie płyt dwuprzęsłowych następowało w sposób dość gwałtowny poprzez zniszczenie strefy ściskanej w be-

tonie w najsłabszym przęśle, w miejscu zakończenia górnych prętów podporowych. Różnice w sposobie zniszczenia

obydwu płyt wynikały głównie z faktu, że w jednej z płyt zastosowano krótsze pręty na podporach i właśnie ich wcześ-

niejsze odspojenie od betonu zdecydowało o wcześniejszym (i gwałtowniejszym) zniszczeniu tej płyty. Następstwem

tego procesu było ostatecznie złamanie prętów dolnych i częściowe lub też całkowite przełamanie się przęsła.

Wnioski i kierunki dalszych badań

Mechanizm niszczenia w obydwu seriach badawczych odpowiadał kruchemu miażdżeniu betonu w strefie ściska-

nej. Osiągnięto niezwykle duże wartości ugięć. Z tego względu w praktycznych zastosowaniach tego rodzaju płyt

można się spodziewać, że o nośności elementów zbrojonych prętami bazaltowymi decydować będzie głównie jakość

betonu i sposób zakotwienia prętów. Z tego też względu przy zastosowaniach praktycznych należałoby się zastanowić

nad przyjęciem ewentualnego dodatkowego częściowego współczynnika bezpieczeństwa dla betonu.

Wyjątkowo wysokie wartości ugięć, związane ze stosunkowo niskim modułem sprężystości prętów bazaltowych

(co najmniej dwukrotnie niższym niż dla prętów stalowych), wykluczają zastosowanie zbrojenia bazaltowego jako

prostej alternatywy dla zbrojenia stalowego w konstrukcjach budowlanych. Zmniejszenie ugięć można by uzyskać

wprawdzie przez znaczne przezbrojenie zginanych elementów żelbetowych wkładkami bazaltowymi, ale wówczas wa-

lory ekonomiczne kompozytowych prętów bazaltowych stracą na znaczeniu.

Zdecydowanie atrakcyjniejszym polem zastosowania zbrojenia bazaltowego w konstrukcjach budowlanych wydają

się być konstrukcje poddane obciążeniom udarowym. Ugięcie przebadanych elementów, choć niezwykle duże, mia-

ło charakter nadzwyczaj sprężysty. Zdolność płyt zbrojonych prętami bazaltowymi do tak dużych i powtarzalnych

deformacji przywodzi na myśl analogię do lin otaczających ring bokserski. Wydaje się, że potencjalnym polem za-

stosowań tego typu konstrukcji mogłyby być elementy ochronnych barier drogowych lub płyty fasadowe budynków

narażonych na obciążenia udarowe [2]. Stosunkowo cienkie płyty betonowe zbrojone prętami bazaltowymi, osadzone

na słupkach mocowanych w podłożu gruntowym czy betonowym mogłyby stanowić interesującą alternatywę do zy-

skujących obecnie na popularności linowych barier drogowych.

Literatura[1] PN-EN 1992-1-1:2008. Eurokod 2. Projektowania konstrukcji z betonu. Część 1-1: reguły ogólne i reguły dla

budynków. PKN Warszawa 2008.

[2] Starr C.M., Krauthammer T.: Cladding-Structure Interaction under Impact Loads. ASCE Journal of Structural

Engineering, 08/2005.


39

Czynniki wpływające na nośność belek

betonowych zbrojonych prętami kompozytowymi

Piotr Szymczak – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Paweł Olbryk – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Chołostiakow – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Maciej Krawczyk – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: Zbrojenie FRP, szkło, bazalt, belka betonowa, zginanie

Wprowadzenie

Liniowo-sprężysta charakterystyka wytrzymałościowa prętów kompozytowych FRP (Fiber Reinforced Po-

lymer) powoduje, że nie można liczyć na plastyczne odkształcenia zbrojonych nimi zginanych belek żelbetowych.

Oznacza to bardzo nikłą zdolność takich elementów do redystrybucji sił wewnętrznych, w przeciwieństwie do

belek zbrojonych stalą.

Nośność betonowych belek zbrojonych prętami FRP zależy od wielu czynników, z których za najważniejsze trzeba

uznać [1, 2, 3]:

• wytrzymałość i odkształcenia graniczne prętów przy rozciąganiu,

• przyczepność do betonu,

• stopień zbrojenia podłużnego,

• wytrzymałość betonu na ściskanie i graniczne odkształcenia betonu εcu,

• stopień zbrojenia poprzecznego i kształt tego zbrojenia (strzemiona, spirala),

a także wytrzymałość FRP na ściskanie, w odniesieniu do prętów umieszczonych w ściskanej strefie przekroju.

Na rysunku 1 przedstawiono przykładowe wyniki obliczeń, ilustrujące wpływ niektórych z tych parametrów na

nośność przy zginaniu. Obliczenia wykonano przyjmując płaski stan odkształcenia przekroju, nieliniowe zależności

σ-ε dla betonu i stali zbrojeniowej, liniową zależność dla prętów FRP oraz zasadę tension stiffening. Rozważono prze-

krój prostokątny, zbrojony tylko w strefie rozciąganej, przy różnych stopniach zbrojenia.

Rys. 1. Wpływ na nośność zginania: (a) rodzaju zbrojenia (stal, szkło, bazalt) i stopnia zbrojenia przekroju ρ= Af/(bd);(b) granicznych odkształceń betonu εcu

Stopień zbrojenia potraktowano geometrycznie, jako ρ = A/(bd), nie uwzględniając różnych charakterystyk wy-

trzymałościowych rozważanych materiałów. Przyjęto wytrzymałość betonu fck = 25MPa (rys. 1a) oraz dwa graniczne

odkształcenia betonu – jak dla betonu zwykłego i np. lekkiego kruszywowego (rys. 1b). Można zauważyć wyraźny

a) b)


40

wpływ wszystkich trzech parametrów – rodzaju zbrojenia rozciąganego, stopnia zbrojenia przekroju oraz graniczne-

go odkształcenia betonu strefy ściskanej – na nośność przy zginaniu. Istotny jest zwłaszcza wpływ odkształcalności

ściskanego betonu, chociaż niekorzystny w odniesieniu do zarysowania.

Badania doświadczalne

Badania objęły 4 belki, w których wyeksponowano wpływ rodzaju prętów FRP i stopnia zbrojenia podłużnego na

nośność (rys. 2 i tabl. 1). Zbrojenie podłużne ściskane i strzemiona wykonano z prętów stalowych RB500W.

Kolejne dwie belki zaprojektowano tak, aby móc ocenić efekty zastosowania strzemion FRP w postaci spirali lub

strzemion dwuciętych o kształcie tradycyjnym. Zbrojenie podłużne i część strzemion wykonano ze stali.

Jako zbrojenie dwóch ostatnich belek, zarówno podłużne (dolne i górne) jak i poprzeczne, zastosowano pręty FRP

zawierające włókna szklane. Ogółem badania objęły zatem 8 belek, o rozpiętości w osiach podpór 3,00m.

Rys. 2. Zbrojenie belek eksponujące efekty zastosowania prętów FRP jako zbrojenia rozciąganego

Wymiary belki Zbrojenie podłużne FRPStopień

zbrojenia (-)

Cechy FRP

Lp. Przekrój (mm)

Długość (mm) Materiał Liczba

prętów (-)Średnica

nominalna (mm)

Pole przekroju

(mm2)εcu

1G2G1B2B

300x150300x150300x150300x150

3500350035003500

SzkłoSzkłoBazaltBazalt

3223

51179

5919077

191

0,00140,00460,00180,0046

25‰25‰25‰25‰

Tablica 1. Charakterystyka belek badanych ze względu na nośność zginania

Strzemiona kompozytowe nie mogą być oczywiście wyginane na

budowie, tak jak stalowe. Ze względów technologicznych wytwór-

nie FRP kształtują pręty w postaci spirali. Po rozciągnięciu spirali

otrzymuje się strzemiona pochylone względem podłużnej osi belki

(rys. 3).

Badania dofinansowane z funduszy projektu UE „Innowacyj-

ne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości

obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii

zrównoważonego rozwoju”, za co autorzy serdecznie dziękują.

Literatura[1] ACI 440.3R-04, “Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars”

[2] fib Bulletin 40, “FRP reinforcement in RC structures”, September 2007

[3] Waśniewski T., Sowa Ł., Kamińska M., „Konsekwencje stosowania prętów kompozytowych FRP jako zbrojenia

betonu”, Inż. i Bud., Nr 11/2006, pp. 591-594

Rys. 3. Strzemiona GFRP w postaci spirali


41

Zastosowanie modelu połączonego MES do symulacji

lokalizacji i rys w betonie

Jerzy Bobiński – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected] Tejchman – Politechnika Gdańska, Gdańsk, tejchmk@ pg.gda.pl

Słowa kluczowe: beton, lokalizacja, rys, MES

Problem

Modelowanie inicjacji i rozwoju rys w betonie jest zagadnieniem bardzo skomplikowanym. Na początku procesu

tworzenia się rysy pojawia się obszar z wieloma równoległymi mikro-rysami. Wraz ze wzrostem obciążenia mikro-

rysy rozwijają się w jedną dyskretną makro-rysą. Zatem dokładne opisanie całego procesu wymaga uwzględnienia

obu tych faz. W symulacjach numerycznych elementów betonowych stosuje się zazwyczaj tylko jedno z dwóch podejść

do opisu rys.

Pierwsza grupa modeli bazuje na zasadach mechaniki kontinuum, które symulują zachowanie betonu po utworze-

niu lokalizacji odkształceń i makro-rys. Do tej grupy należą prawa konstytutywne betonu stosujące teorię plastyczno-

ści, ciągłą mechanikę uszkodzeń, modele rys rozmytych lub łączące plastyczność z degradacją sztywności. Ze względu

na uwzględnianie osłabienia wymagają one zdefiniowania długości charakterystycznej mikrostruktury stosując np.

teorię nielokalną (typu gradientowego lub całkowego) lub tłumienie.

Drugie podejście pomija występowanie fazy mikro-rys modelując jedynie makro-rysy ze skokami przemieszczeń.

Rozwiązanie klasyczne polega na zastosowaniu elementów interfejsowych wzdłuż krawędzi elementów skończonych.

Nowe teorie pozwalają na definicję skoków pola przemieszczeń także wewnątrz elementów skończonych wykorzystu-

jąc podejście silnej nieciągłości (SDA – Strong Discontinuity Approach) lub rozszerzoną metodę elementów skończo-

nych (XFEM – eXtended Finite Element Method).

Symulacje MES

Modele dotychczas stosowane przez autorów w większości przypadków należały do pierwszej grupy praw konsty-

tutywnych zdefiniowanych w ramach mechaniki kontinuum. Bazowały one na teorii plastyczności stosując kryterium

Rankine’a oraz Druckera-Pragera z krzywymi wzmocnienia/osłabienia do opisu zachowania się betonu w rozciąganiu

i ściskaniu. Alternatywne sformułowania wykorzystywały izotropowymi model degradacji sztywności z różnymi

miarami odkształcenia efektywnego. W obu przypadkach stosowano jako metodę regularyzacji teorię nielokalną typu

całkowego [1, 2].

W ramach niniejszego projektu badawczego wykorzystano rozszerzoną metodę elementów skończonych

(XFEM) dla materiałów kohezyjnych [3, 4]. Przeprowadzone symulacje wykazały generalnie skuteczność tej me-

tody w odwzorowywaniu zachowania się betonu. Pokazały również zasadnicze znaczenie algorytmu wyznacza-

nia kierunku propagacji rys. Niestety zastosowane algorytmy lokalne, jak również zaproponowane w literaturze

inne podejścia (np. algorytm globalnego śledzenia) nie zawsze gwarantują uzyskanie poprawnej morfologii rys.

Jednym z takich sytuacji jest test doświadczalny Nooru-Mohameda [5] dla dużych wartości poziomej siły ścina-

jącej. Na rys. 1 przedstawiono mapy rys otrzymane z eksperymentu (lewo), symulacji z wykorzystaniem prawa

sprężysto-plastycznego z nielokalnym osłabieniem (środek) oraz podejścia XFEM (prawo). O ile model ciągły

(np. model mechaniki uszkodzeń) poprawnie odzwierciedla trajektorię rys, to w przypadku metody XFEM

otrzymane rysy są zbyt zakrzywione [6, 7].

Model połączony

Sposobem na poprawę wyznaczenia kierunku ewolucji rys i opisu powstawania lokalizacji odkształceń i rys jest

połączenie mieszane ciągłe i nieciągłe. Pozwoli ono na wykorzystanie praw ciągłych do zdefiniowania poprawnego


42

kierunku rozwoju rys z lokalizacji odkształceń. Implementowane obecnie podejście bezpośrednio łączy modele pla-

styczne lub mechaniki uszkodzeń z nielokalnym osłabieniem z metodą XFEM [8, 9]. Do przyjęcia momentu przejścia

fazy ciągłej w nieciągłą zostaną wykorzystane wyniki prowadzonych w Katedrze obszernych badań eksperymental-

nych dotyczących pomiarów pól przemieszczeń w betonowych elementach zginanych z wykorzystaniem metody DIC

(Digital Image Correlation) [10].

Rys. 1. Test Nooru-Mohameda [5]: pomierzona w doświadczeniach mapa rys (a), wynik numeryczny dla modelu sprężysto-plastycznego z nielokalnym osłabieniem (b) oraz wynik numeryczny dla rozszerzonej

metody elementów skończonych (c)

Literatura[1] Brinkgreve R., Geomaterial models and numerical analysis of softening, PhD Thesis, TU Delft, 1994.

[2] Pijaudier-Cabot G., Bažant Z.P., “Nonlocal damage theory”, Journal of Engineering Mechanics ASCE, Vol. 113,

No. 10, 1987, pp. 1512-1533.

[3] Möes N., Belytschko T., “Extended finite element method for cohesive crack growth”, Engineering Fracture

Mechanics, Vol. 69, No. 7, 2002, pp. 813–833.

[4] Wells G.N., Sluys L.J., “A new method for modelling cohesive cracks using finite elements”, International

Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 50, No. 12, 2001, pp. 2667–2682.

[5] Nooru-Mohamed M.B., Mixed mode fracture of concrete: an experimental research, PhD Thesis, TU Delft,

1992.

[6] Bobiński, J., Tejchman J., “Simulations of fracture in concrete elements using continuous and discontinuous

models”, Mechanics and Control, Vol. 30, No 4, 2011, pp. 183-192.

[7] Bobiński, J., Tejchman J., “Application of eXtended Finite Element Method to cracked concrete elements

– numerical aspects”, Archives of Civil Engineering, under review.

[8] Wells G.N., Sluys L.J., De Borst R., “Simulating the propagation of displacement discontinuities in

a regularized strain-softening medium”, International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 53,

No. 5, 2002, pp. 1235-1256.

[9] Simone A., Wells G.N., Sluys L.J., “From continuous to discontinuous failure in a gradient-enhanced

continuum damage model”, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 192, No. 41-42,

2003, pp. 4581-4607.

[10] Skarżyński Ł., Syroka E., Tejchman J., “Measurements and calculations of the width of the fracture process

zones on the surface of notched concrete beams”, Strain, Vol. 47, No. s1, 2011, pp. e391-e322.


43

Dyskretne modelowanie betonu na poziomie kruszywa

Jan Kozicki – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected] Michał Nitka – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected] Tejchman – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: metoda elementów dyskretnych (DEM), metoda beleczkowa, beton, poziom mezo

Wstęp

W celu realistycznego opisu zachowania się mechanicznego betonu, który jest materiałem silnie niejednorodnym

i nieliniowym, należy wziąć pod uwagę jego mikrostrukturę. Wielkość, kształt, typ, zagęszczenie i ułożenie kruszywa

mają decydujący wpływ na zachowanie się betonu w skali makro. W tym artykule zostaną omówione dwie przestrzen-

ne metody dyskretne typu jawnego do opisu betonu podczas ściskania, rozciągania i zginania: metoda elementów

dyskretnych (DEM) oraz metoda beleczkowa (lattice).

Metoda elementów dyskretnych polega na modelowaniu kruszywa i zaczynu cementowego za pomocą sztywnych

elementów, które wchodzą ze sobą w interakcje wg stycznego prawa kontaktu sprężysto-plastycznego Mohra-Coulom-

ba z kohezją między kruszywem oraz sprężystego normalnego prawa kontaktu [1].

Nasza metoda beleczkowa [2] różni się od klasycznych modeli beleczkowych [3] złożonych z belek połączonych

sztywnymi węzłami tym, że nie tworzy się globalnej macierzy sztywności, a obliczenia opierają się na zmianie geome-

trii układu belek tworzących kruszywo, zaczyn cementowy oraz strefy przejściowe między kruszywem a zaczynem

(do obliczeń przyjmuje się deformacje geometryczne elementów oraz bezwymiarowe parametry sztywności na roz-

ciąganie, ściskanie, zginanie i skręcanie). Elementy belkowe są traktowane, jako segmenty liniowe Dzięki temu czas

obliczeń jest znacznie zredukowany. W przypadku, kiedy zostaje przekroczone lokalne odkształcenie graniczne, to

element belkowy siatki zostaje usunięty, co umożliwia propagacje rysy w systemie beleczek.

Wyniki numeryczne

W obliczeniach DEM dla betonu kruszywo miało średnicę od 2 mm do 16 mm. Współczynnik Poissona wynosił

v=0.2 a moduł Younga 38 GPa. Kąt tarcia wewnętrznego był równy 14o. Próbki jednoosiowo ściskane modelowane

były jako kwadraty o boku 10 cm, natomiast próbki rozciągane miały kształt tzw. „psiej kości” o wysokości 15cm

i szerokości 6-10 cm w celu porównania wyników z doświadczeniami van Miera i van Vlieta [4], [5]. Dla ściskania

jednoosiowego przyjęto kohezję wewnętrzną równą 2.5 MPa i wytrzymałość na rozciąganie 1.25 MPa, natomiast dla

rozciągania jednoosiowego przyjęto odpowiednio 1.0 MPa i 0.5 MPa. Wyniki z rys.1 pokazują, że krzywe numeryczne

i doświadczalne naprężenie-odkształcenie są do siebie zbliżone – model numeryczny daje zbyt kruchą odpowiedź

betonu na rozciąganie z uwagi na brak małej frakcji kruszywa <2 mm.

Rys.1: Porównanie krzywej naprężenie-odkształcenie z obliczeń 2D DEM i doświadczeń laboratoryjnych: ściskanie jednoosiowe, b) rozciąganie jednoosiowe


44

Obliczenia dla betonu metodą beleczkową wykonano dla kwadratu z nacięciem o wymiarze boku 10 cm poddanej

jednoosiowemu rozciąganiu (rys. 2) oraz dla belki 8x32 cm2 poddanej trójpunktowemu zginaniu (rys. 3) z krzywą

uziarnienia na rys. 2b. Średnia długość beleczki siatki wynosiła 0.3 mm (kostka) i 1 mm (belka). Objętościowa zawar-

tość kruszywa o średniej średnicy ziarna 3.5 mm była równa w betonie 50%. Obliczony obraz propagacji rys w elemen-

tach betonowych (rys. 2a i 3) jest bardzo zbliżony do doświadczeń.

Rys. 2. Metoda beleczkowa (obliczenia 2D): próbka z nacięciem poddana jednoosiowemu rozciąganiu (materiał trójfazowy) (σ22 – naprężenie pionowe, ε22 – odkształcenie pionowe); a) postać zniszczenia;

b) krzywa uziarnienia; c) obliczona krzywa naprężenie-odkształcenie

Rys. 3. Metoda beleczkowa (obliczenia 2D): obliczona rysa powstała w belce o wysokości 8 cm i długości 32 cm poddanej trzypunktowemu zginaniu.

Wyniki obliczeń metodami dyskretnymi w porównaniu z wynikami doświadczalnymi pokazują, że obie metody

są niezwykle użytecznymi narzędziami numerycznymi badania zjawisk mezoskopowych zachodzących na poziomie

kruszywa i wpływających na globalne zachowanie się betonu.

Literatura[1] Kozicki J., Tejchman J., Mróz Z., “Effect of grain roughness on strength, volume changes, elastic and

dissipated energies during quasi-static homogeneous triaxial compression using DEM”, Granular Matter 14,

4, 2012, pp. 457-468.

[2] Kozicki J., Tejchman J., “Effect of Aggregate Structure on Fracture Process in Concrete Using 2D Lattice

Model”, Archives of Mechanics, Vol. 59, No. 4-5, 2007, pp. 365-384.

[3] Van Mier J.G.M., Schlangen E., Vervuurt A., “Lattice Type Fracture Models for Concrete”, Continuum Models

for Materials with Microstructure (H.B. Muehlhaus, ed.), John Wiley&Sons, 1995, pp. 341-377.

[4] Van Mier J.G.M., “Multiaxial strain-softening of concrete”, Materials & Structures 19, 1986, pp. 179-200.

[5] Van Vliet M.R.A., Van Mier, J.G.M., “Experimental investigation of size effect in concrete and sandstone

under uniaxial tension”, Engineering Fracture Mechanics 65, 2000, pp. 165-188.


45

Podejście dwuskalowe do modelowania betonu

Michał Nitka – Politechnika Gdańsk, Gdańsk, [email protected]Łukasz Skarżyński – Politechnika Gdańsk, Gdańsk, [email protected] Tejchman – Politechnika Gdańsk, Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: metoda elementów dyskretnych (DEM), metoda elementów skończonych (MES), mikrostruktura, lokalizacja odkształceń, podejście dwuskalowe

Wstęp

Zrozumienie mechanizmu zjawiska zarysowania w betonie jest niezwykle ważne dla określenia nośności elemen-

tów betonowych bez i ze zbrojeniem. Zjawisko zarysowania zależy w silnym stopniu od niejednorodnej struktury be-

tonu. Fakt uwzględnienia w obliczeniach mikrostruktury betonu jest jednak związany z koniecznością zastosowania

bardzo dużej ilości elementów skończonych w obliczeniach MES, co prowadzi do długiego czasu obliczeń. Rozwią-

zaniem powyższego problemu jest zastosowanie dwuskalowej techniki homogenizacji polegającej na określeniu cech

mechanicznych betonu na poziomie skali makro na podstawie zachowania się betonu na poziomie skali mezo.

Podejście dwuskalowe

Na poziomie skali makro beton jest opisany przy zastosowaniu MES, natomiast na poziomie skali mezo beton

opisany jest modelem elementów dyskretnych (DEM) Rys. 1 [1]. Wyniki naprężeń i odkształceń z metody DEM w re-

prezentatywnej objętości elementu w punktach całkowania Gaussa MES pozwalają obliczyć globalną macierz sztyw-

ności, na podstawie której wyznacza się makroskopowy związek konstytutywny dla materiału.

Rys. 1. Podejście dwuskalowe do opisu zachowania się betonu [1]

Rysunek 2 przedstawia przykładowe wyniki dla ściskania dwuosiowego bez zmian objętościowych [2]. Wyniki

dwuskalowe są podobne do wyników dyskretnych dla całej próbki.

Doświadczenia laboratoryjne

W celu zbadania wpływu mikrostruktury na zjawisko zarysowania wykonano testy trzypunktowego zginania na-

ciętych belek betonowych bez i ze zbrojeniem stalowym i nie stalowym ciągłym i rozproszonym [3]. Analizowano

wpływ mieszanki betonowej, kształtu ziaren kruszywa, zawartości objętościowej ziaren kruszywa, krzywej uziar-


46

nienia oraz ilości zbrojenia. Szerokość, długość i kształt strefy lokalizacji oraz szerokość rys pomierzono przy użyciu

metody korelacji obrazów cyfrowych (DIC), która jest nieinwazyjną, optyczną metodą służącą do pomiaru przemiesz-

czeń na powierzchni materiału na podstawie analizy zdjęć wykonanych profesjonalnym aparatem cyfrowym.

Rysunek 2: Dwuskalowe obliczenia testu dwuosiowego bez zmian objętości [2] (Eyy – pionowe odkształcenie normalne, q – naprężenie dewiatorowe, p’ – średnie naprężenie efektywne)

Obliczenia wpływu mikrostruktury

W obliczeniach MES beton został opisany jako ciągły, niejednorodny materiał trzyfazowy składający się z cementu,

kruszywa i stref przejściowych pomiędzy cementem a kruszywem [4]. Ziarna kruszywa rozmieszczone zostały w za-

czynie cementowym stochastycznie, zgodnie z krzywą uziarnienia. Do opisu lokalizacji odkształceń użyto izotropo-

wego modelu z degradacją sztywności z jednym skalarem zniszczenia. Dla właściwego opisu lokalizacji odkształceń

model ciągły rozszerzono o długość charakterystyczną mikrostruktury lc przy zastosowaniu teorii nielokalnej. Beton

modelowany był jako materiał niejednorodny (trzyfazowy) w najbliższym sąsiedztwie występowania stref lokalizacji

odkształceń i jednorodny w pozostałym obszarze. W obliczeniach MES analizowany był wpływ kształtu, wielkości,

rozkładu losowego, sztywności oraz zagęszczenia kruszywa. Ponadto zbadano numerycznie wpływ szerokości strefy

przejściowej, obecności nacięcia i długości charakterystycznej mikro-struktury na zachowanie betonu.

Wpływ szerokości strefy przejściowej między zaczynem cementowym a ziarnami kruszywa na strefę lokalizacji

belki betonowej (80x320 mm2) w obliczeniach MES został pokazany na Rys. 3 w porównaniu z pomierzoną doświad-

czalnie strefą lokalizacji na powierzchni betonu.

Rysunek 3: Obliczony numerycznie rozkład odkształceń w belce betonowej nad nacięciem dla szerokości strefy przejściowej między kruszywem a zaczynem cementowym: a) 0.25 mm, b) 0.75 mm (objętość kruszywa 45%

i długość charakterystyczna mikro-struktury 1.5 mm) oraz c) strefa lokalizacji w belce betonowej nad nacięciem przy zastosowaniu metody DIC) [3]

Literatura[1] Nitka M., Combe G., Dascalu C., Desrues J. “Two-scale modeling of granular materials: a DEM-FEM

approach”. Granular Matter 13, 277-281, 2011.

[2] Nitka M., Tejchman J. “A two-scale numerical approach to granular systems”. Archives of Civil Engineering

LVII, 3, 313- 330, 2011.

[3] Skarżynski Ł., Syroka E., Tejchman J. “Measurements and calculations of the width of fracture process zones

on the surface of notched concrete beams”. Strain 47, 319-322, 2011.

[4] Skarżyński Ł., Tejchman J. „Calculations of fracture process zones on meso-scale in notched concrete beams

subjected to three-point bending”. European Journal of Mechanics A/Solids 29, 746-760, 2010.


47

Makroskopowe modelowanie betonu

w obszarze dynamicznym

Ireneusz Marzec – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected] Tejchman – Politechnika Gdańsk, Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: lokalizacja odkształceń, model MES betonu, nośność, obciążenia dynamiczne

Wstęp

Beton, będący jednym z podstawowych materiałów budowlanych charakteryzuje się bardzo złożonymi właściwoś-

ciami mechanicznymi, które w sposób zasadniczy zależą od prędkości deformacji. Współczynnik wzrostu wytrzy-

małości przy ściskaniu może wynosić 3, a przy rozciąganiu nawet 10 [1]. Zmiana właściwości mechanicznych betonu

pod obciążeniem dynamicznym wynika ze zmiany sposobu zniszczenia. Dla małych i średnich prędkości o nośności

betonu decyduje obecność wody w kapilarach, a w przypadku dużych prędkości siły bezwładności i fragmentaryza-

cja struktury. Celem prowadzonych prac badawczych jest sformułowanie numerycznego modelu konstytutywnego

do opisu betonu pozwalającego na symulowanie pracy elementów betonowych oraz zbrojonych w szerokim zakresie

prędkości obciążeń na podstawie wyników doświadczalnych.

Model betonu

W pierwszym etapie sformułowano model betonu oparty na połączeniu sprężysto-plastyczności z izotropową

degradacją sztywności [2], rys. 1. Model zweryfikowano w oparciu o dostępne w literaturze badania doświadczal-

ne. W drugim etapie rozszerzono model o sformułowanie lepkie typu Duvaut–Lions. Lepkość wprowadzona została

poprzez aktualizacje naprężeń oraz parametru osłabienia wyznaczonych w obszarze „nielepkim”. Jako regularyzację

wykorzystano zarówno lepkość jaki i teorię nielokalną. W celu weryfikacji modelu wykonano obliczenia numeryczne

dla próbek jednoosiowo ściskanych i rozciąganych z różną prędkością obciążenia. Obliczenia wykonano z uwzględ-

nieniem sił bezwładność z prędkością odkształceń od =10-5 1/s do =102 1/s. Wyniki obliczeń numerycznych porów-

nano z doświadczeniami oraz zaleceniami CEB [1] (Rys. 2).

Rys. 1. Odpowiedź połączonego modelu numerycznego sprężysto-plastycznego z degradacją sztywność podczas ściskania cyklicznego w porównaniu z doświadczeniem wg Karsana i Jirsy [3]

Uzyskany w obliczeniach wzrost nośności wraz ze wzrostem prędkości obciążenia jest niewystarczający w obszarze

małych i średnich prędkości. Zwiększanie lepkości prowadzi to poprawy zgodności tylko w obszarze średnich pręd-


48

kości. Dla największych prędkości obliczony efekt dynamiczny jest znacząco przeszacowany. W obliczeniach badano

również wpływ dodatkowej modyfikacji naprężeń w celu uwzględnienia wpływu prędkości obciążenia na rozwój mi-

kro-rys [4]. Zastosowanie modyfikacji poprawia zgodność uzyskanych wyników z danymi doświadczalnymi.

Rys. 2. Wyniki obliczeń dynamicznych wzrostu nośności przy zastosowaniu modelu sprężysto-lepko-plastycznego z nielokalnym osłabieniem dla betonowych próbek: a) ściskanych i b) rozciąganych

Badania doświadczalne

Równolegle do prac nad modelem numerycznym betonu prowadzone są badania doświadczalne. Ich celem jest wery-

fikacja i kalibracja modelu betonu. W badaniach analizowany jest wpływ prędkości obciążenia na nośność elementów

oraz kształt i wielkość stref lokalizacji odkształceń w belkach bez zbrojenia i ze zbrojeniem poddanych zginaniu trzy-

punkowemu (rys. 3a). Do rejestracji powstania i rozwoju stref lokalizacji wykorzystuje się technikę cyfrowej korelacji

obrazu DIC. Belki obciążane są różną prędkością od 0.0005 mm/s do 5 mm/s. Wyniki pokazują wzrost wartości siły

niszczącej wraz ze wzrostem prędkości obciążania (rys. 3b). W kolejnym etapie planowane są także testy zmęczeniowe.

Rys. 3. Wyniki wstępnych badań dynamicznych dla belek betonowych zginanych trzy-punkowo: a) geometria belki oraz obraz lokalizacji nad nacięciem uzyskany techniką cyfrowej korelacji obrazu (DIC),

b) wykresy siła-przemieszczenie dla różnych prędkości obciążania

Literatura[1] Javier Malvar, L., Crawford, J.E., “Dynamic Increase factors for concrete”, Twenty-Eighth DDESB Seminar,

Orlando, FL, 1998.

[2] Marzec I., Tejchman J., “Enhanced coupled elasto-plastic-damage models to describe concrete behaviour in

cyclic laboratory tests: comparison and improvement”. Arch. Mech., 64, 3, 2012, pp. 227–259.

[3] Karsan D, Jirsa J. O., “Behavior of concrete under compressive loadings”. J. Struct. Div. ASCE 95, 1969, pp.

2543-2563.

[4] Bazant Z. P., Caner F. C., Adley M. D., “Fracturing rate effect and creep in microplane model for dynamics”.

Journal of Engineering Mechanics ASCE, Vol. 126, No. 9, 2004, pp. 962-970.


49

Model kompatybilności powłok ochronnych typu pcc

w świetle wymagań normy PN-EN 1504-2

Andrzej Garbacz – Politechnika Warszawska, Warszawa, [email protected]

Słowa kluczowe: ochronna powierzchniowa betonu, powłoka PCC, kompatybilność

Wprowadzenie

Jednym ze sposobów zapewnienia niezawodności i trwałości w odniesieniu do konstrukcji nowowznoszonych, jak i kon-

strukcji istniejących naprawianych, jest ochrona powierzchniowa, np. poprzez nałożenie powłok ochronnych [1,2]. W tym

przypadku szczególną rolę odgrywa odpowiedni dobór parametrów powłoki tak, aby zapewnić jej kompatybilność z pod-

łożem w przewidywanych warunkach użytkowania [2,3]. Opracowane dotychczas model kompatybilności powłoki został

sformułowany dla powłok o stosunkowo wysokiej wytrzymałości na rozciąganie – powyżej 8 MPa [2]. Obecnie najczęś-

ciej w ochronie powierzchniowej stosuje się uelastycznione powłoki polimerowo-cementowe. Charakteryzują się one niską

wartością wytrzymałości na zerwanie ok. 1MPa, niskim modułem sprężystości oraz dużym wydłużeniem przy zerwaniu

– powyżej 15%. Wykazują również stosunkowo niską przyczepność do podłoża – ok. 0,8 MPa. Zgodnie z PN-EN 1504-2

przyczepność powłok ochronnych do podłoża betonowego powinna być wyższa od 0,8 MPa lub 1,5 MPa w przypadku ob-

ciążenia ruchem. Konsekwencją wartości cech mechanicznych jest fakt, iż uprzednio sformułowany model kompatybilności

dla powłok z założenia nie jest spełniony, w szczególności w odniesieniu do warunku określającego przyczepność powłoki

do podłoża betonowego. Celem niniejszych badań była modyfikacja dotychczasowego modelu kompatybilności powłok

typu PCC wykorzystywanego w komputerowych symulacjach przestrzeni dobrej współpracy.

Materiał

Badanie przeprowadzono dla handlowo dostępnej dwuskładnikowej elastycznej powłoki wodoszczelnej typu PCC

(tabl. 11). Powłokę otrzymuje się po zmieszaniu składnika A, który stanowi mieszanina cementów z wypełniaczami

mineralnymi i modyfikatorami, ze składnikiem B, którym jest wodna dyspersja polimerów oraz wodą (W) w proporcji

A/(B+W) = 2,5/1. Powłoka ta służy do uszczelniania przeciwwodnego i przeciwwilgociowego niezasolonych podłoży

mineralnych. Ponieważ jest elastyczna, można ją stosować zarówno na podłoża odkształcalne i nieodkształcalne. Jest

odporna na parcie negatywne. Opóźnia proces karbonatyzacji i stanowi skuteczną ochronę antykorozyjną żelbetu.

Powłoka spełnia także wymagania izolacji typu lekkiego, średniego i ciężkiego.

Symulacja przestrzeni kompatybilności dla elastycznych powłok PCC

Celem przeprowadzonych symulacji komputerowych przy wykorzystaniu nowego programu opracowanego

w ramach projektu była analiza wpływu wybranych parametrów powłoki ochronne PCC i podłoża betonowego na

kształtowanie się przestrzeni kompatybilności, a mianowicie: grubość powłoki, rodzaj podłoża (zarysowane i nieza-

rysowane), szerokość rozwarcia rysy i jej zmiana, gradient temperatury.

Symulacje przeprowadzono dla podłoży betonowych dwóch klas wytrzymałości na ściskanie:

• beton klasy C20/25 (ftc=1,5 MPa, Etc=30000 MPa, αTc= 10-5 1/K, λc=1,5 W/mK );

• beton klasy C40/50 (ftc=2,5 MPa, Etc=35000 MPa, αTc= 10-5 1/K, λc=1,5 W/mK).

Symulację przeprowadzono dla dwóch różnych podłoży z betonu. Pierwsze podłoże było już zarysowane rysą sze-

rokości wmax, a jedynym zmiennym parametrem była zmiana szerokości rozwarcia rysy Δw. Drugie podłoże dla któ-

rego przeprowadzono symulacje nie było zarysowane, jednak założono że powstanie w nim rysa o szerokości wmax po

nałożeniu powłoki. Zmiana szerokości rozwarcia rysy została przyjęta tak jak dla podłoża już zarysowanego. Parame-

try charakteryzujące zarysowanie podłoża były takie same dla obu podłoży:

• maksymalna szerokość rozwarcia rysy, wmax: 0,1 mm ; 0,3 mm ; 0,5 mm;

• zmiana szerokości rozwarcia rysy, Δw: 0,1 mm, 0,3 mm, 0,2 mm;

• gradient temperatury: ΔT = 20; 40; 60K


50

W modelu kompatybilności stosowanym dla powłok ochronnych zmodyfikowano warunek dotyczący przyczepno-

ści przyjmując następujący:

Przykładowe przestrzenie kompatybilności dla różnych warunków pracy powłoki przedstawiono na rys. 1.

Rys.1. Podprzestrzenie kompatybilności dla powłoki PCC o grubości 3 mm nałożonej na podłoże betonowe C20/25 (u góry) i C40/50 (u dołu); szerokość rysy odpowiednio od lewej:

wmax = 0.1, 0.3, 0.5 mm; we wszystkich wariantach: Δw = 0,1mm, gradient temperatury ΔT = 40K

Wnioski

Na podstawie wykonanej analizy można sformułować następujące główne wnioski:

1. Symulacje przeprowadzone na podłożu niezarysowanym wskazują, że zapewnienie dobrej współpracy powłoki

PCC z podłożem betonowym jest znacznie łatwiejsze w przypadku podłoża zarysowanego przed jej nałoże-

niem. W przypadku podłoża niezarysowanego powłoka musi przenieść efekty związane z utworzeniem rysy

i jej późniejszą pracą.

2. Grubość powłoki wpływa na poprawę zdolności do mostkowania rys. Zwiększenie grubości powłoki PCC,

z 3 mm (rekomendowej przez producenta) do 4 mm, poprawiło zdolność do mostkowania rys przy niewielkie-

mu pogorszeniu jej pracy przy zwiększonym gradiencie temperatury.

3. Symulacje wykonane dla dwóch rodzajów podłoży betonowych o klasach wytrzymałości C20/25 i C40/50 wska-

zują, że wytrzymałość podłoża ma duży wpływ na kompatybilność powłoki ochronnej typu PCC do podłoża.

Im wyższa klasa wytrzymałości betonu tym zapewnienie kompatybilności jest trudniejsze.

Literatura[1] Głodkowska W., Garbacz A., Zagadnienie kompatybilności materiałowej w naprawach i wzmacnianiu

konstrukcji betonowej, Inżynieria i Budownictwo, Nr 1/2012, s. 13-17.

[2] Czarnecki L., Garbacz A., Łukowski P., Clifton J. R., Polymer Composites for Repairing of Portland Cement

Concrete: Compatibility Project,. Report no. NISTIR 6394, Gaithersburg, 1999.

[3] Głodkowska W., Crack resistance of protective coatings. Archives of Civil Engineering. XLIX, 1 (2003),

131-149.


51

Badania doświadczalne intermodulacji fal

ultradźwiękowych drganiami niskich częstotliwości

Krzysztof Wilde – Politechnika Gdańska, Łódź, [email protected] Rucka – Politechnika Gdańska, Łódź, [email protected]łażej Meronk – Politechnika Gdańska, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: propagacja fal, diagnostyka uszkodzeń, badania nieniszczące

Cel pracy

Przeprowadzone badania eksperymentalne dotyczyły zjawiska propagacji sinusoidalnej, ultradźwiękowej fali

sprężystej przez płytę poddaną jednoczesnemu wzbudzeniu harmonicznemu. Prace dostępne w literaturze dotyczą

wykrywania uszkodzeń w elementach stalowych [12], natomiast celem niniejszej pracy jest opracowanie metody nie-

niszczącej diagnostyki elementów konstrukcji betonowych przy zastosowaniu intermodulacji fal ultradźwiękowych

drganiami niskich częstotliwości.

Zakres prac

Przedmiotem badań były płyty o wymiarach 170 cm x 30 cm x 8 cm. Płyty poddano zginaniu w maszynie wytrzy-

małościowej w celu wywołania stanu zarysowania. Stanowisko badawcze składało się z masywnej stalowej podstawy,

wzbudnika elektromagnetycznego wraz ze sterowaniem oraz zestawu do wzbudzania i odbioru propagacji fal spręży-

stych (rys. 1). Na podporach położono gumowe podkładki, a na nich badaną płytę. Układ pracował w schemacie belki

swobodnie podpartej. W środku rozpiętości płyty ustawiono wzbudnik elektromagnetyczny. Wzbudnik generował

ciągłą, harmoniczną siłę wymuszającą powodującą sinusoidalne drgania. W trakcie wolnoczęstotliwościowych drgań

płyty betonowej wzbudnik piezoelektryczny generował falę ultradźwiękową. Wzbudnik przymocowano w odległości

60 cm od krawędzi płyty czyli na początku strefy zarysowania. Do odbioru fali ultradźwiękowej służył przetwornik

piezoelektryczny umieszczony w odległości 50 cm od wzbudnika, po przeciwległej stronie strefy zarysowania. Poło-

żenie wzbudnika i odbiorników przedstawione jest na rys. 2.

Rys. 1. Stanowisko badawcze Rys. 2. Płyta z wzbudnikiem i odbiornikami piezoelektrycznymi

Otrzymane wyniki

W trakcie badania częstotliwość fali ultradźwiękowej wynosiła 80 kHz, natomiast liczbę cykli sinusoidy była równa

90000. Czas trwania propagacji fali ultradźwiękowej równy był 1.125 s. W trakcie pomiarów propagacji fal wzbudnik


52

elektromagnetyczny generował obciążenie sinusoidalne o określonej częstotliwości, zmienianej od 0 Hz do 15 Hz

z krokiem co 1 Hz. Przykładowe wyniki pokazane są na rys. 3 i rys. 4. Na rysunku 3 widoczny jest wykres propagują-

cej fali odbieranej przez oba przetworniki w sytuacji, gdy wzbudnik elektromagnetyczny nie jest aktywny. Wówczas

na wykresie transformat Fouriera widoczny jest jeden dominujący pik o częstotliwości 80 kHz. Rysunek 4 prezentuje

sygnał zarejestrowany podczas pracy wzbudnika elektromagnetycznego generującego drgania o częstotliwości 13 Hz.

Na wykresach transformat Fouriera, pojawiają się dodatkowe komponenty częstotliwościowe rozłożone w zakresie ok.

0.2–0.4 kHz.

Uwagi końcowe

W opracowaniu przedstawiono wyniki pierwszego etapu prac badań zjawiska intermodulacji fal ultradźwięko-

wych z drganiami o niskiej częstotliwości. W uzyskanych wynikach przy łącznym działaniu wzbudnika elektromag-

netycznego i ciągłej fali ultradźwiękowej, na wykresach transformat Fouriera sygnałów zarejestrowanych przez oba

odbiorniki widoczne są dodatkowe komponenty częstotliwościowe świadczące o obecności rys. Dodatkowe kompo-

nenty częstotliwościowe nie występują, gdy wzbudnik elektromagnetyczny nie jest aktywny. Wskazuje to, iż badane

zjawisko intermodulacji może być wykorzystanie do celów diagnostyki elementów betonowych.

Rys. 3. Wykresy fali ultradźwiękowej w dziedzinie czasu i częstotliwości (wzbudnik elektromagnetyczny nieaktywny)

Rys. 4. Wykresy fali ultradźwiękowej w dziedzinie czasu i częstotliwości (wzbudnik elektromagnetyczny

generuje drgania sinusoidalne o częstotliwości 13 Hz)

Literatura[1] Hu H.f., Staszewski W.j., Hu N.q., Jenal R.b., Qin G.j.: “Crack detection using nonlinear acoustics and piezoce-

ramic transducers – instantaneous amplitude and frequency analysis”, Smart Materials and Structures, 19, 2010,

065017 (10pp)

[2] Parsons Z., Sztaszewski W.j.: “Nonlinear acoustics with low-profile piezoceramic excitation for crack detection

in metallic structures”, Smart Materials and Structures, 15 (2006) 1110–1118


53

Symulacje numeryczne metody powierzchni odpowiedzi

dla betonowych elementów zginanych

Karol Winkelmann – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]ław Górski – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: model betonu, metoda powierzchni odpowiedzi, niezawodność elementu

Model betonu

W niniejszej pracy przyjęto do stosowania wzbogacony gradientowy model zniszczenia materiału betonowego,

opisany przykładowo w [1]. Według wyjściowych założeń modelu, zniszczenie betonu opisuje kinematyczny parametr

przyjmujący wartości z przedziału 0≤(x,t)≤1, dla każdego punktu przestrzeni realizacji zmienności x i dla każdej

chwili czasowej t (w przyjętym przedziale cyfra 1 oznacza materiał niezniszczony, natomiast cyfra 0 oznacza materiał

zniszczony). W tak przyjętym modelu, jego podstawowe związki mechaniczne wynikają z modyfikacji klasycznych

równań mechaniki, jednakże do grupy równań podstawowych dodaje się związek wzbogacający, opisujący ewolucję

parametru (progu) zniszczenia, oznaczanego symbolem W.

Wykorzystanie zaproponowanego, wzbogaconego gradientowego modelu zniszczenia w dwuwymiarowych ele-

mentach skończonych prowadzi do zaistnienia trzech niewiadomych w każdym z węzłów elementów. W analizie

stworzonego modelu numerycznego zastosowano standardowe elementy trójkątne (CST). Zmienne modelu materiału

wyznaczane są iteracyjnie.

Utworzono dwie równoprawne wersje programu prowadzącego obliczenia modelu – pierwsza z nich opisuje znisz-

czenie kruche, natomiast druga – zniszczenie plastyczne.

Generacje losowego pola zniszczenia materiału

Jak wspomniano powyżej, parametrem losowym, opisującym początkowy rozkład zniszczenia materiału jest pa-

rametr progu zniszczenia W. Do przeprowadzania analiz numerycznych zastosowano metodę warunkowej generacji

oraz metodę akceptacji i odrzucania, przedstawioną szczegółowo przykładowo w [2].

Zaproponowany algorytm umożliwia generację pól losowych – jednorodnych lub niejednorodnych – które opisane

być mogą dowolną funkcją korelacyjną. Do generacji pól stosowane są zarówno rozkłady symetryczne (rozkład Gaus-

sa), jak i rozkłady niesymetryczne (rozkład Weibulla).

Przy realizacji numerycznych obliczeń losowych posłużono się najprostszym i najbardziej rozpowszechnionym

algorytmem – metodą Monte Carlo. W celu ograniczenia liczby koniecznych do wygenerowania próbek zmiennych

losowych zastosowano w pracy techniki redukcji wariancji populacji próbek, m.in. technikę próbkowania wagowego,

technikę próbkowania warstwowego oraz technikę próbkowania rosyjskiej ruletki.

Wykorzystanie metody powierzchni odpowiedzi do szacowania niezawodności elementu konstrukcyjnego

Podejmowane są także próby wykorzystania bardziej zaawansowanych metod probabilistycznych – oblicze-

nia niezawodności są przeprowadzane wg zasad metodologii powierzchni odpowiedzi. Podstawy tejże meto-

dy można znaleźć przykładowo w [3]. Głównym celem metody jest znalezienie zastępczej, wielowymiarowej

powierzchni w przestrzeni realizacji zmiennych modelu x, zwanej powierzchnią odpowiedzi, która najlepiej

obrazuje rzeczywisty stan powierzchni wyjściowej zadania w przestrzeni realizacji, poprawnie interpretuje

interakcję zmiennych w modelu numerycznym, oraz (przy dużej redukcji czasu obliczeniowego) pozwala na

określenie współczynnika niezawodności danego elementu. Do poszukiwania powierzchni odpowiedzi stoso-

wany jest zwyczajny algorytm aproksymacyjny metody najmniejszych kwadratów, a poprawność oszacowania

jest określana na podstawie procedury ANOVA, czyli techniką standardowej analizy wariancji metodą tabela-


54

ryczną, którą przedstawiono szczegółowo przykładowo w [4]. Przeprowadza się tez test F, analizujący wpływ

źródeł zmienności modelu na końcowo prognozowaną odpowiedź konstrukcji.

Przeprowadzone analizy numeryczne

Program autorski do obliczeń niezawodności metodą powierzchni odpowiedzi

Stworzono autorski program numeryczny, napisany w języku Fortran 90. Wyjściowe wskazówki do utworzenia

takiego programu znaleziono przykładowo w [5] i [6].

Program wczytuje parametry pochodzące z przeprowadzonych badań eksperymentalnych lub matematyczne pro-

cedury opisujące funkcje zależności zmiennej wynikowej od proponowanego zestawu zmiennych podstawowych.

Program pozwala na wprowadzenie współrzędnych punktów startowych analizy w sposób manualny, jak i półau-

tomatyczny (parametryczny). Następnie, dla podanej przez użytkownika liczby (co najwyżej pięciu) wejściowych

zmiennych niezależnych program pozwala na aproksymację powierzchni interakcji niezależnych zmiennych loso-

wych funkcją liniową (model pierwszego rzędu), lub wielomianami stopnia wyższego (model drugiego rzędu).

Na podstawie obliczeń metodologii powierzchni odpowiedzi z wykorzystaniem algorytmu aproksymacyjnego,

wykonywane jest obliczenie współczynników zamkniętego wzoru na powierzchnię odpowiedzi, ale także obliczenie

ekstremalnych dla zadania kombinacji wartości wyjściowych zmiennych losowych.

Obliczenia wskaźników niezawodności przeprowadzane są procedurami iteracyjnymi. Na każdym poziomie ite-

racji użytkownik otrzymuje skalkulowaną wartość zarówno wskaźnika, jak i wszystkich istotnych wartości kalku-

lowanych podczas prowadzenia obliczeń. Zestawiany jest także błąd obliczanych wartości, co ma pomagać śledzić

kryterium zbieżności otrzymywanych wartości.

Program pozwala także na prezentację pliku tekstowego zawierającego wszelkie potrzebne rezultaty i dane, aby

zobrazować rozwiązanie w dowolnym programie graficznym. Jest to działanie pomagające ocenić topologię zapropo-

nowanego rozwiązania, co również podnosi wartość końcowych rezultatów działania programu.

Czas i koszt obliczeń komputerowych wykonywanych w programie dla całości problemu jest bardzo niski.

Obliczenia numeryczne

Przy wykorzystaniu programu autorskiego wykonano analizy numeryczne prostych konstrukcji prętowych, m.in.

belki Winklera, kolumny Zieglera i ramy Roordy, opierając się na przykładach znalezionych w [7].

Założono, iż modele będą obarczone losowymi zmiennościami modułu Younga betonu, które w uproszczony sposób

nawiązują do zachowania zidentyfikowanego za pomocą zaproponowanego modelu betonu. Pole losowe zmienności

modułu Younga modelu potrzebuje do generacji użycia w procesie generacyjnym szeregu dyskretnych współczyn-

ników. Te właśnie współczynniki służą za podstawę do opisu zmiennych losowych sztywności materiału w analizie

niezawodności elementów betonowych.

Dla wszystkich przykładów dokonano kalkulacji powierzchni odpowiedzi, do pełnego opisu zachowania się mo-

delu wykorzystano tablicę ANOVA oraz wykonano operacje matematyczne wyznaczania wskaźników niezawodności

Cornella oraz Hasofera – Linda, a także towarzyszącego im szacowanego prawdopodobieństwa awarii konstrukcji.

Literatura[1] Frémond M., Nedjar B., “Damage, gradient of damage and principle of virtual power”, Int. J. Solids Structures.

Vol. 33, No. 8, 1996, pp. 1083-1103.

[2] Walukiewicz H., Bielewicz E., Górski J., “Simulation of nonhomogeneous random fields for structural applica-

tions”, Computers and Structures, Vol. 64, No. 1-4, 1997, pp. 491-498.

[3] Box G.E.P., Wilson K.B., “On the Experimental Attainment of Optimum Conditions (with discussion)”, Journal

of Royal Statistics Society, Series B. Vol. 13, No. 1, 1951, pp. 1-45.

[4] Fisher R.A., “Statistical Methods for Research Workers”, Oliver & Boyd, 1925 (reedycja, 2002).

[5] Treharne J., “Rssp – a Fortran Simulation Package for use in teaching Response Surface Methodology”, Auburn,

Auburn University Publishing Office, 1991

[6] Whitcomb P.J., Anderson M.J., “RSM Simplified: Optimizing Processes Using Response Surface Methods for

Design of Experiments”, Productivity Press, 2004

[7] Alibrandi U., Impollonia N., Ricciardi G., “Probabilistic eigenvalue buckling analysis solved through the ratio

of polynomial response surface”. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. Vol. 199, 2009, pp.

450-464.


55

Equation Chapter 1 Section 1

Spektralne elementy nieskończone jako wsparcie

diagnostyki konstrukcji betonowych

Jacek Chróścielewski – Politechnika Gdańska, Łódź, [email protected] Witkowski – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: elementy spektralne

Spektralne elementy nieskończone

W wielu przypadkach z zakresu inżynierii lądowej dziedzina zadania ograniczona jest brzegiem na którym za-

dane są przemieszczeniowe warunki brzegowe. Jednak w praktyce spotyka się także zadania, gdzie dziedzina jest

nieograniczona. Przykładami są tu zagadnienia akustyczne, związane z propagacją fal elektromagnetycznych czy

półprzestrzeni występujące w mechanice gruntów i nawierzchni drogowych. W zadaniach tego typu powstaje za-

gadnienie określenia pola przemieszczeń i naprężeń przy zadanych zerowych warunkach w granicy nieskończonej.

Rodzi się naturalne pytanie, zob. na przykład 3 jak przy pomocy standardowych elementów skończonych przepro-

wadzić dyskretyzację obszaru zadania i gdzie, tzn. jak „daleko” od obszaru oddziaływania obciążenia, powinno

przyjmować się przemieszczeniowe warunki brzegowe. Pojęcie „daleko” jest jednak bardzo nieprecyzyjne.

Założenie strefy warunków brzegowych zbyt blisko obszaru obciążenia może znacząco wpływać na rozwią-

zania. Z drugiej strony, oddalanie się z dyskretyzacją powoduje niepotrzebnie znaczący wzrost liczby elementów

skończonych (a w konsekwencji wydłużenie czasu obliczeń) w obszarze, gdzie rozwiązania nie mają dużego zna-

czenia. Jedną z metod ominięcia wyżej wymienionych problemów 3 jest zastosowanie elementów nieskończo-

nych, rozwiniętych przez Bettessa 3. W takim podejściu, obszar zadania (ang. near field) w którym poszukuje się

rozwiązania jest dyskretyzowany przy pomocy standardowych elementów skończonych, a pozostały obszar (ang.

far field) przy pomocy elementów nieskończonych. Elementy takie są szeroko stosowane w różnych gałęziach wie-

dzy. Bettes wymienia tutaj na przykład zagadnienia elektromagnetyczne, akustyczne, fale na powierzchni wody

czy zagadnienia propagacji fal sprężystych. To ostatnie zagadnienie wg. Bettesa jest najtrudniejsze ze względu na

wektorowy charakter przemieszczeń punktów ośrodka oraz ze względu na występowanie jednocześnie różnych

prędkości propagujących fal w ośrodku.

Celem badań jest sformułowanie wielowęzłowych elementów nieskończonych (tzw. spektralnych), w których węzły

wewnętrzne w elemencie macierzystym i fizycznym rozłożone są w odległościach określonych przez regułę kwadra-

tury Lobatto. Takie podejście pozwala na uzyskanie diagonalnej macierzy mas elementu skończonego. Ma to istotne

znaczenie w symulacjach numerycznych propagacji fal w ośrodkach sprężystych, gdzie jednocześnie stosuje się wielo-

węzłowe spektralne elementy skończone.

W sformułowaniu elementów nieskończonych można wyróżnić dwa zasadnicze nurty: elementy nieskończone

o zanikającej funkcji kształtu (ang. Decay Infinite Elements) oraz elementy nieskończone z transformacją geometrii

(ang. Mapping Infinite Elements), zob. 3. W ramach aktualnie prowadzonych badań w projekcie rozwijane są elementy

o zanikającej funkcji kształtu.

Spektralne elementy nieskończone

Nawiązując do pracy 3 podlegający rozwiązaniu układ równań w dynamice, obejmujący zarówno standardowe

elementy skończone jak i nieskończone zapisywany jest jako

Tutaj , i są odpowiednio globalnymi wektorami przemieszczenia, przyspieszenia i prędkości, oznacza ele-

mentowy wektor obciążeń zewnętrznych, a


56

jest elementowym wektorem sił wewnętrznych. W ramach badań zaproponowano by elementową macierz tłumie-

nia elementu nieskończonego uzupełnić o pewien dodatkowy człon w którym

jest macierzą funkcji kształtu elementu, a macierz określona jest przez

gdzie jest macierzą jednostkową. Występujące we wzorze wielkości to: gęstość masy, częstość wymusze-

nia. Propozycja przyjęcia w funkcja wprowadza na długości elementu nieskończonego wykładniczy wzrost

wartości tłumienia. Zapobiega to nagłemu odbiciu fal propagujących z różnymi prędkościami od brzegu elementów

nieskończonych przy przejściu granicy między obszarem bliskim i obszarem dalekim oraz wprowadzając ,,łagodne”

wytłumieniu fali w miarę jej propagacji w wnętrze obszaru dalekiego z oczekiwaniem jej całkowitego tam zaniku.

Skuteczność zaproponowanego podejścia badano symulując propagację fali w dwuwymiarowej półprzestrzeni sprę-

żystej jak na rys. 1a. Obciążenie założono w postaci siły skupionej o zadanym przebiegu w czasie. Przyspieszenia na

kierunku y rejestrowano w punkcie 5236, zaznaczonym liniami na rys. 1a. Obliczenia przeprowadzono przy założe-

niu, że w jednym przypadku nie występuje obszar daleki dyskretyzując całość przy pomocy standardowych elemen-

tów spektralnych oraz, że w drugim przypadku elementy obrzeżowe opisują obszar daleki (półprzestrzeń sprężystą)

dyskretyzowany nieskończonymi elementami spektralnymi. Do dyskretyzacji wykorzystano elementy o 11x11 = 121

węzłowe, o 11 węzłach w każdymi kierunku x i y. Ponadto w obu przypadkach zbadano wpływ inkluzji, znajdującej się

w obszarze bliskim zadania, jak pokazuje rys. 1a. Inkluzję modelowano jako 11 węzłów siatki MES, w których moduł

Younga jest sześciokrotnie większy niż w węzłach sąsiadujących. Otrzymane wyniki przedstawia rys. 1b.

Rys. 1. a) półprzestrzeń sprężysta, b) otrzymane przebiegi przyspieszeń

W przebiegu przyspieszeń obliczonych bez elementów skończonych wyraźnie zaznacza się powrót fali odbitej w czasie

ok. t = 0.001 s. Użycie proponowanych elementów nieskończonych w obszarze dalekim pozwala na znaczące zmniejsze-

nie rejestrowanych amplitud przyspieszeń. W przypadku dodania inkluzji w zadaniu bez elementów nieskończonych

w czasie ok. t = 0.001 s następuje wzmocnienie amplitud. Dodanie elementów nieskończonych także i w tym przypadku

powoduje znaczący spadek amplitud przyspieszeń. W przypadku omawianych elementów stosowany do opisu propagacji

fal sprężystych w dziedzinie czasu problemem otwartym pozostaje zagadnienie doboru przestrzennego rozkładu funkcji

współczynnika tłumienia oraz odpowiedniego określenia wymiaru obszaru wygaszania/rozciągnięcia elementów nie-

skończonych. Bowiem te parametry decydują o efektywności zaniku/wygaszeniu fal o różnych prędkościach w obszarze

dalekim dyskretyzowanym przez spektralne elementy nieskończone (porównaj np. 3).

Literatura[1] Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., The Finite Element Method, Butterwotrth-Heinemann Oxford, 2002.

[2] Bettess R., Infinite Elements, Penshaw Press, Sunderland, 1992.

[3] Witkowski W., Rucka M., Chróścielewski J., Wilde K., “On some properties of 2D spectral finite elements in

problems of wave propagation”, Finite Elements in Analysis and Design, 55, 2012, pp. 31–41.

[4] Liu G.R., Quek Jerry S.S., “A non-reflecting boundary for analyzing wave propagation using the finite element

method”, Finite Elements in Analysis and Design, 39, 2003, pp. 403–417


57


Zastosowanie sztucznych sieci nerunowych w symulacji

przebiegu procesu hydratacji cementu

Marcin Krasiński – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Gawęda – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: sztuczne sieci neuronowe, hydratacja cementu

Opis zastosowanego rozwiązania

Sztuczne sieci neuronowe (SSN) są narzędziami pozwalającymi na prowadzenie tzw. obliczeń miękkich i znajdują

zastosowanie w coraz to szerszym spectrum dziedzin techniki. Szczególnym rodzajem sieci pozwalającym na aprok-

symowanie funkcji wielu zmiennych są sieci wielowarstwowe o jednokierunkowym przebiegu sygnału. Ich struktura

(rys. 1.) tj. układ neuronów oraz połączeń, dobierana jest najczęściej metodą “prób i błędów” natomiast wagi połączeń

kształtowane są w procesie „uczenia” prowadzonego tak, aby wszystkie dane doświadczalne, jakie są dostępne w pro-

cesie treningu były odwzorowywane z możliwie najmniejszym błędem.

Rys. 1. Przykładowa struktura SSN

Cechy te sprawiają, że jest ona dobrym i wygodnym narzędziem pozwalającym symulować przebieg procesu fizycz-

nego. W przedstawionym rozwiązaniu SSN została wykorzystana do symulacji przebiegu procesu hydratacji cementu.

Implementacja została zawarta w autorskim programie wykorzystującym otwartą bibliotekę FANN (Fast Artificial

Neural Network Library).

a) b)

c) d)

Rys. 2. Funkcja źródeł (a), stopień hydratacji w czasie (b), szybkość hydratacji w czasie (c) oraz szybkość zmian stopnia hydratacji w funkcji stopnia hydratacji (d) dla cementu CEM V/A S-V 32,5R w temp. 20˚C.

58


Wydzielanie się ciepła hydratacji opisuje funkcja czasu, której wartości stanowią gęstość mocy ciepła hydratacji – tzw.

funkcja źródeł (rys. 2a), otrzymywana empirycznie przy użyciu kalorymetrii izotermicznej. Dzięki badaniom własnym

procesu hydratacji zaczynów cementowych możliwe stało się wyznaczenie – na podstawie otrzymanych funkcji źródeł

badanych cementów – przebiegów stopnia hydratacji (rys. 2b) i szybkości hydratacji (rys. 2c) w funkcji czasu a także stop-

nia hydratacji w funkcji szybkości hydratacji – wykres znormalizowanego powinowactwa chemicznego (rys. 2d).

Rezultaty

Przeprowadzone za pomocą programu numeryczne symulacje dla różnych składów zaczynu cementowego i tempe-

ratur pozwalają zweryfikować skuteczność obranego rozwiązania oraz jego właściwości. W trakcie tych testów auto-

rzy odnotowali w większości przypadków wystarczające do celów inżynierskich zbieżności rozwiązań. Jednocześnie

zostały uwypuklone przypadki, o które należy wzbogacić bazę danych uczących, by stworzone narzędzie cechował

wysoki stopień uniwersalności.

Załączone niżej wykresy (rys. 3) przedstawiają przykładowe wyniki symulacji numerycznej, wykonanej progra-

mem autorskim, porównane z danymi doświadczalnymi dla następujących parametrów startowych: CEM III 32.5;

T = 20°C; FA = 0.3

a) b)

c) d)

Rys. 3. Porównanie danych eksperymentalnych z wynikami symulacji : funkcja źródeł (a), stopień hydratacji w czasie (b), szybkość hydratacji w czasie (c) oraz szybkość zmian stopnia hydratacji

w funkcji stopnia hydratacji (d) dla cementu CEM III 32,5R w temp. 20˚C.

Literatura[1] J. Ghaboussi, J.H. Garrett, X. Wu, Knowledge-Based Modelling of Material Behaviour with Neural Networks,

Journal of Engineering Mechanics, 117, 132-151, 1991

[2] D. Gawin, M. Lefik, Some applications of Neural Networks in Building Physics. Arch. Civil Eng. Vol 46 nr 2,

255-271, 2000

[3] J. Hertz, A. Krogh, G.R. Palmer, Introduction to The Theory of Neural Computation, Lecture Notes Volume I,

Santa Fe Institute Studies in the sciences of Complexity, 1991, Addison-Wesley.

59


Numeryczna symulacja wpływu reakcji ASR na pracę

konstrukcji betonowej

Filip Norys – Politechnika Krakowska, Kraków, fi [email protected] Szymon Seręga – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected] Winnicki – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected]

Słowa kluczowe: ASR, degradacja chemiczna, chemo-mechanika

Wstęp

Reakcja ASR została opisana po raz pierwszy przez Stantona [5] jako przyczyna degradacji cech wytrzymałościowych beto-

nu. Od tego czasu wielu badaczy rozpoczęło badania mające na celu ustalenie przebiegu i przewidzenie skutków postępującej

reakcji w odniesieniu do konstrukcji. Obecnie w literaturze istnieje duża liczba modeli opisujących to zachowanie. W pracy

przedstawiono często stosowane modele oraz zaproponowano ich proste modyfikacje pozwalające na uwzględnianie wpływu

czynników zewnętrznych, tj. temperatura, poziom wilgotności względnej na tempo oraz skalę procesu. Wszystkie obliczenia

kalibracyjne modeli prowadzone były na poziomie punktu materialnego, względem danych doświadczalnych pochodzących

z literatury [3],[4]. Opracowane modele posłużyły do symulacji numerycznej pracy rzeczywistej konstrukcji betonowej.

Modele kinetyki reakcji

Reakcja ASR jest procesem wieloetapowym, w efekcie którego powstaje hydrofilowy żel. Produkt reakcji ma silną

zdolność do absorpcji wody i charakteryzuje się zwiększaniem swojej objętości w stosunku do objętości reagentów. Do

określenia przebiegu reakcji w czasie stosuje się bezwymiarową zmienną ξ zwaną stopniem zaawansowania reakcji, okre-

ślającą stosunek pomiędzy aktualnym, a maksymalnym możliwym przyrostem objętości żelu. Rozwój zmiennej ξ opi-

suje się równaniem kinetycznym, czyli równaniem różniczkowym opisującym zmiany stężenia molowego substratów

w czasie zachodzenia reakcji. W pracy rozważono trzy modele kinetyki reakcji ASR: model wg Hobbs-Pietruszczak [1],

model wg Larive-Ulm [3], model wg Huang-Pietruszczak [2]. Powyższe opisy zostały poddane analizie uwzględniającej

wpływ różnych historii obciążenia temperaturowego, oraz różnym poziomie wilgotności względnej. Zaproponowano

proste modyfikacje powyższych opisów. W wyniku przeprowadzonej analizy dla dwóch pierwszych modeli otrzymano

wyniki zgodne z eksperymentem, w przypadku modelu wg Huang-Pietruszczak nie uzyskano zadowalającej zgodności.

Symulacje numeryczne

W oparciu o skalibrowane modele przeprowadzono symulacje numeryczne pracy zapory wodnej Koyna w długiej

skali czasowej pod kątem potencjalnego wpływu reakcji ASR na pracę konstrukcji, przy możliwie dokładnym od-

zwierciedleniu warunków zewnętrznych mających wpływ na prowadzoną analizę.

Literatura [1] Hobbs D.w.: “Alkali-silica reaction in concrete” Thomas Telford, London, UK, 1988.

[2] Huang M.: “Modeling of thermomechanical effrcts of alkali-silica reaction”, Journal of engineering mechanics,

april 1999

[3] Larive C.: “Apports combines de l’experimentation et de la modelisation a la comprehension de l’alcali reaction

et de ses effects mecanigues.” Monograph LPC, OA 28 ,1998

[4] Poyet, S.: “Etude de la dégradation des ouvrages en béton atteints par la réaction alcali-silice: Approche

expérimentale et modélisation numérique multi-échelles des dégradations dans un environnement

hydro-chemo-mécanique variable.” Ph. D. thesis, Universite de Marne-La-Valleé, 2003

[5] Stanton D.e.: “The Expansion of concrete through reaction between cement and aggregate”, Proc. ASCE, 66,

1781-1811, 1940

60

Mechaniczno-chemiczny model degradacji żelbetu

w warunkach agresywnych

Adam Zybura – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected] Krykowski – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected] Jaśniok – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected] Słomka-Słupik – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected] a Szweda – Politechnika Śląska, Gliwice, zofi [email protected] Jaśniok – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected]

Słowa kluczowe: mechaniczno-chemiczny model degradacji żelbetu, korozja zbrojenia i otuliny betonowej, dekalcyfi kacja betonu, dyfuzja chlorków w betonie, elektrochemiczne badania szybkości korozji zbrojenia i wilgotności betonu

Wprowadzenie i zakres badań

Przedstawiono kolejny etap prac nad modelem termomechaniczno-elektrochemicznym i numerycznym pozwa-

lającym na opis przemian towarzyszących korozji zbrojenia w betonie. Ujęto także wyniki badań eksperymental-

nych, które mogą być zastosowane do walidacji modelu. Badania teoretyczne i doświadczalne stanowią rozwinięcie

prac sygnalizowanych na konferencji [1] i opisanych szerzej w sześciu publikacjach zestawionych w materiałach tej

konferencji. Obecnie rozwijano cztery zasadnicze kierunki: sformułowanie modelu termomechanicznego pęka-

nia otuliny, badania dekalcyfikacji betonu, dyfuzji jonów chlorkowych w betonie oraz szybkości korozji zbrojenia

w betonie w nawiązaniu do przewodności elektrycznej betonu. Przebieg badań jest zgodny z osiągnięciem kolejne-

go „kamienia milowego”, który obejmuje kompleksowy model degradacji żelbetu w warunkach korozji zbrojenia

i betonu.

Przebieg badań

Model mechanicznego pękania otuliny pod wpływem produktów korozji zbrojenia

Kontynuowano opracowanie modelu elektrochemiczno-termomechanicznego procesów korozji bazującego

na teorii ośrodków wieloskładnikowych. Wspominany w pracy [1] model cząstkowy został zasadniczo rozbu-

dowany, co umożliwiło opis zmian cieplno wilgotnościowych w otulinie. Zgodnie z założeniami przedstawio-

nymi w [1] została wprowadzona empiryczna funkcja opisująca ewolucje prądu korozyjnego. Funkcja ta wiąże

wydajność źródła masy produktów korozji z rozważanymi w pracy polami fizycznymi, takimi jak wilgotność

względna, temperatura i koncentracja jonów chlorkowych. W modelu dokonano weryfikacji zgodności wyników

określonych na podstawie rozwiązań teoretycznych z danymi doświadczalnymi uzyskanymi z literatury świa-

towej, opublikowanymi w pracach Liu Y. i Weyersa R. Weryfikacja poprawności modelu została wykonana przy

pomocy specjalnie napisanych programów własnych jak również programów profesjonalnych pozwalających na

modelowanie transportu masy oraz pękania otuliny betonowej z wykorzystaniem MES. Weryfikacja modelu

dotyczyła porównania zgodności rezultatów obliczeń z wynikami badań doświadczalnych. Przeanalizowana zo-

stała również możliwość zastosowania koncepcji WWP do prognozowania czasu pękania otuliny. Obliczenia

zostały wykonane przy założeniu zmienności pól koncentracji jonów chlorkowych, wilgotności względnej oraz

temperatury. Kompleksowe opracowanie modelu zawarto w bieżąco opracowywanej monografii [2].

Badania dekalcyfikacji betonu

Dotychczasowe badania korozji zaczynów z cementu portlandzkiego odpornego na siarczany, portlandzkiego

i hutniczego w wodnym roztworze soli chlorkowej (NH4Cl) rozszerzono o badania fazowe, udziału porów, dyfuzji

chlorków i obserwacje mikroskopowe. Uzyskane wyniki pozwoliły na analizy końcowe, które w niewielkiej części

zawarto w pracy [3]. Dowiedziono, że rozpuszczeniu uległy praktycznie wszystkie fazy zhydratyzowanego zaczy-


61

nu cementowego oraz powstały fazy wtórne. Najbardziej trwałą fazą w warunkach obniżonego odczynu był gips

i kalcyt krystalizujące przy powierzchni próbek. Porowatość zmniejszała się w wyniku zapełniania wolnych prze-

strzeni przez trwałe fazy wtórne. W obszarach rozpuszczania soli Friedla odnotowano najwyższą zawartość jonów

chlorkowych.

Badania dyfuzji jonów chlorkowych w betonie

Początkowo badania przeprowadzono na 12 próbkach z betonu projektowanej klasy C12/15. Próbki umiesz-

czono w zbiornikach wypełnionych 3% roztworem NaCl. Sześć próbek poddano działaniu pola elektrycznego

wywołując migrację jonów chlorkowych, natomiast w pozostałych sześciu próbkach zachodziła dyfuzja tych

jonów [5]. W drugim etapie zbadano 15 próbek o tym samym kształcie z betonu o średniej wytrzymałości fcm

= 95,5 MPa. Dziewięć próbek poddano działaniu pola elektrycznego wywołując migrację jonów chlorkowych.

Pozostałe sześć próbek poddano działaniu dyfuzji tych jonów [6]. Po zakończeniu migracji i dyfuzji z każdej

serii próbek pobrano rozdrobniony beton warstwami grubości 2 mm, z którego wykonano wyciągi wodne.

Roztwory modelowe poddano analizie chemicznej wyznaczając stężenie jonów chlorkowych a następnie gę-

stość masy tych jonów w betonie. Na podstawie rozkładu gęstości masy jonów Cl−, migrujących w betonie pod

wpływem pola elektrycznego wyznaczono wartość współczynnika dyfuzji zgodnie z procedurą uzasadnioną

teoretycznie w pracy [4]. Miarodajną wartość współczynnika dyfuzji wyznaczono porównując obliczony roz-

kład gęstości masy jonów chlorkowych z gęstościami masy tych jonów, otrzymanymi podczas badań dyfuzyj-

nych [5, 6].

Badania szybkości korozji zbrojenia i przewodności betonu

Badania szybkości korozji zbrojenia prowadzono w indywidualnie wykonanych próbkach betonowych, w któ-

rych umieszczono trzy elektrody: pręt zbrojeniowy, chlorosrebrową elektrodę odniesienia i pasmową elektrodę

pomocniczą. Układ trójelektrodowy umożliwił wykonanie elektrochemicznych badań polaryzacyjnych LPR i EIS

i uzyskanie wartości gęstości prądu korozyjnego oraz oporów polaryzacji i przeniesienia ładunku. Po zainicjowa-

niu procesów korozyjnych na powierzchni prętów zbrojeniowych roztworem zawierającym jony chlorkowe, próbki

umieszczono w komorze korozyjnej zapewniającej stabilizację temperatury i wilgotności powietrza. Następnie pro-

wadzono cykliczne cotygodniowe pomiary gęstości prądu korozyjnego, monitorując zmiany szybkości korozji przy

ustalonych warunkach środowiskowych. Próbki eksponowano w sześciu konfiguracjach wilgotność-temperatura.

Osiągnięte cele, wyniki, rezultaty

W znacznym stopniu zrealizowane zostały badania dotyczące modelu mechanicznego pękania otuliny, dyfuzji

jonów chlorkowych w betonie oraz dekalcyfikacji betonu. Wyniki tych badań zawarto w opracowywanej monogra-

fii [2] oraz dwóch pracach doktorskich. Wykonane zostały również badania monitorujące przebieg procesu korozji

zbrojenia w początkowym jego stadium przy stabilnych warunkach termicznowilgotnościowych. Badania te wska-

zały, że spadek w czasie szybkości korozji był samoistny i miał charakter wykładniczy. Na podstawie sukcesywnie

zwiększających się wartości oporów polaryzacji i przeniesienia ładunku pozwalają przypuszczać, że spadek ten był

związany ze stopniowym ograniczeniem powierzchni czynnej metalu [7]. Wyniki badań obejmują założony „ka-

mień milowy”, w ramach którego zamierzano opracować model degradacji żelbetu warunkach korozji zbrojenia

i betonu.

Literatura[1] Zybura A., Krykowski T., Jaśniok T., Słomka-Słupik B., Szweda Z., Jaśniok M.: Mechaniczno chemiczny

model degradacji żelbetu w warunkach agresywnych, Innowacyjne środki i efektywne metody

poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii

zrównoważonego rozwoju, Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka, Łódź, 16-18 października 2011,

p. 56-57.

[2] Krykowski T.: Modelowanie uszkodzenia otuliny wywołanego korozją zbrojenia w żelbecie, Studia

z Zakresu Inżynierii (praca w druku).

[3] Słomka-słupik B., Zybura A.: Korozja zaczynów z cementów portlandzkich CEM I 42,5R i CEM I

42,5R-HSR/NA w roztworze chlorku amonu. Cement-Wapno-Beton, 2012 R. 17 nr 3, s. 144-148. (Praca

prezentowana na konferencji KONTRA’2012).


62


[4] Szweda Z., Zybura A.: Analysis of chloride diffusion and migration in concrete. Part I – Theoretical model.

Architecture Civil Engineering Environment, The Silesian University of Technology, No.1/2012, s. 47-54.

[5] Szweda Z., Zybura A.: Analysis of chloride diffusion and migration in concrete. Part II – Experimental tests.

Architecture Civil Engineering Environment, The Silesian University of Technology, No.1/2012, s. 55-62.

[6] Szweda Z., Zybura A.: Wyznaczanie współczynnika dyfuzji chlorków w betonie na podstawie badań

migracji jonów w polu elektrycznym, Przegląd Budowlany 6/2012.

[7] Jaśniok T., Jaśniok M.: Zmienność szybkości korozji zbrojenia w betonie przy stałych warunkach termiczno-

wilgotnościowych, Ochrona przed Korozją, vol. 55, nr 6/2012, s. 282÷285.

63

Programowanie nieliniowych modeli konstytutywnych

w bibliotece GetFEM++

Roman Putanowicz – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected] Stankiewicz – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected] Pamin – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected]

Słowa kluczowe: nieliniowe modele konstytutywne, MES, GetFEM++, programowanie

Pakiet oprogramowania FEMDK

Pakiet oprogramowania FEMDK (Finite Element Development Kit) budowany w ramach projektu „Innowacyjne

środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej

w strategii zrównoważonego rozwoju’’, to zestaw narzędzi mających ułatwić tworzenie programów metody elementów

skończonych (MES) zwłaszcza dla analizy pól sprzężonych. Kluczowym elementem FEMDK są tzw „silniki MES’’

(ang. FEM engines) czyli biblioteki do implementacji metody elementów skończonych. Podstawowym silnikiem MES

dla pakietu FEMDK jest biblioteka GetFEM++.

W przypadku klasycznych zadań, takich jak problemy liniowej i nieliniowej dyfuzji, liniowa i nieliniowa spręży-

stość, plastyczność HMH w małych odkształceniach i kilka innych, bibliotekę GetFEM++ można traktować jako wy-

godną czarną skrzynkę, nie wychodząc poza wygodny interfejs wysokiego poziomu. Niestety implementacja bardziej

złożonych nieliniowych modeli konstytutywnych czy też sprzężeń między polami wymaga sięgnięcia do głębszych

warstw implementacji biblioteki GetFEM++. To z kolei może być trudne z uwagi na dwa czynniki:

• specyficzny, bardzo matematyczny sposób ujmowania MES objawiający się zarówno wyborem abstrakcji repre-

zentowanych przez klasy biblioteki, jak i choćby używanym nazewnictwem,

• obiektową implementację C++ korzystającą z wielu zaawansowanych wzorców projektowych i technik progra-

mowania w C++, np. szablonów.

Na przykład użytkownik starający się zrozumieć GetFEM++ na przykładzie klasycznego problemu liniowej spręży-

stości, próżno będzie szukał macierzy pojawiających się każdym podstawowym podręczniku MES.

Zamiast tego znajdzie:

• ogólnie ujęte i zupełnie rozseparowane kwestie interpolacji w elemencie, całkowania po elemencie, transforma-

cji geometrycznych elementu wzorcowego,

• preferowany zapis tensorowy,

• specjalny język opisu form wariacyjnych,

• automatyczną agregację zdyskretyzowanych komponentów form wariacyjnych.

Wszystkie te elementy mają oczywiście swoje źródło i uzasadnienie w założonym poziome ogólności sformu-

łowań MES wspieranych przez bibliotekę GetFEM++, tym niemniej przyczyniają się znacząco do stromej krzywej

uczenia dla tej biblioteki.

Rolą FEMDK jest z jednej strony dostarczenie uproszczonego wysokopoziomowego interfejsu do usług oferowa-

nych przez GetFEM++ dla wybranych zagadnień (w formie procedur bibliotecznych i gotowych programów), a z

drugiej strony pomoc w zrozumieniu mechanizmów GetFEM++. Prezentowany referat skupia się na tym problemie,

próbując w zwięzły sposób przedstawić kluczowe elementy implementacji nieliniowych zagadnień MES na przykła-

dzie równań nieliniowej dyfuzji i plastyczności HMH w małych odkształceniach.

Literatura[1] Renard Y., Pommier, J. GetFEM++ Short User Documentation. Release 4.2, August 2012,

http://download.gna.org/getfem/html/homepage.


64

Trwałość mrozowa betonów

z cementami żużlowymi

Jerzy Wawrzeńczyk – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected] Juszczak – Cementownia Nowiny, Kielce, [email protected] Molendowska – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected] Kłak – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected]

Słowa kluczowe: beton, mrozoodporność, napowietrzanie, żużel wielkopiecowy

Wprowadzenie

Stosowanie cementów zawierających dodatek żużla wielkopiecowego ma istotne znaczenie techniczne i ekonomicz-

ne w przypadku budowli hydrotechnicznych i mostowych, gdzie często mamy do czynienia z konstrukcjami masyw-

nymi. Wybór rodzaju cementu CEM I, CEM II lub CEM III (ilości dodawanego żużla) zależy zwykle od rodzaju

elementu konstrukcji, jego masywności, zagrożenia korozyjnego, intensywności oddziaływania wilgoci, ujemnych

temperatur i soli odladzających, zakładanego przyrostu wytrzymałości w czasie. Wpływ dodatku żużla wielkopieco-

wego w normie [1] został potraktowany bardzo ogólnikowo, a krajowe uzupełnienia [2] podają tylko ogólne zalecenia

odnośnie możliwości stosowania różnych rodzajów cementów w zależności od klasy ekspozycji.

Rozpatrując zagadnienie odporności betonu na agresywne oddziaływanie zamrażania-rozmrażania bez/lub ze

środkami odladzającymi (klasy ekspozycji XF1..XF4) w normie [1] dopuszcza do stosowania dodatki typu II, lecz

nie jako zamiennik części cementu oraz bez możliwości uwzględniania tego dodatku przy obliczaniu współczynnika

W/C. Zalecenia ACI [3] z uwagi na mrozoodporność ograniczają dodatek żużla do 50%. Krajowe uzupełnienia do

obowiązującej normy [ 2] uzależniają ilość dodawanego żużla w klasie ekspozycji XF4 od klasy cementu CEM III: dla

klasy 32,5R do 50%, przy 42,5R powyżej 50%, powyżej 80% dla budowli eksploatowanych w wodzie morskiej. Podsta-

wowym parametrem istotnym przy projektowaniu składu betonu jest stosunek W/C. Norma PN-EN 206-1 dla betonu

z cementem CEM I w klasie XF4 ogranicza stosunek W/C≤0,45. Nowe wytyczne IBDiM [5] dopuszczają do stosowania

w nawierzchniach drogowych cementy mieszane (w tym hutniczy) przyjmując, że do wskaźnika W/C≤0,45 nie wlicza

się dodatku mineralnego. Dla typowego betonu napowietrzonego klasy C30/37 oznaczałoby to, że dodatek żużla wy-

nosiłby tylko kilka procent.

Na podstawie analizy dotychczasowych wyników badań można stwierdzić, że betony na spoiwach z dodatkami mi-

neralnymi wykazują, że pomimo często lepszych parametrów wytrzymałościowych i większej szczelności, problemy

z mrozoodpornością nawet w warunkach umiarkowanego oddziaływania mrozu i wilgoci. Należy rozpatrywać dwa

podstawowe typy uszkodzeń mrozowych: odporność na wewnętrzne pękanie oraz na powierzchniowe łuszczenie.

Podstawowym zabiegiem technologicznym niezbędnym do zagwarantowania mrozoodporności betonu jest jego

napowietrzenie, które w 100% jest w stanie zagwarantować odporność betonu na wewnętrzne pękanie.

Tematyka badań

W badania realizowanych w ramach tematu T3.5 wiele uwagi poświęcono problematyce napowietrzania mieszanek

betonowych z różnymi cementami stosując tradycyjne domieszki napowietrzające oraz innowacyjny sposób napowie-

trzania z zastosowaniem mikrosfer polimerowych [6]. Zawartość żużla w spoiwie wymaga zwrócenia większej uwagi

na strukturę porów powietrznych, gdyż mogą powstawać pory o większych średnicach. W takiej sytuacji konieczne

może być zwiększenie zawartości powietrza tak, aby zawartość porów o średnicach poniżej 300 μm (A300) wynosiła

ponad 2% (normalnie zaleca się 1,5% [5]). Przypuszczać można, że proces tworzenia się porów związany jest z obec-

nością środków chemicznych dodawanych w celu ułatwienia mielenia żużla.

Nawet całkowicie poprawne napowietrzenie nie gwarantuje pełnej odporności betonu na powierzchniowe uszko-

dzenia w obecności soli odladzających. Właściwość ta zależy bowiem od wielu różnych czynników związanych ze skła-

dem (stosunku W/C, ilości żużla) oraz niejednorodnością budowy strefy przypowierzchniowej betonu. W literaturze


65

podkreśla się znaczenie warunków pozwalających na osiągnięcie wysokiego stopnia hydratacji spoiwa zawierającego

żużel – jeśli stopień hydratacji >50% to beton z cementem hutniczym osiągnie podobną lub lepszą strukturę porów

niż z cementem portlandzkim o =90%. Stąd też wytyczne dla betonów hydrotechnicznych oraz dla nawierzchni

drogowych zalecają przeprowadzania badań w wieku 90 dni, gdyż po dłuższym okresie dojrzewania cement osiąga

wyższy stopień hydratacji oraz lepszą strukturę porowatości.

Pozostaje otwarte pytanie jak projektować takie betony z uwzględnieniem zagadnień mrozoodporności dla róż-

nych klas ekspozycji? Ile i jaki rodzaj cementu (z jaką ilością dodatku żużla, jakiej klasy wytrzymałości) i przy jakim

stosunku W/S należy zastosować, aby uzyskać określone właściwości stwardniałego betonu: szczelność, przepuszczal-

ność, nasiąkliwość, odporność na korozję chemiczną, odporność na działanie mrozu? Czy i w jakich przypadkach

beton musi być napowietrzony? Jakie metody badania mrozoodporności należy stosować w odniesieniu do klas mro-

zoodporności XF1..XF4?

W przypadku betonów mostowych i hydrotechnicznych powszechnie stosuje się metodę zwykłą wg normy PN-

B06250:1988, która w istocie dotyczy kwestii odporności betonu na wewnętrzne pękania. Projekt normy prENV [4]

zawiera dokładny opis 3 metod badania odporności na powierzchniowe łuszczenie: metoda „płytkowa” (Boras) jako

metodą podstawowa, metoda CDF oraz metoda „ kostkowa” jako metody alternatywne.

Wybór metody badania oraz przyjęte kryteria oceny mrozoodporności mają podstawowe znaczenie dla poprawne-

go przygotowania procesu budowlanego od doboru składników, projektowanie składu i opracowania technologii po

końcową ocenę trwałości mrozowej konstrukcji. Norma PN EN 206 [1] nie podaje żadnych informacji jaką metodę

należałoby stosować w zależności od przyjętej klasy środowiska XF. Nawet w przypadku wymienionych w ENV [4]

metod badawczych dotyczących oceny uszkodzeń powierzchniowych (po modyfikacji można rejestrować także prze-

bieg uszkodzeń wewnętrznych) wyraźnie jest powiedziane, że metody mogą dawać różne wyniki dla tych samych

betonów i wyników tych nie można wzajemnie porównywać. Wniosek z tego jest taki, że o tym czy i jaką metodą na-

leży badać beton (w odniesieniu do konkretnych warunków eksploatacyjnych) decyduje inwestor i projektant obiek-

tu. Wykonawca zobowiązuje się do wykonania konstrukcji z betonu o określonych właściwościach sprecyzowanych

w specyfikacji technicznej obiektu.

W badaniach (T3.5) stosowane są: metoda zwykła PN, metoda zmodyfikowana ASTM C666 (belki zamrażane

w wodzie) i metoda Boras. Planowane są badania metodą CDF.

3. Uwagi końcowe

Na podstawie analizy wyników badań własnych można sformułować następujące wnioski:

• zastosowanie cementów zawierających dodatek żużla wielkopiecowego pozwala na uzyskiwanie betonów wyso-

kiej jakości i trwałości,

• wzrost ilości dodawanego żużla wpływa na uszczelnienie i redukcję przepuszczalności betonu. Efekt ten jest

bardziej widoczny przy wyższych stosunkach W/S. Przy niskich stosunkach W/S rodzaj cementu (zawartość

żużla) odgrywa mniejszą rolę, ponieważ betony te same w sobie wykazują dużą szczelność,

• betony zawierające znaczne ilości żużla często wykazują niewystarczającą mrozoodporność,

• zastosowanie napowietrzenia zdecydowanie poprawia odporność na wewnętrzne pękanie, ale nie gwarantuje

pełnej odporności na łuszczenie powierzchni,

• napowietrzenie betonu z cementem żużlowym musi być prowadzone ze szczególną uwagą, gdyż często obser-

wuje się wzrost wymiarów pęcherzyków powietrznych co powoduje wzrost ich rozstawu – podstawowego para-

metru stosowanego do oceny jakości napowietrzenia,

• napowietrzenie betonu za pomocą mikrosfer polimerowych jest metodą bardzo skuteczną- można uzyskać za-

równo bardzo dobre parametry napowietrzenia jak i wysoką mrozoodporność.

Literatura[1] Norma PN-EN 206-1 Beton – Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.

[2] Norma PN-B-06265 Krajowe uzupełnienia do normy PN-EN 206-1.

[3] ACI Committee 226 – Ground Granulated Blast Furnace Slag as a Cementitious Constituent in Concrete. ACI

Material Journal, V.84, No. 4, 1987, pp. 327-342.

[4] Prenorma prENV 12390-9 Testing hardened concrete – Part 9: Freeze-thaw resistance – Scaling. CEN TC 51

2003.

[5] Wytyczne techniczne dla betonowych nawierzchni drogowych. Etap III. IBDiM, Warszawa 2010.

[6] Wawrzeńczyk J., Molendowska A.: Concrete air void structure in relation to the frost resistance of concretes

air-entrained by means of microspheres. CWB Kraków nr 5/ 2011, str. 278-287.


66

Ewolucja wybranych własności materiałowych

betonów do konstrukcji masywnych

Marek Jabłoński – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Witek – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Grymin – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Gawin – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: przepuszczalność betonu, przewodność cieplna betonu, ewolucja właściwości materiałowych betonu

Wprowadzenie

Popiół lotny jest dodatkiem stosowanym w produkcji betonów w szerokim zakresie. Powszechnie znany jest jego

korzystny wpływ na takie cechy betonu jak urabialność, zmniejszenie zapotrzebowania na wodę, wytrzymałość

uzyskiwaną w perspektywie długiego okresu czasu, czy też odporność na agresję chemiczną. W prezentowanych

badaniach podjęto próbę przeanalizowania wpływu popiołów lotnych na wybrane własności materiałowe betonów,

tj. przepuszczalność gazu i przewodność cieplną.

Badania eksperymentalne

Badano próbki betonowe z cementów CEM III A 32,5, CEM III A 42,5, CEM II B-S 32,5 oraz CEM V A 32,5

o stosunku woda/(cement+popiół) równym 0,46. Dla każdego z rozpatrywanych cementów wykonano badania dla

materiałów o różnym stosunku popiół/(cement+popiół).

Przepuszczalność gazu

Przepuszczalność materiału określana była przy użyciu aparatu Cembureau. Metoda ta polega na wywołaniu w próbce

o średnicy 150 mm oraz wysokości 50 mm jednokierunkowego przepływu gazu i obserwowaniu objętościowej szybkości

przepływu gazu przy określonej różnicy ciśnień między powierzchniami próbki. W celu określenia przepuszczalności

gazu próbka musi być sucha, pomiary wykonywane były więc po ustabilizowaniu się masy próbek suszonych w tempera-

turze 60°C (ubytek masy pomiędzy pomiarami wykonanymi w odstępie 24h mniejszy niż 0,1%). Badanie wykonywane

było na 3 próbkach dla każdej z rozpatrywanych mieszanek betonowych. Ostateczny pomiar był dokonywany po ustabili-

zowaniu się przepływu gazu. Przepuszczalność pozorna obliczana była wg wzoru Hagen-Poiseuille [1], przepuszczalność

właściwa natomiast, uwzględniająca wpływ ciśnienia na szybkość przepływu gazu, przy użyciu równania Klinkenberga

[1]. Jak można zaobserwować na podstawie rys. 1, przepuszczalność betonu zmniejszała się wraz ze wzrostem stosunku

p/(c+p), aczkolwiek istnieje pewna graniczna wartość, po przekroczeniu której przepuszczalność zaczyna rosnąć.

Rys 1. Przepuszczalność tlenu próbek betonowych z cementów CEM III 32.5 oraz CEM III 42.5, po 28 i 118 dniach

kondycjonowania w wodzie i odpowiednim czasie suszenia.


67

Przewodność cieplna

Wyznaczenie współczynnika przewodzenia ciepła przeprowadzono w aparacie dwupłytowym TLP 300. Aparat

dwupróbkowy składa się z elementu grzejnego i dwóch elementów chłodzących [2]. Element grzejny był umieszczany

między badanymi próbkami, rys. 2. Mierniki przepływu ciepła umieszczane były po obu stronach każdej z próbek.

Aparat TLP 300 posiada zakres pomiarowy 0,01 – 2,00 W/(mK).

Próbki betonowe do badań miały kształt walców o promieniu 20cm i grubości około 3cm. Walce umieszczano

w styropianie, który miał zapewnić adiabatyczne warunki brzegowe na pobocznicy walca. Wartości współczynni-

ka przewodzenia ciepła po wysuszeniu do stałej masy wynosiły odpowiednio dla badanych stosunków popiół/

(popiół+cement): 0,760 W/(mK), 0,964 W/(mK), 1,240 W/(mK) oraz 1,040 W/(mK).

Rys. 2. Próbki używane do badania współczynnika przewodzenia ciepła.

Rys. 3. Zmiany współczynnika przewodzenia ciepła dojrzewających próbek betonowych z cementów CEM III 32,5.

Literatura[1] J. J. Kollek., “Cembureau Recommendation. The determination of the permeability of concrete to oxygen by

the Cembureau method – a recommendation”, Materials and Structures, Vol. 22, 1989, pp. 225-230.

[2] A. Siwińska, H. Garbalińska, „Thermal conductivity coefficient of cement-based mortars as air relative

humidity function”, Heat Mass Transfer, Vol. 47, 2011, pp. 1077-1087.


68


Wpływ mikrosfer na mrozoodporność

wybranych zapraw cementowych

Piotr Konca – Politechnika Łódzka, Łódź, Poland, [email protected] Koniorczyk – Politechnika Łódzka, Łódź, Poland, [email protected] Kwiatkowski – Politechnika Łódzka, Łódź, Poland, [email protected]

Słowa kluczowe: mrozoodporność, zaprawy, mikrosfery, struktura

W pracy opisano wpływ mikrosfer na napowietrzenie zapraw cementowych, ich cechy fi zyko – mechaniczne i mro-zoodporność. Określono także, czy stosowanie dosyć drogiego dodatku, jakim są mikrosfery, jest skutecznym sposobem zapewnienia mrozoodporności zapraw. Mrozoodporność i trwałość materiałów odgrywa ogromną rolę, a postęp tech-nologii wymusza poszerzanie wiedzy na temat kształtowania tych cech. Na rynku pojawiają się coraz to nowsze produkty, wymagające ustalenia ich wpływu na trwałość przy określonym składzie zapraw i betonów. Stosowanie domieszek che-micznych powoduje zwiększenie zawartości powietrza, ale nie zapewnia całkowitej stabilności napowietrzenia, co skut-kuje spadkiem wskaźnika porowatości w wyniku mieszania i zagęszczania. Przy tradycyjnym napowietrzaniu mieszanek, czynniki te wpływają na przemieszczanie pęcherzyków powietrza, a w konsekwencji prowadzą do utraty pewnej części wprowadzonego powietrza. Zjawiska takie nie powinny występować w przypadku stosowania mikrosfer i jednocześnie domieszka ta może umożliwić lepszą kontrolę całego procesu. W artykule oceniono skuteczność mikrosfer w przyjętych rozwiązaniach materiałowych, ich wpływ na strukturę i mrozoodporność zapraw cementowych.

Jedną z ważniejszych zalet stosowania mikrosfer jest w dużym stopniu kontrolowane napowietrzenie. Dodawane sfery podczas mieszania materiału nie znikają, jak to może mieć miejsce w metodach tradycyjnych. Na podstawie wyników badań możliwe było sformułowanie następujących wniosków:

• Stosowanie dodatku nie wpływa na pogorszenie podstawowych cech fi zycznych zaprawy, takich jak urabialność, czy konsystencja (a w przypadku ilości 8 kg/m3 zaprawy następuje pewne uplastycznienie; dla CEM II 32,5R – kon-systencja wzrasta o 30%, a dla CEM I 42,5R o 10%).

• Mikrosfery w ogóle lub tylko nieznacznie powodują wzrost nasiąkliwości przy jednoczesnym wzroście porowatości.• Dodatek w ilości 4 kg/m3 i 8 kg/m3 zaprawy zabezpiecza przed 150 cyklami zamrażania - rozmrażania. • Napowietrzenie odbywa się w sposób jednorodny. Nie występują miejsca z mniejszą lub większą ilością porów.Napowietrzanie za pomocą mikrosfer wymaga specjalnego podejścia do badań. Problemy pojawiają się podczas

określenia ilości powietrza. Do zaprawy, oprócz znanej objętości mikrosfer, dodawane jest również powietrze powstałe w wyniku mieszania. Jest to niepożądany proces, ponieważ przebiega w sposób niekontrolowany, ale jest on niemożliwy do uniknięcia bez stosowania domieszek odpowietrzających. Najistotniejsze z punktu widzenia mrozoodporności są mikro-pory. Przy ich określaniu zastosowano metodę porozymetrii rtęciowej oraz analizę zgładów. Dzięki tym metodom, można określić zawartość porów jednak każda z nich posiada pewne ograniczenia. Porozymetria rtęciowa nie powinna być stosowana przy porach o większych średnicach. Z kolei odpowiednie przygotowanie zgładów wymaga dużego doświad-czenia i stosowania odpowiednich technik, a wyniki mogą być obarczone błędami, szczególnie w określaniu zawartości porów o najmniejszych średnicach. Do badania napowietrzenia świeżej zaprawy, w przypadku użycia mikrosfer nie nadaje się metoda podciśnieniowa, ponieważ ciśnienie wytworzone w aparacie jest na tyle małe, że nie jest w stanie oddziały-wać na mikrosfery. Stosowanie domieszki w ilości mniejszej niż 4 kg/m3 zaprawy cementowej nie jest zalecane, ponieważ nie zaobserwowano istotnego polepszenia właściwości zaprawy, a przede wszystkim poprawy jej mrozoodporności.

Literatura[1] Peterson K. W., Swartz R. A., Sutter L.L., Van Dam T. J., Hardened concrete air void analysis with a fl atbed scanner,

„Journal Transportation Research Record” 2007, vol. 1775, s. 36-43.[2] Rusin Z., Technologia betonów mrozoodpornych, Kraków 2002.[3] Wawrzeńczyk J., Molendowska A., Struktura porów powietrznych a mrozoodporność betonów napowietrzonych za

pomocą mikrosfer, Kielce 2011.

69

A consistent iterative scheme

for 2D and 3D cohesive crack analysis in XFEM

Jan Jaśkowiec – Cracow University of Technology, Kraków, [email protected] van der Meer – Delft University of Technology, Delft, [email protected]

Słowa kluczowe: fracture mechanics, cohesion crack model, XFEM

Matematical model

The computational model in the paper is derived for a fully three–dimentional case. It is assumed that: i) strains

and displacements are small, ii) there is a crack in the body denoted by d, iii) the displacement field is discontinuous

across crack, iv) there is a fracture process zone along the crack that is modeled by cohesion forces tc.

The analysis begins with the standard equilibrium equation in Voigt’s notation:

LT+ b = 0 in V, (1)

The equation is completed by the following boundary conditions:

mT= t on S, u = û on Su , mT = tc on Sd . (2)

The local matematical model from eqs (1) and (2) is reworked into a global weak formulation using the weighted

residuum approach, where test function vu is used.

XFEM approximation

Due to the fact that the displacements are discontinuous the vector u is approximated with the help of XFEM. It

means that some of approximation functions are discontinuous. The approximation of displacement and the discon-

tinuity of displacement are then written [1, 3, 4] as:

u = Φ , [[u]] = [[Φ]] . (3)

where [[·]] denotes the jump of a quantity.

Cohesion vector and cohesion stiffness tensor

The cohesion force vector tc and the cohesion tangent stiffnes tensor C are necessary to perform the iterative scheme of

calculations [1, 2]. In the paper a new way to calculate the C tensor is proposed. The proposed method has a general form

and therefore can easily be applied to 3D crack analysis and then can naturally be reduced to 2D case and has the form:

C = QCnsQT + S (4)

The proposed approach is illustrated with a few examples.

References[1] Jaśkowiec and Cz. Cichoń. Coupling of FEM and EFGM with dynamic decomposition in 2D quasi–brittle crack

growth analysis. Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences, 11:293–320, 2004.

[2] F. P. van der Meer, L. J. Sluys, S. R. Hallett, and M. R. Wisnom. Computational modeling of complex failure me-

chanisms in laminates. International Journal of Computational Mechanics, 46(5):603–623, 2012.

[3] G.N. Wells and L.J. Sluys. A new method for modelling cohesive cracks using finite elements. Int. J. Numer.

Methods Eng., 50(12):2667–2682, 2001.

[4] G. Zi and T. Belytschko. New crack-tip elements for XFEM and applications to cohesive cracks. International

Journal for Numerical Methods in Engineering, 57:2221–224, 2003.


70


Odkształcalność betonów na kruszywach wtórnych

Alina Kliszczewicz – Politechnika Śląska, [email protected]

Słowa kluczowe: betony na kruszywach z recyklingu (BKR), betony na nowych kruszywach naturalnych (BKN), odkształcenia doraźne, skurcz, pełzanie, wczesny skurcz

Wprowadzenie

Recykling betonu jest powszechnie akceptowany i wprowadzony do praktyki (patrz fib TG3.8 [1] z 2011r). Gruz

betonowy pozyskany z rozbiórki konstrukcji, wykonanych z betonu o stosunkowo dużej wytrzymałości, może sta-

nowić źródło kruszywa do betonów całkiem nowej generacji. Należy zatem rozważać stosowanie takiego betonu jako

kruszywa do nowego betonu (z konstrukcji do konstrukcji). Konieczne są jednak bardziej dokładne badania betonów

z takimi kruszywami, niedawne bowiem badania wskazują na pewne istotne różnice właściwości betonów na kruszy-

wach z recyklingu (BKR) i na nowych kruszywach naturalnych (BKN). Dotyczy to w szczególności relacji pomiędzy

wytrzymałością na ściskanie i rozciąganie w BKR, w porównaniu z BKN tej samej klasy. Podobne różnice stwierdzane

są w badaniach modułów sprężystości, a także w zmianach właściwości betonów w czasie. Te obszary są dotąd jeszcze

słabo rozpoznane. Stanowi to często barierę we wprowadzaniu BKR do zastosowań konstrukcyjnych. Szeroki zakres

badań BKR podsumowano poniżej.

Przedstawiono wyniki doraźnych i długotrwałych badań laboratoryjnych betonów na kruszywach z recyklingu

(BKR) o wytrzymałościach na ściskanie w przedziale od 40 do 110 MPa, z różnym udziałem kruszyw z recyklingu

(tylko grube, lub grube i drobne). Betony pierwotne, z których pozyskiwano kruszywa wtórne, w wieku kilkunastu lat,

były wykonane na różnych kruszywach (otoczakowe – w przewadze kwarcyt, granit, bazalt).

Badania prowadzono w zakresie podstawowych właściwości wytrzymałościowych, odkształcalności doraźnej i opóź-

nionej. W badaniach położono szczególny nacisk na długotrwały skurcz i pełzanie oraz na wczesny skurcz. We wnio-

skach przedstawiono podobieństwa i różnice w zachowaniu się betonów na kruszywach z recyklingu (BKR) w stosunku

do betonów na nowych kruszywach naturalnych (BKN) pod doraźnym i stałym obciążeniem długotrwałym.

Ogólny zakres badań

Badania doraźne

Wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie (przez rozłupywanie) badano po 1, 3, 7, 14, 28, 56 i 90 dniach na próbkach

walcowych Ø150×300mm. Moduły sprężystości i współczynniki Poissona, jak również relacje c-c badano na prób-

kach walcowych Ø150×300mm po 28 dniach i 90 dniach. Badano również wytrzymałość na ściskanie i przyczepność

metodą pull-out na próbkach sześciennych 150×150×150mm po 28 dniach. Próbki sześcienne stosowano także w ba-

daniach nasiąkliwości, wodoprzepuszczalności i mrozoodporności (150 cykli). Większość badań doraźnych była pre-

zentowana wcześniej [2], a niektóre z nich powtórzono, jako towarzyszące przy obecnie prezentowanych badaniach.

Te same składy betonów stosowano do wykonania próbek w badaniach długotrwałych.

Badania długotrwałe

Długotrwały skurcz i pełzanie betonu dla 3 serii (9 mieszanek) podanych w (tab. 1), badano każdorazowo na sześciu

próbkach 100×100×500 mm dla każdego betonu, w okresie ponad jednego roku. Długotrwałe obciążenie w badaniach

pełzania było realizowane w pełzarkach sprężynowych w wieku 40 do 56 dni (wówczas stwierdzano ponad 80% koń-

cowego skurczu przy RH≈70%). Do czasu obciążenia próbki były przechowywane w pomieszczeniu klimatyzowanym,

w temperaturze 18±1oC i RH≈70%. Intensywność długotrwałego obciążenia przyjęto jako około 30% nominalnej wy-

trzymałości na ściskanie, uzyskanej z badanych w dniu obciążania sześciu próbek Ø150×300mm dla każdego beto-

nu. Siły kontrolowano siłownikami, a odkształcenia pełzania mierzono czujnikami zegarowymi. Badania skurczu

rozpoczęto bezpośrednio po rozformowaniu próbek (po 24 godzinach). Ze względów technicznych, w początkowym

okresie, odkształcenia od skurczu mierzono aparatem Amslera, a następnie czujnikami zegarowymi 0,001mm.

71


Oddzielnie, dla wszystkich betonów, badano wczesny skurcz od chwili zabetonowania, oprzyrządowania form

i podłączenia do aparatury (około 20 min) do około 200 godzin. Do badań wczesnego skurczu zaprojektowano dwa

rodzaje specjalnie skonstruowanych form:

• do badań skurczu w warstwach przypowierzchniowych betonu wykonano formy o wymiarach 20×80×200mm,

• w celu umożliwienia nawiązania wyników badań skurczu wczesnego i długotrwałego zmodyfikowano 3 trady-

cyjne formy stalowe do beleczek o wymiarach 100×100×500mm.

Obydwa rodzaje form umożliwiały przesuw twardniejącej mieszanki betonowej. Pomiaru odkształceń próbek

dokonywano czujnikami indukcyjnymi. W całym okresie badania mierzono również temperaturę wewnątrz próbek.

Badania przeprowadzano kolejno dla poszczególnych mieszanek, przy zachowaniu stałej wilgotności RH≈70%

i temperatury otoczenia 18±1oC.

Wyniki badań

Wybrane wyniki badań doraźnych i długotrwałych zestawiono w (tab. 1). Podstawowe właściwości betonów po-

dano w kolumnach 2 do 6. Są to kolejno: wytrzymałości walcowe na ściskanie cm, wytrzymałości na rozciąganie

(przez rozłupywanie) ctm, moduły sprężystości Ecm, współczynniki Poissona cm, gęstości stwardniałego betonu cm. W

kolumnach 7, 8 przedstawiono główne wartości skurczu betonu: c,s(t0) pomierzone w czasie t0, tj. w dniu obciążania

próbek do badań pełzania oraz c,s(t1) pomierzone w czasie t1, tj. w dniu odciążania próbek po badaniach pełzania.

W kolumnach 9, 10, 11 podano łączne wartości odkształceń skurczu i pełzania: c,c+s(t0) – początkowe odkształcenia

w czasie t0, c,c+s(t1) - odkształcenia bezpośrednio przed odciążeniem, czyli w czasie t1, oraz c,c+s(t2) odkształcenia bez-

pośrednio po odciążeniu. W kolumnie 12 zamieszczono współczynniki pełzania φ360, a w kolumnach 13, 14 podano

wartości masy utraconej wody przez beton: Δg(t0) do czasu obciążenia i Δg(t1) do czasu odciążenia (t1 ≈ t0 + 360 dni).

Tablica 1. Właściwości betonów i wyniki badań długotrwałych (360 dni)

Symbolbetonu

Właściwości betonuWyniki badań długotrwałych

Skurcz Pełzanie Utrata wodycm ctm Ecm cm cm c,s (t0) c,s (t1) c,c+s(t0) c,c+s(t1) c,c+s(t2) φ360 ∆g(t0) ∆g(t1)

MPa MPa GPa kg/dm3 ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ kg/m3 kg/m3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14ONN 42,61 3,0 38,7 0,16 2,39 0,36 0,48 0,52 1,44 1,02 1,53 31,9 38,6ORN 45,19 2,9 35,4 0,16 2,34 0,36 0,50 0,56 1,57 1,09 1,56 32,1 41,7ORR 41,61 3,0 27,4 0,16 2,29 0,39 0,55 0,65 1,86 1,34 1,61 39,3 51,2GNN 53,64 3,9 32,1 0,17 2,40 0,17 0,29 0,55 1,37 0,99 1,35 18,2 21,4GRN 54,40 3,8 30,6 0,18 2,33 0,20 0,33 0,57 1,40 1,01 1,38 21,9 25,3GRR 53,36 3,6 25,8 0,19 2,27 0,26 0,41 0,58 1,48 1,09 1,40 27,3 32,9BNN 103,2 7,8 61,2 0,20 2,68 0,25 0,29 0,54 0,85 0,35 0,43 10,9 13,6BRN 107,7 6,5 50,9 0,20 2,53 0,28 0,33 0,63 0,96 0,42 0,43 12,2 15,0BRR 101,1 6,2 45,2 0,21 2,50 0,31 0,41 0,72 1,14 0,65 0,45 15,6 18,2

Publikację przygotowano w ramach projektu badawczego w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka

– POIG.01.01.02-10-106/09 (temat PT4.1).

Literatura[1] fib Commission 3, TG3.8, Editors: Glavind M., Sakai K., Òberg M., Müller Ch.: Guidelines for Green Concrete

Structures, Lausanne, October 2011 (draft).

[2] Ajdukiewicz A., Kliszczewicz A., Influence of recycled aggregates on mechanical properties of HS/HPC,

Cement & Concrete Composites, Vol. 24, No.2, 2002, pp. 269-279.

[3] Ajdukiewicz A., Kliszczewicz A., Comparative Tests of Beams and Columns Made of RAC and NAC. Journal

of the Advanced Concrete Technology – Materials, Structures and Environment, Japan Concrete Institute,

Vol.5, No.2, 2007, pp.259-273.

[4] Ajdukiewicz A., Kliszczewicz A., Long-term tests of reinforced-concrete beams and columns made of recycled

aggregate concrete. Proceedings of the fib Symposium “Concrete Engineering for Excellence and Efficiency”,

Prague, June 8-10, 2011, Vol.1, pp. 479-482 and CD.

72

Diagnostyka nawierzchni drogowych

i lotniskowych z wykorzystaniem zaawansowanych

badań dynamicznych

Antoni Szydło – Politechnika Wrocławska, Wrocław, antoni.szydł[email protected]łomiej Krawczyk – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected] Mackiewicz – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]

Słowa kluczowe: FWD, ugięciomierz dynamiczny, czasza ugięć, odcinek jednorodny, nawierzchnia drogowa

Ugięciomierz FWD (Falling Weight Def lectometer) jest urządzeniem służącym do pomiarów przemieszczeń

pionowych konstrukcji nawierzchni pod obciążeniem wywołanym swobodnie spadającą masą. Jest to jedno

z najpopularniejszych w ostatnim czasie badań diagnostycznych nawierzchni, które dzięki swojej efektywności

stopniowo wypiera statyczne metody pomiarów. Na rysunku pokazano schemat ugięciomierza oraz pomiaru

przemieszczeń.

W obowiązującym modelu uwarstwionej półprzestrzeni sprężystej zakłada się liniową zależność między przy-

łożonym obciążeniem a przemieszczeniem (ugięciem) konstrukcji nawierzchni. Z uwagi na specyfikę materia-

łów drogowych, zwłaszcza materiałów sypkich i podłoża, model liniowo-sprężysty jest pewnym przybliżeniem.

Z każdym kolejnym obciążeniem nawierzchnia ulega również „dogęszczeniu”, a przemieszczenia pionowe kon-

strukcji są coraz mniejsze. Podstawą identyfikacji modułów warstw nie powinny być zatem przemieszczenia

rejestrowane przy pierwszym obciążeniu ugięciomierzem dynamicznym FWD. W powszechnej praktyce po-

miarowej przyjmuje się, że przy trzecim obciążeniu (tzw. zrzucie) nawierzchnia jest już dogęszczona, spełnia

założenia modelu sprężystego, a pomierzone przemieszczenia pionowe są ustabilizowane. Celem przeprowadzo-

nych pomiarów było zweryfikowanie ww. założenia oraz zbadanie zależności między wartością przyłożonego

obciążenia a zarejestrowanym przemieszczeniem i w konsekwencji sprawdzenie poprawności przyjęcia modelu

uwarstwionej półprzestrzeni sprężystej. Badania wpływu wartości obciążenia na rejestrowane przemieszczenia

pionowe przeprowadzono przy pięciu poziomach obciążenia na czterech zróżnicowanych konstrukcjach. Bada-

nia wpływu powtarzalności obciążeń przeprowadzono na typowej konstrukcji podatnej, poddanej 10-krotnemu

impulsowi obciążającemu o wartości 57,5 kN.

Wykorzystując metodę transformacji przemieszczeń i obciążeń dynamicznych (wyznaczonych w teście

FWD) na podatność statyczną układu/konstrukcji, wyznaczono współczynniki korekcyjne czaszy przemiesz-

czeń. Współczynniki te zdefiniowano jako liczby przez które przemnożyć należy wartości przemieszczeń uzy-


73

skanych w teście FWD, aby otrzymać hipotetyczne przemieszczenia w teście statycznym, pod obciążeniem

równym co do wartości maksymalnemu obciążeniu dynamicznemu. Badania, przeprowadzone na 25 zróż-

nicowanych konstrukcjach wykazały dużą zmienność współczynników korekcyjnych czaszy przemieszczeń

i zależność ich wartości od typu i grubości konstrukcji, temperatury badania, wartości impulsu obciążającego

w badaniu FWD oraz odległości od osi obciążenia punktu, w którym współczynnik jest wyznaczany. Wy-

znaczone współczynniki korekcyjne czaszy przemieszczeń wykorzystane zostaną do oceny wpływu obciążeń

dynamicznych na identyfikowane moduły sprężystości warstw konstrukcji nawierzchni. Dalsze prace będą

dotyczyły identyfikacji numerycznej współczynników.

W trakcie badania długich odcinków nawierzchni, bardzo często dochodzi do sytuacji, w której pomierzone

przemieszczenia pionowe w badaniu FWD różnią się od siebie w sposób znaczący. Wynika to bądź z różnego

stanu technicznego nawierzchni na badanym odcinku, bądź z niejednorodnej grubości warstw konstrukcyj-

nych, bądź wreszcie ze zmiany konstrukcji w obrębie tej samej badanej nawierzchni. Odbiegające od siebie po-

mierzone przemieszczenia pionowe (będące podstawą późniejszej identyfikacji modułów sprężystości warstw)

nie mogą być wprost uśredniane, gdyż dawałoby to fałszywy obraz badanego odcinka. Przed przystąpieniem

do identyfikacji modułów kluczowe zatem jest dokonanie podziału badanego odcinka nawierzchni na tzw. od-

cinki jednorodne – o zbliżonym stanie technicznym, wyrażonym przez zbliżone moduły sprężystości warstw.

Przeanalizowano algorytmy identyfikacji jednorodnych odcinków nawierzchni na podstawie pomierzonych

przemieszczeń pionowych. Wykazano błędy w powszechnie stosowanych metodach i opracowano własną, po-

zwalającą na jednoznaczną identyfikację odcinków jednorodnych na podstawie pomiarów FWD. W dalszych

etapach będzie weryfikowany algorytm podziału na odcinki jednorodne.


74


Trwałość mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych

w nawierzchniach drogowych

Antoni Szydło – Politechnika Wrocławska, Wrocław, antoni.szydł[email protected]Łukasz Skotnicki – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]ław Kuźniewski – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]

Słowa kluczowe: nawierzchnie drogowe, trwałość zmęczeniowa, modele nawierzchni drogowych

Opis problemu

W ramach Pakietu Tematycznego PT4 - Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne, realizo-

wany jest temat PT4-2 „Recykling istniejących nawierzchni drogowych, powtórne wykorzystanie odzyskanych materiałów-

prognozowanie ich trwałości”.

Wzrost cen ropy naftowej – (paliw i asfaltów) oraz deficyt kruszyw wysokiej jakości spowodowały szerokie zainteresowa-

nie w poszukiwaniu alternatywnych metod budowy, pozwalających na zwiększenie efektywności naprawy dróg. W efekcie

powstają innowacyjne technologie pozwalające na powtórne wykorzystanie recyklowanych materiałów drogowych. Wykorzy-

stywanie materiałów pochodzących ze starych nawierzchni, powoduje zmniejszenie tempa eksploatacji złóż materiałowych,

a tym samym ogranicza ingerencję w środowisko naturalne. Z technologii tych korzystają kraje o rozwiniętej infrastrukturze

sieci drogowej takie jak: USA, kraje Europy Zachodniej.

Podstawowym celem tematu badawczego PT4.2 jest opracowanie procedur badań i oceny trwałości zmęczeniowej materia-

łów odzyskanych z nawierzchni drogowych i powtórnie scalonych w technologii na zimno za pomocą spoiw asfaltowych i ce-

mentowych. Materiały te przewiduje się wbudowywać w podbudowy nawierzchni drogowych asfaltowych oraz betonowych.

W ramach tematu badawczego przewiduje się badanie cech fizycznych, wytrzymałościowych oraz zmęczeniowych powsta-

łych konglomeratów, jak również opracowanie kryteriów oceny jakości recyklowanych i powtórnie wbudowanych materiałów.

Podstawowymi badaniami i kryteriami oceny tych materiałów są badania zmęczeniowe, które są niezbędne do oceny trwało-

ści zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni drogowych zawierających omawiane materiały powtórnie wykorzystane. Ponadto

przewiduje się opracowanie modeli obliczeniowych nawierzchni drogowych zawierających materiały pochodzące z recyklingu.

Ponadto w ramach tematu przewiduje się opracowanie modeli nawierzchni drogowych zawierających recyklowane materiały

wraz z identyfikacją parametrów opisujących te modele. Opracowane modele oraz kryteria zmęczeniowe pozwolą na przy-

gotowanie algorytmów wymiarowania nawierzchni drogowych zawierających recyklowane materiały drogowe i wbudowane

w technologii na zimno.

W I i II kwartale 2012 roku dokonano poszerzonych badań mieszanek mce, w tym również ocenę parametrów wpływa-

jących na zmęczenie. Wykonano ocenę tych parametrów dla mieszanek mce i opracowano sprawozdanie z badań tych mie-

szanek. Opracowano procedury badań modułów mieszanek mce oraz przeprowadzono badania identyfikacyjne modułów

mieszanek mce. Przeprowadzona została analiza wpływu parametrów na moduły mieszanek mce. Opracowano koncepcję

odcinka doświadczalnego in situ z zastosowaniem mieszanki mce oraz koncepcję badań materiałów pochodzących z odcinka

doświadczalnego, w tym koncepcję badań materiałów wbudowanych w warstwę podbudowy. Dokonano oceny stanu zde-

gradowanej nawierzchni drogowej i zaproponowano innowacyjną technologię jej naprawy, uwzględniającą powtórne wyko-

rzystanie materiałów konstrukcyjnych. Wykonano serie próbne zarobów z materiałów pobranych z ulicy Avicenny, która jest

traktowana jako poligon doświadczalny przy wdrażanej technologii. W wyniku studiów nad modelami badań stwierdzono,

że badania modułów mieszanek są badaniami, które pozwolą na jakościową ocenę wbudowanego materiału oraz pozwolą na

ocenę trwałości zmęczeniowej badanych mieszanek. Wykonano wstępne badania modułów na belkach o różnych wymiarach

i różnym czasie obciążenia. Stwierdzono również, że na badanie modułów ma wpływ temperatura badania oraz zawartość

asfaltu i cementu. W wyniku przeprowadzonych do tej pory prac badawczych i studiów stwierdza się, że jest możliwość po-

wtórnego wykorzystania w szerokim zakresie istniejących materiałów, które po stosownych zabiegach scalających mogą być

powtórnie zastosowane w podbudowach nawierzchni drogowych. Przeprowadzone do tej pory testy i badania laboratoryjne

wskazują, że będzie możliwe opracowanie kryteriów zmęczeniowych badanych mieszanek, które w efekcie będą mogły być

wykorzystane w metodach projektowania konstrukcji nawierzchni zawierających materiały pochodzące z recyklingu.

75

Zastosowanie asfaltu spienionego

w technologii recyklingu głębokiego na zimno

Marek Iwański – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected] Chomicz-Kowalska – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected] Mazurek – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected]

Słowa kluczowe: asfalt spieniony, recykling głęboki na zimno

Wstęp

Cel i zakres prowadzonych prac badawczych

Wzrost wymagań w stosunku do nośności nawierzchni drogowych w wyniku zwiększania dopuszczalnego obcią-

żenia na oś pojazdów oraz natężenia ruchu jest czynnikiem wymuszającym postęp techniczny i rozwój technologii

budowy oraz modernizacji dróg. Szczególną uwagę zwraca się, aby były one nie tylko skuteczne ale ekonomiczne

i przyjazne dla środowiska. Wymagania te w zakresie modernizacji dróg spełnia technologia recyklingu głębokiego

na zimno. Wzrost zainteresowania nią wynika z możliwości powtórnego wykorzystania materiałów, zmniejszenia

zużycia nowych asfaltów i kruszyw oraz ograniczenia energochłonności robót naprawczych przyczyniając się do obni-

żenia kosztów utrzymania dróg. W Polsce rozpowszechniona jest obecnie technologia recyklingu głębokiego na zim-

no konstrukcji nawierzchni z zastosowaniem mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych (MCE). Jednakże ciągły

wzrost prac w zakresie przebudowy eksploatowanej sieci drogowej w naszym kraju związany z koniecznością poprawy

nośności konstrukcji nawierzchni wskazuje na potrzebę wdrożenia do krajowego wykonawstwa bardziej nowoczesnej

technologii recyklingu na zimno, w której zamiast emulsji asfaltowej stosowany jest asfalt spieniony. Wykorzystanie

tego lepiszcza asfaltowego pozwala uzyskać większą trwałość konstrukcji nawierzchni drogowej przy oddziaływaniu

agresywnego obciążenia ruchem i bardziej niekorzystnych warunków klimatycznych.

Mieszanka mineralna recyklowanej podbudowy z asfaltem spienionym powinna zawierać w swoim składzie zgod-

nie z wymaganiami od 5% do 20% frakcji <0,063 mm, natomiast mieszanka MCE tej frakcji zawiera od 3% do 8%.

Dzięki temu stosowanie asfaltu spienionego pozwala wykorzystywać gorszej jakości zapylone materiały odpadowe.

Praktyka pokazuje, że recyklowane materiały konstrukcyjne nie zawierają wymaganej ilości tych drobnych frakcji,

dlatego zaleca się stosować jako materiał doziarniający oprócz spoiwa również drobne kruszywo granulowane bądź

pyły mineralne, które stanowią materiał odpadowy podczas procesu odpylania kruszywa przy produkcji mieszanek

mineralno-asfaltowych (MMA) w technologii na gorąco.

Celem prac badawczych było ustalenie wpływu asfaltu spienionego na zmianę właściwości podbudowy wykonanej

w technologii recyklingu na zimno, określenie jej odporności na powstawanie odkształceń trwałych oraz oznaczenie

wodo- i mrozoodporności. W badaniach zastosowano 56 mieszanek mineralno-asfaltowych różniących się składem

mieszanki mineralnej oraz rodzajem i ilością użytych materiałów wiążących (lepiszcze asfaltowe, spoiwo hydraulicz-

ne). Jako lepiszcze w mieszankach podbudowy wykorzystano asfalt spieniony wyprodukowany na bazie asfaltu Ny-

foam85 z zawartością 2,0% wody spieniającej, natomiast jako spoiwo hydrauliczne zastosowano cement portlandzki

CEM I 32,5R. Ponadto w celach porównawczych do oceny wpływu rodzaju lepiszcza asfaltowego na właściwości pod-

budowy zastosowano mieszankę MCE, w której użyto wolnorozpadową kationową emulsję asfaltową. W mieszankach

stosowano materiał mineralny pozyskany z istniejących warstw konstrukcji nawierzchni drogowej: destrukt asfaltowy

oraz destrukt z podbudowy tłuczniowej i z chudego betonu. Zaprojektowano również mieszanki mineralne z asfaltem

spienionym zawierające w swoim składzie pyły mineralne (gabrowe, kwarcytowe) z instalacji odpylania kruszywa na

wytwórni MMA.

Dla wszystkich opracowanych i sporządzonych mieszanek dokonano oceny cech fizyczno-mechanicznych przy

zmianie składu mineralnego i poziomu stosowanych materiałów wiążących (asfaltu spienionego, cementu). Przepro-

wadzono również analizę odporności mieszanek podbudowy na powstawanie odkształceń trwałych oraz odporności

na działanie wody i mrozu. Na podstawie uzyskanych wyników badań wykonano analizę statystyczną oraz ustalono


76

zależności pomiędzy badanymi cechami recyklowanych mieszanek podbudowy z asfaltem spienionym. Na podstawie

optymalizacji wielokryterialnej przy pomocy funkcji użyteczności Harringtona określono optymalny skład recyklo-

wanych mieszanek przeznaczonych na warstwę podbudowy w technologii recyklingu na zimno w aspekcie składu

mieszanki mineralnej, rodzaju i ilości materiałów wiążących.

Literatura[1] Chomicz-Kowalska A.: Odporność na oddziaływanie wody i mrozu podbudowy w technologii recyklingu

z asfaltem spienionym. Praca doktorska. Kielce, 2011.

[2] Iwański M. Buczyński P.: Wpływ pyłów mineralnych na moduł sztywności podbudowy z asfaltem spienionym.

Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Seria: Budownictwo i Inżynieria Środowiska, 2012.

[3] Iwański M. Chomicz-Kowalska A.: Właściwości recyklowanej podbudowy z asfaltem spienionym.

Drogownictwo Nr 9, s. 271-277, 2011.

[4] Iwański M., Chomicz-Kowalska A.: Moisture and Frost resistance of the recycled base rehabilitation with

foamed bitumen technology, Archives of Civil Engineering, 2012.


77

Powtórne wykorzystywanie całych elementów

konstrukcyjnych

Janusz Brol – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected] Adamczyk – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected] Dawczyński – Politechnika Śląska, Gliwice, Szymon.Dawczyń[email protected]

Słowa kluczowe: konstrukcje budowlane, recykling, powtórne użycie (reuse)

Wprowadzenie

Powtórne wykorzystywanie całych elementów konstrukcyjnych jest w różnym stopniu możliwe i czasem trudne. Ta-

kie postępowanie umożliwia jednak ograniczenie wyrzucania na składowiska uciążliwych odpadów, które mogą powtór-

nie być zastosowane, a tym samym ogranicza zanieczyszczenie środowiska, co ma istotne znaczenie w zrównoważonym

rozwoju budownictwa z uwzględnieniem aspektów środowiskowych. W ogólnych rozważaniach na temat potrzeby czy

zasadności recyklingu materiałów i całych elementów budowlanych istotne znaczenie ma fakt, że przemysł budowlany

jest nadal jednym z głównych producentów odpadów na świecie [1]. Im więcej uda się zatem odzyskać materiałów do po-

nownego użycia, tym więcej zaoszczędzonej energii i zasobów naturalnych (nie trzeba wytwarzać nowych materiałów)

oraz tym mniejsze koszty związane z utylizacją lub składowaniem odpadów [3]. W obecnej sytuacji gospodarczej każde

działanie, nawet najbardziej proekologiczne, musi być usankcjonowane prawnie i ekonomicznie. Aby recykling elemen-

tów budowlanych, w całości lub po nieznacznym przetworzeniu, był opłacalny muszą być podjęte działania zarówno ad-

ministracyjne (odpowiednie ustawodawstwo np. zakazujące składowania na wysypiskach śmieci odpadów, które mogą

być powtórnie wykorzystane lub zwiększające koszty takiego składowania), jak i techniczne (odpowiedni dobór narzędzi

i technik rozbiórki, w zależności od rodzaju materiału do pozyskania) [2].

Decyzje o rozbiórkach obiektów są podejmowane z różnych przyczyn; nie zawsze o rozbiórce decyduje stan tech-

niczny obiektu. Coraz częściej przyczyną rozbiórek obiektów budowlanych jest brak możliwości zmian dotychczaso-

wych funkcji użytkowych obiektu lub konieczność uzyskania atrakcyjnego terenu pod bardziej interesujące, potrzebne

inwestycje. Ważną zatem kwestią jest ocena elementów pochodzących z rozbiórki i określenie ich aktualnych parame-

trów wytrzymałościowych. Nie zawsze jest to możliwe na podstawie badań nieniszczących przeprowadzanych in situ,

dlatego w projekcie, oprócz obserwacji na obiektach, podjęto także badania laboratoryjne elementów, aby dokładnie

ocenić stan techniczny elementów i wpływ czasu na ich parametru techniczno-użytkowe. Badania takie będą stano-

wić podstawę do wytycznych postępowania.

Badania laboratoryjne

W celu sprawdzenia przydatności elementów konstrukcyjnych z rozbieranych budynków do ponownego wykorzy-

stania w innych obiektach przeprowadzono badania laboratoryjne. Do badań udało się pozyskać takie elementy jak:

1. strunobetonowe dźwigary dachowe SB-I-80/12 pochodzące z rozbieranej hali wystawowej – badane na zginanie

pod obciążeniem skupionym (przykładowe wyniki na rys.1), przy rozpiętości podpór 11,25m,

2. drewniane belki stropowe pochodzące z remontowanego zabytkowego budynku - badane na zginanie pod ob-

ciążeniem skupionym (rys.2), oraz ściskanie,

3. płyty dachowe żużlobetonowe o wymiarach 0,6 x 2,1 x 0,1m, pochodzące z demontowanego poszycia dachu remonto-

wanego kina – badane na zginanie pod obciążeniem równomiernie rozłożonym (rys.3), skupionym oraz na przebicie,

4. płyty żebrowe panwiowe do montażu na dźwigarach stalowych (wymiary 5,94x1,5x0,3m), pozyskane z rozbieranej

wiaty z uwagi na nową inwestycję - badane na zginanie pod obciążeniem czterema siłami skupionymi (rys.4),

PodsumowaniePrzeprowadzenie procesu rozbiórki budynku (budowli) w taki sposób, aby poszczególne elementy można było po-

nownie wykorzystać wymaga ze strony wykonawcy sporej wiedzy i umiejętności. W procesie tym powinien uzyskać


78

wsparcie osób o odpowiednich kwalifikacjach i doświadczeniu. Zgodnie z obowiązującymi przepisami inwestor przy-

stępując do rozbiórki nie ma obowiązku odzyskiwać materiałów lub całych konstrukcji, a skupiając się tylko na włas-

nym przedsięwzięciu często nie widzi nawet takiej potrzeby, by szukać dla nich nowego zastosowania. Niewątpliwą

zachętą byłoby dla niego pozyskanie wymiernych środków finansowych ze sprzedaży tych materiałów. Aby tak mogło

się stać konieczne jest znalezienie odbiorcy – osoby, która będzie zainteresowana ponownym wykorzystaniem (wbu-

dowaniem) elementów rozbiórkowych w nowym obiekcie.

Wydaje się, że najlepszym rozwiązaniem (znacząco ułatwiającym kontakt pomiędzy inwestorem, projektantem

i wykonawcą) byłoby stworzenie internetowej platformy (w formie bazy danych), gdzie na poziomie powiatu, woje-

wództwa lub nawet kraju można byłoby szybko znaleźć informację o dostępnych materiałach lub całych elementach

konstrukcyjnych gotowych do ponownego wykorzystania.

Konieczne jest zatem opracowanie schematu, według którego informacje te należy gromadzić, być może już na eta-

pie uzyskiwania pozwoleń na rozbiórki, gdyż inwestor ma obowiązek informowania o tych zamierzeniach stosowne

organa.

Ponieważ zgłaszanie rozbiórek obiektów budowlanych jest obecnie dokonywane w miejscowych Wydziałach Ar-

chitektury i Budownictwa odpowiednich, uprawnionych urzędów gmin, miast i powiatów oraz udzielanie zgody na

rozbiórkę obiektów jest wydawane na podstawie dokumentów, do których między innymi należy projekt rozbiórki,

to już na tym etapie można by gromadzić (lub udostępniać) informację o planowanych rozbiórkach i możliwych do

pozyskania elementach konstrukcji.

Rys. 1. Wykres siła – ugięcie dla badanych dźwigarów strunobetonowych

Rys. 2. Wykres moment – ugięcie dla badanych belek drewnianych

Rys. 3. Wykres obciążenie – ugięcie dla badanych płyt żużlobetonowych

Rys. 4. Wykres siła – ugięcie dla badanych płyt żebrowych

Literatura[1] [G201] Cecilia Gravina Da Rocha, Miguel Aloysio Sattler: A discussion on the reuse of building components

in Brazil: An analysis of major social, economical and legal factors. Resources, Conservation and Recycling 54

(2009) pp. 104–112

[2] Abdol R. Chini And Stuart F. Bruening: Deconstruction and materials reuse in the United States. Special Issue

article in: The Future of Sustainable Construction – 2003. Published: 14th May, 2003. ISBN 1-886431-09-4

[3] Catarina Thormark: Recycling Potential and Design for Disassembly in Buildings. Report TABK--01/1021.

ISSN 1103-4467. KFS AB, Lund, Sweden, 2001.


79

Ocena efektywności zbrojenia elementów betonowych

silnymi siatkami tekstylnymi

Bernard Kotala – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected] Węglorz – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected]

Słowa kluczowe: siatki tekstylne, teksbet

Wstęp

Pierwszą grupę badań w temacie PT4.5 zaplanowano tak, aby uzyskane wyniki mogły stanowić podstawę jakościowej

oceny przydatności zbrojenia niemetalicznego w odniesieniu do tradycyjnego zbrojenia stalowego.

Zakres pierwszej grupy badań obejmował:

• badania cech wytrzymałościowych siatek tekstylnych,

• badania przyczepności siatek tekstylnych do betonu,

• badania płyt pod obciążeniem doraźnym.

Badania przyczepności siatek do betonu

Podstawowym celem badań materiałowych było potwierdzenie współpracy siatek z mieszanką betonową. Badania

przyczepności do betonu poprzedzono oceną zachowania przędzy w próbie rozciągania, w celu rozpoznania właściwo-

ści wytrzymałościowych stosowanego zbrojenia. Elementy próbne w zasadniczych badaniach przyczepności wykonano

z bloku betonowego o przekroju 25 × 25 cm, o różnych wysokościach dostosowanych do zmiennych długości zakotwie-

nia – tj. od 5 do 20 cm (ze stopniowaniem co 5 cm) oraz z pasma siatki tekstylnej szerokości 10 cm i długości od 70 do 85

cm. Jeden z końców pasma zabetonowano w bloku kotwiącym, a drugi, mocowany w szczękach maszyny wytrzymałoś-

ciowej, wyposażono w uchwyt z żywicy epoksydowej, zabezpieczający włókna siatki przed zniszczeniem przy zaciskaniu

szczęk maszyny. Pojedynczą serię elementów próbnych stanowiły trzy elementy dla każdej długości zakotwienia i każde-

go rodzaju siatki. W sumie przebadano 36 elementów próbnych. Do wykonania bloku betonowego zastosowano drobno-

ziarnistą mieszankę betonową o konsystencji plastycznej, którą zagęszczono ręcznie przy układaniu w formie. W czasie

betonowania pasmo u dołu zabezpieczono tymczasowo osłoną poliuretanową, dla ochrony przed przypadkowym uszko-

dzeniem siatki podczas zagęszczania. Badanie polegało na próbie wyciągnięcia pasma siatki z bloku betonowego siłą

działającą wzdłuż płaszczyzny zakotwienia. Badania przyczepności przeprowadzono w maszynie wytrzymałościowej,

której górna głowica stanowiła podporę bloku betonowego, a dolna, ruchoma, umożliwiała wyciąganie siatki zamocowa-

nej w szczękach (rys. 1a).

a)

b)

Rys. 1. Szkice stanowisk badawczych: a) w badaniach przyczepności siatek do betonu, b) w badaniach płyt

W badaniu przyczepności mierzono (siłomierzem wbudowanym w maszynie wytrzymałościowej) siłę wywołującą

poślizg siatki z bloku betonowego lub jej zerwanie. W przypadku zerwania, elektronicznym czujnikiem zegarowym


80

określano końcowe wydłużenie. Oznaczano również miejsce zerwania pasma siatki. W badaniach wyznaczono wartości

sił, przy których następowało wysnuwanie lub zrywanie siatek oraz wartości wydłużeń towarzyszących siłom zrywają-

cym. Dla wszystkich typów siatek stwierdzono wystarczającą przyczepność przy długości zakotwienia równej min. 20,0

cm. Przy tej długości zakotwienia zerwanie siatek następowało w środku badanego pasma, przy sile o wartości zbliżonej

do maksymalnej wartości siły zrywającej. Badania przyczepności siatek niemetalicznych do betonu miały charakter po-

glądowy i potwierdziły istnienie mechanizmu przyczepności.

Badania doraźne płyt

Do tej pory w badaniach wykorzystano siatki wykonane z następujących typów włókien niemetalicznych:

• (A) – szklanych, odpornych na alkalia – AR-GLASS,

• (P) – poli-winylo-alkoholowych – PVA,

• (C) – węglowych – CARBON.

Wszystkie siatki charakteryzowały się, zgodnie z danymi producentów, wiotkimi połączeniami pomiędzy prostopad-

łymi przędzami. Wiązki (sploty) miały większą nośność w kierunku głównym niż w kierunku poprzecznym, co odpo-

wiadało założeniu zbrojenia jednokierunkowego płyty. Zgodnie z założeniami tematu badawczego PT4.5, w badaniach

skoncentrowano się przede wszystkim na analizie pracy zgięciowej elementów płytowych. Dotychczasowe badania

prowadzono na prostym modelu badawczym, w postaci jednokierunkowo zbrojonej, jednoprzęsłowej płyty swobodnie

podpartej obciążonej w sposób liniowy (rys. 1b). Dla celów porównawczych wykonano modele żelbetowe o tych samych

wymiarach, w tym z zachowaniem takiej samej grubości płyty. Schemat obciążenia zapewnił jednokierunkową pracę

modelu (płyta walcowo zginana). Prosty schemat badania pozwolił zminimalizować błędy modelu oraz umożliwił ana-

lizę porównawczą przez wariantowanie zbrojenia. W modelach badawczych szczególną uwagę poświęcono prawidłowej

stabilizacji zbrojenia, dla zachowania identycznych wymiarów geometrycznych porównywanych modeli.

Właściwe badania płyt poprzedzono badaniami pilotażowymi w celu opracowania szeregu zabiegów technologicz-

nych, w tym zwłaszcza: doboru receptury mieszanki betonowej, metod stabilizacji wiotkiego zbrojenia w deskowaniu

i sposobu układania mieszanki betonowej. W badaniach pilotażowych płyt, w wolnopodpartym schemacie statycznym,

prowadzono pomiar ugięcia płyt elektronicznymi czujnikami zegarowymi w środku rozpiętości, przy obu krawędziach.

Liniowo rozłożone obciążenie zadawane było przez sztywną belkę stalową obciążaną 25-cio kilogramowymi ciężarkami.

Badania prowadzono pod obciążeniem doraźnym, do zniszczenia. Uzyskano podobny charakter pracy płyt, co świadczy

o dobrym doborze stopnia zbrojenia dla poszczególnych typów siatek.

Na podstawie wniosków z wykonania elementów próbnych i ich badań pilotażowych, po niewielkich modyfikacjach

składu mieszanki betonowej, rozpoczęto właściwe badania doraźne pierwszej grupy elementów płytowych.

Zasadnicze badania doraźne przeprowadzono na czterech seriach cienkościennych elementów płytowych. Każda seria

składała się z 3 zbrojonych płyt, więc w sumie badaniu poddano 12 elementów płytowych. Jednorazowo wykonywano po

trzy płyty jednej serii, co zapewniało jednorodność mieszanki betonowej. Stanowisko badawcze składało się ze sztyw-

nej ramy stalowej do przekazania obciążenia na model badawczy. Do rygla ramy zamocowanej w płycie wielkich sił

został podwieszony siłownik śrubowy przekazujący obciążenie na sztywną belkę, równomiernie rozkładającą je na sze-

rokości płyty. Pomiar siły był dokonywany siłomierzem. W pierwszej grupie badań doraźnych teksbetowych elementów

płytowych stwierdzono wysoką efektywność zbrojenia tekstylnego w odniesieniu do tego samego elementu zbrojonego

prętami stalowymi. Zarysowanie w elementach teksbetowych występowało przy sile ok. 30% wyższej niż w przypadku

płyty żelbetowej. W badaniach prowadzonych pod obciążeniem statycznym wykazano, że praca płyt zbrojonych siatka-

mi PVA, z włókien szklanych i z włókien węglowych ogranicza się wyłącznie do fazy liniowo-sprężystej lub quasi-sprę-

żystej (w której powstają mikrozarysowania). Po zarysowaniu następuje gwałtowny spadek sztywności tych elementów,

a zniszczenie zachodzi gwałtownie, przez kruche pękanie.

W analizie porównawczej elementów próbnych o podobnej intensywności zbrojenia nie w pełni wykorzystano moż-

liwości znacznego zagęszczenia siatki zbrojenia tekstylnego przy zapewnieniu ciągle bardzo dobrych warunków przy-

czepności (elementy warstwowo zbrojone), co prowadziłoby do dalszego zwiększenia nośności ponad nośność elementu

żelbetowego, gdzie możliwość gęstego rozmieszczenia tradycyjnego zbrojenia prętowego w przekroju jest zwykle ogra-

niczona.


81


Moduł sprężystości skurcz i pełzanie betonów

o dużej zawartości piasku

Dawid Moszczyński – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Czkwianianc – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: beton, kruszywo, piasek, wytrzymałość, moduł, skurcz, pełzanie

Składy i właściwości mieszanek betonowych

Składy mieszanek betonowych, oznaczenie receptury, uzyskaną konsystencję i zawartość powietrza przedstawiono

w tablicy 1.

Tab. 1. Składy i właściwości mieszanek betonowych

Moduł sprężystości betonu

Moduł sprężystości został określony na próbkach walcowych

Ø150 / 300 po 28 i 365 dniach, przy czym po 28 dniach do określe-

nia modułu zastosowano metodę według DIN 1048-5 [1], zaś po 365

dniach na dwóch próbkach według DIN 1048-5, a na jednej próbce

według Model Code 2010 [2]. Dla tej jednej próbki zarejestrowano

cały wykres - aż do zniszczenia. W obu tych metodach był określa-

ny moduł sieczny. Wyniki badań przedstawiono na wykresie 1, gdzie

również porównano je ze wzorami normowymi według ACI363R-92

[3], Eurokod 2 [4] i Model Code 2010 [2].

Widać wyraźnie, że moduł sprężystości określony wzorem wg

[3] jest zgodny z wynikami badań, natomiast wzory przedstawione

w Model Code [2] i Eurokodzie 2 [4] przeszacowują wartość mo-

dułu. Wyniki badań betonu zwykłego dla betonów o wytrzyma-

łości 25-30 MPa są zgodne z zależnością podaną w [3], natomiast

wyraźnie niższe od BWP przy wytrzymałościach około 60 MPa.

Zarejestrowane zależności - pozwalają na stwierdzenie, że od-

kształcenia betonu odpowiadające wytrzymałości fc są rzędu 2,5 do

3,0‰, a więc podobnie jak w betonach zwykłych.

Rys. 1. Moduł sprężystości i wytrzymałość betonu w wieku 28dni na tle

krzywych normowych.

82


Skurcz i pełzanie betonu

Pomiary skurczu i pełzania betonu prowadzono przez okres jednego roku. Odkształcenia skurczowe były określane na

próbkach 100x100x500 (metoda Amslera) oraz na próbkach Ø150 / 300 jako badanie towarzyszące pomiarom odkształceń

przy pełzaniu. Liczba próbek zarówno przy jednym, jak i drugim badaniu była równa trzy. Odkształcenia pełzania także

były określane na trzech próbkach obciążanych w pełzarkach hydraulicznych przy poziomie naprężeń około 0,3fc. Pomiary

odkształceń zarówno dla skurczu towarzyszącego, jak i przy pełzaniu były prowadzone za pomocą ekstensometru nasa-

dowego firmy Mayes & Sohn na bazie 150mm. Badania prowadzono w pomieszczeniu klimatyzowanym przy ustalonej

temperaturze około 20 ± 2°C i wilgotności powietrza 50 ± 5%. Wyniki badań przedstawiono w tablicy 2.

Tab. 2. Wyniki badań skurczu i pełzania betonu

Ostateczne odkształcenia skurczowe (w czasie równym nieskończoności) i odkształcenia pełzania zostały określo-

ne na podstawie zależności hiperbolicznej zaproponowanej przez Rossa. Na podstawie pomiaru skurczu metodą Am-

slera oszacowano odkształcenia końcowe na około 0,7‰. Bezpośrednie porównanie wyników badań skurczu betonów

o dużej zawartości piasku z odkształceniami skurczowymi betonów zwykłych wykazało, że skurcz betonu o dużej

zawartości piasku jest mniejszy niż betonów zwykłych (1.40.2 – 0,609‰, 4.40.2 – 0,777‰ oraz 3.20.2 – 0,761‰, 5.20.2

– 0,839‰). Podobnie porównanie odkształceń skurczowych określonych w badaniach towarzyszących wykazało, że

także i w tym wypadku skurcz betonów o dużej zawartości piasku jest mniejszy od skurczu betonów zwykłych (1.40.2

– 0,563‰, 4.40.2 – 0,647‰ oraz 3.20.2 – 0,595‰, 5.20.2 – 0,626‰). Daje się zauważyć także, że przy większej zawarto-

ści popiołu (40% do 20%) skurcz betonu jest mniejszy. Ostateczne współczynniki pełzania (w czasie równym nieskoń-

czoność) wynoszą od 1,42 dla betonu o ilości spoiwa 500kg/m3, ilości popiołu 40% i napowietrzeniu około 2% do 2,34

dla betonu o ilości spoiwa 425kg/m3, ilości popiołu 40% i napowietrzeniu 5%. Porównanie odpowiednich par wyni-

ków współczynnika pełzania betonów o wysokiej zawartości piasku i betonów zwykłych nie pozwala na wyciągnięcie

jednoznacznych wniosków, gdyż w betonach o wysokiej zawartości piasku przy ilości spoiwa 350kg/m3 współczynnik

pełzania wynosi 2,23, a w betonach zwykłych 1,77, natomiast przy ilości spoiwa 500kg/m3 odpowiednio 1,51 i 1,78.

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych badań doświadczalnych można sformułować następujące wnioski:

• moduł sprężystości betonów o dużej zawartości piasku jest taki sam, jak ich odpowiedników w betonach zwykłych. Naj-

lepiej aproksymuje wyniki badań zależność podana w ACI 363R-92 [3]. Wzory normowe zamieszczone w Eurokodzie 2

[4] i CEB-FIB Model Code 2010 [2] zawyżają wartość modułu sprężystości w odniesieniu do wyników badań.

• właściwości reologiczne betonu, skurcz i pełzanie, są w betonach o dużej zawartości piasku podobne jak w beto-

nach zwykłych.

Literatura[1] Deutsche Norm DIN 1048-5 Prüfverfahren für Beton. Festbeton, gesondert hergestellte Probekörper: 1991-06.

[2] CEB-FIB Model Code 2010, Bulletin 66. 117-119.

[3] ACI 363R-92. ACI Manual of Concrete Practice 2010. Part 5. 23.

[4] PN-EN 1992-1-1 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu – Część 1: Reguły ogólne i reguły dla

budynków.

83

Badania wpływu prędkości nagrzewania na parametry

wytrzymałościowe stali konstrukcyjnych

Zoja Bednarek – Szkoła Główna Służy Pożarniczej, Warszawa, [email protected] Kamocka-Bronisz – Szkoła Główna Służy Pożarniczej, Warszawa, [email protected]ł Ogrodnik – Szkoła Główna Służy Pożarniczej, WarszawaSławomir Bronisz – Szkoła Główna Służy Pożarniczej, Warszawa, [email protected]

Słowa kluczowe: stal konstrukcyjna, prędkość nagrzewania, temperatura krytyczna

Wpływu prędkości nagrzewania na parametry wytrzymałościowe stali konstrukcyjnych

Wprowadzenie

Przepisy budowlane nakazują aby budynki i urządzenia z nimi związane były zaprojektowane i wykonane

w sposób zapewniający w razie pożaru możliwość bezpiecznej ewakuacji. Spełnienie wymagań co do bezpieczeń-

stwa możliwe jest wyłącznie na podstawie dokładnego prognozowania zachowania się elementów konstrukcyj-

nych w warunkach zbliżonych do warunków pożaru. Szczególne zainteresowanie zespołu badawczego skierowane

było na stale zbrojeniowe w gatunkach S355J2G3, B500SP (EPSTAL) oraz BSt500S. Otrzymane wyniki badań stali

S355J2G3,B500SP oraz BSt500S w zmiennym polu podwyższonych temperatur umożliwią uwzględnianie w mo-

delach obliczeniowych wpływu prędkości nagrzewania na spadek nośności oraz odkształcenia konstrukcji. Pro-

wadzone badania mają charakter badań podstawowych zmierzających do udoskonalenia współczesnych metod

analizy wytrzymałościowej elementów konstrukcji stalowych i żelbetowych znajdujących się w stanach awaryjnych

pod działaniem zmiennego pola temperatury.

Celem autorów było zbadanie i opisanie wpływu rozkładu temperatury w czasie (prędkości nagrzewania) na wy-

brane parametry wytrzymałościowe tj. temperaturę krytyczną, odkształcenia krytyczne badanych gatunków stali.

Badania prowadzono w warunkach anizotermicznych przy 4 prędkościach nagrzewania w zakresie od 5°C/min do

50°C/min oraz dwóch poziomach naprężeń wynoszących 0,5fy oraz 0,8fy.

Analiza porównawcza badanych gatunków stali

Na podstawie analizy punktu krytycznego dla zarejestrowanych na stanowisku badawczym zależności odkształceń

w funkcji temperatury przy określonych prędkościach nagrzewania określono temperaturę krytyczną oraz odkształcenia

krytyczne w funkcji prędkości nagrzewania. Wyniki analizy dla dwóch poziomów naprężeń przedstawiono na rys.1,2.

Rys.1 Zależność temperatury krytycznej od prędkości nagrzewania dla stali B500SP, S355 oraz BST500S przy poziomie naprężeń =0,5fy oraz =0,8fy


84


Rys.2 Zależność odkształceń krytycznych od prędkości nagrzewania dla stali B500SP, S355 oraz BST500S przy poziomie naprężeń =0,5fy oraz =0,8fy

Wnioski

1. Prowadzone badania miały na celu wyznaczenie wpływu prędkości nagrzewania stali na parametry wytrzyma-

łościowe wykorzystywane do oceny zachowania się konstrukcji stalowych i żelbetowych w warunkach pożarowych.

W badaniach uwzględniono stały poziom naprężeń w próbkach wynoszący =0,5fy oraz =0,8fy.

2. Porównanie wyników badań odkształceń krytycznych przy stałym obciążeniu przy różnych rozkładach tempe-

ratury w czasie uwidacznia wpływ prędkości wzrostu temperatury na mierzone odkształcenia. Im prędkość wzrostu

temperatury jest większa tym odkształcenia próbki w danej temperaturze są mniejsze

Zjawisko to jest efektem większego udziału odkształceń pełzania w ogólnym bilansie odkształceń przy wolnym

nagrzewaniu (5 oC/min) niż w przypadku szybkiego nagrzewania (50 oC/min).Udział odkształceń pełzania w od-

kształceniu ogólnym zwiększa się również ze wzrostem poziomu obciążenia. . Najmniej czuła na zmianę prędkości

nagrzewania w zakresie odkształceń jest stal umacniana cieplnie BST500S.

3. Na podstawie analizy parametrów wyznaczonych w warunkach różnej prędkości nagrzewania stwierdzono

oznaki hamowania pewnych procesów strukturalnych co przejawia się otrzymywaniem wyższych parametrów tem-

peraturowych przy nagrzewaniu z większą prędkością. Próbki stalowe przy większych prędkościach nagrzewania

i stałym poziomie naprężeń ulegają zniszczeniu przy wyższych temperaturach osiągając jednocześnie mniejsze od-

kształcenia. Największy wzrost temperatury krytycznej w badanym zakresie prędkości nagrzewania wykazuje stal

umacniana cieplnie BST500S.

Literatura[1] Bednarek Z.: Studium wpływu nieustalonych warunków termicznych na stosowane przy ocenie

bezpieczeństwa pożarowego konstrukcji parametry wytrzymałościowe stali budowlanych. Monografia,

Oficyna Wydawnicza PW, 1996, s.1-203.

[2] Bednarek Z. ,Kamocka R. : Odkształcenia termiczne stali budowlanych w zmiennym polu temperatur,

„Inżynieria i Budownictwo”, nr 8, 2003;

[3] Bednarek Z. ,Kamocka R: Analysis of thermal strain of structural steels in variable thermal field, “Journal of

Civil Engineering and Management”, Vilnius,Supl.1,2004;

[4] Bednarek Z., Kamocka-Bronisz R.: Analysis Of Fire Temperature Distribution Influence On Strength

Parameters Of Steel Structures,V GTU „Technika”, 2010, p.1199–1202

[5] Bednarek Z., Kamocka-Bronisz R: The Analysis of the Influence of Fire Temperatures on Strength Parameters

of Reinforcing Steel of High Ductility ,VŠB – TU 2011, p.18-23

[6] Anderberg Y. : Modelling Steel Behavior, „ Fire Safety Journal”, 13 (1988) 17-26;

[7] Outinen J., Kaitila O., Mäkeläinen P.: High-Temperature Testing of Structural Steel, Helsinki University of

Technology Laboratory of Steel Structures Publications 23, 2001;

[8] Skowroński W.: Teoria bezpieczeństwa pożarowego konstrukcji metalowych. PWN,2001

[9] PN-EN 1993-1-2:2007 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-2: Reguły ogólne. Obliczanie

konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe.

[10] PN-EN 1992-1-2: 2008Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu – Część 1-2: Reguły ogólne –

Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe.

85


Badanie wpływu emisji tlenku węgla powstającego

podczas rozkładu termicznego drewna sosnowego na jego

stężenie podczas pożaru w pomieszczeniu

Barbara Ościłowska – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]żena Kukfi sz – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected] Tuśnio – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]

Streszczenie

W referacie przedstawiono metodykę badań emisji gazów toksycznych podczas rozkładu termicznego stałych

materiałów palnych. Zasada metody polega na poddawaniu badanych próbek oddziaływaniu strumienia ciepła

i pomiarze masy gazów emitowanych z badanej próbki. Stanowisko badawcze umożliwia oznaczanie następujących

gazów toksycznych: amoniak, tlenek i dwutlenek azotu, cyjanowodór, tlenek węgla, chlorowodór, siarkowodór. Ba-

dane było drewno sosnowe surowe i pokryte warstwami lakierów: poliuretanowego, ftalowego i nitrocelulozowego.

Dane dotyczące emisji tlenku węgla wyznaczone podczas badań zamieszczone są w tabeli1.

Wyniki badań zostały wykorzystane do obliczeń przy pomocy komputerowego modelu rozwoju pożaru FDS, co

pozwoliło na ocenę wzrostu stężenia tlenku węgla w pomieszczeniu obudowanym drewnem surowym i lakierowa-

nym w stosunku do sytuacji, gdy brak jest takiej obudowy.

Seria I II III IV V VI VII VIII

Rodzaj drew-na surowe surowe

surowe + lakier poliure-

tanowy

surowe + lakier

poliuretanowy

surowe + lakier

nitrocelulo-zowy

surowe + lakier

nitrocelulo-zowy

surowe + lakier

ftalowy

surowe + lakier

ftalowy

Gęstość mocy promienio-

wania6,5 kW/m2 10 kW/m2 6,5 kW/m2 10 kW/m2 6,5 kW/m2 10 kW/m2 6,5 kW/m2 10 kW/m2

Czas do po-czątku emisji 15 min. 12 min. 17 min. 8 min. 2 min. 1 min. 1 min. 1 min.

Temperatura na powierzch-

ni próbki160 ºC 240 ºC 160 ºC 170 ºC 190 ºC 170 ºC 170 170

Max. szybkość emisji CO

71310-3 mg/s =17,825

mg/m2s

360310-3 mg/s =90,075

mg/m2s

47410-3 mg/s =11,850

mg/m2s

170210-3 mg/s =42550

mg/m2s

29310-3 mg/s =7,325

mg/m2s

181410-3 mg/s =45,350

mg/m2s

32310-3 mg/s =8,075

mg/m2s

108110-3 mg/s =27,025

mg/m2s

86


Wpływ parametrów lotnych produktów

spalania różnych materiałów wyposażenia obiektów

budowlanych na czas zadziałania systemów

zabezpieczeń przeciwpożarowych

Waldemar Wnęk – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]ław Kubica – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected] Domżał – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]

W okresie rozliczeniowym podjęto się wykonania badań według harmonogramu polegających na dalszym po-

miarze wpływu prędkości przepływu mieszaniny powietrzno-dymowej na czułość dla wybranych czujek dymu

przy spalaniu płomieniowym dla różnych materiałów palnych. Następnie podjęto się oszacowania modelu przepły-

wowego czujki dymu metodami statystycznymi. W trakcie pomiarów wyznaczono wpływ prędkości powietrza na

parametry dymu przy spalaniu płomieniowym i bezpłomieniowym , co stanowi element podstawowy przy szaco-

waniu czasów zadziałania systemów zabezpieczeń przeciwpożarowych.

a) b)

Rysunek 1. Rozkłady ilości cząstek w funkcji wielkości dla różnych prędkości przepływu dymu przy spalaniu pianki poliuretanowej: a. spalanie bezpłomieniowe (10x10x2cmx1 szt.), b. spalanie płomieniowe(20x20x2cmx3szt.)

Rozkłady mają podobny charakter rozkładów wielkości cząstek. Wzrost prędkości powoduje zmniejszenie ilości cząstek

czyli rozrzedzenie dymu, co ma wpływ na koncentrację cząstek. Widać w obu przypadkach efekt zmniejszania się wielkości

cząstek. Ilość cząstek przy spalaniu bezpłomieniowym jest większa w porównaniu do spalania bezpłomieniowego.

Model przepływowy przy założeniu analizy odpowiednich parametrów przyjmuje postać:

1. Spalanie płomieniowe pianki poliuretanowej

2. Spalanie płomieniowe drewna dębowego

3. Spalanie bezpłomieniowe pianki poliuretanowej

4. Spalanie bezpłomieniowe drewna dębowego

gdzie: v – prędkość powietrza w tunelu pomiarowym [m/s], d – gęstość dymu [g/m3], y – względna zmiana prądu jonizacji dla czujek jonizacyjnych [-], m – gęstość optyczna dymu dla optycznych czujek dymu [dB/m], dgeo – średnia

średnica geometryczna cząstek dymu [μm], σgeo – odchylenie standardowe średnicy cząstek dymu [μm]

87

Z otrzymanych wyników wynikają postaci funkcji:

• czujki jonizacyjne tjon p=η y

η – współczynnik zależny od rodzaju spalanego materiału (dla drewna dębowego – 31,7561-34,4128 i pianki

poliuretanowej 30,661-49,263 określono z prawdopodobieństwem 0,95)

• czujki optyczne topt b = f (m, v, dgeo, sgeo)

Wnioski:

1. Na czas zadziałania czujek pożarowych dymu mają wpływ parametry lotnych produktów spalania, w zakresie

bezpłomieniowego spalania materiałów własności optyczne dymu, a w zakresie płomieniowego spalania włas-

ności komór jonizacyjnych.

2. Ilość spalanego materiału ma wpływ na parametry lotnych produktów rozkładu i spalania materiałów, co po-

woduje, że dobierając czujki do systemu zabezpieczeń powinniśmy brać pod uwagę sposób spalania się materia-

łów palnych.

Badania przeprowadzono w ramach POIG.01.01.02-10-106/ Pakiet 5.2.1


88

Określenie wytycznych projektowania systemów sygnalizacji

pożarowej w zakresie detekcji pożaru w obecności systemów

wentylacji bytowej obiektów budowlanych

Waldemar Wnęk – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]ław Kubica – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected] Domżał – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]

W okresie rozliczeniowym w zadaniu wykonano badania czujek w przepływach mieszaniny powietrzno-

dymowej czujek optycznych w osłonach przeciwwietrznych i systemów zasysających jak również podjęto się

określenia wytycznych projektowania systemów sygnalizacji pożarowej w pomieszczeniach z wymuszonym

przepływem powietrza.

Rysunek 1. Porównanie czasów zadziałania czujki w osłonie przeciwwietrznej dla spalania płomieniowego i bezpłomieniowego oraz wpływu osłony na czas zadziałania dla układu czujki z osłoną i bez.

Rys. 2 Wpływ prędkości na czas zadziałania zasysających czujek dymu dla różnych materiałów spalanych bezpłomieniowo.

Rys. 3. Badanie wpływu prędkości na gęstość optyczną dymu mierzoną przez czujki zasysające.


89

Stosując osłony przeciwwietrzne w systemach zabezpieczeń, należy brać pod uwagę minimalną prędkość prze-

pływu powietrza powodującą wnikanie produktów rozkładu i spalania do wnętrza osłon. Ochraniając czujkami

jonizacyjnymi instalacje wentylacji powyżej maksymalnej prędkości dla osłony, należy chronić je czujkami w osło-

nach przeciwwietrznych (większa czułość układu), dla rozkładu termicznego w zakresie badanych prędkości prze-

pływu stosować czujki optyczne bez osłon. Szczegółowe wytyczne zabezpieczenia z użyciem czujek punktowych

komorowych i bezkomorowych, zasysających zostaną przedstawione w kamieniu milowym i w czasie prezentacji

referatu.

Badania przeprowadzono w ramach POIG.01.01.02-10-106/ Pakiet 5.2.2


90

Szacowanie zasięgu widzialności w dymie powstałym

w czasie spalania wybranych materiałów wyposażenia

i wykończenia wnętrz

Marzena Półka – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected] Konecki – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected] Tuśnio – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]

Celem badawczym pracy było opracowanie wytycznych szacowania zasięgu widzialności w dymie powstałym

w czasie spalania wytypowanych materiałów wraz z wytycznymi dotyczącymi granicznych wartości parametrów

emisji ciepła i dymu z kalorymetru stożkowego z uwagi na bezpieczeństwo ewakuacji w zadymionym układzie po-

mieszczeń.

Wybór materiałów do badań był uzasadniony szerokim ich wykorzystaniem w budownictwie ogólnym. Prze-

prowadzono badania materiałów polimerowych nie modyfikowanych i modyfikowanych ogniochronnie, będących

materiałami wyposażenia i wykończenia wnętrz: drewno dębowe, żywice epoksydowe na bazie Epidianu 5 oraz

pianki poliuretanowe.

Określono parametry pożarowe materiałów metodą małej skali kalorymetru stożkowego: szybkość wydzielania

ciepła na jednostkę powierzchni materiału HRR (ang. Heat Release Rate) (kW/m2), powierzchnię ekstynkcji właś-

ciwej – SEA (ang. Specific Extinction Area) (m2/kg) oznaczającą efektywną, pochłaniającą światło powierzchnię

cząstek dymu w m2 powstałych w czasie rozkładu termicznego i spalania 1 kg materiału. Z tego parametru bezpo-

średnio obliczano emisję cząstek dymu, określającą masę cząstek dymu generowaną w czasie spalania jednostki

masy materiału polimerowego. Ponadto oznaczono emisje wybranych gazowych produktów rozkładu – CO i CO2.

Analizę zadymienia przeprowadzono w układzie pomieszczeń (układ pomieszczenie biurowe – korytarz) za po-

mocą programu komputerowego CFAST (ang. Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport) opartego

na złożonym modelu strefowym. Obliczano średnie wartości parametrów stanu pożaru: temeparaturę, położenie

górnej warstwy dymu, zasięg wdzialności w warstwie górnej i dolnej.

Z przeprowadzonych analiz korelacji między parametrami otrzymanymi za pomocą kalorymetru stożkowego

a parametrami stanu pożaru modelowanego dwustrefowo, otrzymano zależności pozwalające na ustalenie wytycz-

nych szacowania zasięgu widzialności w dymie oraz metodykę oceny bezpieczeństwa ewakuacji wraz z kryteriami

materiałowymi, na postawie ich danych pożarowych.

W obliczeniach do końcowych klasyfikacji własności materiałowych (szybkość emisji ciepła oraz emisja dymu)

przyjęto model największego zagrożenia w czasie ewakuacji, zakładając m. inn. widzialność obiektów świecących

światłem odbitym.

Z obliczeń wynika to, że możliwa jest wstępna ocena bezpieczeństwa ewakuacji z uwagi na zadymienie w małych

przestrzeniach budynku za pomocą modelu dwustrefowego, wykorzystująca parametr szybkości wydzielania cie-

pła z materiałów. Przyjęta metodyka oceny powinna zostać zweryfikowana dla różnych przestrzeni wewnętrznych

budynku.

Zastosowanie materiałów, które nie spełniają przyjętych kryteriów z uwagi na parametr szybkości wydzielania

ciepła, w budynkach ZL, powinno być ograniczone.

Wygłasza: dr inż. Norbert Tuśnio


91

Standardowe procedury interwencyjnej wentylacji

doraźnej w obiektach ZL dla sił ratowniczych poziomu

interwencyjnego

Ireneusz Naworol – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]ław Lipiński – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected] Marciniak – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected] Adamski – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]

Wentylacja doraźna to jedna z podstawowych czynności zespołów ratowniczych podczas pożarów wewnętrznych.

Bez zastosowanej poprawnie wentylacji doraźnej szybka

i bezpieczna lokalizacja pożaru, ratowanie i ewakuacja poszkodowanych jest skazana na niepowodzenie. Za nie-

powodzenie należy uznać dopuszczenie do wydłużenia nawet o kilka minut przebywanie zagrożonych osób w po-

mieszczeniach zadymionych. Bez wentylacji doraźnej bardziej zagrożona staje się również praca ratowników w strefie

działań bezpośrednich. Istotnym dla powodzenia w realizacji określonego planu działań jest ciągłe doskonalenie pro-

cedur dla pododdziałów poziomu interwencyjnego.

Na potrzeby doskonalenia procedur przeprowadzono cykl prób badawczych w skali rzeczywistej na trenażerze po-

żarowym, jaki został zbudowany na potrzeby procesu doskonalenia zawodowego realizowanego w SGSP. Trenażer po-

żarowy to dwukondygnacyjny obiekt zaprojektowany w celu prowadzenia ćwiczeń z „żywym” pożarem. Powierzchnia

trenażera wynosi 60 m2 a droga, po której rozchodziły się gazy pożarowe wynosiła 24 m na dwóch kondygnacjach.

Przeprowadzono próby z pożarami testowymi (ta sama ilość materiałów palnych) oparte na trzech scenariuszach:

• bez użycia wentylacji doraźnej,

• z użyciem wentylacji doraźnej przed natarciem na pożar,

• z użyciem wentylacji doraźnej dopiero po ugaszeniu pożaru.

Na potrzeby prób badawczych założono, że rozchodzące się po obiekcie produkty spalania osiągną po założonym

czasie stężenia zagrażające życiu. Wytypowano 25 czynności podstawowych cyklicznie występujących podczas ak-

cji ratowniczo-gaśniczych przy pożarach wewnętrznych. Pododdział realizujący zadanie ratownicze musiał wykonać

wszystkie zaplanowane czynności

w określonej kolejności, założonej wariantem taktycznym. Pododdziały ratownicze w składach 4, 8, 12, 16 oso-

bowych wyposażone były w standardowy zestaw sprzętu powszechnie stosowanego przez podmioty ratownicze. Na

podstawie doświadczeń wypracowano nowe, udoskonalone procedury interwencyjnej wentylacji doraźnej.


92

Wnioski szczegółowe dla sporządzania wytycznych

wynikające z przeglądu i analizy instrukcji bezpieczeństwa

pożarowego. Cz. 2

Grzegorz Ogrodnik – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected] Woliński – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]

Streszczenie

W trakcie ubiegłorocznej konferencji [1] zostały przedstawione podstawy prawne,

z których wynika konieczność sporządzania instrukcji bezpieczeństwa pożarowego dla okre-ślonych grup obiek-

tów, wymagania, jakie powinien spełniać ten dokument (szczególnie, jeśli chodzi o jego zawartość), a także – na

podstawie przeprowadzonych analiz – błędy popełnia-ne przez twórców instrukcji.

Aby tych błędów uniknąć i stworzyć dokument rzeczywiście spełniający wymagania obowiązujących przepisów

oraz „przyjazny użytkownikowi” Autorzy proponują zestaw zale-ceń, których realizacja zapewni:

a) zamieszczenie w instrukcji podstawowych danych wymaganych zgodnie

z obowiązującymi przepisami, a także zalecanych ze względów formalnych,

b) zawarcie w instrukcji właściwej i zgodnej z przepisami zawartości merytorycznej,

c) właściwą edycję dokumentu oraz odpowiedni poziom przedstawianych treści.

Zalecenia te zostały przedstawione w postaci wytycznych w zakresie zasad tworzenia in-strukcji bezpieczeństwa

pożarowego, stanowiących poradnik dobrej praktyki dla wszystkich zainteresowanych ww. tematyką, w tym osób

odpowiedzialnych za opracowanie IBP, a także osób odpowiedzialnych za zapewnienie jej opracowania i wdrożenia

do stosowania.

Literatura[1] Woliński M., Ogrodnik G. „Wnioski szczegółowe dla sporządzania wytycznych wynikające z przeglądu

i analizy instrukcji bezpieczeństwa pożarowego. Cz. 1.” Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpie-

czeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważo-nego rozwoju.

Materiały konferencyjne, streszczenia referatów. Łódź, 16-18.10.2011.


93

Komputerowe wspomaganie projektowania

z uwagi na warunki pożarowe WG EN 1991-1-2,

EN 1992-1-2, EN 1995-1-2

Grzegorz Woźniak – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, [email protected] Turkowski – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, [email protected]

Słowa kluczowe: oprogramowanie, procedury, warunki pożarowe, oddziaływania, beton, drewno

Cel projektu

Celem Projektu jest wsparcie projektantów oraz inżynierów budownictwa poprzez dostarczenie oprogramowania

komputerowego wspomagającego projektowanie konstrukcji budowlanych z uwagi na warunki pożarowe według Eu-

rokodów: PN-EN 1991-1-2 (oddziaływania w warunkach pożaru), PN-EN 1992-1-2 (konstrukcje z betonu), PN-EN

1995-1-2 (konstrukcje drewniane).

Zakres projektu

Zakres projektu obejmuje procedury oblicze-

niowe, w tym uproszczone metody obliczeniowe

oraz metody danych tabelarycznych pozwalające

na ustalenie:

• oddziaływań w warunkach pożarowych (tj. gę-

stość obciążenia ogniowego, szybkość wydziela-

nia ciepła, pożar lokalny),

• odporności ogniowej elementów konstrukcji

– belek, słupów, ścian, stropów, żelbetowych

i drewnianych.

Na rys. 1 przedstawiono zrzut ekranu, z aktualnej

wersji programu, przedstawiający krzywe nominalne

oddziaływań w warunkach pożarowych.

Postęp prac

Projekt realizowany jest od II kwartału 2010 do IV kwartału 2013 roku. Na obecnym etapie, ukończone zostały

moduły – 1. oddziaływania i 2. konstrukcje z betonu. W dalszej części opracowany zostanie moduł 3. konstrukcje

drewniane, podręcznik użytkownika oraz moduł raportowania obliczeń. Zaplanowano również półroczny okres te-

stowania oprogramowania. Projekt realizowany jest zgodnie z harmonogramem

Literatura[1] PN-EN 1991-1-2:2006. Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje – Część 1-2: Oddziaływania ogólne

– Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru.

[2] PN-EN 1992-1-2:2008. Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu – Część 1-2: Reguły ogólne

– Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe.

[3] PN-EN 1995-1-2:2008 Eurokod 5: Projektowanie konstrukcji drewnianych – Część 1-2: Postanowienia ogólne

– Projektowanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe.


Rys. 1. Krzywe nominalne oddziaływań w warunkach pożarowych

94

Zasady stosowania inżynierii bezpieczeństwa

pożarowego do projektowania systemów wentylacji

pożarowej tuneli drogowych

Grzegorz Sztarbała – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, [email protected] Krajewski – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, [email protected]

Słowa kluczowe: bezpieczeństwo pożarowe tuneli, systemy wentylacji pożarowej tuneli, tunele drogowe, projektowanie wentylacji pożarowej tuneli drogowych

Cel zadania badawczego

Celem niniejszego zadania badawczego realizowanego w ramach projektu „Innowacyjne środki i efektywne me-

tody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrówno-

ważonego rozwoju” jest opracowanie wytycznych i procedur projektowania systemów wentylacji pożarowej tuneli

drogowych oraz zasad projektowania i oznakowania dróg ewakuacyjnych w tunelach drogowych.

Program realizacji zadania badawczego obejmuje następujące etapy:

• wybór charakterystycznych podziemnych obiektów komunikacyjnych i opracowanie dla nich scenariuszy po-

żarowych;

• przeprowadzenie obliczeń rozprzestrzeniania się dymu, ciepła i toksycznych produktów spalania przy uwzględ-

nieniu różnych typów wentylacji pożarowej;

• przeprowadzenie testów w pełnej skali z gorącym dymem w celu weryfikacji otrzymanych wyników obliczeń;

• przeprowadzenie obliczeń procesu ewakuacji;

• opracowanie wytycznych i procedur projektowania systemów wentylacji pożarowej podziemnych obiektów ko-

munikacyjnych oraz środków ewakuacji;

• opracowanie zasad prowadzenia testów odbiorowych systemów wentylacji pożarowej tuneli drogowych.

Defi nicja problemu badawczego

Jednym z istotnych elementów procesu projektowania tuneli drogowych jest zapewnienie wymaganego poziomu

bezpieczeństwa pożarowego. Wymagany poziom bezpieczeństwa pożarowego odnosi się zarówno do zapewnienia

nośności konstrukcji w wymaganym czasie, jak i zapewniania możliwości ewakuacji ludzi, możliwości prowadze-

nia akcji ratowniczo – gaśniczej, ograniczenia rozprzestrzeniania się pożaru oraz ograniczenia strat materialnych.

Wszystkie z wyżej wymienionych elementów zależne są od stanu środowiska wewnętrznego tunelu w warunkach

pożaru a w szczególności od temperatury, stężenia toksycznych produktów spalania i zasięgu widzialności znaków

ewakuacyjnych. System wentylacji pożarowej ze względu na cel, jakiemu ma służyć, w znacznej mierze wpływa na stan

środowiska w warunkach pożaru. Poprawnie zaprojektowana wentylacja pożarowa poprzez usuwanie dymu, ciepła

i toksycznych produktów spalania zapewnia w wymaganym czasie „bezpiecznej” ewakuacji warunki umożliwiające

ewakuację ludzi, możliwość prowadzenia akcji ratowniczo – gaśniczej a w dalszej fazie rozwoju pożaru obniża m.in.

oddziaływanie temperatury na konstrukcję tunelu.

Istotnym z punktu widzenia procesu projektowania systemów wentylacji pożarowej tuneli drogowych jest określe-

nie odpowiedniego scenariusza rozwoju pożaru. Określenie jednego czy też kilku uniwersalnych scenariuszy rozwoju

pożaru możliwych do wykorzystania dla każdego tunelu drogowego jest niemożliwe. Zależy on od bardzo wielu czyn-

ników, wśród których można wyróżnić takie, jak: rodzaj tunelu, długość tunelu, liczba pasów ruchu, natężenie ruchu,

rodzaj pojazdów mogących się poruszać itd. W praktyce dla tuneli krótkich tj. o długości do 400 m definiuje się jeden

bądź dwa scenariusze, w przypadku tuneli dłuższych określa się trzy bądź więcej scenariuszy pożarowych.

Prawidłowo określone scenariusze pożarowe zawierają takie parametry, jak: lokalizację pożaru, szybkość wyzwa-

lania ciepła zależna od źródła pożaru, efektywne ciepło spalania zależne od źródła pożaru, powierzchnia pożaru oraz


95

szybkość wyzwalania gazów pożarowych, dostępne kierunki ewakuacji w zależności od lokalizacji pożaru. Ponadto

przyjęte scenariusze powinny uwzględniać oddziaływanie różnych czynników zewnętrznych, między innymi wiatru,

mogących w istotny sposób wpływać na detekcję pożaru oraz rozprzestrzenianie się dymu i ciepła.

Realizowane prace

Zgodnie z przyjętym harmonogramem zadania badawczego w pierwszym etapie prac na podstawie analizy litera-

tury i dostępnych wyników badań opracowano scenariusze pożarowe dla wybranych tuneli drogowych. Scenariusze te

stanowią podstawę aktualnie realizowanego zadania pt. „Przeprowadzenie obliczeń rozprzestrzeniania się dymu, ciepła

i toksycznych produktów spalania przy uwzględnieniu różnych typów wentylacji pożarowej”. Dotychczas przeprowa-

dzono obliczenia numeryczne rozprzestrzenia się dymu i ciepła dla tunelach drogowych z uwzględnieniem wentylacji

naturalnej, testy z wykorzystaniem gorącego oraz obliczenia przewidywanego czasu ewakuacji. Powstały w skutek

pożaru dym i ciepło usuwane są grawitacyjnie dla tuneli, których długość nie przekracza 700 m. W przeprowadzo-

nych obliczeniach uwzględniono oddziaływanie wiatru z prędkością referencyjną wynosząca 2,00 m/s, 4,00 m/s, na

wysokości referencyjnej 10 m oraz moc pożaru 5,00 MW i 10 MW w odniesieniu do zmiennego kąta natarcia wiatru.

Poniżej w formie graficznej przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych przy prędkości referencyjnej wynoszą-

cej 2,00 m/s i kątach oddziaływania 60° i 90°.

Rys. 1. Rozkład temperatury mieszany dymu i powietrza [°C] – kąt 45º

Rys. 2. Rozkład temperatury mieszany dymu i powietrza [°C] – kąt 90º

Dalsze prace będą realizowane zgodnie z przyjętym programem realizacji. W ramach tych prac przewidziano m.in.

przeprowadzenie badań z wykorzystaniem gorącego dymu w istniejących tunelach oraz obliczenia numeryczne w od-

niesieniu do tuneli wyposażonych w system wentylacji mechanicznej.

Literatura[1] PIARC. Fire and Smoke Control in Road tunnels. PIARC report 05.05.B, Paryż, 1999.

[2] Lacroix, D. The Mont Blanc Tunnel fire: what happened and what has been learned. Proceedings 4th

International Conference on Safety in Road and Rail Tunnels, Madryt, 2-6 kwiecień 2001.

[3] Eberl, G. The Tauren Tunnel incident: what happened and what has been learned. Proceedings 4th

International Conference on Safety in Road and Rail Tunnels, Madryt, 2-6 kwiecień 2001.

[4] Nilsen, A. R., Lindvik, P. A. and Log, T. Full-scale fire testing in sub sea public road tunnels. Proceedings of

the 9th International Interflam Conference. Edenburg, Szkocja, 17-19 wrzesień 2001.

[5] Głąbski P., Sztarbała G.: Systemy oddymiające w tunelach drogowych, Pięćdziesiąta Jubileuszowa Konferencja

Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB, Warszawa-Krynica 2004.

[6] Sztarbała G.: Systemy wentylacji pożarowej tuneli drogowych, Polski Instalator Nr 5/2007.

[7] Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków

technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie, Dz. U. Nr 63/2000.

[8] Dyrektywa 2004/54/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 kwietnia 2004 r. w sprawie minimalnych

wymagań bezpieczeństwa dla tuneli w transeuropejskiej sieci drogowej.


96

Badanie wpływu temperatur pożarowych

na przyczepność stali do betonu

Zoja Bednarek, Paweł Ogrodnik, Renata Kamocka-Bronisz, Sławomir Bronisz Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Zakład Mechaniki Stosowane

Podstawowym czynnikiem wiążącym beton ze stalą w konstrukcjach żelbetowych i sprężonych jest przyczep-

ność pomiędzy betonem a stalą. U podstaw zjawiska przyczepności leży szereg czynników do których należy między

innymi: chemiczne związanie materiałów, adhezja (sklejenia) powstające w warstwach stykowych, tarcie które jest

proporcjonalne do nacisku wywieranego przez beton. Jednym z ważnych czynników wpływających na przyczepność

jest zazębienie mechaniczne, tym większe im większa jest chropowatość powierzchni pręta stalowego. Szacuje się że

w przypadku prętów żebrowanych zazębienie mechaniczne stanowi 70% całkowitej przyczepności. Podstawowym ce-

lem badań prowadzonych w Zakładzie Mechaniki Stosowanej SGSP było zbadanie wpływu temperatur występujących

podczas pożaru na przyczepność stali do betonu oraz oszacowanie tego wpływu na spadek przyczepności pomiędzy

stalą i betonem, w warunkach termicznych pożaru (badania „na gorąco”) oraz po przebytym pożarze (badania „na

zimno”). W czasie badań „na gorąco” próbki były obciążone stałą siłą utrzymywaną w czasie próby. Jednocześnie

ogrzewano próbkę zgodnie z przyjętym rozkładem „temperatura-czas”. Schemat badań „na gorąco” została przedsta-

wiony na (rys.1).

Rys. 1. Schemat badania „na gorąco” oraz określenia Tkr 1- Rozkład temperatury w miejscu styku pręta z betonem, 2- Wykres siły wyciągającej pręt z betonu.

Przed wykonaniem badań „na gorąco” wykonano badania wstępne w celu wyznaczenia siły przyczepności w tem-

peraturze normalnej 20°C.

• W przypadku badań „na gorąco” badania wstępne polegały na wyznaczeniu siły przyczepności w temperaturze

normalnej 20°C.

• Badanie podstawowe. Po zamocowaniu termoelementów pomiarowych na zewnętrznej powierzchni próbki

oraz na styku stali z betonem próbkę umieszczano w piecu i zamontowano na maszynie wytrzymałościowej FPZ100/1

a następnie obciążano stałą siłą. Po przygotowaniu w ten sposób układu pomiarowego rozpoczynano proces grzew-

czy zgodnie z założoną krzywą „temperatura-czas”. Za moment utraty przyczepności uznawano przesunięcie pręta

w stosunku do betonu, które powodowało nagły spadek siły na maszynie wytrzymałościowej.


97


W sumie w badaniach „na gorąco” wykorzystano 150 próbek natomiast w badaniach „na zimno” wykorzystano

365 próbek. Wszystkie badania wykonane w ramach projektu zostały wykonane zgodnie z założonym planem. Na

wykresach poniżej zostały przedstawione przykładowe wykresy spadku przyczepności stali do betonu w badaniach

„na zimno” i „na gorąco”.

Rys.1. Procentowy spadek przyczepności stali S255JRG do betonu klasy C40/50 - badanie „na zimno”.

Rys.2. Procentowy spadek przyczepności stali S255JRG do betonu klasy C40/50 - badanie „na gorąco”.

98

PT 6 | Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej z uwzględnieniem strategii zrównoważonego rozwoju

Kompleksowa diagnostyka i ocena stanu przewodów

kanalizacyjnych dla planowania zadań eksploatacyjnych

i rehabilitacji technicznej sieci

Cezary Madryas – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected] Abel – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected] Nienartowicz – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected] Przybyła – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]

Słowa kluczowe: badania, infrastruktura podziemna, rurociągi, infrastruktura transportowa, inspekcje CCTV, ocena stanu technicznego

Zakres projektu.

Tematy zadań badawczych 6.1: Innowacyjne narzędzia ekspertowe w gospodarowaniu infrastrukturą podziemną

oraz 6.2: Zaawansowane technologie diagnostyczne w badaniach infrastruktury podziemnej odniesione są do zagadnie-

nia utrzymania wymaganego poziomu funkcjonowania sieci infrastruktury podziemnej miast, z ukierunkowaniem

na sieci kanalizacyjne. Do głównych elementów pozwalających na utrzymanie prawidłowego funkcjonowania sieci

należy prowadzenie prawidłowej jej eksploatacji i rehabilitacji przewodów ulegających uszkodzeniom. Dla rozpozna-

nia i realizacji tych zadań niezbędna jest diagnostyka stanu przewodów oraz wynikająca z niej ocena stanu przewo-

dów. Prowadzenie diagnostyki rozumianej tu jako szeroko pojęte badania stanu przewodów jest bezcelowe o ile nie ma

narzędzi do podsumowania wyników badań tj. oceny stanu przewodów. Podobnie ocena stanu bazuje na wynikach

badań, co więcej metodologia oceny związana jest ze sposobem prowadzenia badań i charakterem uzyskiwanych wy-

ników. Tym samym wskazuje się więc na bezpośredni związek między zagadnieniami poruszanymi w wymienionych

wyżej tematach badawczych.

Temat pierwszy (6.2) zmierza do usystematyzowania procedur badawczych stosowanych w diagnostyce przewodów

kanalizacyjnych, szczególnie na poziomie kontroli bieżących (rutynowych). W temacie drugim (6.1) dąży się do wy-

pracowania własnych metod oceny stanu technicznego przewodów kanalizacyjnych (i odpowiednich narzędzi eksper-

tyzowych), które dobrze współpracowały by z wynikami badań uzyskiwanymi zgodnie z procedurami wynikającymi

z zadania 6.2.

Prowadzone badania.

W ramach realizowanego projektu przeprowadzone zostały badania w zakresie obu zadań. Przeanalizowano

i porównano ze sobą różne technologie diagnostyczne, poszukując racjonalnych dla nich sposobów postępowania

w warunkach terenowych. Dotychczas przeprowadzone badania dotyczyły inspekcji rurociągów kanalizacji desz-

czowej. Wszystkie zbadane odcinki miały przekroje kołowe lecz zróżnicowane średnice i wykonane były z różnych

materiałów. Badanie każdego z odcinków przeprowadzono dwukrotnie, każdorazowo wykorzystując inną metodę

pozyskiwania i zapisu danych. Zgromadzone informacje pozwalają ustalić warunki optymalizacji doboru metody ba-

dań w zależności od parametrów technicznych poddawanego badaniom obiektu. Uzyskany w przebiegu niniejszych

badań zbiór wyników, może być wykorzystany do przetestowania proponowanych w zadaniu 6.1 metod oceny. Do-

świadczenia praktyczne ze stosowania metod diagnostycznych wykorzystywanych w zadaniu stanowiły podstawę do

tworzenia założeń dla proponowanych metod oceny.

Badania przeprowadzono we współpracy z Przedsiębiorstwem Robót Specjalistycznych KAN-REM z Wrocławia.

Badaniom poddano obiekty podziemne, na których realizowane były prace naprawcze oraz modernizacyjne. Dzięki

możliwości pracy na obiektach pozostających w ciągłej eksploatacji możliwe było wykonanie testów porównawczych

sposobów uzyskiwania danych dotyczących stanu technicznego obiektów pracujących w warunkach rzeczywistych.

99


W zakresie prac nad metodami oceny stanu przewodów, przetestowano opracowaną w 2011 roku metodę, oraz

podjęto wstępne prace nad przygotowaniem wersji wyjściowej oprogramowania pozwalającego na zastosowanie tej

metody w praktyce. Wnioski uzyskane w trakcie tych testów spowodowały przeprowadzenie badań nad metodą al-

ternatywną. Druga metoda oceny stanu z założenia charakteryzować ma się większym poziomem szczegółowości

oraz pozwalać na ujmowanie ilościowych wyników badań pochodzących z rożnych narzędzi diagnostycznych. Ba-

zuje ona na rozwiązaniach stosowanych wcześniej w diagnostyce obiektów mostowych i wykorzystuje teorię zbio-

rów rozmytych. W metodzie tej przyjęto charakterystyczne funkcje przynależności dla uszkodzeń i innych zjawisk

występujących w przewodzie. Wzajemne powiązanie tych funkcji pozwala na dokonanie oceny stanu z dokładnością

odpowiednią dla przyjętego poziomu badań bieżących i zastosowanych, narzędzi.

100

Analiza poprzecznych żeber pośrednich dźwigarów

blachownicowych z uwzględnieniem uszkodzeń

Mieszko Kużawa – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected] Bień – Politechnika Wrocławska Wrocław, [email protected]ł Rawa – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]

Słowa kluczowe: nieliniowe analizy MES, narzędzie ekspertowe, uszkodzenia

Wprowadzenie

W ramach Tematu Badawczego TB 6.1 „Innowacyjne metody komputerowej reprezentacji wiedzy w gospodarowaniu

infrastrukturą transportową” rezultaty prac nad zaawansowanymi technologiami reprezentacji wiedzy w systemach

komputerowych będą wykorzystywane do opracowania pilotażowych wersji narzędzi ekspertowych wspomagających

m.in. gospodarowanie infrastrukturą mostową, w tym systemu ekspertowego wspomagającego ocenę nośności bla-

chownicowych przęseł mostów kolejowych z uwzględnieniem uszkodzeń.

Spodziewanym efektem stosowania narzędzi ekspertowych jest optymalizacja procesów decyzyjnych w zarządza-

niu infrastrukturą mostową. W szczególności dotyczy to ujednolicenia i zobiektywizowania ocen stanu technicznego

oraz przydatności użytkowej poszczególnych obiektów, a także racjonalizacji rozdziału środków finansowych oraz

maksymalizacji efektywności podejmowanych działań technicznych (remonty, modernizacje, wzmocnienia, wymia-

ny konstrukcji).

Przeprowadzone analizy pośrednich żeber poprzecznych dźwigarów blachownicowych z uwzględnieniem uszko-

dzeń mają na celu akwizycje wiedzy dotyczącą przydatności do użytkowania tych elementów oraz jej komputerową

reprezentację w bazie wiedzy, stworzoną na potrzeby realizacji narzędzia ekspertowego wspomagającego ocenę noś-

ności blachownicowych przęseł mostów kolejowych z uszkodzeniami.

Charakterystyka problemu

W Polsce przęsła o konstrukcji stalowej stanowią około 50% ogólnej liczby przęseł mostów kolejowych oraz 20%

ogólnej liczby przęseł mostów drogowych. Najczęściej występujące rozwiązania konstrukcyjne stosowane w mostach

kolejowych to przęsła stalowe złożone z dźwigarów blachownicowych (około 28%), a także kratowych (10%) oraz wal-

cowanych (ponad 4%).

Rys. 1. Charakterystyczne uszkodzenia żeber poprzecznych wywołane uderzeniami pojazdów poruszających się po obiekcie


101


Eksploatowane w naszym kraju kolejowe obiekty inżynierskie to budowle w znacznej części zaawansowane wieko-

wo. Blisko 45% obiektów kolejowych (około 8000 sztuk) jest w wieku około 100 lat, a jedynie około 15 % konstrukcji

– poniżej 40 lat.

W związku z zaawansowanym wiekiem, stalowe przęsła mostów kolejowych charakteryzują się wyraźnie

obniżoną kondycją, determinowaną przez liczne uszkodzenia elementów konstrukcyjnych. Uszkodzenia te

występują w postaci ubytków materiału, jak również nadmiernych ich deformacji i są z reguły skutkiem wy-

kolejenia się taboru, a w szczególnych sytuacjach – przewozu ładunków przekraczających wymiary skrajni

(np. w wyniku niekontrolowanego przemieszczenia się ładunku w trakcie transportu, patrz rys. 1). Uszkodze-

nia poprzecznych żeber pośrednich powodowane są także uderzeniami pojazdów samochodowych w przęsła

– przeważnie w konsekwencji przejazdu ponadnormatywnych gabarytowo pojazdów lub ładunków, a także

w wyniku nieprzestrzegania ograniczeń eksploatacyjnych wynikających z nienormatywnych wymiarów skraj-

ni drogowej pod obiektem.

Akwizycja wiedzy na potrzeby systemu ekspertowego wspomagającego ocenę nośności blachownicowych dźwigarów mostowych

Sposób projektowania poprzecznych żeber pośrednich w dźwigarach blachownicowych wg normy EN 1993-1-5 nie

pozwala na realną ocenę wytężenia poszczególnych przekrojów żeber, jak również na precyzyjną ocenę stateczności

całego elementu. Sytuacja jest dużo bardziej złożona w przypadku oceny nośności poszczególnych przekrojów żeber

poprzecznych oraz ich stateczności w obiektach eksploatowanych, często posiadających uszkodzenia tych elementów

konstrukcyjnych.

W związku z powyższym zaproponowano procedurę oceny przydatności do użytkowania tych elementów

z wykorzystaniem wyników uzyskanych przy użyciu numerycznych analiz geometrycznie i fizycznie nieli-

niowych z imperfekcjami (GMNIA) oraz ogólnych zasad wymiarowania elementów ściskanych i zginanych

zgodnie z zaleceniami normy EN 1993-1-1. Przeprowadzone analizy numeryczne obejmowały pracę konstruk-

cji we wszystkich fazach – sprężystej, nadkrytycznej, nośności granicznej i zniszczenia, z uwzględnieniem

zastępczych imperfekcji geometrycznych poszczególnych elementów dźwigarów oraz sprężysto-plastycznej

(bilinearnej) charakterystyki materiału z izotropowym wzmocnieniem. Na potrzeby opracowania ww. pro-

cedury analizie poddano 32 modele swobodnie podpartych dźwigarów blachownicowych o zróżnicowanych

parametrach geometrycznych.

Opracowanie procedury oceny przydatności do użytkowania porzecznych żeber pośrednich z uwzględnieniem

uszkodzeń obejmowało szczegółową analizę dotyczącą zagadnień:

• stanów przemieszczeń przekrojów efektywnych żeber pośrednich (przekrój złożony z samych żeber oraz części

współpracującej środnika) w poszczególnych fazach pracy analizowanych dźwigarów,

• rozkładów naprężeń w przekrojach efektywnych żeber pośrednich w zależności od parametru smukłości

środników dźwigarów blachownicowych, form wstępnych deformacji konstrukcji, postaci jej zniszczenia

oraz charakterystyk przekrojów efektywnych żeber w poszczególnych fazach pracy analizowanych dźwiga-

rów (patrz rys. 2),

• rozkładów scalonych sił wewnętrznych (sił podłużnych i momentów zginających) na wysokości żeber pośred-

nich i części współpracujących środnika w zależności od parametru smukłości środników dźwigarów, form

wstępnych deformacji konstrukcji, postaci jej zniszczenia oraz charakterystyk przekrojów efektywnych żeber

w poszczególnych fazach pracy analizowanych dźwigarów,

• oceny nośności przekrojów efektywnych żeber oraz stateczności tych elementów w poszczególnych fa-

zach pracy analizowanych dźwigarów przy użyciu wyników nieliniowych analiz numerycznych GMNIA

oraz interakcyjnych warunków nośności dla zginanych i ściskanych elementów klasy 4 wg założeń nor-

my EN 1993-1-1.

Wyniki analiz konstrukcji bez uszkodzeń porównano z wymaganiami normy EN 1993-1-5 w sprawie warun-

ków jakie powinny spełniać pośrednie żebra poprzeczne w blachownicowych dźwigarach mostów kolejowych.

Uzyskane wyniki pozwalają na stwierdzenie, że zaproponowana procedura umożliwi precyzyjną ocenę nośno-

ści poprzecznych żeber pośrednich z uwzględnieniem uszkodzeń w postaci ubytków materiału i nadmiernych

deformacji elementów konstrukcyjnych blachownicowych dźwigarów mostowych. Procedura ta jest obecnie

wykorzystywana na potrzeby tworzenia bazy wiedzy narzędzia ekspertowego wspomagającego ocenę nośności

blachownicowych przęseł mostów kolejowych z uszkodzeniami.

102


Rys. 2. Deformacje i rozkład naprężeń zredukowanych Misesa [MPa] w wybranych dźwigarach blachownicowych w fazie zniszczenia

103


Zastosowanie metody emisji akustycznej IADP

identyfi kacja uszkodzeń w elementach żelbetowych

Wiesław Trąmpczyński – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected] Goszczyńska – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected] Świt – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected]

Słowa kluczowe: belki żelbetowe statycznie niewyznaczalne, obciążenie belek, aktywne procesy destrukcyjne, identyfi kacja metodą emisji akustycznej IADP

Cel pracy

Metoda emisji akustycznej IADP została opracowana dla konstrukcji sprężonych i zweryfikowano ją na blisko

80 obiektach mostowych. Koncepcja tej metody oparta jest na rejestrowaniu i analizie porównawczej sygnałów emi-

sji akustycznej generowanych przez czynne procesy destrukcyjne powstające w wyniku działania obciążenia z bazą

sygnałów wzorcowych utworzoną w warunkach laboratoryjnych. Obecnie na bazie tej koncepcji opracowywana jest

metoda diagnostyczna IADP dla konstrukcji żelbetowych. Celem realizacji zadania badawczego jest poszerzenie i we-

ryfikacja utworzonej, na żelbetowych elementach statycznie wyznaczalnych, bazy wzorcowych sygnałów emisji aku-

stycznej, umożliwiających rozpoznawanie i lokalizację procesów destrukcyjnych.

Przeprowadzone badania

Program badań zrealizowany w celu weryfikacji bazy sygnałów wzorcowych na elementach statycznie nie-

wyznaczalnych został opracowany głównie pod kątem uzyskiwania sygnałów emisji akustycznej związanych

z tworzeniem przegubów plastycznych przy różnym sposobie obciążania, w tym symulującego obciążenie eks-

ploatacyjne mostów. Zgodnie z wnioskiem aplikacyjnym przyjęto program badań ograniczony do dwóch powta-

rzalnych elementów, jednego rodzaju betonu C40/50, dwóch typów konstrukcji zbrojenia wykonanego ze stali

BS500 i trzech programów obciążania. Belki zaprojektowano o wymiarach przekroju poprzecznego 120 x 300

mm i rozpiętości przęseł 3000 mm, takich samych jak belki swobodnie podparte, na których tworzona jest baza

sygnałów wzorcowych.

Beton i gatunek stali przyjęto taki jaki jest stosowany w Przedsiębiorstwie produkcji betonów, gdzie belki zostały

wykonane. Zaprojektowane dwa typy zbrojenia belek to :

B1 – zbrojenie 4Φ12 dołem + 2Φ 12 górą; strzemiona Φ 8 co 10 cm na całej długości belki,

B2 – zbrojenie dołem i górą 3 Φ 12; strzemiona Φ 8 co 10 cm na całej długości belki,

a trzy programy obciążania:

A – niszczenie przęsła obciążonego jedną siłą skupioną oznaczoną N ; drugie przęsło obciążone dwoma jedna-

kowymi siłami oznaczonymi P,

B – niszczenie przęsła obciążonego dwoma siłami skupionymi P; drugie przęsło obciążone stałą siłą skupioną N,

C – obciążenie cykliczne, sinusoidalne, symulujące przejazd samochodu realizowane przez dwie siły na jednym

i drugim przęśle.

W trakcie prowadzonych badań do zniszczenia belek żelbetowych mierzone były: sygnały emisji akustycznej przy

użyciu zestawu składającego się z czujników AE, komputera z procesorem micro samos i oprogramowania Noesis 4.0;

polowe odkształcenia betonu z zastosowaniem dwóch zestawów kamer (na dwóch przęsłach) skanera optycznego 3D;

104


ugięcia zestawem Hottingera. Zastosowana aparatura pomiarowa została zsynchronizowana w czasie badania z za-

programowanym obciążeniem.

Ze względu na bardzo duże pliki wyników doświadczalnych, obejmujące sygnały emisji akustycznej, zarejestrowa-

ne podczas badania 12 dwuprzęsłowych belek żelbetowych, weryfikacja bazy wzorcowych sygnałów emisji akustycz-

nej, umożliwiających rozpoznawanie i lokalizację procesów destrukcyjnych jest w trakcie realizacji.

Przeprowadzone badania na próbkach betonowych potwierdzają, że przyjęte pierwsze klasy sygnałów emisji aku-

stycznej związane są ze zmianami strukturalnymi betonu, a także, że metodę emisji akustycznej IADP będzie można

zastosować do identyfikacji i oceny procesów destrukcyjnych zachodzących w świeżym betonie, co zaprezentowano

na konferencji naukowej „Krynica 2012”:

Wykonano także badania na próbkach betonowych i prętach stalowych, w celu ustalenia rzeczywistych cech me-

chanicznych betonu i stali, w tym zależności σ - ε. Dodatkowo wykonano próbki betonowe o wymiarach 150x150x600

mm, które posłużyły do weryfikacji pierwszych Klas sygnałów emisji akustycznej oraz przeprowadzono na nich iden-

tyfikację sygnałów emisji akustycznej w betonie nieobciążonym.

Wstępna analiza wyników badań

Siłę niszczącą belek dla trzech programów obciążenia obliczono metodą przegubów plastycznych wykorzystując

nośności przekroju na zginanie (podane w drugiej kolumnie) przy przyjęciu górnych prętów rozciąganych i dolnych

prętów rozciąganych oraz przy przyjęciu charakterystycznych wartości wytrzymałości betonu i stali oraz otrzyma-

nych wytrzymałości tych materiałów z badań próbek świadków (w nawiasie). Porównanie obliczonych nośności z wy-

nikami uzyskanymi z przeprowadzonych badań belek przedstawiono w Tabeli 1, w której:

Siła niszcząca 1 – obliczona przy przyjęciu wytrzymałości charakterystycznej stali

Siła niszcząca 2 – obliczona przy przyjęciu wytrzymałości stali z badania próbek stali

Siła niszcząca 3 – uzyskana z badania elementów,

a różnicę średniej siły niszczącej 3 w stosunku do siły niszczącej 1 oraz do siły niszczącej 2 (w nawiasie) podano

w ostatniej kolumnie.

Tabela 1.

Ze względu na bardzo duże pliki wyników doświadczalnych, obejmujące sygnały emisji akustycznej, zarejestrowa-

ne podczas badania 12 dwuprzęsłowych belek żelbetowych, weryfikacja bazy wzorcowych sygnałów emisji akustycz-

nej, umożliwiających rozpoznawanie i lokalizację procesów destrukcyjnych jest w trakcie realizacji.

Przeprowadzone badania na próbkach betonowych potwierdzają, że przyjęte pierwsze klasy sygnałów emisji aku-

stycznej związane są ze zmianami strukturalnymi betonu, a także, że metodę emisji akustycznej IADP będzie można

zastosować do identyfikacji i oceny procesów destrukcyjnych zachodzących w świeżym betonie, co zaprezentowano

na konferencji naukowej „Krynica 2012”.

105


W ramach analizy poziomów ryzyka zaproponowano również metodę oceny zagrożeń bezpieczeństwa ruchu na

przejściach dla pieszych w powiązaniu z prędkością pojazdów na dojazdach do tych przejść. Metoda ta polega na

szacowaniu prędkości w strefie przejścia dla pieszych, przy założeniu awaryjnego hamowania, a następnie na jej po-

równaniu z prawdopodobieństwem śmiertelnego skutku zderzenia z pieszym, które jest funkcją prędkości. Własne

badania prędkości w strefie przejść dla pieszych wykazały bardzo mały wpływ występowania przejść dla pieszych na

redukcję prędkości pojazdów. Równocześnie jednak wykazano wpływ różnych typów przejść dla pieszych na zagro-

żenia ich bezpieczeństwa.

Istotną rolę wśród narzędzi wspomagających projektowanie infrastruktury drogowej odgrywają regresyjne mo-

deli predykcji wskaźników wypadkowych w odniesieniu do odcinków dróg oraz skrzyżowań. Jako zmienne ob-jaś-

niające ujęto w zbudowanych modelach: dobowe natężenie ruchu, udział pojazdów ciężkich w ruchu, klasa drogi,

wskaźnik lokalizacji. W modelach prognozowania wskaźników wypadkowych na krótkich, pojedynczych odcinkach

dróg, zmiennymi objaśniającymi są dodatkowo: liczba jezdni, występowanie drugiej jezdni, występowanie pobo-

cza utwardzonego, występowanie obszaru zabudowanego, występowanie drzew, występowanie chodników, gęstość

skrzyżowań głównych i drugorzędnych, udział odcinków o złym stanie technicznym jezdni, udział odcinków o złym

stanie technicznym poboczy, występowanie dodatkowego pasa ruchu. Rola tych zmiennych w modelach predykcji

wypadków zależy jednak od lokalizacji odcinka drogi i w niektórych przypadkach część ze zmiennych objaśniających

staje się nieistotna statystycznie. W modelach predykcji wskaźników wypadkowych na skrzyżowaniach jako istotne

statystycznie zmienne objaśniające okazały się: natężenie ruchu na drodze nadrzędnej, natężenie ruchu na wlotach

podporządkowanych, rodzaj skrzyżowania (ronda, wyspy centralne, skrzyżowania skanalizowane), obszar lokalizacji

skrzyżowania, cechy geometryczne skrzyżowania, organizacja ruchu na skrzyżowaniu. Na odcinkach przejść dro-

gowych przez miejscowości istotnymi statystycznie zmiennymi objaśniającymi w regresyjnych modelach predykcji

wskaźników wypadkowych okazały się: natężenie ruchu i udział ruchu tranzytowego, długość odcinka drogi, gęstość

punktów dostępności, wskaźnik gęstości zabudowy, wskaźnik charakteru zabudowy, gęstość przejść dla pieszych oraz

typ przekroju poprzecznego.

Praktyczne wykorzystanie wyników projektu zostało ujęte w zaleceniach zmian przepisów techniczno-budowla-

nych i zmian praktyki projektowej. Zalecenia te obejmują kolejno:

• Odcinki dróg zamiejskich. W tym przypadku najważniejszym jest: 1) ograniczanie przyjmowania mi-nimalnych

parametrów geometrycznych dla danej klasy i prędkości projektowej; 2) eliminacja niebez-piecznych przekro-

jów dróg w tym 1x4 oraz 1x2+ szerokie pobocza; 3) usuwanie niepodatnych prze-szkód obok jezdni i w strefie

bezpieczeństwa; 4) zapewnienie jednorodności w sekwencji sąsiednich łu-ków poziomych trasy; 5) ograniczanie

dostępności i prawidłowa lokalizacje punktów dostępności; 6) prawidłowe rozwiązania zakończenia pasów do

wyprzedzania; 7) prawidłowa lokalizacja i stosowanie odpowiednich elementów dla niechronionych użytkow-

ników dróg; 8) stosowanie standar-dów oznakowania adekwatnych do poziomu zagrożenia brd;

• Odcinki przejść drogowych przez miejscowości. W tym przypadku najważniejszym jest: 1) eliminacja ruchu

tranzytowego przez przekształcenia sieci dróg – rozbudowa sieci, obwodnice miejscowości; 2) przebudowa zo-

rientowana na uzyskanie zgodności pomiędzy wielofunkcyjnością drogi i jej rozwią-zaniami geometryczny-

mi oraz organizacją ruchu - przekształcenia przekroju drogi oraz skrzyżowań, segregacja ruchu tranzytowego

i lokalnego, segregacja ruchu pieszego i rowerowego, rozwiązania sto-sowane lokalnie w miejscach koncentracji

wypadków; 3) kompleksowe uspokojenie ruchu o intensyw-ności zależnej od dominującej funkcji drogi; 4) kon-

trola zagospodarowania w otoczeniu dróg;

• Skrzyżowania. Ogólne kierunki poprawy bezpieczeństwa ruchu zostały określone następująco: 1) po-prawa do-

strzegalności skrzyżowania i urządzeń organizacji oraz sterowania ruchem; 2) poprawa wi-doczności w obrębie

skrzyżowania; 3) poprawa zrozumiałości skrzyżowań w celu eliminowania zjawi-ska dezorientacji jego użyt-

kowników; 4) doskonalenie projektowania zorientowanego na redukcję konfliktów na skrzyżowaniu; 5) reduk-

cja prędkości w obrębie skrzyżowania; 6) poprawa sprawności funkcjonowania przez lepszą płynność ruchu

i zmniejszenie strat czasu; 7) poprawa zgodności pomiędzy zachowaniami kierujących a urządzeniami organi-

zacji, sterowania ruchem i otoczeniem drogi;

• Urządzenia dla ruchu pieszego. Działania infrastrukturalne zostały w tym przypadku określone następują-

co: 1) bardziej rygorystyczne ograniczenia prędkości w strefie wyznaczonych przejść (środki infrastrukturalne

i nadzór); 2) fizyczna segregacja ruchu pieszych i pojazdów wzdłuż dróg; 3) przejścia dla pieszych zapewniające

ich rzeczywistą ochronę (widoczność przejść, wyspy azylu, oświetlenie, sygnalizacja świetlna, zwężenia prze-

kroju drogi, uspokojenie ruchu); 4) eliminacja parkowania w strefie przejść dla pieszych; 5) usprawnienia pro-

gramu sygnalizacji świetlnej (eliminacja konfliktów przez dobór faz ruchu, strefa dylematu); 6) zastosowanie

środków ITS – detekcja obecności pieszych i ich „ochrona”.

106


Nowa implementacja sztucznej sieci neuronowej

typu IAC wraz z przykładami zastosowań

Marek Wojciechowski – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Krasiński – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Gawęda – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: sztuczne sieci neuronowe, obliczenia miękkie, IAC

Opis implementacji

Charakterystyka sieci IAC

IAC jest sztuczną siecią neuronową typu wzajemna interakcja i konkurencja (Interactive Activation and Com-

petition). Sieci tego rodzaju pozwalają na rozpięcie „inteligentnej” powłoki nad bazą zgromadzonych danych.

Uniwersalność tego narzędzia pozwala na stosowanie go w bardzo szerokim spektrum zagadnień dotyczących

kojarzenia informacji oraz przetwarzania ich w celu wyciągnięcia wniosków oraz zależności niewidocznych bez-

pośrednio. Wiodącym zastosowaniem sieci IAC wydają się być systemy eksperckie, gdzie wiedza wcześniej zgro-

madzona jest przetwarzana i wykorzystywana przy ocenie kolejnych, nowych zagadnień. Do bazy wpisywane

są zwykle dane traktowane jako kolejne „obserwacje”. W tym sensie jest to rodzaj „fotografii faktograficznej”

zagadnienia. Każdy przykład wpisany do bazy danych definiuje „opisowo” zagadnienie modelowane przez sieć

IAC. Można sobie wyobrazić, że pełna wiedza o danym zagadnieniu może wymagać ogromnej liczby „przykła-

dowych opisów” – wierszy w bazie danych, na których „rozpięto” sieć IAC. Jednak w przypadku, gdy opisywane

zagadnienie podlega pewnym ogólnym regułom (co jest zjawiskiem powszechnym) i im bardziej reguły te są

wyraźne, tym mniejsza jest ilość jakościowo różnych możliwych obserwacji. W wielu przypadkach nawet bardzo

nieliczny zestaw przykładów w wystarczający sposób definiuje zachowanie się zmiennych zagadnienia modelo-

wanego przez sieć.

Budowę sieci IAC można łatwo graficznie przedstawić za pomocą klastrów elementów (neuronów) oraz połączeń,

których architektura tworzona jest automatycznie i jest indywidualna dla danego zastosowania. Ilość elementów oraz

układ połączeń jest bezpośrednim odwzorowaniem bazy danych przedstawionej w formie grafów z połączeniami

o wagach z zakresu <-1.0;1.0>. Szkic przykładowej architektury sieci przedstawiono na Rysunku 1.

Rys 1. Przykładowa architektura sieci IAC

Charakterystyka implementacji

Sieć IAC wraz z narzędziem automatycznie generującym jej architekturę została zaimplementowana jako program

komputerowy przez drugiego autora niniejszego referatu. Aplikacja IACnetwork 1.0 powstała w języku C# przy użyciu

107


Baza wiedzy, monitoring i system wspomagania decyzji

związanych z propagacją zanieczyszczeń

Marek Lefi k – Politechnika Łódzka, Łódź, marek.lefi [email protected] Rudnicka-Kępa – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Wiśniewska – [email protected]

Słowa kluczowe: Baza wiedzy, monitoring, system wspomagania decyzji, zanieczyszczenia gruntu, zanieczyszczenia wód gruntowych, utrzymanie składowisk odpadów, programy eksperckie

Wstęp

Składowiska odpadów to instalacje i jednocześnie obiekty budowlane, które muszą spełniać określone prawem wy-

magania dotyczące budowy, funkcjonowania, zamykania oraz eksploatacyjnego i poeksploatacyjnego monitoringu.

Pomimo tego mogą stać się zagrożeniem dla środowiska w sytuacjach awaryjnych uszkodzeń warstwy izolacyjnej

lub też kiedy z prowadzonego monitoringu wynika iż naturalna bariera geologiczna jest niewystarczająca. Ocena sta-

nu technicznego składowiska odpadów wiąże się z oceną oddziaływania tej instalacji na poszczególne komponenty

środowiska. Daje możliwość zapobiegania katastrofom ekologicznym poprzez analizę rozwiązań technologicznych,

w tym ocenę spełnienia wymagań stawianych lokalizacji składowisk. Przedmiotem tej pracy jest propozycja skonstru-

owania obiektywnego narzędzia wspomagającego decyzje, jeśli w wyniku monitoringu oceniono, że sytuacja wymaga

interwencji. Obiektywne narzędzie wspomagające decyzję to takie, że decyzja podejmowana jest w dużej mierze nie-

zależnie od kompetencji eksperta i różnorodnych subiektywnych uwarunkowań jakim on podlega. Niestety, aby takie

narzędzie skonstruować potrzebna jest bogata baza wiedzy.

W pracy [5] baza wiedzy składała się z zapisów sprawozdań z badań monitoringu środowiska wokół eksploatowanych i nie-

eksploatowanych składowisk odpadów komunalnych. Dane te zapisane są w postaci bazy danych z siecią neuronową typu IAC

(opisaną m.in. w [2]) rozpiętą nad tą bazą. Uproszczona baza danych zawiera kilkadziesiąt wartości atrybutów, które zostały

wymienione poniżej i podzielone na 5 głównych kategorii ze względu na przedstawiony charakter informacji, które zawierają

(docelowa baza danych będzie zawierała około 90 wartości atrybutów, zebranych w 15 głównych kategoriach). Składowiska

odpadów aby prawidłowo funkcjonować powinny spełniać warunki określone w Best Available Techniques (BAT) tj. najlepszej

dostępnej techniki, zdefiniowane jako najbardziej efektywny zaawansowany poziom rozwoju technologii metod prowadze-

nia danej działalności, stanowiący podstawę do ustalania granicznych wielkości emisyjnych, rozumianych jako dodatkowe

standardy emisyjne, które nie mogą być przekraczane przez instalacje tego typu. Przedmiotem tego artykułu jest propozycja

skonstruowania obiektywnego narzędzia wyników monitoringu (niezależnego od kompetencji eksperta i jego subiektywnych

uwarunkowań). Narzędzie to pozwoli również na klasyfikację wysypiska w kontekście BAT.

Dodatkowym składnikiem bazy wiedzy prezentowanej w tym artykule jest zapis studium przypadków, w których

przedsięwzięto prawidłowe decyzje środowiskowe. W skład tej części bazy wiedzy wchodzą zarówno raportowane sy-

tuacje awaryjne jak i sytuacje będące modelem wirtualnym. Te ostatnie stworzono w celu wykonania eksperymentów

myślowych sprawdzających użyteczność proponowanego programu eksperckiego.

Opis i wyniki badań

Wykorzystano wyniki pomiarów obejmujące badania wód powierzchniowych, podziemnych i odciekowych dla 13

składowisk. Wyróżniono następujące kategorie: dane charakteryzujące składowisko (typ składowiska, wiek, aktyw-

ność, powierzchnia, pojemność składowiska, wypełnienie, ilość kwater, max. rzędna, uszczelnienie, zbieranie wód

opadowych, zbieranie odcieków, pasa ochronny); lokalizacja składowiska (strefa zasilania głównych i użytkowych

zbiorników wód podziemnych, obszar otulin, obszar lasów ochronnych, w dolinach rzek, w pobliżu zbiorników wód,

na terenach źródliskowych, bagiennych, podmokłych); Monitoring wód gruntowych w poszczególnych punktach mo-

nitoringowych odpowiednio na dopływie i odpływie (pięć klas jakości X piezometr); Monitoring odcieków; Monito-

ring wód powierzchniowych (pięć klas jakości).

108


Opis sytuacji awaryjnych ujęto w rozbiciu na dwa podstawowe typy monitoringu: oparty o sieć piezometrów

(rys. 1a) oraz monitoring rozproszony, instalowany w warstwach konstrukcyjnych składowiska (rys. 1b). Wykorzysta-

no narzędzia analizy danych opisane w pracach [3, 4]. Oczywiście, metoda monitoringu oparta na czujnikach odcieku

nie wymaga zastosowania procedury identyfikacji źródła ani jego intensywności. Jednak jest ona, w swojej podstawo-

wej formie, uboższa informacyjnie (brak informacji o naturze wycieku) oraz droższa.

a) b)

Rysunek 1. Schematy metod monitoringu uwzględnione w bazie wiedzy o składowiskach: a). Monitoring klasyczny poziomu naporu hydraulicznego oraz stężeń podstawowych substancji oznaczanych zgodnie ze standardem BAT, stowarzyszony

z procedurą identyfi kacji żródła wycieku; b). siatka czujników odcieków usytuowana poniżej warstwy izolującej.

Rezultatem pracy jest baza danych o sprecyzowanej architekturze oraz sieć neuronowa typu IAC stowarzyszona

z tą bazą danych oraz połączona „szeregowo” z wytrenowaną dla danego składowiska siecią neuronową warstwową

typu BP, która identyfikuje pozycję źródła wycieku oraz jego intensywność. Dzięki tej architekturze bazy wiedzy oraz

„inteligentnemu” przetwarzaniu danych wyjściowych z monitoringu, w praktyce kontrolera można będzie użyć ocen

ogólnych (syntetycznych), które mają zaletę obiektywności.

Program umożliwia ponadto wykrycia takich danych pomiarowych, które mają decydujący wpływ na ocenę, wy-

krycia ewentualnych ukrytych zależności pomiędzy mierzonymi parametrami wód, a co za tym idzie, oceny możli-

wości dokonania prawidłowej oceny jakości wód na podstawie pomiarów tylko niektórych parametrów. Zastosowanie

programu umożliwiło uzyskanie automatycznej oceny obiektu wraz z określeniem zaleceń końcowych mających na

celu wyeliminowanie negatywnego oddziaływania składowiska na środowisko. W wypadku uzyskania pozytywnych

ocen przygotowanego programu eksperckiego, jako rezultat działania Projektu, powinny zostać opracowane ustalenia

ogólne, obowiązujące w całym kraju, pozwalające na tworzenie kompletnych baz wiedzy w omawianej dziedzinie.

Literatura[1] Bień J., Rewiński S., Smok – kompleksowy system zarządzania mostami kolejo-wymi, Inżynieria i Budownictwo

3, 180-185, 1996.

[2] Lefik M., An expert system using artificial neural network as an „intelligent shell” over a data-base. Proceedings

of AI-METH 2002 – Methods of Artificial Intelligence. T. Burczyński, W. Cholewa, W. Moczulski (Eds.) AI-

MECH 2002 Gliwice 247-250, 2002.

[3] Lefik M., Boso D.p., Identification of contamination flux in a domain of porous media as an inverse problem

solved with artificial neural networks, European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and

Engineering (ECCOMAS 2012) J. Eberhardsteiner et.al. (eds.), Vienna, Austria, September 10-14, 2012

[4] Lefik M., Boso D.p.,. Schrefler B.a, Identification of a steady-state flow in porous media using artificial neural

networks, Proceedings of the ASME 2012 11th Biennial Conference On Engineering Systems Design And Analysis,

ESDA2012 July 2-4, 2012, Nantes, France

[5] Lefik M., Krasiński M., Wiśniewska I., Komputerowe wspomaganie oceny stanu technicznego wysypisk z wy-

korzystaniem SSN, I Konferencja Naukowa Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa

i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju, Łódź,

16–18 października 2011

109


Środki poprawy bezpieczeństwa infrastruktury drogowej

w zastosowa-niach praktycznych

Stanisław Gaca – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected] Kieć – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected] Budzyński – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: bezpieczeństwo ruchu drogowego, projektowanie dróg, modele predykcji wypadków

Wpływ standardów technicznych infrastruktury drogowej na bezpie-czeństwo ruchu

Poszukiwania infrastrukturalnych środków poprawy bezpieczeństwa ruchu drogowego poprzedzono analizami

powiązania standardów technicznych tej infrastruktury z poziomami zagrożeń bezpieczeństwa ruchu. Wykorzystano

w tym celu wyniki obcych prac oraz ocen z wykorzystaniem własnych regresyjnych modeli predykcji wskaźników wy-

padkowych. Wśród czynników infrastrukturalnych, determinujących poziom zagrożeń bezpieczeństwa ruchu, w więk-

szości badań wskazuje się na: typ przekroju poprzecznego drogi wraz z charakterystyką tego przekroju (szerokość pasów

ruchu, szerokość i rodzaj pobocza, występowanie przeszkód stałych w otoczeniu drogi), krętość drogi wraz z parame-

trami krzywizn, pochylenia niwelety oraz udział odcinków dróg z zabudową. Istotną determinantą bezpieczeństwa ru-

chu jest także jednorodność prędkości wzdłuż drogi pozostająca w ścisłym związku z geometrią drogi. Własne analizy

struktury wypadków i ich okoliczności wykazały dodatkowo istotny wpływ funkcji drogi (powiązanej z klasą techniczną

drogi) na zagrożenia bezpieczeństwa ruchu. Zbudowane modele regresyjne predykcji wskaźników wypadkowych po-

twierdzają istotną rolę wpływu na bezpieczeństwo ruchu takich charakterystyk drogi, jak: typ przekroju poprzecznego

(liczba pasów ruchu, występowanie pasa rozdziału, szerokość i rodzaj poboczy), gęstość skrzyżowań, gęstość zjazdów in-

dywidualnych, procentowy udział zabudowy w otoczeniu drogi, występowanie chodników i urządzeń dla rowerzystów.

Zgodnie z oczekiwaniami dominujący wpływ na wartości wskaźników wypadkowych ma natężenie ruchu. Stwierdzono

także wpływ na bezpieczeństwo ruchu czynników związanych z regionalnym zróżnicowaniem zagospodarowania prze-

strzennego w otoczeniu drogi. W przypadku skrzyżowań wykazano istotny wpływ formy skrzyżowania i organizacji

ruchu na wskaźniki wypadkowe. Najbezpieczniejszą formą skrzyżowania okazały się małe ronda, a także skrzyżowania

z sygnalizacją świetlną, lecz z wydzielonymi fazami ruchu. Wykazano, że zagrożenie bezpieczeństwa ruchu w strefie

oddziaływań skrzyżowania (300 – 500 m) różni się od zagrożeń na odcinkach dróg bez skrzyżowań.

Specyficznymi rozwiązaniami z uwagi na funkcje i stosowane rozwiązania są arterie miejskie. Opis powiązania ich

standardu technicznego i zagrożeń bezpieczeństwa ruchu wykonano wykorzystując modele predykcji wskaźników

wypadkowych, umożliwiających ilościową kwantyfikację wpływu na bezpieczeństwo ruchu różnych charakterystyk

ulic i ich otoczenia. Uwzględniono przy tym: gęstość skrzyżowań, gęstość wjazdów indywidualnych, gęstość przejść

dla pieszych z wyróżnieniem wydzielonych przejść dla pieszych (poza skrzyżowaniami), natężenie ruchu pieszego

opisywane jako zmienna jakościowa (bardzo małe, małe, średnie, duże, bardzo duże) oraz dobowe natężenie ruchu.

Analizowano także potencjalny wpływ na bezpieczeństwo ruchu takich czynników jakościowych, jak typ przekroju

poprzecznego, obecność parkowania wzdłuż ulicy, intensywność zabudowy, rodzaj zagospodarowania otoczenia uli-

cy. Zmienne te okazały się statystycznie istotne w zbudowanych modelach predykcji wypadków.

Narzędzia ocen bezpieczeństwa ruchu i rekomendowane środki jego poprawy

Jednym z celów projektu jest stworzenie narzędzi wspomagających proces planowania i projektowania infra-struk-

tury drogowej w zakresie wyboru rozwiązań spełniających kryteria bezpieczeństwa ruchu. Jednym z takich narzędzi

jest opracowana metoda klasyfikacji zagrożeń bezpieczeństwa ruchu istniejącej sieci drogowej, przy wprowadzeniu 5

klas tego zagrożenia. Równocześnie metoda ta może być wykorzystana do oceny projektowa-nych rozwiązań drogo-

wych, poprzez porównania prognozowanych dla tych rozwiązań wskaźników wypadko-wych z wartościami granicz-

nymi tych wskaźników, rozdzielającymi poszczególne klasy zagrożenia bezpieczeń-stwa ruchu.

110


platformy Microsoft Visual Studio 2008 Express Edition. Posiada ona intuicyjny graficzny interfejs użytkownika oraz

narzędzia ułatwiające pracę z analizowanymi danymi.

W pierwszym kroku, po wczytaniu bazy danych zawartej w pliku tekstowym bądź .cvs, program tworzy architek-

turę klastrów oraz połączeń elementów. Następnie po aktywizacji odpowiednich neuronów – co należy rozumieć jako

zadanie pytania sieci – sygnały propagowane są przez sieć aż do jej stabilizacji, czyli uzyskania odpowiedzi. Istotną

właściwością programu jest obsługa nadrzędnego grupowania cech poszczególnych elementów, co pozwala na zacho-

wanie czytelnej i spójnej struktury zarówno bazy danych jak i wyników produkowanych przez sieć.

Przykłady zastosowań

Zastosowanie implementacji jako programu eksperckiego w zakresie wpływu składowisk odpadów komu-nalnych na zanieczyszczenia wód.

Przykłady służące do zbudowania bazy danych pochodziły ze sprawozdań z badań monitoringu środowiska wokół

eksploatowanych i nieeksploatowanych składowisk odpadów komunalnych i zostały udostępnione przez Wojewódz-

ki Inspektorat Ochrony Środowiska w Łodzi. Wykorzystano wyniki pomiarów obejmujące badania wód powierzch-

niowych, podziemnych i odciekowych dla 13 składowisk. Uproszczona baza danych zawiera kilkadziesiąt wartości

atrybutów, podzielonych na kategorie i opisujące m.in. dane charakteryzujące składowisko pod względem warunków

wodno-gruntowych, jak również usytuowania, wieku, typu, itp.

Zastosowanie implementacji rozpiętej na powyżej opisanej bazie danych, pozwoliło na automatyczną ocenę składo-

wiska oraz zaleceń dotyczących dalszej eksploatacji.

Wykorzystanie implementacji w predykcji ciepła hydratacji cementów

Przeprowadzone badania oraz analizy dotyczące ciepła hydratacji cementów pozwoliły wyodrębnić zestaw wio-

dących czynników mających wpływ na ilość wydzielonego ciepła w procesie hydratacji, mianowicie: rodzaj cementu,

stosunek wodno-cementowy, temperatura badania oraz ilość i typ dodatków. Na podstawie powstałej bazy danych za

pomocą omawianej implementacji została wygenerowana sieć IAC, która pozwala z inżynierską dokładnością okre-

ślić wartość ciepła hydratacji zaczynu cementowego. Przykładowe zastosowanie programu zostało przedstawione na

Rysunku 2.

Rys 2. Przykład zastosowania programu IACnetwork 1.0

Literatura[1] McClelland, J.L. (1981). Retrieving general and specific information from stored knowledge of specifics. Pro-

ceedings of the Third Annual Meeting of the Cognitive Science Society, 170-172.

[2] Rumelhart, D.E., McClelland, J.L., and the PDP research group (1986).Parallel Distributed Processing Volume

1: Foundations, MIT Press.

[3] Lefik M., An expert system using artificial neural network as an „intelligent shell” over a data-base. Proceedings

of AI-METH 2002– Methods of Artificial Intelligence. T. Burczyński, W. Cholewa, W. Moczulski (Eds.) AI-

MECH 2002 Gliwice 247-250, 2002.

111


Parametryzacja obiektowa w procesie optymalizacji

projektowania budynków energoszczędnych

Arkadiusz Węglarz – Politechnika Warszawska, Warszawa, [email protected] Pawłowska – Politechnika Warszawska, Warszawa, [email protected] Żmijewski – Politechnika Warszawska, Warszawa, [email protected]

Słowa kluczowe: budownictwo energooszczędne, BIM, metody polioptymalizacyjne

Wstęp

Celem naukowym tematu badawczego PT7.1 Metody komputerowej optymalizacji projektowania budynków przyja-

znych dla środowiska z wykorzystaniem oceny LCA jest opracowanie metod komputerowej optymalizacji projektów bu-

dynków ekologicznych czyli obiektów zapewniających właściwe warunki życia mieszkańców, przede wszystkim pod kątem

komfortu cieplnego, a jednocześnie przyjaznych środowisku. Projektowanie budynków ekologicznych i energooszczędnych

jest złożonym procesem kompleksowego kojarzenia wymogów architektoniczno-urbanistycznych, technologicznych, eko-

nomicznych i ekologicznych co prowadzi do optymalizacji wielokryterialnej wymagającej użycia zaawansowanych metod

komputerowych. Celem społeczno-ekonomicznym tematu badawczego jest umożliwienie projektowania budynków opty-

malizującego ich negatywny wpływ na środowisko w całym cyklu życia (LCA). Poniżej przedstawiono opis procesu para-

metryzacji obiektowej projektu budynku, którego wyniki stanowią dane do procedury optymalizacji wielokryterialnej.

Parametryzacja obiektowa

Cel procesu parametryzacji obiektowej projektu budynku

Przez proces parametryzacji projektu obiektu budowlanego w ramach niniejszej pracy badawczej należy rozumieć

podział projektowanego budynku na elementy składowe w taki sposób aby tym elementom (obiektom) można przypisać

jednolite cechy określane przez wymierne wartości np. wymiary geometryczne elementu, waga elementu, skumulowane

zużycie energii, niezbędne do powstania elementu, skumulowana emisja CO2 powstała w procesie wykonywania elementu

itp. Takimi elementami (obiektami) może być fragment ściany okno, ale również cały system grzewczy z wyodrębnionym

źródłem ciepła. Zmiana materiałów z jakich zbudowane są elementy powoduje automatyczne zmiany wartości parametrów

opisujących elementy budynków. Cały proces parametryzacji jest niezbędny do przeprowadzenia w kolejnym etapie opty-

malnego wyboru wariantów techniczno – ekonomicznych projektowanego budynku według funkcji kryterium, których

argumentami są wartości parametrów związane z wyodrębnionymi elementami ( np. skumulowane zużycie energii). Celem

opisywanego etapu niniejszej pracy badawczej było stworzenie lub wykorzystanie istniejącego narzędzia informatycznego,

które w sposób w miarę automatyczny przeprowadziłoby proces parametryzacji obiektu budowlanego przy wykorzystaniu

dokumentacji architektonicznej opracowanej w popularnych programach CAD. W wyniku analizy literatury dotyczącej

zdefiniowanego wyżej problemu parametryzacji wybrano modelowanie (BIM) jako najlepszy sposób opisu budynku umoż-

liwiający zastosowanie w kolejnym etapie projektowania wielokryterialnych metod optymalizacyjnych.

Narzędzia parametryzacji – modelowanie BIM (Building Information Modelling)

W procesie projektowania Building Information Modelling (BIM) w środowisku 3D tworzony jest rzeczywisty model

obiektu za pomocą trójwymiarowych elementów konstrukcyjnych, takich jak belki, słupy, ściany, płyty, którym przy-

pisane są odpowiednie funkcje, określające wzajemne powiązania i zależności. Spójny, cyfrowy model budynku jest

podstawą tworzenia dokumentacji technicznej, harmonogramu prac, obliczeń wytrzymałościowych oraz zestawień ele-

mentów modelu, materiałów, pomieszczeń. Wszystkie informacje o poszczególnych elementach gromadzone są w jednej

bazie danych. W programie każdy arkusz rysunku, widok 2D i 3D oraz zestawienia stanowią prezentację informacji z tej

bazy danych. Podczas pracy z widokami rysunku i zestawieniami informacje o projekcie budynku są zbierane i koordy-

112


nowane we wszystkich innych reprezentacjach projektu. Dane dotyczące elementów projektu można zestawiać w postaci

arkuszy zawierających zestawienia elementów, pomieszczeń, użytych materiałów, itp. Zestawienia są integralną częścią

projektu, operowanie nimi jest więc podobne do pracy z modelem. Zmieniając dane w zestawieniu dokonywana jest ko-

rekta modelu. Oczywiście można wyodrębnić zestawienie z modelu np. przez eksport danych do arkusza kalkulacyjnego

lub edytora tekstu. Konsekwencją tego jest jednak odłączenie zestawienia od modelu, czyli korekty wprowadzane do

modelu nie będą automatycznie aktualizowały zestawień. Na rysunku 1 przedstawiono schemat ideowy BIM.

Rys.1. Schemat ideowy BIM

Podsumowanie i wnioski

W ramach prowadzonych w temacie 7.1 badań przeanalizowano możliwość współpracy oprogramowania typu

BIM z oprogramowaniem tworzonym przez autorów niniejszego referatu ( bazy danych i procedury optymalizacyjne)

i wysnuto następujące wnioski:

Technologia BIM kompleksowo obsługuje proces projektowania. Zastosowanie systemów BIM wydają się być właś-

ciwe do współpracy z procedurami optymalizacyjnymi, wdrożenie ich jednak wymaga dużego wysiłku intelektualnego

i finansowego.. Eksport danych z bazy danych systemu BIM do arkuszy kalkulacyjnych jest od lat znany i oprogramowa-

ny, nie ma więc żadnych trudności w zapisaniu zestawień w formatach arkuszy kalkulacyjnych czy jako dokumenty teks-

towe. Wykorzystanie technologii BIM wymaga szczegółowego opisu technicznego poszczególnych elementów w trakcie

projektowania, jest pracochłonne i wymaga wykwalifikowanej kadry, ale dane otrzymywane w zestawieniu dokładnie

oddają geometrię modelu z uwzględnieniem zmiennego obwodu poszczególnych warstw w ścianach i otworów.

Precyzyjny opis danych materiałowych pozwala na dokładne zliczenie objętości potrzebnych materiałów.

Korekta modelu (geometryczna, czy materiałowa) powoduje automatyczne uaktualnienie danych w zestawieniu.

Jest możliwa operacja odwrotna. Korekta w zestawieniu powoduje automatyczną zmianę w modelu. W efekcie koń-

cowym postanowiono rozwiać własne oprogramowanie w oparciu o arkusz kalkulacyjny Excel i komunikować przez

eksport i import zestawień z oprogramowaniem typu BIM. Przyjęto jednak taka możliwość, że użytkownik oprogra-

mowania będącego wynikiem realizacji tematu 7.1 przeprowadzi proces parametryzacji obiektowej w dowolny sposób

bez wykorzystania oprogramowania BIM.

Literatura[1] Michael P. Cannistraro, P. L., Savings Through Collaboration: A Case Study on Value of BIM, Journal of Buil-

ding Information Modeling, 29, Fall 2010,

[2] Eastman, C., Building Information Modeling: Case Studies, pobrano z: http://dcom.arch.gatech.edu/class/BIM-

CaseStudies/ , 10, Marzec 2010,

[3] GSA., BIM Library, pobrano z: http://www.gsa.gov/portal/content/103735, 7, Marzec 2011

113


Metoda oceny budynków użyteczności publicznej

z pasywnymi systemami wykorzystania energii słonecznej

pod kątem oszczędności energii oraz komfortu cieplnego

i wizualnego ludzi – etap 2

Henryk Nowak – Politechnika Wrocławska, Wrocław, henryk.nowak @pwr.wroc.plŁukasz Nowak – Politechnika Wrocławska, Wrocław, lukasz.nowak @pwr.wroc.plElżbieta Śliwińska – Politechnika Wrocławska, Wrocław, elzbieta.sliwinska @pwr.wroc.plMaja Staniec – Politechnika Wrocławska, Wrocław, maja.staniec @pwr.wroc.pl

Słowa kluczowe: oszczędność energii, pasywne wykorzystanie energii słonecznej, komfort cieplny, komfort wizualny

Cel projektu

Głównym celem badawczym tematu badawczego jest określenie ilościowego wpływu pasywnych rozwiązań fasad bu-

dynków użyteczności publicznej, w tym systemów zacieniających oraz wpływu rośnie skonfigurowanych właściwości spek-

tralnie selektywnych powłok radiacyjnych stosowanych w zestawach szyb zespolonych i fasadach przeszklonych na zużycie

energii w budynku (energia grzewcza i klimatyzacyjna), na rozkład natężenia światła dziennego w pomieszczeniach oraz na

parametry mikroklimatu i komfort cieplny ludzi, w różnych porach roku. Celem badawczym jest również określenie wpływu

dynamicznych cieplnych właściwości ścian zewnętrznych i wewnętrznych i ich właściwości radiacyjnych (głównie absorpcja

promieniowania słonecznego) na przebieg zmian parametrów mikroklimatu pomieszczeń i komfort cieplny ludzi, w różnych

porach roku. Głównym celem aplikacyjnym jest opracowanie metody oceny budynków użyteczności publicznej z pasywnymi

systemami wykorzystania energii słonecznej pod kątem oszczędności energii oraz komfortu cieplnego i wizualnego ludzi. Me-

toda ta będzie mogła być wykorzystania jako narzędzie wspomagające projektowanie nowych oraz ocenę istniejących budyn-

ków użyteczności publicznej.

Prowadzone badania (Etap 2)

Mikroklimat a komfort cieplny ludzi w pomieszczeniach o dużym przeszkleniu

Wyniki pomiarów wykazują, że w pomieszczeniach o silnym przeszkleniu bardzo trudno jest uzyskać warunki komfortu

cieplnego. Temperatura operacyjna była albo o kilka stopni niższa od optymalnej – co najczęściej się zdarzało w chłodne dni po-

chmurne lub pogodne noce – albo o co najmniej kilka – kilkanaście stopni od niej wyższa. Taka sytuacja była na porządku dzien-

nym w czasie dni słonecznych, szczególnie w pomieszczeniu bez ochrony przeciwsłonecznej. Latem (sesja lipcowa i sierpniowa)

temperatura operacyjna w tym pomieszczeniu przekraczała wartość optymalną nawet o 20 stopni C. Również jesienią, na po-

czątku października, temperatura operacyjna była w godzinach południowych wyższa od optymalnej kilkanaście stopni. Jednak

w nocy spadała o ok. 5 stopni poniżej optymalnej. W pomieszczeniu z markizą sytuacja przedstawiała się lepiej – temperatura

operacyjna leżała w granicach 5 – 7 stopni od wartości optymalnych. Sytuację mogłaby poprawić pojemność cieplna przegród.

Dostępność światła dziennego w pomieszczeniach w zależności od charakterystyk radiacyjnych fasady

Dla nieba bezchmurnego widać, że nawet w punktach nieleżących na osi symetrii wzdłużnej pomieszczenia w połowie jego

długości natężenie w punkcie środkowym, lewym oraz prawym są praktycznie takie same. Pomimo pojawiającej się na nich

asymetrii rozkładu natężenia światła dziennego na płaszczyznę pionową, można ponownie zauważyć występowanie zjawiska

pasa przyokiennego, gdzie wartości natężenia są wyraźnie większe niż w pozostałej części pomieszczenia.

Rano, gdy słońce jest po lewej stronie południowego okna (na wschodzie), widać że zjawisko pasa przyokiennego obejmuje

prawe naroże przy oknie w pomieszczeniu i w miarę przemieszczania się okna na zachód, również pas przyokienny zaczy-

114


na obejmować prawe naroże i środek przy oknie. W południe pas przyokienny obejmuje bliższą okna połowę pomieszczenia

i następnie wraz z zachodzeniem słońca, obejmuje środek i lewe naroże, a na końcu tylko lewe naroże pomieszczenia. Porów-

nując rozkłady natężenia między szkłem matowym i przeziernym, można zauważyć, że dla każdej rozpatrywanej godziny

dnia o czystym niebie, równomierność natężenia światła dziennego wewnątrz modelu pomieszczenia jest większa dla szkła

matowego. Zmiana wartości natężenia światła w funkcji odległości od okna następuje w sposób bardziej liniowy.

Charakterystyka rozkładu natężenia światła dziennego na płaszczyznę pionową w kolejnych godzinach dnia o całkowitym

zachmurzeniu nieba pozostaje praktycznie niezmienna w czasie i jest symetryczna względem osi podłużnej pomieszczenia.

Osiągane wartości natężenia dla szkła matowego są niższe w pasie przyokiennym i porównywalne ze szkłem brązowym

przeziernym i nieco wyższe w pozostałej części pomieszczenia od wartości uzyskiwanych przez szkło bezbarwne. W związku

z czym można powiedzieć, że szkło matowe pozwala zredukować zjawisko zbyt dużych wartości natężenia światła dziennego

w pasie przyokiennym oraz pozwala na lepsze doświetlenie dalszej części pomieszczenia dzięki rozpraszaniu padającego pro-

mieniowania słonecznego.

Dostępność światła dziennego w pomieszczeniach z systemami zacieniającymi

Zastosowanie na elewacji nadwieszeń zacieniających, które poprzez ograniczanie nadmiaru promieniowania bezpośred-

niego, niweluje efekt tzw. pasa przyokiennego. Nadwieszenia wyraźnie redukują wartości natężenia światła dziennego w po-

mieszczeniu w stosunku do pomieszczenia referencyjnego. Równomierność oświetlenia światłem dziennym jest dużo większa

w przypadku pomieszczenia z nadwieszeniem zacieniającym, co ma istotny wpływ na odczucia komfortu wizualnego u użyt-

kowników pomieszczenia.

W przypadku dnia o zachmurzonym nieboskłonie różnice w ilości dostarczonego światła dziennego do pomieszczenia są

mniejsze niż poprzednio, czego się należało spodziewać. Natomiast warto zauważyć, że o ile ilość światła dziennego dostarczo-

nego głębiej (do punktów bardziej oddalonych od okna) jest porównywalna, to ilość światła w pasie punków leżących bliżej jest

niższa o około 30%.

Dobór rodzaju ścian wewnętrznych i zewnętrznych

Do symulacji przyjęto ściany o rożnych grubościach, wykonane z rożnych materiałów, tj. z żelbetu, cegły pełnej, betonu ko-

mórkowego 800 i betonu komórkowego 500. Symulacje przeprowadzono pod katem określenia wpływu właściwości termody-

namicznych przegród wykonanych z rożnych materiałów na możliwości tłumienia rocznych i dobowych wahań temperatury,

We wstępnej fazie symulacji, wykonano je dla przegród o tej samej grubości. Wyniki wykazały, że w przypadku analizo-

wania rocznych wahań temperatury na jednej z powierzchni przegrody, dla zadanej grubości przegrody, uzyskane wyniki są

praktycznie takie same. Rezultaty były analogiczne w przypadku zakładania różnych grubości przegród. Różnica w tłumieniu

wahań, w przypadku wahań rocznych, uwidacznia się dopiero przy analizowaniu dużych grubości przegród. W przypadku

przegród jednowarstwowych dało to oczywiście znaczne wartości grubości przegród.

Amplituda wahań jest najbardziej tłumiona w przypadku przegrody wykonanej z żelbetu. Przy czym intuicyjne jest, że

im mniejsza wartość współczynnika przenikania ciepła U (zatem i większa grubość przegrody), tym tłumienie i przesuniecie

fazowe będą miały większe wartości. Dla przegród z żelbetu wynosi ok. 4 [-], a przesunie fazowe ok. 5 miesięcy. W przypadku

przegrody z cegły pełnej tłumienie wynosi ok. 1,5 [-], a przesuniecie fazowe wynosi ok. 3 miesiące. Najmniejsze wartości wyka-

zują beton komórkowy o gęstości 800 a następnie beton komórkowy o gęstości 500. Dla nich roczny przebieg temperatury jest

bardzo zbliżony do przebiegu temperatury powietrza zewnętrznego.

Geometria budynku z fasadą przeszkloną o różnych charakterystykach radiacyjnych a jego bilans cieplny

Zapotrzebowania energii na ogrzewanie oraz na chłodzenie dla orientacji 0° zmienia się proporcjonalnie do zwiększonego

stopnia przeszklenia oraz są również skorelowane z kształtem bryły budynku. Poprzez kształt bryły budynku rozumiany jest

stosunek proporcji boków podstawy oraz wysokość budynku. Analizowano trzy proporcje boków podstawy: 1:1, 2:1 i 4:1 i dwie

wysokości wyrażone poprzez ilość kondygnacji: 5. i 10.kondygnacyjne, co daje łącznie 6 różnych brył prostopadłościennych.

Zgodnie z przewidywaniami, najniższe wartości zapotrzebowania energii na ogrzewanie budynku dla orientacji 0 ,̊ zanoto-

wano dla zwartych schematów budynków 5-piętrowych o stosunku boków 1:1 dla wszystkich stopni przeszklenia niezależnie

od rodzaju użytych szyb (i ich charakterystyk radiacyjnych) w przeszklonej części elewacji. Wartości zapotrzebowania energii

grzewczej dla budynków 5 kondygnacyjnych o wszystkich analizowanych stosunkach boków (1:1, 2:1, 4:1) były w zdecydowa-

nej większości przypadków mniejsze od wartości dla budynków 10 kondygnacyjnych o wszystkich analizowanych stosunkach

boków (1:1, 2:1, 4:1).

115


Wybrane zagadnienia konstrukcji

hal energoaktywnych

Karolina Brzezińska – Politechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected] Kowal – Politechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected] Otwinowska – Politechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected] Rafał Piotrowski – Politechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected] Monika Siedlecka – Politechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected] Andrzej Szychowski – Politechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Słowa kluczowe: konstrukcja energoaktywna, pozyskiwanie EC z promieniowania słonecznego

W prezentacji zamieszczono wybrane zagadnienia sterujące projektowaniem bądź przystosowaniem konstrukcji

przekryć budowlanych, zwłaszcza wielkopowierzchniowych hal o konstrukcji stalowej, do czynnego absorbowania,

transportu i magazynowania energii cieplnej z promieniowania słonecznego.

Pokazano: 1) ekonomiczne struktury regularne nadające się do przekryć hal energoaktywnych zdolnych do

sprzęgania przechyłowych mechanizmów zniszczenia słupów hal; 2) oszacowanie nośności ostrosłupowego syste-

mu prętów nadającego się do mocowania absorberów śledzących ruch słońca; 3) sprawdzenie sztywności połaciowej

struktur zredukowanych, spełniającej rolę stężenia słupów hali w jeden mechanizm zniszczenia, w celu zapobiega-

nia klawiszowaniu ram i zwiększenia nośności systemu; 4) sposób zmniejszania obciążeń termicznych w drodze

opracowania technologii kompensacji przemieszczeń węzłów hali; 5) oszacowanie zwiększenia nośności słupów hal

konwencjonalnych o głowicach stężonych połaciowo; 6) sposoby sprzęgania słupów hal konwencjonalnych za po-

mocą stężeń połaciowych w celu przywrócenia zalecanej normami nośności słupów i zapobiegania klawiszowaniu

ram poprzecznych hali; 7) sposób zwiększania nośności węzłów kratownic budowanych z rur cienkościennych sto-

sowanych w konstrukcjach energoaktywnych; 8) sposób magazynowania energii cieplnej pozyskiwanej i transpor-

towanej za pomocą ogrzanego powietrza; 9) pokazano sposób zwiększenia nośności ściskanych wielogałęziowych

prętów struktur za pomocą ich sprężania;

W prezentacji wykorzystano dotychczasowe prace [1 – 9], w których zwrócono uwagę na znaczący potencjał możli-

wości pozyskiwania EC i EE tkwiący w przykryciach i ścianach wielkopowierzchniowych hal oraz budynków wysokich.

Literatura[1] Kowal Z., “Hazards associated with the load-bearing capacity of bar space structures during assembly and per-

formance”, Promysłowe Budiwnictwo Ta Inżenerni Sporudy, Kijów, 3, 2011, s. 34 – 40.

[2] Kowal Z., Chablaszek M. (Siedlecka M.), „Nośność kratownicy Misesa z prętów obarczonych wstępnym wy-

gięciem”, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej Nr 276, Seria: Budownictwo i Inżynieria Środowiska,

Zeszyt 58, Nr 3/2011/II, s. 217 – 224.

[3] Kowal Z., Piotrowski R., Szychowski A., „Sztywność połaciowa struktur prętowych o oczkach kwadratowych”,

Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej Nr 276, Seria: Budownictwo i Inżynieria Środowiska, Zeszyt 58,

Nr 3/2011/II, s. 249 – 256.

[4] Kowal Z., Piotrowski R., Szychowski A., „Przystosowanie hal przekrytych strukturą do pozyskiwania energii

cieplnej z promieniowania słonecznego”, referat wygłoszono na IV Konferencja Architektura – Budownictwo

– Inżynieria – Technika, Nowoczesne technologie energooszczędne – wykorzystanie odnawialnych źródeł ener-

gii, Rzeszów – Solina, 30.05 – 02.06.2012.

[5] Kowal Z., „Probabilistyczna optymalizacja nośności słupów stalowych konstrukcji hal konwencjonalnych”, Ze-

szyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej Nr 283, Seria: Budownictwo i Inżynieria Środowiska, Zeszyt 59, Nr

3/2012/II, s. 185 – 192.

[6] Kowal Z., Otwinowska K., Szychowski A., „Sztywność połaciowa hal wiązarowo – płatwiowych przystosowa-

nych do pozyskiwania energii z promieniowania słonecznego”, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej

Nr 283, Seria: Budownictwo i Inżynieria Środowiska, Zeszyt 59, Nr 3/2012/II, s. 193 – 200.

116


[7] Kowal Z., Szychowski A., „Konstrukcja węzłów kratownic z zamkniętych kształtowników kwadratowych lub

prostokątnych”. Zgłoszenie patentowe PL395932A1 z dn. 11-08-2011.

[8] Kowal Z., Szychowski A., „Urządzenie do pozyskiwania i magazynowania energii cieplnej”. Zgłoszenie patento-

we PL398996A1 z dn. 26-04-2012.

[9] Kowal Z., Siedlecka M., „Konstrukcja pręta wielogałęziowego”. Zgłoszenie patentowe PL399885A1 z dn. 10-07-

2012.

[8] Kowal Z., Szychowski A., „Urządzenie do pozyskiwania i magazynowania energii cieplnej”. Zgłoszenie patento-

we PL398996A1 z dn. 26-04-2012.

[9] Kowal Z., Siedlecka M., „Konstrukcja pręta wielogałęziowego”. Zgłoszenie patentowe PL399885A1 z dn. 10-07-

2012.

117


Zaburzenia wymiany powietrza w budynkach

wyposażonych w zbiorcze kanały wentylacyjne

Marek Telejko – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected] Zbigniew Piotrowski – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected]

Słowa kluczowe: wymiana powietrza, mikroklimat wnętrz, IAQ

WstępRosnące z roku na rok ceny energii niezbędnej od ogrzania obiektów budowlanych oraz przygotowania ciepłej wody

zmusiły inwestorów do poszukiwania rozwiązań, które miały na celu ograniczenie ilości energii zużywanej na te cele.

Złą praktyką jest rezygnacja z okiennych nawiewników powietrza. Sytuacja taka jest bardzo niebezpieczna w budynkach,

w których zastosowano indywidualne urządzania gazowe służące do przygotowania ciepłej wody użytkowej i centralne-

go ogrzewania. Najgorszym rozwiązaniem jest zastosowanie w takim budynku dodatkowo systemu wentylacji grawita-

cyjnej z kanałami zbiorczymi, co powoduje bardzo dużą podatność na zaburzenia w działaniu systemu wentylacji.

Przedmiot badań

Wytypowane do badań mieszkania zestawić można w trzech grupach (jednocześnie rozpatrywano 2 mieszkania

w każdej grupie):

• grupa 1 – mieszkania podłączone do wspólnego pionu wyposażone w gazowe urządzenia grzewcze – bez nawiewników,

• grupa 2 – mieszkania podłączone do wspólnego pionu wyposażone w gazowe urządzenia grzewcze – z których

tylko jedno wyposażono w okienne nawiewniki powietrza,

• grupa 3 – mieszkania podłączone do wspólnego pionu wyposażone w gazowe urządzenia grzewcze – obydwa

mieszkania wyposażone były w okienne nawiewniki powietrza.

Wyniki pomiarów i ich analiza

W mieszkaniach grupy pierwszej odnotowano największe zaburzenia w działaniu systemu wentylacji grawitacyj-

nej. W rozpatrywanych mieszkaniach tej grupy obydwa kanały wentylacyjne doprowadzały powietrze zewnętrzne do

mieszkań, bez względu na usytuowanie lokalu (rys. 1 i 2, wartości ujemne oznaczają nawiew). W lokalach tej grupy

prędkość wtłaczanego strumienia powietrza zmierzona przy wlotach do kanałów wentylacyjnych przekraczała nawet

1,10 m/s. W połączeniu z niską temperaturą powietrza zewnętrznego w okresie jesienno-zimowym powodowało to

znaczne wychładzanie mieszkań. Odnotowana temperatura powietrza napływającego do mieszkania kanałem wenty-

lacyjnym zależna była zarówno od temperatury zewnętrznej jak również położenia mieszkania (rys. 1).

Rys. 1. Prędkość przepływu oraz temperatura strumienia powietrza przepływającego przez kanały wentylacyjne

w mieszkaniu bez nawiewników zlokalizowanym na 1 piętrze, pion P1 (V - prędkość, T - temperatura).

118


Tabela 1. Stężenie dwutlenku węgla [ppm] w poszczególnych pomieszczeniach wybranych mieszkań bez nawiewników powietrza

W mieszkaniach z grupy drugiej odnotowano również charakterystyczny rozkład przepływu powietrza w kana-

łach wentylacyjnych. Także w tej grupie mieszkań rolę elementu dostarczającego powietrze zewnętrzne przejął kanał

wywiewny układu wentylacji naturalnej. Zasadą jednak było wtłaczanie powietrza tylko jednym z kanałów. Ostat-

nią grupę mieszkań stanowiły mieszkania wyposażone w okienne nawiewniki powietrza zainstalowane w ramiakach

wszystkich okien oraz włączone do wspólnego kanału wywiewnego. W tej grupie mieszkań nie odnotowano wtłacza-

nia powietrza zewnętrznego kanałami wywiewnymi.

Interpretacja wyników i działania naprawcze

Przeprowadzone badania jednoznacznie wskazują na nieprawidłowe działanie wentylacji w lokalach mieszkal-

nych ze zbiorczymi kanałami wentylacyjnymi. W mieszkaniach tych występują wsteczne ciągi, a przepływ powietrza

jest bardzo zróżnicowany w zależności od kondygnacji, lokalizacji budynku, wielkości nawiewników itp. W związku

z powyższym jednoznaczny opis przebiegu procesu wentylacji takich mieszkań jest niemal niemożliwy i wymagałby

uwzględnienia wielu czynników, w tym również niesterowalnych zmiennych w czasie. Dlatego też wszelkie podej-

mowane próby naprawcze skierowane są raczej w kierunku spełnienia minimalnych wymogów mikroklimatycznych

oraz zapewnienia prawidłowego działania systemu wentylacji, co osiągnąć można poprzez montaż w określonych

miejscach odpowiedniej ilości nawiewników powietrza [1, 2, 3].

Wnioski1. Mieszkania wyposażone w system wentylacji grawitacyjnej z kanałami zbiorczymi i urządzeniami grzewczymi

zasilane gazem są wyjątkowo podatne na zaburzenia w działaniu systemu wentylacji grawitacyjnej.

2. Wyniki pomiarów wskazują że mieszkania podłączone do wspólnego pionu należy rozpatrywać łącznie. Miesz-

kania wyposażone w nawiewniki powietrza są narażone na zaburzenia w działaniu systemu wentylacji gra-

witacyjnej poprzez podłączenie ich do wspólnych przewodów wentylacyjnych z mieszkaniami w których nie

zainstalowano takich nawiewników.

3. W budynkach wyposażonych w zbiorcze kanały wentylacyjne należy bardzo starannie zaprojektować ilość oraz

usytuowanie elementów doprowadzających powietrze zewnętrzne.

4. W mieszkaniach, w których zainstalowano gazowe urządzenia grzewcze należy doprowadzić ilości powietrza

zewnętrznego niezbędną do prawidłowego spalania paliwa w tych urządzeniach.

Literatura[1] Piotrowski J. Z., Telejko M., Wpływ struktury budynku na dystrybucję powietrza wentylacyjnego, 56 Konferen-

cja PZiTB, Krynica 2011, s. 131-140.

[2] Piotrowski J. Z., Telejko M., Dystrybucja powietrza wentylacyjnego w budynkach ze szczelną obudową, Fizyka

Budowli w teorii i praktyce, Łódź- Słok 2009, s. 170-178.

[3] Piotrowski J. Z., Telejko M., Zender – Świercz E., Wpływ szczelnej obudowy budynku na dystrybucję powietrza

wentylacyjnego, Energia i Budynek nr 7/2010, s. 23-25.

119


Indywidualny system nawiewny

sposobem na poprawę jakości powietrza

w pomieszczeniach mieszkalnych

Ewa Zender-Świercz – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected] Zbigniew Piotrowski – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected]

Słowa kluczowe: mikroklimat pomieszczeń, ditlenek węgla, ilość powietrza wentylacyjnego

Wstęp

Pomieszczenia mieszkalne w nowoczesnym budownictwie są wentylowane w sposób niewystarczający, bowiem po-

wszechnym sposobem wymiany powietrza w takich obiektach jest wentylacja naturalna. Zużyte powietrze usuwane

jest na zewnątrz poprzez kanały wentylacji grawitacyjnej natomiast świeże powietrze dopływać powinno poprzez

nieszczelności w stolarce okiennej i drzwiowej w wyniku działania siły wiatru oraz siły wywołanej różnicą tempe-

ratur. Wysoki współczynnik szczelności budynków informuje o małym napływie powietrza do wnętrza. Sposobem

poprawiającym jakość powietrza w pomieszczeniach mieszkalnych jest Indywidualny System Nawiewny.

Analiza jakości powietrza w pomieszczeniach

Znacznikiem jakości powietrza w pomieszczeniach poddanych analizie był ditlenek węgla, którego wysokie stężenie

(w niektórych lokalach przekraczające 5000ppm) sugerowało niewystarczającą wentylację pomieszczeń. Włączenie In-

dywidualnego Systemu Nawiewnego spowodowało obniżenie wartości analizowanego parametru. Dodatkową popra-

wę stanu powietrza wewnętrznego uzyskano po włączeniu wentylatora zamontowanego w systemie. Przeprowadzona

analiza statystyczna uzyskanych wyników potwierdziła zaobserwowaną poprawę jakości powietrza w pomieszczeniach.

Regulacja systemu oraz nastawy wentylatora zmieniane były ręcznie zasadnym jest wprowadzenie modyfikacji polega-

jącej na zautomatyzowaniu systemu. Pozwoli to na bardziej płynne sterowanie systemem oraz umożliwi wprowadzenie

usprawnień pozwalających na bardziej oszczędną pracę Indywidualnego Systemu Nawiewnego.

Propozycje ulepszenia pracy Indywidualnego Systemu Nawiewnego

Analizowany system wentylacji pomieszczeń w sposób wystarczający wentyluje mieszkania o ile wszystkie drzwi

wewnętrzne są otwarte. W sytuacjach kiedy lokatorzy zamykali nocą drzwi sypialni zaobserwowano znaczny wzrost

stężenia ditlenku węgla w tych pomieszczeniach. Zasadną jest zatem zmiana konstrukcyjna Indywidualnego Systemu

Nawiewnego pozwalająca na rozprowadzenie powietrza w mieszkaniach. Niezbędne będzie wówczas zastosowanie

nawiewników szczelinowych w pokojach oraz kratek transferowych w drzwiach. Kolejnym elementem pozwalającym

na udoskonalenie analizowanego systemu jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii do ogrzania powietrza

nawiewanego. W tym celu należy wykorzystać pompy ciepła z gruntowym wymiennikiem ciepła lub z kolektorami

słonecznymi. Zasadnym jest również opracowanie harmonogramu pracy wentylatora, który pozwoli na okresowe

zmniejszanie prędkości obrotowej lub całkowite wyłączenie urządzenia. Spowoduje to zmniejszenie zużycie energii,

a co za tym idzie mniejsze koszty eksploatacyjne systemu. Należy zwrócić uwagę na możliwość zastosowania odzysku

ciepła. Na etapie projektowania budynku koniecznym jest staranne zlokalizowanie kanałów wentylacyjnych, tak aby

można było zamontować rekuperator.

Modelowanie strumieni powietrza

Obecne możliwości przeprowadzenia obliczeń ilości powietrza wentylacyjnego są bardzo duże. Brakuje jednak

metody pozwalającej na uwzględnienie jednocześnie siły wiatru, siły grawitacyjnej oraz oddziaływania wentylatora.

120

Zaproponowano model matematyczny, w którym poza uwzględnieniem powyższych sił brana jest pod uwagę różna

wysokość usytuowania kratek wentylacyjnych oraz otworów okiennych i drzwiowych. Zaletą proponowanej metody

obliczeń jest jej uniwersalność. Możliwe jest bowiem jej wykorzystanie zarówno w budownictwie mieszkalnym jak

i przemysłowym. Z wykorzystaniem opracowanego układu równań możliwe jest określenie wymaganych strumieni

powietrza na etapie projektowanie obiektu, ale również podczas jego eksploatacji bez konieczności przeprowadzania

eksperymentu.

Wnioski

Analiza stężenia ditlenku węgla wykazała, iż zastosowanie Indywidualnego Systemu Nawiewnego pozawala na po-

prawę jakości powietrza w pomieszczeniu. Potrzebne są jednak zmiany konstrukcyjne celem usprawnienia jego funkcjo-

nowania. Zastosowanie odnawialnych źródeł energii, odzysku ciepła oraz opracowanie harmonogramu pracy systemu

pozwoli na oszczędność energii, a zatem również kosztów eksploatacyjnych systemu. Powszechne stosowanie Indywi-

dualnego Systemu Nawiewnego pozwoli przyczynić się do zrównoważonego rozwoju wentylacji. Opracowana metoda

obliczeń w wystarczającym stopniu opisuje pracę analizowanego sposobu wentylacji pomieszczeń, ale może być również

stosowana w obiektach wentylowanych w inny sposób. Możliwe jest jej wykorzystanie w budynkach projektowanych

i istniejących różnego typu.

Literatura[1] ANSI/ASHRAE Standard 62.1 – 2010 Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality.

[2] Stroj A. F., Piotrowski J. Zb., Zender-świercz E., “Розрахунок повiтрообмiну в примiщеннi при одночаснiй

дії гравітаційного тиску, тиску вітру та вентилятора”, Коммунальное хозяйство городов. Научно –

технический сборник. ХНАГХ. – К.: Техника, Nr 103 2012r., str. 118 – 124.

[3] Zender-świercz E., Piotrowski J. Zb., „Poprawa mikroklimatu wewnątrz budynków wielorodzinnych”, Fizyka bu-

dowli w teorii i praktyce – Sekcja Fizyki Budowli Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej Polskiej Akademii Nauk,

Instytut Fizyki Budowli Katarzyna i Piotr Klemm, Łódź 2011r. Tom VI nr 4, str. 85 – 89.


121

Podstawy klasyfi kacji akustycznej

budynków mieszkalnych

Barbara Szudrowicz – Instytut Techniki Budowlanej, Zakład Akustyki, Warszawa, [email protected]żbieta Nowicka – Instytut Techniki Budowlanej, Zakład Akustyki, Warszawa, [email protected]

Słowa kluczowe: budynki mieszkalne, podwyższony standard akustyczny, wymagania, pomiary akustyczne, klasyfi kacja, zasady ustalania klas akustycznych

Wprowadzenie

W ramach projektu badawczego POIG.01.01.02-10-106/09 w pakiecie tematycznym PR.7 został opracowany temat

badawczy nr 6 „Metody badań i oceny komfortu akustycznego budynków mieszkalnych”. W temacie tym przygotowa-

no projekt normy PN-B-02151-4 Akustyka budowlana Ochrona przed hałasem w budynkach – Budynki mieszkalne

o podwyższonym standardzie akustycznym – wymagania, zasady klasyfikacji. W normie tej przyjęto 3 klasy podwyż-

szonego standardu akustycznego od AQ-1 do AQ-3 (klasy o podwyższonym standardzie akustycznym – stosowanie

dobrowolne, wymagania dla klasy AQ-0 obligatoryjnej ujęte są w normie PN-B-02151-3). Dla każdej klasy akustycz-

nej określono zróżnicowane wymagania akustyczne dla poszczególnych zakresów ochrony przeciwhałasowej. Klasy

akustyczne oraz ogólne zasady ich ustalania zostały przedstawione na I Konferencji (Łódź 16-18 października 2011)

w referacie pt. Metody badań i oceny komfortu akustycznego budynków mieszkalnych. Niniejszy referat omawia za-

gadnienia związane z zakresem i podstawami klasyfikacji akustycznej obiektów mieszkalnych.

Zakres i parametry oceny akustycznej budynków o podwyższonym standardzie akustycznym

Ocena akustyczna obiektu mieszkalnego, bez względu na standard akustyczny obejmuje 5 głównych zakresów

ochrony przeciwhałasowej, którym przypisane są odpowiednie, mierzalne, wskaźniki o wymaganych wartościach

odpowiadających określonemu standardowi akustycznemu. Zestawiono je w poniższej tablicy podając jednocześnie

numery norm, wg których wykonuje się pomiary i ocenia się wyniki badań danego parametru akustycznego

Tablica 1. Zakresy ochrony i parametry akustyczne budynku określające poszczególne zakresy ochrony (z pominięciem ochrony przed hałasem pogłosowym)

Podstawy klasyfi kacji akustycznej budynków

Podstawy klasyfikacji akustycznej budynku mieszkalnego wielorodzinnego i jednorodzinnego, wydzielonej części

mieszkalnej w budynkach o zróżnicowanej funkcji, jak również pojedynczego mieszkania można przedstawić w skró-

cie w następujących punktach:


122

a) klasyfikacji akustycznej mogą podlegać istniejące budynki mieszkalne wielorodzinne i jednorodzinne oraz wy-

dzielone części mieszkalne w budynkach o zróżnicowanej funkcji jak również pojedyncze mieszkania (w dalszej

części wszystkie przypadki określane są w skrócie jako „obiekt mieszkalny”),

b) klasyfikacja akustyczna odnosi się do obiektów mieszkalnych całkowicie wykończonych, z instalacjami stano-

wiącymi techniczne wyposażenie budynku,

c) klasę akustyczną obiektu mieszkalnego określa się na podstawie oceny parametrów akustycznych budynku

w stosunku do wymagań podanych w normie PN-B-02151-4 (aktualnie projekt normy),

d) obiekt mieszkalny uzyskuje określoną klasę akustyczną, jeżeli jego parametry akustyczne spełniają wszystkie

wymagania podane w normie jw. dla danej klasy, dla wszystkich zakresów ochrony,

e) parametry akustyczne obiektu mieszkalnego określa się:

• na podstawie pomiarów przeprowadzonych w obiekcie - w odniesieniu do parametrów akustycznych budyn-

ku podanych w tablicy 1 w poz. 1÷3b za wyjątkiem poz. 3a’,

• na podstawie sprawdzenia dokumentacji architektoniczno-budowlanej budynku zawierającej udokumento-

wane, potwierdzenie badaniami laboratoryjnymi, właściwości akustycznych zastosowanego rozwiązania bez

uwzględnienia wpływu bocznego przenoszenia dźwięku (parametr odnoszący się do wyrobu) – w odniesie-

niu do parametrów akustycznych podanych w tablicy 1 w poz. 3a’ oraz 4a i 4b,

f) badania akustyczne służące do określenia klasy akustycznej budynku wielorodzinnego lub jego części należy

przeprowadzić (zgodnie z normami podanymi w tablicy 1) w odniesieniu do każdego rozpatrywanego zakre-

su, a w ramach każdego zakresu ochrony w odniesieniu do poszczególnych rozwiązań objętych wymaganiami

akustycznymi w minimum 5% ogólnej liczby mieszkań w budynku (przy czym liczba badań danego parametru

nie może być mniejsza niż 3). W przypadku oceny właściwości akustycznych przegród międzymieszkaniowych

liczba 5% odnosi się do par mieszkań rozdzielonych daną przegrodą; w zależności od konkretnej sytuacji, bada-

nia parametrów akustycznych budynku mogą być przeprowadzone w tych samych lub różnych mieszkaniach,

g) typując w budynku mieszkania (pary mieszań) do przeprowadzenia kontrolnych badań akustycznych w ramach

danej grupy jednolitych rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych i instalacyjnych należy uwzględnić przypad-

ki, które, na podstawie analizy dokumentacji lub wizji lokalnej, można uznać za najmniej korzystne pod wzglę-

dem akustycznym,

h) w przypadkach specjalnych np. sąsiedztwo mieszkania z pomieszczeniem technicznym, usługowym, lokalizacje

w budynku pomieszczeń o funkcji niezwiązanej z budynkiem mieszkalnym, zakres i liczbę badań należy ustalić

indywidualnie,

i) przy ustalaniu klasy akustycznej pojedynczego mieszkania należy przeprowadzić pomiary wszystkich parame-

trów akustycznych dla wszystkich rozwiązań występujących w danym mieszkaniu,

j) przy klasyfikacji akustycznej uwzględnia się wartość średnią uzyskanych wyników pomiarów każdego parame-

tru (dla każdego jednolitego rozwiązania) oraz określone w metodyce oceny dopuszczalne odchylenie pojedyn-

czego wyniku badania danego parametru od wymagań odnoszących się do danej klasy akustycznej.

Na podstawie projektu obiektu budowlanego nie można określić jego klasy akustycznej, bowiem ocena taka nie

uwzględniałaby jakości wykonawstwa i jakości zastosowanych urządzeń instalacyjnych. Ocena rozwiązań zastosowa-

nych w projekcie (uwzględniająca np. normę PN-EN 12354 lub wyniki akustycznych badań rozwiązań wzorcowych)

może być jedynie podstawą do ustalenia, czy obiekt ma potencjalne możliwości do zakwalifikowania do danej klasy

akustycznej.

LiteraturaSprawozdania z realizacji tematu badawczego nr 6 „Metody badań i oceny komfortu akustycznego budynków

mieszkalnych.” – Kamienie milowe 1÷5


123

Analiza zawartości substancji ropopochodnych

w ściekach pochodzących z przelewu burzowego j-1

Ewa Badowska – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: przelew burzowy, substancje ropopochodne

Część badań dotycząca zanieczyszczeń w postaci substancji ropopochodnych objętych tematem 8.1 „Ograniczenie emisji zanieczyszczeń z terenów zurbanizowanych do środowiska wodnego”

Przeprowadzanie badań związanych z oznaczeniem stężenia substancji ropopochodnych ma na celu poznanie

rzeczywistych wartości badanych związków dostających się do środowiska. Wybrany obszar badań obejmuje ścieki

ogólnospławne pochodzące ze zlewni miejskiej na terenie Łodzi. Punkt poboru ścieków stanowi przelew burzowy J-1

zlokalizowany przy ulicy Rogozińskiego.

Przepisy prawa regulują pracę przelewów burzowych w oparciu o ilość aktywacji w ciągu roku. Nie zwrócono

jednak uwagi na rzeczywisty ładunek zanieczyszczeń trafiający do odbiorników. Wysoka dynamika zmian inten-

sywności i długości każdego zjawiska opadowego przyczyniającego się do działania przelewu powoduje, że poznanie

rzeczywistych uwarunkowań wpływających na jakość ścieków jest bardzo istotne. Należy również wziąć pod uwagę

rozwój infrastruktury miejskiej i dotychczasowe podejście do odprowadzania wód opadowych. Struktura miejska wy-

maga wielu połączeń drogowych oraz innych nawierzchni utwardzonych, które stanowią znaczną część powierzchni,

z których można spodziewać się spływów zawierających związki objęte nazwą indeksu oleju mineralnego. Dotych-

czasowy sposób odprowadzania wód opadowych polegający na jak najszybszym odprowadzeniu opadu z miejsca jego

wystąpienia powoduje zbyt częste działanie przelewów burzowych, a co za tym idzie zwiększa ładunek zanieczyszczeń

obciążających środowisko wodne.

Przelew burzowy J-1 wyposażony jest w oprzyrządowanie pozwalające na automatyczny pobór ścieków oraz na mo-

nitorowanie ich składu w trybie on-line. Kompleksowa analiza mająca na celu określenie podstawowych wskaźników

zanieczyszczeń oraz stężenia ropopochodnych powinna umożliwić wykrycie powiązań ilościowych i jakościowych

badanych substancji względem siebie.

Analizę oznaczenia stężenia substancji ropopochodnych w ściekach przeprowadza się zgodnie z normą PN-EN ISO

9377-2 „Jakość wody – Oznaczanie indeksu oleju mineralnego” przy użyciu techniki chromatografii gazowej [1]. Nor-

ma definiuje zakres związków, które można oznaczyć omawianą metodą i określa go jako indeks oleju mineralnego.

Zgodnie z normą sumaryczne stężenie substancji ropopochodnych (określa się na podstawie chromatogramu sumując

pole powierzchni wszystkich pików eluujących się w wytyczonych przez normę warunkach pomiędzy n-dekanem i n-

tetrakontanem).

Dzięki wykonywanym analizom istnieje możliwość określenia wpływu poszczególnych czynników na stopień za-

nieczyszczania ścieków emitowanych do odbiornika substancjami ropopochodnymi, przy jednoczesnym monitorin-

gu ich składu. Porównanie z wartościami występującymi w ściekach pogody suchej daje możliwość uzyskania danych

o ładunku zanieczyszczeń ropopochodnymi wnoszonymi wraz ze ściekami deszczowymi do kanalizacji ogólnospław-

nej i odbiornika wodnego. Wyniki te mogą także służyć ocenie celowości usuwania substancji ropopochodnych ze

ścieków opadowych np. przy zastosowaniu separatorów.

Literatura[1] Polska Norma PN-EN ISO 9377-2, Jakość wody, Oznaczanie indeksu oleju mineralnego, Część 2: Metoda z za-

stosowaniem ekstrakcji rozpuszczalnikiem i chromatografii gazowej, Warszawa, 2003


124


Zastosowanie obiektów infi ltracji i bioretencji

w zlewni zurbanizowanej

Grażyna Sakson – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: wody opadowe, infi ltracja

Analiza możliwości zastosowania lokalnych urządzeń do infi ltracji i retencji wód opadowych

Cel badań

Celem przeprowadzonych badań i analiz jest określenie możliwości i efektów zastosowania, w celu zagospodarowa-

nia wód opadowych na obszarze zurbanizowanym, takich urządzeń jak rowy infiltracyjne, niecki, dachy zielone itp.

Są to urządzenia typu LID (low impact development), a więc obiekty o niskim oddziaływaniu na środowisko. Umoż-

liwiają zagospodarowanie wód opadowych w miejscu wystąpienia opadu, co jest zgodne z zasadami zrównoważonego

rozwoju. Urządzenia typu rów infiltracyjny i niecka służą do wprowadzania wód opadowych do gruntu, obiekty typu

dachy zielone umożliwiają retencjonowanie wód opadowych, a następnie ich ewapotranspirację. Tego typu obiekty

przyczyniają się do zachowania w większym stopniu na obszarze zurbanizowanym naturalnego obiegu wody w przy-

rodzie i poprawy bilansu wodnego w mieście. Lokalne zagospodarowanie wód opadowych pozwala na odciążenie

systemów kanalizacyjnych, a tym samym zmniejszenie ryzyka występowania powodzi miejskich, ograniczenie zrzutu

zanieczyszczeń do odbiorników przez przelewy burzowe, odciążenie oczyszczalni ścieków. Ich wykorzystywanie po-

winno być szeroko promowane, jednak wymaga to ustalenia warunków i efektów stosowania tych urządzeń tak, aby

nie stanowiły one zagrożenia dla środowiska, a środki przeznaczone na ich budowę były wykorzystane optymalnie.

Zakres badań i uzyskane rezultaty

W ramach tematu realizowane są badania mające na celu ustalenie, z jakich powierzchni mogą być odprowadza-

ne wody opadowe poprzez urządzenia infiltracyjne (typu niecka chłonna czy rów trawiasty) do gruntu tak, aby nie

stanowiły zagrożenia dla czystości wód podziemnych. Badania te pomogą również ustalić, jakie rozwiązania powin-

ny być zastosowane przy projektowaniu tych urządzeń (rodzaj podłoża, gatunki roślin), aby wyeliminować ryzyko

zanieczyszczenia wód podziemnych, przede wszystkim metalami ciężkimi. Badania są prowadzone na lizymetrach

wypełnionych ziemią i obsianych różnymi gatunkami roślin. Analizowany jest poziom zanieczyszczeń wód opado-

wych zbieranych z różnych powierzchni i wprowadzanych do lizymetrów oraz powstających odcieków. Uzyskane

dotychczas wyniki wskazują na wysoki stopień zatrzymywania metali ciężkich (głównie cynku i miedzi) obecnych

w spływach z dachów.

Określenie efektywności stosowania urządzeń infiltracyjnych i obiektów bioretencji w odniesieniu do systemów

kanalizacyjnych w miastach realizowane jest w badaniach symulacyjnych z wykorzystaniem modeli cyfrowych łódz-

kich zlewni kanalizacji ogólnospławnej. Przeprowadzone analizy pozwolą na ustalenie, w jaki sposób stosowanie tych

urządzeń wpływa na funkcjonowanie systemów odprowadzania wód opadowych w miastach, a w szczególności jak

zmieniają się takie parametry jak natężenie przepływu w kanale, objętość odprowadzanych ścieków opadowych, krot-

ność działania przelewów burzowych.

Wykorzystanie wyników badań

Uzyskane wyniki badań i analiz pozwolą na określenie warunków dotyczących stosowania urządzeń infiltracyj-

nych w obszarach zurbanizowanych. Mogą one stać się podstawą wytycznych projektowania oraz zmian uregulowań

prawnych dotyczących zagospodarowania wód opadowych w miastach.

125


Ekohydrologiczne metody produkcji bioenergii

i detoksykacji osadów pościekowych

Magdalena Urbaniak – Uniwersytet Łódzki, Łódź, [email protected] Drobniewska – Warszawski Uniwersytet Medyczny, [email protected] Iwona Wagner – Uniwersytet Łódzki, Łódź, [email protected] Zalewski – Uniwersytet Łódzki, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: ekohydrologia, produkcja bioenergii, osady ściekowe, detoksykacja

Proces oczyszczania ścieków i wód burzowych w oczyszczalniach generuję znaczne ilości osadów ściekowych, które

w dotychczasowej praktyce najczęściej wywożone są poza teren oczyszczalni i składowane na składowiskach (tzw. la-

gunach). Takie rozwiązanie zaczyna być traktowane jako niezadowalające, gdyż laguny mają ograniczoną pojemność,

a same osady postrzegane są coraz częściej jako potencjalny surowiec wtórny. Jednocześnie zakaz możliwości składo-

wania osadów, charakteryzujących się następującymi parametrami: ciepło spalania powyżej 6 MJ/kg s.m., zawartość

węgla organicznego powyżej 5% s.m, strata przy prażeniu (LOI) powyżej 8 % s.m., po 1 stycznia 2013 roku (Rozporza-

dzenie Ministra Gospodarki z dn. 12 VI 2007; Dz. U. z dn.6 VII 2007r.) sprawia, że zagospodarowanie komunalnych

osadów ściekowych jest bardzo ważnym problemem ekologicznym, technicznym i ekonomicznym.

Jedną z metod eksploatacji osadu, wciąż niewykorzystywaną w pełni, jest jego użycie, jako nawozu dla roślin ener-

getycznych. Takie działanie jest nie tylko sposobem jego utylizacji i tym samym realizacji zaleceń Dyrektywy do-

tyczącej odnawialnych źródeł energii elektrycznej (2009/28/EC), ale także formą implementacji Protokołu z Kioto

dotyczącego ochrony klimatu (Dz. U. Nr 203. poz. 1684), a wreszcie, zgodnie z koncepcją ekohydrologii, metodą na

alokację zanieczyszczeń i restytucję cyklu krążenia pierwiastków, zarówno cennych ze względu na swoje wartości

odżywcze i energetyczne jak i groźnych dla człowieka i środowiska.

Badania przeprowadzone w ramach realizacji zadań pakietu tematycznego PT 8.6 „Innowacyjne metody harmoni-

zacji biotechnologii ekosystemowych z infrastrukturą systemów kanalizacyjnych i oczyszczania ścieków” obejmowały

opracowanie metod produkcji bioenergii i detoksykacji osadów ściekowych z wykorzystaniem ekohydrologii i technik

fitoremediacyjnych, w tym:

• przygotowanie podłoży do intensyfikacji produkcji biomasy i bioenergii i metod uprawy roślin energetycznych

na glebach wzbogaconych osadem ściekowym na terenie strefy ochronnej GOS;

• opracowanie metod usuwania metali ciężkich i obniżenia toksyczności osadów ściekowych;

Uzyskane wyniki wskazują na pozytywną rolę osadu jako nawozu w uprawie roślin energetycznych. Przeprowa-

dzone eksperymenty wykazały iż zastosowanie nawożenia osadem ściekowym powoduje wzrost biomasy sadzonek

wierzby od 26 do 73% w stosunku do przyrostu wierzby kontrolnej. Jednocześnie spośród zastosowanych warian-

tów mieszanek nawozowych, osadu ściekowego i kompostu, najlepszym wariantem nawożenia okazało się połączenie

kompostu i potasu, które wygenerowało o 77% większy przyrost biomasy w porównaniu do gleby kontrolnej. Dodat-

kowo wykazano, iż zastosowanie osadu ściekowego z wierzchniej warstwy lagun umożliwia zwiększenie dawki zasto-

sowanego osadu ze względu na mniejsze stężenie metali ciężkich w porównaniu do warstw głębszych (1,0 do 1,5 m).

Przeprowadzone badania wskazują na możliwości optymalizacji wykorzystania osadów ściekowych do produkcji

bioenergii oraz detoksykacji osadów ściekowych poprzez zastosowanie odpowiednich mieszanek osadu i nawozu jak

również wykorzystanie osadu składowanego charakteryzującego się obniżoną zawartości szkodliwych metali ciężkich

w jego warstwie wierzchniej.

126

Badania emisji zanieczyszczeń z miejskich

systemów kanalizacyjnych do środowiska jako podstawa

ich modernizacji

Marek Zawilski – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: system kanalizacyjny, emisja zanieczyszczeń, model cyfrowy

Postęp badań w ramach tematu 8.1 „Ograniczenie emisji zanieczyszczeń z terenów zurbanizowanych do środowiska wodnego”

Tworzenie cyfrowego modelu systemu kanalizacyjnego

Celem ogólnym tych prac jest stworzenie wiarygodnego modelu systemu kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej,

zweryfikowanego na podstawie pomiarów opadu i dopływu. W tym celu wykorzystano dane pomiarowe opadów

z systemu monitoringu wdrożonego w Łodzi w r.2009 i opartego o sieć 21 pluwiometrów naziemnych. Model cyfrowy

przetwarza te dane i używa ich do modelowania zjawiska odpływu miejską Siecia kanalizacyjną. Do kalibracji modelu

wykorzystano także pomiary natężenia przepływu w wybranych punktach sieci kanalizacji Łodzi.

Efektem zastosowania tego modelu jest analiza funkcjonowania sytemu kanalizacji w jego stanie obecnym oraz wskaza-

nie optymalnych wariantów jego rozbudowy i modernizacji, zmniejszających zagrożenie dla czystości wód przez ogranicze-

nie do nich bezpośredniej emisji zanieczyszczeń z kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej, a także przeciążania miejskich

oczyszczalni ścieków. Możliwe jest również zmniejszenie zagrożenia dla terenu zurbanizowanego i jego mieszkańców przez

ograniczenie częstości wylewów (powodzi miejskich), a wreszcie poprawa bilansu wodnego w mieście dzięki retencji ścieków

opadowych i ich infiltracji do gruntu oraz stworzenia warunków do rewitalizacji wybranych odcinków rzek miejskich.

Badania emisji zanieczyszczeń z systemu kanalizacyjnego do środowiska

Badania te służą przed wszystkim do weryfikacji cyfrowego modelu kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej.

Zbierane są sukcesywnie dane o emisji zanieczyszczeń z przelewu burzowego J1 oraz oczyszczalni wód deszczowych

„Liściasta” w Łodzi. W przypadku przelewu burzowego J1 zgromadzono ciągłe dane pomiarowe na temat wielkości

przepływu oraz podstawowych wskaźników zanieczyszczenia ścieków, w szczególności w przypadku wystąpienia in-

tensywnych zjawisk opadowych. Te ostatnie dane są kompilacją pomiarów ciągłych on-line przy zastosowaniu sond

firmy Hach-Lange (zawiesiny ogólne, ChZT rozp. oraz N-NH4) oraz laboratoryjnych analiz składu ścieków pobie-

ranych automatycznie z komory przelewu podczas zjawisk opadowych. Analizy te są uzupełnione m.in. o analizy

zawartości w ściekach substancji ropopochodnych i metali ciężkich.

W przypadku OWD „Liściasta” chodzi o określenie wielkości odpływu ze zlewni oraz efektu technologicznego

zatrzymywania zanieczyszczeń w zmodyfikowanym do celów prowadzenia badań osadniku retencyjnym. Zgroma-

dzony materiał badawczy pozwala także na poznanie dynamiki zmian poziomu i emisji zanieczyszczeń przez przelew

burzowy w konfrontacji z charakterystykami opadów o różnym natężeniu i czasie trwania.

Wnioski, pochodzące z danych pomiarowych stanowią podstawę do opracowania propozycji zmian niektórych

przepisów oraz wytycznych, dotyczących projektowania i kontroli funkcjonowania systemów kanalizacyjnych w taki

sposób, aby gwarantowało to minimalizację zanieczyszczenia odbiorników wodnych, a także umożliwiło zagospoda-

rowanie wód opadowych w środowisku zurbanizowanym, poprawiając jego walory krajobrazowe i zdrowotne.

Tworzenie systemu optymalnego wyboru rozwiązań modernizacyjnych

Rożnorodność wariantów podejmowania decyzji dotyczących modernizacji systemów kanalizacyjnych stwarza

problem metodologiczny związany koniecznością osiągnięcia wariantu optymalnego. W grę wchodzą tu bowiem licz-


127


ne kryteria policzalne (ekonomiczne, niezawodnościowe) i pozaekonomiczne (socjalne, ekologiczne, inne), które czę-

sto nie dają się sprowadzić do jednolitego systemu jednostek, mimo, iż są zrozumiałe w potocznym znaczeniu.

Dlatego też podjęto próbę implementacji dwóch znanych na świecie metod wielokryterialnej optymalizacji podej-

mowania decyzji, zwanych w skrócie AHP (analytic hierarchy process) i ANP (analytic network process), zweryfiko-

wanych na potrzeby omawianego tematu i przetestowanie ich na konkretnych przykładach.

Zastosowanie tych metod będzie poparte opracowaniem wytycznych przygotowania danych i analizy wyników

rachunku optymalizacyjnego.

Zastosowanie wyników badań w gospodarce

Wyniki przedstawionych badań mogą być wdrożone przez instytucje, zajmujące się rozwojem i eksploatacją syste-

mów kanalizacyjnych na terenach zurbanizowanych (biura projektów, pracownie urbanistyczne, jednostki samorzą-

du terytorialnego, agendy urzędów miast i gmin, ośrodki monitoringu środowiska, oczyszczalnie ścieków, jednostki

naukowe itp.). Przyczynią się także do weryfikacji przepisów prawnych w zakresie ochrony środowiska, a także wy-

tycznych projektowych i inżynierskich metod obliczeniowych.

W rezultacie będą podstawą do wdrożenia działań, poprawiających stan środowiska wodnego na terenach zur-

banizowanych, a także umożliwią podejmowanie optymalnych decyzji dotyczących gospodarowaniu wodą na tych

terenach.

128


Laboratoryjne badanie przepuszczalności piasków

hydrofobizowanych emulsjami alkoksysilanowymi

Patrycja Baryła – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Wojciechowski – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Lefi k – Politechnika Łódzka, Łódź, marek.lefi [email protected]

Słowa kluczowe: przepuszczalność gruntu, piaski hydrofobizowane, hydrofobizacja

Wstęp

W inżynierii budowlanej mianem hydrofobizacji określa się zabiegi polegające na zwiększaniu odporności ze-

wnętrznych powłok istniejących bądź nowo wznoszonych obiektów na działanie wody. Zabiegi te polegają zwykle na

impregnowaniu murów, tynków, przekryć dachowych środkami na bazie silanów i siloksanów. Potencjalne zastosowa-

nia środków hydrofobizujących w budownictwie, a w szczególności w geotechnice, są jednak znacznie szersze. Hydrofobizo-

wany grunt mineralny (piasek) charakteryzujący się zredukowanym podciąganiem kapilarnym oraz niską przepuszczalnością

można wykorzystać np. jako podsypkę lub zasypkę dla fundamentów, posadzek i ścian kondygnacji podziemnych zmniejszając

niebezpieczeństwo zawilgocenia obiektów. Hydrofobizacja gruntu przeprowadzana in situ (poprzez iniekcje środków hydrofo-

bizujących) otwiera również drogę do wykonywania tymczasowych i trwałych nieprzepuszczalnych przegród w gruncie w bu-

downictwie drogowym i mostowym, umożliwia wykonywanie zabezpieczeń przed rozprzestrzenianiem się zanieczyszczeń

w ośrodku gruntowym, może również służyć do zwiększania szczelności i wzmacniania zapór wodnych i wałów przeciwpo-

wodziowych. Warunkiem skutecznego wdrażenia tych zastosowań jest wystarczająco niska przepuszczalność gruntu podda-

nego hydrofobizacji, obserwowane ujemne ciśnienie kapilarne w porach takiego gruntu, neutralny dla środowiska naturalnego

charakter procesu hydrofobizacji oraz relatywnie niskie koszty realizacji. Celem badań zaprezentowanych w niniejszym

referacie jest wstępne ustalenie parametrów przepuszczalności oraz podciągania kapilarnego dla typowych piasków

kwarcowych poddanych działaniu emulsji alkoksysilanowych o różnych składach. Istotną zaletą hydrofobizacji z wy-

korzystaniem tego rodzaju emulsji jest całkowicie ekologiczny jej charakter – jedynym produktem ubocznym są nie-

wielkie ilości alkoholu etylowego. Metoda ekonomicznego pozyskiwania alkoksysilanów oraz ich wodnych mieszanin,

jak również składy emulsji hydrofobizujących są przedmiotem zgłoszenia patentowego Centrum Badań Molekular-

nych i Makromolekularnych PAN w Łodzi we współpracy z Katedrą Geotechniki i Budowli Inżynierskich PŁ.

Opis i wyniki badań

Badania przeprowadzono dla dwóch piasków średnich (MSa1, MSa2) o różnym uziarnieniu poddanych działaniu

czterech różnych rodzajów emulsji hydrofobizujących (E1- E4). Wysokość podciągania kapilarnego ustalano z wyko-

rzystaniem standardowego aparatu do badania kapilarności czynnej. Przykładowe wyniki zaprezentowano na rys. 1.

Rysunek 1. Wysokości podciągania kapilarnego dla piasku średniego MSa2 hydrofobizowanego emulsjami E3 i E4

129


Własności filtracyjne piasków hydrofobizowanych badano w komorze aparatu trójosiowego ściskania. Przebieg

typowego badania był następujący:

• formowanie próbki w komorze trójosiowej z suchego gruntu (średnica próbki 38 mm, wyskość ~71 mm),

• wypełnianie makroporów wodą przy jednoczesnym usuwaniu powietrza („flushing”) przy niewielkim ciśnieniu

hydrostatycznym w komorze (10-20 kPa),

• nasycanie próbki – rozpuszczanie pozostałego powietrza w wodzie poprzez zwiększanie ciśnienia w komorze jak

również ciśnienia w porach gruntu – dla niektórych próbek zadowalające parametry nasycenia (B-value ≥ 0.95)

uzyskano dopiero przy ciśnieniach rzędu 1000 kPa,

• konsolidacja próbki przy naprężeniach efektywnych rzędu ~100 kPa,

• właściwe badanie przepuszczalności przy różnicach ciśnień między górną i dolną podstawą próbki 2÷90 kPa

(spadek hydrauliczny 3÷100).

Przepuszczalność piasków niemodyfikowanych („czystych”) badano w aparacie Wiłuna ZWK-2. Zbiorcze zesta-

wienie wyników przedstawia Tabela 1.

Tabela 1: Wartości współczynnika fi ltracji dla gruntów hydrofobizowanych emulsjami alkoksysilanowymi

Wnioski

Wszystkie badane próbki gruntów hydrofobizowanych wykazały obniżoną przepuszczalność w stosunku do pia-

sków wyjściowych. Szczególnie dobre wyniki uzyskano dla emulsji E2 i E3, co potwierdzają również wyniki badań

podciągania kapilarnego. Istnieją podstawy by sądzić, że dla piasków drobnych lub pylastych, o niższej niż w przy-

padku piasków średnich przepuszczalności wyjściowej i większej powierzchni właściwej, efekt hydrofobizacji będzie

jeszcze bardziej wyraźny. Można zakładać, że osiągnięty zostanie współczynnik filtracji < 1E-9 m/s, będący umowną

granicą oddzielającą grunty przepuszczalne od nieprzepuszczalnych. Dalsze badania powinny obejmować szerokie

spektrum możliwych uziarnień gruntów sypkich występujących w stanie naturalnym. Ponadto, obok badań prze-

puszczalności i kapilarności czynnej, badaniu podlegać powinno również ciśnienia przebicia, tj. ciśnienie inicjujące

przepływ w gruncie hydrofobizowanym.

Literatura[1] W.A. Stańczyk, T. Ganicz, J. Kurjata, Zgłoszenie Patentowe P-398868, 18.04.2012.

[2] G.W. Carpenter, R.W. Stephenson. Permeability Testing in the Triaxial Cell, Geotechnical Testing Journal, 9(1),

3-9, 1985

[3] A. Revil, L.M. Cathles III. Permeability of shaly sands, Water Resour. Res., 35, pp. 651-662, 1999

[4] M.J. Lipiński, M. Wdowska., „Saturation criteria for heavy overconsolidated cohesive soils”, Ann. Warsaw Uni.

Of Life Sci. – SGGW, Land Reklam. 42 (2), 2010

130


Technologie oczyszczania szarej wody

Andrzej Jodłowski – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: szara woda, oczyszczanie szarej wody, wybór technologii odzysku wody

Wstęp

Odpływy wód zużytych z przyborów sanitarnych zlokalizowanych w łazienkach (wanny, brodziki prysznicowe,

umywalki), ścieki powstające podczas pralnia w warunkach domowych i ewentualnie ścieki kuchni przyjęto nazywać

„szarą wodą”. Jej ilość szacuje się na od 30 do 70% ogólnej ilości wody zużywanej w gospodarstwach domowych. W

instalacjach domowych, a także instalacjach obiektów użyteczności publicznej, można odzyskiwać tę część ścieków

charakteryzującą się niższym stopniem zanieczyszczenia niż ścieki odprowadzane z toalet („woda czarna”) i po od-

powiednim oczyszczeniu wykorzystać ponownie. Daje to możliwość istotnego zmniejszenia ilości pobieranej wody

świeżej charakteryzującej się wysokimi parametrami jakościowymi. Do zrealizowania tych założeń niezbędna jest

specjalna, odpowiednio zaprojektowana i precyzyjnie wykonana instalacja wraz z odpowiednimi systemami oczysz-

czania. Oczyszczona szara woda, może być zbierana w podziemnych zbiornikach, a następnie wykorzystywana do

spłukiwania toalet albo podlewania ogrodu. W wielu krajach trwają obecnie intensywne prace nad opracowaniem

technologii umożliwiających przystosowanie szarej wody do ponownego użycia.

Jakość szarej wody

Szara woda charakteryzuje się istotnym zróżnicowaniem zależnie od miejsca powstawania oraz znaczną nie-

równomiernością pod względem ilości i jakości. Niezależnie jednak od miejsca powstawania, szarą wodę cechuje

zawartość substancji organicznych w stężeniach zbliżonych do ich stężeń występujących w ściekach miejskich

o niewielkim stopniu zanieczyszczenia oraz w ściekach biologicznIe oczyszczonych pod względem podatności

zanieczyszczeń na biodegradację (wysoka wartość ChZT/BZT5). Szara woda charakteryzuje się także brakiem

odpowiednich proporcji w odniesieniu do stężenia substancji pokarmowych (azot i fosfor) i mikroelementów [1,

2, 3]. Nie mniej wielokrotnie pozytywnie oceniano podatność zanieczyszczeń na rozkład biochemiczny w nie-

których rodzajach szarej wody [4]. Dotychczas nie opublikowano międzynarodowych regulacji dotyczących ja-

kości oczyszczonej szarej wody przeznaczonej do powtórnego użycia. Nie mniej, w wielu krajach opracowano

własne wytyczne uzależnione od potrzeb. Jednym z zasadniczych elementów w rozważaniach dotyczących ja-

kości oczyszczonej szarej wody, oprócz wysokości parametrów fizycznych i chemicznych, jest jej potencjalny

wpływ na zdrowie ludzkie czyli bezpieczeństwo sanitarne.

Technologie oczyszczania szarej wody

Proste systemy oczyszczania

Proste systemy technologiczne stosowane w układach recyklingu szarej wody są zwykle rozwiązaniami dwu-

stopniowymi opartymi na zgrubnej filtracji lub sedymentacji z późniejszą dezynfekcją. Są zwykle wykorzysty-

wane do oczyszczania szarej wody o niskim stężeniu (z wanien, pryszniców i umywalek). Zapewniają jednak

tylko częściowe oczyszczanie polegające na usuwaniu zawiesin i niewielkim zmniejszeniu wartości wskaźników

tlenowych [5, 6, 7]. Systemy takie są dostępne w handlu i reklamowane jako rozwiązania proste w użyciu i o nie-

wielkich kosztach eksploatacyjnych.

Procesy oczyszczania mechanicznego, chemicznego i biologicznego

Systemy oczyszczania wykorzystujące procesy fizyczne można podzielić na dwie grupy – filtry piaskowe

i urządzenia membranowe. Filtry piaskowe są stosowane jako jedyne urządzenia lub w połączeniu z dezynfekcją

131


lub złożem z węgla aktywnego i dezynfekcją [6]. Oczyszczanie z użyciem membran w układach niskociśnienio-

wych (zwykle UF) umożliwia doskonałe usuwanie zawiesin oraz określonej frakcji substancji rozpuszczonych.

Nie zapewnia jednak eliminacji znacznej części organicznych substancji rozpuszczonych. Wielkość porów zasto-

sowanych membran ma ważny wpływ na osiągnięte efekty oczyszczania. Stwierdzono, że skuteczność oczysz-

czania zwiększała się wraz ze zmniejszaniem się porów membran, zwłaszcza pod względem usuwania substancji

organicznych. Podstawowym problemem pojawiającym się wraz ze stosowaniem technologii membranowych

jest fouling; który ma istotny wpływ na funkcjonowanie systemów i koszty, z uwagi na konieczność czyszczenia

membran. Procesy chemiczne, takie jak koagulacja, elektrokoagulacja czy wysoko efektywne utlenianie nie zna-

lazły dotychczas szerszego zastosowania. Stosuje się je zwykle w odniesieniu do szarej wody o niskim stężeniu

zanieczyszczeń. Istotną zaletą procesów chemicznych jest krótki czas zatrzymania, a co za tym idzie niewielkie

zapotrzebowanie powierzchni [9, 10, 11]. W systemach recyklingu szarej wody badano zastosowanie szerokie-

go wachlarza procesów biologicznych. Opisano efektywność działania takich rozwiązań jak reaktory z biomasą

unieruchomioną, filtry beztlenowe, biologiczne reaktory sekwencyjne (SBR), bioreaktory membranowe (MBR)

i biologiczne filtry napowietrzane (BAF) [12, 13, 14, 15]. Instalacje do oczyszczania szarej wody oparte na wyko-

rzystaniu procesów biologicznych realizowane w pełnej skali technicznej są najczęściej spotykane w większych

budynkach – w domach studenckich, budynkach wielokondygnacyjnych i obiektach sportowych.

Procesy oczyszczania hydrobotanicznego

Technologie ekstensywnego oczyszczania szarej wody obejmują zwykle systemy roślinno-gruntowe. Są one

zwykle poprzedzane sedymentacją w celu usunięcia większych cząstek z szarej wody, zaś po nich następuje fil-

tracja przez złoże piaskowe umożliwiające eliminację cząstek lub materiału transportowanego przez oczyszczoną

wodę [16, 17]. Najbardziej pospolitą rośliną w złożach gruntowo-korzeniowych jest Phragmites Australis, cho-

ciaż wykorzystuje się inne rośliny wodolubne (Iris pseudodocorus, Veronica beccabunga, Glyceria variegetes,

Juncus effuses, Iris versicolor, Balyha palustris, Lobelia cardinalis i Mentla aquatica). Złoża roślinno-gruntowe

są także uważane z rozwiązania tanie i przyjazne środowisku. Nie mniej wadą tego typu konstrukcji jest znaczne

zapotrzebowanie terenu.

Dezynfekcja szarej wody

Bardzo istotnym problemem podczas analizy możliwości wykorzystania oczyszczonej szarej wody jest stopień jej

bezpieczeństwa bakteriologicznego. W celu zachowania bezpieczeństwa sanitarnego stosowane są różnego rodzaju

sposoby dezynfekcji. Obejmują zastosowanie związków chloru, nadtlenku wodoru, promieniowania UV itp. [18, 19,

20, 21]. Jedynie stosowanie technologii membranowych zapewnia w znacznym stopniu bezpieczeństwo sanitarne bez

konieczności stosowania środków dezynfekcyjnych.

Wnioski

1. Technologie stosowane do oczyszczania szarej wody w celu jej powtórnego wykorzystania są skuteczne z uwa-

gi na usuwanie materii organicznej, zawiesin i mikroorganizmów. Opisywane w literaturze źródłowej różne

technologie oczyszczania stosowane w schematach recyklingu szarej wody pozwalają na uzyskiwane zróżnico-

wanych efektów działania. Systemy wykorzystujące technologie biologiczne, chemiczne lub fizyczne charakte-

ryzują się ogólnie mniejszymi gabarytami niż rozwiązania nisko-technologiczne (np. złoża roślinno-gruntowe).

Należy brać pod uwagę tę cechę, ponieważ w środowisku miejskim przestrzeń jest często bardzo ograniczona.

2. Proste technologie i filtry piaskowe umożliwiają dostosowanie parametrów jakościowych szarej wody do istnie-

jących wymagań legislacyjnych w niewielkim stopniu. W większym stopniu takie możliwości stwarza wykorzy-

stanie systemów membranowych (głównie UF). Umożliwiają uzyskanie wysokiego stopnia usuwania zawiesin

i części substancji organicznych, chociaż nie są w stanie zapewnić efektywnej eliminacji rozpuszczonych sub-

stancji organicznych.

3. Systemy oczyszczania biologicznego (intensywne i ekstensywne) zapewniają wysoki stopień oczyszczania

szarej wody, zwłaszcza z uwagi na wysoki stopień usuwania związków organicznych. Systemy chemiczne

wykazują znaczne możliwości oczyszczania szarej wody przy krótkich czasach retencji. W celu spełnienia

standardów dotyczących usuwania mikroorganizmów, jedynie W schematach obejmujących etap dezynfek-

cji. Jedynymi opisywanymi systemami, które zapewniały wysoki stopień usuwania mikroorganizmów bez

potrzeby dezynfekcji były MBR.

132


Literatura[1] Eriksson E. i in., “Characteristics of grey wastewater”. Urban Water. 2002, 4, 85-104.

[2] Christova-Boal D. i in., “An investigation into greywater reuse for urban residential properties”. Desalination.

1996, 106: 391-397.

[3] Jefferson B. i in., “Grey water characterisation and its impact on the selection and operation of technologies for

urban reuse”. Wat.Sci.Techn. 2004, 50(2): 157-164.

[4] Abu Ghunmi L. i in., “Grey water biodegrability”. Biodegradation. 2011:22:163-174.

[5] Jefferson B. i in., “Technologies for domestic wastewater recycling. Urban Water. 1999, 1, 285-292.

[6] Halalsheh M. i in. Grey water characteristics and treatment options for rural areas in Jordan. Biosource Tech-

nology. 2008, 99: 6635-6641.

[7] Pidou M. i in.: Greywater recycling: treatment options and applications. Proceedings of the Institution of Civil

Engineers. Engineering Sustainability. 2007:160(ES3): 119-131.

[8] Li F. i in., “Evaluation of appropriate technologies for grey water treatments and reuses”. Wat. Sci.Techn-WST.

2009, 59.2: 249-260.

[9] Pidou M. i in., “Chemical solutions for greywater recycling”. Chemosphere. 2008, 71:147-155.

[10] Lin C.J. i in.: Pilot-scale electrocoagulation with bipolar aluminum electrodes for on-site domestic greywater

reuse. Jour. Env. Eng. 2005:131(3):491-495.

[11] Bani-Melhem K., Smith E., “Grey water treatment by continuous process of and electrocoagulation unit and

a submerged membrane bioreactor system”. Chemical Engng Jour., 2012:198-199:201-210.

[12] Elmitwalli T.A. I Otterpohl R., “Anaerobic biodegradability and treatment of grey water in upflow anaerobic

sludge blanket (USAB) reactor”. Wat. Res. 2007, 41:1379-1387.

[13] Nolde E., “Greywater reuse system for toilet flushing in multi-storey buildings – over ten years experience in

Berlin”. Urban Water. 1999, 1:275-284.

[14] Merz C. i in., “Membrane bioreactor technology for the treatment of greywater from a sports and leisure club”.

Desalination, 2007, 215: 37-43.

[15] Lesjean B. I Gnirss R., “Grey water treatment with a membrane bioreactor operated at low SRT and Low HRT”.

Desalination. 2006:199:432-434.

[16] Gross A. i in, “Recycled vertical flow constructed wetland (RVFCW) - a novel method of recycling greywater

for irrigation in small communities and households”. Chemosphere. 2007, 66:916-923.

[17] Fittschen I. I Niemczynowicz J., “Experiences with dry sanitation and greywater treatment in the ecovillage

Toarp”. Water Sci. Techn. 1997:35(9):161-170.

[18] Gilboa Y. I Friedler E., “UV desinfection of RBC-treated light greywater effluent: Kinetics, survival and regro-

wth of selected microorganisms”. Wat. Res. 2008, 42: 10430-1050.

[19] March J. G. i in.: “Experiences on greywater re-use for toilet flushing in a hotel (Mallorca Island, Spain)”. De-

salination, 2004, 164: 241-247.

[20] Winward G. P. i in., “Chlorine disinfection of grey water for reuse: Effect of organics and particles”. Wat. Res.,

2008:42:483-491.

[21] RONEN Z. i in., “Greywater disinfection with the environmentally friendly Hydrogen Peroxide Plus (HPP)”.

Chemosphere. 2010, 78: 61-65.

133


Zastosowanie ultrafi ltracji w oczyszczaniu

szarej wody z prania domowego

Andrzej Jodłowski – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Dobrzański – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: szara woda, oczyszczanie szarej wody, ultrafi ltracja

Wstęp

Woda zużyta pochodząca z prania stanowi około 15-25% ogólnej ilości wody zużywanej w przeciętnym typowym

gospodarstwie domowym. Szara woda tego rodzaju zawiera zmienne stężenia zawiesin, soli rozpuszczonych, substan-

cji biogennych, materii organicznej i organizmów patogennych pochodzących z odzieży, pozostałości detergentów

wykorzystywanych podczas prania i środków zmiękczających [1]. W skład detergentów stosowanych podczas prania

wchodzą substancje powierzchniowo-czynne, wypełniacze, środki wybielające i środki wspomagające. Należy także

brać pod uwagę podwyższoną temperaturę szarej wody odprowadzanej podczas prania. Szara woda po odpowiednim

oczyszczeniu może być użyta do spłukiwania toalet i nawadniania ogrodów. Za obiecującą technologią oczyszczania

podczas odzysku wody ze ścieków uznaje się ultrafiltrację (UF). Proces ten, zaliczany do grupy membranowych proce-

sów niskociśnieniowych, pozwala na uzyskiwanie wody bezpiecznej pod względem bakteriologicznym i pozbawionej

zawiesin, koloidów i substancji o dużej masie cząsteczkowej [2]. Celem pracy było przeprowadzenie oceny możliwości

oczyszczania szarej wody w dwuetapowym systemie technologicznym składającym się z etapu filtracji przez sznurko-

wy filtr polipropylenowy (FP) i późniejszego etapu UF.

Materiały i metody

Sposób prowadzenia badań

Podczas badań wykorzystano modelową szarą wodę z prania. Parametry cieczy zostały oparte na jakości rzeczy-

wistego odpływu z pralki domowej. Szarą wodę uzyskano z pojedynczego prania w pralce Bosh Maxx WFL 1600.

W laboratoryjnym systemie oczyszczania zastosowano filtry z wkładem polipropylenowym (AquaFilter) w pierwszym

stopniu oczyszczania i moduł Labscale TFF wyposażony w membrany Pellicon XL Biomas o cut-off 10 kDa i 100 kDa

(Millipore Corporation, USA) w drugim stopniu. Jakość surowej wody modelowej, wody po filtracji PCF i parametrów

jakościowych wody po filtracji UF scharakteryzowano wykorzystując wskaźniki takie jak: chemiczne zapotrzebowa-

nie na tlen (ChZT), biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT5), substancje rozpuszczone, mętność (mętnościo-

mierz Hach 2100N), pH (pH-metr CP-505), detergenty niejonowe (metoda kolorymetryczna, spektrofotometr Hitachi

UV-Vis U-2001). Analizy przeprowadzano zgodnie z procedurami zawartymi w Polskich Normach.

Sposób interpretacji wyników badań

Do modelowania procesu filtracji membranowej został wykorzystany proces niestacjonarny (model relaksacyjny)

uwzględniający strumień początkowy (J0), strumień równowagowy(J∞) oraz stałą czasową (t0) charakteryzującą prędkość

zmniejszania się wielkości strumienia permeatu [3]. Obliczano także efektywność usuwania zanieczyszczeń, R(%).

Wyniki badań i dyskusja

Jakość wody wykorzystanej w badaniach

Woda pochodząca z prania zawiera zwykle zróżnicowane stężenia zawiesin, soli rozpuszczonych, substancji biogen-

nych, materii organicznej i organizmów patogennych, pochodzących z pranej odzieży oraz pozostałości detergentów

134


i środków zmiękczających. Szara woda wykorzystana podczas badań charakteryzowała się zawartością zanieczysz-

czeń o niskiej podatności na biodegradację, o czym świadczyła wysoka wartość stosunku ChZT/BZT5 wynosząca

12. Wobec tego należało zastosować oczyszczanie fizyczne lub chemiczne. Wybór technologii UF związany był także

z możliwością usuwania mikroorganizmów z oczyszczanej szarej wody. W pierwszym stopniu oczyszczania uzyskano

wysoką efektywność usuwania zawiesin oraz niewielki stopień usuwania m.in. ChZT, BZT5 i detergentów niejono-

wych. Nieco lepsze efekty wstępnego oczyszczania zapewnił polipropylenowy wkład filtracyjny o mikronażu 1 μm niż

100 μm. Do dalszych badań przeznaczono szarą wodę wstępnie oczyszczoną z użyciem filtru 1 μm.

Wpływ TMP i temperatury na wielkość strumienia permeatu

Wzrost ciśnienia transmembranowego z poziomu 2,5 bar do 2,8 bar spowodował wzrost strumienia permeatu.

Wzrost strumienia obserwowano także jako wynik wzrostu temperatury z 25˚C do 38˚C. Za przyczynę tego zjawiska

należy uznać zmniejszenie lepkości cieczy. Wyniki badań prowadzone z zastosowaniem membran charakteryzujących

się cut-off 10 kDa i 100 kDa pokazały podobne zmiany. Wzrost temperatury powodował wzrost strumienia permeatu,

Uzyskano znacznie większy wzrost strumienia w przypadku membrany 100 kDa niż w przypadku membrany 10 kDa.

W oparciu o uzyskane wyniki możliwe było oszacowanie parametrów t0, J0 i J∞.

Wpływ TMP i temperatury na jakość permeatu

Lepsze wyniki oczyszczania cieczy uzyskano przy TMP 2,8 bar niż przy 2,5 bar. Znaczne różnice zaobserwowa-

no w przypadku ChZT, chociaż podobny wzrost efektywności w wyniku wzrostu ciśnienia uzyskano w przypadku

usuwania detergentów niejonowych. Można to wytłumaczyć akumulacją zanieczyszczeń na powierzchni membrany

wpływającą na poprawę warunków separacji filtracyjnej. Nieco gorsze wyniki dotyczące jakości odzyskanej wody

otrzymano po zwiększeniu temperatury szarej wody (z 25˚C do 38˚C), pomimo że zaobserwowano wzrost strumienia

objętości permeatu. Możliwe, że wzrost temperatury spowodował wzrost wielkości portów membrany, co pozwalało

na penetrację większej ilości zanieczyszczeń przez przegrodę.

Wnioski

1. Ultrafiltracja może być wykorzystana jako prosty i efektywny sposób oczyszczania szarej wody pochodzącej

z prania domowego.

2. Zwiększenie ciśnienia transmembranowego z 2,5 bar do 2,8 bar powodowało zwiększenie strumienia permeatu,

lecz jednocześnie pogorszenie jego jakości wyrażanej wskaźnikiem ChZT i stężenia detergentów niejonowych.

3. Wzrost temperatury z 25˚C do 38˚C spowodował wzrost wielkości strumienia przy jednoczesnym obniżeniu

efektywności oczyszczania.

Literatura[1] LI F. i in., “Evaluation of appropriate technologies for grey water treatments and reuses”. Wat.Sci.Techn-WST.

Vol. 59, 2009, pp. 249-260

[2] NGHIEM L.D. i in., “Fouling in greywater recycling by direct ultrafiltration”. Desalination. Vol. 187, 2006, pp.

283-290,.

[3] RAJCA M. i in., “Application of mathematical models to the calculation of ultrafiltration flux in water treat-

ment”. Desalination. Vol. 239, 2009, pp 100-110,.

135

Wpływ siły odśrodkowej na efektywność

separacji zawiesiny

Jerzy Sawicki – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: separatory wirowe, siła odśrodkowa, ścieki deszczowe

Charakterystyka separatorów odśrodkowych

Separatory odśrodkowe są to urządzenia, w których do wspomagania procesu usuwania zawiesiny wykorzystuje się

siłę odśrodkową. Można je podzielić na następujące kategorie:

• wirówki (centryfugi);

• separatory cyrkulacyjne, a w tym:

– cyklony;

– separatory wirowe.

Przedmiotem badań, prowadzonych w ramach tematu T 8.4 projektu „Innowacyjna Gospodarka”, były m.in. sepa-

ratory wirowe – stosunkowo najsłabiej rozpoznane, a budzące zainteresowanie praktyków, głównie pod kątem ich za-

stosowania do oczyszczania ścieków opadowych. Jest istotne, że o ile cyklony (a w jeszcze większym stopniu wirówki)

bardzo dobrze spełniają swe zadania, to efektywność separatorów wirowych nie jest dostatecznie wysoka. Wyjaśnienie

tej kwestii stanowi jeden z głównych celów tematu badawczego.

Techniczne kryterium funkcjonowania separatora

Graniczny bilans sił

Pracę separatora wirowego, tak jak i większości obiektów technicznych, można opisać stosując metody o różnym

poziomie dokładności – od równań stosunkowo ogólnych, po matematycznie proste relacje o charakterze statystycz-

nym. Uwzględniając wymogi techniki, dla separatora wirowego jako kryterium jego właściwego działania można

przyjąć wymóg, by siła odśrodkowa FO (utrzymująca cząstkę w zbiorniku) nie była mniejsza od sumy sił kierujących

cząstkę ku odpływowi (naporu FN oraz dryfu powierzchniowego FD):

(1)

Warunek ten jest oszacowaniem „od góry” (cząstka, która go nie spełnia, może zostać usunięta, o ile dostatecznie szybko

opadnie na dno), lecz prowadzi do korzystnie prostej zależności roboczej i zapewnia margines bezpieczeństwa obliczeń.

Zestawienie sił

W dalszym ciągu przyjęto, że profile prędkości obwodowej ut(r) i radialnej ur(r) dane są relacjami:

(2)

gdzie współczynnik A wyznaczono z bilansu energii doprowadzonej i rozproszonej:

(3)

W takim przypadku poszczególne siły opisane są relacjami:

(4)


136

(5)

(6)

gdzie: Q – natężenie przepływu, R, H – promień i głębokość separatora, d – średnica wlotu, rw – promień odpływu,

CD – współczynnik oporu cząstki, dC, AC, VC – średnica, przekrój czynny i objętość cząstki zawiesiny.

Robocza postać kryterium

Podstawiając (4, 5, 6) do (1), po wykonaniu prostych przekształceń, otrzymujemy następujący warunek:

(7)

Dyskusja wyników

Relacja (7) stanowi techniczny warunek wstępnej oceny poprawności pracy separatora wirowego. Umożliwia on

przeprowadzanie różnych wariantów obliczeń projektowych, lecz prowadzi także do interesujących konkluzji ogól-

nych, dotyczących wpływu siły odśrodkowej na efektywność separatora wirowego.

W przypadku wody i powietrza prawa strona warunku (7) przyjmuje wartości:

(8)

W świetle tych wartości jest oczywiste, że dużo łatwiej można spełnić wymóg (7) w przypadku cyklonów, niż dla

separatorów wirowych, co tłumaczy wskazaną na wstępie niższą efektywność tych urządzeń.

Literatura[1] Gronowska M.A., Sawicki J.M., „Model prędkości radialnej w separatorze wirowym”, Polska Inżynieria Środo-

wiska, Monografia Komitetu Inżynierii Środowisk PAN, nr 100, Lublin 2012, pp. 195 – 201.

[2] Sawicki J.M., „Transversal Pressure Effect in Circulative Separators”, Archives of Hydro-Engineering and Envi-

ronmental Mechanics No. 1-2/2012, pp.3 – 12.

[3] Stairmand C.J., “The Design and Performance of Cyclone Separators”, Trans. Inst. Chem Eng. No. 29/1951, pp.

356 – 367.


137


Ocena ładunków zanieczyszczeń wnoszonych

do środowiska przez przelewy burzowe kanalizacji

ogólnospławnej

Agnieszka Brzezińska – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected] Bandzierz – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: przelew burzowy, kanalizacja ogólnospławna, emisja zanieczyszczeń

Badania prowadzone w temacie funkcjonowania przelewów burzowych kanalizacji ogólnospławnej dotyczące emi-

sji zanieczyszczeń do środowiska pozwoliły na wstępną ocenę ładunków wprowadzanych do odbiorników wodnych

w zależności od charakteru zjawiska opadowego. Badania składu ścieków z działającego w Łodzi przelewu burzowego

J-1 prowadzone były niezależnie dwoma metodami: przy pomocy skalibrowanego zestawu sond pomiarowych firmy

Hach-Lange mierzących wskaźniki SAK 254 (ChZT), zawiesiny ogólne oraz azot amonowy w trybie on-line z czę-

stotliwością zapisu 1 minuty oraz badań analitycznych próbek ścieków pobieranych automatycznie przez sampler

proporcjonalnie do przepływu. Badania laboratoryjne poszerzono o frakcjonowanie wskaźnika ChZT i zawiesin ogól-

nych w celu określenia ilości związków organicznych oraz ich podatności na rozkład biologiczny. Ponadto w badanych

ściekach oznaczano zawartość fosforu ogólnego, wybrane metale ciężkie oraz podjęto próbę oceny mikrobiologicznej

w zakresie oznaczeń bakterii psychrofilnych, mezofilnych, Escherichi Coli oraz enderococców. Wstępne badania skła-

du ścieków ogólnospławnych prowadzono także na przelewach B-1 oraz J-4 metodą poboru ręcznego i analiz labora-

toryjnych. Poza badaniem składu ścieków podczas pogody mokrej przeprowadzono szereg analiz dla składu ścieków

tworzących tło w okresach pogody suchej umożliwiające przybliżone oszacowanie ładunku spłukiwanego ze zlewni

przypisanej przelewowi J-1. Analizowano również obciążenie hydrauliczne kanału, w szczególności podczas pogody

mokrej, w oparciu o dane pomiarowe pochodzące z trzech przepływomierzy zainstalowanych w komorze przelewu

będących własnością ZWiK w Łodzi oraz jednego własnego.

Dotychczas zgromadzone wyniki badań pozwoliły na wykazanie znacznych różnic w składzie i ładunku ścieków

ogólnospławnych odprowadzanych przelewem burzowym. Zależało to głównie od charakteru zjawiska opadowego

oraz okresu pogody suchej pomiędzy kolejnymi jego aktywacjami. Na uwagę zasługuje fakt występowania znacznych

wartości stężenia badanych wskaźników zanieczyszczeń w przypadku ścieków kierowanych do odbiornika podczas

zjawisk bardzo intensywnych i krótkotrwałych. Szczególnego znaczenia nabierają wyniki uzyskane z pierwszego uak-

tywnienia się przelewu burzowego na sieci ogólnospławnej po okresie zimy, gdzie występują stosunkowo wysokie war-

tości stężenia wskaźników wynikające głównie z zanieczyszczeń wnoszonych ze ściekami opadowymi. Powodowane

jest to znacznym nagromadzeniem się ich na terenie zlewni w czasie zimy i braku w jej trakcie intensywnych opadów

bądź roztopów, które mogłyby powodować częściowe spłukanie tych zanieczyszczeń. Drugim elementem trudnym do

oszacowania jest ilość uwalniających się osadów kanałowych w trakcie ich wymywania przez znaczne masy ścieków

pojawiające się okresowo w wyniku silnych opadów.

Przeprowadzono również analizę występowania tzw. zjawiska pierwszej fali zanieczyszczeń w ściekach kiero-

wanych poprzez przelewy burzowe do odbiorników. W większości analizowanych przypadków zjawisko to miało

miejsce. Stwierdzono jej występowanie dla większości badanych wskaźników. Wielkość pierwszej fali zależała przede

wszystkim od intensywności opadu w pierwszej fazie jego trwania.

Emisja ładunku zanieczyszczeń trafiającego do odbiornika w trakcie aktywacji przelewu burzowego wpływa ne-

gatywnie na odbiornik w wielu aspektach takich jak: walory estetyczne, zagrożenie mikrobiologiczne, pogorszenie

jakości wód odbiornika, stres hydrauliczny, możliwość nadmiernej eutrofizacji. Nadmienić należy również, że są to

czynniki działające zarówno krótko jak i długoterminowo.

Zebrane i opracowane do tej pory wyniki w obrębie funkcjonowania przelewów burzowych są podstawą do stwo-

rzenia bazy wiarygodnych danych, których wymaga model pozwalający na szacowanie emisji ładunku zanieczyszczeń

do środowiska oraz weryfikacji obowiązujących przepisów i wytycznych projektowania przelewów burzowych.

138

notatki

Projekt współfi nansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu operacyjnego Innowacyjna Gospodarka

ksiazka_referaty 2012_v2.indd

Documents

Transcript of ksiazka_referaty 2012_v2.indd